關於基於MATLAB的電力電子論文

一、案例教學法在教學活動中的應用

案例教學作爲一種行之有效且目的明確的教學方法，以行動爲導向越發受到人們的關注和青睞。作爲一種歸納教學法，案例教學作爲未來教學改革的趨勢已不可動搖，儘管它不可能完全取代傳統的演繹式的教學模式，卻是一種培養應用型人才的良好途徑。案例教學應用的成功與否很大程度上取決於典型案例的選取，要求典型案例既能體現對基本理論知識的理解和掌握，又要充分提高學生的實際動手能力。而在電力電子技術爲課程的背景下，學生需要應用所講的知識來解釋典型案例所產生的結果，把案例進行模組化分解，摒棄對每個模組進行詳細的研究和探討，最後對各個模組的結果進行整合，才能形成對典型案例較爲完整的研究體系[2]。

二、基於MATLAB/Simulink的課程設計

“電力電子技術”這門課是電氣工程與自動化專業的基礎學科之一，課程有幾個特點：教學理論性強、波形變化分析複雜、課程教學枯燥，學生理解困難；系統模組化特點鮮明、模型參數化明顯，實驗項目相對獨立；項目設計綜合性強、技術應用廣，實際開發的案例比較成熟[3]。教師在分析電子器件的特性和電子電路的工作原理時，需要觀察波形圖的變化來闡明工作過程。傳統的教學方式中，由於電子電路變換器部分的電路拓撲形式多種多樣，如果僅是手繪波形或者多媒體展示波形，教師講解起來費時費精力，學生也不能清楚的掌握分析波形圖變化的原因。所以在多媒體教學中引入仿真教學是必要的環節，透過仿真電路，學生可以把變換器的工作原理和物理波形結合在一起理解，使抽象的電路明瞭簡潔，仿真還可以分析更加複雜的電路並且對電路進行改進和創新。在課程設計中利用MATLAB/Simulink軟件可以有效地構建出與實際相符合的案例，教師在教學中透過仿真實例可以輕鬆解決波形抽象原理複雜的問題。Simulink非常適合於電力電子系統及電力拖動控制系統的仿真，並且具有其他一些軟件所沒有的特點，仿真系統完全是由用戶利用系統提供的基本模組來構建的，系統的各個參數和仿真參數也可以由用戶自行修改，並且用戶可以對仿真結果進行多種分析和輸出，教師可以直觀展示各種參數變化對電路圖波形的影響，學生改變器件參數值，可以自己對比分析不同參數設計下的仿真結果。這種交互性非常適合於高校相關課程的教學科研，學生透過這種交互性加強對理論知識的理解和掌握，也可以用來完成實驗和作業[4]。以風力發電課程設計爲例，教師首先要分析電路的組成和工作原理，指導學生利用仿真平臺搭建數學模型，然後一步一步建立各部分電路仿真模型，該電路的仿真過程可以分爲建立仿真模型、設定模型參數和觀察仿真結果。學生需將案例進行模組化分解，就每個模組結合基礎理論知識進行分析和研究，並進行實際動手調試，尋找各個模組之間的聯繫紐帶，將所有模組有機結合起來，完成對典型案例的研究[2]。

三、風力發電課程設計案例

電力電子技術在解決能源與環境的問題上做出了相當大的貢獻。風能作爲一種綠色能源，風力發電的過程就是機械能轉換爲電能的過程，其中風力發電機及其控制系統負責將機械能轉換爲輸送電網的電能，這一部分是整個系統的核心，所以說風力發電的核心技術是電力電子技術，其能量轉換部件和控制電路都包含有電力電子器件。由於中小功率風電系統中電機側一般爲不控整流，並且永磁同步發電機一般都爲低轉速電機，在低風速下發出的電壓有限，不能滿足併網逆變的條件，需要對其進行升壓，因此，中小功率風電系統中常見的拓撲結構爲不控整流器+升壓斬波器+網側逆變器。風力機將風能轉換爲機械能，帶動永磁同步發電機轉動，發出的三相不定頻交流電透過二極管不控整流器整流爲電壓不定的直流，然後經過升壓斬波器的作用，將直流電壓擡升至可以進行網側逆變的數值，並且透過網側變流器的控制，使直流側電容保持恆壓。網側變流器將直流電逆變爲與電網電壓同頻同相的三相交流電饋入電網[5]。課程設計案例中利用MATLAB工具，對永磁同步風力發電系統及併網控制系統進行仿真研究。所研究的仿真系統由永磁同步風力發電機、不可控整流器、升壓斬波、DC-AC併網逆變器部分組成。學生可以把該風力發電仿真模型分成同步發電機仿真模組、斬波變流器仿真模組和逆變仿真模組，就每個模組運用理論知識進行仿真，最後將各模組結合起來達到整個案例體系的研究。永磁同步發電機額定參數：電壓700V，功率2750kW，電流2270A，功率因數0.95，速度16rpm，頻率16Hz，極對數2p＝120，電阻R＝5.97m-Ohm，電感Ld=Lq=1.0757mH。風力發電課程設計案例系統仿真框圖如下圖所示：1.同步發電機仿真永磁同步發電機仿真主要是依據實際系統參數，研究在一定速度驅動下帶三相電阻負載的永磁同步發電機發電輸出特性。仿真模型如圖2所示，仿真結果如圖3和4所示。仿真論證了實際電機參數下所達到的額定輸出電壓、電流值及輸出的正弦特性、頻率特性。2.斬波變流器仿真升壓斬波變流器仿真主要是研究升壓斬波部分的變壓調節功能。仿真模型如圖5所示。升壓斬波電路的輸入設定爲一定電壓信號輸入，透過佔空比控制，輸出穩定的期望輸出電壓，仿真結果如圖6所示。系統仿真表明：調節控制脈衝的佔空比可以實現輸出電壓幅值的跟蹤控制。3.逆變器仿真併網逆變器仿真主要是研究併網逆變部分輸出調節特性，在給定輸入直流電壓，帶三相負載的逆變器離網執行特性。仿真模型如圖7所示，仿真波形如圖8所示。仿真結果表明：逆變器輸出電壓爲50Hz基波主頻分量的脈衝調製波形，經部分濾波後爲50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負載下電流爲正弦波。此課程設計案例根據現場實際執行的2.5MW直驅永磁同步風力發電機系統參數，對併網控制系統各個模組進行了仿真研究，得出一定速度驅動下帶三相電阻負載的永磁同步發電機發電輸出特性，仿真論證了電機參數下輸出電壓、電流的正弦特性、頻率特性；升壓斬波部分的仿真表明調節控制脈衝的佔空比可以實現輸出電壓幅值的跟蹤控制；併網逆變部分的離網仿真表明逆變器輸出電壓爲50Hz基波主頻分量的脈衝調製波形，經部分濾波後爲50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負載下電流爲正弦波。此案例的仿真結果達到預期的效果，爲學生實際應用能力的提升得到良好的體現。

四、結語

論文提出電力電子技術教學與實踐相結合的.教學模式，實現教學手段和教學方法的創新。詳細介紹了透過MATLAB中的射的內容。四、教學實踐思考與建議爲了達到我國工程師人才培養的要求，提高“傳熱學”的授課效果，結合中山大學中法核工程“傳熱學”的教學實踐，作者在課程安排、課堂組織和教材安排等方面進行了思考並給出如下建議：1.課程安排1周集中授課，學生不容易完全消化所學知識，可將課程安排到3周，每週8個課時，4個課時用於授課，4個課時用於習題，以便學生對課程知識的掌握。2.課堂組織採取講述和習題的類型，課時按1:1分配，習題課採取4~5人一小組的形式，以提高學生的自我參與意識和團隊合作與交流能力，透過習題過程，使學生更好的理解和掌握所學知識。3.教材安排目前國內“傳熱學”的優秀教材非常多，但基本上都是較爲通用的、適用於長課時的教材。因此，可針對課時安排和授課要求，有針對性地組織相應的教材編寫工作，以便更好地滿足法國工程師培養模式本土化授課模式的需求。4.課程設計針對“傳熱學”工程應用性較強的特性，結合學科研究進展，給出一些科技創新的方向，鼓勵學生進一步深入研究，在業餘時間開展較爲深入的課程設計，以提高學生科研能力和靈活應用所學知識的能力。5.考覈安排建議採用開卷考試，成績評定採用平時成績（20%）與考試成績（80%）相結合的形式，一方面便於監督學生平時學習自主性並克服學生考前突擊的頑症，另一方面也能很好地考覈學生對傳熱知識的掌握程度。

作者:薛花 範月 王育飛 單位:上海電力學院電氣學院