發(fā)布時間：2023-03-17 18:01:38
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的現(xiàn)代電力電子技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關鍵詞：電力電子技術(shù)；實踐教學；教案
作者簡介：屈克慶（1970-），男，河南洛陽人，上海電力學院電氣工程學院，副教授。（上海 200090）
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0077-02
“電力電子分析與設計”課程是上海電力學院（以下簡稱“我院”）本科生教育中為電力電子與風力發(fā)電專業(yè)方向開設的一門專業(yè)選修課，也是必選課程。這門課程著重教授現(xiàn)代電力電子技術(shù)內(nèi)容，要求理論課程與實踐緊密結(jié)合，以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的理論知識和實踐能力為目的，能為本科畢業(yè)設計和今后工作奠定良好的基礎，以期滿足當今社會急劇增長的對電力電子技術(shù)的知識和人才需求。
一、教學現(xiàn)狀和分析
電力電子技術(shù)是一門關于電能變換與利用的學科，涉及到發(fā)電、輸電、配用電、傳動等各個環(huán)節(jié)。隨著當今社會迅速發(fā)展，廣泛應用于工業(yè)企業(yè)、交通運輸、生活醫(yī)療、新能源發(fā)電等各個方面，這些都與實踐內(nèi)容密切相關。
電力電子技術(shù)是在時展要求下產(chǎn)生的節(jié)能與發(fā)電技術(shù)，是高校電氣專業(yè)的一門重要課程，其理論性和工程實踐性都很強，是學生既感興趣，又普遍感覺較難的一門課程。結(jié)合多年的教學實踐總結(jié)，探討了這其中的主要原因，大概可分為以下三個方面：
1.電力電子技術(shù)內(nèi)容繁多，并且知識點分布廣泛
根據(jù)應用的場合和要求不同，電力電子電路形式和內(nèi)容紛繁多樣。
從應用場合上劃分主要有基本四種變換形式：直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流；每種變換形式從電源種類上看包括有單相、三相、多重化、多電平電路，從負載方面上看包括有電阻負載、阻感負載、阻容負載；從電力電子元件上看主要包括有二極管、晶體管、晶閘管、門極可關斷晶閘管GTO、場效應管MOSFET、絕緣柵型場晶體管IGBT；采用不同的元件、電路和負載都會產(chǎn)生不同的效果。
從應用目的上包括有幅值的變化（如電壓的升高與降低）、頻率的改變（如變頻調(diào)速）、相位的移動（如無功補償）、相數(shù)的改變（如三相到多相）、功率或轉(zhuǎn)矩的變化（如電機傳動）、諧波的治理（如電力濾波）。
從不同形式的電力電子電路和不同的負載特性上，都可以得到不同的工作波形，對于波形的把握與理解，也是電力電子技術(shù)區(qū)別于其他學科的顯著特點之一。這需要在理解電力電子器件的特性上掌握電路的功能和結(jié)構(gòu)特點，建立電路的數(shù)學模型，并進行多種電路的對比總結(jié)，才能具備分析主電路功能的基本能力。
2.電力電子技術(shù)涵蓋涉及學科眾多，并且理論內(nèi)容廣泛
既涵蓋到電氣基礎的課程有：電路、電子技術(shù)、電機學、電磁場，又涉及到電氣專業(yè)的課程有：控制理論、微機原理、電力系統(tǒng)分析、運動控制系統(tǒng)等。
電力電子技術(shù)是一門弱電控制強電的技術(shù)，也是所謂將“粗電”變換為“精電”過程，學科跨度和綜合性非常廣。實際的電力電子裝置既包括由電力電子器件等構(gòu)成的主電路，又包括由DSP等微處理器構(gòu)成的控制電路。
首先在主電路設計中，根據(jù)以電路、電機和電力系統(tǒng)為主的應用對象，進行原理分析和推證，實施具體的功能要求和性能指標。
其次在控制電路設計中，要根據(jù)裝置要求和特點，不僅要實現(xiàn)各種功能要求，而且考慮諧波及電磁干擾問題，很多裝置也需要DSP等微處理器來進行算法實現(xiàn)。最后還要進行整體結(jié)構(gòu)設計和測試EMI影響。
大學三年級本科生已具備了電路、電機的基礎知識，講授電力電子技術(shù)課程是以主電路作為內(nèi)容。由于在初步學習各專業(yè)課階段，尚未形成多學科知識交叉匯總的全面思維模式。雖然能掌握主電路基本原理，對于涉及控制電路和應用對象，常感到困惑并難以理解。如何培養(yǎng)學生形成對電學各學科的整體意識，而不能“只見樹木，不見森林”，是這項教學課程所要探討的主要內(nèi)容和目的之一。
3.電力電子技術(shù)的理論內(nèi)容發(fā)展迅速，并且實踐應用范圍廣泛多樣
電力電子技術(shù)自身的理論體系處于迅速發(fā)展階段。其中：電力電子器件的發(fā)展起決定性作用，從二極管、三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT、IGCT等的發(fā)展，推動了主電路結(jié)構(gòu)的本質(zhì)變化；根據(jù)本質(zhì)不同的器件形成紛繁多樣的主電路拓撲形式，又因不同的實際要求而形成眾多獨立不同的控制方式，其中形成了具有突破性的控制理論，比如PWM技術(shù)、軟開關技術(shù)、空間矢量等。
如何將電力電子器件、主電路結(jié)構(gòu)、控制方法和理論相結(jié)合，培養(yǎng)學生從電力電子技術(shù)的發(fā)展來全面理解和掌握知識，懂得從發(fā)展歷史上進行思考和總結(jié)，也是需要探討的內(nèi)容之一。
電力電子技術(shù)的實踐性非常強，這種實踐性體現(xiàn)在對電力電子裝置的設計、調(diào)試和操作等諸多方面。在實踐中，需要對電路功能和各項指標進行綜合驗證，不僅要求懂得硬件設計和調(diào)試，涉及到主電路、元器件、印刷電路板、布線和布局；也要求懂得軟件設計和配合，包括有匯編、C語言、DSP、FPGA等。電力電子器件對環(huán)境和用法要求較高，在使用之前需要對電路非常熟悉，即便是工作經(jīng)驗豐富的人員，也還有預料不到的情況發(fā)生，導致器件和電路損壞。
對于大三學生而言，僅僅具備了有限的初步認識，實踐能力欠缺，體現(xiàn)在實驗教學當中，電力電子器件的損壞現(xiàn)象最為普遍。這當中自然有主觀的因素，但是如何降低損耗，增強學生實踐意識，提高學生動手能力，也是教學改革面臨的難點和重點之一。
二、教學目的和特點
從本科教學計劃上看，大學本科生在第三學年學習了“電力電子技術(shù)”，這門課程內(nèi)容豐富，但因2～3學分課時有限，主要是講授以晶閘管為主的整流和逆變電路，讓學生掌握傳統(tǒng)的相控式電路及應用。此外，也著重講授直流變換電路中的升壓及降壓基本工作原理，初步介紹MOSFET和IGBT為主的斬控式逆變和整流電路。通過對這門課程的教授，使學生掌握四種基本變換的主電路拓撲結(jié)構(gòu)和特點，對電力電子技術(shù)有了基本認識，奠定了學生的基本電力電子知識體系。
結(jié)合前述情況的分析可知，現(xiàn)有的課程內(nèi)容不完全適應我院新開辟的“電力電子與風力發(fā)電”專業(yè)方向的教學需要，除此之外，近十多年間電力電子技術(shù)在節(jié)能、傳動、新能源、電力系統(tǒng)等行業(yè)迅猛發(fā)展，因此有必要在課程內(nèi)容中增加這方面知識的比重，以及通過增設“電力電子分析與設計”專業(yè)選修課的方式拓展學生的知識面。
這門課程介紹由IGBT和MOSFET為主要電力電子器件所構(gòu)成的現(xiàn)代電力電子電路，重點要求掌握直流-直流斬波器、直流-交流逆變器這兩種應用最普遍系統(tǒng)的分析與設計方法。內(nèi)容包括主電路的選擇、功率器件的選擇、控制電路的設計、驅(qū)動和保護電路的設計、變壓器設計及元件參數(shù)的技術(shù)、仿真實踐等。該課程注重將理論分析和實際應用相結(jié)合，使學生掌握新型電力電子電路的分析方法，具備初步的設計能力。
三、課程內(nèi)容
現(xiàn)代電力電子技術(shù)主要是圍繞PWM技術(shù)展開的，其中DC/DC和DC/AC變換是基本的兩種電源變換方式，也是實踐生產(chǎn)中最為普遍的應用方式，不僅涉及到基本的變換電路及參數(shù)，而且涵蓋了基本的變換理論和技術(shù)。
課程內(nèi)容結(jié)合了多年的實踐和教學總結(jié)，是從電力電子裝置的角度來傳授相關理論、知識和經(jīng)驗，培養(yǎng)學生對電力電子的系統(tǒng)知識，樹立整體觀念。教學形式以理論教學和仿真實踐相結(jié)合，各占一半課時。這兩部分內(nèi)容交叉進行，如單周進行理論教學，雙周進行實踐教學。其中：第一部分理論教學內(nèi)容安排如下表1所示。在理論教學的同時，配合進行以MATLAB的實踐教學，仿真實踐內(nèi)容安排如下列表2所示。
四、教學效果總結(jié)
經(jīng)過2學期的教學工作，筆者總結(jié)了一下教學效果。同學們普遍認為在學習這門課程以后，能夠全面理解和掌握以DC/DC斬波變換，以及DC/AC逆變的基本原理和基本控制方法，學會了應用Matlab仿真軟件對電力電子電路進行分析方法，設計控制電路參數(shù)和調(diào)試控制參數(shù)。在后期的本科畢業(yè)設計中，學生能夠輕松上手，對復雜的畢業(yè)設計如新能源發(fā)電，領悟和掌握較快，較多同學的畢業(yè)論文被評為優(yōu)秀本科畢業(yè)設計論文。不足之處在于，由于受制于課時和實踐條件有限，只是通過仿真實踐來掌握學習。如果能進一步聯(lián)系實驗教學，更能提高學生的感性認識，提高動手實踐能力。
在今后的教學實踐中，仍然面臨提高本科學習興趣、全面提高學生理論知識水平和動手實踐能力等問題，這些都是值得深入分析和探討，不斷改進完善的重要課題。
參考文獻：
[1]鐘炎平.電力電子電路設計[M].武漢：華中科技大學出版社，
2010.
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng) 濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1. 電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1 整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2 逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3 變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。
2. 現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品,綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4 不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,
另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。 現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9 分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展,各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加,應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3. 高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應用及各種電源系統(tǒng)中,開關電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術(shù),通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術(shù),更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1 高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合 閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造, 成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。
3.2 模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊,它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微
電子中的用戶專用集成電路。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求, 而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。 3.3 數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4 綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電, 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。
1仿真教學引入與創(chuàng)新思維拓展
1．1引入仿真實驗教學的必要性
電力電子技術(shù)課程理論教學中，十分注重對電路的波形與相位分析，電力電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的電壓、電流等波形分析，以方便理解電力電子器件在電路中導通與截止的開關過程，從而加深對整流、逆變、交流變換、PWM控制技術(shù)等知識的理解。大量的波形分析內(nèi)容，如果在黑板上手工畫，是一個比較困難的事情，并且學生不易理解。通過在仿真實驗教學環(huán)節(jié)中完成，同時回饋到多媒體教學，會取得更好的教學效果，所以，引入仿真教學是對理論課教學的必要補充［7］。另外，一些較為復雜的電力電子電路創(chuàng)新和綜合性實驗，無法通過模擬實驗完成實踐課教學，通過引入仿真教學，擴大實驗教學的維度，擴大了實踐教學的可操作性。電力電子技術(shù)是電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)交叉學科，學生僅通過理論教學很難理解學科交叉性，對電力電子技術(shù)的認識也不夠全面，通過引入仿真教學，既能加強學生對主電路的認識，也能加強學生對控制電路的認識，為后續(xù)課程，如“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”、“電力拖動自動控制系統(tǒng)”等課程打下堅實的基礎［8］。在結(jié)合當今產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點研究領域，如新能源發(fā)電、電動汽車、變頻調(diào)速、柔流輸電、高壓直流輸電等，具有一定的前瞻性和創(chuàng)新性，然而受到實驗設備的局限性無法完成，引入仿真教學，可以進行對新技術(shù)的研究，拓展學生的工程意識［9］。仿真實驗教學的引入，很好地解決了上述問題，同時提高了調(diào)試和設計的靈活性，可以最大限度地實現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮，開闊學生視野。
1．2創(chuàng)新思維培養(yǎng)與拓展
創(chuàng)新思維就是帶有創(chuàng)見性的思維，更具體地說，是指學生在學習過程中善于獨立思索和分析，不因循守舊，能主動探索、積極創(chuàng)新的思維因素［10］。從創(chuàng)新思維的角度來看，創(chuàng)新教育就是要培養(yǎng)學生的辯證思維能力、隱喻聯(lián)想思維能力、發(fā)散思維能力以及有助于創(chuàng)新思維的非智力因素。對知識的“開墾性”越高，知識的系統(tǒng)性越強，減縮性越大，遷移性越靈活，則創(chuàng)造性就越突出［11］。創(chuàng)新人才培養(yǎng)是教育者及全社會共同關注的熱點話題，更是推動我國盡快走上創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展軌道的現(xiàn)實的迫切需要。電力電子技術(shù)實驗教學的目的是培養(yǎng)寬口徑、厚基礎、強能力的創(chuàng)新型人才，實驗教學作為培養(yǎng)大學生基本技能、實踐能力、創(chuàng)新意識的關鍵教學環(huán)節(jié)，應該把培養(yǎng)人才的綜合素質(zhì)和能力作為出發(fā)點和歸宿，學生在校期間創(chuàng)新思維的培養(yǎng)顯得尤為重要［12］。電力電子技術(shù)實踐教學中，雖然有一些產(chǎn)學研結(jié)合和科技創(chuàng)新方面的課題，學生也有參與熱情，但對于這種創(chuàng)新的課題，學生感覺高不可攀，遙不可及，然而，軟件仿真實驗調(diào)試和設計靈活，可最大限度地實現(xiàn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮，同時也能解決人才缺乏和行業(yè)需求的矛盾，開闊學生視野，增強就業(yè)競爭力［13］。
2仿真教學開展實例分析
直流—直流變換（斬波電路）是電力電子技術(shù)教學的重點內(nèi)容，其中，升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路及Zeta斬波電路結(jié)構(gòu)不同，但其輸入輸出關系完全相同，此處通過應用PLECS軟件，加強學生對電力電子控制技術(shù)的分析，通過開展仿真教學，提高學生創(chuàng)新能力。
2．1理論教學與電路工作原理分析
升降壓斬波電路、Cuk斬波電路和Sepic斬波電路如圖1（a）、（b）、（c）所示，可見電路拓撲結(jié)構(gòu)不同，升降壓斬波電路的工作原理為：當V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)過開關管V向電感供電儲能；V處于斷態(tài)時，電感中儲存的能量向負載釋放［14］。Cuk斬波電路當V處于通態(tài)時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。V處于斷態(tài)時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流，負載電壓極性與電源電壓極性相反，為反極性斬波電路。Sepic斬波當V處于通態(tài)時，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導通，L1和L2同時儲能。V處于斷態(tài)時，E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導通，此階段E和L1既向負載充電，同時也向C1充電，C1儲存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移。
2．2電路的PLECS仿真分析
在傳統(tǒng)升降壓斬波電路分析中，只注重主電路分析，而關于全控器件如何控制以及系統(tǒng)開閉環(huán)形式等內(nèi)容，往往忽略了講解和分析，此外，導出電路的輸入輸出關系后，對不同電路結(jié)構(gòu)下，為什么具有相同的輸入輸出關系不作明確解釋，各個電路的特點和利弊不作分析，從而使得學生在開關電源設計等方面具有很大的困惑，同時，學生的學習過程變?yōu)楸粍拥闹R傳教，也無法引起學生的學習興趣，更談不上創(chuàng)新思維的開發(fā)［15］。此處，引入PLECS仿真軟件，構(gòu)建3種電路的仿真系統(tǒng)，分別如圖2（a）、（b）、（c）所示，系統(tǒng)中電路仿真參數(shù)按圖示進行選取，此處輸入電壓選為10V，占空比設為α＝0．6，進行系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果分別如圖3（a）、（b）、（c）所示。通過PLECS仿真軟件引入，輔助了對斬波電路的分析，學生可以充分理解在主電路背后，由于電路拓撲結(jié)構(gòu)不同，其電路的運行效果不同，如：Cuk斬波電路與升降壓斬波電路相比，其輸入電源電流和負載電路都連續(xù)，脈動小，有利于輸入、輸出進行濾波。Sepic斬波電路為正極性斬波電路，而其他2種為反極性斬波電路。如此，結(jié)論和總結(jié)都可以通過仿真結(jié)果得到更清晰的認識。另外，學生可以借助仿真手段，靈活地修改參數(shù)，分析不同參數(shù)下電路的輸入、輸出關系，還可借助于其他的控制方式，研究在不同的控制方式下對系統(tǒng)的控制效果，從而為以后設計開關電源構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)打下基礎，對電力電子技術(shù)是電力學、電子學和控制理論交叉學科有更清晰的認識。
3結(jié)束語
關鍵詞：電力電子技術(shù)；教學研究；備課；教學原則
作者簡介：湯賜（1978-），男，湖南湘潭人，長沙理工大學電氣與信息工程學院，講師。（湖南 長沙 410114）
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0070-03
電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，其應用范圍非常廣泛，涉及一般工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、計算機、新能源發(fā)電等，因而“電力電子技術(shù)”已成為本科教學階段的專業(yè)基礎課程，地位十分重要。然而由于課程難、內(nèi)容多、課時少，所以上好“電力電子技術(shù)”是一件具有挑戰(zhàn)性的工作。
評判“電力電子技術(shù)”課上得是否好，至少應關注它有無具備以下7個方面的特征：[1]內(nèi)容豐富、概念明確、重點突出、脈絡清晰、語言生動、板書精當和學時準確（不拖堂、不早退）；其中第一、二點主要取決于授課教師的學術(shù)水平，而后面五點則與教師傳授、幫促方面的基本功有關。目前，大學新進教師普遍為高學歷人才，在學術(shù)上有著一定深度和廣度，但在傳授和幫促的基本功方面還顯得有些薄弱。
作為大學新進教師中一員，筆者通過多聽有豐富教學經(jīng)驗的老師授課，向他們請教，并拜讀北京理工大學龔紹文教授所著《大學青年教師教學入門：大學施教學初步》，[1]對如何上好“電力電子技術(shù)”有了一些初步認識，概括起來，主要是注意四個方面的問題：做好整體性備課工作、做好每次課的課前備課工作、重視第一堂課以及掌握并運用好教學基本原則。
一、做好整體性備課工作
眾所周知，要想上好一門課，首先是要備好課。備課有兩種類型：[1]一種是針對全課程內(nèi)容而言的整體性備課，另一種是每次課（大學中通常是將連續(xù)的兩節(jié)課作為一次課）的課前備課。
整體性備課是對“電力電子技術(shù)”的全面準備，是教師能否講好這門課程的最關鍵的一步。只有對“電力電子技術(shù)”有了整體上的把握，對教學內(nèi)容已經(jīng)做到了融會貫通，才能在具體講授每次課時有一個全局的高度、有一種俯視的自信，才能清晰流暢、舉重若輕地講授課程，猶如庖丁解牛，游刃有余。在整體性備課時，關鍵是要弄清楚5個基本問題，并完成好6件準備工作。
1.5個基本問題
（1）“電力電子技術(shù)”的主體框架，基本內(nèi)容、各部分內(nèi)容之間的邏輯關系，以及貫穿全課程的關鍵線索是什么？這個問題是從整體上把握“電力電子技術(shù)”的首要問題，直接挑戰(zhàn)教師對所授內(nèi)容的理解深度和運用程度。
“電力電子技術(shù)”主要由三大部分組成：[2]電力電子器件；AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/AC四大類基本變流電路以及由它們組合而成的組合變流電路；對各種變流電路都適用的PWM控制技術(shù)和軟開關技術(shù)。其中，各種變流電路及其控制技術(shù)的學習和掌握是本課程的主體。變流電路種類繁多，突出帶有共性的分析方法對于理解各種電路的工作原理具有十分重要的作用。例如，通斷型電力電子器件的存在，使得四大類變流電路及其他們的組合變流電路呈現(xiàn)出非線性特性；但當電路中各通斷型電力電子器件的通斷狀態(tài)確定后，整個變流電路又可以根據(jù)線性電路的基本理論進行分析。相位控制和脈沖寬度調(diào)制（PWM）則是分別針對半控型器件和全控型器件組成的電路拓撲的兩種控制技術(shù)。而所選用的通斷型電力電子器件的類型（即不可控型、半控型、全控型）則是將各種變流電路及其控制技術(shù)（對不可控型器件構(gòu)成的電路不存在控制問題）構(gòu)成一個有機整體的關鍵線索。
（2）“電力電子技術(shù)”的教學目標是什么？也就是說，學了這門課程以后，學生能夠做到些什么？為了從宏觀上控制大學的教學質(zhì)量，教育部對主要的基礎性、專業(yè)基礎性課程都制定了相應的“課程教學基本要求”，一般涉及兩個方面的內(nèi)容：一個方面是規(guī)定了一門課程必須包含的知識點和基本技能；另一個方面是學生對這些知識和技能應該掌握的程度層次，例如，識記、了解、理解、應用（可進一步細化為簡單應用、分析、綜合和評價等）。
通過對“電力電子技術(shù)”的學習，學生熟悉并掌握晶閘管、門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）、電力場效應晶體管（Power MOSFET）和絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等電力電子器件的工作原理、開關特性和電氣參數(shù)；熟悉并掌握單相、三相整流電路和有源逆變電路的基本原理、波形分析，以及各種性質(zhì)的負載對電路工作性能的影響；掌握直流斬波電路的工作原理、電路結(jié)構(gòu)、換相方法及參數(shù)計算；掌握交流調(diào)壓電路的電路結(jié)構(gòu)、換相方法、波形分析和參數(shù)計算，了解交-交變頻電路的基本原理；掌握逆變電路，特別是PWM型逆變電路的工作原理、控制方法、波形分析；了解軟開關技術(shù)的基本概念；了解電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。
（3）“電力電子技術(shù)”的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展方向是什么？了解歷史，分析現(xiàn)狀，是為了更好地預測未來。所謂“了解歷史”，首先，要清楚所授課程的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段；其次，應知道每個階段的標志性事件、代表性人物和重要結(jié)果；最后，對某些重要結(jié)果在歷史上的獲得過程也需有所涉獵，從而有助于利用歷史所蘊含的科學精神、研究方法和思想啟迪，創(chuàng)造性地挖掘新方法、新技術(shù)。[1]而在分析現(xiàn)狀時，不但要聚焦本校、兄弟院校、國外高校對本課程在教學內(nèi)容、教學模式、教學方法和教學手段等方面的情況，還應關注本課程所屬學科的最新科研進展。
由于電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。
使用電子管、水銀整流器的時期屬于電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。在這一時期，各種整流電路、逆變電路和周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管標志著電力電子技術(shù)的正式誕生；隨著晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)的概念和基礎得以逐漸確立。由于晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件（即半控型器件），因而所采用的控制方式主要是相位控制，其關斷通常需要依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)，實際應用時受到很大的局限。20世紀70年代后期，以GTO、BJT和Power MOSFET為代表的全控型器件迅速發(fā)展，把電力電子技術(shù)推進到一個新的發(fā)展階段。與晶閘管電路的相位控制方式相對應，采用全控型器件電路的主要控制方式為PWM。PWM方式不僅在逆變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中均可應用，而且使得電路的控制性能大為改善，因而對電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了極為深遠的影響。在20世紀80年代后期，以IGBT為代表的復合型器件異軍突起。由于綜合了MOSFET驅(qū)動功率小、開關速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點，因此，IGBT成為了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導器件。同IGBT相類似的，還有復合了MOSFET和GTO優(yōu)良性能的MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）。目前，把驅(qū)動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）成為了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
（4）“電力電子技術(shù)”在整個教學計劃中的地位和作用是什么？整個大學四年的教學過程是一個系統(tǒng)工程，而具體到某一門課程則只屬于它的一個局部，因此，各門課程的教學不能孤立地進行，而必須與其他課程相互配合，特別是要關注前修課和后續(xù)課。
“電力電子技術(shù)”是一門技術(shù)基礎課，在學習它之前，學生應學過“電路”和“電子技術(shù)基礎”，并已能熟練使用示波器等電子儀器；而“電力拖動自動控制系統(tǒng)”則是該課程的后續(xù)課之一。
（5）“電力電子技術(shù)”的主要內(nèi)容應通過怎樣的教學步驟和教學方法傳授給學生？設計一個合理的教學步驟或教學過程，并采用科學的教學方法幫助和鼓勵學生達到教學目標是整體性備課的最后一個基本問題。
一般來講，教學過程可分為三步走：首先，是把“電力電子技術(shù)”的教學目標具體化、明確化，并通過教學內(nèi)容這一載體反映出來。然后，采用各種行之有效的教學方法，幫助和鼓勵學生通過自主學習來達到課程教學目標，所謂“授之魚，不如授之以漁”。比如，可以幫助和鼓勵學生自己運用Matlab/Simulink搭建簡單的變流電路拓撲，[3]驗證相位控制方式和PWM方式；幫助和鼓勵學生使用Matlab/Simulink中自帶的仿真模型，并善于利用Google搜索網(wǎng)絡資源；最后，就是要合理評價學生的進步。
教學方法是多種多樣的，包括講授法、談話法、討論法、直觀教學法、準直觀法、邊講邊練法、單元教學法、發(fā)現(xiàn)教學法、程序教學法、案例教學法、暗示教學法等，[1]上述方法都有它們各自的優(yōu)勢和不足，適用于不同的場合，因此，不應盲目肯定或否定一種方法，而應結(jié)合教學模式、教學手段和教學設備加以綜合使用。對于“電力電子技術(shù)”這門課程而言，筆者非常信賴案例教學法――通過演示Matlab/Simulink模型搭建與仿真分析來傳授學生點石成金的“金手指”。
2.6件準備工作
有了對上述5個基本問題的認識后，接下來就應該做好以下6件準備工作了：認真研讀“電力電子技術(shù)”教學基本要求和教學大綱；認真選擇、研讀教材及參考書；認真研讀“電力電子技術(shù)”的前修課和后續(xù)課的教材；自己動手做過教材中的全部練習題及思考題；了解學生；撰寫一份“電力電子技術(shù)”教學安排表，并在課前發(fā)放給每個學生。其中，最要緊的是研讀教材、做好習題和了解學生。
所謂“研讀”，是指通過仔細的、反復的、研究式的將選定的《電力電子技術(shù)》教材讀上很多遍，從而把教材中的重點和難點部分完全吃透，即要讀到不會被人就教材中的內(nèi)容問倒、讀到可以脈絡清晰、有理有據(jù)地用自己的語言來闡述教材中的重點和難點內(nèi)容。
西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術(shù)》（第4版），[2]每章均提供有習題及思考題。這些習題及思考題都是精心安排的，與正文相互呼應、相互配合，有助于學生對教材內(nèi)容的理解和能力的培養(yǎng)。然而學生在做題的過程中又最容易出現(xiàn)問題，也最需要教師的幫助和指導，因此，教師必須事先親自動手做一遍，做到對所有習題都心中有數(shù)，這樣才能使學生通過“帶著問題自學”、“向教師尋求答疑釋惑”的過程獲得“豁然開朗”的明悟。
所謂了解學生，首先，是要了解學生當前的知識基礎，因為一切新的知識都是在已有知識平臺的基礎上增加的。其次，是要了解學生的能力狀況、所學專業(yè)、就業(yè)去向等信息，以便決定“電力電子技術(shù)”對本屆學生的講法，如何運用啟發(fā)式教學原則以及如何與學生的專業(yè)、就業(yè)相結(jié)合。
只有在弄清楚5個基本問題并做好6件準備工作后，整體性備課才能算大致完成，所獲得的一個重要結(jié)果就是寫出一份“‘電力電子技術(shù)’教學安排表”；據(jù)此，實現(xiàn)每次課的課前備課，即寫出一份針對每次課的教案，從而給學生具體上好每一次課。
二、做好每一次課的課前備課工作
整體性備課是非常重要的，但課還得一次課一次課地講。事實上，只有每一次課都講好了，整體性的把握才能落到實處，因此，在每一次講課之前也要備好課，具體來說：要根據(jù)“電力電子技術(shù)”教學安排表明確每次課所講授內(nèi)容的大題目，確立教學目的，選擇具體內(nèi)容及講授重點；根據(jù)教學的具體內(nèi)容確定教學模式，例如，課堂講授、實驗或討論等；要把選定的教學內(nèi)容組織成一次講授式或議論式或談話式的文稿，應服從并服務于主題，把各部分內(nèi)容按起始段、中間段到結(jié)尾段的順序安排組織好；選擇合適的教學方法和教學手段；寫出一份教案來，準備在課堂中使用。其中，教案是做好每次課的課前備課工作的最為核心之處。
一般來說，一次“電力電子技術(shù)”課的教案由兩大部分組成：概述和教學進程。概述主要用于闡釋教師對本次課的基本認識和實施教學的指導思想，涉及授課對象及其特點（重點是學生的專業(yè)特色、就業(yè)去向、已有的知識基礎和學習能力）、題目或主題、教學目的、重點和難點、講授方法和教學手段等。[4]教學進程則負責具體組織教學步驟，用以落實概述中的基本分析和指導思想，通常按授課時序?qū)懨髅總€教學段落的教學要求、教學內(nèi)容、表達方式和時間分配等細節(jié)。
三、重視第一堂課
俗話說，良好的開端是成功的一半！第一堂課講得好不好對整個“電力電子技術(shù)”課程能否順利進行是至關重要的。如果學生對第一堂課的印象好，為以后的講課就創(chuàng)造了良好條件；相反，如果第一堂課準備不足，給學生的印象不好，以后就要花上好幾倍的工夫才能挽回。因此，教師首先要從思想上高度重視第一堂課。
那么，第一堂課怎樣才算成功呢？“興趣是最好的老師”，筆者認為，第一堂課應努力使學生產(chǎn)生三個興趣：讓學生對教師產(chǎn)生興趣；讓學生對電氣工程學科產(chǎn)生興趣；讓學生對學習“電力電子技術(shù)”課程產(chǎn)生興趣。為此，教師須明確教學目的，并完美演繹“三個介紹”。
1.明確教學目的
“電力電子技術(shù)”第一堂課通常為緒論課?？紤]到大學生都有一定的自學能力，即表現(xiàn)為對具體問題的理解以及數(shù)學演繹能力，但從課程整體內(nèi)容上把握實質(zhì)問題的能力還較弱，因此，第一堂課的教學目的旨在把學生的注意力抓過來，免得課程一開頭就使學生在沒有任何思想準備的情況下盲目陷入到具體問題的思考之中。通過對一些教學內(nèi)容，如“電力電子技術(shù)”課程及電力電子技術(shù)的地位與作用是什么，什么是電力電子技術(shù)，它的發(fā)展經(jīng)歷了哪些階段，目前主要應用在哪些領域等具體教學內(nèi)容的初步說明，使學生對電力電子技術(shù)有一個宏觀意義上的了解。在進行課堂講授時，要重點分析“電力電子技術(shù)”課程及電力電子技術(shù)的地位與作用；闡述電力電子技術(shù)與電子學、電氣工程、控制理論三者的關系；并結(jié)合授課對象所學專業(yè)的特點及需要，介紹電力電子技術(shù)目前主要應用的領域。
2.教師的自我介紹
對于任何一門新開課，簡短的自我介紹是師生間建立起相互了解的第一步。教師良好的精神風貌、對本學科知識孜孜以求的精神以及求學、工作、生活中面對困難、挫折的勇氣都會深深地感染學生，使對未來還多少感到迷茫的他們多一份信心，少一些顧慮。因此，教師在進行自我介紹時，需注意以下幾個方面：第一，內(nèi)容應盡量貼近電氣工程學科的發(fā)展或“電力電子技術(shù)”課程的學習。例如，筆者通過自己本科階段學習自動化專業(yè)、碩士研究生階段從事電機與電器專業(yè)、博士研究生階段畢業(yè)于電力電子與電力傳動專業(yè)的求學歷程介紹，為后續(xù)分析“電力電子技術(shù)”課程及電力電子技術(shù)的地位與作用埋下伏筆。第二，用語準確、規(guī)范、生動，有著自己鮮明或獨特的語言風格和表達特點。第三，要把自己的學科造詣、科研成就適度的介紹給學生，使學生對教師產(chǎn)生信任感和敬佩感。
3.電氣工程學科的介紹
電氣工程是研究電磁現(xiàn)象、規(guī)律及應用的學科，下設5個二級學科，分別為電機與電器、電力系統(tǒng)及其自動化、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動和電工理論與新技術(shù)。
作為現(xiàn)代科技領域中的核心學科之一，以及當今高新技術(shù)領域中不可或缺的關鍵學科，電氣工程的教育和科研不僅在我國，而且在發(fā)達國家的大學中也一直占據(jù)著十分重要的地位。通過“電路原理”、“電路實驗”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“電子技術(shù)實驗”、“自動控制原理”、“微機原理與接口技術(shù)”等基礎必修課，認識實習、電子實習、金工實習等基礎實踐環(huán)節(jié)，“工程電磁場”、“電機學”、“電力電子技術(shù)”、“電氣控制與PLC技術(shù)”、“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”、“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”、“發(fā)電廠的電氣部分”、“電力系統(tǒng)繼電保護”、“電力系統(tǒng)自動裝置”、“高電壓與絕緣技術(shù)”、“電力系統(tǒng)微機繼電保護”等專業(yè)必修課，“單片機原理及應用”、“控制系統(tǒng)仿真”、“嵌入式系統(tǒng)及應用”、“自動化儀表與過程控制”、“虛擬儀器”、“電力工程概論”、“電能質(zhì)量分析與控制”、“新能源發(fā)電技術(shù)”、“配電自動化”、“絕緣在線檢測技術(shù)”、“電力系統(tǒng)過電壓”、“電力系統(tǒng)調(diào)度運行與控制”、“電力系統(tǒng)市場營銷”、“電力系統(tǒng)自動化”等專業(yè)選修課，“電子技術(shù)課程設計”、“高電壓與絕緣技術(shù)課程設計”、“發(fā)電廠的電氣部分課程設計”、“電力系統(tǒng)分析課程設計”、“電力系統(tǒng)繼電保護課程設計”、“變電站微機監(jiān)控實訓”、“生產(chǎn)實習”、“畢業(yè)實習”、“畢業(yè)設計（論文）”等專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的學習和培訓，培養(yǎng)有關電能生產(chǎn)、傳輸直至使用的全過程中，各種電氣設備和系統(tǒng)的設計、制造、運行、測量和控制等方面的高層次科學研究、工程技術(shù)與管理專門人才和高等學校師資。
由于電氣工程研究范圍廣泛，應用前景樂觀，加上在人才培養(yǎng)模式上突出了寬口徑、復合型，因此，該專業(yè)的畢業(yè)生在就業(yè)時呈現(xiàn)出“點多、面寬、適應性強”等特點。一般來說，從電氣工程專業(yè)順利畢業(yè)后能夠在系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗技術(shù)、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理以及電子與計算機技術(shù)應用等領域擔任重要工作，也能到各級發(fā)電廠、供電局、電網(wǎng)調(diào)度所、各類大中型企業(yè)從事電力設計、建設、調(diào)試、生產(chǎn)、運行、管理、市場運營、科技開發(fā)和技術(shù)培訓等工作，或從事電氣設備的維護、檢修、安裝和調(diào)試等方面的工作。
通過對電氣工程學科的介紹，一方面讓學生產(chǎn)生能有幸從事電氣工程學習的自豪感，并形成正確的學習觀，明確學習目的；另一方面也有助于引出“電力電子技術(shù)”課程及電力電子技術(shù)的地位與作用的學習內(nèi)容。
4.“電力電子技術(shù)”學習方法的介紹
對于學生而言，他們最關心的是即將要開始學習的這門課程到底要學些什么，學完了以后有什么用，難不難學，該怎樣學等，因此，教師在第一堂課上，應結(jié)合自己的學習經(jīng)歷和科研體會，向?qū)W生介紹“電力電子技術(shù)”的學習方法。例如，筆者通過介紹自己如何運用電力電子技術(shù)提高電能質(zhì)量的科研經(jīng)歷，鼓勵學生自己運用Matlab/Simulink搭建簡單的變流電路拓撲，驗證相位控制方式和PWM方式；鼓勵學生使用Matlab/Simulink中自帶的仿真模型；將適合學生自主學習和探究學習的網(wǎng)絡資源介紹給他們，以期達到“授之漁”的目的。
四、掌握并運用好教學基本原則
首先，要建立一個指導思想，就是“教完全是為了學”，即明確教學效果和學生的收獲才是“電力電子技術(shù)”教學研究的出發(fā)點和落腳點。
其次，應確立啟發(fā)式教學的原則。所謂啟發(fā)式教學是指在教學活動中學生對于知識的獲得不是被動地由教師灌入而來的，而是在教師的啟發(fā)、引導下，通過自己的思考、推理或聯(lián)想而來的。這種教學方式保證了學生是教學活動的主體，教師是教學活動的主導，有利于發(fā)揮二者的積極性。那么，每一堂課怎樣實施啟發(fā)式教學呢？是不是在講述一個問題時，只有向?qū)W生不斷提問才算是啟發(fā)式教學呢？其實不然。
在講述一個問題時，只要教師抓住了問題的本質(zhì)，或通過剖析提煉出某類問題的共性，并深刻地闡明了它，在解決問題的講述中體現(xiàn)了解決此類問題的一般方法和特殊技巧，那么對學生就會有啟發(fā)作用，因而也就屬于啟發(fā)式教學。[1]例如，在講授基本斬波電路的相關內(nèi)容時，筆者以Buck電路為例，對其小信號建模方法進行了介紹。由于電路拓撲簡單（開關器件的通斷只衍生出兩個線性子電路拓撲），涵蓋內(nèi)容卻豐富（涉及電路分析、偏微分運算、狀態(tài)方程求解，傳遞函數(shù)與控制框圖表示等），因此，一方面學生能夠輕松掌握對于變流電路這類因含有開關器件而呈現(xiàn)出非線性的電路的建模方法，另一方面，也讓學生明白了整個大學階段所學的各門課程其實是相互關聯(lián)的，共同服務于解決問題的需要。
最后，需強調(diào)師生互動，發(fā)揮教師“教”與學生“學”的積極性。師生之間的互動有兩種表現(xiàn)形式：一種是顯性的，一種是隱形的。前者有明顯的身體動作方面的互動；后者則體現(xiàn)為思維上、眼神上的互動，尤其是思維上的互動。要想在課堂上與學生有思維上的互動，教師要努力做到讓學生的腦子里始終帶有問題，引導學生自己去發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，使之有成就感，教師再適時地給予肯定，讓學生的學習積極性高漲起來。
五、結(jié)束語
由于課程難，內(nèi)容多，課時少，所以對于大學新進教師來說，上好“電力電子技術(shù)”并非易事。筆者從做好整體性備課工作、做好每次課的課前備課工作、重視第一課堂以及掌握并運用教學的基本原則4個方面談了談自己講授《電力電子技術(shù)》的認識和體會。
參考文獻：
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[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.
關鍵詞：小波變換，非整數(shù)次諧波，諧波檢測
1 引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種變頻器、變流器、開關電源和電抗器等非線性設備的應用日益增多，產(chǎn)生了大量的高次諧波，造成電力系統(tǒng)電壓、電流嚴重畸變，引發(fā)了一系列問題。
傳統(tǒng)的快速傅氏變換以求和替代積分，以降低精度為代價來提取實時性，可以得出各次諧波的幅值相位。
瞬時無功功率理論自20世紀80年代提出后，突破了傳統(tǒng)的平均值為基礎的功率定義，具有較好的實時性，抗干擾能力強。
神經(jīng)網(wǎng)絡方法其特點是算法基于誤差曲面上的梯度下降，權(quán)調(diào)數(shù)量與輸入量一致，并保持與誤差的負梯度方向一致，因此能保證網(wǎng)絡的收斂性。
小波變換理論適合于對局部頻域進行精確分析，它提供了一個自適應的可調(diào)采樣窗口，具有更強的實時性。而且小波變換理論分析時頻問題的良好特性使得它在檢測非整數(shù)次諧波方面優(yōu)于其他理論。本文采用連續(xù)小波變換分析系統(tǒng)中的整數(shù)次與非整數(shù)次諧波，并通過Matlab仿真得到了較好的分析結(jié)果，表明了小波變換具有檢測電力系統(tǒng)中各種諧波的良好功能。
2 諧波檢測原理
小波變換公式：。論文格式。
其中，為小波基函數(shù)，a為伸縮因子，為平移因子，x(t)為待分析信號。
由上式可知，小波變換實質(zhì)上是信號x(t)與小波母函數(shù)的卷積，是對信號滿足一定附加條件的濾波。而濾波的范圍則是由參數(shù)α, 來決定，反映在小波母函數(shù)和小波因子的選擇上。可見，小波變換是按頻帶而不是按頻點的方式處理頻域，因此信號頻率的微小波動不會對處理產(chǎn)生很大影響，且不要求對信號進行整周期采樣；其次，由小波變換的時間局部性可知，在信號局部發(fā)生波動時，它不會像傅立葉變換那樣把影響擴散到整個頻譜，而只改變當時一小段時間的頻譜分布，這使其可以跟蹤時變信號和暫態(tài)信號。
由于小波變換具有良好的時頻局部化特征，使得小波變換應用于電力系統(tǒng)的諧波檢測有著很好的理論基礎，可以根據(jù)不同尺度的小波變換系數(shù)的幅值來測量諧波的頻率。由連續(xù)小波變換公式可見，信號的連續(xù)小波變換相當于信號通過有限長的帶通濾波器不同的尺度因子α決定帶通濾波器的帶通特性。如果能夠使不同頻率的諧波位于不同的頻帶中，就能夠把包括整數(shù)次非整數(shù)次的不同頻率的諧波分離出來。因此，利用小波變換可以實現(xiàn)整數(shù)次和非整數(shù)次的諧波含量的測量。
本文中采用Daubechies小波對函數(shù)進行小波變換。論文格式。一般將其簡寫為dbN，N是小波的階數(shù)。dbN沒有明確的表達式（除了N=1外），但轉(zhuǎn)換函數(shù)h的平方模是很明確的。
令，其中為二項式的系數(shù)，則有：
式中，。
3 仿真結(jié)果分析
對本文提出的檢測方法進行數(shù)字仿真，其中3.1是對于含有基波、2、3.4次諧波檢測信號的仿真，3.2是對含噪的的諧波信號檢測的仿真。論文格式。
3.1 含有基波、2、3.4次諧波檢測信號的仿真
由于非線性元件和電力電子器件的廣泛應用，使電力系統(tǒng)中存在著大量的整數(shù)次與非整數(shù)次諧波。采樣一個周期，而系統(tǒng)中分別有基波、2、3.4次諧波時，采用db3小波對信號進行5層分解。
圖1 線形組合后的信號
圖2 小波分解后各層的逼近信號
圖3 小波分解后各層的細節(jié)信號
當信號中含有基波、2次、3.4次諧波時，其線形組合后的信號如圖1所示，對組合信號進行5層db3分解后的逼近信號如圖2所示，細節(jié)信號如圖3所示。從圖2可以看出，逼近信號a1顯示了3.4次諧波，逼近信號a2顯示了基波，二次諧波則出現(xiàn)在細節(jié)信號d2中。由此可知，對于常規(guī)傅立葉變換不能檢測非整數(shù)次諧波的問題，可以利用小波變換分析系統(tǒng)中存在的非整次諧波。通過分析小波變換對諧波檢測的特點，選用了db3小波變換并分析了含有非整次諧波的系統(tǒng)，證明了小波變換對于解決含有非整次諧波的檢測和分析具有良好的特性。
3.2對含噪的諧波信號的仿真
在電網(wǎng)電壓中，由于各種現(xiàn)代電力電子設備的干擾，不但存在諧波信號，而且有著廣泛的噪聲信號。采樣一個周期，而系統(tǒng)中分別含有3.7次諧波和噪聲信號時，采用db3小波對信號進行5層分解。
圖4 含噪聲信號線形組合后的信號
圖5 含噪聲信號小波分解后各層的逼近信號
圖6 含噪聲信號小波分解后各層的細節(jié)信號
當信號中含有3.7次諧波和噪聲信號時，其線形組合后的信號如圖4所示，對組合信號進行5層db3分解后的逼近信號如圖5所示，細節(jié)信號如圖6所示。從圖6可以看出，3.7次諧波體現(xiàn)在逼近信號部分，而白噪聲體現(xiàn)在細節(jié)信號部分。由此可知，小波變換不但具有良好的非整次諧波的檢測能力還具有良好的噪聲分辨能力。
4 結(jié)論
小波變換是針對快速傅立葉變換在分析非穩(wěn)態(tài)信號方面的局限性形成和發(fā)展起來的一種十分有效的時頻分析工具，它克服了快速傅立葉變換的缺點，采用不同尺度的分析方法，能在信號的不同部位得到最佳的時域分辨率和頻域分辨率，為非穩(wěn)態(tài)信號的分析提供了一條新的途徑，通過本文的仿真可知，它對于含有整數(shù)次、非整數(shù)次諧波和含噪諧波的檢測有著很大的優(yōu)越性。
參考文獻
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論文摘要：本文對靈活交流輸電技術(shù)進行了綜述，對靈活交流輸電系統(tǒng)中主要的幾種控制器進行了介紹，重點介紹了相間功率控制器技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
引言
靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的潮流控制相結(jié)合的產(chǎn)物。它采用可靠性高的大功率可控硅元件代替機械式高壓開關，使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個主要電氣參數(shù)(電壓、線路阻抗及功率角)可按照系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整，以期實現(xiàn)輸送功率的合理分配，電壓的合理控制，降低功率損耗和發(fā)電成本，大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性。此項技術(shù)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟、綜合控制的重要手段。
FACTS技術(shù)一經(jīng)提出立即受到各國電力工作者的高度重視，國內(nèi)外一些權(quán)威人士已經(jīng)將靈活交流輸電、綜合自動化和EMS技術(shù)一起預測將其確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支撐技術(shù)”。美國、日本等發(fā)達國家，以及我國都投入了大量的人力和物力對此進行開發(fā)研究，很多裝置已經(jīng)投入了實際運行，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。
FACTS中的控制器
1、靜止無功補償器SVC
靜止無功補償器的典型代表是晶閘管投切的電容器(TSC)，和晶閘管控制的電抗器(TCR)。實際應用中，將TCR與并聯(lián)電容器配合使用，根據(jù)投切電容器的元件不同，可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補償器，和TCR與斷路器投切電容器配合使用的補償器，以及TCR與TSC配合使用的無功補償器。這些組合而成的SVC的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補償裝置的無功功率，進行動態(tài)補償，使補償點的電壓接近維持不變，但SVC只能補償系統(tǒng)的電壓，其無功輸出與補償點節(jié)點電壓的平方成正比，當電壓降低時其補償作用會減弱。SVC的主要作用是電壓控制，采用適當?shù)目刂品绞胶?，SVC也可以有阻尼系統(tǒng)功率振蕩和增加穩(wěn)定性等作用。目前，SVC技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國外從60年代就已經(jīng)開始應用SVC，七十年代末開始用于輸電系統(tǒng)的電壓控制，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不僅將靜止無功補償器，用于輸電系統(tǒng)的電壓控制，也用于配電系統(tǒng)的補償和控制，還可用于電力終端用戶的無功補償一電壓控制。
2、靜止同步補償器STATCOM
靜止同步補償器也可以稱為ASVG——有源靜止無功發(fā)生器。它的基本原理是將自換相橋式電路直接或者通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。ASVG根據(jù)直流側(cè)采用的電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型。它可以通過控制其容性或感性電流，與系統(tǒng)交換無功，在任何系統(tǒng)電壓的情況下，都能輸出額定的無功功率，與SVC相比，在系統(tǒng)故障的情況下靜止同步補償器維持系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和抑制系統(tǒng)振蕩的作用較明顯；近二十幾年，靜止同步補償器受到了國內(nèi)外專家學者的普遍重視，日本從1980年研制出第一臺20Mvar的強迫自換相的橋式ASVG，1991年又投入了一臺±80Mvar的ASVG成功地運行在154kV的輸電線路上，而美國于1995年投入了一臺±100Mvar的ASVG。我國清華大學和河南電力局共同研制成功了一臺±20Mvar的靜止無功補償器，并于1999年在河南洛陽朝陽變電所投入運行。
3、并聯(lián)蓄能系統(tǒng)
并聯(lián)蓄能裝置包括蓄電池蓄能系統(tǒng)(BESS)和超導磁能存儲器(SMES)等，是采用并聯(lián)式電壓源換流器的能量存儲系統(tǒng)，其換流器可通過快速調(diào)節(jié)向交流系統(tǒng)供給或吸收電能。將SMES用于兩機系統(tǒng)的頻率控制，可以有效地抑制兩系統(tǒng)之間的頻率偏移。也可將SMES與靜止移相器相結(jié)合用于互聯(lián)系統(tǒng)負荷頻率控制。但這種超導儲能裝置不但技術(shù)要求高，而且在目前的條件下投資費用比較昂貴，大量投入系統(tǒng)運行還存在一定的困難。
4、晶閘管控制的串聯(lián)電容器TCSC
晶閘管控制的串聯(lián)電容器的模塊主要由串聯(lián)電容和含有電抗、晶閘管開關的并聯(lián)回路組成，通過可控硅控制可以靈活、連續(xù)地改變補償容量，達到快速響應的效果。TCSC在改善電力系統(tǒng)性能方面有很多優(yōu)點，將TCSC用于高壓輸電系統(tǒng)，可發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力，提高功率傳輸極限，靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流，增加系統(tǒng)阻尼作用，是保證超高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要措施。
TCSC與其它FACTS裝置相比，潮流控制功能比較簡單，受到了GE、ABB和Siemens等大公司的關注和重視。在美國有三處已經(jīng)安裝了TCSC，并且運行良好，瑞典、巴西等國家也相繼將TCSC投入實際運行。我國在伊敏電廠至齊齊哈爾地區(qū)的馮屯變電站的雙回輸電線上采用串聯(lián)補償技術(shù)。
5、靜止同步串聯(lián)補償器SSSC
靜止同步串聯(lián)補償器是以DC/AC逆變器為基本結(jié)構(gòu)，它的基本原理是向線路注入一個與電壓相差90的可控電壓，以快速控制線路的有效阻抗、從而進行有效地系統(tǒng)控制。它在系統(tǒng)中的作用有些類似于TCSC，但是，它控制潮流的能力遠大于單方向減少線路阻抗功能的TCSC控制器，并且諧波含量小。
6、晶閘管控制的移相變壓器TCPST
晶閘管控制的移相變壓器是利用可控硅開關控制移相角度從而改變線路兩側(cè)的移相角來控制潮流的大小或方向。移相器的發(fā)展比較早，早在三十年代第一臺移相器已經(jīng)在美國投入運行，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，70年代開始各國電力專家將晶閘管與移相器相結(jié)合開始進行晶閘管控制的移相器TCPST的研究。經(jīng)研究表明TCPST具有提高聯(lián)絡線傳輸潮流，抑制小干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩，母線電壓控制，規(guī)約聯(lián)絡線潮流等功能，晶閘管控制的移相器的控制速度快，相角階梯可以很小，甚至達到無級調(diào)節(jié)，但晶閘管控制的移相器有一個缺點，它本身需要消耗無功功率，運行中一般需要與無功補償裝置聯(lián)合使用，并且諧波的含量較高，因此對電能質(zhì)量有一定的影響。
7、可轉(zhuǎn)換式靜止補償器CSC
可轉(zhuǎn)換式靜止補償器是近兩年推出的FACTS控制器的一種新產(chǎn)品，它實際上是將基于同步變流器的串并聯(lián)補償器技術(shù)，通過在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)柔性化，使其可以更加靈活地應對不斷變化的電力系統(tǒng)要求。CSC是由2臺電壓源換流器、一個與輸電線并聯(lián)的變壓器和2個串聯(lián)的變壓器組成。通過開關的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)補償器的不同運行工作狀態(tài)，根據(jù)控制目標的不同，CSC可以提供靜止同步無功補償器，靜止同步串聯(lián)無功補償器、統(tǒng)一潮流控制器和線間潮流控制器4種基本控制方式。
8、統(tǒng)一潮流控制器UPFC
UPFC的概念是由美國西屋科技中心的L.Gyugyi于1992年首次推出的，統(tǒng)一潮流控制器是一種從原有潮流控制裝置的基礎上發(fā)展而來的新型潮流控制裝置，它由一個并聯(lián)的換流器和一個串聯(lián)的換流器通過公共側(cè)的電容耦合而成，僅僅通過控制量的變化就可以分別實現(xiàn)并聯(lián)補償、串聯(lián)補償或移相器的功能，也可以將三者的功能結(jié)合使用。通過不同控制策略的設計，UPFC不但可以用于控制母線電壓。線路潮流、提高系統(tǒng)動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)振蕩，而且可以快速地轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)以適應系統(tǒng)的緊急狀態(tài)的需要。它被認為是FACTS家族中最有代表性、功能最強大和技術(shù)最復雜的成員。
（1）傳統(tǒng)的教學方式。目前，傳統(tǒng)的教學模式往往是大班教學模式，其缺點：第一，針對性較差，教師的教學內(nèi)容的選擇、教學方法的確定以及難度的把握不可能照顧到所有的學生。其次，互動性會受到限制，導致在學習過程中遇到的問題不能及時的解決，也導致學生個性特長展示的限制。再次，預習-聽講-練習-復習-考試的學習模式，在長期的強化后使學生逐步養(yǎng)成了過于依賴教師的被動學習習慣，不利于學生主動學習、善于思辨以及想象能力的培養(yǎng)，創(chuàng)新思維能力很難得到鍛煉和提高。
（2）新課程新知識的更新較快。電氣信息類專業(yè)，電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機信息技術(shù)相互促進、相互滲透、共同發(fā)展，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展為計算機技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎，計算機技術(shù)的發(fā)展又為電子技術(shù)的發(fā)展提供了前進的動力。伴隨而來，出現(xiàn)了各種新技術(shù)和新知識。
（3）實踐能力鍛煉的欠缺。目前，很大部分的高校學生惰性比較嚴重，缺乏主動和積極思考的習慣，參加的實踐活動只限于課程的實驗和開設的實踐環(huán)節(jié)。這只是一種相對比較被動的實踐，這對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和鍛煉遠遠不夠。
2我院學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)體系
在我學院的電氣工程及其自動化本科專業(yè)教學計劃中，電子設計能力作為教學培養(yǎng)的核心能力和特色能力予以突出。
（1）課程培養(yǎng)體系。課程培養(yǎng)體系以單片機課程作為核心課程，電路原理、數(shù)電、模電、電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)作為基礎課程，智能儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)作為提高課程形成了電子設計能力的理論培養(yǎng)體系。按照電子設計能力培養(yǎng)的要求，按基礎、應用、實用和綜合的方式整合相關知識的課程，每個學習情境也引用具體的產(chǎn)品項目，每個項目都要求從產(chǎn)品的技術(shù)要求出發(fā)，按照技術(shù)資料查閱、熟悉器件性能、確定硬件電路設計方案、編制器件清單、制作硬件電路、程序設計、軟硬件調(diào)試、器件及模塊電路性能測試、性能指標測試等步驟實施。教學內(nèi)容的選取充分體現(xiàn)了學生綜合能力培養(yǎng)的要求，為學生可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎。
（2）實踐教學體系。實踐教學體系按基礎層、應用提高層、綜合設計開發(fā)層和科技創(chuàng)新層逐次提高的方式來設計實踐訓練環(huán)節(jié)，從最基本的電路板設計到最小系統(tǒng)設計，再到控制系統(tǒng)的設計，從簡到難分布在第四到第六學期構(gòu)成實踐培養(yǎng)體系。該體系注重“厚實基礎，自主學習，提高能力，不斷創(chuàng)新”。根據(jù)實踐環(huán)節(jié)的特點，在每一個層的訓練過程中，以制作真實產(chǎn)品為任務；在訓練方法上采取普適性通用工作過程六步法，即從咨訊、決策、計劃，到實施、檢查、評估的步驟，積極引導學生自主學習，并將所學知識和技能應用于實踐，形成“企業(yè)式”的訓練情境。我院“電子產(chǎn)品設計及制造工程訓練中心”，如圖2所示，是一個面向電氣、通信、計算機、機電類專業(yè)，以學生電子設計專項技能、嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)能力、電子產(chǎn)品設計制造工程能力的培養(yǎng)為目標的校內(nèi)工程訓練中心。其功能定位密切針對我省電子信息裝備制造業(yè)所急需的人才培養(yǎng)，具有鮮明的應用性、工程性特征。中心的實踐教學體系由課程實驗、專項技能實訓、工程綜合訓練等三大模塊構(gòu)成，教學、科研和服務功能有機融合，以構(gòu)建系統(tǒng)的電子基礎工藝、嵌入式系統(tǒng)應用為主要方向的電子產(chǎn)品設計、制造及檢測的產(chǎn)學研基地為核心建設目標。該工程訓練中心建成后，將對我校電氣、通信、計算機、機電類專業(yè)完善實踐教學體系，提高實踐教學效果，強化學生電子設計專項核心能力，培育具有地方特征的專業(yè)特色發(fā)揮重要作用，有利于進一步推動相關專業(yè)內(nèi)涵建設工作的深化。
（3）第二課堂的學習。我院目前主要有電子愛好者協(xié)會和計算機愛好者協(xié)會的第二課堂的建設。通過協(xié)會，從大一新生開始就吸收成員，從最初的興趣培養(yǎng)，到后面的能力培養(yǎng)。相對應的學院開設有對應開放實驗室和提供相關儀器儀表供學生課余時間使用，過程中有指導教師參與解答學生的問題和困難。目前，我院建設有四級科研訓練體系，如圖3所示，學生通過學習可以參加各類競賽和主持或參與申報各類的科研訓練項目。目前也取得了較好的成績和效果。
（4）實踐考核體系。我院加大考核方式方法與考核主體的改革力度，變傳統(tǒng)考核方式為多元化考核評價方式，重視職業(yè)技能的考核，注重職業(yè)能力的培養(yǎng)。采用筆試、口試、操作、論文、制作作品等多樣考核方式，采用校內(nèi)老師、現(xiàn)場專家、學生考核評價相結(jié)合，或是學校、企業(yè)與社會考核評價相結(jié)合等多種評價方式，各種評價主體有明確合理的比例分配。第一課堂考核與第二課堂比賽相結(jié)合，校內(nèi)老師評價與企業(yè)、社會評價相結(jié)合，學生之間自評、互評相結(jié)合的考核評價模式，既培養(yǎng)了學生使用現(xiàn)代信息技術(shù)的能力，也鍛煉了學生的表達能力和團隊合作精神。
3結(jié)語
論文關鍵詞：電力系統(tǒng)；配網(wǎng)自動化；通信技術(shù)
一、配網(wǎng)自動化的發(fā)展歷程
我國配電自動化的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段，第一個階段是自動化階段，它的主要原理是不同的自動化開關設備相互支持；第二個階段是計算機階段，它主要基于計算機大規(guī)模云計算處理相關的配網(wǎng)問題；第三個階段是使用現(xiàn)代控制理論支持的現(xiàn)代自動化階段。
在配網(wǎng)自動化的第一個階段里，主要的思路是當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過斷路器等二次繼保設備之間的相互配合，快速切除故障，不需要計算機介入進行實時控制，在這一階段里使用的設備主要是二次物理設備。但是，在這一階段里，受電源和繼保裝置的影響，自動化程度非常低。在這一階段，當在系統(tǒng)正常運行時，不能實時偵測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，僅當系統(tǒng)發(fā)生故障時，二次設備才能發(fā)揮作用；當系統(tǒng)的運行方式發(fā)生變化后，需要工作人員重新到現(xiàn)場進行整定計算；恢復事故區(qū)域供電時，不能自動采取最優(yōu)化措施；在事故恢復階段，需采用多次重合閘，以保證系統(tǒng)的正常運行，但是，這種方法對系統(tǒng)設備的損傷很大。目前，這些設備在我國大部分地區(qū)仍在使用。
基于大規(guī)模計算機云計算的配網(wǎng)自動化技術(shù)是發(fā)展的第二階段，在這一階段里，對電力通信的要求較高，主要運用了現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)，在配電網(wǎng)正常運行時也能監(jiān)視電網(wǎng)運行狀況，真正意義上實現(xiàn)了遙信、遙測、遙控、遙調(diào)功能。在故障時，能夠通過監(jiān)控設備及時發(fā)現(xiàn)非正常狀態(tài)，并由調(diào)度員通過遙控遠方設備，隔離故障區(qū)域和恢復健全區(qū)域供電。
具有自動控制功能的現(xiàn)代配電自動化階段，是進入配電自動化發(fā)展的第三階段，計算機技術(shù)得到更好的應用，實現(xiàn)了配電網(wǎng)自動控制功能。集成了配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)、配電地理信息系統(tǒng)、饋線自動化、變電站自動化、需求側(cè)管理、調(diào)度員仿真調(diào)度、故障呼叫服務系統(tǒng)和工作管理等一體化的綜合自動化系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了饋線分段開關遙控、電容器組調(diào)節(jié)控制、用戶負荷控制和遠方自動抄表等功能。
面對世界電力積極開展智能電網(wǎng)研究的新動向，借鑒歐美等國家和地區(qū)的先進經(jīng)驗和技術(shù)理論，國家電網(wǎng)公司結(jié)合我國國情和能源供應，用電服務的新需求，于特高壓輸電國際會議上正式提出了立足自主創(chuàng)新，建設以特高壓為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，以信息化、自動化、互動化為特征的堅強配電網(wǎng)的發(fā)展目標，從而拉開了我國配電網(wǎng)研究和建設實施的序幕。
二、配網(wǎng)自動化技術(shù)存在的問題
1.功能設計單一
提高供電可靠率，是配電網(wǎng)自動化功能設計的傳統(tǒng)思路。但電力可靠性中心簡報數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)階段影響供電可靠性的主要是例行檢測時配電網(wǎng)停電，這一階段停電時間遠大于由于配電網(wǎng)故障導致的停電。不斷提高配網(wǎng)管理水平，大大減少例行檢測的停電時間和次數(shù)，是發(fā)展配電網(wǎng)自動化技術(shù)的一個重要方面。
2.出現(xiàn)在配電網(wǎng)里的孤島情況
在現(xiàn)階段，不同的電力企業(yè)里，資源的種類多，各種資源難以整合到一起。部門內(nèi)部信息共享能力差，企業(yè)部門之間的信息更是難以交流，這進一步導致了配電網(wǎng)管理出現(xiàn)紊亂，分析數(shù)據(jù)局部冗余。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)難以經(jīng)濟、安全運行。
3.新設備的出現(xiàn)對系統(tǒng)影響較大
在設備資產(chǎn)管理中缺乏整體考慮和長遠考慮，盲目追求最新的設備，不注重系統(tǒng)整體運行情況，造成新老設備難以整合到一起，從而無法達到整體最優(yōu)的效果。
4.在結(jié)構(gòu)設計里不能統(tǒng)一設計
在配電系統(tǒng)實際運行時，往往出現(xiàn)主控方與受控方的信息不相關，網(wǎng)絡傳輸能力不夠，一次設備過老，導致新老設備不匹配。特別是將先進的二次設備和老舊的一次設備整合到一起，造成系統(tǒng)無法正常運行，嚴重影響配網(wǎng)自動化功能的實現(xiàn)和管理的優(yōu)化。
5.管理體制中出現(xiàn)的弊端
配電自動化技術(shù)主要覆蓋生產(chǎn)、營銷兩大專業(yè)，傳統(tǒng)管理方式單純強調(diào)垂直專業(yè)管理，而沒有條塊結(jié)合分工協(xié)作的保證措施。同時，在功能設計過程中，還存在重系統(tǒng)、輕客戶管理，重形式輕實效的思維定式，導致技術(shù)缺失和管理漏洞，使得配電自動化技術(shù)無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。
6.當前與長遠的銜接問題
配電自動化技術(shù)涉及面廣，投資額大，既要考慮企業(yè)未來發(fā)展需要，又要著眼于現(xiàn)有系統(tǒng)的充分利用，因此，電力企業(yè)應從技術(shù)，管理上采取措施，為配電自動化系統(tǒng)擴容及其功能完善做好準備。在實際生產(chǎn)中，應該開發(fā)和利用可擴展的管理系統(tǒng)模塊和功能擴展性強的先進設備；而在管理過程中，更要擯棄傳統(tǒng)的只注重當前利益而忽視長遠利益的做法，應提倡資產(chǎn)全壽命周期管理的理念，解決當前和長遠利益權(quán)衡問題。
三、配網(wǎng)自動化技術(shù)未來的發(fā)展趨勢
隨著科技的發(fā)展，配電網(wǎng)自動化展現(xiàn)出配電系統(tǒng)的智能化、自動化，信息化和互動化的新特征。配電自動化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下七個方面。
1.配網(wǎng)自動化的綜合型受控端
新型綜合受控端基于高速SCADA系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電網(wǎng)信息的快速采集和信號的綜合處理，并且大大減少了受控端的數(shù)量，從而使系統(tǒng)的規(guī)模得到簡化。這種受控端不僅具有以往終端所具有的功能，還可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的潮流分布、電壓情況、系統(tǒng)是否產(chǎn)生震蕩、頻率是否滿足要求等，將這些信息傳遞給主控方，供進一步分析使用。同時，這些受控端之間還可以進行相互通信，進一步提高數(shù)據(jù)的精確程度。
2.配電線路載波通信技術(shù)和基于因特網(wǎng)的IP通信技術(shù)
通信系統(tǒng)一直是配電網(wǎng)自動化的難點之一。在10kV及以下的配電系統(tǒng)里，由于受控端數(shù)目多，對通信的要求也顯著提高。因此，如果要實現(xiàn)系統(tǒng)潮流實時監(jiān)測、頻率控制等需求，穩(wěn)定的大容量的高速載波通信系統(tǒng)是必備的。該系統(tǒng)不僅可以滿足上述需求，還可以為客戶提供更多的生活服務，如電力線上網(wǎng)等。另外，光纖通信具有容量大、可靠性高、傳輸速率高等優(yōu)點，已成為主流通信系統(tǒng)的首選。隨著成本的降低，采用光纖通信作為配電系統(tǒng)自動化的主干通信網(wǎng)已得到普遍共識。隨著通信技術(shù)的進步，基于城市光纖網(wǎng)的IP通信技術(shù)充分利用了光纖通信技術(shù)抗干擾能力強、誤碼率低、傳遞快速和IP通信方式的通用兼容性接口等優(yōu)越性，可望成為智能配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的前沿通信技術(shù)。
3.定制電力技術(shù)
定制電力技術(shù)是柔性配電系統(tǒng)的實際應用，它將智能電網(wǎng)技術(shù)、柔性送電技術(shù)、云計算技術(shù)等高科技技術(shù)用于中低壓配電網(wǎng)，用以消除諧波，防止電壓閃變，保證各相對稱，提高供電可靠性和經(jīng)濟性。主要由電壓穩(wěn)定器、快速無功補償器、頻率檢測器、高速斷路器等設備組成。當系統(tǒng)出現(xiàn)突然增大負荷或者瞬間丟失大負荷時，該技術(shù)可以瞬間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的變化，并滿足極限情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定，該技術(shù)應用于配網(wǎng)自動化中，可以實現(xiàn)系統(tǒng)實時優(yōu)化，滿足高層次用戶的需求。
4.新型FA系統(tǒng)
新型的FA系統(tǒng)主要的思路是實現(xiàn)分布式電源，即根據(jù)不同的負荷就地提供合適的電源，減小線路傳輸?shù)膿p耗，提高能量利用率。根據(jù)國家電網(wǎng)制訂的未來發(fā)展方案，未來我國將把輸配電系統(tǒng)分離，并在用戶端設立電網(wǎng)提供者的信息，用戶可以根據(jù)實時電價選擇供電方。新型FA系統(tǒng)應用于配網(wǎng)自動化中也存在許多困難，主要有：分布式電源位置不確定，配網(wǎng)的運行方式多變，從而導致二次設備難以滿足要求。
5.配電系統(tǒng)的集中化管理
在以往的配網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶是分散的，系統(tǒng)被迫分離為多島，多島之間功能相似，但系統(tǒng)難以交流，通道不可共享。集中化管理的配電系統(tǒng)，可以利用先進的通信網(wǎng)絡將配電網(wǎng)控制中心與系統(tǒng)多島連接在一起。比如，將SCADA系統(tǒng)與配網(wǎng)控制中心通過接口連接起來，形成一個多級系統(tǒng)。實現(xiàn)該系統(tǒng)的應用，最好的方法是最大限度利用用戶原有的軟硬件資源，保護用戶的投資，實現(xiàn)實用化管理和多廠家產(chǎn)品共享的原則。
6.優(yōu)化的系統(tǒng)配電網(wǎng)運行
隨著社會的發(fā)展和電力企業(yè)體制改革的推進，國家電網(wǎng)也逐漸以經(jīng)濟效益作為一個階段性目標。這要求供電企業(yè)要不斷分析電網(wǎng)的運行狀態(tài)，提出最優(yōu)潮流的方案，即按照狀態(tài)估計、潮流計算、最優(yōu)潮流控制來對系統(tǒng)進行優(yōu)化，在保證可靠性的同時提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。配網(wǎng)要在運行中提高經(jīng)濟效益，還應當優(yōu)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，盡量保證二次設備“不誤動，不據(jù)動”，防止因系統(tǒng)突發(fā)事件導致巨大的經(jīng)濟損失。
