电力电子技术在电力系统中的应用教学探索研究

张阳，张超，程谆

（1.湖南工业大学 电气与信息工程学院, 湖南 株洲 412007；2.湖南铁道职业技术学院 轨道交通装备智能制造学院, 湖南 株洲 412001）

0 引言

上世纪八十年代，电力电子技术与电力系统的交叉关联比较弱，但随着电力电子的快速发展，IGBT、MOSFET等全控型器逐步代替了传统器件GTO、GTR，成为中、大功率电力电子设备的主导器件[1]，电力电子技术愈加地融入到电力系统当中，使得电力电子技术与电力系统这两门学科交叉关联越来越紧密。伴随着电力电子技术与互联网日新月异，不断刷新高度的发展情况下，电力系统正朝着更加智能化、远程化以及信息化的方向发展着[2-3]。目前，不少学校都开展了电力电子技术在电力系统中应用的相关研究，例如：在发电环节、输电环节和配电环节做了大规模的研究[4-5]，但在课程与教学实践缺少深度融合以及学生缺乏动手实践等方面存在问题，本文将从课堂教学与仿真验证相结合的模式对电力电子技术在电力系统中的应用教学进行深度的探索研究[6]。

1 教学中存在的问题

虽然各大高校正在如火如荼地开展着电力电子技术在电力系统应用的探究工作，但是相关的教学工作却遇到诸多的问题，如果处理不好会影响到教学成果以及学生们综合能力的提高。

1.1 注重传统教学，缺乏动手实践

电力电子技术与电力系统两门学科是电气工程这个专业的两个最核心的两门学科，一个是弱电的代表，另一个是强电的代表,这两门学科都是理论与实践紧密相结合的课程。国内的很多高校在上这些课程时，由于高压电带来的不安全性以及不具备电力系统现场实验装置和设备，不包含实践环节，仅从老师上课讲授中获取认知，这样是远远不够的，因为这个环节对于学生们来说比较抽象，很难让学生理解和掌握。

1.2 教学因循守旧，方式单一

在现阶段的教学当中，老师在授课时，通常会使用PPT来给学生们上课，老师在上面通过PPT给学生们讲解，但是这些学科都含有大量的公式以及复杂难懂的理论知识，如果老师只是将公式放在上面，没有一个推导的过程学生只能被动接受，那么接下来的课程学生学习起来将不会很感兴趣。而且，授课的书上以及PPT中出现的电力变换电路输出的波形是静止的并且不够直观，很难理解电力变换整个过程的难点和重点，容易导致学生们学习的积极性不够，教学效果不够理想。

2 教学改革措施

针对注重传统教学，缺乏动手实践以及教学方式单一的问题。我们可以采用课堂教学与仿真验证相结合的模式，将电力变换技术和电力系统等抽象的理论知识通过仿真软件更直接地展现在学生面前，让学生们感受到复杂理论形象化，对电力变换技术以及电力系统基本概念和电力系统各元件等值网络模型等有了一个全面地了解，提高了学生们的学习兴趣，通过理论知识与实际操作相结合的方式，使得电力电子技术与电力系统理论知识能够更加地融会贯通。

2.1 丰富教学课堂

在课堂上，老师要注重研讨出相关的教学活动，改变课堂中的主导地位，让学生成为主体，能够让学生们参与进来。由于每个学生的水平不同，理解能力也有所不同，因此老师在讲课之前可以让学生们以小组为单位，以每个小组为研讨对象，小组内出现的问题组员可以互相解答，对于解决不了的问题再以小组为单位，递交给老师，让老师为学生们点拨，然后让学生们继续讨论，最后让老师为学生们进行答疑解惑。通过画龙点睛的方法对知识点和方法进行归纳和总结，不仅能充分发挥学生的自主学习能力，而且使学生们在理解的同时能够记忆深刻，从而提高学习的积极性，提高教学质量。

2.2 仿真验证

针对于电力电子技术在电力系统中的仿真验证教学，以下给出相应的仿真实例。例如电力电子技术在电力系统中应用较为经典的是VSC-HVDC输电系统，学生们可以通过PSCAD/EMTDC来仿真建模，VSC-HVDC系统仿真模型均从PSCAD/EMTDC仿真模块库中直接找并拉到工作界面，然后根据VSC-HVDC电路图进行连线，搭建系统仿真模型，最终完成设计。整个系统仿真采用模块设计，学生们将设计提交到演示平台，然后老师在演示平台中对学生的设计进行评定，将学生设计成果的优点以及不足集中展现在学生面前，使学生自主实验接受程度得到很大提升，同时使得学生们更加明了，更加直观地掌握和理解工作原理。主层仿真电路如图1所示。

图1 向无源网络供电的VSC-HVDC输电系统仿真模型

在讲解风力发电技术时，可以通过Matlab软件进行仿真辅导教学，在中、小功率发电系统中一般的拓扑结构为不可控整流器（AC/DC）+升压斩波器（DC/DC）+网侧逆变器（DC/AC）。学生们可以将风力发电系统仿真模型拆分为发电机模块、升压斩波器模块以及网侧逆变器模块，每个模块学生们通过理论知识进行仿真，然后将各个模块整合起来达到整个体系的研究。例如，以升压斩波器为例，升压斩波电路原理如图2所示。

图2 升压斩波电路原理及其工作波形

打开Matlab软件，点击Simulink按钮打开仿真环境，进入主界面之后点击界面中的File/New/Model，建立并保存模型文件，在左侧的资源栏拖拽控件到Model文件并按升压斩波电路原理图连接起来组成仿真电路，如图3所示。通过升压斩波电路的建模以及仿真结果的分析，让学生们了解在Simulink环境下的电力系统模块中建立仿真模型，通过一步步的完成所需要的步骤，在相关参数保持一定的情况下，改变相同电子元件的参数，观察不同电路的特性以及规律，让复杂难懂的波形变得形象且直观，使得抽象的内容变得简单且有趣，从而提高学生们学习理论知识的兴趣以及激发学生们的创新能力。

图3 升压斩波仿真原理框图

从部分到整体的仿真验证，使学生们对VSC-HVDC输电系统以及风力发电系统有一个全面的了解，认识了电力电子器件，参与到了电力系统运行的过程当中，明白了电力变换的几种类型：交流（AC）/直流（DC）整流器；直流（DC）/交流（AC）逆变器；直流（DC）/直流（DC）直流斩波器；交流（AC）/交流（AC）电压或频率变换电路以及交流（AC）/直流（DC）/交流（AC）复合型中间环节变换电路。

3 结束语

通过课堂教学和仿真验证的方法学生们不仅提高了学习的积极性以及明白了电力电子技术在电力系统应用中实例的工作原理，而且还熟练掌握了PSCAD和Matlab软件的运用。针对电力电子技术在电力系统中的应用教学探究是一个持续不断地过程，要以培养理论知识与动手实践相结合的目标，为国家培养新时代的工科综合型人才。