“雙碳”目標下“電力工程基礎”課程教學改革探索

來文豪 李平 李梅 胡鋒

摘要 隨著“雙碳”目標的逐步實現，越來越多帶有隨機性和波動特性的新能源并入了電網，使得電網結構發生深刻廣泛的改變，對創新型和專業型人才的需求和要求進一步提高。“電力工程基礎”作為電氣工程及其自動化專業的核心基礎課程之一，不僅為該專業后期專業課的學習奠定了基礎，而且對新型電力系統人才的培養具有重要意義。文章從新型電力系統特點入手，分析當前“電力工程基礎”教學中存在的不足，從課程思政、教學內容和課程考評體系構建這三個方面提出教學改革措施，旨在為“雙碳”背景下“電力工程基礎”課程的改革提供借鑒和參考。

關鍵詞 “雙碳”目標；“電力工程基礎”；課程改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.031

近70年以來，大氣中CO2濃度的增長速度約為末次冰期末期的100倍，2021年全球能源領域CO2排放量高達363億噸，創下歷史最高紀錄。全球氣候變暖已經毋庸置疑，如果不加以遏制，氣候變化對人類生存和生態系統造成嚴重和不可逆轉的后果的可能性將進一步增加。大多數國家已加入《巴黎氣候協定》，歐盟、加拿大等29個國家和地區在立法、協議提交、政策宣示等方面提出了碳中和倡議。作為全球負責任的大國，中國以堅定的戰略雄心、信心和決心應對全球性氣候變化，并制定碳減排計劃——在2030年前碳排放達到峰值，并爭取在2060年碳排放為凈零[1]。電力行業是全球范圍內碳排放最主要的行業之一。在中國，碳排放量占總量的40%之多[2]。

“雙碳”目標下，電力行業建設目標為以可再生能源為主體的新型電力系統。未來，為了實現電力行業的凈零排放，風力和光伏等具有隨機性、波動性的新能源會大規模并網[3]。電力系統的轉動慣量會持續下降，并且其調壓和調頻能力都有所不足。同時，電力系統的轉動慣量不斷下降，調壓調頻能力乏力，這些都使得電力系統在系統調節、供需平衡和配網運行等方面都將會發生巨大的變化[4]。伴隨著“雙碳”目標的逐步實現，電力系統也將發生顯著變化。為適應新型電力系統的建設和運維，培養面向新型電力系統的專業人才顯得十分必要。

“電力工程基礎”[5-6]課程是電氣工程及自動化專業的一門必修的專業基礎課，不僅為后續電力類課程的學習奠定必要的專業基礎，也為學生今后進入社會從事電力系統的設計、建設、生產和運行服務等相關工作培養堅實的專業素養。因此，在“雙碳”目標下“電力工程基礎”課程教學改革對電網人才培養、電網穩定運行和能源安全都具有重要意義。

1“雙碳”背景下電力系統的特點

據國際能源署統計數據顯示，2020年全球碳排放主要來自三個領域，分別是制造業與建筑業、能源發電與供熱和交通運輸，它們的占比分別為百分之十七、四十三和二十六。2021年，能源燃燒產生的CO2高達三百六十三億噸，相比前一年增長6%[7]。大氣中CO2的排放主要來源是不可再生能源的燃燒，而電力行業的排放量又占據主導。在“減排”背景下，中國電力行業的發展正面臨多重環境的挑戰，低碳轉型是我國電力系統可持續發展的核心。

在2021年中國的電力結構中，火力發電占比超70%，而清潔能源風力和太陽能的發電占比小于10%。伴隨著“雙碳”目標的逐步推進，未來風力和太陽能發電將大幅增加。2022年5月份，國家發改委和國家能源局發布《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，要求到2030年我國太陽能和風能的總裝機容量達到12億千瓦。由于風力和光伏發電具有隨機和不確定性，其大規模并入網絡后，會引起現有的網絡結構發生深刻而廣泛的變化。

不確定性新能源的大規模并網后，現有的“確定性發電跟蹤不確定負荷”的電力平衡機制已難以應對未來“不確定發電與不確定負荷雙向匹配”的問題。此外，大規模分布式電源的并網，使得電力網絡的功率分布和潮流計算也會發生巨大變化。隨著新型電力系統的構建，電壓暫降已不可避免地成為最嚴重的電能質量問題之一[8]。這些深刻的變化，使得電網的安全穩定運行需要大量具備扎實新型電力系統知識的高素質人才。

2“雙碳”目標下“電力工程基礎”課程教學存在的不足

“電力工程基礎”課程是電氣工程及自動化專業一門必修的專業基礎課，課程涉及電氣設備的原理、輸變電系統、設備工作接地和保護接地、潮流計算、短路故障分析、電氣設備的保護、過電壓及其防護等知識。課程不僅專業面寬、理論性強，而且具有非常強的實踐性。學好“電力工程基礎”，不僅可以為高年級開設的電力類課程學習打下堅實的理論基礎，也可以為學生畢業后從事電力領域的設計、開發或建設和服務等工作培養專業素養。然而，新能源的大規模入網，網絡結構將發生巨大變化，使得在“雙碳”目標下現有的“電力工程基礎”課程教學存在明顯不足，主要體現在：

2.1教材內容滯后于新技術的發展

現有的“電力工程基礎”培養方案仍然是基于傳統電力網絡而設計的，不確定和隨機性新能源并網后，電力網絡的結構、功率分布等都將發生巨大變化。傳統的輸變電系統、潮流計算、電氣設備的保護等難以適應新型電力系統的發展。如：在傳統電力網絡中很少考慮電力電子等變換器的阻抗特性，在含高比例可再生能源的新型電力系統中，如果不考慮電力電子變換器的阻抗特性，潮流計算的精度會被降低。

2.2教材內容中對學生在新型電力系統方面的創新啟發不足

隨著“雙碳”目標的逐步實現，中國新能源裝機容量也在逐步增加，并且將達到總裝機容量的80%以上，電力系統轉型升級面臨許多新挑戰和重大技術難題，使得國家電網比以往任何時候都迫切需要適應當下形勢的高質量發展人才。“電力工程基礎”課程的主要目的和任務是讓學生了解電力系統的主要組成及基本運行情況，并知道電力系統中主要元器件的物理特性和數學模型，以及它們間的相互關系等。不過，其培養的仍是面向傳統電力系統建設和運行的人才，并且缺乏新型電力系統創新能力。保障新型電力系統的高質量建設和安全運行，既要求電力系統人才具有批判性思維，也需要具有創新能力。“電力工程基礎”作為一門專業先行基礎課，必須啟發和培養學生在新型電力系統領域的創新能力。

3“電力工程基礎”課程教學改革內容

3.1加強綠色低碳教育，有機融入課程思政

辦好新時代思政課，就要做到顯性教育與隱性教育相互補充，在專業課程中引入思政元素，進行思政教育。“雙碳”目標下的元素新型電力系統建設要牢牢把握培養創新人才的根本任務。將綠色低碳理念納入教學體系，把思政元素融入教學中，并指導教育教學的改革。以該課為依托，深入挖掘綠色低碳的思政內涵，開展綠色低碳教育。利用數字孿生技術在課堂情境教學中的應用，構建課堂情境，教育并引導學生，深刻認識生態文明建設在中國特色社會主義事業中的重要地位和意義，不斷強化對生態保護工作的認識，切實肩負起時代賦予的責任和使命。從我國電力系統的發展、建設和運營過程中挖掘典型人物和事跡，探索有深度的思政元素。在課堂教學中，把握好教學流程，突出“電力工程基礎”的課程重點和難點，有機融入思政元素，并將教學重點由傳統電網轉向“碳達峰、碳中和”和清潔能源方面，積極地向學生傳達綠色低碳、“綠水青山就是金山銀山”的觀念。

3.2探索“雙碳”背景下的教學內容改革

落實課程改革實踐的重點環節，及時評估學生互動和反饋情況，動態調整教學方式方法。在“雙碳”目標下，定制“電力工程基礎”課程的新大綱、新教案和新課件，增加新型電力系統的課程內容。在“電力工程基礎”教學中，教師通過引入仿真實驗教學來豐富課堂內容形式，增強課堂的吸引力，進而達到提高教學質量和效果的目的。通過信息化資源，設置學科課程問題，引導學生自主思考，在思考的過程中檢視自己的知識短板和盲點，進行查漏補缺。在現有教學內容中，特別是電力系統建模、穩定控制和頻率控制內容的教學中，結合新能源電網的運行特點，增加新能源模型、新能源參與電網穩定控制等相關內容，以二次能源高效轉換為重點，加強重型燃氣輪機、火電靈活調峰、智能發電、分布式能源和多能互補等新能源相關的內容，有助于夯實“雙碳”目標下“電力系統暫態分析”課程知識的理解，使得教學內容更好地服務于新形勢下電力系統的建設，貼合高比例可再生能源與高比例電力電子裝備的新型電力系統的工程實際，為學生走上工作崗位打下堅實的基礎。

3.3綠色低碳課程考評體系構建

針對“雙碳”目標下“電力工程基礎”課程教學存在的不足，積極探索適用于新型電力系統的“電力工程基礎”課程考評體系構建策略。將綠色低碳理念納入考核體系，推進綠色課程考評體系的建立，并持續改進綠色低碳教學全過程，以強化課程改革成效。針對現有考核制度缺少綠色課程考評體系的問題，提出將綠色低碳理念納入“電力工程基礎”教學考核的方式，減少期末考試分數所占比重，相應增加其他項目考核的比重，比如平時課堂上的小組討論中綠色低碳和課程實踐部分；在課后作業中增加開放性題目，引導學生主動掌握“雙碳”目標下新型電力系統的特點和建設情況，積極參與課程的綠色低碳實踐活動。探索綠色低碳教育中“學”的評價機制，創新構建以“評”促“學”的綠色低碳教育模式，推動學生更好地“學”。此外，人工智能正在深刻地改變人類的生產和生活方式，“雙碳”目標下的新型電力系統還具有高度數字化智能化的特點。因此，綠色低碳課程考評體系還包括課程的數字化和智能化的建設。抓好實驗教學和科普活動，開展人工智能教育，拓寬學生的眼界視野，激發科學興趣，培養創新精神，增強實踐能力。

4結語

隨著“雙碳”目標的逐步實現，不確定特性的新能源的大規模并網，中國電力系統將發生廣泛而深刻的變化，亟須與時俱進、具有創新能力的高質量電力系統專業人才。作為電氣工程及其自動化專業基礎且重要的課程，學好課程知識是后續專業課的必要條件。本文首先討論“雙碳”背景下新型電力系統特點，通過分析“電力工程基礎”課程教學中存在的不足，提出“雙碳”背景下“電力工程基礎”課程教學改革內容和方法，從而提升學生走上工作崗位后服務新型電力系統建設和運營的專業能力。

基金項目：2020安徽省級質量工程項目（2020JYXM1930）；2021安徽省級質量工程項目（2021JYXM0365）；2022年度安徽省新時代育人質量工程項目（2022ZYXWJXALK101）。

參考文獻

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