基于Matlab仿真技術(shù)的電力工程概論課程教學(xué)改革探討

蔣云昊+丁穩(wěn)房+宮力+陳輝+汪繁榮+陳俊

摘要：Matlab仿真技術(shù)已成為重要的科研和工程設(shè)計工具，為了改進傳統(tǒng)教學(xué)方法，提高電力工程概論課程的教學(xué)效果，將Matlab仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)。本文以開式電力網(wǎng)潮流計算為例，介紹了系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真建模方法，并對如何由仿真結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進行了探討。

關(guān)鍵詞：電力工程；Matlab；開式電力網(wǎng)；潮流計算

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0118-02

一、引言

電力工程概論課程以電力系統(tǒng)為主，是電氣工程專業(yè)的重要專業(yè)課。該課程的研究對象是電力系統(tǒng)，具有很強的工程性，而傳統(tǒng)的授課方式主要采用板書和PPT，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，特別是涉及煩瑣計算的內(nèi)容，學(xué)生覺得比較枯燥。將基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)融入電力工程概論課程的教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，促進學(xué)生的積極思考和主動實踐，從而有助于克服傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，提升教學(xué)質(zhì)量。

二、Matlab/Simulink簡介

Matlab是美國MathWorks公司研制的商用數(shù)學(xué)軟件，已成為科研和工程設(shè)計的重要工具之一。歐美發(fā)達國家的高校已經(jīng)將Matlab仿真技術(shù)融入教學(xué)中，取得了很好的教學(xué)效果。在電力工程概論教學(xué)過程中，教師可以針對電力系統(tǒng)分析實例，在課堂介紹Matlab仿真模型的搭建過程、仿真設(shè)置和運行、仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行必要的分析和講解。在仿真過程中，可以方便的對模型和參數(shù)進行修改，并可對系統(tǒng)的工作工程加以動態(tài)顯示。通過仿真演示有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深學(xué)生對有關(guān)知識點的理解和掌握。

三、仿真實例

本文以一個簡單的開式電力網(wǎng)為例，介紹系統(tǒng)的仿真過程。（熊信銀主編《電氣工程基礎(chǔ)》第151頁例題6-5）開式電力網(wǎng)如圖1所示，線路額定電壓為110kV，電力網(wǎng)首端電壓為118kV，負荷為：■LDb=（0.4+j15.8）MVA，■LDC=（8.6+j7.5）MVA，■LDd=（12.2+j8.8）MVA，分析節(jié)點電壓和功率分布。仿真系統(tǒng)圖如圖2所示。

1.仿真模型構(gòu)建。線路采用π型等效電路，負荷采用Series RLC Load。由于線路存在對地電容、電源不能直接和線路相聯(lián)，采用電源Us和小電阻串聯(lián)再與線路相連的方式。小電阻可以采用Series RLC Branch；電壓和電流測量模塊、示波器顯示模塊Scope、功率測量Power模塊都可從Simulink模塊中得到。圖2的仿真模型中只給出了對節(jié)點a和節(jié)點d進行電壓和功率測量的模塊，對其他節(jié)點的測量方法相同。

2.仿真結(jié)果。節(jié)點a的電壓和功率仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)仿真結(jié)果，節(jié)點a的電壓約118kV，有功約為43MW，無功約為33MVar，仿真結(jié)果與課本的近似計算結(jié)果基本一致。將圖3和圖4的仿真結(jié)果展示給學(xué)生，可以讓學(xué)生清楚的認識到系統(tǒng)工作時節(jié)點a的電壓、電流和功率大小，改變系統(tǒng)參數(shù)時，可以快速的得到新的仿真結(jié)果，并且可以讓學(xué)生將仿真的結(jié)果和書本的例題的近似計算結(jié)果進行比較和分析，加深學(xué)生對知識點的理解，提高計算能力和應(yīng)用能力。節(jié)點d的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

根據(jù)節(jié)點d的電壓和功率仿真結(jié)果可知，節(jié)點的電壓由于線路的電壓損耗而降低。引導(dǎo)學(xué)生將仿真結(jié)果和課本例題的計算結(jié)果進行比較，并提出思考問題和課后作業(yè)：電壓和功率的仿真和計算結(jié)果偏差相較節(jié)點a的變大的原因是什么；進一步提高理論計算精度的方法是什么；按照課本的方法，進行第二輪潮流計算，并對計算結(jié)果和第一輪的計算結(jié)果以及仿真結(jié)果進行比較和分析。由仿真模塊PowerGUI的Steady-State Voltages and Currents分析工具，可以直接得到電源、測量模塊、負荷、線路等的電壓和電流峰值或有效值，如圖7所示。該模塊給出的是相電壓，如需線電壓只要進行簡單的換算即可。通過該模塊的介紹和演示，可以讓學(xué)生進一步熟悉仿真模塊的功能、使用和分析方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效果。

四、結(jié)語

本文介紹了電力工程概論課程的地位、作用和特點，并指出傳統(tǒng)課程教學(xué)方法的不足之處，對將Matlab仿真技術(shù)融入電力工程概論課堂教學(xué)進行了探討。文中簡介了Matlab仿真軟件在電力系統(tǒng)仿真方面的主要模塊和功能，并通過一個簡單開式電力網(wǎng)潮流計算的例子，對Matlab仿真模型的構(gòu)建和仿真結(jié)果的分析進行了介紹，并探討了如何通過仿真引導(dǎo)學(xué)生積極思考來激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)能力。

參考文獻：

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Application of the MatlabSimulation Technology in the Teaching of Electric Power Engineering

JIANG Yun-haoa，b,DING Wen-fanga，b,GONG Lia，b,CHEN Huia，b,WANG Fan-ronga，b,CHEN Juna，b

(a.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy;

b.Hubei Engineering Technology Research Center of Power Grid Intelligent Control and Equipment,

Hubei University of Technology,Wuhan,Hubei 430068,China)

Abstract:Matlab simulation technology has become an important tool for scientific research and engineering design. In order to improve the traditional teaching method and improve the teaching effect of the electric power engineering course,the Matlab simulation technology is integrated into the classroom teaching. Taking the power flow calculation of open power grid as an example,this paper introduces the simulation modeling method of the MATLAB/SIMULINK,and discusseshow to use the simulation results to guide students to think actively and to arouse the enthusiasm of students.

Key words:electric power engineering;Matlab;open power network;power flow calculation