“双碳”目标下“电力工程基础”课程教学改革探索_来文豪.pdf

972023 年/第 15 期/5 月“双碳”目标下“电力工程基础”课程教学改革探索来文豪，李平，李梅，胡锋（安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232000）摘要随着“双碳”目标的逐步实现，越来越多带有随机性和波动特性的新能源并入了电网，使得电网结构发生深刻广泛的改变，对创新型和专业型人才的需求和要求进一步提高。“电力工程基础”作为电气工程及其自动化专业的核心基础课程之一，不仅为该专业后期专业课的学习奠定了基础，而且对新型电力系统人才的培养具有重要意义。文章从新型电力系统特点入手，分析当前“电力工程基础”教学中存在的不足，从课程思政、教学内容和课程考评体系构建这三个方面提出教学改革措施，旨在为“双碳”背景下“电力工程基础”课程的改革提供借鉴和参考。关键词“双碳”目标；“电力工程基础”；课程改革中图分类号：G424文献标识码：ADOI:10.16400/ki.kjdk.2023.15.031Exploration on Teaching Reform of the Course Electrical Power Engineering Founda-tion under the Goal of Carbon Peak and Carbon NeutralityLAI Wenhao,LI Ping,LI Mei,HU Feng(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232000)AbstractWiththe gradualrealizationofthe goal ofcarbonpeakand carbonneutralization,more and morerenewableenergysourceswithrandomandfluctuatingcharacteristicsare integratedintothe powergrid,whichmakesthe powergridstructure change profoundly and extensively,and further improves the demand and requirements for innovative andprofessional talents.As one of the core courses of electrical engineering and automation specialty,Power EngineeringFoundation not only lays the foundation for the later professional courses of this specialty,but also has great significanceforthecultivationofnewpowersystemtalents.ThisarticleanalyzestheshortcomingsofthecurrentteachingofElectricalPowerEngineeringFoundationfromtheperspectiveofthecharacteristicsofnewpowersystems.Inaddition,theteachingreform measures are given from the three aspects of the course ideological and political,the teaching content and theconstructionofthecourseevaluationsystem,whichaimstoprovidereferenceforthecoursereformofPowerEngineeringFoundation under the background of carbon peak and carbon neutralization.KeywordsCarbon Peak and Carbon Neutralization;Electric Power Engineering Foundation;course reform近 70 年以来，大气中 CO2浓度的增长速度约为末次冰期末期的 100 倍，2021 年全球能源领域CO2排放量高达363 亿吨，创下历史最高纪录。全球气候变暖已经毋庸置疑，如果不加以遏制，气候变化对人类生存和生态系统造成严重和不可逆转的后果的可能性将进一步增加。大多数国家已加入 巴黎气候协定，欧盟、加拿大等 29 个国家和地区在立法、协议提交、政策宣示等方面提出了碳中和倡议。作为全球负责任的大国，中国以坚定的战略雄心、信心和决心应对全球性气候变化，并制定碳减排计划在 2030 年前碳排放达到峰值，并争取在 2060 年碳排放为净零1。电力行业是全球范围内碳排放最主要的行业之一。在中国，碳排放量占总量的 40%之多2。“双碳”目标下，电力行业建设目标为以可再生能源为主体的新型电力系统。未来，为了实现电力行业的净零排放，风力和光伏等具有随机性、波动性的新能源会大规模并网3。电力系统的转动惯量会持续下降，并且其调压和调频能力都有所不足。同时，电力系统的转动惯量不断下降，调压调频能力乏力，这些都使得电力系统在系统调节、供需平衡和配网运行等方面都将会发生巨大的变化4。伴随着“双碳”目标的逐步实现，电力系统也将发生显著变化。为适应新型电力系统的建设和运维，培养面向新型电力系统的专业人才显得十分必要。“电力工程基础”5-6课程是电气工程及自动化专业的一门必修的专业基础课，不仅为后续电力类课程的学习奠CURRICULUM TEACHING982023 年/第 15 期/5 月定必要的专业基础，也为学生今后进入社会从事电力系统的设计、建设、生产和运行服务等相关工作培养坚实的专业素养。因此，在“双碳”目标下“电力工程基础”课程教学改革对电网人才培养、电网稳定运行和能源安全都具有重要意义。1“双碳”背景下电力系统的特点据国际能源署统计数据显示，2020年全球碳排放主要来自三个领域，分别是制造业与建筑业、能源发电与供热和交通运输，它们的占比分别为百分之十七、四十三和二十六。2021 年，能源燃烧产生的 CO2高达三百六十三亿吨，相比前一年增长 6%7。大气中 CO2的排放主要来源是不可再生能源的燃烧，而电力行业的排放量又占据主导。在“减排”背景下，中国电力行业的发展正面临多重环境的挑战，低碳转型是我国电力系统可持续发展的核心。在 2021 年中国的电力结构中，火力发电占比超 70%，而清洁能源风力和太阳能的发电占比小于 10%。伴随着“双碳”目标的逐步推进，未来风力和太阳能发电将大幅增加。2022 年 5 月份，国家发改委和国家能源局发布 关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案，要求到 2030年我国太阳能和风能的总装机容量达到 12 亿千瓦。由于风力和光伏发电具有随机和不确定性，其大规模并入网络后，会引起现有的网络结构发生深刻而广泛的变化。不确定性新能源的大规模并网后，现有的“确定性发电跟踪不确定负荷”的电力平衡机制已难以应对未来“不确定发电与不确定负荷双向匹配”的问题。此外，大规模分布式电源的并网，使得电力网络的功率分布和潮流计算也会发生巨大变化。随着新型电力系统的构建，电压暂降已不可避免地成为最严重的电能质量问题之一8。这些深刻的变化，使得电网的安全稳定运行需要大量具备扎实新型电力系统知识的高素质人才。2“双碳”目标下“电力工程基础”课程教学存在的不足“电力工程基础”课程是电气工程及自动化专业一门必修的专业基础课，课程涉及电气设备的原理、输变电系统、设备工作接地和保护接地、潮流计算、短路故障分析、电气设备的保护、过电压及其防护等知识。课程不仅专业面宽、理论性强，而且具有非常强的实践性。学好“电力工程基础”，不仅可以为高年级开设的电力类课程学习打下坚实的理论基础，也可以为学生毕业后从事电力领域的设计、开发或建设和服务等工作培养专业素养。然而，新能源的大规模入网，网络结构将发生巨大变化，使得在“双碳”目标下现有的“电力工程基础”课程教学存在明显不足，主要体现在：2.1 教材内容滞后于新技术的发展现有的“电力工程基础”培养方案仍然是基于传统电力网络而设计的，不确定和随机性新能源并网后，电力网络的结构、功率分布等都将发生巨大变化。传统的输变电系统、潮流计算、电气设备的保护等难以适应新型电力系统的发展。如：在传统电力网络中很少考虑电力电子等变换器的阻抗特性，在含高比例可再生能源的新型电力系统中，如果不考虑电力电子变换器的阻抗特性，潮流计算的精度会被降低。2.2 教材内容中对学生在新型电力系统方面的创新启发不足随着“双碳”目标的逐步实现，中国新能源装机容量也在逐步增加，并且将达到总装机容量的 80%以上，电力系统转型升级面临许多新挑战和重大技术难题，使得国家电网比以往任何时候都迫切需要适应当下形势的高质量发展人才。“电力工程基础”课程的主要目的和任务是让学生了解电力系统的主要组成及基本运行情况，并知道电力系统中主要元器件的物理特性和数学模型，以及它们间的相互关系等。不过，其培养的仍是面向传统电力系统建设和运行的人才，并且缺乏新型电力系统创新能力。保障新型电力系统的高质量建设和安全运行，既要求电力系统人才具有批判性思维，也需要具有创新能力。“电力工程基础”作为一门专业先行基础课，必须启发和培养学生在新型电力系统领域的创新能力。3“电力工程基础”课程教学改革内容3.1 加强绿色低碳教育，有机融入课程思政办好新时代思政课，就要做到显性教育与隐性教育相互补充，在专业课程中引入思政元素，进行思政教育。“双碳”目标下的元素新型电力系统建设要牢牢把握培养创新人才的根本任务。将绿色低碳理念纳入教学体系，把思政元素融入教学中，并指导教育教学的改革。以该课为依托，深入挖掘绿色低碳的思政内涵，开展绿色低碳教育。利用数字孪生技术在课堂情境教学中的应用，构建课堂情境，教育并引导学生，深刻认识生态文明建设在中国特色社会主义事业中的重要地位和意义，不断强化对生态保护工作的认识，切实肩负起时代赋予的责任和使命。从我国电力系统的发展、建设和运营过程中挖掘典型人物和事迹，探索有深度的思政元素。在课堂教学中，把握好教学流程，突出“电力工程基础”的课程重点和难点，有机融入思政元素，并将教学重点由传统电网转向“碳达峰、碳中和”和清洁能源方面，积极地向学生传达绿色低碳、“绿水青山就是 课程教学992023 年/第 15 期/5 月金山银山”的观念。3.2 探索“双碳”背景下的教学内容改革落实课程改革实践的重点环节，及时评估学生互动和反馈情况，动态调整教学方式方法。在“双碳”目标下，定制“电力工程基础”课程的新大纲、新教案和新课件，增加新型电力系统的课程内容。在“电力工程基础”教学中，教师通过引入仿真实验教学来丰富课堂内容形式，增强课堂的吸引力，进而达到提高教学质量和效果的目的。通过信息化资源，设置学科课程问题，引导学生自主思考，在思考的过程中检视自己的知识短板和盲点，进行查漏补缺。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，结合新能源电网的运行特点，增加新能源模型、新能源参与电网稳定控制等相关内容，以二次能源高效转换为重点，加强重型燃气轮机、火电灵活调峰、智能发电、分布式能源和多能互补等新能源相关的内容，有助于夯实“双碳”目标下“电力系统暂态分析”课程知识的理解，使得教学内容更好地服务于新形势下电力系统的建设，贴合高比例可再生能源与高比例电力电子装备的新型电力系统的工程实际，为学生走上工作岗位打下坚实的基础。3.3 绿色低碳课程考评体系构建针对“双碳”目标下“电力工程基础”课程教学存在的不足，积极探索适用于新型电力系统的“电