新工科背景下“無功電壓調(diào)整”課程教學(xué)改革

周雪松 胡一凡 馬幼捷 李 微 趙浛宇

天津理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 天津 300384

一、概述

2017年2月以來，在新一輪科技與產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，為響應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的號召，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)。相較于傳統(tǒng)工科，“新工科”更加注重學(xué)科之間的實用交叉，特別是在信息通信領(lǐng)域、智能電網(wǎng)領(lǐng)域、5G+互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域等新興技術(shù)與傳統(tǒng)優(yōu)勢性產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合。

近年來，多所高校及教育機(jī)構(gòu)在新工科建設(shè)背景下探索向既關(guān)注技術(shù)的創(chuàng)新，又以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的教育模式轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[3]闡述了汕頭大學(xué)探索發(fā)展OBE教學(xué)理念的原動力及采取的措施。文獻(xiàn)[4]闡述了以國際上先進(jìn)的教學(xué)理念，結(jié)合我國高等教育的實際情況進(jìn)行相關(guān)教育科學(xué)研究，并提出了具備指向性的實踐方式。文獻(xiàn)[5]主要闡述實驗教學(xué)、科研和企業(yè)需要導(dǎo)向結(jié)合，課程體系優(yōu)化，課程評價體系改革3個方面內(nèi)容相互促進(jìn)結(jié)合的一種理念。文獻(xiàn)[6]主要闡述我國教育模式存在的某些弊端，并提出厚基礎(chǔ)寬口徑教育理念，這種理念的特點是加強(qiáng)基礎(chǔ)，促進(jìn)全面發(fā)展。

全面提高創(chuàng)新能力和實踐能力，將理論創(chuàng)新與學(xué)生的校內(nèi)外社會實踐緊密結(jié)合起來，探索出一種產(chǎn)學(xué)研用一體化的教育培養(yǎng)模式在現(xiàn)如今是十分必要的。但是目前大多數(shù)學(xué)生受到“填鴨式”教學(xué)，導(dǎo)致“死記硬背”的學(xué)習(xí)模式根深蒂固，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，進(jìn)行教學(xué)改革十分必要?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式最早出現(xiàn)于西方國家的教育模式改革，并且日益在我國產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文基于OBE理念，旨在改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新本領(lǐng)與創(chuàng)新意識，努力做到為創(chuàng)新而學(xué)習(xí)。通過數(shù)學(xué)、物理、仿真和實驗互動的模式，增進(jìn)學(xué)生對于知識理論的深入理解，對于實踐能力的提升。

二、縱向關(guān)聯(lián)教學(xué)實施方案

“填鴨式”的教學(xué)方式無疑是失敗的，學(xué)生真正消化知識需要老師由淺入深引導(dǎo)，以及學(xué)生自己的獨立思考，老師要轉(zhuǎn)變舊的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生為創(chuàng)新而學(xué)習(xí)。

本文以“無功電壓調(diào)整”為例，陳述改革思路，相關(guān)內(nèi)容結(jié)束前，學(xué)生應(yīng)能夠?qū)σ韵聠栴}有自己的思考和見解。

(一)什么是電壓偏移，為什么需要對電壓進(jìn)行調(diào)整

電壓偏移是指某瞬間設(shè)備的端電壓與設(shè)備的額定電壓之差對額定電壓的百分比，另外由于負(fù)荷隨機(jī)性大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點多等因素決定了電壓偏移不可避免。電壓過高過低都不好，因為電力設(shè)備是在額定電壓下設(shè)計出來的，在額定電壓下才能保證好的設(shè)備的性能和經(jīng)濟(jì)性。以電力系統(tǒng)為例，電壓過低會導(dǎo)致?lián)p耗增大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；電壓過高會破壞電力系統(tǒng)絕緣，同樣不是我們想看到的，為此我們需要對電壓進(jìn)行調(diào)整。那么電壓允許的范圍是什么呢？同學(xué)們可以查閱GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》等相關(guān)文件進(jìn)行課外補(bǔ)充。

(二)無功功率和電壓調(diào)整有何關(guān)系

無功功率電源發(fā)出的無功功率應(yīng)與系統(tǒng)的無功負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗相平衡，即無功電源的總?cè)萘?總無功負(fù)荷+網(wǎng)絡(luò)無功損耗。按照無功功率平衡原則確定電壓值：

圖1 不考慮變壓器時的等效電路圖Fig.1 Equivalent-Circuit diagram without transformer

可得：

當(dāng)不變(即發(fā)電機(jī)勵磁不調(diào)節(jié))和不變(即發(fā)電機(jī)調(diào)速器不調(diào)節(jié))時，則與的關(guān)系曲線如下圖所示。

圖2 QG與U的關(guān)系曲線

(1)當(dāng)無功負(fù)荷增加時，不變，則電壓從→’下降，達(dá)到新的無功平衡；(2)當(dāng)無功負(fù)荷增加時，增加(增大勵磁電流)，則不變也可達(dá)到新的無功平衡。

(三)怎么對電壓進(jìn)行調(diào)整，將電壓控制在允許范圍內(nèi)

圖3 電力系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of power system

前提條件：略去電力線路的導(dǎo)納支路和變壓器的導(dǎo)納支路，略去網(wǎng)絡(luò)阻抗的功率損耗以及電壓降落的橫分量。

可得：

依據(jù)上式，可以總結(jié)出對電壓調(diào)整的方法：

(1)改變發(fā)電機(jī)端電壓：通過調(diào)節(jié)勵磁電流，增減發(fā)出的無功，達(dá)到改變發(fā)電機(jī)端電壓的目的；(2)改變變壓器的變比(，)：系統(tǒng)無功功率充足時應(yīng)用；(3)就地補(bǔ)償無功功率(即減小線路的傳輸功率)，即使Q下降；(4)改變輸電線路的電抗參數(shù)。

老師對學(xué)生的引導(dǎo)應(yīng)以上述問題為根據(jù)，由淺入深，帶動學(xué)生獨立思考。

三、與“電能質(zhì)量”課程縱向關(guān)聯(lián)

(一)關(guān)聯(lián)性分析

學(xué)科交叉是引領(lǐng)創(chuàng)新的重要抓手，概念互聯(lián)是學(xué)科學(xué)習(xí)的原生動力。電壓作為電力系統(tǒng)分析課程的基礎(chǔ)概念，是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，保證用電設(shè)備的電壓偏移在允許范圍之內(nèi)是進(jìn)行電壓調(diào)整的主要目標(biāo)。根據(jù)潮流計算中電壓損耗公式可知，電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于系統(tǒng)的無功功率平衡。無功過剩會導(dǎo)致電壓升高，而無功不足會導(dǎo)致電壓降低，甚至引起系統(tǒng)的電壓崩潰，所以通過補(bǔ)償無功功率，能提升運行電壓水平，保證良好的電能質(zhì)量。有概念互聯(lián)上的深入理解，才會有創(chuàng)新思維上的破冰突圍。因此，以電壓和無功功率引導(dǎo)，提升學(xué)生概念互聯(lián)的基本能力，突破學(xué)生停滯的創(chuàng)新瓶頸。

(二)提出問題

依據(jù)現(xiàn)有國標(biāo)，電壓質(zhì)量的優(yōu)劣對各類用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行有直接的影響，電壓過高或過低都會危及設(shè)備的正常運行或發(fā)生燒毀事故，并增加電能的損耗。

以電力企業(yè)生產(chǎn)運行為例：某供電局供電系統(tǒng)由1所110kV主變電站和4所35kV發(fā)電站組成。該供電系統(tǒng)在運行中多次發(fā)生負(fù)荷側(cè)電壓低于額定電壓，導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常運行。調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)引起電壓降低的因素是系統(tǒng)中的無功不足，導(dǎo)致供電過程中電壓損耗大，從而引起負(fù)荷側(cè)的電壓降低，用電設(shè)備不能正常工作。

通過將實際出現(xiàn)的工程問題和課堂上所授的理論內(nèi)容相交叉，增進(jìn)學(xué)生對于知識理論的深入理解，對于動手能力的提升。

(三)解決問題

為提高系統(tǒng)的電壓水平，輸出穩(wěn)定且有質(zhì)量的電能，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償?shù)拇胧┯卸喾N，其中以無功電源分配和無功負(fù)荷分布為主，且在負(fù)荷側(cè)加入無功補(bǔ)償裝置(靜電電容器、同步調(diào)相機(jī)等)以及進(jìn)行改變變壓器分接頭調(diào)壓最為常見。

學(xué)生根據(jù)實際問題，選擇合適的調(diào)壓措施，改善電能質(zhì)量，達(dá)到與“無功調(diào)壓”與“電能質(zhì)量”關(guān)聯(lián)的目的。此過程中，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題能力的教學(xué)目標(biāo)。

四、與“供配電技術(shù)”課程縱向關(guān)聯(lián)

電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整表現(xiàn)為強(qiáng)耦合性，無功電壓調(diào)整對于維護(hù)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量和功率平衡起著十分重要的作用，無功電壓調(diào)整在電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)應(yīng)用廣泛。為了降低由于電網(wǎng)長距離輸電而引起的線路損耗，并保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行高質(zhì)量高可靠性供電，需要對無功電壓進(jìn)行合理的調(diào)整，進(jìn)而提高電網(wǎng)系統(tǒng)的功率效率、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

無功功率的平衡是電力系統(tǒng)正常運行的重要保障。系統(tǒng)無功出力不足會導(dǎo)致電壓水平低，關(guān)鍵在于設(shè)法對系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，保證系統(tǒng)的無功功率平衡，進(jìn)而保證電力系統(tǒng)高質(zhì)量高可靠性供電。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏?，例如串并?lián)電容、串并聯(lián)電感等方法。串并聯(lián)電容器可以用于提供輸電線的運載能力和維護(hù)電壓的穩(wěn)定，在電力系統(tǒng)有充足的無功功率時，維護(hù)電壓的穩(wěn)定可以采用選取不同分接頭變壓器調(diào)整電壓的方法。串并聯(lián)電感器用于輕載和重載時提高和降低系統(tǒng)運行時的過電壓等問題，提高系統(tǒng)電壓的調(diào)整效率。當(dāng)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷兩種情況下的電壓變化幅度比較大或要求逆調(diào)壓時，宜采用帶負(fù)荷有載調(diào)壓的變壓器。當(dāng)系統(tǒng)無功不足時，采用調(diào)整變壓器分接頭的措施可能并不適用，因為強(qiáng)制升高后，該地區(qū)所需的無功功率也增大了，會使得該地區(qū)電力系統(tǒng)的無功不足增大，進(jìn)而影響該地區(qū)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定不足與降低。

在實際供配電網(wǎng)絡(luò)的等效模型中，包含多種無功補(bǔ)償?shù)牡湫颓闆r，將無功電壓調(diào)整與“供配電”縱向關(guān)聯(lián)，學(xué)生可以更直觀形象且更深刻地理解無功電壓調(diào)整應(yīng)按全面規(guī)劃、合理布局、就地平衡的原則確定最優(yōu)調(diào)整方式。學(xué)生對供配電網(wǎng)絡(luò)有一個較為完整的印象，激發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新和探索精神，對課堂知識的理解和應(yīng)用實際的依托，有利于牢固掌握所學(xué)的知識。

五、基于OBE理念的課程實驗設(shè)計

(一)實驗背景

為了踐行黨中央提出“強(qiáng)化課堂主陣地作用，切實提高課堂教學(xué)質(zhì)量”的號召，同時為了提升學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，以成果為導(dǎo)向的OBE模式已成為現(xiàn)如今教育改革的主流理念。

本文為加深學(xué)生對于電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)方式的認(rèn)識，使學(xué)生將電力系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制理論相結(jié)合，設(shè)計了基于QNET Energy Conversion實驗平臺(如圖4所示)的電力系統(tǒng)半實物。

圖4 QNET Energy Conversion實驗平臺實物圖Fig.4 Physical picture of the QNET Energy Conversion experi-mental platform

仿真模擬實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作模式，并進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制的測試，使學(xué)生對知識點有直觀的認(rèn)識。實驗中利用改變不同的參數(shù)設(shè)定值，進(jìn)行實驗現(xiàn)象的記錄和對比分析，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、綜合分析的能力。

該平臺通過LabVIEW與計算機(jī)通信，實驗過程中通過調(diào)整直流電源輸入電壓幅值、升壓變換器輸出給定值和逆變器輸出給定值，觀測電動機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)各變換器輸入輸出電壓和電流，對比分析不同工況下變換器的工作狀態(tài)及控制環(huán)路的控制效果，增進(jìn)學(xué)生對于知識理論的深入理解。

(二)實驗設(shè)計

基于上述實驗平臺，指導(dǎo)學(xué)生完成了如下實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)、繪制保存實驗波形：

(1)完成QNET Energy Conversion實驗平臺風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不同工況下電源電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、整流電壓、升壓電壓和逆變電壓實驗記錄以及原理分析。

(2)完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中升壓變壓器和逆變器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及控制范圍分析。

(3)完成系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)效率、逆變器效率以及總效率的分析。

學(xué)生通過實際計算以及計算設(shè)計控制器給定值，完成了實驗任務(wù)。這個以電力系統(tǒng)集成半實物仿真中的電壓調(diào)節(jié)實驗作為關(guān)聯(lián)教學(xué)的實施案例，一方面讓學(xué)生掌握了三相負(fù)荷平衡計算的原理與過程，另一方面令學(xué)生體會工程設(shè)計中的重要性及理論對實踐的重要支撐及指導(dǎo)作用。

結(jié)語

本文旨在新工科教改背景下建立一個爭創(chuàng)一流、注重成果導(dǎo)向教育的電力系統(tǒng)分析“無功電壓調(diào)整”課程教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，對授課內(nèi)容及方式進(jìn)行革新，注重學(xué)科之間的互動，增進(jìn)學(xué)生對于知識理論的深入理解，增進(jìn)社會實踐能力，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。但冰凍三尺非一日之寒，現(xiàn)今教育大多仍以應(yīng)試為目的，學(xué)生缺乏動手實踐機(jī)會，創(chuàng)新能力亟待增強(qiáng)。相信通過學(xué)校及社會的不懈努力，教學(xué)模式的不斷革新，必定會迎來學(xué)生素質(zhì)的顯著提高。