电力与电子技术范文

关键词：电力电子技术；教学改革；教学方法

中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）06-0237-02

0引言

电力电子技术是应用在电力领域的一门技术，主要是通过运用电力电子器件对电能实现变换和控制的技术。电力电子技术与信息电子技术合称为电子技术，但二者又有本质的区别。电力电子技术是电力、电子与控制三大领域的交叉学科[1]。目前，电力电子技术作为节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化，硬件结构模块化，产品性能绿色化的方向发展，有着广阔的发展前景1[2]。

《电力电子技术》作为电气工程及其自动化专业的一门很重要的专业基础课，与生产实际联系非常紧密，其内容繁杂，原理抽象，图形复杂，同时又涉及电子，电力，控制理论等多学科内容，是学生一直认为比较难学、难懂的一门课程。随着电力电子技术的发展，内容不断增加，那么如何在有限的学时内获得更好的教学效果，让学生较好地掌握课程内容，并培养学生的工程实践能力和科学创新精神，增强学生的学习兴趣，是一项迫切须解决的问题。本文就笔者在《电力电子技术》教学方面的经验来谈谈《电力电子技术》教学改革的一些措施。

1教学现状及存在的问题

1.1理论教学方面传统的课堂教学中，教师主要是按照电力电子技术的知识体系按照教学计划以板书的方式进行课堂教学。这种教学方式的缺陷是对于电力电子技术器件的原理，结构以及电力变换电路的波形分析等不能明确、详细地进行分析。虽然后来在理论课堂上采用了多媒体课件教学方式，但是大多数老师还是采用了“读”课件的方式，使得学生总是被动接受，同时也不易理解。

1.2实验实训教学方面随着我院招生规模的扩大，实验室现有设备已经远不能满足所有的教学任务。就《电力电子技术》课程方面而言，所带来的问题是：课内实验不能及时完成，更不能完成一些创新性实验。《电力电子技术》课程设计以及毕业设计方面，更是“纸上谈兵”，实践操作机会的缺乏，加之由于学生人数较多，题目比较集中，因此抄袭现象严重。

2《电力电子技术》的课程改革

2.1教学手段的改革

2.1.1提高学生学习的积极性经验证明，要取得良好的教学效果，关键是要激发学生的学习兴趣，兴趣是最好的老师。让学生保持对所学知识的兴趣和渴求，其才会主动、认真地去学习。

例如，在讲“绪论”的时候，重点给学生介绍电力电子技术的应用部分，比如充电器、节能灯、变频空调等等，让学生明确电力电子技术就用在自己身边。这些看得见、摸得着的例子大大激发了学生的兴趣，激发了学生的求知欲望[3]。

2.1.2教学手段的改革总结以往的教学经验，我们采用多媒体+板书的教学手段。多媒体课件PPT是提纲性质的，给出关键性的图，公式及语句即可。那么在讲授的过程中，对于这些图的分析，公式的推导就要借助于黑板，将重点内容进行详细讲解。这样才能既提高教学效率，又使学生更容易接受。再者，多媒体课件要适当体现教材里没有体现出来的内容，比如利用一些仿真软件，动态地对电路进行仿真。提高学生的接收兴趣。例如在讲解直流斩波电路的时候，可以对Buck变换器进行仿真，观察其纹波电压的变换情况，在滤波电路前后，纹波电压波形变化情况如图1所示。

通过演示，让学生对纹波电压波形有了更深一层次的了解。这样的演示可以激发学生学习仿真软件的兴趣，比如PSpice软件[4]，让每个人都能亲自动手接触电路，进行器件接线、参数设置。边连线、边测试、边修改、边分析，并与理论计算结果进行对照，分析各元件参数对电路的作用和影响，调试和测量过程就是最好的学习过程。这样不仅让学生对所学的知识有了更深的认识，还能锻炼其自学能力、动手能力、分析问题的能力，也提高了学生利用现代教育技术手段进行创新学习的能力。

同时在讲授的过程中，不能一贯采用“满堂灌”的形式，要加强训练学生通过对比、总结的形式来加深理解知识的能力。例如在三相整流电路中，各电路的主要参数如表1所示。

这样既便于学生的理解，也能节省课时，给讲授新知识、新技术、新产品腾出时间。有效利用课堂教学，有利于启发和培养学生的创新意识和创新能力，增强学生的发展后劲。

2.2教学内容的重新调整

2.2.1教学重点的改革《电力电子技术》主要分三大部分：器件、电路、控制[1]。器件是基础，电路是主体，控制是拓展，三者相互支撑，相互配合，构成一个整体。

教学重点应根据各专业学生毕业后所从事的领域进行适当调整。根据调查统计，我校电气工程及其自动化专业学生毕业后多从事供配电系统及电力传动领域。

电力与电子技术范文

关键词：电力仿真软件；电力电子技术；仿真效果；软件选择

作者简介：冯兴田（1978-），男，山东广饶人，中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，讲师；王艳松（1965-），女，山东蓬莱人，中国石油大学（华东）信息与控制工程学院电气工程系主任，教授。（山东青岛266580）

基金项目：本文系中国石油大学（华东）教学改革项目（项目编号：JY-A201210）的研究成果。

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）13-0065-02

“电力电子技术”课程作为电力学、电子学和控制理论的交叉学科，是电气工程专业非常重要的必修课。随着电力电子器件的迅速发展，变流技术的发展也是日新月异，使得“电力电子技术”在电气类本科教学中的地位和作用越来越突出。然而，该课程涉及的内容较多且复杂，并在不断更新，如何能够让学生较快、较好地掌握所学内容成为教师们面临的一大难题。

电力仿真软件走进“电力电子技术”的教学课堂在很大程度上有效地解决了这一难题。电力仿真软件通过数字仿真实现电力电子电路的分析、设计、调试等，直观的仿真结果给学生带来了浓厚的学习兴趣，并为将来的电路设计、科学研究打下一定的基础，因为小到本科学习中的基本实验、毕业设计，大到科研中的课题研究、设备装置的开发，通常都要通过仿真结果提供实验参数的参考依据。然而，面临众多电力仿真软件，如何根据实际情况进行合理的选择成为另一难题。本文将通过分析“电力电子技术”教学中常用的几种电力仿真软件提供合理选择的依据。

一、常用电力仿真软件

“电力电子技术”教学中常用的电力仿真软件主要有以下几种：MATLAB、PSIM、PSpice、PSCAD。MATLAB是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，功能全面，能够用于各个行业的建模仿真分析。MATLAB最重要的组件之一Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。其中，电力系统PowerSystem工具箱包含的模组侧重电力系统方面的建模仿真，而电力电子元件模组则是专门针对电力电子电路的仿真设计的。

PSIM是针对电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。它具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。

PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能和图形后处理功能等，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟计算电路。它不仅可以用于电路分析和优化设计，还可与印制版设计软件配合使用，实现电子设计自动化，并且适用于“电力电子技术”课程的计算机辅助教学。

PSCAD可以较为简单地模拟复杂电力系统，包括直流输电系统和其相关的控制系统，并能够显著地提高电力系统电磁暂态模拟研究的效率。它还可通过联合使用实时数字模拟器RTDS硬件来开发模拟器，用以模拟包含高压直流输电系统的大型互联电力系统。

二、常用电力仿真软件的特点

比较分析上述几种电力仿真软件的性能及其在“电力电子技术”教学中的实际仿真应用情况，其特点如下：

1.图形界面友好，操作简单易用

通过拖曳相应的功能模块，按照电气联结关系进行连接，操作过程非常简单，而且紧密结合“电力电子技术”的内容，只要具备基本的计算机软件操作水平和电力电子技术知识就很容易上手。

2.建立仿真工程的步骤类似

采用这些软件进行仿真工作，其基本步骤主要包括：建立仿真工程文件、放置电路元件、设置元件参数、电气连接元件、设定仿真步长和仿真时间等参数、运行仿真操作、观察各点波形结果、分析仿真数据等，使用过程大致相同。

3.节省时间和仪器设备

进行实际电路设计之前，先采用这些软件进行设计分析，可以随意设置电路参数、更换电路元件，并在软件中反复调试、“实验”，简化实际电路操作中的一些步骤，大大缩减电路设计人员的设计周期；通过采用软件中的功能元件还可省去一些测量仪器的使用，并能够避免实际电路实验中的元器件消耗，能够尽可能接近实际电路的雏形。

4.软件升级迅速及时

仿真软件的产品升级紧跟科技的发展。诸如，随着新能源的快速发展，这些仿真软件中也及时增加了风机、光伏发电等模型，满足广大科技工作者的使用。而且，软件版本也在不断升级换代，各个方面针对用户在不断完善。

三、常用电力仿真软件选择与应用

综合分析上述几种电力仿真软件的特点，结合多年来在“电力电子技术”教学中的仿真应用实践，总结了几点区别，以期提供选择和应用合适软件的依据。

1.元件模型及参数设置

这四种软件的元件模型不尽相同，特别是对于一些较为复杂的元件，诸如变压器、晶闸管等，其仿真过程中的暂态变化曲线并不一致。而且，其参数设置也不尽相同，MATLAB/Simulink里的元件参数设置较为细致全面，尤其是对于“电力电子技术”中涉及的晶闸管、IGBT等大功率器件，对它们本身的性能参数有详细的设置，比如器件的上升时间、下降时间等，因而MATLAB/Simulink常用于仿真一些暂态响应过程，比如变压器的磁饱和特性、晶闸管的强制关断过程、状态切换的暂态响应等。其余几种软件主要适用于仿真一些常用的电力电子电路，诸如整流电路、逆变电路、DC/DC变换电路等，对于元件本身性能参数没有严格的要求，或者说主要用于仿真电力电子电路的稳态响应过程。

2.具体仿真操作

在实际的仿真操作中，几种软件也略有差异。像连接元器件的方式上，MATLAB/Simulink的元件大多具有输入输出顺序，要根据元件在电路中的位置选择合适的元件。如果选择不正确，元件之间不会实现电气连接，搭建电路的过程相对复杂。而其他几种软件的连接方式较为简单，通常元件都可实现电气连接，当然，这就需要用户自己判断元件之间的电路连接关系了。另外，各种软件的波形显示窗口、数据文件处理、波形拷贝使用、波形暂态特性、特殊功能部件、THD及损耗测量等只是细节的操作不同。特别指出的是，鉴于MATLAB在数据处理方面的强大功能，而有些软件的仿真波形不适合在文章中使用（比如清晰度不够、横纵坐标难设置等），用户可采用其他软件进行仿真工作，最后生成数据文件之后再将该数据文件导入MATLAB进行数据处理，以得到较好波形效果和处理操作，也不失为一种方法。

3.仿真精度、速度和准确度

仿真精度与仿真步长有直接的关系，各软件的步长设置定义不尽相同，因而仿真精度难以直接比较。然而，MATLAB/Simulink里可以选择不同的数学算法，从某种程度上讲，其仿真精度较高；而且，MATLAB也是各行业较为认可的仿真软件之一。从仿真速度来讲，针对“电力电子技术”中的电路，通常情况下PSIM和PSCAD的仿真速度相对较快一些，其次是PSpice，当然，这也跟用户搭建电路的风格特点以及实际情况有关。而MATLAB/Simulink如果采用图库的电路元件按照实际电力电子电路搭建电路仿真，速度会很慢。如果自己建立数学模型仿真，速度会很快。比如，在一个具有光伏发电、风力发电、传统同步机发电源的电网系统中，包含了“电力电子技术”中的整流器、逆变器、DC/DC变换器等典型电力电子电路。如果采用图库中的大功率器件晶闸管、IGBT等搭建电路实现整流器、逆变器、DC/DC变换器时，仿真速度会大大降低；若自己建立整流器、逆变器、DC/DC变换器的数学模型或者采用向量模型进行仿真时，速度会大幅提高。当然，这就增加了建立数学模型的过程，读者可根据实际情况选择。另外，对于仿真确定的参数虽然可以提供实际电路参数的依据，但与实际电路参数之间还是有一定的差距，还需要综合分析比较计算数据、仿真数据和现场实际情况来定，当然最终还需要实验来验证，但这毕竟大大减小了实验的风险和不确定性。

4.复合功能和应用领域

Simulink依托于MATLAB，能够利用MATLAB强大的数据处理功能并结合其他的功能函数等进行电力电子电路的仿真，复合功能相对丰富，应用领域也更宽广，而且易于实现与其他设备、软件的衔接。比如RTLAB仿真系统就将实际功率设备通过MATLAB进行衔接控制，实现实时仿真。PSIM仿真系统不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。PSpice集成度高，集成了许多仿真功能，如直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等；而且，PSpice程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时采用了稀疏矩阵技术，大大提高了仿真结果的准确性。PSCAD则适用于富含电力电子电路的复杂电力系统，包括现今发展迅速的高压直流输电系统及其相关控制系统、含有各种分布式能源的大型互联电力系统等等。

5.故障模拟与功率器件性能

对于初学“电力电子技术”的同学来说，搭建实际电力电子电路实验容易带来一些问题，如触发脉冲不合适带来的功率器件上下直通现象、功率器件耐压耐流参数选择不合适等都会带来器件的损坏、系统的崩溃。通过采用仿真软件仿真可以事先发现这些问题，及时解决。从另一方面说，学生亦可借助电力仿真软件进行故障模拟，直观地观察波形变化情况，注意出现的问题，强化认识，比如可以人为设置IGBT等功率器件的直通现象、耐压参数、击穿电流等，通过观察各点波形变化情况，达到教学与实践结合的效果。这种故障模拟和器件性能测试方面的仿真通常通过MATLAB/Simulink实现，能够达到较好的仿真观察效果。

“电力电子技术”教学中可参考上文对学生给予指导，可以先介绍简单易操作的软件，如PSIM、PSCAD等，结合各种软件的特点与适用范围，针对不同的仿真对象和问题进行适当的选择，也可以多种软件结合使用，效果更佳。

四、结语

电力仿真软件在“电力电子技术”教学中发挥重要的作用，有针对性地选择电力仿真软件可以提高仿真速度、精度及准确度。本文通过详细分析比较常用的四种电力仿真软件的特点和适用领域，结合教学仿真中的一些实际问题与使用操作，给出了它们具体应用的选择依据。

参考文献：

[1]陈建业.电力电子电路的计算机仿真[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2]飞，叶文.MATLAB仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用[J].中国电力教育，2010，（3）：85-87.

[3]孙佐.基于PSCAD/EMTDC的电力电子技术仿真教学[J].池州学院学报，2009，（6）.

电力与电子技术范文篇3

关键词：电工电子技术；电力系统；应用

引言

电工电子技术具有高频化以及集成化的特点，电工电子技术在电力系统中应用主要表现在发电系统、输电系统以及供电系统中，电工电子技术能够满足机电一体化的发展需要，在更新电工电子技术的同时降低因电工电子技术更新需要购置相关设备的成本，还能够优化电力系统的电能处理方式，在保障电力系统各个环节的基础上，将所涉及到的各项资源进行整合优化，寻找资源配置的最优解，避免出现电力系统中因内部资源分配不均从而导致电力系统中出现资源浪费的情况。

1电工电子技术阐述

1.1电工电子技术简述

电工电子技术是通过电子设备进行工作，并将相应的电子设备应用到各种设备中，改变传统设备的控制方式，增强设备的使用效率。随着信息化的不断发展，依托5G网络技术，电工电子技术使用效率进一步增强。电工电子技术与通信工程深入融合，逐渐向更加信息化、智能化方向发展，已经成为一种渗透性极高的技术。从物理学角度出发对电工电子技术进行分析，其研究方向为电子信息技术和电子技术。

1.2电工电子技术的特征分析

电工电子技术本身就是一门综合性很强的技术。它是将电子和电工两种技术进行融合并发展起来的。具体包括电路、数字电子技术、模拟电子技术。电工电子技术的不断成熟完善进一步推动了电力系统的发展，它可以从两个层面上分析，一是技术层面，主要涉及到电工技术和电子技术方面的理论知识。二是从其特征层面上分析，主要具有的特点是高频化.高效率、集成化[1]。

1.3电工电子技术的应用优势

在电力系统中运用电工电子技术之后，所具备的优势如下：一是可以有效地提高电能利用率。二是促进智能化发展，电工电子技术是依赖于计算机软件衍生发展的，可以利用此技术发展信息技术、计算机计算多种技术协调发展，实现电工电子技术成熟运用，实现智能化。三是机电一体化发展，随着我国电力系统不断发展，人们需求日益增高，为提高适应水平，需要对电工电子技术进行优化和处理，这样才能提高电力系统的运行效率。

2电工电子技术在电力系统中的应用

2.1电力发电系统的应用

将电工电子技术应用到电力系统日常运行过程中，能够帮助工作人员对内部有关设备运行状态进行实时的监督与管理，维持电力设备稳定运行状态的基础上，也能够充分发挥出设备的使用价值。在电力系统发电环节下应用电工电子技术，可以从以下方面进行分析：规模型发电机静止励磁技术。主要就是一种借助晶闸管整流自并励模式，全面的把控好各个机组部分良好的运行过程，保证机组运行价值得以凸显的同事，不需要企业投入大量的经济成本，实现过程安全性的运行特点；另外，变频调速技术。在电力系统内部机组运行当中，通过变频调速技术的应用，能够达到良好的节能降耗效果。尤其是近年来我国变频调速技术的持续发展，更加带动了应用水平的提升，进而也就越发凸显出了节能化以及环保性的应用效果[2]。

2.2静止无功补偿的应用

电力系统对于电气设备的应用非常之多，由于不同电气设备在运行过程中的控制要求会存在很大差异，因此在出现特殊情况时，如何实现对各种电气设备的及时、准确控制就成为了电力系统输电环节所面对的重要问题。从目前来看，基于传统电工技术的手动电气开关虽然可以满足不同电气设备的控制要求，但在控制的准确性与及时性上却存在很大不足。而在电工电子技术得到应用后，则可以用晶闸管来代替传统电气设备手动开关，作为静止无功补偿器负责设备控制，设备运行过程中计算机系统根据输电系统的运行情况来确定控制指令，晶闸管则按照控制指令自动完成开关动作，在保证开关控制及时性的同时，避免误操作现象的发生。虽然我国尚未实现对静止无功补偿器的研发，静止无功补偿器也没有在电力系统中得到推广，但其未来在电力系统输电环节的应用却仍然是可以预见的。

2.3电力输电系统的应用

当电力通过发电系统产生之后，为了能够运输到指定的目标从而满足人们日常的生产生活需要，则需要电力输电系统的帮助。作为电力系统运行过程中一个重要步骤，电力输电系统在运行的过程中不仅需要关注输电的工作效率，还需要关注电力在输电的過程中是否存在大量的电力资源被浪费的问题。长期以来，电力资源在运输的过程中存在无功损耗的问题，其所产生的资源浪费问题不仅造成了大量的电能被浪费，还给环境造成了一定的污染，不利于绿水青山的建设。在电力输电系统中，电工电子技术以直流输电的形式满足电力的运输需要，电工电子技术能够以大数据信息技术为核心通过控制品闸变流设备等相关设备进行输电。直流输电的形式能够大幅地提升电力输电系统的稳定性以及安全性，而且直流输电技术还能够在恶劣的环境下运行，保障了电力系统的正常运维状态[3]。

2.4电能质量控制的应用

在电力系统中，配电系统主要负责对电能质量加以控制，而电工电子技术的应用，则可以是配电系统的核心目标得到轻松实现。一方面，电工电子技术支持下的晶闸管等设备能够对电压、谐波等进行实时、高效调节，在满足电力系统在电压、谐波等方面电能质量要求的同时，避免瞬间波动的发生。另一方面，借助电工电子技术的集成化、全频化特点，还可以对工频配电系统变压器加以改造，消除器体积大、高污染的不足，同时建立谐波的实时监控系统，收集配电系统谐波参数的实时数据，这些对于电能质量控制同样是很有帮助的。

2.5节能降损环节的应用

变负荷电动机调速运行方式、控制无功损耗方式是电力系统中常用的调节损耗的方式，这两种损耗方式是电工电子系统环节降低损耗的两种控制方法。在电力系统中控制耗能最好的方式就是降低电动机耗能，通过使用技术将变负荷电动机进行调速，进而据可以有效的控制耗能。目前对于变负荷中主要采用技术调控，主要调控方面有：风、水流等方面，从整体上提高了调节效率和进度，扩大了适用范围，甚至还实现了无极调速。这项技术虽然整体上能降低耗能，具有一定的优点同时也不可避免存在一些缺点，例如：占总投资比重达，容易造成污染，对于变负荷电动机的使用效果还需要不断的进行研究、实验。电动机两个设备，它们在工作时共同发挥作用，在保证正常供电的情况下保证电路的运行安全。电力系统在运行过程中必要保障平衡和稳定，才能保障电气设备的使用安全，因此，可以在运行过程中采取措施，采用无功补偿装置，对系统进行控制，还能提升使用功率[4]。