基于MATLAB的電力電子技術(shù)風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)案例

摘要：“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中常遇到電路圖和波形復(fù)雜、原理抽象、學(xué)生難以理解等問題，通過仿真平臺將課程設(shè)計(jì)運(yùn)用到理論教學(xué)中，倡導(dǎo)先進(jìn)的電力電子技術(shù)理論與應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段和教學(xué)方法的創(chuàng)新。論文詳細(xì)介紹了MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行風(fēng)電課程設(shè)計(jì)的教學(xué)案例，學(xué)生能夠更深入直觀地學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)課程，并將課程內(nèi)容靈活運(yùn)用到實(shí)際工程中，將電力電子技術(shù)教學(xué)、仿真和實(shí)際案例有效結(jié)合起來。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；課程設(shè)計(jì)；仿真；MATLAB

中圖分類號：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0035-02

半導(dǎo)體技術(shù)在過去二十年中已成為可能，高功率電子器件在公共設(shè)施中的應(yīng)用以及技術(shù)的普及率也在不斷提高，電力電子技術(shù)成為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。電力電子技術(shù)囊括了一個極其多樣的領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體物理、電路設(shè)計(jì)和分析、控制系統(tǒng)理論、電機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)和熱轉(zhuǎn)換。電力電子技術(shù)發(fā)展的主要領(lǐng)域在過去的幾年里發(fā)生了極大的變化，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜，新的半導(dǎo)體器件數(shù)量在其應(yīng)用領(lǐng)域迅速增長。電力電子技術(shù)的進(jìn)步和不斷變化的需求，使得電力電子技術(shù)課程的教學(xué)需要進(jìn)行必要的改進(jìn)與調(diào)整[1]。

一、案例教學(xué)法在教學(xué)活動中的應(yīng)用

案例教學(xué)作為一種行之有效且目的明確的教學(xué)方法，以行動為導(dǎo)向越發(fā)受到人們的關(guān)注和青睞。作為一種歸納教學(xué)法，案例教學(xué)作為未來教學(xué)改革的趨勢已不可動搖，盡管它不可能完全取代傳統(tǒng)的演繹式的教學(xué)模式，卻是一種培養(yǎng)應(yīng)用型人才的良好途徑。

案例教學(xué)應(yīng)用的成功與否很大程度上取決于典型案例的選取，要求典型案例既能體現(xiàn)對基本理論知識的理解和掌握，又要充分提高學(xué)生的實(shí)際動手能力。而在電力電子技術(shù)為課程的背景下，學(xué)生需要應(yīng)用所講的知識來解釋典型案例所產(chǎn)生的結(jié)果，把案例進(jìn)行模塊化分解，摒棄對每個模塊進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討，最后對各個模塊的結(jié)果進(jìn)行整合，才能形成對典型案例較為完整的研究體系[2]。

二、基于MATLAB/Simulink的課程設(shè)計(jì)

“電力電子技術(shù)”這門課是電氣工程與自動化專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，課程有幾個特點(diǎn)：教學(xué)理論性強(qiáng)、波形變化分析復(fù)雜、課程教學(xué)枯燥，學(xué)生理解困難；系統(tǒng)模塊化特點(diǎn)鮮明、模型參數(shù)化明顯，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對獨(dú)立；項(xiàng)目設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)、技術(shù)應(yīng)用廣，實(shí)際開發(fā)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(tǒng)的教學(xué)方式中，由于電子電路變換器部分的電路拓?fù)湫问蕉喾N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(fèi)時費(fèi)精力，學(xué)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(xué)中引入仿真教學(xué)是必要的環(huán)節(jié)，通過仿真電路，學(xué)生可以把變換器的工作原理和物理波形結(jié)合在一起理解，使抽象的電路明了簡潔，仿真還可以分析更加復(fù)雜的電路并且對電路進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

在課程設(shè)計(jì)中利用MATLAB/Simulink軟件可以有效地構(gòu)建出與實(shí)際相符合的案例，教師在教學(xué)中通過仿真實(shí)例可以輕松解決波形抽象原理復(fù)雜的問題。Simulink非常適合于電力電子系統(tǒng)及電力拖動控制系統(tǒng)的仿真，并且具有其他一些軟件所沒有的特點(diǎn)，仿真系統(tǒng)完全是由用戶利用系統(tǒng)提供的基本模塊來構(gòu)建的，系統(tǒng)的各個參數(shù)和仿真參數(shù)也可以由用戶自行修改，并且用戶可以對仿真結(jié)果進(jìn)行多種分析和輸出，教師可以直觀展示各種參數(shù)變化對電路圖波形的影響，學(xué)生改變器件參數(shù)值，可以自己對比分析不同參數(shù)設(shè)計(jì)下的仿真結(jié)果。這種交互性非常適合于高校相關(guān)課程的教學(xué)科研，學(xué)生通過這種交互性加強(qiáng)對理論知識的理解和掌握，也可以用來完成實(shí)驗(yàn)和作業(yè)[4]。

以風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)為例，教師首先要分析電路的組成和工作原理，指導(dǎo)學(xué)生利用仿真平臺搭建數(shù)學(xué)模型，然后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為建立仿真模型、設(shè)置模型參數(shù)和觀察仿真結(jié)果。學(xué)生需將案例進(jìn)行模塊化分解，就每個模塊結(jié)合基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行分析和研究，并進(jìn)行實(shí)際動手調(diào)試，尋找各個模塊之間的聯(lián)系紐帶，將所有模塊有機(jī)結(jié)合起來，完成對典型案例的研究[2]。

三、風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)案例

電力電子技術(shù)在解決能源與環(huán)境的問題上做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。風(fēng)能作為一種綠色能源，風(fēng)力發(fā)電的過程就是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為輸送電網(wǎng)的電能，這一部分是整個系統(tǒng)的核心，所以說風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)是電力電子技術(shù)，其能量轉(zhuǎn)換部件和控制電路都包含有電力電子器件。

由于中小功率風(fēng)電系統(tǒng)中電機(jī)側(cè)一般為不控整流，并且永磁同步發(fā)電機(jī)一般都為低轉(zhuǎn)速電機(jī)，在低風(fēng)速下發(fā)出的電壓有限，不能滿足并網(wǎng)逆變的條件，需要對其進(jìn)行升壓，因此，中小功率風(fēng)電系統(tǒng)中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為不控整流器+升壓斬波器+網(wǎng)側(cè)逆變器。風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)出的三相不定頻交流電通過二極管不控整流器整流為電壓不定的直流，然后經(jīng)過升壓斬波器的作用，將直流電壓抬升至可以進(jìn)行網(wǎng)側(cè)逆變的數(shù)值，并且通過網(wǎng)側(cè)變流器的控制，使直流側(cè)電容保持恒壓。網(wǎng)側(cè)變流器將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的三相交流電饋入電網(wǎng)[5]。課程設(shè)計(jì)案例中利用MATLAB工具，對永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。所研究的仿真系統(tǒng)由永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、不可控整流器、升壓斬波、DC-AC并網(wǎng)逆變器部分組成。學(xué)生可以把該風(fēng)力發(fā)電仿真模型分成同步發(fā)電機(jī)仿真模塊、斬波變流器仿真模塊和逆變仿真模塊，就每個模塊運(yùn)用理論知識進(jìn)行仿真，最后將各模塊結(jié)合起來達(dá)到整個案例體系的研究。

永磁同步發(fā)電機(jī)額定參數(shù)：電壓700V，功率2750kW，電流2270A，功率因數(shù)0.95，速度16rpm，頻率16Hz，極對數(shù)2p=120，電阻R=5.97m-Ohm，電感Ld=Lq=1.0757mH。

風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)案例系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示：

1.同步發(fā)電機(jī)仿真

永磁同步發(fā)電機(jī)仿真主要是依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，研究在一定速度驅(qū)動下帶三相電阻負(fù)載的永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出特性。仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3和4所示。仿真論證了實(shí)際電機(jī)參數(shù)下所達(dá)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(diào)節(jié)功能。仿真模型如圖5所示。升壓斬波電路的輸入設(shè)定為一定電壓信號輸入，通過占空比控制，輸出穩(wěn)定的期望輸出電壓，仿真結(jié)果如圖6所示。系統(tǒng)仿真表明：調(diào)節(jié)控制脈沖的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的跟蹤控制。

3.逆變器仿真

并網(wǎng)逆變器仿真主要是研究并網(wǎng)逆變部分輸出調(diào)節(jié)特性，在給定輸入直流電壓，帶三相負(fù)載的逆變器離網(wǎng)運(yùn)行特性。仿真模型如圖7所示，仿真波形如圖8所示。仿真結(jié)果表明：逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調(diào)制波形，經(jīng)部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負(fù)載下電流為正弦波。

此課程設(shè)計(jì)案例根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的2.5MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，對并網(wǎng)控制系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行了仿真研究，得出一定速度驅(qū)動下帶三相電阻負(fù)載的永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出特性，仿真論證了電機(jī)參數(shù)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(diào)節(jié)控制脈沖的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的跟蹤控制；并網(wǎng)逆變部分的離網(wǎng)仿真表明逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調(diào)制波形，經(jīng)部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負(fù)載下電流為正弦波。此案例的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期的效果，為學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的提升得到良好的體現(xiàn)。

四、結(jié)語

論文提出電力電子技術(shù)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段和教學(xué)方法的創(chuàng)新。詳細(xì)介紹了通過MATLAB中的Simulink仿真軟件進(jìn)行的風(fēng)電課程設(shè)計(jì)，學(xué)生可以更深入直觀地理解“電力電子技術(shù)”課程，并能夠?qū)㈦娏﹄娮诱n程學(xué)習(xí)的內(nèi)容靈活運(yùn)用到實(shí)際案例中。在教學(xué)中采用仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方法，變枯燥的理論教學(xué)為靈活的項(xiàng)目一體化教學(xué)，能有效地提高學(xué)生對系統(tǒng)模型的理解，提高學(xué)習(xí)的興趣，提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)專業(yè)教學(xué)改革與創(chuàng)新[6]。

該教學(xué)模式已在上海電力學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生在理論知識和實(shí)踐動手能力兩方面都取得較好的鍛煉。通過應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行實(shí)際案例設(shè)計(jì)，不僅可以讓學(xué)生熟練掌握這門課程的理論精髓，也可以從多方面深入了解這門學(xué)科學(xué)生的應(yīng)用方向，為下一階段的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，為發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，進(jìn)一步鍛煉了他們自主分析問題和解決問題的能力，提高了學(xué)生的知識轉(zhuǎn)化能力和實(shí)際動手能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]W.Fischer， A.Lindemann.Circuit Simulation in a Research Oriented Education of Power Electronics [J].IEEE.2008.

[2]岳云濤.一種新型案例式教學(xué)法的探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（7）：96-97.

[3]林若波，彭燕標(biāo).虛擬仿真技術(shù)在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].云南民族大學(xué)學(xué)報， 2013，22（5）：378-381.

[4]朱曉東，高繼賢.SIMULINK在電力電子中的應(yīng)用[J].東北電力學(xué)院學(xué)報，2005，25（4）：85-89.

[5]Mushi J.F，Kun Han，Guozhu Chen.Design and Implementation of Wind TurbineImitation System for D，irect Drive Permanent Magnet Synchronous Generator usingDC Motor[J].Sustainable Power Generation and Supply，IEEE，2009：1-6.

[6]劉桂英，粟時平.電力電子技術(shù)的Matlab/Simulink教學(xué)仿真實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（2）：87-89.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）