“双碳”目标下的“电力系统暂态分析”课程教学改革与探索

林克曼 吴峰

【摘要】“碳中和、碳达峰”的双碳发展目标是未来电力系统的发展方向，也是促进我国能源行业转型发展的重要指导方针。为了满足国家战略需求，提高电气工程专业的学生对未来行业发展的适应性，为国家培养电力行业所需的复合型人才，对专业主干必修课程的改革刻不容缓。本文以“电力系统暂态分析”课程为例，从教学方式、教学方法、课程实践三方面进行探索，通过理论与仿真实验相结合、理论与专业实践环节相结合的方式，提高学生自主学习的积极性，同时提高课程与“双碳”发展目标的锲合度，为我国电力行业人才培养提供有价值的参考。

【关键词】双碳  电力系统暂态分析  多维度教学模式

【基金项目】国家自然科学基金青年基金资助项目（5210070124）。

【中图分类号】G642;TM711-4         【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）22-0171-02

1.引言

进入21世纪，随着我国经济发展方式的转变，坚持节约能源和保护环境已成为一项基本国策，作为经济社会发展的基础，现代能源体系是我国经济高质量和可持续发展的支撑和保证。目前，我国能源结构向着绿色、低碳、节约和高效方向转型，大力发展可再生能源是我国以更经济的方式，实现更高水平绿色发展的重要途径之一。

2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，支撑“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争与2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]。我国提出的“2030前碳达峰，2060前碳中和”，被称为“双碳”发展目标，也是构建以新能源为主体的新型电力系统重要发展路径[2]。随着“双碳”目标的提出，多家能源企业规划了自身实现碳中和的时间表和路线图，全力打造新能源支撑的能源产业结构，积极实施节能减排，保障新能源高水平消纳利用。

“双碳”作为我国能源电力行业的重要发展目标和必然趋势，将对行业相关人才提出新的要求。“电力系统暂态分析”是电气工程专业的重要核心课程之一，内容涵盖同步發电机模型，电力系统对称及不对称故障分析和计算，电力系统稳定等，课程理论性强，与实践结合紧密[3]。“双碳”发展目标给电力行业带了了新的机遇和挑战，也对电气工程专业学生培养提出了新要求。如何基于“双碳”发展目标，丰富专业主干课程的教学内容和教学方法，理论与实践相结合，培养符合新形势下行业需求的电气领域人才已刻不容缓，也是“电力系统暂态分析”课程改革与探索的目标和意义。

本文以“电力系统暂态分析”课程为对象，从教学内容、教学方法和实践环节三方面着手，融合现代信息技术手段，在课程教学中应用先进的电力系统仿真软件，探索“双碳”目标下的课程改革与发展方向。通过教学内容更新、教学方法数字化改革以及实践环节与课程相结合的多维度教学模式，对“电力系统暂态分析”课程教学进行改革和探索，紧扣 “碳中和、碳达峰”的双碳发展目标，提高学生的专业素质和实践能力，为他们日后走上工作岗位打下坚实基础。

2.教学内容改革与探索

“双碳”目标下，电力系统发展将坚持低碳化的发展路线，以新能源为主体，碳规划与碳轨迹是未来电力系统低碳转型的技术路径。在“电力系统暂态分析”课堂教学中，持续研究与探索电力系统低碳化转型的创新技术与发展路径，并将教学内容与“双碳”发展目标深度融合。

“双碳”发展目标下，多种低碳电源均得到不断发展：常规火电厂通过加装碳捕集装置减少碳排放;水电特别是抽水蓄能电站将作为重要的调峰和调频参与者持续发挥作用;清洁能源如风力发电、光伏发电、光热发电将作为主要新能源发电组成部分，支撑电网安全稳定运行。由于新能源如目前占比最大的风电和光伏发电，均具有出力波动大和不确定性强的特点，安全给电力系统稳定运行带来新的挑战。新能源通过电力电子变流器并网，其零惯量/弱惯量造成其惯量、电压支撑能力弱，导致稳定性进一步恶化。随着我国电网可再生能源渗透率的不断提高，大量新能源挤占常规电源发电计划，使电网受扰功角、频率和电压特性呈现新变化。在现有教学内容中，特别是电力系统建模、稳定控制和频率控制内容的教学中，结合高渗透率新能源电网运行特点，增加新能源模型、新能源参与电网稳定控制等相关内容，充分发挥新能源调节潜力，将有力支撑“双碳”目标下的“电力系统暂态分析”课堂教学，提升教学内容与新形势下电力系统发展方向的契合度，更好地结合工程实际，为学生走上工作岗位打下坚实基础。

3.教学方法改革与探索

“双碳”发展目标下，我国电力和能源行业将向着清洁化、电气化、数字化和标准化的方向不断发展，电力系统的形态正在发生重大变化。数字化的新型电力系统通过先进技术，如大数据、云计算、人工智能等现代信息技术，提升电力系统的智能互动能力和灵活调节水平[4，5]。

为提高学生对电力系统发展新趋势和挑战的适应性，在传统以理论教学为主的教学方式基础上，增加一些开放性的课后实践课题，鼓励学生积极探索，将课堂知识与实践相结合，对知识进行有效转化，缩短课堂与实际工作现场的距离。通过在教学中引入多个行业内通用的仿真软件，如中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序（PSASP）和电力系统全数字仿真系统（ADPSS）等，了解具体工作中常用软件工具的功能、界面、模块等内容，为使用这些高度集成和开发的电力系统分析工具开展研究和工作打下坚实基础[6]。

学生通过在仿真软件中搭建电力系统暂态模型，对常见电力系统故障如单相短路故障的动态过程进行仿真分析，绘制相关电磁、机电和机械暂态过程中各个电气量波形，掌握电力系统不同位置、不同类型短路故障电气量分布特点和变化规律。这也可以进一步增强学生对电力系统暂态过程的感性认识，了解影响电力系统功角、频率和电压稳定的主要因素，掌握故障切除时间对电力系统暂态稳定的影响，从而掌握提高电力系统暂态稳定的措施。

4.实践环节改革与探索

在我國，煤炭、风能、太阳能等能源资源与电力负荷需求呈现逆向分布特征。“双碳”目标下，为了优化能源配置，保障能源供应，大区电网互联已成为电力系统的重要发展趋势。根据国家“十三五”交直流电网发展规划，多条特高压直流输电线路将投入工程实用，加上已建线路，我国正逐步形成“三华”（华北—华中—华东）特高压同步电网主网架，呈现交直流并列运行、多直流集中馈入受端的特征，这也给电网的运行和调度带来了新的挑战。量测和通信技术、电力系统广域测量和态势感知技术的迅速发展为电力系统运行和控制带来了海量多源异构数据，也使电力系统结构复杂化和信息多源化。“电力系统暂态分析”课程中的部分内容已经与实际电网稳定控制和调度策略不相符合，需要通过实践环节拉近学生与实际工作的距离，使学生做好走上工作岗位的充分准备。

“电力系统暂态分析”课程内容与电气工程专业学生的毕业实习、认知实习环节均结合紧密。毕业实习和认知实习环节主要是组织同学参观电力公司和行业内设备生产和研发机构。在实践环节参观电力公司下属调度中心、传统发电厂（火电发电和水力发电场站）和集中式新能源场站（光伏电站和风电场）时，结合现场生产设备和控制装置，补充说明实际工作中应对电力系统故障的操作流程，进一步提升学生对课程内容的掌握程度，使学生与时俱进，熟悉和掌握高渗透率可再生能源电网的运行特点和面临的新挑战。在课后实践课题中，基于实际电网拓扑结构，采用实际运行数据搭建系统模型，开展相关仿真分析，也可以获得更好的教学效果。通过将课堂教学、课后实践和实习环节三者结合，形成多维度教学模式，提高学生认识问题和解决问题的能力，培养学生创新思维和实践能力。

5.结束语

“电力系统暂态分析”是电气工程专业主干课程之一，对学生的培养至关重要，掌握好这一课程相关教学内容是学好后续专业课程的必要条件。通过对“电力系统暂态分析”课程教学内容、教学方法和实践环节等方面进行改革与探索，采用多维度教学模式，培养学生创新思维和实践能力，提升“碳中和、碳达峰”的双碳发展目标下课程与行业的相关性，也有利于培养学生的实践与创新能力，实现了课程为专业应用型人才培养做贡献的目标，也为学生走上工作岗位打下坚实基础。

参考文献：

[1]习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话[N].人民日报，2020-09-23.

[2]周孝信，陈树勇，鲁宗相，等.能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J].中国电机工程学报，2018，38（7）：1893-1904.

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

[4]张永熙， 周任军， 王媛媛.《电力系统分析》课程的工程实践培养模式探索[J].教育现代化，2019，6（49）：124-125.

[5]张勇军， 张豪. 数字仿真工具在《电力系统分析》教学的应用[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（4）：157-160.

[6]党常亮.Matlab/Simulink在“电力系统分析”教学中的应用[J].高教学刊，2019（12）：102-104.

作者简介：

林克曼（1987年-），女，汉族，江苏南京人，博士，讲师，研究方向为可再生能源发电建模与控制、电力系统频率控制。

吴峰（1977年-），男，汉族，江苏南通人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为可再生能源发电系统的建模与控制、电力系统动态等值、基于广域测量系统的电力系统分析与控制。