從工程仿真實踐角度加強電氣類課程教學改革的思考

劉子文 張 犁

（河海大學能源與電氣學院 江蘇·南京 211100）

當前，電氣工程類本科教學通常以教師課堂集中教學為主，對于具有較強工程背景的專業選修課，學生很難對所學對象產生直觀的印象和認知[1]。以選修課《高壓直流輸電》為例，通常會開展高壓直流輸電系統的基本背景、系統結構、關鍵設備、控制保護方式等方面的教學，但若只以傳統PPT的方式進行知識點的單方向講授，學生所能掌握的只是高壓直流輸電系統模糊認知下概念點的拼湊。而在電氣工程實際專業領域，直流輸電工程的建設其實為專業課的講授提供了大量素材，借助直流輸電工程的電磁暫態仿真，可以加深學生對直流輸電系統的直觀認識，強有力推進電氣工程學科課程教育的改革探索。以下從高壓直流輸電系統的理論教學任務和工程仿真實踐的對應關系展開闡述。

1 高壓直流輸電系統的理論教學任務

（1）教學目標：高壓直流輸電是利用電力電子技術對電能進行變換和傳輸的一門跨學科技術。高壓直流輸電系統由換流站和架空輸電線路組成，通過送端換流站將三相交流電整流成直流電，然后通過架空輸電線路送往另一端并轉換成三相交流電。其經濟性與技術性方面優點突出，主要應用于大功率遠距離輸電、海底電纜輸電、非同步交流系統之間的聯網等方面。

通過本課程的學習，理解直流輸電技術的新發展，理解高壓輸電技術的基本概念、構成與分類，高壓輸電技術的特點及使用場合，了解高壓輸電技術在我國的發展與未來的發展規劃；了解高壓輸電技術的主要電氣設備，理解輸電系統的構成及設備的分類、特點。了解常規電網換相高壓直流輸電的控制與保護措施。

（2）教學內容：①高壓直流輸電的構成、特點：高壓直流輸電的概念、分類、構成以及高壓直流輸電的特點及適用場合。主要知識要點包括：長距離直流輸電、背靠背直流輸電、直流單極輸電、導體回流方式、主流雙極輸電、多端直流輸電。②高壓直流輸電的發展：高壓直流輸電歷史與國內、國外發展情況以及直流輸電技術的新發展。主要知識要點包括高壓直流輸電技術的發展、國外高壓直流輸電的代表性案例、高壓直流輸電在我國的發展。③高壓直流輸電的系統的主要設備：高壓直流輸電的換流裝置、換流變壓器、平波電抗器的作用。主要知識要點包括：高壓直流輸電換流裝置中的器件、換流閥、換流單元的接線方式；換流變壓器的功能與特點、型式、接入閥庁的方式；平波電抗器的功能和型式。④高壓直流輸電的系統的諧波及其無功補償：高壓直流輸電諧波的基本問題，特征諧波與費特征諧波，交、直流濾波器的設計、無功補償裝置和功率因素。高壓直流輸電的無功補償裝置、濾波器的特點和作用。主要知識要點包括：高壓直流輸電無功補償裝置的功能、類型，無功補償容量的確定；濾波器的類型、交流與直流濾波器的特點；無功補償裝置以及無功補償裝置的控制。⑤高壓直流輸電線路：高壓直流輸電架空線路的運行特性、參數選擇以及工程實例的講解。主要知識要點包括：架空線路的運行特性和參數選擇，直流輸電線路的發展和應用。⑥高壓直流系統的控制：高壓直流系統的正常運行控制、故障控制、繼電保護控制的原理和要求；高壓直流系統的正常運行控制、故障控制、繼電保護控制的原理和要求。主要知識要點包括：分層控制模式和基本控制要求，功率控制、頻率控制等。基本的脈沖觸發控制方式、極控系統、直流站控系統和交流站控系統。

圖1：整流側雙12脈動換流系統串聯單元之一

圖2：雙極運行整流側和逆變側仿真波形

2 高壓直流輸電系統的工程仿真實踐

本文采用廣泛使用的PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件為平臺[2]進行仿真實踐。該平臺由曼尼托巴大學(University of Manitoba)開發擴展而成。其核心仿真算法程序是EMTDC，界面顯示由PSCAD完成。通過EMTDC和PSCAD組合可以將仿真結果可視化顯示，便于研究人員能夠方便使用 EMTDC程序進行電力系統電磁暫態的相關仿真模擬并進行可視化結果顯示，同時對結果進行分析和處理等。目前，PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件被廣泛用于直流輸電的相關工程建模、電磁暫態仿真、電能質量分析等領域。本文以從內蒙古到山東的扎魯特-青州±800kV特高壓直流輸電工程[3]為例，搭建其電磁暫態仿真模型，從而說明采用直流輸電工程電磁暫態仿真在加深學生對直流輸電系統直觀認識方面的有效性。

扎魯特-青州±800kV 特高壓直流輸電工程是世界上首批電壓等級±800千伏、額定輸送功率1000萬千瓦的特高壓直流工程。根據扎魯特-青州±800kV 特高壓直流輸電系統工程實際運行的參數，可以運用電力系統暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC建立相應的整流站、逆變站、濾波器、交流系統、輸電線路等電磁仿真模型。該工程采用雙極雙12脈動換流器的運行方式，整流站和逆變站均采用了兩個12脈動換流閥串聯連接的方式，整流側雙12脈動換流系統串聯單元之一見圖1。

在該仿真模型，整流側的換流器采用了定電流控制和最小整流角控制方式[4]，其中，定電流控制環節可以通過比例積分調節器使系統的直流電流快速跟蹤其額定值，從而能夠保證直流電流維持在給定的范圍內。而逆變側的換流器則采用定電流和定關斷角控制的方式來維持直流電壓的穩定運行，同時為了保證系統的運行安全性，一般會配置低壓限流、過電壓限制等環節。從整個系統的設備組成來看，其模型主要包括一次設備和二次控制系統。其中，一次設備包括整流站和逆變站、架空型直流輸電線路、濾波器、平波電抗器和接地極等，而控制系統主要為了保證系統的安全穩定運行，對系統的電壓和電流進行調節等。根據扎魯特-青州直流工程的相關參數，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺對模型運行進行仿真，結果如圖2所示，從上到下依次為整流側和逆變側交流電壓，正負極直流電壓，正負極直流電流和系統傳輸功率。從仿真結果可以看出，直流輸電系統在雙極運行時的交流系統電壓可以穩定運行在500kV，直流電壓實際值基本也維持在800kV，直流電流達到6.25kA，輸送功率達到10000MW，可見本仿真在運行時的電壓、電流值與扎魯特-青州特高壓直流輸電工程雙極運行的額定電壓、額定電流的基本一致。

3 結論

從以上理論教學任務安排和工程仿真實踐結果來看，《高壓直流輸電》是一門具有較強工程背景的專業選修課，結合直流輸電工程的電磁暫態仿真模型和結果，可以有效提高學生在高壓直流輸電系統的基本背景、系統結構、關鍵設備、控制保護方式等方面的認知程度，克服傳統PPT單方向授課形式的問題。因此，在類似的電氣工程專業選修課中，可以借助專業工程建設案例作為專業課的講授輔助演示素材，進一步加深學生對專業課相關知識點的直觀認識程度，從而強有力推進電氣工程學科課程教育的改革探索。