新能源技术与电力电子教学新方法探析.doc

1、1新能源技术与电力电子教学新方法探析摘 要 电力电子技术是大学学科中“强电”和“弱电”的纽带，是经典电气与现代自动化的融合。当前新能源技术的快速发展，为电力电子教学研究带来新的契机和挑战。结合电力电子教学探索，简要阐述新能源技术与电力电子教学相结合的必要性、总体思路和基本方法，为实现本课程教学新方法的探索提供一定参考。 关键词 电力电子；新能源；风力发电 中图分类号：TM92 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）09-0096-02 New Teaching Methods of Power Electronics Combined with New Energies/Li

2、 Peng Abstract Power electronics is the bridge of electrics and electronics. With the rapid development of new energies， the teaching and research of power electronics are facing with chances and challenges. Based on practical teaching experience， this paper describes the necessity， principles and m

3、ethods of combining power electronics with new energies， which may be of valuable reference for teaching and exploration. Key words power electronics； new energy； wind power 21 电力电子课程特点 电力电子技术属大学工科专业课程，早期也称半导体变流技术。从学科角度，它由电力学、电子学和控制理论交叉形成，是连接“信息电子” （弱电）和“电力电子” （强电）的桥梁。从目的角度，它旨在利用电力电子器件实现电压、电流、频率和相位等

4、电能变换和控制。从内容角度，它包括器件、电路、系统及其控制三部分。 根据授课对象及课时要求不同，侧重点也应有所差异。在大多电气类相关专业中，本课程多作为专业主干课，课时在 64 学时以上，上述三部分内容均需细致讲解且辅以专业实验。而对控制类专业，本课程多作为专业选修课，课时多在 32 学时以下，目标在于与控制工程相关的基础学习，偏重基本原理和方法。因此，课程大纲和课堂讲授应紧密结合学生所需，以最大效率地实现教与学的有机结合。 同时，与许多本科课程相比，电力电子知识点更加分散，各种器件特点、符号、物理参数等容易混淆，且电路波形绘制和分析对于学生理解和记忆难度较大。因此，未来新课程内容和教学模式探

5、索至关重要。 本文结合新能源尤其是风电技术，简析课程教学中的一些探索性方法，为实现教学探索提供一定参考。 2 新能源技术与电力电子教学 2.1 新能源与大学教学 能源与环境是当前世界发展的两大课题，而对于能源问题的技术解决，电力电子技术提供了重要的支撑。在诸多新能源中，风力发电和光伏发电与电力电子技术关系尤为密切，其能量转换部件及控制电路都包3含有电力电子器件。尤其是风力发电，作为公认的安全、环保、技术成熟的新能源，是电力电子技术与自动控制技术的有机融合体。 近年来，国内高校陆续开设了新能源课程，甚至增设了相关学科专业，而电力电子课程多作为此类专业的基础课展开。相比之下，在非能源类学科或者信息

6、电子为主导的学科中，适当引入新能源背景对于整个电力电子技术的宏观把握大有裨益。 2.2 基于新能源的电力电子教学示例 下面以电力电子技术的绪论为例，简述基于新能源的课程讲解方法。讲解电力电子课程的绪论时，首先需要学生对整个课程的章节内容有宏观把握。而教学过程中，学生对整流、逆变、PWM 等专业技术尚未深入理解，通常很难作为一个有机系统来快速接受。 以国家“十一五”规划教材电力电子技术为例，课程共分为 9章，其中，第 2 章“电力电子器件”是基础，第 3、4 章“整流” “逆变”是核心，第 5、6 章“DC-DC” “AC-AC”是辅助，第 7 章“PWM 控制”是重点，第 8、9 章作为拓展简

7、单了解。笔者发现，各章内容可以通过一类简单的风电系统有机融为一体，如图 1 所示。 风电机组是将“风能”转为“机械能”进而转为“电能”的复杂系统，其基本过程为：风扫过叶轮引起转动产生机械能，经过驱动链耦合输送给发电机转化为电能。由于风的随机特性，该电能无法直接利用或并网，需进行电力变换处理，而处理过程涵盖了电力电子课程的核心章节。 1）整流。发电机所得电能先经过第一次变换，将不规则的交流转化4为直流，这种“AC-DC”的变化过程即为“整流” 。整流是电力电子核心技术之一，作为第 3 章内容，是讲授重点。 2）斩波。整流所得直流一般不满足并网幅值的要求，需要进行升降压转化，这种“DC-DC”技术

8、即为第 5 章的“斩波” 。与此类似，可进行“AC-AC”的讲解，即第 6 章的“交交变频”技术。 3）逆变。斩波所得直流无法直接并入交流电网，需要再次转换为交流并经滤波后并入电网，这种“DC-AC”的技术即为“逆变” 。逆变是与整流互逆的电能转换过程，作为第 4 章内容，也应着重讲解。 4）器件。上述转换多依赖电力电子器件实现，如现代变流技术中的IGBT 正逐渐取代晶闸管成为主流控制器件。可结合教材第 2 章对此展开深入讲述。 5）控制。诸多电能转换控制方法中，脉宽调制（PWM）是主流技术，另有软开关等辅助技术，分别对应第 7、8 章。这些技术已广泛应用于电力电子工程，大大改善了电路控制性能

9、。 由此可见，看似相互孤立的各章节在风电这一实际系统中紧密联合为一个整体，学生可快速把握课程主线，并对课程的工程应用价值有初步理解。 除此之外，其他新能源系统如光伏发电、电动汽车等，也具有类似的模块或功能构成，可作为课程讲解的工程背景。 3 教学中的其他辅助方法探讨 上节以一个例子简单描述了引入新能源的电力电子课程绪论的讲解方法，下面对教学中的其他辅助方法进行简要的探讨。 3.1 教学方式探讨 51）板书结合 Flash 动画。良好的板书可以促进学生的感性认知度，控制课堂节奏，加强师生互动效果。以电力电子为例，诸多电路结构仅用 PPT 解释难以达到良好效果，利用板书逐层递进地绘制并讲解，需要重

10、点强调以及逻辑推理的用板书，大量的描述或辅助性解释用 PPT，从而很好地利于学生接受。 传统电力电子教学中，电路及波形多用静态 PPT 描述，生动性较差，难以描述电路动态变化过程，而将 Flash 动画引入 PPT 中，可形象演示电路的工作过程和参数流向。例如：基于晶闸管的整流桥电路，其板书绘制繁琐，静态 PPT 讲述难度较大，而引入 Flash 后可以清晰看到各时段晶闸管的通断情况、电流流向以及输出情况，从而极大地提高学生学习乐趣，达到寓教于乐的效果。在实际教学中，建议根据课程内容灵活选择板书、PPT、Flash 等教学手段，适当融合，形成“重点突出、形象生动”的教学模式。 2）波形结合 M

11、ATLAB 仿真。电力电子教学通常有这样的体会：最耗时也最难讲解的多是电路波形。MATLAB 的引入将教师从繁重的原理讲解中解脱出来，作为数值计算和图形处理的软件工具，MATLAB 比传统的高级语言更容易学习和掌握，被誉为“巨人肩膀上的工具” 。尤其它集成了SIMULINK 和 SIMPOWER 工具箱，可以很容易地提取元器件，建立系统建模，并利用其友好的交互式界面进行仿真分析。这样，学生可以清楚地看到整个电路运行过程，对诸多结论性的波形“知其所以然” 。 3.2 拓展内容探讨 根据课程学时安排的不同，建议有针对性地进行课堂内容的拓展讲6解，开阔学生视野，同时为后续课开设做一定的技术铺垫。例如

12、，作为控制与电气学科的连接纽带，电力电子许多知识点会涉及相关先行课程。对此，建议回顾并凝练相关的重要结论，这种学科交叉点最难以讲解但极容易引发学生的积极性并锻炼其发散思维。此外，与主干课不同，作为选修课的电力电子通常没有实验课，建议结合 MATLAB 等工具进行模拟，加深学生的理解和记忆。 最后需要注意，电力电子是一种工程性极强的技术，课堂中要注意理论与工程的结合。例如前面提到的新能源技术，可以渗透到每章的课程中，这对于实现研究型和启发性教学具有积极意义。 4 结语 电力电子技术既是“强电”和“弱电”的桥梁，也是理论与实践相结合的典范。本文简要探讨了电力电子技术的教学思路，结合新能源技术，探索了一些新的教学方法，希望对于提高大学课堂效率、培养学生兴趣以及实践科研型教学提供有益参考。 参考文献 1王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2009. 2黄忠霖.电力电子技术的 MATLAB 实践M.北京：国防工业出版社，2009. 3叶杭冶.风力发电机组的控制技术M.北京：机械工业出版社，2006. 4宋永端，李鹏，刘卫，等.风力发电系统与控制技术M.北京：7电子工业出版社，2012.