研究生柔性輸電技術課程教學模式改革與探究*

羅振鵬 楊寶峰 賈海媛

（內蒙古工業大學電力學院 內蒙古呼和浩特 010051）

柔性輸電技術需要對電力電子技術各種電能變換有深入理解，對電能變換控制有很好的把握，同時需要對電力系統潮流及電網動態和穩態調控技術手段需要深層次掌握，最終需要把三部分知識能夠很好地融會貫通，才能理解《柔性輸電技術》本門課程內容，電力電子技術對電網的調控目標及如何通過電力電子技術手段自動控制實現電網快速的潮流控制。一般存在這樣矛盾：學電力系統的學生大部分對電力電子技術和自動控制技術欠缺，學電力電子技術的學生又對電力系統理解比較欠缺。如何能夠把兩部分知識深入把握，實現本課程教學是目前本門課程研究生教學中難點，特別是柔性交流輸電技術中針對電網不同指標和參數控制，有很多種類電力電子變換裝置，如何能夠很好理解和掌握本部分知識也是關鍵[1-3]。在多年研究生課程教學中，逐漸摸索出一套采用四步層層遞進教學模式：首先采用提出問題，啟發式思考和探索，提升理論知識；其次采用仿真技術，通過自動控制技術直觀地圖形化理解不同裝置工作特性，控制模式，參數設置等多層次和多方位把握[4]；再次利用電能傳輸與控制的自治區重點實驗室，實驗風力發電、光伏發電、儲能電池、柴油發電機、大電網，線路模擬阻抗一體化實驗，深入掌握新能源并網發電，儲能調節技術，電能傳輸一體化調控策略，更進一步加深理解和掌握本課程；最后每位研究生查閱一個本課程相關前沿課題，通過查閱相關文獻書寫報告，講解并一起討論，達到短時間內共享成果，每位同學收獲最大化。

一、問題引入，啟發式教學探究模式

本課程按照設計內容分為器件，常規直流輸電，柔性交流輸電，柔性直流輸電，柔性配電系統5大版塊，每個版塊內分若干個模塊，每個模塊設計若干個問題，通過工程案例引入發現問題，分析問題關鍵所在，涉及問題在本課程中是如何解決，最后得到理論提升。

從圖1可知：本課程涉及電力電子技術在電網中應用拓撲結構較多，為了方便掌握歸類成5大版塊教學內容，從拓撲結構，工作原理，電網調控，控制模式，工程案例幾個方面入手，采用引入問題，探究解決方案，對比相關電網調控拓撲，突出各自特征。

圖1 課程五大部分教學內容

1.提出問題深入思考，解決問題，提升高度

如在引入輸電理論中，首先提出如下若干問題：為什么采用特高壓直流輸電或特高壓交流輸電技術？應用這兩種輸電技術解決什么技術難題？新能源發電為什么會出現棄風棄光現象？為什么全國連接成一張大電網？其目的和意義是什么？而且不同區域聯網采用直流背靠背的結構而不采用交流并聯入網原因是什么？我國能源戰略是西電東送，疆電外送，全國聯網的意義是什么？如何才能實現我國能源優化資源互補，提高清潔能源的占比？這些問題首先讓學生思考，查閱資料，然后分小組討論，最后匯總給出合理的結論。

從圖2可知：我國西部能源產地，東部能源消耗地，將西部電能輸送到東部必須實現遠距離，大功率輸電，這樣必須采用高壓輸電技術。解決遠距離高電壓大功率輸電技術兩種技術方案：高壓直流輸電和高壓交流輸電。只有將全國電網連成一張網，才能實現資源優化配置，夏季和秋季豐水期讓水力發電多發，減少火力發電，減小環境污染，達到節能減排，冬季和春季枯水期，讓新能源和火力多發。由于新能源間歇性特征，維持一定比例火力發電，達到資源優化配置，推進節能減排目標實現，促進不同地區能源合理利用，達到區域協調發展。兩個交流電網區域聯網采用直流背靠背，而不采用交流并網，目的是提高區域電網穩定性，達到聯網后整體電網可靠性提高[5-6]。

圖2 國家能源戰略

通過這種啟發式教學引導，能夠逐級式引導到課程核心知識點，提升學生理論水平和課程興趣，達到學生學有所獲的目的，本課程采用這種教學方式獲得了一致教學好評。

2.對比式教學，突出重難點，深入理解各自特征和工程應用場景

為了講明白大容量遠距離高壓輸電的4種方案，設計了圖3不同方案對比，從圖中對比說明每種輸電核心所在，每種方案區別于其他幾種的特征，工程應用場景，每種內拓撲結構，在輸電技術中優劣點，這樣能夠很好地理解柔性輸電技術涉及4種輸電技術。

圖3 大容量高電壓輸電四種方案

FACTS技術是一個龐大的集合，涉及很多電力電子裝置，每種都能對電力系統進行相應的電網參數調控，而有些在調控上效果相同，但是特性不同，工程中性價比相差較大，將容易混淆的列表，如表一，幾種逐一進行對比工作特性，拓撲結構，工作原理，優缺點，達到對本部分知識的消化吸收。

如表1中SVC和STATCOM，兩者都能夠進行動態無功補償，但是兩者在補償無功時外特性和無功電壓特性不同，通過圖4 U-I和U-Q工作特性對比，逐一理解兩者工作區間，無功動態補償能力，工程上性價比，這樣能夠很好地理解在電力系統中兩者如何在電力系統中根據實際情況進行配置，培養理論指導實踐的能力。

表1 重點對比電能調控裝置

圖4 SVC與STATCOM無功補償特性對比工作特性圖

3.每一種FACTS技術都從共性出發，把握個性特征

對于FACTS技術，每一種具體裝置分別從拓撲結構、工作原理、工作特性、控制模式、工程應用，案例分析多個方面理解裝置共性的問題，掌握裝置獨有的特性。突出理論分析，把握對電網調控的關鍵參數與控制動穩態特性，深入理解其應用環境及局限性。如STATCOM和SVC無功補償不同；UPFC，BESS，SMES，SVG功率控制型裝置對電網潮流控制的不同；高壓串聯補償和高壓并聯補償對電網控制不同；從電網送端和受端輸送有功和無功傳輸原理出發，對潮流達到快速控制需求深入理解功率控制型裝置的控制模式。

二、計算機仿真技術在本課程仿真中應用

第一步已經打好理論基礎上，通過仿真模型搭建，在理論基礎上更深入進行仿真分析各裝置工作機理，控制特性，邏輯關系，時序觸發，外特性。進一步從仿真角度直觀地分析，深入理解開環下工作機理，閉環下自動控制，實現獨特的各裝置功能。由于本課程涉及各種FACTS裝置和各種輸電技術比較多，每個都是一個比較龐大的系統，學生在上課期間短時間內很難搭建完成；有的甚至是研究生的研究課題，在上課期間很難深入理解；而且涉及很多交叉知識，學生難以貫通。針對這一情況，課程組通過多年課下模型搭建和調試，已經搭建出了大部分的本課程仿真模型，進行了適當的封裝，學生只需改變局部參數就能進行相關仿真運行，能夠分析工作特性、波形特征、控制模式，能夠更深入地把握本課程的內容。

針對不同研究生應用仿真軟件不同，課程組在matlab，pscad，RTDS仿真工具下，搭建了每種仿真軟件下仿真模型，通過更改相關工作特性參數來深入領會工作原理，理解在輸配電技術中良好的電能控制特性，通過仿真波形分析，直觀深入地分析相關原理，進一步提高理論水平，為后續課題研究打下堅實的基礎。

通過動模實驗，理論聯系實際，能力達到升華，進一步提升認識水平

學院擁有2000多萬的一整套自治區電能傳輸與控制動模實驗室，在該實驗室可以進行風力發電、光伏發電、儲能系統、柴油機發電、大電網系統、線路阻抗模擬系統，可以進行現代電網，新能源并網傳輸電能輸電系統的相關各種潮流控制實驗。

圖5為電力系統新能源發電動模實驗主接線圖，從圖上可以看到，可以進行若干種類靈活的電源組合來實現電能的傳輸與控制，特別是各種新能源與儲能動模實驗，對課程中涉及理論知識進行相關的實驗驗證，提升理論與實踐的能力，促進分析問題與解決問題的工程實踐能力。

圖5 電力系統新能源發電動模實驗圖

圖6為電力系統輸電動模實驗主接線圖，可以模擬多組無窮大電源和汽輪發電機及風力發電機的并網及電能的傳輸與控制，靈活模擬500KV和220KV線路的電能傳輸與控制，可以進行多電源并網的交流輸電系統實驗，達到學生理論聯系實際，理論指導實際，通過實驗深入體會課程中涉及相關知識，提升能力。

圖6 電力系統輸電動模實驗圖

三、文獻查閱，把握前沿動態，夯實課題應用

針對每位研究生研究課題，給每位研究生設定前沿課題，通過幾周查閱文獻，做成PPT，在規定時間內進行講解，師生間互相質疑與問答。通過翻轉課堂形式，學生間互相交換想法，使每位同學既研究自己相關課題，又能學到多方面知識，將PPT和閱讀文獻共享，學生可以下載感興趣的知識，短時間內消化吸收，達到每個人集中精力查閱自己相關部分，又能通過共享獲得他人的成果，達到很好的教學效果。

表2就是列舉部分相關課題，每年都會精選若干個前沿題目，從開始上課布置給學生，在課程進度到每一個相關知識點時，進行反轉課堂教學，學生真正參與到本課程教學活動中，得到很好的教學效果。

表2 前沿課題布置題目

結語

為了能夠把本課程內容由書本理論轉化到研究生可掌握知識，最后升華到研究生分析問題、解決問題能力，采用了啟發式探究教學，引導學生進行思考，提升分析問題和解決問題能力；通過采用搭建模型仿真與動模實驗，引導學生由理論到實踐，將書本知識轉化成為自己能力；采用對比式教學，加強知識點的邏輯體系，使知識點內沿與外涵進行很好掌握。打亂教材章節安排，將課程知識點分成大功率器件理論，現代電網新型發電技術（新能源發電與常規發電），大功率高電壓大容量輸電技術（高壓交流輸電，高壓直流輸電，柔性交流輸電技術，柔性直流輸電技術）和柔性配網技術版塊，每一版塊包含電力電子技術在電力系統中應用的拓撲與裝置，從多角度、多方面提升學生知識與能力，得到良好的教學效果。