仿真軟件在電力職業教育中的應用

酒泉職業技術學院 程明杰 馮黎成

我國社會經濟平穩發展，需要更多的職業型、實戰型、應用型人才，職業教育在我國教育領域中占據重要地位。電力電子技術是一門同工程應用密切相關的專業基礎課程，教師在教學過程中要重視學生工程素質培養與專業基礎訓練。傳統的教育模式已經難以滿足如今電力專業的教育需求，教師在教學時應積極采用多元化的教學方式與各類新型教學軟件，例如仿真軟件，以有效培養學生的綜合能力。

一、電力教學存在的問題

（一）缺少創新

傳統的“灌輸式”教學方式難以活躍電力電子課堂的教學氛圍，一些電力電子的相關知識難以理解，教師在教學過程中應盡可能將相關理論知識同具體的工程應用實踐結合起來，幫助學生把握整體的課程知識結構，掌握其中的認知規律。但如今許多教師在電力教學中仍采用傳統教學方式，教學過程缺乏創新性，難以激發學生的學習興趣，并且過于抽象的理論知識很容易讓學生感到枯燥乏味。

（二）綜合教學內容需要優化

教師在電力教學中應對教學內容進行優化，將理論知識的學習同實際的應用銜接起來，不僅要幫助學生構建科學的知識體系，還要積極培養學生的實踐操作能力。但是此優化過程需要教師花費大量的時間和精力，許多教師為降低工作量，每年采用同一套題目開展實驗設計，更是難以激發學生的學習積極性，部分學生甚至會投機取巧，直接抄襲學長學姐的實驗報告應付教師。

（三）實驗教學方式需改進

除理論教學外，電力電子的實驗教學也十分重要。開展電力電子實驗教學需要一定的實驗設備，例如晶體管、三相電源等功率器件，這些設備價格較高且具有一定的危險性，操作不當很容易出現安全事故。所以，實驗教學中可合理應用仿真軟件，仿真軟件的元器件同真實物理工作原理基本相同，引入仿真軟件在不影響教學成果的同時還能保障學生的安全性。許多教師受到資金設備、信息素養等方面的影響并未應用仿真軟件，也未通過其他方式改進實驗教學方式，難以提高教學成果。

二、常用電力仿真軟件概述

（一）常見的電力仿真軟件

電力電子技術的教學過程中常用的仿真軟件包括MATLAB、PSIM、PSpice與PSCAD。其中，MATLAB通常面對科學計算、可視化與交互式程序設計的計算環境，有著多元化、較為全面的功能，可用于建模仿真分析。Simulink是MATLAB十分重要的組件，可以提供動態系統建模、仿真與綜合分析的集成環境。PSIM是一種用于電機控制行業與電力電子行業的仿真應用包軟件，具備界面友好、仿真高速等功能，可提供可靠的仿真環境進行電力電子電路解析、電機驅動研究等。PSpice軟件有著電路模擬仿真功能、圖形后期處理功能、電路圖繪制功能等，能夠進行電力分析與優化設計，同時還能和印制板設計軟件搭配，做到電子設計自動化。PSCAD能夠簡單模擬復雜電力系統，比如直流輸電系統，還能有效提升電力系統電磁暫態模擬研究效率。

（二）常見電力仿真軟件的特點

在電力教學中，常用的仿真軟件一般具有以下幾種特點：第一，圖形界面友好，操作較為簡便。借助拖曳相應功能模塊，依據電氣聯結關系連接，不僅能夠緊密結合電力教學中的內容，而且操作過程十分簡單，學生只需掌握一定的計算機水平與電力相關知識便能自己動手操作。第二，構建仿真工程的步驟較為相似，其運用過程基本相同。第三，節約時間與設備，利用仿真軟件分析電路設計，能夠任意設置電路參數并更換電路元件，通過軟件反復調試，對實際電路的操作步驟進行簡化，并且利用軟件中的功能元件還能節約一部分測量儀器，降低元器件消耗量。第四，軟件升級快速。隨著科技水平的提升，仿真軟件也在不斷更新換代，相關人員一直在結合用戶的實際需求對仿真軟件進行升級。比如，如今新能源發展迅速，仿真軟件中順應時勢加入光伏、風機發電等模式，盡可能滿足用戶的要求。

三、常見電力仿真軟件在電力教學中的應用

（一）元件模型與參數設置

不同軟件有著不同的元件模型，尤其對于部分比較復雜的元件，其仿真過程的暫態變化曲線也不一樣，參數設施也有所不同。MATLAB/Simulink的元件參數設置比較全面，時常用于仿真暫態響應過程，另外幾種軟件多用于仿真常見的電力電子電路，比如逆變電路、整流電路等，沒有嚴格的元件性能參數要求。

（二）具體仿真操作

在仿真操作過程中，幾種軟件也各有不同。例如連接元器件的方式，MATLAB/Simulink元件多具備輸入輸出順序，需結合電路位置選取元件，若是選擇失誤，元件間也不會形成電氣連接，構建電路的過程比較復雜。其他軟件的連接方式相對簡單，一般情況下元件能夠完成電氣連接，用戶需判斷元件間的電路連接關系，各類軟件的數據文件處理、特殊功能部件、波形顯示窗口等細節操作有所區別。因為MATLAB有著強大的數據處理功能，且一些軟件的仿真波形不適用，用戶可通過其他軟件開展仿真工作，待生成數據文件后將其導入MATLAB中完成數據處理，從而得到更好的處理操作與波形效果。

（三）仿真精度、速度與準確性

仿真軟件的仿真精度同仿真步長相關，其步長設置定義不同，仿真精度無法直接進行對比。MATLAB能夠選取不同的數學算法，仿真精度比較高，認可度也比較高。PSIM與PSCAD的仿真速度較快，不過仿真速度會受到電路特點與實際情況的影響。MATLAB/Simulink若是采用圖庫電路元件依照電力電子電路搭建電路仿真，其速度很緩慢，若是用戶直接構建數學模型仿真將會極大程度地提高其仿真速度，因此，是接受緩慢的仿真速度或是增加構建數學模型的過程，需要用戶結合自身實際情況決定。仿真確定的參數能夠作為實際電路參數的重要依據，但是同實際電路參數仍存在一定差距，用戶需綜合分析仿真數據、計算數據與具體情況，并通過實驗進行驗證，從而有效降低風險。

（四）復合功能與應用領域

MATLAB為Simulink提供支撐，Simulink可以借助MATLAB的數據處理功能與其他功能函數仿真電力電子電路，有著較強的復合功能，應用范圍較為廣泛，易于銜接其他設備與軟件。PSIM仿真系統除回路仿真單體外，還能同其他仿真器相連接，為用戶提供良好的、開發效率高的仿真環境。PSpice程序通過改進節點法列電路方程，進行非線性分析、瞬態分析等提升仿真結果準確度。PSCAD更加適用于電力電子電路較多的復雜電力系統。

（五）故障模擬和功率器件性能

電力專業學生可以利用仿真軟件實施故障模擬，直接查看波形變化情況，強化自身認識。尤其一些初學者在搭建電力電子電路實驗時很容易出現問題，合理應用仿真軟件能夠及時發現這些問題并進行解決處理。故障模擬與器件性能測試方面的仿真一般借助MATLAB/Simulink進行，可以實現良好的仿真觀察效果。

當前，隨著我國社會經濟平穩發展，電力行業不斷進步，需要更多的電力專業實戰型人才。職業教育是我國培育職業型人才的重要教育類型，承擔著一定的教學壓力，電力專業教師應當合理應用仿真軟件，積極開展實踐教學，努力培養學生的創新思維能力與動手操作能力，提高學生的綜合素養與就業競爭力。