電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用教學(xué)探索研究

張陽，張超，程諄

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 株洲 412007；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通裝備智能制造學(xué)院, 湖南 株洲 412001）

0 引言

上世紀(jì)八十年代，電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)的交叉關(guān)聯(lián)比較弱，但隨著電力電子的快速發(fā)展，IGBT、MOSFET等全控型器逐步代替了傳統(tǒng)器件GTO、GTR，成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件[1]，電力電子技術(shù)愈加地融入到電力系統(tǒng)當(dāng)中，使得電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)這兩門學(xué)科交叉關(guān)聯(lián)越來越緊密。伴隨著電力電子技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)日新月異，不斷刷新高度的發(fā)展情況下，電力系統(tǒng)正朝著更加智能化、遠(yuǎn)程化以及信息化的方向發(fā)展著[2-3]。目前，不少學(xué)校都開展了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)研究，例如：在發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)和配電環(huán)節(jié)做了大規(guī)模的研究[4-5]，但在課程與教學(xué)實(shí)踐缺少深度融合以及學(xué)生缺乏動(dòng)手實(shí)踐等方面存在問題，本文將從課堂教學(xué)與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的模式對(duì)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用教學(xué)進(jìn)行深度的探索研究[6]。

1 教學(xué)中存在的問題

雖然各大高校正在如火如荼地開展著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的探究工作，但是相關(guān)的教學(xué)工作卻遇到諸多的問題，如果處理不好會(huì)影響到教學(xué)成果以及學(xué)生們綜合能力的提高。

1.1 注重傳統(tǒng)教學(xué)，缺乏動(dòng)手實(shí)踐

電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)兩門學(xué)科是電氣工程這個(gè)專業(yè)的兩個(gè)最核心的兩門學(xué)科，一個(gè)是弱電的代表，另一個(gè)是強(qiáng)電的代表,這兩門學(xué)科都是理論與實(shí)踐緊密相結(jié)合的課程。國(guó)內(nèi)的很多高校在上這些課程時(shí)，由于高壓電帶來的不安全性以及不具備電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備，不包含實(shí)踐環(huán)節(jié)，僅從老師上課講授中獲取認(rèn)知，這樣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)檫@個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生們來說比較抽象，很難讓學(xué)生理解和掌握。

1.2 教學(xué)因循守舊，方式單一

在現(xiàn)階段的教學(xué)當(dāng)中，老師在授課時(shí)，通常會(huì)使用PPT來給學(xué)生們上課，老師在上面通過PPT給學(xué)生們講解，但是這些學(xué)科都含有大量的公式以及復(fù)雜難懂的理論知識(shí)，如果老師只是將公式放在上面，沒有一個(gè)推導(dǎo)的過程學(xué)生只能被動(dòng)接受，那么接下來的課程學(xué)生學(xué)習(xí)起來將不會(huì)很感興趣。而且，授課的書上以及PPT中出現(xiàn)的電力變換電路輸出的波形是靜止的并且不夠直觀，很難理解電力變換整個(gè)過程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，容易導(dǎo)致學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性不夠，教學(xué)效果不夠理想。

2 教學(xué)改革措施

針對(duì)注重傳統(tǒng)教學(xué)，缺乏動(dòng)手實(shí)踐以及教學(xué)方式單一的問題。我們可以采用課堂教學(xué)與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的模式，將電力變換技術(shù)和電力系統(tǒng)等抽象的理論知識(shí)通過仿真軟件更直接地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生們感受到復(fù)雜理論形象化，對(duì)電力變換技術(shù)以及電力系統(tǒng)基本概念和電力系統(tǒng)各元件等值網(wǎng)絡(luò)模型等有了一個(gè)全面地了解，提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，通過理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合的方式，使得電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)理論知識(shí)能夠更加地融會(huì)貫通。

2.1 豐富教學(xué)課堂

在課堂上，老師要注重研討出相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，改變課堂中的主導(dǎo)地位，讓學(xué)生成為主體，能夠讓學(xué)生們參與進(jìn)來。由于每個(gè)學(xué)生的水平不同，理解能力也有所不同，因此老師在講課之前可以讓學(xué)生們以小組為單位，以每個(gè)小組為研討對(duì)象，小組內(nèi)出現(xiàn)的問題組員可以互相解答，對(duì)于解決不了的問題再以小組為單位，遞交給老師，讓老師為學(xué)生們點(diǎn)撥，然后讓學(xué)生們繼續(xù)討論，最后讓老師為學(xué)生們進(jìn)行答疑解惑。通過畫龍點(diǎn)睛的方法對(duì)知識(shí)點(diǎn)和方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，不僅能充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且使學(xué)生們?cè)诶斫獾耐瑫r(shí)能夠記憶深刻，從而提高學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.2 仿真驗(yàn)證

針對(duì)于電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的仿真驗(yàn)證教學(xué)，以下給出相應(yīng)的仿真實(shí)例。例如電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為經(jīng)典的是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，學(xué)生們可以通過PSCAD/EMTDC來仿真建模，VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型均從PSCAD/EMTDC仿真模塊庫中直接找并拉到工作界面，然后根據(jù)VSC-HVDC電路圖進(jìn)行連線，搭建系統(tǒng)仿真模型，最終完成設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)仿真采用模塊設(shè)計(jì)，學(xué)生們將設(shè)計(jì)提交到演示平臺(tái)，然后老師在演示平臺(tái)中對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)定，將學(xué)生設(shè)計(jì)成果的優(yōu)點(diǎn)以及不足集中展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)接受程度得到很大提升，同時(shí)使得學(xué)生們更加明了，更加直觀地掌握和理解工作原理。主層仿真電路如圖1所示。

圖1 向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)仿真模型

在講解風(fēng)力發(fā)電技術(shù)時(shí)，可以通過Matlab軟件進(jìn)行仿真輔導(dǎo)教學(xué)，在中、小功率發(fā)電系統(tǒng)中一般的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為不可控整流器（AC/DC）+升壓斬波器（DC/DC）+網(wǎng)側(cè)逆變器（DC/AC）。學(xué)生們可以將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型拆分為發(fā)電機(jī)模塊、升壓斬波器模塊以及網(wǎng)側(cè)逆變器模塊，每個(gè)模塊學(xué)生們通過理論知識(shí)進(jìn)行仿真，然后將各個(gè)模塊整合起來達(dá)到整個(gè)體系的研究。例如，以升壓斬波器為例，升壓斬波電路原理如圖2所示。

圖2 升壓斬波電路原理及其工作波形

打開Matlab軟件，點(diǎn)擊Simulink按鈕打開仿真環(huán)境，進(jìn)入主界面之后點(diǎn)擊界面中的File/New/Model，建立并保存模型文件，在左側(cè)的資源欄拖拽控件到Model文件并按升壓斬波電路原理圖連接起來組成仿真電路，如圖3所示。通過升壓斬波電路的建模以及仿真結(jié)果的分析，讓學(xué)生們了解在Simulink環(huán)境下的電力系統(tǒng)模塊中建立仿真模型，通過一步步的完成所需要的步驟，在相關(guān)參數(shù)保持一定的情況下，改變相同電子元件的參數(shù)，觀察不同電路的特性以及規(guī)律，讓復(fù)雜難懂的波形變得形象且直觀，使得抽象的內(nèi)容變得簡(jiǎn)單且有趣，從而提高學(xué)生們學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣以及激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)新能力。

圖3 升壓斬波仿真原理框圖

從部分到整體的仿真驗(yàn)證，使學(xué)生們對(duì)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解，認(rèn)識(shí)了電力電子器件，參與到了電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程當(dāng)中，明白了電力變換的幾種類型：交流（AC）/直流（DC）整流器；直流（DC）/交流（AC）逆變器；直流（DC）/直流（DC）直流斬波器；交流（AC）/交流（AC）電壓或頻率變換電路以及交流（AC）/直流（DC）/交流（AC）復(fù)合型中間環(huán)節(jié)變換電路。

3 結(jié)束語

通過課堂教學(xué)和仿真驗(yàn)證的方法學(xué)生們不僅提高了學(xué)習(xí)的積極性以及明白了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)例的工作原理，而且還熟練掌握了PSCAD和Matlab軟件的運(yùn)用。針對(duì)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用教學(xué)探究是一個(gè)持續(xù)不斷地過程，要以培養(yǎng)理論知識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的目標(biāo)，為國(guó)家培養(yǎng)新時(shí)代的工科綜合型人才。