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(jì)工具，為了改進(jìn)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(kāi)式電力網(wǎng)潮流計(jì)算為例，介紹了系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真建模方法，并對(duì)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(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電力工程；Matlab；開(kāi)式電力網(wǎng)；潮流計(jì)算

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(duì)象是電力系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的工程性，而傳統(tǒng)的授課方式主要采用板書(shū)和PPT，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，特別是涉及煩瑣計(jì)算的內(nèi)容，學(xué)生覺(jué)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(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生的積極思考和主動(dòng)實(shí)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(jiǎn)介

Matlab是美國(guó)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(jì)的重要工具之一。歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)程中，教師可以針對(duì)電力系統(tǒng)分析實(shí)例，在課堂介紹Matlab仿真模型的搭建過(guò)程、仿真設(shè)置和運(yùn)行、仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行必要的分析和講解。在仿真過(guò)程中，可以方便的對(duì)模型和參數(shù)進(jìn)行修改，并可對(duì)系統(tǒng)的工作工程加以動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)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(duì)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

三、仿真實(shí)例

本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)式電力網(wǎng)為例，介紹系統(tǒng)的仿真過(guò)程。（熊信銀主編《電氣工程基礎(chǔ)》第151頁(yè)例題6-5）開(kāi)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(fù)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(diǎn)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(fù)荷采用Series RLC Load。由于線路存在對(duì)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(cè)量模塊、示波器顯示模塊Scope、功率測(cè)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(duì)節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)d進(jìn)行電壓和功率測(cè)量的模塊，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的測(cè)量方法相同。

2.仿真結(jié)果。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)a的電壓約118kV，有功約為43MW，無(wú)功約為33MVar，仿真結(jié)果與課本的近似計(jì)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(rèn)識(shí)到系統(tǒng)工作時(shí)節(jié)點(diǎn)a的電壓、電流和功率大小，改變系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，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(shū)本的例題的近似計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高計(jì)算能力和應(yīng)用能力。節(jié)點(diǎn)d的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)d的電壓和功率仿真結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，并提出思考問(wèn)題和課后作業(yè)：電壓和功率的仿真和計(jì)算結(jié)果偏差相較節(jié)點(diǎn)a的變大的原因是什么；進(jìn)一步提高理論計(jì)算精度的方法是什么；按照課本的方法，進(jìn)行第二輪潮流計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果和第一輪的計(jì)算結(jié)果以及仿真結(jié)果進(jìn)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(cè)量模塊、負(fù)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(jìn)行簡(jiǎn)單的換算即可。通過(guò)該模塊的介紹和演示，可以讓學(xué)生進(jìn)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(yǔ)

本文介紹了電力工程概論課程的地位、作用和特點(diǎn)，并指出傳統(tǒng)課程教學(xué)方法的不足之處，對(duì)將Matlab仿真技術(shù)融入電力工程概論課堂教學(xué)進(jìn)行了探討。文中簡(jiǎn)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單開(kāi)式電力網(wǎng)潮流計(jì)算的例子，對(duì)Matlab仿真模型的構(gòu)建和仿真結(jié)果的分析進(jìn)行了介紹，并探討了如何通過(guò)仿真引導(dǎo)學(xué)生積極思考來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)能力。

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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