基于MATLAB的電力電子技術風力發電課程設計案例

摘要：“電力電子技術”課程教學中常遇到電路圖和波形復雜、原理抽象、學生難以理解等問題，通過仿真平臺將課程設計運用到理論教學中，倡導先進的電力電子技術理論與應用實踐相結合的教學模式，實現教學手段和教學方法的創新。論文詳細介紹了MATLAB/Simulink仿真軟件進行風電課程設計的教學案例，學生能夠更深入直觀地學習電力電子技術課程，并將課程內容靈活運用到實際工程中，將電力電子技術教學、仿真和實際案例有效結合起來。

關鍵詞：電力電子技術；課程設計；仿真；MATLAB

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

半導體技術在過去二十年中已成為可能，高功率電子器件在公共設施中的應用以及技術的普及率也在不斷提高，電力電子技術成為未來產業發展的關鍵技術之一。電力電子技術囊括了一個極其多樣的領域，包括半導體物理、電路設計和分析、控制系統理論、電機、發電系統和熱轉換。電力電子技術發展的主要領域在過去的幾年里發生了極大的變化，電路拓撲結構更復雜，新的半導體器件數量在其應用領域迅速增長。電力電子技術的進步和不斷變化的需求，使得電力電子技術課程的教學需要進行必要的改進與調整[1]。

一、案例教學法在教學活動中的應用

案例教學作為一種行之有效且目的明確的教學方法，以行動為導向越發受到人們的關注和青睞。作為一種歸納教學法，案例教學作為未來教學改革的趨勢已不可動搖，盡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于典型案例的選取，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。而在電力電子技術為課程的背景下，學生需要應用所講的知識來解釋典型案例所產生的結果，把案例進行模塊化分解，摒棄對每個模塊進行詳細的研究和探討，最后對各個模塊的結果進行整合，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、波形變化分析復雜、課程教學枯燥，學生理解困難；系統模塊化特點鮮明、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，由于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，通過仿真電路，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，使抽象的電路明了簡潔，仿真還可以分析更加復雜的電路并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，教師在教學中通過仿真實例可以輕松解決波形抽象原理復雜的問題。Simulink非常適合于電力電子系統及電力拖動控制系統的仿真，并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塊來構建的，系統的各個參數和仿真參數也可以由用戶自行修改，并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于高校相關課程的教學科研，學生通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為例，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、設置模型參數和觀察仿真結果。學生需將案例進行模塊化分解，就每個模塊結合基礎理論知識進行分析和研究，并進行實際動手調試，尋找各個模塊之間的聯系紐帶，將所有模塊有機結合起來，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。風能作為一種綠色能源，風力發電的過程就是機械能轉換為電能的過程，其中風力發電機及其控制系統負責將機械能轉換為輸送電網的電能，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。

由于中小功率風電系統中電機側一般為不控整流，并且永磁同步發電機一般都為低轉速電機，在低風速下發出的電壓有限，不能滿足并網逆變的條件，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為不控整流器+升壓斬波器+網側逆變器。風力機將風能轉換為機械能，帶動永磁同步發電機轉動，發出的三相不定頻交流電通過二極管不控整流器整流為電壓不定的直流，然后經過升壓斬波器的作用，將直流電壓抬升至可以進行網側逆變的數值，并且通過網側變流器的控制，使直流側電容保持恒壓。網側變流器將直流電逆變為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并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并網逆變器部分組成。學生可以把該風力發電仿真模型分成同步發電機仿真模塊、斬波變流器仿真模塊和逆變仿真模塊，就每個模塊運用理論知識進行仿真，最后將各模塊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為一定電壓信號輸入，通過占空比控制，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：調節控制脈沖的占空比可以實現輸出電壓幅值的跟蹤控制。

3.逆變器仿真

并網逆變器仿真主要是研究并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運行特性。仿真模型如圖7所示，仿真波形如圖8所示。仿真結果表明：逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調制波形，經部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負載下電流為正弦波。

此課程設計案例根據現場實際運行的2.5MW直驅永磁同步風力發電機系統參數，對并網控制系統各個模塊進行了仿真研究，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沖的占空比可以實現輸出電壓幅值的跟蹤控制；并網逆變部分的離網仿真表明逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調制波形，經部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負載下電流為正弦波。此案例的仿真結果達到預期的效果，為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。詳細介紹了通過MATLAB中的Simulink仿真軟件進行的風電課程設計，學生可以更深入直觀地理解“電力電子技術”課程，并能夠將電力電子課程學習的內容靈活運用到實際案例中。在教學中采用仿真教學與實驗教學相結合的方法，變枯燥的理論教學為靈活的項目一體化教學，能有效地提高學生對系統模型的理解，提高學習的興趣，提升教學質量，促進專業教學改革與創新[6]。

該教學模式已在上海電力學院電氣工程及其自動化專業的電力電子技術課程的教學中應用，取得了較好的教學效果，學生在理論知識和實踐動手能力兩方面都取得較好的鍛煉。通過應用仿真軟件進行實際案例設計，不僅可以讓學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科學生的應用方向，為下一階段的課程設計和畢業設計打下基礎，為發揮學生的創造力，進一步鍛煉了他們自主分析問題和解決問題的能力，提高了學生的知識轉化能力和實際動手能力。

參考文獻：

[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法的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2008，（7）：96-97.

[3]林若波，彭燕標.虛擬仿真技術在“電力電子技術”課程教學中的應用[J].云南民族大學學報， 2013，22（5）：378-381.

[4]朱曉東，高繼賢.SIMULINK在電力電子中的應用[J].東北電力學院學報，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.電力電子技術的Matlab/Simulink教學仿真實踐[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：87-89.

（責任編輯：劉翠枝）