新能源技術(shù)與電力電子教學(xué)新方法探析

李鵬

北京交通大學(xué) 北京 100044

新能源技術(shù)與電力電子教學(xué)新方法探析

李鵬

北京交通大學(xué) 北京 100044

電力電子技術(shù)是大學(xué)學(xué)科中“強(qiáng)電”和“弱電”的紐帶，是經(jīng)典電氣與現(xiàn)代自動(dòng)化的融合。當(dāng)前新能源技術(shù)的快速發(fā)展，為電力電子教學(xué)研究帶 來(lái)新的契機(jī)和挑戰(zhàn)。結(jié)合電力電子教學(xué)探索，簡(jiǎn)要闡述新能源技術(shù)與電力電子教學(xué)相結(jié)合的必要性、總體思路和基本方法，為實(shí)現(xiàn)本課程教學(xué)新方法的探索提供一定參考。

電力電子；新能源；風(fēng)力發(fā)電

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

作者：李鵬，博士，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化與新能源技術(shù)。

1 電力電子課程特點(diǎn)

電力電子技術(shù)屬大學(xué)工科專業(yè)課程，早期也稱半導(dǎo)體變流技術(shù)。從學(xué)科角度，它由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論交叉形成，是連接“信息電子”（弱電）和“電力電子”（強(qiáng)電）的橋梁。從目的角度，它旨在利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率和相位等電能變換和控制。從內(nèi)容角度，它包括器件、電路、系統(tǒng)及其控制三部分。

根據(jù)授課對(duì)象及課時(shí)要求不同，側(cè)重點(diǎn)也應(yīng)有所差異。在大多電氣類相關(guān)專業(yè)中，本課程多作為專業(yè)主干課，課時(shí)在64學(xué)時(shí)以上，上述三部分內(nèi)容均需細(xì)致講解且輔以專業(yè)實(shí)驗(yàn)。而對(duì)控制類專業(yè)，本課程多作為專業(yè)選修課，課時(shí)多在32學(xué)時(shí)以下，目標(biāo)在于與控制工程相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，偏重基本原理和方法。因此，課程大綱和課堂講授應(yīng)緊密結(jié)合學(xué)生所需，以最大效率地實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

同時(shí)，與許多本科課程相比，電力電子知識(shí)點(diǎn)更加分散，各種器件特點(diǎn)、符號(hào)、物理參數(shù)等容易混淆，且電路波形繪制和分析對(duì)于學(xué)生理解和記憶難度較大。因此，未來(lái)新課程內(nèi)容和教學(xué)模式探索至關(guān)重要。

本文結(jié)合新能源尤其是風(fēng)電技術(shù)，簡(jiǎn)析課程教學(xué)中的一些探索性方法，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)探索提供一定參考。

2 新能源技術(shù)與電力電子教學(xué)

2.1 新能源與大學(xué)教學(xué)

能源與環(huán)境是當(dāng)前世界發(fā)展的兩大課題，而對(duì)于能源問(wèn)題的技術(shù)解決，電力電子技術(shù)提供了重要的支撐。在諸多新能源中，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電與電力電子技術(shù)關(guān)系尤為密切，其能量轉(zhuǎn)換部件及控制電路都包含有電力電子器件。尤其是風(fēng)力發(fā)電，作為公認(rèn)的安全、環(huán)保、技術(shù)成熟的新能源，是電力電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的有機(jī)融合體。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校陸續(xù)開設(shè)了新能源課程，甚至增設(shè)了相關(guān)學(xué)科專業(yè)，而電力電子課程多作為此類專業(yè)的基礎(chǔ)課展開。相比之下，在非能源類學(xué)科或者信息電子為主導(dǎo)的學(xué)科中，適當(dāng)引入新能源背景對(duì)于整個(gè)電力電子技術(shù)的宏觀把握大有裨益。

2.2 基于新能源的電力電子教學(xué)示例

下面以電力電子技術(shù)的緒論為例，簡(jiǎn)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(shí)，首先需要學(xué)生對(duì)整個(gè)課程的章節(jié)內(nèi)容有宏觀把握。而教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)整流、逆變、PWM等專業(yè)技術(shù)尚未深入理解，通常很難作為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)來(lái)快速接 受。

以國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材《電力電子技術(shù)》為例，課程共分為9章，其中，第2章“電力電子器件”是基礎(chǔ)，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(diǎn)，第8、9章作為拓展簡(jiǎn)單了解。筆者發(fā)現(xiàn)，各章內(nèi)容可以通過(guò)一類簡(jiǎn)單的風(fēng)電系統(tǒng)有機(jī)融為一體，如圖1所示。

風(fēng)電機(jī)組是將“風(fēng)能”轉(zhuǎn)為“機(jī)械能”進(jìn)而轉(zhuǎn)為“電能”的復(fù)雜系統(tǒng)，其基本過(guò)程為：風(fēng)掃過(guò)葉輪引起轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈耦合輸送給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。由于風(fēng)的隨機(jī)特性，該電能無(wú)法直接利用或并網(wǎng)，需進(jìn)行電力變換處理，而處理過(guò)程涵蓋了電力電子課程的核心章節(jié)。

1）整流。發(fā)電機(jī)所得電能先經(jīng)過(guò)第一次變換，將不規(guī)則的交流轉(zhuǎn)化為直流，這種“AC-DC”的變化過(guò)程即為“整流”。整流是電力電子核心技術(shù)之一，作為第3章內(nèi)容，是講授重點(diǎn)。

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

3）逆變。斬波所得直流無(wú)法直接并入交流電網(wǎng)，需要再次轉(zhuǎn)換為交流并經(jīng)濾波后并入電網(wǎng)，這種“DC-AC”的技術(shù)即為“逆變”。逆變是與整流互逆的電能轉(zhuǎn)換過(guò)程，作為第4章內(nèi)容，也應(yīng)著重講解。

4）器件。上述轉(zhuǎn)換多依賴電力電子器件實(shí)現(xiàn)，如現(xiàn)代變流技術(shù)中的IGBT正逐漸取代晶閘管成為主流控制器件。可結(jié)合教材第2章對(duì)此展開深入講述。

5）控制。諸多電能轉(zhuǎn)換控制方法中，脈寬調(diào)制（PWM）是主流技術(shù)，另有軟開關(guān)等輔助技術(shù)，分別對(duì)應(yīng)第7、8章。這些技術(shù)已廣泛應(yīng)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(jié)在風(fēng)電這一實(shí)際系統(tǒng)中緊密聯(lián)合為一個(gè)整體，學(xué)生可快速把握課程主線，并對(duì)課程的工程應(yīng)用價(jià)值有初步理解。

除此之外，其他新能源系統(tǒng)如光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車等，也具有類似的模塊或功能構(gòu)成，可作為課程講解的工程背景。

3 教學(xué)中的其他輔助方法探討

上節(jié)以一個(gè)例子簡(jiǎn)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(duì)教學(xué)中的其他輔助方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。

3.1 教學(xué)方式探討

1）板書結(jié)合Flash動(dòng)畫。良好的板書可以促進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)知度，控制課堂節(jié)奏，加強(qiáng)師生互動(dòng)效果。以電力電子為例，諸多電路結(jié)構(gòu)僅用PPT解釋難以達(dá)到良好效果，利用板書逐層遞進(jìn)地繪制并講解，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)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(xué)生接受。

傳統(tǒng)電力電子教學(xué)中，電路及波形多用靜態(tài)PPT描述，生動(dòng)性較差，難以描述電路動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，而將Flash動(dòng)畫引入PPT中，可形象演示電路的工作過(guò)程和參數(shù)流向。例如：基于晶閘管的整流橋電路，其板書繪制繁瑣，靜態(tài)PPT講述難度較大，而引入Flash后可以清晰看到各時(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)樂(lè)趣，達(dá)到寓教于樂(lè)的效果。在實(shí)際教學(xué)中，建議根據(jù)課程內(nèi)容靈活選擇板書、PPT、Flash等教學(xué)手段，適當(dāng)融合，形成“重點(diǎn)突出、形象生動(dòng)”的教學(xué)模式。

2）波形結(jié)合MATLAB仿真。電力電子教學(xué)通常有這樣的體會(huì)：最耗時(shí)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(lái)，作為數(shù)值計(jì)算和圖形處理的軟件工具，MATLAB比傳統(tǒng)的高級(jí)語(yǔ)言更容易學(xué)習(xí)和掌握，被譽(yù)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(tǒng)建模，并利用其友好的交互式界面進(jìn)行仿真分析。這樣，學(xué)生可以清楚地看到整個(gè)電路運(yùn)行過(guò)程，對(duì)諸多結(jié)論性的波形“知其所以然”。

3.2 拓展內(nèi)容探討

根據(jù)課程學(xué)時(shí)安排的不同，建議有針對(duì)性地進(jìn)行課堂內(nèi)容的拓展講解，開闊學(xué)生視野，同時(shí)為后續(xù)課開設(shè)做一定的技術(shù)鋪墊。例如，作為控制與電氣學(xué)科的連接紐帶，電力電子許多知識(shí)點(diǎn)會(huì)涉及相關(guān)先行課程。對(duì)此，建議回顧并凝練相關(guān)的重要結(jié)論，這種學(xué)科交叉點(diǎn)最難以講解但極容易引發(fā)學(xué)生的積極性并鍛煉其發(fā)散思維。此外，與主干課不同，作為選修課的電力電子通常沒(méi)有實(shí)驗(yàn)課，建議結(jié)合MATLAB等工具進(jìn)行模擬，加深學(xué)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(qiáng)的技術(shù)，課堂中要注意理論與工程的結(jié)合。例如前面提到的新能源技術(shù)，可以滲透到每章的課程中，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)研究型和啟發(fā)性教學(xué)具有積極意義。

4 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)既是“強(qiáng)電”和“弱電”的橋梁，也是理論與實(shí)踐相結(jié)合的典范。本文簡(jiǎn)要探討了電力電子技術(shù)的教學(xué)思路，結(jié)合新能源技術(shù)，探索了一些新的教學(xué)方法，希望對(duì)于提高大學(xué)課堂效率、培養(yǎng)學(xué)生興趣以及實(shí)踐科研型教學(xué)提供有益參考。

[1]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]黃忠霖.電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[3]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]宋永 端,李鵬,劉衛(wèi),等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與控 制技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

New Teaching Methods of Power Electronics Combined with New Energies

Li Peng

Power electronics is the bridge of electrics and electronics. With the rapid development of new energies, the teaching and resear ch of power e lectronics are facing with chances and challenges. Based on practical teaching experience, this paper describes the necessity, principles and methods of combining power electronics with new energies, which may be of valuable reference for teaching and exploration.

power electronics; new energy; wind power

TM92 文獻(xiàn)標(biāo)?識(shí)碼：B

1671-489X(2013)09-0096-02