基于Matlab仿真技術的電力工程概論課程教學改革探討

蔣云昊+丁穩房+宮力+陳輝+汪繁榮+陳俊

摘要：Matlab仿真技術已成為重要的科研和工程設計工具，為了改進傳統教學方法，提高電力工程概論課程的教學效果，將Matlab仿真技術融入課堂教學。本文以開式電力網潮流計算為例，介紹了系統的Matlab/Simulink仿真建模方法，并對如何由仿真結果引導學生積極思考，激發學生的學習積極性進行了探討。

關鍵詞：電力工程；Matlab；開式電力網；潮流計算

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0118-02

一、引言

電力工程概論課程以電力系統為主，是電氣工程專業的重要專業課。該課程的研究對象是電力系統，具有很強的工程性，而傳統的授課方式主要采用板書和PPT，學生的學習興趣不高，特別是涉及煩瑣計算的內容，學生覺得比較枯燥。將基于Matlab的電力系統仿真技術融入電力工程概論課程的教學中，可以激發學生的學習興趣，提高學生學習的積極性和主動性，促進學生的積極思考和主動實踐，從而有助于克服傳統教學的局限性，提升教學質量。

二、Matlab/Simulink簡介

Matlab是美國MathWorks公司研制的商用數學軟件，已成為科研和工程設計的重要工具之一。歐美發達國家的高校已經將Matlab仿真技術融入教學中，取得了很好的教學效果。在電力工程概論教學過程中，教師可以針對電力系統分析實例，在課堂介紹Matlab仿真模型的搭建過程、仿真設置和運行、仿真結果，并對仿真結果進行必要的分析和講解。在仿真過程中，可以方便的對模型和參數進行修改，并可對系統的工作工程加以動態顯示。通過仿真演示有利于提高學生學習的興趣，加深學生對有關知識點的理解和掌握。

三、仿真實例

本文以一個簡單的開式電力網為例，介紹系統的仿真過程。（熊信銀主編《電氣工程基礎》第151頁例題6-5）開式電力網如圖1所示，線路額定電壓為110kV，電力網首端電壓為118kV，負荷為：■LDb=（0.4+j15.8）MVA，■LDC=（8.6+j7.5）MVA，■LDd=（12.2+j8.8）MVA，分析節點電壓和功率分布。仿真系統圖如圖2所示。

1.仿真模型構建。線路采用π型等效電路，負荷采用Series RLC Load。由于線路存在對地電容、電源不能直接和線路相聯，采用電源Us和小電阻串聯再與線路相連的方式。小電阻可以采用Series RLC Branch；電壓和電流測量模塊、示波器顯示模塊Scope、功率測量Power模塊都可從Simulink模塊中得到。圖2的仿真模型中只給出了對節點a和節點d進行電壓和功率測量的模塊，對其他節點的測量方法相同。

2.仿真結果。節點a的電壓和功率仿真結果如圖3、圖4所示。根據仿真結果，節點a的電壓約118kV，有功約為43MW，無功約為33MVar，仿真結果與課本的近似計算結果基本一致。將圖3和圖4的仿真結果展示給學生，可以讓學生清楚的認識到系統工作時節點a的電壓、電流和功率大小，改變系統參數時，可以快速的得到新的仿真結果，并且可以讓學生將仿真的結果和書本的例題的近似計算結果進行比較和分析，加深學生對知識點的理解，提高計算能力和應用能力。節點d的仿真結果如圖5、圖6所示。

根據節點d的電壓和功率仿真結果可知，節點的電壓由于線路的電壓損耗而降低。引導學生將仿真結果和課本例題的計算結果進行比較，并提出思考問題和課后作業：電壓和功率的仿真和計算結果偏差相較節點a的變大的原因是什么；進一步提高理論計算精度的方法是什么；按照課本的方法，進行第二輪潮流計算，并對計算結果和第一輪的計算結果以及仿真結果進行比較和分析。由仿真模塊PowerGUI的Steady-State Voltages and Currents分析工具，可以直接得到電源、測量模塊、負荷、線路等的電壓和電流峰值或有效值，如圖7所示。該模塊給出的是相電壓，如需線電壓只要進行簡單的換算即可。通過該模塊的介紹和演示，可以讓學生進一步熟悉仿真模塊的功能、使用和分析方法，提高學生學習的興趣和效果。

四、結語

本文介紹了電力工程概論課程的地位、作用和特點，并指出傳統課程教學方法的不足之處，對將Matlab仿真技術融入電力工程概論課堂教學進行了探討。文中簡介了Matlab仿真軟件在電力系統仿真方面的主要模塊和功能，并通過一個簡單開式電力網潮流計算的例子，對Matlab仿真模型的構建和仿真結果的分析進行了介紹，并探討了如何通過仿真引導學生積極思考來激發學習的主動性，提高學習效果和學習能力。

參考文獻：

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Application of the MatlabSimulation Technology in the Teaching of Electric Power Engineering

JIANG Yun-haoa，b,DING Wen-fanga，b,GONG Lia，b,CHEN Huia，b,WANG Fan-ronga，b,CHEN Juna，b

(a.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy;

b.Hubei Engineering Technology Research Center of Power Grid Intelligent Control and Equipment,

Hubei University of Technology,Wuhan,Hubei 430068,China)

Abstract:Matlab simulation technology has become an important tool for scientific research and engineering design. In order to improve the traditional teaching method and improve the teaching effect of the electric power engineering course,the Matlab simulation technology is integrated into the classroom teaching. Taking the power flow calculation of open power grid as an example,this paper introduces the simulation modeling method of the MATLAB/SIMULINK,and discusseshow to use the simulation results to guide students to think actively and to arouse the enthusiasm of students.

Key words:electric power engineering;Matlab;open power network;power flow calculation