“雙碳”目標下的“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程教學改革與探索

林克曼 吳峰

【摘要】“碳中和、碳達峰”的雙碳發(fā)展目標是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是促進我國能源行業(yè)轉型發(fā)展的重要指導方針。為了滿足國家戰(zhàn)略需求，提高電氣工程專業(yè)的學生對未來行業(yè)發(fā)展的適應性，為國家培養(yǎng)電力行業(yè)所需的復合型人才，對專業(yè)主干必修課程的改革刻不容緩。本文以“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程為例，從教學方式、教學方法、課程實踐三方面進行探索，通過理論與仿真實驗相結合、理論與專業(yè)實踐環(huán)節(jié)相結合的方式，提高學生自主學習的積極性，同時提高課程與“雙碳”發(fā)展目標的鍥合度，為我國電力行業(yè)人才培養(yǎng)提供有價值的參考。

【關鍵詞】雙碳? 電力系統(tǒng)暫態(tài)分析? 多維度教學模式

【基金項目】國家自然科學基金青年基金資助項目（5210070124）。

【中圖分類號】G642;TM711-4? ? ? ? ?【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）22-0171-02

1.引言

進入21世紀，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展方式的轉變，堅持節(jié)約能源和保護環(huán)境已成為一項基本國策，作為經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎，現(xiàn)代能源體系是我國經(jīng)濟高質量和可持續(xù)發(fā)展的支撐和保證。目前，我國能源結構向著綠色、低碳、節(jié)約和高效方向轉型，大力發(fā)展可再生能源是我國以更經(jīng)濟的方式，實現(xiàn)更高水平綠色發(fā)展的重要途徑之一。

2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，支撐“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭與2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[1]。我國提出的“2030前碳達峰，2060前碳中和”，被稱為“雙碳”發(fā)展目標，也是構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)重要發(fā)展路徑[2]。隨著“雙碳”目標的提出，多家能源企業(yè)規(guī)劃了自身實現(xiàn)碳中和的時間表和路線圖，全力打造新能源支撐的能源產(chǎn)業(yè)結構，積極實施節(jié)能減排，保障新能源高水平消納利用。

“雙碳”作為我國能源電力行業(yè)的重要發(fā)展目標和必然趨勢，將對行業(yè)相關人才提出新的要求。“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”是電氣工程專業(yè)的重要核心課程之一，內容涵蓋同步發(fā)電機模型，電力系統(tǒng)對稱及不對稱故障分析和計算，電力系統(tǒng)穩(wěn)定等，課程理論性強，與實踐結合緊密[3]。“雙碳”發(fā)展目標給電力行業(yè)帶了了新的機遇和挑戰(zhàn)，也對電氣工程專業(yè)學生培養(yǎng)提出了新要求。如何基于“雙碳”發(fā)展目標，豐富專業(yè)主干課程的教學內容和教學方法，理論與實踐相結合，培養(yǎng)符合新形勢下行業(yè)需求的電氣領域人才已刻不容緩，也是“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程改革與探索的目標和意義。

本文以“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程為對象，從教學內容、教學方法和實踐環(huán)節(jié)三方面著手，融合現(xiàn)代信息技術手段，在課程教學中應用先進的電力系統(tǒng)仿真軟件，探索“雙碳”目標下的課程改革與發(fā)展方向。通過教學內容更新、教學方法數(shù)字化改革以及實踐環(huán)節(jié)與課程相結合的多維度教學模式，對“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程教學進行改革和探索，緊扣 “碳中和、碳達峰”的雙碳發(fā)展目標，提高學生的專業(yè)素質和實踐能力，為他們日后走上工作崗位打下堅實基礎。

2.教學內容改革與探索

“雙碳”目標下，電力系統(tǒng)發(fā)展將堅持低碳化的發(fā)展路線，以新能源為主體，碳規(guī)劃與碳軌跡是未來電力系統(tǒng)低碳轉型的技術路徑。在“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課堂教學中，持續(xù)研究與探索電力系統(tǒng)低碳化轉型的創(chuàng)新技術與發(fā)展路徑，并將教學內容與“雙碳”發(fā)展目標深度融合。

“雙碳”發(fā)展目標下，多種低碳電源均得到不斷發(fā)展：常規(guī)火電廠通過加裝碳捕集裝置減少碳排放;水電特別是抽水蓄能電站將作為重要的調峰和調頻參與者持續(xù)發(fā)揮作用;清潔能源如風力發(fā)電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電將作為主要新能源發(fā)電組成部分，支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。由于新能源如目前占比最大的風電和光伏發(fā)電，均具有出力波動大和不確定性強的特點，安全給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。新能源通過電力電子變流器并網(wǎng)，其零慣量/弱慣量造成其慣量、電壓支撐能力弱，導致穩(wěn)定性進一步惡化。隨著我國電網(wǎng)可再生能源滲透率的不斷提高，大量新能源擠占常規(guī)電源發(fā)電計劃，使電網(wǎng)受擾功角、頻率和電壓特性呈現(xiàn)新變化。在現(xiàn)有教學內容中，特別是電力系統(tǒng)建模、穩(wěn)定控制和頻率控制內容的教學中，結合高滲透率新能源電網(wǎng)運行特點，增加新能源模型、新能源參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制等相關內容，充分發(fā)揮新能源調節(jié)潛力，將有力支撐“雙碳”目標下的“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課堂教學，提升教學內容與新形勢下電力系統(tǒng)發(fā)展方向的契合度，更好地結合工程實際，為學生走上工作崗位打下堅實基礎。

3.教學方法改革與探索

“雙碳”發(fā)展目標下，我國電力和能源行業(yè)將向著清潔化、電氣化、數(shù)字化和標準化的方向不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的形態(tài)正在發(fā)生重大變化。數(shù)字化的新型電力系統(tǒng)通過先進技術，如大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術，提升電力系統(tǒng)的智能互動能力和靈活調節(jié)水平[4，5]。

為提高學生對電力系統(tǒng)發(fā)展新趨勢和挑戰(zhàn)的適應性，在傳統(tǒng)以理論教學為主的教學方式基礎上，增加一些開放性的課后實踐課題，鼓勵學生積極探索，將課堂知識與實踐相結合，對知識進行有效轉化，縮短課堂與實際工作現(xiàn)場的距離。通過在教學中引入多個行業(yè)內通用的仿真軟件，如中國電力科學研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）和電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真系統(tǒng)（ADPSS）等，了解具體工作中常用軟件工具的功能、界面、模塊等內容，為使用這些高度集成和開發(fā)的電力系統(tǒng)分析工具開展研究和工作打下堅實基礎[6]。

學生通過在仿真軟件中搭建電力系統(tǒng)暫態(tài)模型，對常見電力系統(tǒng)故障如單相短路故障的動態(tài)過程進行仿真分析，繪制相關電磁、機電和機械暫態(tài)過程中各個電氣量波形，掌握電力系統(tǒng)不同位置、不同類型短路故障電氣量分布特點和變化規(guī)律。這也可以進一步增強學生對電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的感性認識，了解影響電力系統(tǒng)功角、頻率和電壓穩(wěn)定的主要因素，掌握故障切除時間對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，從而掌握提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施。

4.實踐環(huán)節(jié)改革與探索

在我國，煤炭、風能、太陽能等能源資源與電力負荷需求呈現(xiàn)逆向分布特征。“雙碳”目標下，為了優(yōu)化能源配置，保障能源供應，大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)已成為電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。根據(jù)國家“十三五”交直流電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，多條特高壓直流輸電線路將投入工程實用，加上已建線路，我國正逐步形成“三華”（華北—華中—華東）特高壓同步電網(wǎng)主網(wǎng)架，呈現(xiàn)交直流并列運行、多直流集中饋入受端的特征，這也給電網(wǎng)的運行和調度帶來了新的挑戰(zhàn)。量測和通信技術、電力系統(tǒng)廣域測量和態(tài)勢感知技術的迅速發(fā)展為電力系統(tǒng)運行和控制帶來了海量多源異構數(shù)據(jù)，也使電力系統(tǒng)結構復雜化和信息多源化。“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程中的部分內容已經(jīng)與實際電網(wǎng)穩(wěn)定控制和調度策略不相符合，需要通過實踐環(huán)節(jié)拉近學生與實際工作的距離，使學生做好走上工作崗位的充分準備。

“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程內容與電氣工程專業(yè)學生的畢業(yè)實習、認知實習環(huán)節(jié)均結合緊密。畢業(yè)實習和認知實習環(huán)節(jié)主要是組織同學參觀電力公司和行業(yè)內設備生產(chǎn)和研發(fā)機構。在實踐環(huán)節(jié)參觀電力公司下屬調度中心、傳統(tǒng)發(fā)電廠（火電發(fā)電和水力發(fā)電場站）和集中式新能源場站（光伏電站和風電場）時，結合現(xiàn)場生產(chǎn)設備和控制裝置，補充說明實際工作中應對電力系統(tǒng)故障的操作流程，進一步提升學生對課程內容的掌握程度，使學生與時俱進，熟悉和掌握高滲透率可再生能源電網(wǎng)的運行特點和面臨的新挑戰(zhàn)。在課后實踐課題中，基于實際電網(wǎng)拓撲結構，采用實際運行數(shù)據(jù)搭建系統(tǒng)模型，開展相關仿真分析，也可以獲得更好的教學效果。通過將課堂教學、課后實踐和實習環(huán)節(jié)三者結合，形成多維度教學模式，提高學生認識問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。

5.結束語

“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”是電氣工程專業(yè)主干課程之一，對學生的培養(yǎng)至關重要，掌握好這一課程相關教學內容是學好后續(xù)專業(yè)課程的必要條件。通過對“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程教學內容、教學方法和實踐環(huán)節(jié)等方面進行改革與探索，采用多維度教學模式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力，提升“碳中和、碳達峰”的雙碳發(fā)展目標下課程與行業(yè)的相關性，也有利于培養(yǎng)學生的實踐與創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了課程為專業(yè)應用型人才培養(yǎng)做貢獻的目標，也為學生走上工作崗位打下堅實基礎。

參考文獻：

[1]習近平.在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話[N].人民日報，2020-09-23.

[2]周孝信，陳樹勇，魯宗相，等.能源轉型中我國新一代電力系統(tǒng)的技術特征[J].中國電機工程學報，2018，38（7）：1893-1904.

[3]鞠平.電力工程[M].北京： 機械工程出版社， 2014， 246-324.

[4]張永熙， 周任軍， 王媛媛.《電力系統(tǒng)分析》課程的工程實踐培養(yǎng)模式探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（49）：124-125.

[5]張勇軍， 張豪. 數(shù)字仿真工具在《電力系統(tǒng)分析》教學的應用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24（4）：157-160.

[6]黨常亮.Matlab/Simulink在“電力系統(tǒng)分析”教學中的應用[J].高教學刊，2019（12）：102-104.

作者簡介：

林克曼（1987年-），女，漢族，江蘇南京人，博士，講師，研究方向為可再生能源發(fā)電建模與控制、電力系統(tǒng)頻率控制。

吳峰（1977年-），男，漢族，江蘇南通人，博士，教授，博士研究生導師，研究方向為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制、電力系統(tǒng)動態(tài)等值、基于廣域測量系統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析與控制。