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专业认证背景下“电力电子技术在电力系统中应用”仿真教学的实践与探索论文

发布时间:2020-05-19 16:51:42 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:在工程教育专业认证背景下,结合电力系统电力电子化的发展趋势,以及电力系统专业核心基础课程教学中存在偏重于理论计算和推到的问题,本文借助先进的电力仿真技术,将抽象的理论转换为可视化的等效仿真的教学方法进行思考与探索。结合工程教育认证背景下培养目标中的毕业要求,本文分析了PSCAD仿真软件在电力系统教学中应用,并根据某实际工程详细讲述了MMC-HVDC输电系统建模步骤。实践表明采用基于电力仿真技术的电力系统专业课程教学方式,可充分挖掘和培养学生的创新意识以及思维能力,为培养新时期电力工程学科领域的高、精、尖人才打下坚实基础。

关键字:电力电子在电力系统中应用;专业认证;仿真教学;PSCAD

本文引用格式:张武其,等.专业认证背景下“电力电子技术在电力系统中应用”仿真教学的实践与探索[J].教育现代化,2019,6(62):152-156.

随着我国“一带一路”、国家电网公司的“坚强智能电网+泛在电力物联网”和人工智能技术的不断推进和发展,以新技术、新工业、新理念、新需求为代表的新兴经济高速发展,对新时代下的传统工科专业人才培养提出了新的要求和挑战,加快工程教育改革创新已成政产学研各界形成的共识[1,2]。在新时期工程教育专业认证背景下,相对于传统的工科人才培养方式,未来新兴产业和新经济需要的是能够设计针对复杂工程问题的解决方案,能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论,能够针对复杂工程问题,开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具的高素质复合型“新工科”人才[3]。

电力系统及其自动化方向作为电气工程学科的一个重要分支,近年来,随着环境问题、资源枯竭问题的不断加剧,电网作为一个实现能源大范围内协调的重要平台,要求其越来越具有包容性、开放性和可塑造性;同时伴随着着电力电子技术和互联网技术的快速发展,电力系统正在朝着智能化、信息化方向发展,从而形成一个能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网[4]。

柔性直流输电技术作为构建坚强智能电网的重要组成部分,也是电力电子技术在电力系统中应用的典型案例之一,也是实现大规模可再生能源的广域互补送出的重要途径,是未来电网发展和变革的重要方向之一。本文主要结合工程教育专业认证背景下对工科人才培养目标,探索新要求下电力电子在电力系统中应用课程的仿真教学与应用,为电力系统专业课程的仿真教学提供参考与借鉴,同时能有效加深学生对电力系统和电力电子技术应用的认识和理解。原本电力电子技术和电力系统分析就是电气工程学科中最核心的两门专业基础课程,如果仅凭课堂理论讲授,很难让学生完全理解和应用。借助电力仿真软件,将抽象电力系统知识和电力变换技术借助可视化的仿真模型呈现,可大大提高学生对电力系统功率传输特性、电力网络元件等值模型、电能变换技术以及电力系统控制理论等电力系统专业基础知识的理解和掌握,同时可以很好的培养学生的知识实践应用能力,将电力系统分析和电力电子技术课程相关知识融会贯通,达到举一反三的目的,从而真正实现高等工程专业教育的内涵式发展。

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一电力仿真软件的选择

PSCAD/EMTDC是当前国际上主流的一款电磁暂态仿真软件,该软件具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型数据库(从简单的无源元件到复杂的控制模块,以致电机、FACTS装置、电缆线路等模型均有覆盖),稳定高效的计算内核,良好的用户交互界面和开放性等特点。特别是良好的图形用户界面使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能,相对于基于数学模型的Matlab仿真软件而言,更易于被人们接受。此外,PSCAD/EMTDC还具有强大的基于C语言的自定义功能,用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的电路模块。因此,在电力电子化的电力系统仿真教学中,采用基于PSCAD仿真软件,可很好满足教学要求。



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二 基于PSCAD的MMC-HVDC系统仿真建模与分析

PSCAD/EMTDC在电力系统仿真领域得到了广泛应用,本文以电力电子技术在电力系统中应用最为经典的MMC-HVDC输电系统为例,阐述电力仿真技术在电力系统学科领域教学的应用。

(一) 系统结构与参数

为了更好的阐述仿真技术在电力系统教学领域的独特优势,结合某实际工程在PSCAD/EMTDC中建立了如图1所示VSC-HVDC输电系统仿真模型。本仿真模型采用真双极接线方式,整流侧和逆变侧均直接与交流系统相连。此外,本仿真模型的主要技术参数如表1所示。



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(二) 电流内环控制

基于新型电力电子器件构成的换流,其最大特点是可以实现有功和无功功率的解耦控制。根据MMC换流器的数学模型,结合旋转坐标系,可得到基于dq旋转坐标下的电流解耦控制框图,如图2所示。根据控制框图在PSCAD仿真平台上搭建了如图3所示的控制模块。

(三) 电流外环控制

根据瞬时无功理论Ps=1.5usd*ivd,Qs=-1.5usd*ivq,所以只要根据给定有功和无功功率参考值就可以直接计算出ivd和ivq的参考值,一般为了消除稳态误差,通常加上功率的负反馈调节项。同理,如果给定直流电压和交流系统电压,也同样可得到有功和无功分量的电流参考值。图4和图5分别给出了基于PSCAD/EMTDC的功率控制框图。

(四) MMC电流环流抑制控制

根据能量平衡原理可知,因各个相单元之间电压在实际运行过程中不可能完全一致,所以导致在MMC内部存在一个二倍频率为主的环流。若不对其采取有效的抑制措施,将可能引起直流功率的低频波动。本案例依据MMC内部环流数学模型,设计了如图6所示的环流抑制策略。

(五) 仿真分析

结合上述的各个控制模块的设计,最后形成如图1所示的系统仿真模型。图8给出了额定工况下MMC-HVDC系统下电压、电流及功率波形图。从波形图可以看出,本案例所搭建的仿真系统能在额定工况下稳定运行。基于电力仿真技术的教学方式在电力系统相关专业课程的应用,不仅可以生动形象展示课程知识内容,还能有效提高学生的学习主动性,同时可以加深学生对电力系统相关理论知识的理解及应用,可培养学生的创新思维,开拓学生的视野,为后续工作和学习打下坚实的基础。


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三 结束语

基于PSCAD/EMTDC软件进行电力系统仿真实践教学具有良好的图形显示、直观易懂和强大的自定义功能等优点,可极大提高学生的学习兴趣,尤其是用户自定义模块可以很好培养学生的创新能力,给与学生极大的发挥空间,加深学生对抽象电力知识的理解和掌握。同时借助PSCAD/EMTDC仿真软件开展电力电子在电力系统中应用的专业教学,可以帮助学生验证“电力系统分析”和“电力电子技术”课本中的理论知识,从而从纯粹的理论学习中解脱出来,使学生的学习回归到教育的本质上来,调动学生的积极性,从而提升教学效果。同时在仿真过程中或多或少会遇到一些问题,这样即可培养学生分析和解决实际问题的能力,还能锻炼学生针对问题的描述能力。综上所述,结合工程教育专业认证背景下积极挖掘适应于偏向于理论计算与分析的电力系统核心专业基础课程的仿真教学方法,有利于
实现工程高等教育的本质发展,践行国家能源发展战略,为国家实现现代化建设提供强有力的能源保障,推动我国在新的工业革命性下飞跃式发展,为国家培养能够针对工程实际问题提出解决方案,能够灵活运用基本理论原理开展复杂工程问题研究,能够利用现代技术对复杂工程问题进行预测与模拟的高、精、尖的工程技术人才。

参考文献

[1]陈荣,王永军.新工科背景下电力电子技术课程仿真教学的实践探索[J].教育现代化,2018,5(49):226-228.
[2]冯俊军,等.新工科下热工学课程知识体系构建与教学应用[J].黑龙江工业学院学报,2019,19(3):9-11.
[3]工程教育认证标准[J].电气电子教育学报,2019,41(1):1-4.
[4]农村电工编辑部.全力打造“三型两网”企业推进世界一流能源互联网企业建设[J].农村电工,2019,27(3):1-1.
[5]郑浩.PSCAD在“电力系统暂态分析”课程教学中的应用研究[J].河池学院学报,2018,38(5):98-102.


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