面向獨立有限容量的“電力系統分析”教材建設研究

摘要：為滿足新增電力工程及其自動化專業建設需求，對以裝備電力系統為對象的“電力系統分析”課程教材建設展開研究，首先分析指出國內現有教材存在的針對性不強和部分內容缺失的問題；然后從裝備電力系統構成角度出發，構建了涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電、儲電和管電七個部分的課程體系；最后，提出了涵蓋原理級驗證實驗功能、仿真級創新實驗功能、工程級設計實驗功能于一體的教研一體化仿真資源平臺，經課堂教學實踐檢驗，收效良好。

關鍵詞：電力系統分析；獨立；有限容量；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0021-02

一、教學內容改革的必要性

目前軍械工程學院（以下簡稱“我院”）“電力系統分析”課程采用由孟祥萍主編、高等教育出版社出版的《電力系統分析》。[1]該教材基于電力院校的“電力系統分析”課程教學內容，為了滿足學時減少的教學要求，精簡后編寫而成；以公用電網無限大容量電力系統為對象，圍繞著潮流計算、系統有功和無功功率最優分布和系統受到干擾后能否維持穩定運行等方面展開，著重于輸電網絡的分析與計算。[2]

我院的電力工程及其自動化專業人才培養目標是為大型復雜武器裝備培養電力保障人才，面向的是獨立、有限容量電源供電系統，該系統特征決定了“電力系統分析”課程的教學內容以系統運行狀態評估、電源與武器裝備動態過程的關聯特性分析為重點，具體體現于系統電磁量和機械量的振蕩調整分析等方面。現有出版教材存在針對性不強和部分內容缺失的問題，亟需開展教材建設研究，以滿足專業人才培養需求。[3]

二、教材建設研究

1.定位課程教學內容

以某裝備電力系統構成為例，如圖1所示。

該系統主要是以交流中頻220V/400Hz為基礎的供電體制，除向相關系統供電外還可由電源變換器、靜止變流器轉換成直流27.5V、單相115V/400Hz和單相220V/50Hz的交流電，用以滿足多種用電設備的需要。可見其屬于獨立、有限容量電源供電系統，同樣具有發電、輸電、變電、配電、用電五個環節，考慮到勵磁系統在電能調整中的重要作用，需要新增包括勵磁系統的管電環節，為了使得電能質量在系統的頻繁振蕩調整中得到保證，還需新增儲電環節，系統結構特征明顯區別于民用電力系統。

綜上所述，構建“電力系統分析”課程體系，需要正確處理繼承與更新之間的關系，一方面保留以往教材的發電、輸電、變電、配電、用電部分的共性內容并加以改造，另一方面遵循“教學與科研結合，科研服務教學”的教研相長理念，開展科學研究并適時將科研成果轉化為教學資源增補管電、儲電兩部分內容，對教學內容進行更新；最終形成涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電、管電、儲電七個組成部分的課程體系。重新定位系統各個環節的教學內容如下。

（1）元件建模內容

1）發電、管電環節：裝備電力系統電源采用的是內燃機發電機組，發電機結構形式以凸極式為主，因此教學內容包括abc坐標下同步電機有名值方程、派克變換、dq0坐標下同步電機有名值方程、d軸和q軸等值電路、運算電抗及實用參數和同步電機實用模型，[4]其中，由于有限容量電力系統結構形式簡單、容量小，一般采用有名值計算，對標幺制弱化處理，對凸極式發電機數學模型予以重點講解，運算電抗及實用參數作為新增重點內容。新增勵磁系統數學模型[5]作為管電環節的主要組成部分。

2）輸電環節：裝備電力系統各個組成部分之間主要采用電纜連接，結合電力系統仿真軟件PSCAD中的電纜模型說明其結構與建模方法，刪除架空輸電線路模型的相關內容。

3）變電、配電環節：由于系統用電設備種類多、電壓制式多樣，因此配備了較多的電能變換裝置，變壓器的數學模型以小容量變壓器為主，電能變換裝置包含整流器、逆變器工作原理和數學模型的建立方法。[4]

4）儲電環節：介紹超級電容器、飛輪儲能等新型儲能裝置。[6]

5）用電環節：感應電動機作為主要的用電設備，包含感應電動機的運動方程、恒速投入系統時三相感應電動機電磁暫態、感應電動機起動過程動態分析、突加負載時感應電動機動態過程和感應電動機瞬間斷電重新投入系統時的動態過程分析。[7]

（2）系統建模內容。結合裝備電力系統存在較多電能變換裝置的特點，以變頻器供電時交流電動機的運行分析作為系統分析側重點，包含變頻器供電的特點、方波變頻器供電時三相感應電動機的運行分析和脈寬調制變頻器供電時感應電動機的運行分析等；[7]同時，本著“教學出題目、科研做文章、成果進課堂”[8，9]的教研相長理念，將科研成果引入課堂，靈活應用MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等多種仿真軟件開展案例教學，改進教學方法。

1）案例教學一：柔性配電技術在軍用供電系統中的應用仿真研究。[10]

提出問題：野戰條件下的武器裝備強調可靠性、機動性、維修性等指標，我國軍用配套移動電站在設計時形成了“重發輕供”的思想。隨著高技術化、大型復雜武器系統電氣化、信息化程度的不斷提高，基于計算機、微處理器控制的信息設備和電力電子設備在武器系統中大量投入使用，它們對系統干擾比傳統的機電設備更加敏感；同時，畸變電壓、諧波等電能質量指標惡化會使得燃油損耗增加，機組壽命降低。系統作戰效能對其供電平臺—電站的依賴作用不斷增大，為此類裝備提供優質電力支持成為配套軍用電站面對的新課題。

分析問題：柔性配電技術（D-FACTS）是改善低壓電網運行特性的有力工具，將其應用于軍用供電系統，可以改善電能質量，保證用電裝備的特殊要求，提高電力保障水平。

解決問題：利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC軟件建立系統仿真模型并演示。運行系統模型，從仿真運行結果曲線上對比分析有無DSTATCOM裝置時系統側電壓和電流的變化情況，主要從野戰電力支持環境下需要滿足的軍用標準GJB 235A-97中的瞬態電壓調整率、電壓穩定時間的瞬態性能指標兩個方面進行比較分析。從仿真運行曲線可以明顯看出，配置DTATCOM裝置后，在維持系統電壓穩定，減小諧波電流方面效果明顯。

展望：在軍用移動電站供電的場合，DSTATCOM裝置配合作為獨立發電系統模塊的異步發電機取代發電機的方案在可維護性等方面具有較大優勢，可以通過進一步完善DSTATCOM裝置的控制系統以適應新需求。

2）案例教學二：內燃機驅動的自激異步發電系統建模仿真研究。[11]從學科專業方向之一的自激異步發電出發，引入內燃機驅動自激異步發電系統建模仿真研究成果，使得學生了解學科前沿。

提出問題：籠型異步發電動機具有結構簡單、堅固、價廉、易維護等突出優點，在風能、太陽能等可再生能源發電過程中的應用越來越廣泛。尤其在飛機、艦艇、野戰電力支持等獨立供電系統中的作用日益突出。軍用移動電源多采用內燃機作為原動機，不同于風能、太陽能等能源形式。太陽能、風能受自然條件影響較大，能量密度小，不便于野戰條件下的快速展開和撤收。因此只適用于特定條件和地點，普適性較差。內燃機作為原動機是我軍常備的軍用電源，不存在風能、太陽能等使用條件的限制，裝備范圍廣，具有豐富的使用經驗。過去，對軍用電站偏重于保養、維修，在理論分析和決策支持方面有所欠缺，因此，采用界面友好，功能強大的MATLAB軟件建立內燃機電站仿真模型以滿足進一步科學研究進行決策支持的需要。

分析問題：基于MATLAB/SIMULINK軟件對小型內燃機、異步發電動機進行建模，構建內燃機驅動的自激異步發電系統，對其運行特性進行了仿真研究。

解決問題：基于MATLAB/SIMULINK軟件建立異步發電動機仿真模型，針對采用的籠型異步電動機數據，確定了M文件中異步發電機模型中的相關參數；詳細說明四沖程內燃機在MATLAB軟件下的建模實現過程和原理；建立以內燃機為原動機的自激異步發電系統。運行系統模型，對投入阻性變化負荷時的原動機轉速、轉矩和異步發電動機的電壓、電流和功率的變化情況進行分析，從仿真運行結果曲線上可以看出，接入負載時，系統有明顯調整過程，并對比分析有無原動機時電壓的變化情況，驗證模型正確性。

展望：該項研究為實際內燃機驅動的自激異步發電系統研制提供了強有力理論依據。

3）實驗條件建設：電能補償與控制動態模擬實驗系統開發構建。[12]依托于實驗室建設項目，構建了市電、混合能源供電的單母分段三級動態模擬實驗系統，實現了負載形式的典型、多樣化，兼顧了實驗和科研的需要；通過靈活調整配電系統結構和參數，模擬了不同地區環境下系統特性變化情況，并且為系統特性分析提供了實物模擬手段；適應了新形式下裝備供電保障的發展趨勢，使實驗條件更加先進；為仿真理論研究轉化為裝備研制提供了實驗條件平臺，為本科學員的專業課程學習提供了實驗條件，為碩士研究生的培養提供了科研環境手段。

2.開發構建教研一體化仿真資源平臺，豐富教學手段，提高教學質量

以新增“電力工程及其自動化”專業建設為背景，在有效利用現有軟件資源的基礎上，對系統關鍵元件開展建模仿真研究，實現原理級驗證實驗功能、仿真級創新實驗功能、工程級設計實驗功能的教、研創新平臺綜合實驗體系，內容涵蓋理論驗證、關鍵技術仿真、系統設計等，以能力培養為核心，以“原理—技術—系統”為主線，構建多層次、多模塊的創新教、研體系。仿真資源平臺功能實現如圖2所示。

三、結論

“電力系統分析”課程教學內容與教學方法經上述改革實踐后，達到了緊貼裝備教學的目的，滿足了裝備電源人才培養需求，豐富了電力系統及其自動化學科專業建設內涵，裝備電力系統教研一體化仿真資源平臺經教學實踐檢驗，學生對課程中的抽象理論及其應用加深了理解，收效良好。

參考文獻：

[1]孟祥萍，高嬿，電力系統分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]黃麗華，劉偉娜，趙秋霞，等.農業院校《電力系統分析》課程教學改革探索[J].河北農業大學學報，2007，9（1）：111-112.

[3]馬偉明.艦船動力發展的方向——綜合電力系統[J].海軍工程大學學報，2002，14（6）：1-5.

[4]倪以信.動態電力系統的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]鞠平.電力系統建模理論與方法[M].北京：科學出版社，2010.

[6]李旭光.車輛、航海、航空、航天運載工具電力系統[M].北京：機械工業出版社，2011.

[7]湯蘊璆，張奕黃.交流電機動態分析[M].北京：機械工業出版社，2008.

[8]張嶺，張勇，劉金寧，等.橫向關聯教學在“電路分析”課程中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2013，25（1）：161-166.

[9]張嶺，邵天章，楊潤生，等.“電路分析”課程關聯教學探析[J].電氣電子教學學報，2013，34（4）：43-45.

[10]張嶺，邵天章，楊潤生，等.柔性配電技術在軍用供電系統中的應用仿真研究[J].電源技術，2012，36（2）：271-274.

[11]張嶺，邵天章，栗彥輝，等.內燃機驅動的自激異步發電系統建模仿真研究[J].工礦自動化，2011，37（5）：49-54.

[12]張嶺，趙錦成，解璞，等.電能補償與控制動態模擬實驗系統開發構建[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：46-49.

（責任編輯：王意琴）