仿真技術(shù)在電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)中的應(yīng)用

張新聞 李學(xué)生

摘 要：電力系統(tǒng)分析是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是基礎(chǔ)理論課和專業(yè)課的連接紐帶，學(xué)好該課程具有重要意義，但現(xiàn)代電力工業(yè)技術(shù)發(fā)展不斷要求補(bǔ)充和更新該課程的教學(xué)內(nèi)容。為了在有限的學(xué)時內(nèi)提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、開拓學(xué)生視野，文章以無功補(bǔ)償技術(shù)調(diào)整母線電壓為例，介紹電力系統(tǒng)仿真技術(shù)在教學(xué)過程的具體應(yīng)用方法，對目前課程教學(xué)方法和手段進(jìn)行改進(jìn)。最后，通過兩屆學(xué)生的課堂教學(xué)實踐，證實該方法能夠有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析；仿真；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)分析作為電氣工程及其自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門理論性、實踐性和專業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)的課程[1]，其主要教學(xué)內(nèi)容主要有三部分構(gòu)成：1.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析，主要包括電力系統(tǒng)元件參數(shù)計算和等值電路、電力系統(tǒng)潮流計算、以及電力系統(tǒng)功率平衡與調(diào)整；2.電力系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性分析，主要包括電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性分析和暫態(tài)穩(wěn)定性分析[2]。這些經(jīng)典內(nèi)容沒能將當(dāng)代電力發(fā)展的一些新技術(shù)融入其中，特別是深刻地改變電力系統(tǒng)的行為的現(xiàn)代電力電子電能變換技術(shù)[3]。電力系統(tǒng)分析課程的另一特點(diǎn)是計算量大且較為復(fù)雜，要求學(xué)生對電路理論和電機(jī)學(xué)兩門課程有較為深入的理解和掌握。由于新教學(xué)大綱對理論課課時較大幅度的壓縮，以及課下一些學(xué)生沒有及時鞏固復(fù)習(xí)，相關(guān)知識點(diǎn)掌握不好時容易產(chǎn)生畏難情緒。此外，即使部分同學(xué)理論知識掌握較好，但抽象復(fù)雜的，對某些知識持懷疑態(tài)度[4]。為此，需要對目前電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)手段和方法進(jìn)行改進(jìn)，提高該課程的教學(xué)效果。

本課題通過制作電力系統(tǒng)分析課程主要知識點(diǎn)的電路仿真視頻，將參數(shù)計算與具體應(yīng)用結(jié)合，做到理論聯(lián)系實際，使教材中冗長枯燥的數(shù)學(xué)計算變得鮮活和親切。同時，將電力系統(tǒng)實際應(yīng)用的一些新技術(shù)引入課堂教學(xué)中，與教材講授的傳統(tǒng)技術(shù)手段進(jìn)行對比，以求開拓學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。本文具體以電力系統(tǒng)配電母線電壓調(diào)整為例，對仿真技術(shù)在電力傳統(tǒng)分析課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行說明。

一、配電母線電壓調(diào)整原理

圖1給出了簡單電力系統(tǒng)的示意圖。圖中，us為系統(tǒng)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(tǒng)輸電線路的等值阻抗，P+jQ為負(fù)載等值功率。

近似略去系統(tǒng)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(bǔ)償負(fù)荷無功功率Q。從調(diào)壓手段對整個系統(tǒng)的影響和經(jīng)濟(jì)成本比較，就地?zé)o功補(bǔ)償手段無疑是最優(yōu)的。

設(shè)就地?zé)o功補(bǔ)償功率為Qc，補(bǔ)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(bǔ)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(guān)，調(diào)整Qc便可實現(xiàn)配電母線電壓的調(diào)整，使其保持在合格范圍內(nèi)。實際應(yīng)用中，負(fù)載無功絕大部分為感性，一般直接將負(fù)載無功功率作為無功補(bǔ)償設(shè)備的目標(biāo)功率，即Qc 等于Q。

（一）靜電電容器

教材中普遍介紹的傳統(tǒng)無功就地補(bǔ)償設(shè)備主要有同步調(diào)相機(jī)和靜電電容器。考慮到成本因素，實際應(yīng)用中普遍采用并聯(lián)電容器的技術(shù)措施，為此可得并聯(lián)電容器容量為

（4）

式中，ω為系統(tǒng)基波角頻率，UL（N）表示配電線路額定電壓。一般情況下，負(fù)載無功引起的配電母線電壓偏差經(jīng)并聯(lián)電容器補(bǔ)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(diào)整，一旦投入，便是全部無功功率，不能根據(jù)負(fù)載無功功率動態(tài)變化自動調(diào)節(jié)其輸出，負(fù)載較輕時可能會造成過補(bǔ)，負(fù)載較重時可能會造成欠補(bǔ)，特別是負(fù)荷無功功率變化幅度較頻繁時會使并聯(lián)電容器重復(fù)投切，對配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成較大的沖擊，工程應(yīng)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(lián)電容器充電時間較長，投入時動態(tài)響應(yīng)速度較慢，且易于系統(tǒng)阻感性元件發(fā)生諧振。

（二）靜止同步補(bǔ)償器

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）具有控制靈活、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng)速度快、運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，對維持節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定、阻尼系統(tǒng)振蕩以及提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)已大量應(yīng)用于實際工程中。圖2給出了基于靜止同步補(bǔ)償器的無功補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖。

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

（5）

理論上它可以使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為“1”，且具無功功率有雙向補(bǔ)償功能，不足之處是控制器技術(shù)復(fù)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(bǔ)償及電壓電壓調(diào)整的主流技術(shù)，靜止同步補(bǔ)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(shù)和自動控制原理中已講授，在電力系統(tǒng)分析電壓調(diào)整知識點(diǎn)對其進(jìn)行介紹，易于學(xué)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(shè)配電母線處輸電線路等效阻抗近似為R+jX=（0.0121+j0.03673）Ω，負(fù)載等值功率為P+jQ=（82.7+j117.3）kVA。根據(jù)以上參數(shù)分別搭建基于并聯(lián)電容器和靜止同步補(bǔ)償器的無功補(bǔ)償及配電母線電壓調(diào)整系統(tǒng)。

給出了并聯(lián)電容器在0.2ms投入系統(tǒng)時相關(guān)參數(shù)的時域波形，其中（a）為完全補(bǔ)償工況，（b）和（c）分別為過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償工況。由圖可知，經(jīng)補(bǔ)償后，負(fù)載無功引起的母線電壓降落基本恢復(fù)正常，無功補(bǔ)償電流動態(tài)響應(yīng)時間較長，約2個周波，具體與并聯(lián)電容器支路阻尼有關(guān)。

（a）完全補(bǔ)償

（b）過補(bǔ)償

（c）欠補(bǔ)償

圖4給出了靜止同步補(bǔ)償器在0.2ms投入系統(tǒng)時相關(guān)參數(shù)的時域波形。由圖可知，經(jīng)補(bǔ)償后，負(fù)載無功引起的母線電壓降落基本恢復(fù)正常，無功補(bǔ)償電流動態(tài)響應(yīng)時間非常快，不到半個周波即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

三、結(jié)束語

針對電氣工程及其自動化本科專業(yè)理論課課時壓縮，培養(yǎng)目標(biāo)并未改變的現(xiàn)實情況，本課題充分利用軟件仿真技術(shù)，將電力系統(tǒng)分析課程傳統(tǒng)教材的一些內(nèi)容，以及實際工程中與之相關(guān)的新技術(shù)，在教學(xué)過程中通過錄制的電路仿真視頻，給學(xué)生作一介紹，做到理論聯(lián)系實際，使教材中冗長枯燥的數(shù)學(xué)計算變得鮮活和親切，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。通過兩屆學(xué)生的教學(xué)試驗，結(jié)果證實此項教學(xué)改革效果不錯。

參考文獻(xiàn)

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