電力系統分析課程教學模式設計與探索

張宏 張嶺 魯敏 趙咪 許偉奇

摘? 要 以電力系統有功電源最優組合內容為例，對電力系統分析課程的教學方法展開設計和探索。首先以視頻觀看的方式引出本節課的主要內容，然后通過提問+互動討論+分析歸納+剖析的方式對重難點內容展開講解，最后以典例分析的方式歸納總結本節課的重難點，依次加深學生對這部分內容的理解和應用。

關鍵詞 有功電源最優組合;教學方法;電力系統分析

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）11-0073-03

0? 前言

電力系統分析作為電氣工程及其自動化專業的專業核心課程，與工程實際緊密聯系。該課程具有專業概念復雜、抽象，且本身具有很強的綜合性和實踐性的特點。伴隨現代電力系統的快速發展，出現了新能源發電、微電網、智能電網、交直流混聯電網、柔性輸電、綜合能源系統等新現象及其對應的新技術[1]，原有固定教學模式與教學方法已不能適應新的變化，逐漸趨于淘汰。目前，全國各大高等院校對電力系統分析課程在教學上增加新的教學方法、教學手段和教學工具，不斷完善、改進該課程的教學模式，同時為后續所開設專業課程如電力系統調度自動化、現代電力系統分析、電力系統繼電保護、發電廠電氣部分、高電壓技術、電力系統自動裝置等奠定基礎。

電力系統分析課涉及知識面廣，在學習這門課之前，要求學生具備扎實的高等數學、大學物理、電路、自動控制原理以及電機學等相關知識[2]，教學難度較大。學生在學習這門課的過程中，存在因基礎知識不扎實、部分知識遺忘、畏難等原因而導致知識點無法串聯起來、綜合應用無法消化的情況。結合石河子大學機械電氣工程學院對電氣工程及其自動化專業的培養目標，電氣工程系就電力系統分析課程從內容、方法、手段以及實踐教學等方面進行大量探討和探索。為此，本文展開電力系統分析課教學方法設計和探索。

本文內容屬于電力系統三次調頻的內容。傳統的課堂教學以PPT演示+理論推導+板書輔助教學為主，該方法使得學生嚴重缺乏直觀性，針對某些抽象的知識點理解起來也較為困難[3]。本文針對電力系統有功電源最優組合對電力系統分析課進行教學方法上的探索，采用視頻導入+理論分析+典型例題的方式，讓學生在掌握理論知識的基礎上，通過典型例題分析，進一步掌握和理解電力系統有功電源的最優組合原則。

通過觀看視頻可以得知：全球環境惡化對當前人類生活帶來巨大威脅和挑戰，國家倡導的“可持續發展”觀念受到嚴重阻礙。此外，伴隨全球經濟的迅速發展，能源危機和環境污染矛盾也日益突出，為應對經濟發展和環境惡化對人類和社會帶來的不利影響，全球各國政府和相關部門都積極制定相應措施，支持并大力發展可再生能源，探索發展低碳的新途徑和新模式[4]。各領域專家、學者也都展開大量理論研究和工程實踐，例如：為提高能源與能源之間的綜合利用效率，提出綜合能源系統概念，以降低風電、光伏發電的棄風棄光率;通過在火電廠安裝碳捕集裝置，以降低大氣二氧化碳排放量。

2020年11月22日，國家主席習近平在二十國集團領導人利雅得峰會“守護地球”主題邊會上致辭，提出三點主張：

“第一，加大應對氣候變化力度。二十國集團要繼續發揮引領作用，在《聯合國氣候變化框架公約》指導下，推動應對氣候變化《巴黎協定》全面有效實施。不久前，我宣布中國將提高國家自主貢獻力度，力爭二氧化碳排放2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和。中國言出必行，將堅定不移加以落實。

第二，深入推進清潔能源轉型。中方贊賞沙特提出碳循環經濟理念，支持后疫情時代能源低碳轉型，實現人人享有可持續能源目標。中國建成了全球最大的清潔能源系統，……將推動能源清潔低碳安全高效利用，加快新能源、綠色環保等產業發展，促進經濟社會發展全面綠色轉型。

第三，構筑尊重自然的生態系統。中方支持二十國集團在減少土地退化、保護珊瑚礁、應對海洋塑料垃圾等領域深化合作，打造更牢固的全球生態安全屏障。……讓我們攜起手來，共同建設清潔美麗的世界！”

然而，目前我國能源發電結構仍以傳統的火力發電為主，可再生能源發電量僅占全部發電量的27.9%，在多臺火力發電機組發電過程中，其啟動數量、啟動順序、啟停時間是發電側必須考慮的因素之一。因此，研究最優組合有功電源至關重要，其對于電力系統經濟運行產生巨大影響。至此，衍生出本節課的主要內容[5]：電力系統負荷側的用電量是不穩定的，當負荷側用電量增大（或減小）時，應該啟動或增大（關閉或減小）哪一臺火電機組或其出力？

1? 電力系統有功電源最優組合

有功電源的最優組合指系統發電設備或發電廠的合理組合，即所謂的機組的合理啟停，主要包括三個部分：機組的最優組合順序、機組的最優組合數量和機組的最優啟停時間。講授該部分內容之前直接拋出知識點，讓學生整體認識該部分知識。層層遞進：在確定有功電源最優組合原則之前，首先讓學生了解發電機組的耗量特性及其耗量特性曲線的性質。通過耗量特性曲線定義比耗量、耗量微增率、發電機組效率、最小比耗量，依次引出最優組合原則。

1.1? 火電機組的耗量特性及其耗量特性曲線

定義：發電設備輸入能量與輸出有功功率之間的關系。數學表達式如公式（1）所示：

F=a+bPG+cP2G+…≈a+bPG+cP2G （1）

耗量特性曲線如圖1所示，為方便后續解決問題的方便，假定曲線連續可導，事實上曲線可能既不連續，也不可導。

式中：F表示火電機組消耗的煤耗量，PG表示火電機組實際輸出有功功率。

互動討論：a、b、c三個系數的正負？

提問+分析歸納：a<0，PG=0時，F<0，不符合能量守恒原理，因此a>0;b<0，由高等數學中拋物線的知識可知，極小值落在縱軸右側，即隨著PG的增大，煤耗量先減小后增大，顯然是錯誤的，煤耗量與輸出功率之間是嚴格的單調遞增過程;c<0，由高等數學中拋物線知識可知，拋物線開口向下，即隨著PG的增大，煤耗量先增大后減小，顯然是錯誤的。綜上所述，a、b、c三個系數均為正值。

1.2? 比耗量μ

耗量特性曲線上某一點縱坐標與橫坐標的比值，即輸入能量與輸出功率之比。數學表達式如公式（2）所示：

μi=Fi/PGi? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

1.3? 發電機組效率η

耗量特性橫縱坐標單位相同，其倒數即為發電機組的效率。數學表達式如公式（3）所示：

ηi=1/ηi? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

提問：為什么耗量特性橫縱坐標單位相同，其倒數就是效率？

分析推導：1/μi=PGi/Fi=P實/P理=η。

1.4? 耗量微增率λ

單位時間內輸入能量微增率與輸出功率微增量的比值，即耗量特性曲線上某一點切線斜率。數學表達式如公式（4）所示：

λi=dFi/dPGi? ? ? ? ? ? ? ? （4）

互動討論：比耗量和耗量微增率有何聯系和區別？

分析歸納：比耗量和耗量微增率有相同的單位，卻是兩個完全不同的概念，數值一般也不相同，只有在耗量特性曲線上某一點（從原點作直線與耗量特性曲線相切的切點）才相等。

1.5? 最小比耗量μmin

從原點作直線，剛好與耗量特性曲線相切的切點對應的比耗量，此時比耗量和耗量微增率相等。

1.6? 火電機組的最優組合原則

1.6.1? 機組的投切（針對未運行機組）? 由比耗量確定：負荷增大時，比耗量小的機組先投入運行;負荷減小時，比耗量大的機組先切出運行。

1.6.2? 機組的增減出力（針對運行機組）? 由耗量微增率確定：負荷增大時，耗量微增率小的機組先投入運行;負荷減小時，耗量微增率大的機組先切出運行。

剖析：通過比耗量和耗量微增率的公式理解機組的投切和增減出力順序的具體原因，最終還是歸結于煤耗量，機組的最優組合原則體現出機組的最優組合順序、最優組合數量和最優啟停時間。

2? 典型例題

如果某發電廠裝有四臺火電機組，正常運行時四臺機組都沒有達到額定出力，且λ1>λ2>λ3>λ4，μ1>μ2>μ3>μ4，當發電廠有功負荷增大時，應首先增加出力的發電機組是4號機組;當發電廠有功負荷減小時，應首先減小出力的發電機組是1號機組;當發電廠有功負荷增大至需啟動發電機組時，應啟動4號機組;當發電廠有功負荷減小至需關閉發電機組時，應關閉1號機組。

分析：機組增加（或減小）出力應依據耗量微增率確定，機組啟動（或關閉）應依據比耗量確定，有功負荷增大（或減小），耗量微增率小（或大）的機組先投入（或退出）運行，比耗量小（或大）的機組啟動（或退出）。

3? 結語

1）通過視頻導入+理論分析+典例分析的方法，剖析電力系統有功電源最優組合的重難點內容，讓學生在掌握理論知識的基礎上進一步靈活運用有功電源的最優組合原則。

2）有功電源的最優組合是電力系統經濟調度的基礎和重要內容之一，為現代電力系統智能調度奠定基礎。

3）通過本節內容的學習，讓學生體會實際工程中制定的各種規則及操作規范導則所帶來的電力系統經濟效益，提高環保意識，培養專業素養及解決復雜工程問題的能力。

4）電力系統分析課程綜合性很強，內容也很抽象，并非一朝一夕就可以上好。在教學過程中，教師需根據學生實際情況以及自己的教學方法及時地反饋校正，同時不斷拓寬自己在電氣工程領域的知識面，深入了解該課程前沿知識，逐漸提升教學能力和水平。

參考文獻

[1]郝亮亮，吳俊勇，夏明超.“電力系統分析”實踐教學模式的探索與改革[J].電氣電子教學學報，2020（3）：144-147.

[2]張國棟，姚福強，蒲海濤，等.《電力系統分析》課程重難點教學方法探索：以不對稱短路計算為例[J].教育現代化，2019（98）：201-202.

[3]黃媛，劉天琪，李華強，等.“電力系統分析”中的同步發電機教學[J].電氣電子教學學報，2013（5）：50-52，56.

[4]羅魁.西非可再生能源發展現狀及并網技術分析[J].全球能源互聯網，2020（5）：526-536.

[5]王忠華，翟璟.人工智能+教育時代教師專業發展面臨的挑戰與對策[J].中國教育技術裝備，2020（12）：13-15.