电力电子技术主要内容范文

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电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是一门迅速发展的新兴交叉学科。“电力电子技术基础”课程是高等院校电类自动化、电气工程及其自动化和工业电气自动化等专业的重要的基础课。目前，在全国高校中，普遍存在着该课程的课时较少、实验教学环节薄弱等问题，以清华大学自动化系为例，课内学时仅为32学时，实验教学6个学时。在有限的学时内，合理安排课堂教学和实验教学内容、改进教学方法、配备良好实验教学环境，对提高学生学习的兴趣及掌握电力电子技术的基本内容、培养学生的理论联系实际以及创新能力，提高教学效果都有着重要意义［1－4］。

1课堂教学的主要内容和方法

1．1课程特点和课堂教学的主要内容电力电子技术和信息技术发展迅猛，全控型器件及其脉宽调制（PWM）技术以其优越特性，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。目前，在电力电子器件方面，国内的高等院校中，大多数采用以全控型器件为主要内容的课堂教学［5－8］。主要的教学内容有：电力MOSFET、IGBT、GTR、晶闸管和功率集成电路等电力电子半导体器件及相关器件或电路的特性、工作原理和使用方法；电路中强弱电接口、驱动和保护等措施；各种电能变换基本电路的工作原理、应用条件和分析方法；PWM技术、软开关技术等控制方法。另外，增加了应用实例及分析，以及对实际工程方法和相关知识的介绍，因为后续的整流电路多以晶闸管整流电路为实例，其他教学内容中也不同程度地涉及到晶闸管，所以，关于半控型晶闸管器件的内容，我们安排了一定的学时。为提高教学效果和有利于学生学习，除主教材外，我们还编写了“补充讲义”，向学生提供了教学内容和要求、课程的知识单元与知识点、教学课件的使用说明、与教学内容有关的参考文献和附录等内容。课件的组织和编排尽量保证课程教学内容的完整性，根据教学内容给出了200多道课堂讨论和思考题，根据以全控型器件及应用为主的教学特点，编写了200多道作业练习题。其中，部分内容是为了扩充学生的知识面、便于自学和实际应用，给学有余力和有兴趣的学生提供参考和实际应用的具体指导。

1．2结合自动化专业特点，探索新的教学方法（1）承上启下，注重系统分析。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术，从这两个关键点出发，课程的基本目标是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法，掌握各种电能变换基本电路的基本原理以及设计方法。为了突出自动化专业的特点、更加侧重学以致用和理论结合实际，同时针对培养研究型人才的要求，我们引导、启发学生从系统控制的角度考虑各种电力电子器件和电力电子电路的结构、工作原理、控制方法和参数计算方法等，这样，既培养了学生将所学的“电路原理”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“自动控制原理”等课程的知识融会贯通的能力，又提高了学生学习新知识的积极性，而且，为“电力拖动与运动控制”和“自动控制系统”等后续课程打好基础。（2）培养学生实际工程的意识。课堂教学中，选取一些实际工程中典型的实例来分析，让学生熟悉各种电力电子器件和变换电路的实际工程分析方法、应用范围及技术经济指标。因此，扩展了学生的视野，使学生了解电力电子领域的最新成就和技术动态，力求做到在有限的学时内，使学生尽可能多地了解电力电子技术的概况，多掌握一些基础知识和基本技能，提高学习和钻研的兴趣。（3）以专题讨论等方式鼓励学生与教师互动。在课件里，根据教学内容给出了200多道课堂讨论和思考题。为了更好地调动学生学习的积极性，让学生积极参与到教学的各个环节中，我们安排了课堂的专题讨论，让学生提前在课外时间通过网上和图书馆查阅资料，自主设计方案，然后在课堂上由教师引导，就典型方案展开讨论。学生的学习由被动变为主动，提高了综合分析问题和创新的能力，学生普遍反映：“提高了我们查阅资料、利用学习资源的能力，也很大地提升了我们的自主学习性，这对我们以后的学习和研究的帮助都将是巨大的”，“激发了自己对于科研的兴趣”，是“较全面检验自己所学基础知识的机会，更让自己对于今后的学习有了总体的认识”。

2实验教学体系的创新

2．1实验教学平台的建设“电力电子技术基础”是一门应用性很强的技术基础课。清华大学自动化系历来重视实验教学，明确了实践教学是创新人才培养过程中贯穿始终、不可缺少的重要组成部分，是培养学生理论联系实际、提高专业业务水平的重要途径［9－10］。根据学科发展的要求以及课程的实验教学特点，我们研究了国内外同类实验教学平台的特点，对原有已较先进和实用的功能模块进行了升级改造，或按照我们的教学理念重新进行了设计，建设了新型电力电子实验教学平台［11］。整套实验平台由实验台和不同的功能模块组成。模块按照功能可划分为5个部分：电源部分、控制部分、功率部分、测量部分和负载部分。模块化和集成化的设计，实现了“电力电子技术基础”课程所需的从电路原理、控制器及被控对象到系统的多层次、多内容的实验体系。整个实验平台结构紧凑，易于扩展，使用方便灵活，便于维护。主要特点如下：（1）覆盖面广。①满足“电力电子技术基础”、“电力拖动与运动控制”课程的基本教学实验和“控制系列专题实验”课程的部分实验；②为自动化专业以及有关专业的本科生、研究生等学生提供一个综合性实验平台；③同时也可为相关的科研项目提供实验环境。（2）主要控制电路采用先进的主流技术。自主设计的驱动及控制单元以DSP为核心，设计了多种控制模式，具有多功能、全数字化的特点。该单元集调压、调频、斩波和正弦脉宽调制输出等多种控制功能于一体，可以进行直流斩波、正弦逆变、倍频逆变、开关电源和电机调速等多项实验。（3）安全性、易观测性和易操作性得到提高。充分注意强电实验的特点，对绝缘和保护做了细致考虑；合理地配置了观测点和测量仪器，以便于实验中各物理量的安全和准确提取，方便了实验验证。

2．2实验内容结合“电力电子技术基础”课程的课堂教学内容以及课程特点，实验教学内容应该包括电力电子器件工作原理、基本电力电子电路原理、典型电力电子系统应用等。从实验类型来分，既有培养学生的基本实验技能和巩固及加强课堂教学内容的验证型实验，又有旨在培养学生的综合能力、设计能力和实现能力的设计型、研究型实验。实验难易程度也是从低到高，学生的能力培养也体现了逐步、稳步提高的过程。作为实验技能训练的基本要求，实验内容中充实了基础实验即验证型实验———直流斩波电路实验。基本要求是对典型斩波电路功能的验证。同时增加研究型实验的环节，要求学生通过改变电路参数、改变开关频率以及改变负载的大小等方式观测和分析电路工作性能和参数的变化，改变了以往验证型实验中有些学生机械性地照搬实验步骤的现象，调动了学生自主学习的积极性。例如，波形失真、谐波分析和高频噪声等内容，在理论上比较难于理解，而通过实验可以很直观地对这些概念加深感性认识，收到了很好的效果。研究型实验包括正弦波逆变电路实验和开关电源实验等。正弦波逆变电路实验融合了逆变电路和PWM控制技术的核心内容。而开关电源采用交—直—交—直变换技术，是一种组合变流电路，包含整流、高频逆变、隔离变压和滤波等电路，体现出了电力电子技术及其课程教学的主要内容，对学生提炼电力电子技术课程教学的关键知识点有很大的帮助，这些研究型实验对学生深入学习与理解电力电子技术有很大的作用。在实践教学中融入数字控制技术和计算机控制技术，提高了系统的可扩展性［12］。对学有余力和有兴趣的学生可以选作设计型实验，如有源功率因数校正实验和斩控式交流调压电路实验等。在原有实验的基础上增加了多项学生自主设计和动手的环节，充分满足了学生自主实验时的要求，鼓励学生充分利用实验室的条件，进行创造性的研究工作。

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关键词 电力电子技术；发展；应用

中图分类号TM6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）97-0050-02

电力电子技术是电力电子领域中一门新兴电子技术广泛应用技术，电力电子技术是使用一些电力电子类器件进行适时电能控制及电能的变换类的技术。电力电子技术变换出的“电力”功率范围很大，可达到GW级及以上，小到W级及以下，电力电子技术是主要用来电力的变换，近年来电力电子技术在实际生活中得到了广泛应用，例如新能源发电、智能电网、电力牵引。

1电力电子技术的发展

电力电子学的发展历程表明，电力电子方面某种新器件的问世，会对整个电力电子技术领域产生重要影响。1946年晶体管诞生之后，逐步形成了固体电子学，电力电子学受此影响逐步发展建立起来。电力电子技术相关装置和器件的发展是相辅相成、互相促进的。装置依赖于器件，新的器件出现能开拓许多新的应用领域，做出新的装置；应用中出现的问题又对器件提出新的要求，推动新器件的研制。例如，只有半控型器件时，它用于整流比较成熟，所制作的整流器性能良好，但用于逆变器便带来技术上的复杂和体积庞大、成本昂贵等问题，而当自关断型器件出现后，这些问题就比较容易解决。而且新的电力电子器件和变换技术仍在不断出现，它们的应用领域也日益广泛。

2电力电子技术的重要作用

电力电子技术在国民经济和科学技术的发展中正在并将要发挥越来越重要的作用。

2.1提高和改善电能质量

在现代文明社会中电力是主要的动力源。由电厂发出送上电网的交流电(称为市电)一般电压和频率稳定波形为正弦，但用户使用的设备常使电网无功损耗增加；加上一些自然和人为因素，常招致电压跌落闪变、瞬时停电等，大量非线性故障负载的使用，使电网中出现各次有害的谐波波形，使电网发生严重畸变，已成为电网的一种公害，而采用由电力电子器件构成的各种控制器和补偿器则可有效地提高和改善电能质量。近年致力研究的柔流输电系统就是为了实现这一目标。至于建造经济性和技术性均优越的直流输电，将交流变为直流远距离输送再变换为交流市电，更是离不开电力电子技术。

2.2优化电能使用

优化电能的处理装置，力求电能的使用目标达到合理、高效、节约，实现电能最佳化发展。例如，在节电节能方面，针对电力牵引、风机水泵、轧机冶炼、工业窑炉、轻工造纸、感应加热、化工电焊等方面的调查，一般情况下节能效果可以达到10％～40％，国家已将许多节能节电的项目推广试用。例如作为与物质生产息息相关、以功率处理为对象的电力电子技术正成为缓解人类所面临的能源危机、资源危机和环境危机威胁的重要技术手段之一。

2.3改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业

特别是电力电子变频技术及高频化技术的进一步发展，使机电设备将传统的工频技术突破，转向高频化发展。使机电设备体积减小了几倍甚至几十倍，趋向高速化响应速度，并实现无噪音方向发展，从而实现最佳工作效率，提高了全新的用途及功能。

3电力电子技术在现实中的应用

3.1新能源发电

地球上的石油及煤炭储量不断在减少，环境污染在加剧，因此生态平衡的发展受到破坏。为了进一步缓解生态平衡的局面，当今的各国对新能源的使用引起重视。目前新能源发电方式不一，例如，风能发电、海水发电、潮汐发电、太阳能发电地热能发电、核聚变能发电等等。其中，太阳能光伏发电在上海世博会的开展上已得到投入使用，效果良好。此技术是目前我国规模最大、电力电子光伏型发电项目，同时也是世博会历史上发电技术中太阳能发电的最大规模投入应用。

3.2智能电网

智能电网，即是电网智能化，是建立在高速双向集成通信的网络基础上，经过领先的传感测量技术、操控方法及领先的系统决策技术的运用，可实现电网的经济、可靠、高效、安全性的发展方向。从实际层面来看，当今的智能电网虽比以前的更安全高效，但智能化程度并没有进一步的提高，因此智能电网仍是当前发展的必然趋势。智能电表是智能电网体系中的核心部分，依附于智能电表，电力行业相关部门可以了解到所有时间用户使用电能多少的具体情况。方便于电力机构根据居民的用电量来制定差异化的电费定价，协助用户优化电费开销及整体电能消耗。当今的智能化电网技术处于快速发展的阶段，其中风能发电、太阳能发电是智能化电网发电的重要组成部分。

3.3电力牵引

电力牵引是利用电能驱动动力为基础的轨道牵引技术。电力牵引电能来源由电力系统、发电厂等来提供，整个流程为：变电所电力系统发电、逐级降压、直流电变频为交流电、接触网等电力电子技术供电于电力机车组。能量转化过程为：电能（电力机车、动车牵引电动机等设备)转换成为机械能，驱动电动车组、城市轨道组、交通电动车辆组的正常运行。实现电力牵引主要由电源、牵引变电所、动车组等环节构成的电力系统来完成。

电力牵引需要增加供电系统装置系统，这是电力牵引的一个缺点，电力电子技术的电力牵引，其一次性的投资费用高于其它的动力牵引的投资费用。除此之外，电动机车的电力整流装置在供电线路上会产生负电流及不同频率的谐波，这对电电子电力系统的安全运行方面有一定的影响。谐波的存在及高电压接触面网及电力系统的回流网络信息不对称，将对最接行的电力系统、线路产生不同谐波的干扰信息，进而有可能导致通信的质量和人身安全方面的影响。因此，电力电子技术在今后发展过程中，应优先考虑运用先进的技术手段来扼杀电力电子牵引技术方面的缺点，使电力电子牵引技术趋向合理化发展。

总之，随着科技的发展。电力电子技术的现实应用越来越广泛，电力电子技术的生态平衡及环境上的问题和电力能源危机方面具有独特的特点，发挥着重要的作用，并且其运用潜力是无限大的。

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关键词：电力电子；电力特色；信息类专业

作者简介：唐忠（1964-），男，湖南武冈人，上海电力学院计算机学院，教授；江友华（1974-），男，江西南城人，上海电力学院计算机学院，副教授。（上海200090）

基金项目：本文系上海电力学院重点教改项目（项目编号：20111309、20111311）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）06-0070-02

电力电子技术就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，是一门应用于电力领域的电子技术[1]，也是电气工程及其自动化专业的专业基础课，更是上海电力学院培养学生具备电力特色的一门专业课程。电力电子技术如今已发展成了一门横跨电子、电力和控制三个领域的新型工程技术科学，该课程以其电路图多、波形图多、波形图复杂、实践性强等特点，给其教学提出了一定的挑战，尤其对于信息类专业学生，其自身电力知识体系不是很完整，去深入理解拓扑变换、器件开关物理状态、换流方式比较吃力，从而使信息类专业学生学习这门课程没有自信心，最终失去兴趣，使得教学效果不是很理想[2-3]。因此，在这种情况下既要培养出电力特色的信息类专业应用型电力电子技术人才，又只能利用有限的课时进行教学，就必须对传统的“电力电子技术”课程教学进行改革，即结合学生认知的实际和教学大纲对不同专业学生的要求，选择与之相适应的教学内容和教学难度，使不同学生对电力电子技术的认识都有一个提高，都能知道电力电子技术介绍的主要内容，但知道的细节和深度不同。如电气工程及其自动化专业学生需要熟悉电力电子拓扑变换、换流方式及原理、公式推导等知识，而对于信息类专业学生可以要求其不进行复杂的公式推导和知识的深入讨论、研究，只需知道结论和应用即可。

一、上海电力学院信息类专业人才电力特色培养要求

上海电力学院是一所电力特色明显的电力高校，被誉为电力工程师的摇篮。作为具有电力行业背景的高校，计算机与信息工程学院的信息类专业坚持“行业为背景、注重实践、培养能力”的培养理念，以“信息与电力结合，以信息为本，电力应用”为特色。图1显示了上海电力学院培养方案中电力知识相关课程的设置分布。

通过这一特色培养计划，上海电力学院信息类专业学生除了掌握信息领域中电子技术、计算机技术、信息技术、自动化技术等，还掌握了电工学科中关于电的生产、传输、变换、使用等内容，因而真正将“信息与电力结合，信息为本，电力应用”。而电力电子方面的知识是这一特色培养计划及其知识结构不可或缺的组成部分。开设电力电子课程时，同时又要根据信息类专业内涵及培养结构体系，着眼点在控制，授课重点在于电力电子器件及电能变换的控制、信号的检测、保护与数据处理等，主电路变换及拓扑、器件选型等强电知识作为熟悉、了解内容，知道的细节和深度不需要如电气工程及其自动化专业学生那样，这样学生将有更多精力投入到其自身专业背景与知识点，而不必纠结于强电中的功率流换相等复杂的拓扑分析中，从而弱化这门课程的难度，学生会更加有信心学好这门课程，既熟悉了电力相关知识及背景，又加深了信息类控制技术的应用。

二、信息类专业“电力电子技术”课程人才培养方法探讨

信息类专业重点在于弱电及控制，在学习电力电子专业课程时，应该回归本位，把学习重点放在弱电及控制原理，把难于理解及复杂的强电拓扑进行弱化，通过给学生讲解电能变换原理，然后让学生利用所学“DSP原理”课程知识进行编程，产生出电能变换中所需要的脉冲，至于实际的强电变换结果则通过PSIM软件进行仿真。

1.利用多媒体课件生动、直观地展示电力电子拓扑及原理

近年来，多媒体教学逐渐代替了板书成为主流课堂教学手段，有效地利用多媒体手段展示不同电力电子器件开关状态下电路拓扑结构，可将枯燥的分析变得生动[4]。如在讲解晶闸管整流电路时，对于信息类专业学生，重点不在于每个拓扑电路电流分析，而在于其不同触发角所对应的直流电压，触发脉冲如何产生等。图2所示课件中，点击显示波形，电压和电流波形将动态地显示出来。电路电流和波形显示结合起来，有助于学生掌握触发角、移相范围等概念，同时也有助于学生更好地分析和掌握电路。

2.利用PSIM电力专用仿真软件加强信息类专业学生培养内涵

利用多媒体方式的课题教学只能授予学生理论知识，无法提高学生的工程实验能力和创新能力，这样的教学模式也无法培养出满足市场需求的高素质创新型人才。尤其对于“电力电子技术”这门课，其综合性、应用性和实践性都很强，要想让学生真正学好这门课，有必要给学生提供自己动手进行实践的软件和硬件环境，激发学生的主观能动性，使他们利用现有条件，在“电力电子技术”课程的实践学习中，提高自己综合分析和解决工程实际问题的能力，提高自己的创新能力和就业竞争力，满足人才市场日渐增长的需求。因此，必须要增加大量的实践、实训教学环节。

但是电力电子技术实验所涉及的都是功率器件、三相电源、示波器等。这些设备费用高、实验所花时间太长，且危险性大。利用PSIM电力专用模拟工具代替实际元件在计算机上进行仿真，既不担心元器件损坏，也没有任何危险，具有直观易懂、改变参数容易、精度高和重复性好等特点，学生完全可以在无人指导的情况下，在计算机上自行完成电力电子线路仿真实验[5]。更为重要的是，对于信息类专业学生，不用去分析主电路变换及拓扑、器件选型等强电知识，只需要从库模型中直接拖出，使其不必纠结于强电中的功率流换相等复杂的拓扑分析中，把学习重点放在弱电及控制原理，有利于对所学理论有深刻的理解，而且新的思路和想法可以立即通过仿真加以验证，可促进学生创新能力的培养。这样激发了学生的学习兴趣，提高了学生发现问题、解决问题和实际动手的能力，起到事半功倍的实际效果。比如在讲解电能变换中的逆变器章节，信息类专业学生只需要了解主电路工作原理，重点在于逆变器的控制及SVPWM信号的产生，如果通过设计实际控制电路来完成，效果不佳。因为所用时间比较长，且学生水平及经费受限，因此可以利用PSIM仿真软件来建立SVPWM模型，如图3所示，其为SVPWM波的产生模型。

3.实际效果分析

通过采用新的教学方法及手段，信息类专业学生在学习“电力电子技术”课程后，其理解深度及体会均得到提高，具体实际效果可从表1对照看出。通过改进教学方式，学生对“电力电子技术”课程内容理解力加强，表现在作业的正确率得到提高；做实验时，实验设备损坏率降低，其主要原因是学生在做实际实验时，先通过PSIM软件进行模型搭建，并分析其各点波形，理论通过后，才允许进入实际实验室进行真实物理模型实验，这样学生在做实验前就已经对实际实验有所了解，设备损坏也就减少，同时其建模速度也得到提高。

三、结论

电力电子技术是对电能进行变换和控制的技术，是电力学院培养学生具备电力特色的一门专业课程。可以把它看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。计算机与信息工程学院属于信息学科，侧重于弱电及控制，因此授课重点在于电力电子器件及电能变换的控制、信号的检测、保护与数据处理等，主电路变换及拓扑、器件选型等强电知识作为熟悉、了解内容，这样学生将有更多精力投入到其自身专业背景与知识点，而不必纠结于强电中的功率流换相等复杂的拓扑分析中，从而弱化这门课程的难度，学生会更加有信心学好这门课程，既熟悉了电力相关知识及背景，又加强了对信息类控制技术的应用。

参考文献：

[1]王兆安.电力电子技术(第四版)[M].北京:机械工业出版杜,2008.

[2]梁永春,闫彩红.“电力电子技术”课程立体化教学方式探索[J].中国电力教育,2010,(31):63-64.

[3]陈新河,杨汉生,鲁业频.实用型电力电子技术教学[J].巢湖学院学报,2010,(6):140-144．

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【关键词】 教学设计；电力电子技术； 教学效果

【中国分类号】G640【文献标识码】B

作者简介：刘福鑫（1979-），男，南京航空航天大学自动化学院副教授，主要从事电力电子、电气工程方面的教学和科研工作。

1 引言

电力电子技术是一门横跨电子、电力和控制三个领域的新型工程技术学科，对培养高水平应用型电气工程和自动化专业人才起着非常重要的作用。本文将结合我校电力电子技术课程的教学研究与实践，对于研究性大学中本科阶段的电力电子技术课程进行系统的教学设计。

针对教学设计的概念，归纳起来主要有以下几种观点。以美国加涅为代表的学者提出教学设计过程说[1]，他认为教学设计就是规划教学系统的过程，该过程包括分析教学目标、寻求优良的教学方法、合理配置教学资源、精心设计教学规程以及评价学生学习结果等若干内容。一部分学者认为教学设计是研究教学目标、制定决策计划的教育技术学科[2]。还有部分学者采用程序的概念来解释教学设计过程，他们提出教学设计是在研究教学问题和需求的基础上，确立解决教学的方法和步骤，并对教学结果做出评价的整个过程及程序规则[3]。

在总结上述学者对教学设计分析、归纳和概括的基础上，结合作者多年电力电子教学经验，本文根据教学设计概念和具体电力电子教学特点，深入探讨良好的教学设计对教学效果的作用和影响。

2 教学设计主要作用

1） 教学设计可以帮助教师系统化地设计教学要素

教学设计中所涉及的教学要素主要包括教学内容、教学媒体、教师和学生等，这些要素之间的关系如图1所示，即教学设计中的教师和学生是两个中心点，教学最终目的是将教师头脑中的知识传授给学生，而教学设计则是为了提高这种教学传授的效果所进行的课程教学设计和课堂教学设计过程。针对电力电子教学特点，作者对教学设计的4个主要要素进行了相关设计，主要内容如下：

a. 教师

建设青年教师为主、中年教师为辅的课程教学团队，充分发挥教授的示范带头作用，重点加强青年教师培养，努力提高青年教师的业务水平，特别是对教龄1-4年的青年教师，制订详尽的成长方案和发展计划，使优秀的青年教师能脱颖而出，尽快成为教学业务中的骨干。

图1 教学要素间的关系

b. 教学媒体

多种教学媒体综合运用。在设计教学课件时可尽量引入实时动画以模拟各种电力电子变换电路的工作原理，课件要做到直观性强，表现手法简单明了，图文并茂。同时采用视频、仿真软件等辅助媒体工具开展教学，对性能各异的教学媒体进行优化组合，使其在教学过程中交互应用，扬长避短。

c. 教学内容

根据电力电子教学特点，作者设计了如图2所示的教学内容。其中将基础知识和最新进展结合起来对电力电子技术进行延续性的介绍。在讲授电力电子基础知识时结合点、面广泛却又不乏侧重点地讲解电气技术专业知识。在全面介绍电力变换技术的基础上，重点讲解不同电力半导体器件所构成的各种典型功率变换电路，让学生熟练掌握各种电路的构成和工作原理，计算元器件参数并合理选择元器件，并最终达到运用课堂所学知识进行相关设计目的。

图2 电力电子技术教学内容组成

d. 学生

在教学设计中加入以班级或者项目小组为单位的群体学习内容。给群体一个题目，以群体的形式布置任务、查找资料、讨论问题，通过群体的协作讨论出解决方案。

2） 良好的教学设计可以提高课堂教学质量

良好的教学设计通过分析、设计、组织和优化课堂教学内容从而达到最大限度发挥课堂教学效果的目的。精心设计的教学过程不仅可以将更多更好的教学内容展现给学生，培养学生的学习兴趣和学习能力，而且有助于节省学生的学习时间，减轻学生的学习负担，达到更好的学习效果。课堂教学实践证明，经过教学设计后的教学效果明显优于未经过教学设计前，学生能够快速了解该课程需要学习的相关内容以及本节课需要解决的重点问题，不仅可以提高教师“教”的教学质量，也能明显地提高学生“学”的质量。

3） 良好的教学设计可以更好地调动学生的学习积极性

良好的教学设计可以帮助教师充分地发挥其角色作用，从而更好地调动学生学习积极性。作者在电力电子教学中以“学”为中心，以成就动机为驱动进行引导学生自主学习的教学设计。将教学内容与生活实际紧密结合，让学生发现电力电子技术在日常生活中的广泛应用，并指导学生采用课堂知识解释日常应用中的现象，引导学生主动思考并探索电力电子技术的发展，达到激发学生学习兴趣和积极性的目的。

3 教学设计对教学过程的影响

教学设计的目的是为了达到更好的“教”与“学”的双重效果而合理配置教学资源、精心设计教学程序等的过程，其内容可以概括为确定教学目标、选择教学策略和教学方法、评价教学效果等方面。这些内容对课堂教学过程会产生一定的影响，而一个良好的教学设计应该影响到课堂教学的以下几个方面。

1） 引起学生注意并激活原有知识

在进行教学设计时，教师除了应该对教学相关要素进行分析外，还要注意一些教学关键环节的设计，这些关键环节包括导入阶段、授课过程中课堂氛围的控制等。作者在电力电子教学中采用在课堂开始阶段提问的方式让学生回忆已经学习的知识，或者是引出这堂课需要讲解的内容。例如向学生询问他们认为电力电子技术在我们的日常生活中的体现，使学生了解电力电子技术的发展现状及电力电子技术在国民经济中的重要作用，这样不仅能扩大学生的视野，而且进一步增加他们对电力电子技术的理解。

2） 帮助学生学习新内容

作者采用互动教学法与问题教学法相结合来帮助学生学习新的内容。在课堂上，教师不能仅仅以一个讲授者的身份出现，而是应该以知识引领者的身份出现。这就要求在教学过程中互动不仅体现在学生与学生之间，或者是教师与学生之间，而且应该体现在教学参与者与实际行动上的接触与交往。具体而言，即在教师的指导下，让学生积极地参与资料查找、材料分析与调查研究，并在此基础上自己尝试从中温习旧的知识，学习新的知识。

3） 帮助学生练习所学知识

为了在教学课时有限的情况下达到满意的教学效果，作者采用了多种手段来帮助学生练习在课堂上所学到的电力电子知识。经常采用的方式之一是将习题和例题的讲解穿课堂中。通常作者会在每一基本概念知识点后插入一两道典型例题，在每章结束后插入综合应用题或者实际工程问题，通过这样的方式来促进学生即刻思考和复习所学的知识。有些时候作者还会采用通过问题解决进行知识练习的方式，即针对某些概念进行探索研究活动，这种情况下需要学生围绕问题情境进行一系列的知识练习过程。

4 评估教学效果的作用

教学的最后一个环节就是评价，即对教师教学的验收阶段。在进行教学设计时同样应重视这一环节。教师做好教学评价设计，既是检验自己教学水平的表现，也是对学生负责任的表现。

1） 通过评估了解学生的学习结果

本文采用的了解学生学习结果的评估方式是，在重要的课题内容阶段性结束后进行课题口头提问式的考核，或者是随堂抽查若干个同学观察他们的知识吸收情况，有时候还布置一些课后题目，或者通过专门的答疑时间和练习课发现学生学习中存在的问题。这样可以随时把握学生的动态，也了解自己的教学还有哪些疏漏，继续保持良好的教学方法和内容，及时修正有欠缺的部分。

2） 通过评估强化教师职责

作者所在的高校采用的教学评价是从学生的角度出发，让学生参与评教。通过给任课老师各方面的数量化评价来反馈学生对教师的意见。同时从学校管理部门来说，教学院长经常督促每位老师的教学，并且教学督导组也定期抽查老师的课堂效果。这样通过双重的检验来增强教师的教学责任感，并促进教学的发展。

5 结语

良好的教学设计是提高教学质量、改善教学效果的有力保证。本文结合电力电子技术课程特点和作者多年教学经验，详细阐述了教学设计对电力电子教学效果的作用和影响，研究结果和评估结果表明，经过系统化的教学设计，可有效激发学生的学习兴趣，强化相关知识的理解和掌握，达到更好的“教”与“学”的双重效果。

参考文献

[1] 盛群力，李志强. 现代教学设计论[M]. 杭州：浙江教育出版社，1998.

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提出用户用电技术这一概念的是来自美国的N.G.Hingorani博士。其主要内容是：将大功率的电力电子技术与配电自动化技术相结合，以用户对电能质量以及电力可靠性要求为基础依据，为用户配置所需要的电力。其目的是，通过这种技术使用户供电可靠性进一步增强达到不断电，并对电压进行严格的调整。该技术的核心是可以对供应电力进行严格的控制及变换，并能达到用户对电力安全、经济并可靠的要求。要想完成这种控制和变换，关键是研制出具有特色的电力电子器件并有效的控制电路。

2.我国电力工业面临的挑战

2.1电力供需矛盾难以缓解：众所周知，一个国家的人均GDP是与人均能耗紧密相关的。因此，我国想要在下世纪中期成为发达国家的愿望，也必须依靠人均GDP的提高来实现，而人均用电量和用电水平的增加也是必然的。我国的人口增长速度与现代化进程都使我国对电力需求不断增大。按照设计规划，在2050年的我国发电装机应该超过15千瓦，也就是相当于比目前我国现有的装机净增13亿千瓦以上，但是按照目前我国的电力模式来看，要达到这个目标是完全不可能的，因此必须要探求新的发展途径。

2.2有限资源的制约日趋严重：我国已在去年成为石油进口国，不能单指望石油发电。而水电可发容量还达不到3、7亿千瓦，根本无法满足当下用户的基本供电需求。因此在很长一段时间内，煤炭还是我国主要的一次能源。但燃煤生产所造成的环境污染相当严重且处理起来困难，同时，我国煤炭资源也在日益减少，这一现象也是制约电力发展的一大因素。

2.3用户对电网的可靠性和电能质量要求不断提高：随着社会的进步，人们生活水平不断的提高，对电力供应的可靠性及电能质量的要求越来越高。尽管近些年的现代电网的设计和运用技术都得到了较大的发展，但依然无法完全避免各种电网瓦解、瘫痪事故的发生。例如1996年美国西部的大停电事件及马来西亚全国大停电事件都对该国家带来了极大的不便且造成了巨大的经济损失。因此为了满足用户的要求，一定要增加输电和配电系统的可靠性。

3.用户电力的主要技术

3.1用户配电系统的测试与评估技术：该技术的主要内容有以下四点：

3.1.1对网络进行阻抗，对各母线的短路电流及短路容量进行计算。

3.1.2对各供电节点、供电电压质量限值，各个用电负荷对供电系统的干扰限值计算。

3.1.3对供电设备进行电磁兼容、电杰运行、安全运行测试评估。

3.1.4为用户电力技术问题提供解决方案。

3.2电能质量控制技术：该技术主要是通过电压源或者电流逆变器，来控制配电系统的传输能力及供电质量，并由此来提高供电质量并使其到达一个全新的水平。

3.3固态开关技术：电力技术的不断发展使配电系统的容量日益增大，因此对开关的开断能力也有了更好的要求，而我国现有的机械开关明显难以满足以上需求。因此，拥有卓越能力的固态断路器备受关注。目前美国已有公司研制出了这种固态开关并且将它应用到了变电站中。

4.用户电力技术的未来发展前景

4.1动态的电能质量调节技术：该技术主要是在电压源或是电流源型逆变器的基础上，控制配电系统的传输能力以及电能质量的速度，这一技术能够使供电质量的水平得到有效的提高，并且能使电力工业成功的实现市场化。这项技术主要包括了串联式的用来补偿电压跌落、不间断供应电源内容。

4.2超导储能以及其能力变换技术：现有的各种新能源的开发和运用，大多数都需要经过电力电子装置等设备将其的非同步电能转换为同步三相交流电能。超导储能也就是SMES，是一种较为特殊的新型能源，具有诸多的优点，如将其用于电力电子的能量变换技术中，一定会对其他的新能源起到重要的借鉴意义。SMES具有转换效率快且高、储存能密度大、可四象限运行、吐量大等特点，十分适合帮助电力系统进行功率调节，特别是在那种能源分布不均衡的地区，SMES技术的运用能大大改善当了的电力电子技术中存在的问题。

4.3固态断路器：固态电路器的研发对现在我国的电力电子也有非常重要的意义，它能满足当代用户对供电质量的要求，早日将这种技术用于实际，我国的电力电子业中存在的问题也会大有改善。

5.总结：

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传统教学存在的问题分析

电力电子技术作为工程技术需要有一定量的实验和实践环节才能保障学习效果。但在传统的“电力电子技术”课程实验项目中，基础性和简单验证性实验较多，不能很好地与当前的工程实际应用相联系，致使许多新技术、新方法无法通过实验来直观的体验。而且电力电子实验设备的常用形式为基于挂件结构的实验台和实验箱，基本上与实验内容相关的重要元器件、电路和系统都被封闭于内。实验过程中，学生们无法看到功率元器件、配件及电子仪表的外观和关键连线。学生依照原理图机械地连接主电路、记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，也能较顺利地完成实验。因此，无法发挥学生的主观能动性，没有探索学习的动力，锻炼创新思维和动手能力的教学内容和平台也不足。

课程教学改革措施

作为地方综合性高校，南通大学的电气工程及其自动化专业的定位是培养应用型工程技术人才，为区域经济发展提供智力支撑和人才支持。因此，本课程作为电气工程及其自动化专业的主干专业课程之一，其教学目标的确立需结合本区域的产业分布与发展特点，同时又紧紧围绕本专业的学科方向。形成了以帮助学生从装置和系统角度理解和掌握电力电子技术，培养理论与实践能力兼具的创新型电力电子应用技术人才为目的，以新能源、运动控制、电源技术、柔流输配电等应用领域为背景，以讲授电力电子技术在实际工程应用中所需要处理的相关问题为主要内容的课程教学思路和培养目标。

根据培养目标，在学院学科特色和现有教学资源的基础上，对课程体系和内容进行了合理调整。舍弃了传统的以大篇幅晶闸管半控器件分析为主线的教学内容体系，建立了“以基于全控器件的实际应用为主线，以电力电子主拓扑电路结合系统级的自动控制原理及其实现电路分析为主要技术内容，培养学生从整体的角度认识和设计电力电子电路的能力”的课程教学体系。整合后的教学内容由三部分组成：功率器件、典型电路、应用及其系统。功率器件是基础，重点讲授开关全控器件及其驱动电路；典型电路是主体，重点讲授基于全控器件的直直、逆变和整流三种变换电路及其控制机理；应用及其系统是提升，重点讲授电力电子在新能源发电、运动控制、电源和柔流输配电技术中的应用原理及其典型系统设计案例。三者层次明晰，但学时又有所侧重。即前两部分作为前续“电力电子技术”课程内容的回顾与拓展，讲授学时占总理论学时的近一半，第三部分作为工程应用与系统提升的重要部分，需着重讲授，以逐次勾勒出一个电力电子技术及其工程应用的整体全貌。在教学内容的组织与讲授中，凝炼理论教学的内容，在原理的讲授中注意培养学生面向工程的意识和思维，并及时动态地将教学团队获得的最新科研成果以及科研项目的最新进展融合到相关的课程内容中去，让学生接受到来自科研和工程研发第一线的新知识、新技术。另外，针对基于电力电子技术应用的电气工程及其自动化专业发展的趋势和前沿内容，以及课程中被压缩掉或被取消的专业知识，设置为系列课外专题讲座，聘请对专题内容有深入研究和独特造诣的教师及企业的科技人员讲授，以开拓学生的知识面、培养学生理论联系实际的思维及能力。

课内实验是在课堂教学的基础上，巩固理论知识，培养动手能力和初步设计技能，增强解决问题和分析问题的能力的必要教学一环。为了突出课程的工程实用性，采取了优选验证性实验，增加了设计型和综合型实验项目的课内实验设置方法。注重电路的工作机理分析与工程实际问题是验证性实验项目的选择标准。优选的该类实验项目包括：常用PWM控制器件及特性、不控整流的谐波与抑制、SPWM/SVPWM/方波PWM逆变策略的实现电路及特性等。注重工程实用性是设计型和综合型实验项目的选择标准。我们要求学生们对该类型的实验项目遵循“理论设计计算—>计算机仿真验证—>硬件实验电路测试—>波形数据分析总结”的顺序开展路线，以强化学生对知识点的掌握和实验内容的理解，并促进学生形成理论联系实际的科学实验作风。增设的实验项目包括：各型升/降压直直变换器设计、有源功率因数校正器设计、谐振软开关设计、三相高频PWM整流器设计，以及他们的复合系统设计等。课内实验项目设置为必修和开放式的选修两类，以弥补实验授课学时不足的矛盾，同时采取“案例讲解法”、“实物演示法”等不同的教学方法，在实验课上认真讲解实验内容、步骤和注意事项，以激发学生兴趣，调动其积极性。此外，应改革课内实验成绩的评定方式，突出对实验过程的考核，鼓励探索性的设计型实验。具体措施包括增加课内实验在课程总成绩中的权重，增加实验预习报告、实验操作测评、实验过程问辩三方面的成绩考核项等，通过确立科学合理的考核方法，调动学生自主学习的积极性，形成务实的学习风气。

课程设计是对学生工程设计和应用能力、创新意识和创新精神培养的重要环节，其课时安排在全部理论课程讲授完毕后进行。该实践环节依托于以现代电力电子技术与运动控制实验室为主体，以工程训练中心、控制电机、虚拟仪器、风力发电动模实验室等其他专业实验室为辅助的课程设计开放式创新训练实验平台。[3，4]课程设计内容以学生熟悉并感兴趣的热点工程为背景，从南通大学电气工程学院专业与学科特色以及科研项目中，提炼出其中典型的技术问题，设计出合理的课程设计项目。可选的背景包括：风力发电、光伏发电、精密电机伺服驱动、电力无功与谐波控制、磁悬浮控制、特种电源等。其中的典型技术问题包括：整流、正弦逆变、直直变换、Delta逆变、闭环自动控制、检测技术等。针对少部分优秀学生采用“导师制”的课程设计教学方法，通过细致的指导，紧密的设计过程跟踪，来进一步提高课程设计质量，并促进这部分学生研究性论文、专利、小制作等方面成果的形成。针对大部分学生采用“项目驱动教学法”的课程设计教学方法。学生以小组为单位，在选题库中自由选题，利用书刊、网络查找相关资料，自主形成完成项目的各种设计思路，以培养学生独立思考问题、解决问题的能力。通过课程设计的锻炼，使学生将书本上的理论知识和实践经验真正融入了自己的知识链，提高了其综合能力以及自主创新和团队协作能力。#p#分页标题#e#

网络教学是弥补课堂教学学时局限，开拓课程学习的知识面，引导学生开展自主性学习，提高人才培养质量的重要途径。课程组以校Blackboard网络教学平台为基础，通过长期投入、持续积累、动态跟踪的建设方式，建立了课程的网络辅助教学平台。网站的教学材料提供了与课程相关的丰富的资源，内容包括教学资源库（课程教学大纲、多媒体课件、实验指导书、数值仿真实验例程、实验设备操作视频等文件）、参考资源库（经典学术论文、典型芯片和模块的使用手册、常用仿真软件说明、典型应用设计案例、产业趋势和研究热点等信息）、复习思考题库等版面区。此外，课程组充分利用Blackboard网络平台的交互功能，完成诸如教学信息、在线电子试卷测试、远程答疑和讨论等教学工作，提高了教学的效率和效果。

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结合几年教学实践和CDIO工程教育的特点，对原有的教学模式进行了改革，将授课内容中规律和特点并加以灵活利用，引导学生采用发现学习和掌握学习等创造性学习方法、加强理论联系实际;从系统角度、实践角度出发建立了一套适合于“电力电子技术”课程教学的教学体系。

教学思路

在明确教学目标的基础上，首先，教师一定要意识到，兴趣是最好的老师，兴趣是学习的动力和源泉。只要通过有效的兴趣培养和教学方式，就可以让这些学生达到甚至超过自己的水平。以科研的态度和精神贯穿于教学之中，让学生在“学生做”和“做中学”激发课程学习热情。鼓励学生走上讲台，敢于大胆走进实验室;敢于向老师发难，以“我”为中心，全然不顾“名家颜面。

其次在教学理念上，以发展学生思考能力为本，结合课程实验和教师现有的课题进行实践，建立系统设计理念，通过对主电路和控制电路、保护电路、检测电路同时分组进行设计。CDIO强调以熟悉产品研发的生命周期为工程背景的

“做中学”的学习方式，这不是对教师主导作用的弱化，相反对教师在整个教学活动过程中的掌控能力、自身的知识水平提出了更高的高求。“教师”兼为“导师”，实现学生在知识获取过程中的地位由“被动”到“主动”的角色转变:学生在教师指导下积极、主动地参与实践，从独立学习转向合作学习;从深层次角度讲，就是大学中“物质教育”与“自由教育”的转变。在探索、实验和应用中行动上给与相当的灵活性，这样可以唤起学生的好奇心，使其热切地寻求有助于解决问题的知识，同时又具备相当的实行工具。学生所具有的创造性的和富有想象力的远见都将发挥作用，并能控制其冲动和习惯。他自己的目的就能指导他的行动。

再次，就教学方法而言，坚持把工程科学基础和工程专业知识紧密地揉合在一起进行教学，学生仍然需要坚实的科学基础。在讲述定理、结论时，要注意理论基础与专业知识的结合。除了应用高等数学和大学物理分析内容的机理之外，还要讲定理、结论的提出背景、前提条件以及应用情况和近展状况等等。在教学手段上注意应用现代信息技术，如多媒体动画和系统仿真技术。熟练的、精心的准备过的课堂讲授仍然是最有效的学习和教授经验。

最后，在重点和难点教学模式上，采用项目或者案例教学模式，基于问题解决模式的模式;教师引导学生效仿教师、专家学者做项目的方法，如专题研讨、方案和技术设计、仿真模拟和实验操作等，探索并解决课程内容相关工程应用中的现实问题;培养学生发现问题与综合分析问题的能力。因此恰当地设计题目是项目教学法运用成功的保证，既不能太难，让学生望而却步，又不能太简单，没有挑战性。这要求教师平时有一定知识积累。“电力电子技术”实力较强的几个院校的积极尝试为我们提供了较好的参考。浙江大学将“功率因数校正实验”等部分实验项目列为创新设计型实验，由学生自主设计实验内容和方法，提高学生创新能力。哈尔滨工业大学以直流脉宽调速系统驱动电源的设计为课程设计的主要内容。南京航空航天大学开发了“软开关逆变电源实验装置”课程设计教学平台，以此设计若干个课程设计题目。中国石油大学选择反激式开关电源为课程设计题目。这些题目既紧密联系书本知识，又有创新的空间，值得借鉴。

实验教学在方式上注重启发，引导学生积极参与实验设计的同时;在时间和内容安排上注意了验证实验、仿真实验和综合设计实验的循序渐进。在实践平台装置的设计上，注意

“先进性、实用性、开放性、安全性”的特点，满足基础型和综合设计型的实验教学和实践活动的要求。使学生既动手又动脑，丰富工程实践知识，培养学生的创新能力和综合能力。同时学生小组成员之间密切协作和互相配合，锻炼学生的责任感和协作、互助的团队精神。

教学案例

以“电力电子技术”内容直流一直流变流技术为例。首先，教师备课时要把自己想象成学生，想象二下学生的已知与未知，研究学生认知与情感发展的需求，要想到学生在课堂教学过程中可能有的变化，从而使备课活动不再是琢磨怎么讲能讲得清楚、透彻、到位，让学生听得懂、记得牢，要注重的是课堂上学生怎么学、怎么动以及为了实践活动的有效开展，激发学生的学习兴趣，如何点起学生创新的火花，促使学生生动活泼地参与，使课堂教学丰富多样，把课堂真正还给学生。引言部分如讲到buck变换器时，先介绍变换器的背景。授课时，按照“识电路”“画波形”“会计算”“输出（电压或电流）控制”四部曲进行。显然，第四部曲是压轴大戏。buck变换器的电路原理图如图1所示，先讲每一个功率器件的工作原理。再从有源开关V导通，到无源开关VD因反偏而截止，再到输出滤波电感储能（或励磁），并向负载提供能量；反过来从有源开关V截止，到电感电流不能突变。故使无源开关VD正偏而导通，此时电感电流经二极管续流，其储存的能量继续供向负载，并由输出电压对其进行去磁。输出滤波电容作用：主要用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。内容强调讲稳态关系和特征。buck变换器的特征公式如式1所示，让学生对比以前学过的理想变压器的特征公式，说明为什么buck也叫“直流变压器”。第二部曲是利用多媒体动画技术演示功率器件开通和关断时电路的电流流经路径和主要物理量的波形变化情况。采用MATLAB仿真时所得的波形与课本的波形进行对比，反映了理论知识的现实性。同时对比图1（b）、（c）图，对电流下降及上升的原因及“断续”和“连续”概念结合高等数学中“连续”的概念不一样的地方进行辨析。当改变参数使得仿真结果变化时，也能通过理论分析与仿真调试，使输出达到理想状态。第三部曲讲授在已知输入电压范围、负载电流范围和给定的输出电压下，利用获得的稳态关系，可以方便计算buck变换器的开关占空比范围，从而来计算buck变换器中的元器件电压稳态应力、电流峰值、电流平均值和电流有效值。在讲第四部曲即“输出（电压或电流）控制”时，学生不易明白也看不到。有些内容理解不够具体，如何控制实现的疑问产生。此时重要的是培养学生有精细、认真、穷追不舍的态度和敢于提出问题、勇于解决问题的创新精神。学生参与设计教师的100V/600A大功率开关斩波恒流源科研项目，共分四组，每一组完成一个功能设计调试或仿真。第一组学生设计不控整流部分的电路结构如图2所示，具体参数：滤波电抗为1200A/0.71mH，整流二极管600A/1600V，铝电解电容0.3F/400V。第二组学生参与斩波电路设计，设计的斩波电路图如图3所示。通过计算得出电抗器1200A/300μH，C2电容大小190μF/400V。阻容吸收单元选择电容C3为80μF/450V，选取电阻R1为10Ω。IGBT模块2MBI1200U4G-120，驱动模块在教师的指导下选用瑞士CONCEPT公司的IGBT驱动模块2SD315A，该驱动模块集成智能驱动、自检、状态反馈、隔离等功能于一身，能够驱动1200A/1200V的IGBT。有的学生还画了驱动电路图。第三组学生设计了基于TMS320F28335DSP作为控制回路的核心的数字PI调节器。学生在CCS集成开发环境下编写的数字PI调节器，在软仿真下可以明显看到给定变化引起PWM脉宽的变化。第四组学生负责基于MATLAB下仿真。在实际设计中，学生体会到了控制环节如何闭环、控制量如何检测，控制算法如何实现，控制信号如何发出，能量流动必须要有电动势以及流经通路等等。学生们主动、积极利用老师的科研项目，构思、设计、调试以及实验。教师注意发挥激励和导向作用，注重肯定、赞赏学生的点滴进步，让学生感受到成功的欢乐，心中唤起自豪感和自尊感。当设计或实验受到目的的指引，进行时还有措施和方法时，试验就变成合理的了。此外注意事实的分析和重组是增进知识、增长解释能力和正确分类的能力所不可缺少的。总之，“CDIOInitiative”是一个资源开放、宽松自由、包容性强的改革计划。

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关键词：电子技术，软件工程，技术创新。

0引言

电子技术与软件工程这类高科技发展的产物，在国内各个领域被广泛地应用，尤其是在电力系统和计算机领域当中，电子技术及软件工程的应用帮助其取得了良好的发展成绩。就目前情况而言，国内的电子技术与软件工程虽取得了较大的发展成果，但与国外某些发达国家相比，我国的电子技术与软件工程领域还是处于落后的状态，因此，加强对电子技术与软件工程的应用分析尤为重要。

1电子技术与软件工程

电子技术作为现代社会科技发展的创新产物，在国内工业领域、医学领域、航空领域等多个高新技术领域均被广泛应用，并已经成为促进各领域发展的主要力量。电子技术主要应用于解决某些电力设备存在的某些问题，包括信号处理、改善电路问题等，是集合了电子学与电力学的综合性学科。电子技术研究主要是指对电子电力元器件的研发与应用，其中半导体器件就是典型的应用电子技术研发的电力元器件。我国的电子技术起源于1950年代末，当时电子技术还是以整流器为主，包括电解、牵引和直流传动等。1970年代，随着世界范围内的能源危机爆发，传统的整流器件已经不满足当时人民对电力的需求，因此，变频调速技术应运而生，大功率逆变用的晶体管、晶闸管的大量使用标志着我国正式步入逆变器时代。1980年代中期，整流器技术与逆变器技术由于工作效率低，已不能满足电力飞速发展的需求，当时的集成电路技术发展迅猛，相关领域研究人员将高压大电流技术与集成电路技术进行了整合，MOSFET与IGBT的相继问世，将传统的以低压变频处理技术为主流的时代逐渐转化为以高压变频处理技术的时代，变频器时代的到来帮助了电子设备实现小型轻量化、智能化与一体化，同时也为我国从传统电力电子学转向现代电力电子学的转变奠定了坚实的基础。因此，电子技术这一学科成为国内高校教育的重点关注对象。软件工程其实是计算机领域中的学科，但由于发展较好且应用领域较广。如今，软件工程已经成为计算机领域中的一门独立的学科。国内电力行业、工业行业等众多领域均会利用软件工程，来帮助完成日常工作，软件工程不仅能为企业单位节省一定的人力资源、物力资源，还能够大幅度提高工作效率，同时还能促使日常工作的正常进行得到保障。目前，软件工程最常见的便是计算机系统，包括软件的开发、电子邮箱等。软件工程这一学科的主要内容是软件的开发与软件的管理，就目前情况而言，软件工程已融入当今社会居民日常生活中的各个方面[1]。

2电子技术与软件工程的应用

随着电子技术的发展，国内诸多高校均开设了电子技术专业学科。在国内电子技术专业当中，电子技术在新能源发电及电气节能领域中的应用一直是高校学习的重点对象。在过去的几年内，我国不可再生能源在城市化建设进程中的过度开发，致使国内煤炭、石油等资源接近干枯，面对着全球范围内的能源危机，将电子技术应用于新能源开发的领域中，改革了传统的发电方式，利用风力发电系统进行发电，将传统的不可再生能源煤炭等替换为可再生能源风力，从而解决了能源危机给我国电力系统发展带来的影响。同时，光伏并网发电系统的应用也在一定程度上提高了电能质量，同时也提高了发电系统的稳定性[2]。在现代化城市建设的过程中，不仅需要加快经济、社会、文化的建设，还需要实现现代化城市建设与生态环境共同发展，而节能环保就是保护我国生态环境的一种重要手段，其中，电气节能就是节能环保的重要组成部分。电气节能主要是利用变频调速技术来提高电气设备的运行稳定性，同时提高电机的运行效率，并在一定程度上节省了电气设备的功率消耗[3,4]。软件工程的应用。目前，虽然我国软件行业的规模并不大，但软件行业的发展前景是非常可观的，因此，我国高校还是需要注重软件工程专业的开设与教学。总体而言，现阶段我国高校软件工程专业的主要学习内容还是以构建软件模型及使用软件的应用程序为主。构建软件模型是使用软件的基础，由于软件工程本身具有一定的复杂性，因此，在学习构建软件模型时，一定要注重模型的科学性与合理性。在构建软件模型之前，需要掌握软件工程技术的应用特点，真正理解软件工程技术，同时了解系统的实际运行情况及实际使用功能，才能确保所构建的软件模型能够投入到设备系统当中去使用。软件工程专业的学生还是以学习使用各类软件技术为主，而这就要求在使用前，学生一定要掌握软件的使用要求，明确软件的使用目的及作用，了解系统软件与应用程序之间的关系，进而才能够促使学生熟练掌握所学软件的技术应用。电子技术与软件工程应用发展分析：（1）注重人才的培养。无论是哪一个领域，人才的培养都是国家与社会的重点关注对象，尤其是电子技术与软件工程这种高新技术产业，只有加大人才培养力度，才能够促使越来越多的优秀大学生加入技术研发当中，进而促使国内电子技术及软件工程得到进一步发展。因此，我国高校需要加大对电子技术专业与软件工程专业人才的培养力度，学生除了要主修公共基础课之外，还需要选择参加现代操作系统、数据库原理与实现技术、电气系统分析等选修课，提高学生对电子技术与软件工程的了解程度。同时，高校需要与企业进行合作，在学生大四时期需要到合作企业进行实习，从而促使学生在实习的过程中巩固在校所学的基础知识，培养学生的实际动手操作能力。（2）强化升级与管理。近年来，我国电子技术与软件工程均属于高速发展的阶段，各类先进的电子技术产品与软件工程产品都相继问世。同时，我国相关领域研究人员积极向国外电子技术与软件工程发展较好的国际吸取研发经验，致使我国的电子技术与软件工程得到了更进一步的发展。然而，在发展过程中，对电子技术与软件工程的升级与管理成为现阶段的首要问题。结合各行各业领域对电子技术与软件工程的实际需求，在电子技术与软件工程的原有基础上进行系统的改革与升级，从而促使电子技术与软件工程能够更好地适应现代社会的需求。同时，加强对电子技术与软件工程的管理，从而才能够确保设备系统有效运行。因此，强化电子技术与软件工程的升级与管理，保证其不受外界各类因素的影响，实现电子技术与软件工程系统的顺利升级，这对于促进国内电子技术与软件工程的发展尤为重要。（3）注重技术与产品的创新。创新是各个领域能够保持稳定发展的基础技能，而作为21世纪高新技术的产物，电子技术的创新与软件工程产品的创新也是非常重要的。通常情况下，在一些大型电子技术与软件工程产品研发的过程中，往往需要大量的投入时间资源、人力资源与物力资源，还需要相关部门的资金支持，而一些小型的科技产品的复杂性相对较低。因此，我国高校为了提高学生的创新能力，可举办小规模的校内创新产品竞赛，让学生充分的发挥自己的能力，从而深度挖掘学生们的潜力，这样即可以培养学生的动手操作能力，又可以实现电子技术与软件工程的创新，从而促进国内电子技术与软件工程的发展。此外，在举办竞赛时，可以让学生对电子技术及软件工程市场进行考察，从而了解现阶段国内社会居民对电子技术与软件工程的需求，从而促使学生创造出的产品具有更高的实用性。

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【关键词】用户电力技术；电能质量；应用与发展

The Application and Development of Custom Power Technology

Guo Shuzhen

(Department of electrical engineering of Hunan Hydroelectric Occupational College, Changsha Hunan 410131)

Abstract: The problems of power quality directly affect the safety of the power system and operation of the equipment, the custom power technology is to solve the customers’ problems. In this paper, the concept of custom power technology, power quality control and energy conversion technology and solid switch technology, also their new researches and their application are discussed. This technique has a huge market and development potential in power system, many new excellent controllers emerge.

Keywords: Custom Power；Power Quality；Application and Development

前言

传统电能质量问题一般关注系统的稳态情况下是否供电可靠，随着电子信息技术的飞速发展，先进技术使用日益广泛，供电系统故障或电能质量恶化很可能带来极为严重的影响。对于敏感的电力电子设备或信息设备来说，即使几个周期的供电中断，或电压跌落都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。因此现在用户对电能质量的要求远比以前严格。

80年代以来，电力电子学逐渐成为一门新兴交叉的边缘学科，与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和切换速度有了明显提高。采用电力电子装置等高新技术,在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。电能质量、节约用电、安全用电是当前最突出的用户电力问题,近年来为了解决这些问题,用户配电系统测试评估、电能质量调节、电能转换和固态开关等用户电力技术,得到了广泛应用和快速发展。

1.用户电力技术简介

用户电力技术是美国N.G.Hingorani博士在1988年提出的概念：将大功率电力电子技术和配电自动化技术综合，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。通过用户电力技术可使用户供电可靠性达到不断电；严格的电压调整；低谐波电压；冲击和非线性负荷对终端电压无影响。该技术的核心是能够对供应的电力进行控制、变换,为用户或负荷提供满足电能质量指标及安全、经济、可靠运行等要求的电能。完成这种控制与变换的关键是各具特色的电力电子器件及其控制电路。

我国已研制出用于配电系统的静止无功发生器DSTATCOM样机。图1是用于解决电压骤降问题的动态电压恢复器的基本工作原理图,恢复器包含了配电系统静止补偿器,有源电力滤波,以及串联电能质量控制器(DVR)等设备,它一般串联在供电网和负荷之间,当供电网正常供电时,其逆变器侧升压变处在短路状况,运行在低损耗旁路状态,当供电网侧发生电压骤降或电压骤升,动态电压恢复器可以在一个周波内作出响应,在串联回路中注入一个交流电压对电压进行补偿,使补偿后的电压与电压骤降或电压骤升前相同。

2.用户电力主要技术

2.1 用户配电系统的测试评估技术

该技术主要内容有:(1)网络阻抗，各母线短路电流、短路容量计算;(2)各供电节点供电电压质量限值，各用电负荷对供电系统干扰限值计算;(3)各供电节点供电电压质量测试、各用电负荷对供电系统干扰的测试、供用电设备的电磁兼容、节电运行，安全运行的评估;(4)用户电力技术问题及解决方案。通过以上评估找出用户电力技术问题及其产生根源,并给出相应解决方案

2.2 电能质量控制技术

该技术主要是基于电压源或电流源逆变器,对配电系统的传输能力和供电质量进行连续、快速、精确的有效控制,使供电质量提高到一个全新水平的有效手段。常见电能质量控制技术如表1所示。

表1 电能质量控制技术

用户电力技术装置 功能特征

动态电压恢复器（DVR） 精确补偿配电母线上的电压扰动和畸变

静止调相机（STATCON） 调整电压，控制有功和无功

静止无功补偿器（SVC） 调整电压，控制无功

超导磁贮能（SMES） 供电中断时提供很大的功率

有源滤波器（AF） 消除谐波

固体断路器（SSB） 在几毫秒的时延内开断线路

故障电流限制器（FCL） 限制故障电流

2.3 固态开关技术

随着配电容量增大,对开关的开断能力提出了更高的要求,电压骤降敏感用户对开关快速切除短路电流的能力也提出了更高要求,现有的机械开关难以满足上述要求。在这种背景下,固态断路器因其卓越的电流关断特性而备受关注。美国西屋公司已制造出13kV、600 A、由GTO元件组成的固态开关,安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到0.3ms,可以在电压或电流的指定相位完成开断,基本上可避免操作过电压。这样,由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低,由于操作引起的设备损坏也可以大大减少。现在,由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”也已问世。固态开关技术的进步将使配电系统的安全运行水平大大提高。

3.未来用户电力技术的发展

3.1动态电能质量调节技术

动态电能质量调节技术指的是基于电压源或电流源型逆变器,对配电系统的传输能力和供电质量等进行连续、快速、精确的有效控制,是使现有供电质量提高到一个全新水平的有效手段,也是电力工业实现市场化的必备支撑技术。其主要包括串联式的用来补偿电压跌落、提高下游敏感负荷供电质量的有效串联补偿装置DVR、不间断电源(UPS)、并联有源滤波器(APF)、DS―STATCOM和串并联混合式的新的补偿装置系统DS―Unicon等。

3.2超导储能及其能量变换技术

各种新能源的开发利用,大多需经电力电子装置的变换使其非同步电能转换成同步的三相交流电能以供使用。超导储能(SMES)作为一种特殊新能源因其固有的诸多优点而引起广泛研究。基于电力电子的能量变换技术在SMES中的应用成果,必将对其他新能源的利用产生重要的借鉴意义。

SMES具有储能密度大、转换效率高、可四象限运行、吐量大、充放电速度快等诸多优点,非常适合参与电力系统的有功功率调节。尤其是在能源分布很不平衡的地区,发展用于调峰的中大规模SMES系统对提高我国供电质量和运行安全水平都将具有重大作用。

3.3固态断路器

随着配电网容量的日渐增大,系统的短路容量也会不断增加,这对电网原有的和将投运的开关设备的开断能力都提出了更高的要求。同时,随着用户对供电质量要求的不断提高,如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落在信息社会显得尤其重要。

固态断路器是FACTS(柔流输电系统)和DFACTS技术实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备,也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。随着易于串并联、驱动功率小的大功率电力电子器件的出现,固态断路器的关断容量有望得到较大的提高；随着混合式断路器和基于新型SiC材料的功率半导体器件制造技术的不断发展,大功率固态断路器的通态损耗问题也将得到有效解决。

结语

用户电力技术是应用现有的电力技术专门解决用户电力质量问题的一项综合技术，本文总结提到的动态电能质量调节、电能变换以及固态开关等三类用户电力技术将从各个方面促进我国电力工业的发展,所以需根据我国电力系统的现状,针对性地开展基础研究、软硬件结合及面向实用的开拓性工程研究,从而让这几项用户电力技术既在理论上也在实践生产上得到全面发展。

参考文献

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[2]许海文等.用户电力技术与暂态电能质量的改善[J].华北电力大学学报,2002,29(4):32.

[3]金广厚,王丽,王玉学.用户电力技术及其在电力市场环境中的应用[J].华北电力技术,2004.

篇10

【关键词】有载；自动；分接开关

中图分类号：TM411文献标识码： A

一、前言

随着科技的不断发展，有载自动调压分接开关得到了人们的普遍关注。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在着不足和需要改进的地方。在新时期下，我们必须加强有载自动调压分接开关启动功能的研究与实现的研究。

二、变压器有载调压技术的发展

有载调压变压器有调压范围大、调节过程不断电的特点，对电力系统经济运行、改善电网电能质量等方面具有无载调压变压器不可替代的优点。目前，采用机械有载分接开关的传统有载调压方法仍在普遍应用，但是随着社会的发展和用电量的迅速增长，电网规模不断扩大、电网结构越来越复杂，这种机械有载分接开关已经不能完全满足现代电网的安全和经济运行的要求，所以有载分接开关性能的改进是当前研究人员的主要内容。

1、传统有载调压方式

在我国，常规有载调压变压器采用的是机械式有载分接开关，它主要由分接选择器或分接开关、切换开关、过渡电阻三部分构成，其基本原理是从变压器某―0的线圈中引出若干分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一分接头切换到另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压的目的。传统的有载调压变压器机械式调压分接开关在分接头切换过程中产生电弧，分接开关的动作速度慢，调压响应时间长，容易错档、错位，而且故障率高，维护量大，使调压时刻无法准确控制。因此，传统有载调压变压器只用于稳态的电压调节。

针对传统有载调压变压器存在的问题，各国研制出多种新型有载调压装置。按照其调压分接头的组成，新型有载调压变压器分为机械式改进型、辅助线圈型和电力电子开关型等。

2、机械式改进型有载调压方式

机械式改进型有载调压变压器是在传统型的基础上加电力电子器件变换而成。典型的电路如图1所示。

图1中保留了常规有载分接开关中的分接选择器与切换开关，而在过渡电路中增加了三组晶闸管(scR)。调压时切换开关的动作(从静触头I到Ⅳ)配合晶闸管适时导通与关断，能够保证切换开关在I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各触头间切换时不会产生电弧。此改进方案在切换过程中虽然实现了无弧，但是环流问题没有得到解决，并且晶闸管失效会导致分接头线圈直接短路的严重后果，从而损坏分接头和变压器。

3、辅助线圈型有载调压方式

随着电力电子技术迅速发展，人们开始研究采用高电压、大功率电力电子器件构成辅助机械型有载分接开关，利用电力电子器件作为分接开关和切断电路，不带电的机械触头或等电位切换变压器作为分接头，电力电子开关和机械有载分接开关配合工作，完成调压任务，如图2所示。

此调压方式操作简单，但是会产生谐波，过程复杂，可靠性差，调压响应速度没有提高。由于电力电子辅助机械型有载分接开关的成本比机械型有载分接开关高，所以它的应用受到了一定的限制。

4、电力电子器件为分接开关的有载调压方式

为了进一步提高变压器有载调压的响应速度和降低故障率，人们从20世纪90年代开始研究采用电力电子技术和微处理器控制技术，在特定的调压变压器结构下，通过控制电力电子开关器件的通断和改变变压器匝数，实现有载调压。这种装置无需机械开关的切换，也不会产生电弧，响应速度也得到提高。通常把这种调压装置称为无触点有载调压分接开关。

三、有载自动调压分接开关的结构和工作原理

对于配电系统通常应用的lOx(1±5％)/0．4kV配电变压器，其分接头之间的最高电压可达到1100/=635V。因为可关断晶闸管(GTO)耐压在2000V以上，因此可以把两个GTO反向并联的GTO组独立地直接连接在变压器的每个绕组抽头与中性点之间，作为有载分接开关的执行元件。由于GTO具有可控关断特性，可以在计算机的控制下快速转换，所以分接头转换回路不需串入限制环流的过渡电阻，进而简化了电路，降低了造价，提高了工作的可靠性。分接开关与变压器的连接方式如图3所示。

图3分接开关与变压器的连接方式

假设原来可关断晶闸管组GTO2导通，其余GTO组关断。现在由于负荷减小或电网电压上升，导致变压器输出电压升高超过允许范围，为使变压器输出电压下降到允许范围，应该增加变压器一次侧的匝数，即导通的可关断晶闸管应有现在的GTO2变为GTO3，其过程如下：

正常时，在GTO2组的GTO由承受反向电压改变为正向电压的过零点时，给其门极与阴极之间加上正极性控制电压，使其连续导通。当需要把分接头由UN变为105％UN时，在GTO3组的GTO电压由负半周到正半周过零点时由控制电路给其阴极与门极之间加一正向电压控制信号，使其导通，随之给GTO2组的响应元件的门极与阴极之间加一负脉冲控制信号使其关断，完成了一次分接头的变换和电压调整，使输出电压又恢复到允许范围内，达到稳定输出电压的目的，实现了自动调压功能。

四、特点

目前国内外的有载分接开关主要为机械式开关，采用机械式开关进行变压器分接头有载调压需要复杂的机械构件和电动部件。而且切换时机械式触头动作速度慢、容易打火、磨损，切换波形畸变大，当出现故障时，没有保护退出机制。新型电子式有载调压转换开关采用无触点开关可控硅作为主控开关，结构简单，切换时速度快、无拉弧打火现象，切换波形完整。当出现故障时，电子式有载调压转换开关可以安全退出，不影响变压器的继续供电，不会发生烧毁变压器的现象。与传统的机械式分接开关相比具有以下优点。

(1)适合于无励磁调压变压器的改造，使其具备有载调压功能。

(2)可频繁调节，使用寿命长。

(3)无弧、无冲击、快速响应。

(4)具备通信接口，可与VQC和SCADA系统实现连接。

(5)具备手动与自动调压控制方式。

(6)安装方便。

(7)具有完善的故障检测及故障情况下的退出机制，即使装置万一出现故障也不会中断变压器的正常运行，保证了供电安全可靠性。

五、有载分接开关特性比较

1、机械式有载分接开关

与电力变压器配套使用的、常用的有载分接开关有两种：即油浸式有载分接开关和真空干式有载分接开关。这两种开关都是用弹簧储能装置作为操作机构，它们机械构造复杂，制造工艺要求高，而且切换噪声大、时间长，工作可靠性差，属于有触点机械切换开关。在切换过程中触点之间会产生弧光放电或火花放电，使得开关寿命缩短，维护工作量增加，而且机械切换次数、频率受到限制。

2、电子式有载分接开关

电子有载分接开关在切换过程中不产生弧光放电，无接触不良和触点颤抖现象，其绝缘性能良好、切换速度快、体积小，不需要另设副油箱，可直接安装在配电变压器本体内部，而且价格低廉，是一种没有任何机械机构，全静止、工作可靠性高的新型全电子有载分接开关。

六、有载调压变压器的作用

由于普通变压器分接头的改变只能在停电的状态下调整，它不能改变负荷变化时二次侧电压的变化幅度，而且其电压调整范围也较小，所以对于直接向负荷中心供电的变压器，宜配置带负荷调压分接头，随着地区负荷的增减，合理调节有载调压器的电压分接头，以随时保证用户的供电电压质量。我国《电力系统技术导则》规定：对1lOkV及以下系统，宜考虑至少有一级电压的变压器采用带负荷调压方式。从国外情况来看，无论对于哪一级电压的网络供电变压器，各国电力系统普遍都采用了带负荷调压分接头，一些系统还采用了按母线电压自动调节的方式。也就是说，利用有载调压变压器调压分接头自动调整系统电压在许多国家已经广泛使用，在我国也有逐渐推广使用的趋势。但是，任何事物都不是尽善尽美的，有载调压变压器自动调压的作用也不总是积极的，有时还可能引起系统电压的更加低落，最终引起电压崩溃事故的出现。

七、展望

针对目前用户对电压质量要求越来越高，而大多数干式变压器不具备有载调压功能的情况，有载调压转换开关适时地解决了无励磁调压变压器的缺点，并且具有结构简单，切换速度快，无拉弧打火现象，切换波形完整，有保护退出机制的优点，具有很高的使用价值和广大的市场。该装置在保定天威顺达干式变压器有限公司试验站进行了送检测试，其绝缘试验、耐压试验、空载切换试验和带负载切换试验等各种试验内容均取得了满意的结果，其性能指标远远优于常规的机械式分接开关，为稳定和提高电能质量提供了先进、实用和安全的执行装置，具备良好的应用前景。

八、结束语

通过对有载自动调压分接开关启动功能的研究与实现的问题分析，进一步明确了有载自动调压分接开关在变压器中的重要性。因此，我们要加大对有载自动调压分接开关的研究，促进变压器的发展。

参考文献

[1]吕艳玲.基于固态继电器的配电变压器自动稳压装置[J].电力系统自动，2011(24)：74-77.

[2]骆平，刘清澄.无弧切换的有载调压变压器[J].中国电力，2011（9）：102-105．