电力电子范文

导语：如何才能写好一篇电力电子，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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英文名称：Power Electronics

主管单位：西安电力电子技术研究所

主办单位：西安电力电子技术研究所;中国电工技术学会电力电子学会

出版周期：月刊

出版地址：陕西省西安市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1000-100X

国内刊号：61-1124/TM

邮发代号：52-44

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1967

期刊收录：

CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

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期刊简介

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关键词： 电力电子电路； 容错控制； 混杂系统； 模型预测控制

中图分类号： TN710?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0154?03

Fault tolerant control of power electronic circuit based on MLD model

YU Bao?ping1， YU Jia2

（1. Xi’an CLEC， Xi’an 710065， China； 2. Xi’an Fuchida， AVIC， Xi’an 710077， China）

Abstract： Compared with traditional switching function model of power electronic circuit， mixed logic dynamic （MLD） model can accurately describe the changing process of circuit because the mixed logic dynamic model contains the control change and condition change of circuit. The MLD model of power electronic circuit is established in this paper. Considering that the MLD model contains the discrete variables， the traditional control method is no longer applicable. Therefore， the auxiliary logical variables and assisted continuous variable were introduced into the model predictive control （MPC）. The fault tolerant control and realization steps of power electronic circuit based on MLD model and MPC were researched. The method has the advantages of simple realization， good fault tolerance error performance， strong versatility. The feasibility and effectiveness of this method were verified by the example of fault?tolerant control of a three?phase four?leg inverter circuit.

Keywords： power electronic circuit； fault tolerant control； hybrid system； model predictive control

0 引 言

微电子技术、计算机技术、控制技术的发展带动了电力电子技术的快速进步[1]，近年来，电力电子电路的应用遍布工业、军事、航空航天等重要领域，主要用于电能的处理与变换，电路的可靠性关乎到整个系统的健康运行，而容错控制（Fault Tolerant Control，FTC）是提高系统可靠性的一个重要手段，容错控制的目的在于通过控制器的调节使故障系统仍能保持满意的性能或至少达到可以接受的性能指标[2]。任何功率管故障均会导致电力电子电路的缺相运行[3?4]，因而硬件冗余和控制设计是研究电力电子电路容错控制的两个主要方面。文献[5]研究了一种新型的容错电路拓扑及其控制策略，文献[6]对一种容错的多电平逆变电路拓扑进行了容错研究。本文以基于电力电子电路的MLD模型和MPC研究了电路容错控制的通用方法及实现步骤，并以三相四桥臂逆变电路为例对所提方法进行验证。

1 电力电子电路的混合逻辑动态模型

混杂系统是指由连续变量动态系统和离散事件动态系统相互混杂、相互作用的系统[7]。电力电子电路功率管的通断受到控制信号的驱动，具有离散特性；功率管的每种通断组合均是一个离散事件，电路在每个离散事件期间的变化受状态方程的约束，具有连续特性，因此电力电子电路是一种典型的混杂系统[8]。MLD模型是一种主要的混杂系统建模方法，MLD将离散事件以条件的方式嵌入微分方程组中，把系统整个当作一个微分方程组来处理，最终将控制问题转化为优化问题 [9]。根据电力电子电路的物理规律，可以建立电力电子电路的混合逻辑动态模型如下：

[X（k+1）=AX（k）+B1U（k）+B2σ（k）+B3Z（k）Y（k）=CX（k）+D1U（k）+D2σ（k）+D3Z（k）] （1）

式中：X=（Xc，Xl）T为状态变量，其中Xc为连续状态，Xl为离散状态；Y=（Yc，Yl）T为输出变量，其中Yc为连续输出，Yl为离散输出；U=（Uc，Ul）T为输入变量，Uc为连续输入，Ul为离散输入；σ和Z分别代表系统辅助逻辑变量和辅助连续变量。

2 电力电子电路容错控制的基本机理

容错控制就是通过控制器的调节使故障系统继续保持满意性能或至少可以接受的性能指标。而电力电子电路的容错控制需要同时考虑控制器和硬件冗余两个方面，因为电力电子电路的任何功率管故障均会导致电路的缺相运行，仅通过控制器的调节无法使缺相运行的电路满足指标要求。图1为电力电子电路容错控制原理图，电路状态检测模块负责将电路的故障信息传至拓扑重构模块和控制信号切换模块，重构模块隔离电路的故障功率管，控制信号切换模块将故障功率管的控制信号切换至冗余功率管，由冗余功率管接替故障功率管工作，保证电路满足指标要求。

图1 电力电子电路容错控制原理图

由于电力电子电路MLD模型中离散变量的存在，传统的控制方法不能简单用于电力电子电路控制。在形式上，MPC被控对象的数学模型和电力电子电路的MLD模型相似，因此将辅助逻辑和辅助连续变量引入MPC，扩展后可用于电力电子电路的控制[10]。给定X0为初始状态，N为预测步长，X（i|k）是第k+i步系统状态的预测值，选择目标函数为：

[minuk+i，i=0，1，2，..，n-1JUN-1K，X（k）=Δ0N-1（U（i）-UePQ1+U（i|k）-UePQ2+σ（i|k）-σePQ3+Y（i|k）-YePQ4+Z（i|k）-ZePQ5）] （2）

[s.tX（N|k）=XeX（i+1|k）=AX（i|k）+B1U（i）+B2σ（i|k）+B3Z（i|k）Y（i|k）=Cx（i|k）+D1U（i）+D2σ（i|k）+D3Z（i|k）] （3）

式中：Xe，Ue，σe，Ze，Ye是控制的目标值；Qj为权值矩阵，j=1，2，…，5。

式（2）中：P=1时，问题转化为一混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming，MILP）问题；P=2时，为混合整数二次规划问题（Mixed Integer Quadratic Programming，MIQP），具体算法已有很多文献进行了相关研究[11]，本文不在详述。

对于不同的电力电子电路，利用冗余的思想均可设计出电路具有冗余功能的拓扑结构，进行混合逻辑动态建模，电路模型可抽象为式（1）的形式，如图1所示。根据电力电子电路的容错控制原理，设计电路模型预测控制器及故障后拓扑的重构策略，即可实现电路的容错控制。下面就以一种新型的逆变电路为例说明电力电子电路基于此方法容错控制的具体实现步骤。

图2 三相四桥臂逆变器拓扑

3 仿真验证

如图2逆变器拓扑，仿真参数如下：Vdc=270 V，C=8 800 μF，滤波电感L=100 μH，滤波电阻R=25 mΩ，额定频率为400 Hz。仿真结果如图3所示，其中（a）为逆变器正常工作时三相输出电压及其频谱分析结果，（b）为逆变器单管故障容错后逆变电路的三相电压及频谱分析结果。

4 结 论

本文在分析建立通用的电力电子电路混合逻辑动态模型的基础上，提出了电力电子电路基于混合逻辑动态模型的容错控制策略，具有较强的通用性。

文章以一种三相四桥臂逆变器拓扑为例，并通过仿真对所提方法进行了验证。

参考文献

[1] 李雄杰，周东华.基于混杂模型和滤波器的电力电子电路故障诊断[J].西北大学学报，2011，41（3）：410?414.

[2] MACIEJOWSKI J M， JONES C N. MPC fault tolerant flight control case study [C]// IFAC safe process Conference. Washington DC： IFAC， 2003： 9?11.

[3] WELCHKO B A， JAHNS T M， SOONG W L， et al. IPM synchronous machine drive response to symmetrical and asymmetrical short circuit faults [J]. IEEE Transactions on Energy Conv， 2003， 18： 291?298.

[4] ZHOU Liang， SMEDLEY Keyue A fault tolerant control system for hexagram inverter motor drive [C]// 2010 Twenty?Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）. [S.l.]： IEEE， 2010： 264?270.

[5] NAJMI E S， DEHGHAN S M， MOHAMADIAN M， et al. Fault tolerant nine switch inverter [C]// 2011 2nd Power Electronics， Drive Systems and Technologies Conference. Tehran： [s.n.]， 2011： 534?539.

[6] CHEN A?lian， HU Lei. A multilevel converter topology with fault?tolerant ability [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20（2）： 405?415.

[7] 马皓，毛兴云，徐德鸿.基于混杂系统模型的DC/DC电力电子电路参数辨识[J].中国电机工程学报，2005，25（10）：50?54.

[8] DU Jing?jing， SONG Chun?yue， LI Ping. Modeling and control of a continuous stirred tank reactor based on a mixed logical dynamical model [J]. Chin. J. Ch. E， 2007， 15（4）： 533?538.

[9] 安群涛.三相电机驱动系统中逆变器故障诊断与容错控制策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

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1.1回顾电力电子技术的发展历程

电力电子技术的发展历程可具体划分为三个时期，即整流器时代、逆变器时代和变频器时代。首先，整流器时期的电力电子技术发展主要表现为大规模的工业用电，它的用电来源主要是交流发电机，消费形式以直流电为主，比如有色金属的电解、内燃机车的牵引以及轧钢中的直流电等。硅整流器通过将直流电转化为工业用电而被广泛应用于配电和输电领域，这在六七十年代的中国随处可见。其次，逆变器时代的电力电子技术发展遭遇了严重的能源危机，其波及范围之广使得整流器的发展不再适应电能企业的使用需求，以交流电为主的逆变器时代应运而生。逆变器时代以晶闸管、晶体管以及晶闸管器件作为时展的主流，在高压直流输出的过程中实现了对动态功率的有效补偿。然而这时的使用范围还仅仅局限于中低频领域，使用过程中的效率较为偏低。再者，八十年代的变频器时代实现了大规模和超大规模集成电路的发展与应用，这不仅电子应用领域的显著创新，同时也为后期现代电力电子技术的发展提供了必要的技术借鉴。变频器时代还对电力的精细加工技术进行了完善，全控型功率器件的出现实现了电力电子技术的高频化发展，使得现代电力电子技术转化成为一种可能。功率半导体市场逐渐被变频器件取代，这一革新不仅提升了变频调速的使用频率，在小型轻量化技术装备方面也有了显著进步。

1.2当前电力电子技术的应用领域

电力电子技术的发展核心控制体系在于电能器件的有效转换，作为一种现代技术，电力电子技术的主要功能不仅包括了逆变、整流、变频等基本方面，除此以外还涉及到斩波和智能开关等方面的内容。通过对电网工频电能的转化来达到不同的使用目的，以此适应现代化生产对电力电子技术的使用需求。具体应用方面，其应用领域主要包括了三大方面：其一，在变频器作用下对微电子技术及控制技术进行有效整合，将固有不变的交流电转变为可换可调的可变式交流电，以此达到无级调速的目的，这对电能资源的节约显然极为有利。其二，在开关电源和供电电源方面现代电力电子技术也有着自身的使用功能，类似变频电源、焊接电源、充电电源、照明电源等都为现代化电力系统的完善提供了切实可行的技术指导。其三，一些发电系统或是交流输电技术也体现出现代电力电子技术的应用意义，水力发电、风力发电、配电与用电系统的完善等都和电子系统的应用之间有着密切联系。

2现代电力电子技术的发展趋势探讨

2.1电力电子技术的发展趋势

电子电子技术归根结底是对电源技术的研究，电源技术不仅是电力电子技术研究的核心，一定程度上开光电源技术的发展也预示着现代电力电子技术今后的发展走向。从发展趋势来看，现代电力电子技术的发展趋势可概括为以下几方面特点：第一，现代电力电子技术的集成化与模块化特征。这一特征主要表现在现代电力电子技术的功率器件和电源单元两个方面，从微小器件组成来实现电子器件的智能化辨别与使用。这样的模块功率不仅有效控制了器件的体积，在设计与制造方面也形成了显著的模块化特征。电力电子技术的模块化发展其核心目的旨在降低器件的电应力，从安全性与可靠性角度提升电力系统的使用性能。第二，现代电力电子技术的高频化特征。从理论分析及实践验证的双重角度不难看出，无论是变压器的电感还是电容体积在供电频率方面都呈现出一定的反比例趋势，因此体积的减小必然会导致电子技术的高频化呈现。从这个角度来看，全控型电子器件的问世已然标志着现代电子与电力技术率先实现了自身的高频化转换。第三，现代电力电子技术的全控化与数字化特征。全控化电力电子技术的革新突破了原有电力电子器件在使用功能方面的限制，降低了关断换流电路可能造成的危险，从根本上保障了电力系统在使用过程中的安全性。数字化特征则主要表现在现代电力电子技术的高频斩波以及谐振变换等方面，从弱电领域拓展了电力电子技术的发展渠道，提前实现了控制技术的集成化。第四，现代电力电子技术的绿色化特征。这里的绿色化特征既包括了环境污染问题的控制，又涉及到必要的电网污染源问题，是当前电力电子技术在发展过程中亟需解决的重要问题。发电容量的控制从根本上减少了发电对环境造成的污染，与此相关的污染过滤器或是电能补偿系统等都是当前电力电子技术向绿色化迈进的有力证据。具体的电力电子技术应用方面，则主要表现为四大革新趋势：其一，太阳能发电技术的应用。太阳能发电技术为普通家庭提供了足够的电能使用空间，成为了可再生资源的有效传播途径之一。其二，燃料电池发电技术。燃料电池的发电装置主要是将其中的化学能转化为可使用的电能，节能省电，鲜少产生环境污染问题。其三，交流输电技术的应用。作为一种新型电力系统出现的交流输电技术实现了对电网资源重新分配与利用，保障了电力系统的稳定性。其四，现代电力电子技术中的储存与质量控制技术。储存技术的使用在于提升电力系统本身的电力储备功能，而质量控制技术则在于从供电质量角度提高电力产品的使用效率。

2.2现代电力电子技术的应用展望

关于现代电力电子技术的应用展望，可从如下几方面得以体现：第一，从节能性角度提升电机系统的使用性能，可从专用电机的设计或是控制设备的完善等方面来提升整体电力系统的使用效率；第二，中高压直流输电系统的运用也是今后电力电子技术发展的必然趋势，这一系统本身就具备了低污染和低能耗的特点；第三，当前社会发展进程中充电站网络的构建或是电动车辆的普及已经逐渐成为现代电力电子技术发展进程中积极完善与改革的内容，以电动汽车为代表的环保电力问题逐渐成为一个时代课题。至于当前城市建设过程中充电网络的配备问题基本尚处于起步阶段，无论是实际应用领域还是理论构建领域都还存在许多值得研究和讨论的问题，但无疑其发展空间是极为广阔的；第四，关于电力系统中电能储备装置的设置与超导线的使用也将成为电力电子技术亟需解决的问题之一，从根本上解决电能储备问题势必将对电力系统的持续发展产生积极而深远的影响。然而面对电能储备过程中存在的诸多问题，电力系统设计者需要从控制技术与存储技术的双重层面来体现储能装置的有效性，对于其中可能存在的不合理问题提出切实有效的解决或改进对策。

3结束语

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其具体包括以下几方面的内容：第一，通过对电力电子技术的应用，已经将传统发电机直流励磁转化为由中频交流励磁和电力电子整流相结合的方法，并且在推广应用过程中取得了良好的效果，其运行的可靠性也得到了提高。第二，电力电子技术的应用有效地改变了水轮发电机的变频励磁。发电频率取决于发电机的转速，采用了电力电子技术后，将水轮发电机直流励磁转变为低频交流变频励磁。当水流量减少时，提高励磁频率，可以把发电频率补偿到额定，延长水轮发电机的发电周期，解决水力发电中发电机工作时间受季节性水流量影响而导致的频率无法调节、浪费较多水能的问题。这对大型水力发电设施来说，具有巨大的经济效益。

2电力电子技术的未来发展趋势

从近几十年的发展历程中我们可以看出，半导体的发明与应用有效地推动了电子技术的快速发展，其中晶闸管等电力半导体在这一过程中发挥了重要的作用。在进入20世纪70年代后，半控型晶闸管形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和半导体制造工艺水平的不断提高，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。近期研制的以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容量高频率、响应快、低损耗的方向发展，这又是一个飞跃。步入20世纪90年代后，电力电子技术得到突飞猛进的发展，与该技术有关的产品也得到进一步升级，大都朝着智能化、模块化方向发展，逐步形成了电力电子技术的三步走模式及理论的研发，产品的研制、产品的应用，成为国际科研领域的新星，成为经济社会发展的热门行业。但是，就目前我国电力电子技术发展现状来看，还不容乐观，其中电力半导体器件的研发与应用同西方发达国家相比，还存在较大的差距，还比较落后，所以，如果在21世纪国际电力电子技术迅猛发展的背景下，我国半导体器件的落后状态得不到改善，将直接影响我国国民经济的快速发展，因此，对于我国电力电子技术的发展趋势来说，仍然任重而道远。

3结语

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关键词：multisim；仿真；电力电子电路

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）13-0153-02

Abstract：This article introduces a power electronics teaching methods based on multisim. And we select two typical power electronic circuits to simulate . Through the experiments the establishment of the circuit，the choice of electronic components， circuit parameter settings and waveform analysis are described in detail.

Key words： multisim；simulation；power electronic circuits

1 概述

电力电子技术是强电专业的一门核心基础课程，其实践性很强，对学生的动手能力要求较高。笔者在该课程的教学过程中发现主要存在以下几个问题：

1）学生很难理解电力电子器件的工作原理，比如晶闸管的导通和关断条件。

2）在授课过程中电力电子波形的绘制需要花费较长的时间，尤其是三相电路的相关波形。

3）在实训过程中耗材的损耗很大，比如晶闸管、晶体管等。

4）电力电子系统多为高电压、大电流的大功率系统，实训过程中对于学生的人身安全和设备安全不能得到绝对保证。

如果在教学过程中引入计算机仿真技术就可以很好的解决这些问题，同时仿真教学可以使得教学过程更为生动、直观，有利于激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

2 multisim仿真软件介绍

20世纪80年代加拿大的IIT公司推出了一款颇具特色的电子仿真软件EWB5.0，其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用。Multisim软件是它的升级版，本文中所使用的是最新的multisim10版本，其主要特点有：

1）具有完全交互式的仿真器，允许使用者对电路进行实时的改变，并能实时的看见电路仿真结果。

2）具有二十多种不同的虚拟仪器，包括示波器、万用表、频谱分析器等。

3）功能强大的教学选项，老师可以自行制定Multisim 10的使用界面和可能选用的仪器和分析，从而控制学生在电路中所见的画面，以及能够存取的功能。

4）16000个零件数据库，16000个零件资料库。

图1为multisim10的主界面。

3 仿真实例

1）单相半波可控整流电路（阻性负载）

启动multisim10软件，从其元件库中选择所需的电路元件，连接成电路。如图2所示。其中双踪示波器用来显示触脉冲和负载上的电压波形，A相位为负载波形，B相位为触发波形。

启动电路开始仿真，波形如图3所示，显然负载上的波形为缺口的正弦半波波形。

2）三相半波可控整流电路（阻感性负载）

如图4所示为三相半波整流电路，负载为阻感性负载。图5为阻感性负载上的电压波形。

4 结束语

利用multisim实现仿真实验教学，同传统的电力电子实验相比，可以边实验边修改，由于使用的元器件和仪表都是虚拟的，所以不存在安全问题，另外实验成本低，实验效率高，实验结果直观形象。学生在仿真实验过程中，有自己独立思考的时间和空间，有利于培养学生的创新思维能力。但是仿真实验并不能完全取代传统的实验手段，因为学生在仿真实验中看到的都是理想波形，而实际上会存在很多的干扰信号，学生只有在真实的硬件试验中才会掌握。只有将仿真实验与硬件实验相结合，才能帮助学生更快更好地掌握知识，进一步提高学生的综合实验和创新的能力。

参考文献：

[1] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.

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当前电力系统主干电网、微型电网以及各地的地方电网互相配合是我国电力系统能够稳定转变的重要特点，而且还大范围的使分布式电源和储能装置接入，在加强电力系统的可靠稳定性以及提高供电质量中，采取的主要方式就是灵活性强的输电，并且使用用电和配电的智能化的装置[1]。不但推动我国电力系统进行稳定的转变，还要不断改进和发展不同的电子器件，特别是要提高电力电子装置的智能化水平，使其在电力系统中充分发挥自身的积极作用。

2.电子电力装置的特点

2.1可靠性的特点

电子系统的应用效果主要受到电力电子装置可靠性的影响，但是电子装置的故障率、平均无故障运行的时间、平韵维护的时间以及各项指标决定电力电子装置的可靠性。由于科技不断发展，社会经济不断增长，产业开发也进入多元化的阶段，人们对电力资源的要求也越来越多，其生活的各个方面都离不开电的存在，由于电力系统具有可靠性的特点，从而使更多先进的电力电子装置应用到电子系统中。电力电子装置的可靠性不但能使电力系统运行中的安全稳定性得到保障，而且能够为电力系统的运行、检查以及维修等提供信息基础。

2.2故障管理的特点

如果电子装置长时间的运行，那么其出现故障是必然的。温度过高或者温度循环中出现的波动这些都容易使电子装置发生故障。检测和诊断电子装置的故障以及依据诊断结果采取一定的保护措施是管理电子装置故障的重要方法，另外还可以推理电子装置剩余的使用寿命，提前运用合理的预防措施[2]。

3.电子电力装置在电力系统中的具体应用

3.1发电环节中的具体应用

在电力系统的发电环节中，电力电子装置主要应用到以下三个部分，即发电机组励磁、风力发电以及伏光电站。

3.1.1发电机组励磁

发电机组励磁主要是运用到大型的发电机组中，主要是因为其具有简单的控制方式以及快速的调节速度，其在水力发电机组中主要是为了调整励磁电流频率的动态性，快速调节发电系统对水头的压力和水流量的动态变化，从而使发电效率不断增加，发电水平和质量不断加强。

3.1.2风力发电的电力电子装置

交流器是风力发电技术中电力电子装置的核心环节，它不但使风力发电环节中的整流器与逆变器得到增加，而且能够使风电交流器将不稳定的风能转化为与其相应的电能。

3.1.3光伏电站装置

大范围的集中利用太阳能的最有效的方法就是大型光伏电站，其主要是由光伏阵列组件、滤波器以及升压变压器等组成的，其“电网友好”的控制方案主要是由并联逆变器来实现的。

3.2输电环节中的具体应用

我国电力系统中常见的输电环节有：分频输电、直流输电和固态变压器三种。分频输电的方式主要是利用到水能发电以及风能发电等这些发电系统中的发电机转速比较低[3]。分频输电主要是因为其传输电能的频率较低，这样不但使交流输电线的电气距离大大缩短，而且还使传输的效率得到加强，使电压波动受到相应的限制。在可再生能源发电以及城市供电中最常见的是直流输电。

3.3存储电能环节的具体应用

实时性以及季节性等特点是可再生资源所具有的，但是其还具有一定的不稳定性，除此之外，电能在使用过程中也有低谷期和高峰期，所以要对电能进行储存，从而加强电力系统的可靠性，其主要包括压缩空气储能装置、可调速抽水储能装置以及电池储能装置三方面。根据电力系统中的用电电荷控制储气空间的空气这是压缩空气储能的工作原理，如果进入用电的高峰期，空气压缩机就可以被电力系统中剩余的电量所驱动，从而使存储能量转化为高压空气；如果是电压负荷进入高峰期时，这时候要想使发动机发电，就要释放储气空间中的高压空气。利用水库上下之间的落差使发电机进行发电这是抽水能装置的主要采用的方式[4]。电池储能装置主要是利用电池，如锂离子电池以及钠离子电池等，对电池模块的电流用用小功率的DC/DC变换器进行均衡的调节。

3.4微型电网中的具体应用

微型电网指的是一种小型的配电系统，其主要是由分布式电源、相关负荷、储能装置、监控保护装置以及功率变换器组成。利用功率变换器就可以实现微型电网与外部电网的并网运行，利用并网运行的方式，当外部电网出现故障不能正常运行的时候，微型电网仍然可以使电网安全运行。

4.结论

由此可见，社会的发展离不开电力资源的运用，电能资源的主战场就是电力系统，对其有着决定性的作用，因此在发展的过程中要不断完善电力系统，从而使其能够紧跟时展的脚步。在电力系统的应用中，电力电子装置在发电以及存储电能方面使电力系统的性能得到改善，从而加快了电力系统改革的脚步。随着技术的不断成熟和创新，电力电子装置逐渐成为发电系统应用中的主角，从而使电力系统实现可持续发展的目标。

作者:赵鑫川 孟学斌 赵鹏飞 单位:内蒙古工业大学电力学院

参考文献

[1]叶英涛.电力电子装置在电力系统中的应用[J].黑龙江科技信息，2016，01(18):135.

[2]刘沐欣.电力电子装置在电力系统中的应用[J].中国高新技术企业，2016，03(16):45-46.

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《电力电子技术》是自动化及其相关专业的一门重要的专业基础课程，它的内容繁杂抽象，但是实用性强，技工电气高职班的学生要很好地学习它还不是件易事，这使得教学工作进行起来比较棘手。经过总结多年的教学经验，我们摸索出了以项目教学法为核心，分步骤，对该课程的知识由浅入深，化繁为简进行教学，取得较为明显的教学效果。

1学情分析

首先，我们应对学习该课程的对象进行分析，结合学生接受知识的特点，有的放矢，设计出一套适合学生特点的教学方法，这为取得良好的教学效果打下坚实的基础。该课程是面对技工高职电气相关专业学生所设的，这样的班级在目前的技工教育中，人数一般为35～45人之间，其中有1/3的学生学习较为积极主动，1/3的学生需要在教师和同学的带领下被动地学习，还有1/3是无心向学的“差生”。针对这种情况，我们对全班的学生进行分组，通过以强带弱，以积极带被动的学习形式，同时培养学生的团队协作意识。技工学校电气相关专业的学生还是普遍存在动手能力强，理论分析能力差的情况。针对这样的学情，教师在教学过程中应该注意将难懂复杂的理论知识融入到一个个典型制作电路当中去。另外，因为他们是电气相关专业的学生，有一定电工电子技术的基础知识，为接受繁杂的电力电子知识打下一定的基础。

2制定教学计划

通过学情分析，我们几位一起任教该门课程的教师进行集体备课，这里要特别感谢陈琨韶老师和陈国荣老师，他们为我们上好这门课想出了很多好办法，他们结合深厚扎实的专业知识，将整门电力电子课程转化成几个项目进行教学。项目教学方法是将零散难懂的知识融入到每个具有代表性的项目上，这里是寻找合适的典型工作电路，再自制合理的工作页引导学生参与学习。这样一来，一向被公认难上的一门课，经过我们的努力将其变得更容易教，更容易让学生接受和对学生产生更好教学效果的一门课。

3确定典型工作电路

该门课程主要使用的工具有:示波器，万用表，电烙铁，变压器等。本课程结合重点知识、查找相关资料，设计出学生易学易懂的工作电路，主要用了两个电路作为实训内容。它们分别是调光灯电路———包含单相整流电路和单结晶体管触发电路两大部分;555PWM脉宽调制电路。调光灯电路。在实训室中为了方便学生实训并安全完成任务，我们将该电路的交流电源220V经过变压器把电压将为16～18V交流电，同时所用灯泡也更换为额定电压为8V的小灯泡。另外，为了适应以上改变，电路中的R1和R4两个电阻应被短接，这样才能出现既定实训效果。也就是当调节电位器Rp时，灯泡的亮度会随之改变。555PWM脉宽调制电路，该电路应用555芯片驱动整个电路，以起到控制直流电机速度和灯泡亮度的作用。学生可以通过示波器检测555芯片6脚和2脚连接处的波形，如果电路连接正确，检测出来的波形是锯齿波。如果不能出现该波形，应提醒学生检查电路的焊接是否出错。另外，学生可以通过检测NPN三极管的b极，测出正确波形为方波。

4制作有针对性的工作页

任务的实施通过了解学生的知识结构，我们编写了几个典型工作页，以此来引导学生“在做中学，在学中做”。第一个阶段的工作页是以复习电工电子知识为主，新学的电力电子元件知识为辅。从而引导学生回忆、巩固已学知识，对比、联系地来学新知识。第二个阶段的工作页一共有两个，是围绕图1、2—两个典型工作电路，展开一系列知识点编制的。该工作页的主要内容是设计相关的题目，这些题目主要体现了在学生制作该电路时所需要的电力电子技术方面的理论知识。通过工作页可以让学生边做题边从课本、网络中查找需要的知识。这样就有效地化被动接受知识为主动查找知识，教师在一旁加以点拨和提醒，协助学生完成。教师结合每次讲解的内容布置相应题目，并作为作业要求学生完成。

5项目的实施

项目的实施分为几大部分，分别是查找资料填写工作页、列出元件清单、绘制电路原理图、绘制电路实物图、焊接电路和调试电路。

1)查找资料填写工作页。学生根据教师提供的工作页，通过上网查找资料或者课本完成相关题目，为顺利完成该项目奠定理论基础。

2)绘制电路原理图。学生根据教师提供的原理图，自己动手绘制出来，一来锻炼学生绘图的能力，二来加强学生对原理图的理解。

3)列出元件清单。学生根据原理图和教师分发的元件实物列出元件清单，该清单包括元件的型号、参数、图形符号、文字符号等。

4)绘制电路实物连接图。学生以电路原理图为依据，根据元件引脚实际封装的位置汇出最合理的布线图，避免元件与元件之间的连接线路错乱，要求符合电路布线原则。

5)焊接电路，电路的焊接要求学生掌握熟练的焊接技术，不能出现虚焊、假焊、空焊和冷焊等。

6)调试电路。教师要求高职的学生应自己调试电路板。首先应该对照实物接线图检查成品电路板的连接有无错漏，其次利用示波器测试电路板相应位置的电路波形以检测所焊接的电路板是否能出现正确电路的波形图，如果波形吻合说明电路板制作成功，反之亦然。最后学生根据理论知识分析成功电路板出现对应波形的原理。

6师生小结

每制作完成一个典型工作电路后，教师会根据学生在该项目学习的过程中存在的主要问题进行小结和解答。学生则以小组为单位，上讲台汇报他们的学习成果以及提出学习过程中的疑问。最后教师要求每位学生应自行完成该项目的实训报告，以此作为作业。

7结语

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现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1、整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

2、逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

3、变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

二、电力电子技术的应用

1、一般工业

工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

2、交通运输

电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术。如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。3、电力系统

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。

在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。

4、电子装置用电源

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。

5、家用电器

照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。

6、其他

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一、“电力电子技术”课程实践教学体系

从培养具有创新能力的应用型人才目标出发，根据“电力电子技术”课程的特点，建立起如图1所示的“电力电子技术”课程实践教学体系。实践教学体系以培养学生的创新能力和实践能力为核心，涵盖课程实验、课程设计、学生科研、教师科研四个方面。在培养体系中，课程实验是基础阶段，课程设计是提高阶段，学生科研和教师科研是升华阶段。下面对体系的四个组成部分予以分别介绍。

1“.电力电子技术”课程实验

课程实验是整个体系的基础阶段，是培养学生创新能力和实践能力的最起码的条件。课程实验包括验证性实验、设计性实验和研究性实验，主要是锻炼学生应用所学的电力电子理论知识验证电力电子主电路、触发电路与控制电路的工作原理、综合应用电力电子技术设计、电力电子电路等方面的能力，使学生具备初步的电力电子技术实验能力。为了更好地锻炼学生的创新能力和实践能力，我们采取的措施一是在实验项目中增加设计性实验项目的比例，使其达到50%，二是大胆尝试研究性实验教学方法。研究性实验教学根据“电力电子技术”课程教学大纲要求，根据课程实验课时要求，让学生完成规定的研究性实验项目。研究性实验项目跟一般的验证性实验项目相比有着本质的区别，着重锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，达到培养学生创新能力和实践能力的目的。研究性实验项目可以单独完成，也可以和其他学生组成小组共同完成。完成后必须撰写实验研究报告并答辩。

2“.电力电子技术”课程设计

课程设计是实践教学体系的提高阶段，主要是锻炼学生在课程实验的基础上综合应用所学的电力电子技术设计某种实际的电力电子应用电路（电力电子装置）或驱动电路、控制电路。设计内容包括电路拓扑结构的选择、功率开关器件的选型与参数计算、控制电路设计、驱动电路设计和保护电路设计等，为将来从事电力电子装置的研究和开发奠定基础。根据需要，我们给学生课程设计的题目也基本上归纳为主电路（含整流电路、斩波电路、交流电力控制与交变频电路、逆变电路）设计及器件选型与参数计算、PWM控制电路设计、驱动电路设计和保护电路设计，同时要求学生能熟练应用PSIM和MATLAB等仿真软件对所设计的电力电子主电路、控制电路和保护电路进行仿真分析。通过课程设计让学生具备“方案论证—理论分析—仿真分析—参数计算—器件选型—实验验证”的电力电子装置设计能力。

3“.电力电子技术”学生科研

学生科研就是积极鼓励学生申报电力电子技术类科研课题，带着问题去学习、去探索，锻炼学生的文献查阅能力、应用电力电子技术解决实际问题的能力等，从理论和实践两个方面全面提升学生的实践能力和创新能力。学生科研的主要途径就是申报各级各类大学生科研项目，如湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目、邵阳学院学生科研项目等。我们鼓励并资助大学生开展研究性学习和创新性实验计划项目，从项目的实施与管理、资助条件与项目申报、项目结题与奖励等几个方面对大学生申报项目进行管理。到目前为止，电气工程及其自动化专业学生已获得湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目4项、获得校级大学生科研立项项目2项。这些项目均以电力电子装置的设计与实验为研究内容。通过这些项目的研究，学生发表学术论文8篇、获得软件著作权3项。

4“.电力电子技术”教师科研

除了学生自己申报各级大学生研究性学习和创新性实验计划项目外，同时积极引导学生参与教师与电力电子技术相关的科研课题，进一步培养学生的创新意识和创新能力。在锻炼创新能力和实践动手能力的过程当中，要结合学生具体的研究课题进行专题培训。主要是让学生通过阅读相关专著、文献等掌握所研究课题的发展情况及最新进展。目前，学生已经参与到湖南省自然科学基金项目“基于VSI-SPWM结构的综合电能质量调节器关键技术研究”、湖南省教育厅优秀青年项目“基于并联补偿的配电网电能质量控制技术研究”等多项电力电子研究课题当中，学生的毕业设计课题、申报的科研项目也大都与教师的科研课题相关。

二、“电力电子技术”课程实践教学体系的成效

根据以上内容构建的“电力电子技术”课程实践教学体系在电气工程系实践三年多来，成绩显著，学生在电力电子技术方面的实践能力和创新能力得到明显提高。到目前为止，学生获得的与电力电子技术相关的成果为：获得湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目4项，获得校级大学生科研立项项目2项，获得校级优秀毕业设计（论文）3篇，学生参与开发70kvar微机型低压动态静止无功补偿装置和50kvar新型静止无功补偿装置各一套，发表电力电子学术论文8篇，获得国家实用新型专利1项，获得软件著作权3项，实现了我校电气工程系电气工程及其自动化专业毕业生被许继电气、中山南瑞录用从事电力电子技术研发工作零的突破。在今后的工作中，我们将进一步完善“电力电子技术”课程实践教学体系，进而推广所取得的成果。

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【关键词】电力电子技术；MATLAB；仿真

作者简介：赵娟（1982—），女，硕士，讲师，主要从事高职院校应用电子专业教育教学

前言

电力电子技术是电气控制等专业的一门基础性较强且与生产紧密联系的课程，主要研究各种电力电子器件，以及由电力电子器件所构成的各种电路或变流装置，以完成对电能的变换和控制。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来一定的复杂性，学生在学习时觉得枯燥，对波形的变化难以理解，在很大程度上影响学习效果和学习兴趣。根据目前电力电子技术教学现状，本文介绍了利用MATLA仿真软件来完成对实际电路的仿真，实践证明，借助这种辅助教学手段，更好的帮助同学们对本课程理论知识的理解，同时有效的激发学生的学习兴趣。

1MATLAB简介

MATLAB是一种科学计算软件，SIMULINK是挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。在SIMULINK环境下的电力系统模块库(SimPowerSystem)可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本文所介绍的电力电子电路的仿真就是在MATLAB／SIMULINK环境下，主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。通过电力电子电路的仿真，不仅展示了MATLAB／SIMULINK的强大功能，而且有助于同学们学习仿真的方法和技巧，研究电路的原理和性能。

2仿真实例

整流电路是电力电子技术中出现最早的一种变换电路，广泛应用在直流电动机调速、电焊、电镀等场合。本文以晶闸管组成的单相桥式可控整流电路为例说明MATLAB／SIMULINK/SimPowerSystem工具箱的应用。单相桥式全控整流电路如图1所示。电路由交流电源、晶闸管、负载以及触发电路组成。改变晶闸管的控制角可以调节输出直流电压和电流的大小。

2.1仿真建模

在MATLAB环境下，点击图标，点击菜单File，选择New，新建一个空白的仿真平台，在SimPowerSystem及相关的模型库下提取所需的模块放到仿真窗口，将电路元器件模块按单相桥式可控整流电路的原理图连接起来组成仿真电路。

2.2模型参数设置

设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，双击各模块图标弹出参数设置对话框，根据参数要求设置。单相交流电源参数设置：幅度220V，频率50HZ，相位00。四个晶闸管参数设置：使用默认值。两路脉冲参数设置：pulse1周期0.02s，初始相位600（对应参数600/3600*0.02s），即0.003s，pulse2与pulse1相位互差1800，，即0.013s。负载RLC参数设置：电阻性负载时R为2Ω，L为0H，C为inf；电感性负载时R为2，L为0.01H，C为inf.

2.3模型仿真

参数设置完后，设置仿真时间，开始时间0，结束时间0.1s，选择ode23tb仿真算法，最大步长设为1e-3。观察在交流输出信号下，触发角为600时的输出直流电压和直流电流波形，如图3、图4所示。

3结束语

以上仿真结果中给出了α＝60°时带不出负载时输出直流电压和电流的波形图，实践证时，利用MATLAB仿真电力电子电路时，不需要再重新构建仿真模型图，只要对模块的参数稍作修改即可得到在不同的条件下（如控制角不同，负载不同）所对应的输出波形，操作灵活方便，便于激发学生的学习兴趣，提高学生的创新能力，是一种较为理想的实践教学软件。

参考文献

[1]林飞等主编.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2]徐立娟主编.电力电子技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[3]刘雨棣主编.电力电子技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.