仿真實(shí)驗(yàn)在電力課程教學(xué)中的應(yīng)用

李彬

【摘 要】高等學(xué)校電力課程，一直在電力專(zhuān)業(yè)、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)等工科專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系中占有重要地位。為了更好的學(xué)習(xí)這些課程中的理論并與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，所開(kāi)設(shè)的該類(lèi)課程都配有實(shí)驗(yàn)課時(shí)甚至專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)課程，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)成為教學(xué)體系中缺一不可的環(huán)節(jié)。這些實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)往往需要較為完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備做基礎(chǔ)，因此，學(xué)校都投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。鑒于此，文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)在電力課程教學(xué)中的應(yīng)用提出了一些建議，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】仿真實(shí)驗(yàn);電力課程;教學(xué)中的應(yīng)用

引言

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在立足于實(shí)際的基礎(chǔ)上，較短時(shí)間內(nèi)、低成本條件下，彌補(bǔ)了現(xiàn)有教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中存在的不足，較好的滿(mǎn)足了課程的教學(xué)培養(yǎng)要求。針對(duì)現(xiàn)有的課程，規(guī)劃安排合理的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，通過(guò)有針對(duì)性地安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)步驟，編輯撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告模板和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及仿真程序，完整、豐富了實(shí)驗(yàn)課程體系。

1、仿真軟件的使用

由于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析計(jì)算復(fù)雜，工作電壓都是高壓，因此實(shí)際搭接電力系統(tǒng)難度大，由于電網(wǎng)運(yùn)行具有連續(xù)性，學(xué)生實(shí)際上網(wǎng)操作條件也不成熟，而由學(xué)生自己推導(dǎo)手算和理解難度大，因此，靈活使用仿真軟件，來(lái)形象的體現(xiàn)電力系統(tǒng)暫態(tài)計(jì)算結(jié)果是一種重要的學(xué)習(xí)方法。在教學(xué)使用過(guò)程中，電力系統(tǒng)仿真軟件不僅可以通過(guò)圖像界面分析讓學(xué)生直觀的看到電力系統(tǒng)短路運(yùn)行過(guò)程中各參量的變化過(guò)程，同時(shí)也有助于學(xué)生對(duì)暫態(tài)變化過(guò)程形象的理解。在電力系統(tǒng)教學(xué)中主要選擇Matlab、EMTP、PSCAD等常用軟件，這些仿真軟件成為學(xué)生提供理解電力系統(tǒng)分析課程的仿真的平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的暫態(tài)過(guò)程的仿真和設(shè)計(jì)、建立暫態(tài)模型，讓學(xué)生能夠形象的理解該課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，從而很好的掌握電力系統(tǒng)知識(shí)體系。其中Matlab在大部分仿真軟件中應(yīng)用最為廣泛，尤其是Simulink簡(jiǎn)單易學(xué)，適用于初學(xué)者使用，Matlab還能用小波分析、蟻群算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)分析包括對(duì)電力系統(tǒng)短路、控制保護(hù)仿真。

2、電力電子技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1課程內(nèi)容設(shè)計(jì)較滯后

一方面，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展的速度越來(lái)越快，相比而言高職院校的教學(xué)內(nèi)容比較滯后，導(dǎo)致沒(méi)有辦法適應(yīng)企業(yè)的需要;另一方面，對(duì)于使用性能方面，電力電子技術(shù)的要求很高。如何克服障礙，讓學(xué)生在大學(xué)期間成為一個(gè)高素質(zhì)的技術(shù)技能型人才，成為一個(gè)亟待解決的重大難題。在課程的規(guī)劃設(shè)計(jì)上，過(guò)多的理論公式推導(dǎo)和復(fù)雜化的波形分析使學(xué)生漸漸地失去學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)內(nèi)容組織上，教師很少對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，只是將各種電力電子電路簡(jiǎn)單羅列出來(lái)，沒(méi)有具體展開(kāi)講解。

2.2實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱

對(duì)于學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門(mén)課程來(lái)說(shuō)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是幫助學(xué)生理解并掌握知識(shí)的一個(gè)重要方法。但是目前大多數(shù)教師還是用基本的演示性和驗(yàn)證性項(xiàng)目來(lái)開(kāi)展電力電子技術(shù)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，使得高職學(xué)生缺乏主觀能動(dòng)性的鍛煉。由于受經(jīng)濟(jì)水平的制約，高職院校對(duì)電力電子技術(shù)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)投入存在很大的不足，不僅實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊嚴(yán)重，數(shù)量也跟學(xué)生人數(shù)不成比例，沒(méi)有跟上課堂教學(xué)的節(jié)奏。

2.3學(xué)生對(duì)于復(fù)雜電路的分析能力有所欠缺

電力電子電路往往由多個(gè)開(kāi)關(guān)器件、二極管等無(wú)源器件以及電感、變壓器、電容等儲(chǔ)能元件組成，學(xué)生往往對(duì)固定電路能夠具備較強(qiáng)的分析能力，但是面臨不斷隨時(shí)間變化開(kāi)關(guān)等效拓?fù)潆y以理解其工作過(guò)程。

3、仿真實(shí)驗(yàn)在電力課程教學(xué)中的應(yīng)用

3.1教學(xué)課程規(guī)劃

在理論教學(xué)中，為了讓學(xué)生突破難點(diǎn)，較好的掌握理論知識(shí)，教師將實(shí)踐教學(xué)和“微助教平臺(tái)”融進(jìn)課堂教學(xué)中，在高職院校的課堂教學(xué)中，教師有重點(diǎn)地向?qū)W生講述理論內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，學(xué)生自由組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，通過(guò)手機(jī)終端“微助教平臺(tái)”對(duì)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行討論和資源分享，從總體上對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，理解項(xiàng)目的目標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，攻克相關(guān)難點(diǎn)，教師針對(duì)學(xué)生存在的普遍問(wèn)題進(jìn)行教育和引導(dǎo)，通過(guò)“微助教平臺(tái)”上傳教學(xué)資源和動(dòng)態(tài)掌握學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的習(xí)情況，及時(shí)糾正學(xué)生理解中的錯(cuò)誤。

3.2以《電力系統(tǒng)分析》為例

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性仿真實(shí)驗(yàn)課題，學(xué)生自行搭建平臺(tái)，各元件參數(shù)自行合理設(shè)定，并做仿真測(cè)試。擴(kuò)展研究?jī)?nèi)容，要求在線路上設(shè)置短路故障模塊，模擬短路故障，測(cè)試短路電流波形等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從元件參數(shù)，潮流計(jì)算到短路計(jì)算等各個(gè)系統(tǒng)分析過(guò)程都有了更深刻的體會(huì)，也為后續(xù)電力網(wǎng)絡(luò)控制的科研打下了基礎(chǔ)。

3.3授課內(nèi)容結(jié)合實(shí)際應(yīng)用

“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程的一項(xiàng)重要內(nèi)容是提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，學(xué)生畢業(yè)后要能理解系統(tǒng)運(yùn)行情況和實(shí)際操作，因此，對(duì)該課程理論知識(shí)的講解同時(shí)應(yīng)圍繞著工程實(shí)際應(yīng)用情況，要補(bǔ)充和強(qiáng)調(diào)課程的實(shí)用性。在復(fù)雜系統(tǒng)短路電流交流分量計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)用充分利用計(jì)算機(jī)，先選定計(jì)算的數(shù)學(xué)方法和模型，然后根據(jù)方法和模型編制程序;在用對(duì)稱(chēng)分量法計(jì)算不對(duì)稱(chēng)故障的時(shí)候，輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)潮流和三序序網(wǎng)導(dǎo)納矩陣分解計(jì)算，通過(guò)計(jì)算訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)對(duì)短路模型和基本概念的理解，通過(guò)授課內(nèi)容的要點(diǎn)與教學(xué)模式改革結(jié)合是該課程教學(xué)實(shí)施中重要環(huán)節(jié)。

3.4教學(xué)管理

為了提高教學(xué)效率與效果，對(duì)輔助仿真教學(xué)的管理方式首先要改變對(duì)仿真教學(xué)的認(rèn)知，仿真教學(xué)并非簡(jiǎn)單地讓學(xué)生掌握仿真軟件的使用方法，而是通過(guò)輔助仿真教學(xué)來(lái)改善電力電子課程學(xué)習(xí)的思維方式，對(duì)于簡(jiǎn)單的任務(wù)提倡獨(dú)立完成，而對(duì)于較為復(fù)雜的任務(wù)可以組織學(xué)生分組交流、分工、搭建和匯報(bào)，強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程管理而非單一的結(jié)果管理，并將輔助仿真教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和仿真試驗(yàn)報(bào)告納入課程考核成績(jī)的一部分，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.5輔助仿真教學(xué)平臺(tái)選擇

建議采用Saber仿真軟件作為輔助仿真教學(xué)工具。該軟件是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類(lèi)型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可以解決從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問(wèn)題，非常適于設(shè)計(jì)各種電力電子裝備，能夠全面分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)如環(huán)路頻率響應(yīng)、功率管開(kāi)關(guān)、磁性器件的工作情況、元件的電學(xué)應(yīng)力等（如電壓、電流、功耗及溫升）。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)內(nèi)容配套進(jìn)行，既豐富了教學(xué)手段，又使學(xué)生能夠生動(dòng)具體地學(xué)習(xí)知識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，與此前未經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生狀態(tài)比較，對(duì)課程的理解、掌握以及探究欲望都有了明顯的提高，學(xué)生普遍反應(yīng)能力得到鍛煉，學(xué)到了更多更深的東西，達(dá)到了當(dāng)前推廣的研究型教學(xué)理念。

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（作者單位：山東工業(yè)技師學(xué)院）