PSCAD在電力電子技術教學中的應用

梁營玉+查雯婷

摘要：《電力電子技術》是電氣工程專業(yè)的專業(yè)核心必修課，是一門理論與實驗相結合的本科專業(yè)課程。傳統(tǒng)以講授為主的教學模式難以激發(fā)學生的學習興趣，并且受到實驗室條件的限制，只能對教材中部分實驗進行驗證。本文以三相不可控整流電路為例，探討仿真軟件PSCAD如何輔助《電力電子技術》課程教學。PSCAD的應用能避免實驗室條件的局限性，能激發(fā)學生的學習熱情并提高學生創(chuàng)新能力，有利于研究型本科生的培養(yǎng)。

關鍵詞：PSCAD；電力電子技術；本科教學

一、 引言

《電力電子技術》是電氣工程本科生的專業(yè)核心必修課，以《電路原理》《模擬電子技術》《數(shù)字電子技術》《自動控制原理》等先修課程為基礎，是一門理論與實驗相結合的本科專業(yè)課程。多數(shù)國內院校采用西安交通大學王兆安教授編寫的《電力電子技術》（第5版）作為本課程的教材。

本課程傳統(tǒng)的教學方法是以講授理論知識為主，并輔之以實驗，幫助學生理解理論知識。本課程理論性較強，傳統(tǒng)的講授法較為枯燥，使得學生學習熱情不高，難以達到預期的教學目標。此外，由于部分高校實驗室硬件條件和實驗學時的限制，只能對教材中的部分理論進行實驗驗證。

為了解決本課程傳統(tǒng)教學過程中存在的部分問題，引入電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD輔助本課程的教學，激發(fā)學生學習的熱情，克服實驗室硬件條件和學時的限制，有助于深入理解理論知識和培養(yǎng)本科生利用仿真軟件進行科研的能力。

二、 仿真軟件PSCAD的介紹

PSCAD（power system computer aided design）是曼尼托巴水電局開發(fā)的電磁暫態(tài)仿真軟件，具有功能強大、仿真精確性高、用戶界面友好等優(yōu)點，已成為全世界電磁暫態(tài)仿真領域認可度最高的一款仿真軟件。PSCAD非常適合電力電子領域的電磁暫態(tài)仿真，能用于電力電子的教學和科研工作。

圖1為PSCAD的操作界面，PSCAD擁有了強大的自帶元件庫，能夠搭建各種復雜的電力電子和電力系統(tǒng)模。PSCAD自帶元件庫的所有元件按類分成18組，具體為：無源元件，電源，混合元件，I/O器件，斷路器和故障，HVDC、FACTS和電力電子元件，輸入、輸出和標簽，變壓器，電機，連續(xù)系統(tǒng)功能模型，傳輸線，電纜，表計，保護，外部數(shù)據(jù)記錄及讀取，定序器，邏輯元件，PI型等值線路。除此之外，用戶還可以根據(jù)特定需求，自己定義新的模塊。

圖1PSCAD操作界面

在PSCAD中可以采用Fortran語言編程，靈活性好，具有友好的仿真波形顯示界面。《電力電子技術》課程中所有的電路及控制系統(tǒng)均可采用PSCAD中的元件進行搭建，運行后可顯示所關心電氣量的波形或輸出數(shù)據(jù)，增強課程的趣味性，幫助學生深入理解教材中的理論知識。此外，學生還可在PSCAD中自行設計電力電子電路建模或驗證自己的想法。

三、 仿真教學實例

《電力電子技術》（第5版）第3.5.3節(jié)分析了電容濾波不可控整流電路交流側諧波，并直接給出了相關結論。對于多數(shù)本科生來說，一般傾向于直接記下結論以應付考試，難以真正形象化地理解。本文以三相不可控整流電路為例，說明如何在本課程教學中應用PSCAD。

1. 搭建仿真模型

根據(jù)教材所示的電路搭建仿真模型，仿真模型需要用到電壓源、電感、電力二極管等器件。在PSCAD元件庫中查找需要的元件，按照電路圖進行建模，如圖2所示。

2. 運行仿真模型，觀察和分析波形

在PSCAD中運行已經(jīng)搭建的仿真模型，對測量所關心的電氣量，對其進行觀察和深入分析，對教材所給的結論進行驗證。

圖3給出了運行仿真模型得到的A相電流波形圖和A相電流頻譜圖。通過改變直流側電阻，得到一組類似的仿真波形圖，通過對比可以驗證教材中的3個結論：1）交流側電流諧波次數(shù)為6k±1；2）諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小；3）負載越輕（直流側電阻越大），則諧波所占比重越大。

除此之外，通過PSCAD中的諧波序分量分析模塊可知：6k+1次諧波為正序分量，6k-1次諧波為負序分量。

因此，通過應用PSCAD搭建和運行仿真模型，觀察和分析仿真波形，可以有效驗證教材中的結論，并可深入分析得出新的結論。相比于傳統(tǒng)枯燥的授課方式，課程上適當使用PSCAD，演示仿真波形的生成過程和特點，能夠更好地引起學生的學習興趣，提高課堂氛圍和學習效果。此外，使用PSCAD不受硬件條件的限制，簡單方便，仿真波形圖形化、形象化，加深了學生的記憶和理解，并可培養(yǎng)學生熟練使用PSCAD進行學習和科研的能力。

四、 結語

為了克服傳統(tǒng)教學方法存在的不足，本文引入電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD輔助電力電子技術的教學工作，該方法具有以下優(yōu)勢：

1. 軟件易于操作，界面友好。教師可以在課堂上通過投影儀直接進行演示，使教學過程更加直觀。

2. 課余時間，學生可以在自己電腦上根據(jù)教材搭建仿真模型，驗證教材中的結論，使用方便，不受時間和地點的限制。

3. 與傳統(tǒng)的采用實驗方法驗證教材結論相比，采用PSCAD軟件具有類似的效果，但不需要硬件電路，節(jié)約了成本和實驗室空間，不存在學生搭錯電路損壞硬件的可能性。

4. PSCAD中豐富的元件庫克服了傳統(tǒng)的實驗教學方法只能實現(xiàn)幾種特定實驗內容的局限性。學生可以在軟件中隨意建模，驗證自己的想法，提高了學生的學習熱情，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。通過分析仿真波形，可以幫助學生深入分析和解決問題，加深對相關知識的認識和理解。

雖然將PSCAD用于教學具有講授法和實驗法所不具備的優(yōu)勢，但PSCAD軟件只能作為輔助的工具，不能完全替代講授法和實驗法。三者各有優(yōu)缺點，在實際教學中，應將三者結合起來，充分利用三者的優(yōu)點，以達到期望的教學效果。

授課教師可以每個章節(jié)都用PSCAD搭建一個demo，分享給學生，讓學生作為參考搭建本章節(jié)中其他的電力電子電路。這樣可以讓學生熟練使用PSCAD，并深刻理解每種電路的特點，觀察每種電路仿真波形的特點，激發(fā)學習的趣味性。需要指出，PSCAD不僅能用于《電力電子技術》的本科教學，還能應用于《電路原理》《電力拖動自動控制系統(tǒng)》《新能源并網(wǎng)發(fā)電技術》《柔性交流輸電技術》等本科和研究生課程的教學。

參考文獻：

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[3]榮軍，萬軍華，陳曦，等.計算機仿真技術在電力電子技術課堂教學難點中的應用[J].實驗技術與管理，2012，29（8）：103-105.

作者簡介：

梁營玉，查雯婷，北京市，中國礦業(yè)大學（北京）電與信息工程學院。endprint