從工程仿真實踐角度加強(qiáng)電氣類課程教學(xué)改革的思考

劉子文 張 犁

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 江蘇·南京 211100）

當(dāng)前，電氣工程類本科教學(xué)通常以教師課堂集中教學(xué)為主，對于具有較強(qiáng)工程背景的專業(yè)選修課，學(xué)生很難對所學(xué)對象產(chǎn)生直觀的印象和認(rèn)知[1]。以選修課《高壓直流輸電》為例，通常會開展高壓直流輸電系統(tǒng)的基本背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備、控制保護(hù)方式等方面的教學(xué)，但若只以傳統(tǒng)PPT的方式進(jìn)行知識點的單方向講授，學(xué)生所能掌握的只是高壓直流輸電系統(tǒng)模糊認(rèn)知下概念點的拼湊。而在電氣工程實際專業(yè)領(lǐng)域，直流輸電工程的建設(shè)其實為專業(yè)課的講授提供了大量素材，借助直流輸電工程的電磁暫態(tài)仿真，可以加深學(xué)生對直流輸電系統(tǒng)的直觀認(rèn)識，強(qiáng)有力推進(jìn)電氣工程學(xué)科課程教育的改革探索。以下從高壓直流輸電系統(tǒng)的理論教學(xué)任務(wù)和工程仿真實踐的對應(yīng)關(guān)系展開闡述。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)的理論教學(xué)任務(wù)

（1）教學(xué)目標(biāo)：高壓直流輸電是利用電力電子技術(shù)對電能進(jìn)行變換和傳輸?shù)囊婚T跨學(xué)科技術(shù)。高壓直流輸電系統(tǒng)由換流站和架空輸電線路組成，通過送端換流站將三相交流電整流成直流電，然后通過架空輸電線路送往另一端并轉(zhuǎn)換成三相交流電。其經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性方面優(yōu)點突出，主要應(yīng)用于大功率遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電、非同步交流系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)等方面。

通過本課程的學(xué)習(xí)，理解直流輸電技術(shù)的新發(fā)展，理解高壓輸電技術(shù)的基本概念、構(gòu)成與分類，高壓輸電技術(shù)的特點及使用場合，了解高壓輸電技術(shù)在我國的發(fā)展與未來的發(fā)展規(guī)劃；了解高壓輸電技術(shù)的主要電氣設(shè)備，理解輸電系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)備的分類、特點。了解常規(guī)電網(wǎng)換相高壓直流輸電的控制與保護(hù)措施。

（2）教學(xué)內(nèi)容：①高壓直流輸電的構(gòu)成、特點：高壓直流輸電的概念、分類、構(gòu)成以及高壓直流輸電的特點及適用場合。主要知識要點包括：長距離直流輸電、背靠背直流輸電、直流單極輸電、導(dǎo)體回流方式、主流雙極輸電、多端直流輸電。②高壓直流輸電的發(fā)展：高壓直流輸電歷史與國內(nèi)、國外發(fā)展情況以及直流輸電技術(shù)的新發(fā)展。主要知識要點包括高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展、國外高壓直流輸電的代表性案例、高壓直流輸電在我國的發(fā)展。③高壓直流輸電的系統(tǒng)的主要設(shè)備：高壓直流輸電的換流裝置、換流變壓器、平波電抗器的作用。主要知識要點包括：高壓直流輸電換流裝置中的器件、換流閥、換流單元的接線方式；換流變壓器的功能與特點、型式、接入閥庁的方式；平波電抗器的功能和型式。④高壓直流輸電的系統(tǒng)的諧波及其無功補(bǔ)償：高壓直流輸電諧波的基本問題，特征諧波與費(fèi)特征諧波，交、直流濾波器的設(shè)計、無功補(bǔ)償裝置和功率因素。高壓直流輸電的無功補(bǔ)償裝置、濾波器的特點和作用。主要知識要點包括：高壓直流輸電無功補(bǔ)償裝置的功能、類型，無功補(bǔ)償容量的確定；濾波器的類型、交流與直流濾波器的特點；無功補(bǔ)償裝置以及無功補(bǔ)償裝置的控制。⑤高壓直流輸電線路：高壓直流輸電架空線路的運(yùn)行特性、參數(shù)選擇以及工程實例的講解。主要知識要點包括：架空線路的運(yùn)行特性和參數(shù)選擇，直流輸電線路的發(fā)展和應(yīng)用。⑥高壓直流系統(tǒng)的控制：高壓直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行控制、故障控制、繼電保護(hù)控制的原理和要求；高壓直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行控制、故障控制、繼電保護(hù)控制的原理和要求。主要知識要點包括：分層控制模式和基本控制要求，功率控制、頻率控制等。基本的脈沖觸發(fā)控制方式、極控系統(tǒng)、直流站控系統(tǒng)和交流站控系統(tǒng)。

圖1：整流側(cè)雙12脈動換流系統(tǒng)串聯(lián)單元之一

圖2：雙極運(yùn)行整流側(cè)和逆變側(cè)仿真波形

2 高壓直流輸電系統(tǒng)的工程仿真實踐

本文采用廣泛使用的PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件為平臺[2]進(jìn)行仿真實踐。該平臺由曼尼托巴大學(xué)(University of Manitoba)開發(fā)擴(kuò)展而成。其核心仿真算法程序是EMTDC，界面顯示由PSCAD完成。通過EMTDC和PSCAD組合可以將仿真結(jié)果可視化顯示，便于研究人員能夠方便使用 EMTDC程序進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的相關(guān)仿真模擬并進(jìn)行可視化結(jié)果顯示，同時對結(jié)果進(jìn)行分析和處理等。目前，PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件被廣泛用于直流輸電的相關(guān)工程建模、電磁暫態(tài)仿真、電能質(zhì)量分析等領(lǐng)域。本文以從內(nèi)蒙古到山東的扎魯特-青州±800kV特高壓直流輸電工程[3]為例，搭建其電磁暫態(tài)仿真模型，從而說明采用直流輸電工程電磁暫態(tài)仿真在加深學(xué)生對直流輸電系統(tǒng)直觀認(rèn)識方面的有效性。

扎魯特-青州±800kV 特高壓直流輸電工程是世界上首批電壓等級±800千伏、額定輸送功率1000萬千瓦的特高壓直流工程。根據(jù)扎魯特-青州±800kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)工程實際運(yùn)行的參數(shù)，可以運(yùn)用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立相應(yīng)的整流站、逆變站、濾波器、交流系統(tǒng)、輸電線路等電磁仿真模型。該工程采用雙極雙12脈動換流器的運(yùn)行方式，整流站和逆變站均采用了兩個12脈動換流閥串聯(lián)連接的方式，整流側(cè)雙12脈動換流系統(tǒng)串聯(lián)單元之一見圖1。

在該仿真模型，整流側(cè)的換流器采用了定電流控制和最小整流角控制方式[4]，其中，定電流控制環(huán)節(jié)可以通過比例積分調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)的直流電流快速跟蹤其額定值，從而能夠保證直流電流維持在給定的范圍內(nèi)。而逆變側(cè)的換流器則采用定電流和定關(guān)斷角控制的方式來維持直流電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，同時為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，一般會配置低壓限流、過電壓限制等環(huán)節(jié)。從整個系統(tǒng)的設(shè)備組成來看，其模型主要包括一次設(shè)備和二次控制系統(tǒng)。其中，一次設(shè)備包括整流站和逆變站、架空型直流輸電線路、濾波器、平波電抗器和接地極等，而控制系統(tǒng)主要為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)等。根據(jù)扎魯特-青州直流工程的相關(guān)參數(shù)，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺對模型運(yùn)行進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示，從上到下依次為整流側(cè)和逆變側(cè)交流電壓，正負(fù)極直流電壓，正負(fù)極直流電流和系統(tǒng)傳輸功率。從仿真結(jié)果可以看出，直流輸電系統(tǒng)在雙極運(yùn)行時的交流系統(tǒng)電壓可以穩(wěn)定運(yùn)行在500kV，直流電壓實際值基本也維持在800kV，直流電流達(dá)到6.25kA，輸送功率達(dá)到10000MW，可見本仿真在運(yùn)行時的電壓、電流值與扎魯特-青州特高壓直流輸電工程雙極運(yùn)行的額定電壓、額定電流的基本一致。

3 結(jié)論

從以上理論教學(xué)任務(wù)安排和工程仿真實踐結(jié)果來看，《高壓直流輸電》是一門具有較強(qiáng)工程背景的專業(yè)選修課，結(jié)合直流輸電工程的電磁暫態(tài)仿真模型和結(jié)果，可以有效提高學(xué)生在高壓直流輸電系統(tǒng)的基本背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備、控制保護(hù)方式等方面的認(rèn)知程度，克服傳統(tǒng)PPT單方向授課形式的問題。因此，在類似的電氣工程專業(yè)選修課中，可以借助專業(yè)工程建設(shè)案例作為專業(yè)課的講授輔助演示素材，進(jìn)一步加深學(xué)生對專業(yè)課相關(guān)知識點的直觀認(rèn)識程度，從而強(qiáng)有力推進(jìn)電氣工程學(xué)科課程教育的改革探索。