仿真技術在電力系統分析課程教學中的應用

張新聞 李學生

摘 要：電力系統分析是電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，是基礎理論課和專業課的連接紐帶，學好該課程具有重要意義，但現代電力工業技術發展不斷要求補充和更新該課程的教學內容。為了在有限的學時內提高學生學習效率、開拓學生視野，文章以無功補償技術調整母線電壓為例，介紹電力系統仿真技術在教學過程的具體應用方法，對目前課程教學方法和手段進行改進。最后，通過兩屆學生的課堂教學實踐，證實該方法能夠有效調動學生學習積極性，提高教學效果。

關鍵詞：電力系統分析；仿真；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）12-0050-03

Abstract： Power system analysis is a professional basic course of electric engineering and automation， and it's also the connecting link between basic theory courses and specialized courses. So this course is of great importance. However， course content needs to be constantly supplemented and updated with the technology development of modern power industry. In order to improve students' study efficiency and expand their horizons， taking reactive power compensation technology， which can adjust bus voltage， as an example， this paper mainly introduces specific application of power system simulation technology in class teaching， to improve present teaching methods and means. Finally， through classroom teaching practice of two grades' students， it is confirmed that this method can effectively arouse students' learning enthusiasm and improve teaching effect.

Keywords： power system analysis； simulation； teaching reform

電力系統分析作為電氣工程及其自動化專業重要的專業基礎課程，是一門理論性、實踐性和專業技術性很強的課程[1]，其主要教學內容主要有三部分構成：1.電力系統穩態分析，主要包括電力系統元件參數計算和等值電路、電力系統潮流計算、以及電力系統功率平衡與調整；2.電力系統故常分析與計算，主要包括三相短路電流計算和非對稱故障電流計算；3.電力系統穩定性分析，主要包括電力系統靜態穩定性分析和暫態穩定性分析[2]。這些經典內容沒能將當代電力發展的一些新技術融入其中，特別是深刻地改變電力系統的行為的現代電力電子電能變換技術[3]。電力系統分析課程的另一特點是計算量大且較為復雜，要求學生對電路理論和電機學兩門課程有較為深入的理解和掌握。由于新教學大綱對理論課課時較大幅度的壓縮，以及課下一些學生沒有及時鞏固復習，相關知識點掌握不好時容易產生畏難情緒。此外，即使部分同學理論知識掌握較好，但抽象復雜的，對某些知識持懷疑態度[4]。為此，需要對目前電力系統分析課程的教學手段和方法進行改進，提高該課程的教學效果。

本課題通過制作電力系統分析課程主要知識點的電路仿真視頻，將參數計算與具體應用結合，做到理論聯系實際，使教材中冗長枯燥的數學計算變得鮮活和親切。同時，將電力系統實際應用的一些新技術引入課堂教學中，與教材講授的傳統技術手段進行對比，以求開拓學生視野，激發學習興趣，提高學習效率。本文具體以電力系統配電母線電壓調整為例，對仿真技術在電力傳統分析課程教學中的應用進行說明。

一、配電母線電壓調整原理

圖1給出了簡單電力系統的示意圖。圖中，us為系統源端電壓，u為配電母線電壓，T1 和T2分別表示升壓和降壓變壓器，k1、k2分別為T1 、T2的變比，L表示輸電線路的長度。R+jX表示系統輸電線路的等值阻抗，P+jQ為負載等值功率。

近似略去系統阻抗元件的功率損耗和電壓降落的橫分量，則由源端電壓開始推算，可得配電母線電壓為

（1）

由式（1）可知，為維持配電母線電壓滿足用戶要求，可以改變源端電壓Us、變壓器變比k1和k2、輸電線路等值阻抗R+jX和就地補償負荷無功功率Q。從調壓手段對整個系統的影響和經濟成本比較，就地無功補償手段無疑是最優的。

設就地無功補償功率為Qc，補償后配電母線電壓為UL （c），則可得

（2）

綜合式（1）和（2），解得無功補償功率Qc為

（3）

可見，確定變壓器變比后，配電母線電壓偏差與Qc大小密切相關，調整Qc便可實現配電母線電壓的調整，使其保持在合格范圍內。實際應用中，負載無功絕大部分為感性，一般直接將負載無功功率作為無功補償設備的目標功率，即Qc 等于Q。

（一）靜電電容器

教材中普遍介紹的傳統無功就地補償設備主要有同步調相機和靜電電容器。考慮到成本因素，實際應用中普遍采用并聯電容器的技術措施，為此可得并聯電容器容量為

（4）

式中，ω為系統基波角頻率，UL（N）表示配電線路額定電壓。一般情況下，負載無功引起的配電母線電壓偏差經并聯電容器補償后，UL （c）大小與UL （N）基本相等。

由于電容器容量確定后便不可調整，一旦投入，便是全部無功功率，不能根據負載無功功率動態變化自動調節其輸出，負載較輕時可能會造成過補，負載較重時可能會造成欠補，特別是負荷無功功率變化幅度較頻繁時會使并聯電容器重復投切，對配電網穩定運行造成較大的沖擊，工程應用中將電容器分組，也只是一定程度的改善，不能夠從根本上解決此問題。此外，并聯電容器充電時間較長，投入時動態響應速度較慢，且易于系統阻感性元件發生諧振。

（二）靜止同步補償器

靜止同步補償器（STATCOM）具有控制靈活、調節連續、響應速度快、運行范圍寬等優點，對維持節點電壓穩定、阻尼系統振蕩以及提高系統暫態穩定性發揮著重要的作用，現已大量應用于實際工程中。圖2給出了基于靜止同步補償器的無功補償系統示意圖。

圖中，靜止同步補償器由電壓源換流器（VSC）和濾波電感器Lp構成，根據Q的大小，控制VSC逆變輸出的基波電壓uc，使無功補償電流ic跟隨Q。

（5）

理論上它可以使網側功率因數為“1”，且具無功功率有雙向補償功能，不足之處是控制器技術復雜，成本較高，目前還無法全面替代靜電電容器。作為目前無功補償及電壓電壓調整的主流技術，靜止同步補償器主要涉及的理論知識已在前期先修課程電力電子技術和自動控制原理中已講授，在電力系統分析電壓調整知識點對其進行介紹，易于學生理解，但目前大部分教材沒有提及。

二、仿真驗證

以單相為例，設配電母線處輸電線路等效阻抗近似為R+jX=（0.0121+j0.03673）Ω，負載等值功率為P+jQ=（82.7+j117.3）kVA。根據以上參數分別搭建基于并聯電容器和靜止同步補償器的無功補償及配電母線電壓調整系統。

給出了并聯電容器在0.2ms投入系統時相關參數的時域波形，其中（a）為完全補償工況，（b）和（c）分別為過補償和欠補償工況。由圖可知，經補償后，負載無功引起的母線電壓降落基本恢復正常，無功補償電流動態響應時間較長，約2個周波，具體與并聯電容器支路阻尼有關。

（a）完全補償

（b）過補償

（c）欠補償

圖4給出了靜止同步補償器在0.2ms投入系統時相關參數的時域波形。由圖可知，經補償后，負載無功引起的母線電壓降落基本恢復正常，無功補償電流動態響應時間非常快，不到半個周波即可達到穩定狀態。

三、結束語

針對電氣工程及其自動化本科專業理論課課時壓縮，培養目標并未改變的現實情況，本課題充分利用軟件仿真技術，將電力系統分析課程傳統教材的一些內容，以及實際工程中與之相關的新技術，在教學過程中通過錄制的電路仿真視頻，給學生作一介紹，做到理論聯系實際，使教材中冗長枯燥的數學計算變得鮮活和親切，激發學習興趣，提高學習效率。通過兩屆學生的教學試驗，結果證實此項教學改革效果不錯。

參考文獻

[1]任紅衛，劉美.慕課背景下的教學模式變革——以“電力系統分析”為例[J].中國電力教育，2014（31）.

[2]柳晶晶.基于工程教育認證的《電力系統分析》課程教學探索[J].教育教學論壇，2016（19）：102-103.

[3]袁小明，程時杰，胡家兵.電力電子化電力系統多尺度電壓功角動態穩定問題[J].中國電機工程學報，2016，36（19）：5145-5154.

[4]魯明芳.電氣工程虛擬仿真實驗在電力系統分析課程中的應用[J].課程教育研究，2015（25）：228-228.