新能源技術與電力電子教學新方法探析

李鵬

北京交通大學 北京 100044

新能源技術與電力電子教學新方法探析

李鵬

北京交通大學 北京 100044

電力電子技術是大學學科中“強電”和“弱電”的紐帶，是經典電氣與現代自動化的融合。當前新能源技術的快速發展，為電力電子教學研究帶 來新的契機和挑戰。結合電力電子教學探索，簡要闡述新能源技術與電力電子教學相結合的必要性、總體思路和基本方法，為實現本課程教學新方法的探索提供一定參考。

電力電子；新能源；風力發電

10.3969/j.issn.16 71-489X.20 13.09.096

作者：李鵬，博士，北京交通大學電子信息工程學院講師，主要研究方向為自動化與新能源技術。

1 電力電子課程特點

電力電子技術屬大學工科專業課程，早期也稱半導體變流技術。從學科角度，它由電力學、電子學和控制理論交叉形成，是連接“信息電子”（弱電）和“電力電子”（強電）的橋梁。從目的角度，它旨在利用電力電子器件實現電壓、電流、頻率和相位等電能變換和控制。從內容角度，它包括器件、電路、系統及其控制三部分。

根據授課對象及課時要求不同，側重點也應有所差異。在大多電氣類相關專業中，本課程多作為專業主干課，課時在64學時以上，上述三部分內容均需細致講解且輔以專業實驗。而對控制類專業，本課程多作為專業選修課，課時多在32學時以下，目標在于與控制工程相關的基礎學習，偏重基本原理和方法。因此，課程大綱和課堂講授應緊密結合學生所需，以最大效率地實現教與學的有機結合。

同時，與許多本科課程相比，電力電子知識點更加分散，各種器件特點、符號、物理參數等容易混淆，且電路波形繪制和分析對于學生理解和記憶難度較大。因此，未來新課程內容和教學模式探索至關重要。

本文結合新能源尤其是風電技術，簡析課程教學中的一些探索性方法，為實現教學探索提供一定參考。

2 新能源技術與電力電子教學

2.1 新能源與大學教學

能源與環境是當前世界發展的兩大課題，而對于能源問題的技術解決，電力電子技術提供了重要的支撐。在諸多新能源中，風力發電和光伏發電與電力電子技術關系尤為密切，其能量轉換部件及控制電路都包含有電力電子器件。尤其是風力發電，作為公認的安全、環保、技術成熟的新能源，是電力電子技術與自動控制技術的有機融合體。

近年來，國內高校陸續開設了新能源課程，甚至增設了相關學科專業，而電力電子課程多作為此類專業的基礎課展開。相比之下，在非能源類學科或者信息電子為主導的學科中，適當引入新能源背景對于整個電力電子技術的宏觀把握大有裨益。

2.2 基于新能源的電力電子教學示例

下面以電力電子技術的緒論為例，簡述基于新能源的課程講解方法。講解電力電子課程的緒論時，首先需要學生對整個課程的章節內容有宏觀把握。而教學過程中，學生對整流、逆變、PWM等專業技術尚未深入理解，通常很難作為一個有機系統來快速接 受。

以國家“十一五”規劃教材《電力電子技術》為例，課程共分為9章，其中，第2章“電力電子器件”是基礎，第3、4章“整流”“逆變”是核心，第5、6章“DC-DC”“AC-AC”是輔助，第7章“PWM控制”是重點，第8、9章作為拓展簡單了解。筆者發現，各章內容可以通過一類簡單的風電系統有機融為一體，如圖1所示。

風電機組是將“風能”轉為“機械能”進而轉為“電能”的復雜系統，其基本過程為：風掃過葉輪引起轉動產生機械能，經過驅動鏈耦合輸送給發電機轉化為電能。由于風的隨機特性，該電能無法直接利用或并網，需進行電力變換處理，而處理過程涵蓋了電力電子課程的核心章節。

1）整流。發電機所得電能先經過第一次變換，將不規則的交流轉化為直流，這種“AC-DC”的變化過程即為“整流”。整流是電力電子核心技術之一，作為第3章內容，是講授重點。

2）斬波。整流所得直流一般不滿足并網幅值的要求，需要進行升降壓轉化，這種“DC-DC”技術即為第5章的“斬波”。與此類似，可進行“AC-AC”的講解，即第6章的“交交變頻”技術。

3）逆變。斬波所得直流無法直接并入交流電網，需要再次轉換為交流并經濾波后并入電網，這種“DC-AC”的技術即為“逆變”。逆變是與整流互逆的電能轉換過程，作為第4章內容，也應著重講解。

4）器件。上述轉換多依賴電力電子器件實現，如現代變流技術中的IGBT正逐漸取代晶閘管成為主流控制器件。可結合教材第2章對此展開深入講述。

5）控制。諸多電能轉換控制方法中，脈寬調制（PWM）是主流技術，另有軟開關等輔助技術，分別對應第7、8章。這些技術已廣泛應用于電力電子工程，大大改善了電路控制性能。

由此可見，看似相互孤立的各章節在風電這一實際系統中緊密聯合為一個整體，學生可快速把握課程主線，并對課程的工程應用價值有初步理解。

除此之外，其他新能源系統如光伏發電、電動汽車等，也具有類似的模塊或功能構成，可作為課程講解的工程背景。

3 教學中的其他輔助方法探討

上節以一個例子簡單描述了引入新能源的電力電子課程緒論的講解方法，下面對教學中的其他輔助方法進行簡要的探討。

3.1 教學方式探討

1）板書結合Flash動畫。良好的板書可以促進學生的感性認知度，控制課堂節奏，加強師生互動效果。以電力電子為例，諸多電路結構僅用PPT解釋難以達到良好效果，利用板書逐層遞進地繪制并講解，需要重點強調以及邏輯推理的用板書，大量的描述或輔助性解釋用PPT，從而很好地利于學生接受。

傳統電力電子教學中，電路及波形多用靜態PPT描述，生動性較差，難以描述電路動態變化過程，而將Flash動畫引入PPT中，可形象演示電路的工作過程和參數流向。例如：基于晶閘管的整流橋電路，其板書繪制繁瑣，靜態PPT講述難度較大，而引入Flash后可以清晰看到各時段晶閘管的通斷情況、電流流向以及輸出情況，從而極大地提高學生學習樂趣，達到寓教于樂的效果。在實際教學中，建議根據課程內容靈活選擇板書、PPT、Flash等教學手段，適當融合，形成“重點突出、形象生動”的教學模式。

2）波形結合MATLAB仿真。電力電子教學通常有這樣的體會：最耗時也最難講解的多是電路波形。MATLAB的引入將教師從繁重的原理講解中解脫出來，作為數值計算和圖形處理的軟件工具，MATLAB比傳統的高級語言更容易學習和掌握，被譽為“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，建立系統建模，并利用其友好的交互式界面進行仿真分析。這樣，學生可以清楚地看到整個電路運行過程，對諸多結論性的波形“知其所以然”。

3.2 拓展內容探討

根據課程學時安排的不同，建議有針對性地進行課堂內容的拓展講解，開闊學生視野，同時為后續課開設做一定的技術鋪墊。例如，作為控制與電氣學科的連接紐帶，電力電子許多知識點會涉及相關先行課程。對此，建議回顧并凝練相關的重要結論，這種學科交叉點最難以講解但極容易引發學生的積極性并鍛煉其發散思維。此外，與主干課不同，作為選修課的電力電子通常沒有實驗課，建議結合MATLAB等工具進行模擬，加深學生的理解和記憶。

最后需要注意，電力電子是一種工程性極強的技術，課堂中要注意理論與工程的結合。例如前面提到的新能源技術，可以滲透到每章的課程中，這對于實現研究型和啟發性教學具有積極意義。

4 結語

電力電子技術既是“強電”和“弱電”的橋梁，也是理論與實踐相結合的典范。本文簡要探討了電力電子技術的教學思路，結合新能源技術，探索了一些新的教學方法，希望對于提高大學課堂效率、培養學生興趣以及實踐科研型教學提供有益參考。

[1]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2]黃忠霖.電力電子技術的MATLAB實踐[M].北京:國防工業出版社,2009.

[3]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]宋永 端,李鵬,劉衛,等.風力發電系統與控 制技術[M].北京:電子工業出版社,2012.

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Li Peng

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