基于MATLAB的电力电子技术风力发电课程设计案例

  “电力电子技术”课程教学中常遇到电路图和波形复杂、原理抽象、学生难以理解等问题,通过仿真平台将课程设计运用到理论教学中,倡导先进的电力电子技术理论与应用实践相结合的教学模式,实现教学手段和教学方法的创新。论文详细介绍了MATLAB/Simulink仿真软件进行风电课程设计的教学案例,学生能够更深入直观地学习电力电子技术课程,并将课程内容灵活运用到实际工程中,将电力电子技术教学、仿真和实际案例有效结合起来。 
  关键词电力电子技术;课程设计;仿真;MATLAB 
  中图分类号G642.421 文献标识码A 文章编号1007-0079(2014)30-0035-02 
  半导体技术在过去二十年中已成为可能,高功率电子器件在公共设施中的应用以及技术的普及率也在不断提高,电力电子技术成为未来产业发展的关键技术之一。电力电子技术囊括了一个极其多样的领域,包括半导体物理、电路设计和分析、控制系统理论、电机、发电系统和热转换。电力电子技术发展的主领域在过去的几年里发生了极大的变化,电路拓扑结构更复杂,新的半导体器件数量在其应用领域迅速增长。电力电子技术的进步和不断变化的需求,使得电力电子技术课程的教学需进行必的改进与调整1。 
  一、案例教学法在教学活动中的应用 
  案例教学作为一种行之有效且目的明确的教学方法,以行动为导向越发受到人们的关注和青睐。作为一种归纳教学法,案例教学作为未来教学改革的趋势已不可动摇,尽管它不可能完全取代传统的演绎式的教学模式,却是一种培养应用型人才的良好途径。 
  案例教学应用的成功与否很大程度上取决于典型案例的选取,求典型案例既能体现对基本理论知识的理解和掌握,又充分提高学生的实际动手能力。而在电力电子技术为课程的背景下,学生需应用所讲的知识来解释典型案例所产生的结果,把案例进行模块化分解,摒弃对每个模块进行详细的研究和探讨,最后对各个模块的结果进行整合,才能形成对典型案例较为完整的研究体系2。 
  二、基于MATLAB/Simulink的课程设计 
  “电力电子技术”这门课是电气工程与自动化专业的基础学科之一,课程有几个特点教学理论性强、波形变化分析复杂、课程教学枯燥,学生理解困难;系统模块化特点鲜明、模型参数化明显,实验项目相对独立;项目设计综合性强、技术应用广,实际开发的案例比较成熟3。教师在分析电子器件的特性和电子电路的工作原理时,需观察波形图的变化来阐明工作过程。传统的教学方式中,由于电子电路变换器部分的电路拓扑形式多种多样,如果仅是手绘波形或者多媒体展示波形,教师讲解起来费时费精力,学生也不能清楚的掌握分析波形图变化的原因。所以在多媒体教学中引入仿真教学是必的环节,通过仿真电路,学生可以把变换器的工作原理和物理波形结合在一起理解,使抽象的电路明了简洁,仿真还可以分析更加复杂的电路并且对电路进行改进和创新。 
  在课程设计中利用MATLAB/Simulink软件可以有效地构建出与实际相符合的案例,教师在教学中通过仿真实例可以轻松解决波形抽象原理复杂的问题。Simulink非常适合于电力电子系统及电力拖动控制系统的仿真,并且具有其他一些软件所没有的特点,仿真系统完全是由用户利用系统提供的基本模块来构建的,系统的各个参数和仿真参数也可以由用户自行修改,并且用户可以对仿真结果进行多种分析和输出,教师可以直观展示各种参数变化对电路图波形的影响,学生改变器件参数值,可以自己对比分析不同参数设计下的仿真结果。这种交互性非常适合于高校相关课程的教学科研,学生通过这种交互性加强对理论知识的理解和掌握,也可以用来完成实验和作业4。 
  以风力发电课程设计为例,教师首先分析电路的组成和工作原理,指导学生利用仿真平台搭建数学模型,然后一步一步建立各部分电路仿真模型,该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型、设置模型参数和观察仿真结果。学生需将案例进行模块化分解,就每个模块结合基础理论知识进行分析和研究,并进行实际动手调试,寻找各个模块之间的联系纽带,将所有模块有机结合起来,完成对典型案例的研究2。 
  三、风力发电课程设计案例 
  电力电子技术在解决能源与环境的问题上做出了相当大的贡献。风能作为一种绿色能源,风力发电的过程就是机械能转换为电能的过程,其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为输送电网的电能,这一部分是整个系统的核心,所以说风力发电的核心技术是电力电子技术,其能量转换部件和控制电路都包含有电力电子器件。 
  由于中小功率风电系统中电机侧一般为不控整流,并且永磁同步发电机一般都为低转速电机,在低风速下发出的电压有限,不能满足并网逆变的条件,需对其进行升压,因此,中小功率风电系统中常见的拓扑结构为不控整流器+升压斩波器+网侧逆变器。风力机将风能转换为机械能,带动永磁同步发电机转动,发出的三相不定频交流电通过二极管不控整流器整流为电压不定的直流,然后经过升压斩波器的作用,将直流电压抬升至可以进行网侧逆变的数值,并且通过网侧变流器的控制,使直流侧电容保持恒压。网侧变流器将直流电逆变为与电网电压同频同相的三相交流电馈入电网5。课程设计案例中利用MATLAB工具,对永磁同步风力发电系统及并网控制系统进行仿真研究。所研究的仿真系统由永磁同步风力发电机、不可控整流器、升压斩波、DC-AC并网逆变器部分组成。学生可以把该风力发电仿真模型分成同步发电机仿真模块、斩波变流器仿真模块和逆变仿真模块,就每个模块运用理论知识进行仿真,最后将各模块结合起来达到整个案例体系的研究。 
  永磁同步发电机额定参数电压700V,功率2750kW,电流2270A,功率因数0.95,速度16rpm,频率16Hz,极对数2p=120,电阻R=5.97m-Ohm,电感Ld=Lq=1.0757mH。
  风力发电课程设计案例系统仿真框图如下图所示 
  1.同步发电机仿真 
  永磁同步发电机仿真主是依据实际系统参数,研究在一定速度驱动下带三相电阻负载的永磁同步发电机发电输出特性。仿真模型如图2所示,仿真结果如图3和4所示。仿真论证了实际电机参数下所达到的额定输出电压、电流值及输出的正弦特性、频率特性。 
  2.斩波变流器仿真 
  升压斩波变流器仿真主是研究升压斩波部分的变压调节功能。仿真模型如图5所示。升压斩波电路的输入设定为一定电压信号输入,通过占空比控制,输出稳定的期望输出电压,仿真结果如图6所示。系统仿真表明调节控制脉冲的占空比可以实现输出电压幅值的跟踪控制。 
  3.逆变器仿真 
  并网逆变器仿真主是研究并网逆变部分输出调节特性,在给定输入直流电压,带三相负载的逆变器离网运行特性。仿真模型如图7所示,仿真波形如图8所示。仿真结果表明逆变器输出电压为50Hz基波主频分量的脉冲调制波形,经部分滤波后为50Hz正弦波电压,在一定滤波和电阻负载下电流为正弦波。 
  此课程设计案例根据现场实际运行的2.5MW直驱永磁同步风力发电机系统参数,对并网控制系统各个模块进行了仿真研究,得出一定速度驱动下带三相电阻负载的永磁同步发电机发电输出特性,仿真论证了电机参数下输出电压、电流的正弦特性、频率特性;升压斩波部分的仿真表明调节控制脉冲的占空比可以实现输出电压幅值的跟踪控制;并网逆变部分的离网仿真表明逆变器输出电压为50Hz基波主频分量的脉冲调制波形,经部分滤波后为50Hz正弦波电压,在一定滤波和电阻负载下电流为正弦波。此案例的仿真结果达到预期的效果,为学生实际应用能力的提升得到良好的体现。 
  四、结语 
  论文提出电力电子技术教学与实践相结合的教学模式,实现教学手段和教学方法的创新。详细介绍了通过MATLAB中的Simulink仿真软件进行的风电课程设计,学生可以更深入直观地理解“电力电子技术”课程,并能够将电力电子课程学习的内容灵活运用到实际案例中。在教学中采用仿真教学与实验教学相结合的方法,变枯燥的理论教学为灵活的项目一体化教学,能有效地提高学生对系统模型的理解,提高学习的兴趣,提升教学质量,促进专业教学改革与创新6。 
  该教学模式已在上海电力学院电气工程及其自动化专业的电力电子技术课程的教学中应用,取得了较好的教学效果,学生在理论知识和实践动手能力两方面都取得较好的锻炼。通过应用仿真软件进行实际案例设计,不仅可以让学生熟练掌握这门课程的理论精髓,也可以从多方面深入了解这门学科学生的应用方向,为下一阶段的课程设计和毕业设计打下基础,为发挥学生的创造力,进一步锻炼了他们自主分析问题和解决问题的能力,提高了学生的知识转化能力和实际动手能力。 
  参考文献 
  1W.Fischer, A.Lindemann.Circuit Simulation in a Research Oriented Education of Power Electronics J.IEEE.2008. 
  2岳云涛.一种新型案例式教学法的探索与实践J.中国现代教育装备,2008,(7)96-97. 
  3林若波,彭燕标.虚拟仿真技术在“电力电子技术”课程教学中的应用J.云南民族大学学报, 2013,22(5)378-381. 
  4朱晓东,高继贤.SIMULINK在电力电子中的应用J.东北电力学院学报,2005,25(4)85-89. 
  5Mushi J.F,Kun Han,Guozhu Chen.Design and Implementation of Wind TurbineImitation System for D,irect Drive Permanent Magnet Synchronous Generator usingDC MotorJ.Sustainable Power Generation and Supply,IEEE,20091-6. 
  6刘桂英,粟时平.电力电子技术的Matlab/Simulink教学仿真实践J.电气电子教学学报,2011,33(2)87-89.