梁營玉+查雯婷

摘要：《電力電子技術(shù)》是電氣工程專業(yè)的專業(yè)核心必修課，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的本科專業(yè)課程。傳統(tǒng)以講授為主的教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且受到實(shí)驗(yàn)室條件的限制，只能對教材中部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文以三相不可控整流電路為例，探討仿真軟件PSCAD如何輔助《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)。PSCAD的應(yīng)用能避免實(shí)驗(yàn)室條件的局限性，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并提高學(xué)生創(chuàng)新能力，有利于研究型本科生的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：PSCAD；電力電子技術(shù)；本科教學(xué)

一、 引言

《電力電子技術(shù)》是電氣工程本科生的專業(yè)核心必修課，以《電路原理》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《自動控制原理》等先修課程為基礎(chǔ)，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的本科專業(yè)課程。多數(shù)國內(nèi)院校采用西安交通大學(xué)王兆安教授編寫的《電力電子技術(shù)》（第5版）作為本課程的教材。

本課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以講授理論知識為主，并輔之以實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解理論知識。本課程理論性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的講授法較為枯燥，使得學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。此外，由于部分高校實(shí)驗(yàn)室硬件條件和實(shí)驗(yàn)學(xué)時的限制，只能對教材中的部分理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了解決本課程傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的部分問題，引入電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD輔助本課程的教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，克服實(shí)驗(yàn)室硬件條件和學(xué)時的限制，有助于深入理解理論知識和培養(yǎng)本科生利用仿真軟件進(jìn)行科研的能力。

二、 仿真軟件PSCAD的介紹

PSCAD（power system computer aided design）是曼尼托巴水電局開發(fā)的電磁暫態(tài)仿真軟件，具有功能強(qiáng)大、仿真精確性高、用戶界面友好等優(yōu)點(diǎn)，已成為全世界電磁暫態(tài)仿真領(lǐng)域認(rèn)可度最高的一款仿真軟件。PSCAD非常適合電力電子領(lǐng)域的電磁暫態(tài)仿真，能用于電力電子的教學(xué)和科研工作。

圖1為PSCAD的操作界面，PSCAD擁有了強(qiáng)大的自帶元件庫，能夠搭建各種復(fù)雜的電力電子和電力系統(tǒng)模。PSCAD自帶元件庫的所有元件按類分成18組，具體為：無源元件，電源，混合元件，I/O器件，斷路器和故障，HVDC、FACTS和電力電子元件，輸入、輸出和標(biāo)簽，變壓器，電機(jī)，連續(xù)系統(tǒng)功能模型，傳輸線，電纜，表計(jì)，保護(hù)，外部數(shù)據(jù)記錄及讀取，定序器，邏輯元件，PI型等值線路。除此之外，用戶還可以根據(jù)特定需求，自己定義新的模塊。

圖1PSCAD操作界面

在PSCAD中可以采用Fortran語言編程，靈活性好，具有友好的仿真波形顯示界面。《電力電子技術(shù)》課程中所有的電路及控制系統(tǒng)均可采用PSCAD中的元件進(jìn)行搭建，運(yùn)行后可顯示所關(guān)心電氣量的波形或輸出數(shù)據(jù)，增強(qiáng)課程的趣味性，幫助學(xué)生深入理解教材中的理論知識。此外，學(xué)生還可在PSCAD中自行設(shè)計(jì)電力電子電路建?；蝌?yàn)證自己的想法。

三、 仿真教學(xué)實(shí)例

《電力電子技術(shù)》（第5版）第3.5.3節(jié)分析了電容濾波不可控整流電路交流側(cè)諧波，并直接給出了相關(guān)結(jié)論。對于多數(shù)本科生來說，一般傾向于直接記下結(jié)論以應(yīng)付考試，難以真正形象化地理解。本文以三相不可控整流電路為例，說明如何在本課程教學(xué)中應(yīng)用PSCAD。

1. 搭建仿真模型

根據(jù)教材所示的電路搭建仿真模型，仿真模型需要用到電壓源、電感、電力二極管等器件。在PSCAD元件庫中查找需要的元件，按照電路圖進(jìn)行建模，如圖2所示。

2. 運(yùn)行仿真模型，觀察和分析波形

在PSCAD中運(yùn)行已經(jīng)搭建的仿真模型，對測量所關(guān)心的電氣量，對其進(jìn)行觀察和深入分析，對教材所給的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3給出了運(yùn)行仿真模型得到的A相電流波形圖和A相電流頻譜圖。通過改變直流側(cè)電阻，得到一組類似的仿真波形圖，通過對比可以驗(yàn)證教材中的3個結(jié)論：1）交流側(cè)電流諧波次數(shù)為6k±1；2）諧波次數(shù)越高，諧波幅值越??；3）負(fù)載越輕（直流側(cè)電阻越大），則諧波所占比重越大。

除此之外，通過PSCAD中的諧波序分量分析模塊可知：6k+1次諧波為正序分量，6k-1次諧波為負(fù)序分量。

因此，通過應(yīng)用PSCAD搭建和運(yùn)行仿真模型，觀察和分析仿真波形，可以有效驗(yàn)證教材中的結(jié)論，并可深入分析得出新的結(jié)論。相比于傳統(tǒng)枯燥的授課方式，課程上適當(dāng)使用PSCAD，演示仿真波形的生成過程和特點(diǎn)，能夠更好地引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂氛圍和學(xué)習(xí)效果。此外，使用PSCAD不受硬件條件的限制，簡單方便，仿真波形圖形化、形象化，加深了學(xué)生的記憶和理解，并可培養(yǎng)學(xué)生熟練使用PSCAD進(jìn)行學(xué)習(xí)和科研的能力。

四、 結(jié)語

為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的不足，本文引入電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD輔助電力電子技術(shù)的教學(xué)工作，該方法具有以下優(yōu)勢：

1. 軟件易于操作，界面友好。教師可以在課堂上通過投影儀直接進(jìn)行演示，使教學(xué)過程更加直觀。

2. 課余時間，學(xué)生可以在自己電腦上根據(jù)教材搭建仿真模型，驗(yàn)證教材中的結(jié)論，使用方便，不受時間和地點(diǎn)的限制。

3. 與傳統(tǒng)的采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證教材結(jié)論相比，采用PSCAD軟件具有類似的效果，但不需要硬件電路，節(jié)約了成本和實(shí)驗(yàn)室空間，不存在學(xué)生搭錯電路損壞硬件的可能性。

4. PSCAD中豐富的元件庫克服了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法只能實(shí)現(xiàn)幾種特定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的局限性。學(xué)生可以在軟件中隨意建模，驗(yàn)證自己的想法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過分析仿真波形，可以幫助學(xué)生深入分析和解決問題，加深對相關(guān)知識的認(rèn)識和理解。

雖然將PSCAD用于教學(xué)具有講授法和實(shí)驗(yàn)法所不具備的優(yōu)勢，但PSCAD軟件只能作為輔助的工具，不能完全替代講授法和實(shí)驗(yàn)法。三者各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)將三者結(jié)合起來，充分利用三者的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到期望的教學(xué)效果。

授課教師可以每個章節(jié)都用PSCAD搭建一個demo，分享給學(xué)生，讓學(xué)生作為參考搭建本章節(jié)中其他的電力電子電路。這樣可以讓學(xué)生熟練使用PSCAD，并深刻理解每種電路的特點(diǎn)，觀察每種電路仿真波形的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)習(xí)的趣味性。需要指出，PSCAD不僅能用于《電力電子技術(shù)》的本科教學(xué)，還能應(yīng)用于《電路原理》《電力拖動自動控制系統(tǒng)》《新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)》《柔性交流輸電技術(shù)》等本科和研究生課程的教學(xué)。

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作者簡介：

梁營玉，查雯婷，北京市，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）電與信息工程學(xué)院。endprint