張陽，張超，程諄

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

0 引言

上世紀八十年代，電力電子技術與電力系統(tǒng)的交叉關聯(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、大功率電力電子設備的主導器件[1]，電力電子技術愈加地融入到電力系統(tǒng)當中，使得電力電子技術與電力系統(tǒng)這兩門學科交叉關聯(lián)越來越緊密。伴隨著電力電子技術與互聯(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、遠程化以及信息化的方向發(fā)展著[2-3]。目前，不少學校都開展了電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的相關研究，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]，但在課程與教學實踐缺少深度融合以及學生缺乏動手實踐等方面存在問題，本文將從課堂教學與仿真驗證相結(jié)合的模式對電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用教學進行深度的探索研究[6]。

1 教學中存在的問題

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

1.1 注重傳統(tǒng)教學，缺乏動手實踐

電力電子技術與電力系統(tǒng)兩門學科是電氣工程這個專業(yè)的兩個最核心的兩門學科，一個是弱電的代表，另一個是強電的代表,這兩門學科都是理論與實踐緊密相結(jié)合的課程。國內(nèi)的很多高校在上這些課程時，由于高壓電帶來的不安全性以及不具備電力系統(tǒng)現(xiàn)場實驗裝置和設備，不包含實踐環(huán)節(jié)，僅從老師上課講授中獲取認知，這樣是遠遠不夠的，因為這個環(huán)節(jié)對于學生們來說比較抽象，很難讓學生理解和掌握。

1.2 教學因循守舊，方式單一

在現(xiàn)階段的教學當中，老師在授課時，通常會使用PPT來給學生們上課，老師在上面通過PPT給學生們講解，但是這些學科都含有大量的公式以及復雜難懂的理論知識，如果老師只是將公式放在上面，沒有一個推導的過程學生只能被動接受，那么接下來的課程學生學習起來將不會很感興趣。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過程的難點和重點，容易導致學生們學習的積極性不夠，教學效果不夠理想。

2 教學改革措施

針對注重傳統(tǒng)教學，缺乏動手實踐以及教學方式單一的問題。我們可以采用課堂教學與仿真驗證相結(jié)合的模式，將電力變換技術和電力系統(tǒng)等抽象的理論知識通過仿真軟件更直接地展現(xiàn)在學生面前，讓學生們感受到復雜理論形象化，對電力變換技術以及電力系統(tǒng)基本概念和電力系統(tǒng)各元件等值網(wǎng)絡模型等有了一個全面地了解，提高了學生們的學習興趣，通過理論知識與實際操作相結(jié)合的方式，使得電力電子技術與電力系統(tǒng)理論知識能夠更加地融會貫通。

2.1 豐富教學課堂

在課堂上，老師要注重研討出相關的教學活動，改變課堂中的主導地位，讓學生成為主體，能夠讓學生們參與進來。由于每個學生的水平不同，理解能力也有所不同，因此老師在講課之前可以讓學生們以小組為單位，以每個小組為研討對象，小組內(nèi)出現(xiàn)的問題組員可以互相解答，對于解決不了的問題再以小組為單位，遞交給老師，讓老師為學生們點撥，然后讓學生們繼續(xù)討論，最后讓老師為學生們進行答疑解惑。通過畫龍點睛的方法對知識點和方法進行歸納和總結(jié)，不僅能充分發(fā)揮學生的自主學習能力，而且使學生們在理解的同時能夠記憶深刻，從而提高學習的積極性，提高教學質(zhì)量。

2.2 仿真驗證

針對于電力電子技術在電力系統(tǒng)中的仿真驗證教學，以下給出相應的仿真實例。例如電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用較為經(jīng)典的是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，學生們可以通過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電路圖進行連線，搭建系統(tǒng)仿真模型，最終完成設計。整個系統(tǒng)仿真采用模塊設計，學生們將設計提交到演示平臺，然后老師在演示平臺中對學生的設計進行評定，將學生設計成果的優(yōu)點以及不足集中展現(xiàn)在學生面前，使學生自主實驗接受程度得到很大提升，同時使得學生們更加明了，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)絡供電的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)仿真模型

在講解風力發(fā)電技術時，可以通過Matlab軟件進行仿真輔導教學，在中、小功率發(fā)電系統(tǒng)中一般的拓撲結(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）。學生們可以將風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型拆分為發(fā)電機模塊、升壓斬波器模塊以及網(wǎng)側(cè)逆變器模塊，每個模塊學生們通過理論知識進行仿真，然后將各個模塊整合起來達到整個體系的研究。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，點擊Simulink按鈕打開仿真環(huán)境，進入主界面之后點擊界面中的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，讓復雜難懂的波形變得形象且直觀，使得抽象的內(nèi)容變得簡單且有趣，從而提高學生們學習理論知識的興趣以及激發(fā)學生們的創(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證，使學生們對VSC-HVDC輸電系統(tǒng)以及風力發(fā)電系統(tǒng)有一個全面的了解，認識了電力電子器件，參與到了電力系統(tǒng)運行的過程當中，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）復合型中間環(huán)節(jié)變換電路。

3 結(jié)束語

通過課堂教學和仿真驗證的方法學生們不僅提高了學習的積極性以及明白了電力電子技術在電力系統(tǒng)應用中實例的工作原理，而且還熟練掌握了PSCAD和Matlab軟件的運用。針對電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用教學探究是一個持續(xù)不斷地過程，要以培養(yǎng)理論知識與動手實踐相結(jié)合的目標，為國家培養(yǎng)新時代的工科綜合型人才。