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摘要：《电力电子技术》是电气工程专业的专业核心必修课，是一门理论与实验相结合的本科专业课程。传统以讲授为主的教学模式难以激发學生的学习兴趣，并且受到实验室条件的限制，只能对教材中部分实验进行验证。本文以三相不可控整流电路为例，探讨仿真软件PSCAD如何辅助《电力电子技术》课程教学。PSCAD的应用能避免实验室条件的局限性，能激发学生的学习热情并提高学生创新能力，有利于研究型本科生的培养。
关键词：PSCAD；电力电子技术；本科教学
一、 引言
《电力电子技术》是电气工程本科生的专业核心必修课，以《电路原理》《模拟电子技术》《数字电子技术》《自动控制原理》等先修课程为基础，是一门理论与实验相结合的本科专业课程。多数国内院校采用西安交通大学王兆安教授编写的《电力电子技术》（第5版）作为本课程的教材。
本课程传统的教学方法是以讲授理论知识为主，并辅之以实验，帮助学生理解理论知识。本课程理论性较强，传统的讲授法较为枯燥，使得学生学习热情不高，难以达到预期的教学目标。此外，由于部分高校实验室硬件条件和实验学时的限制，只能对教材中的部分理论进行实验验证。
为了解决本课程传统教学过程中存在的部分问题，引入电磁暂态仿真软件PSCAD辅助本课程的教学，激发学生学习的热情，克服实验室硬件条件和学时的限制，有助于深入理解理论知识和培养本科生利用仿真软件进行科研的能力。
二、 仿真软件PSCAD的介绍
PSCAD（power system computer aided design）是曼尼托巴水电局开发的电磁暂态仿真软件，具有功能强大、仿真精确性高、用户界面友好等优点，已成为全世界电磁暂态仿真领域认可度最高的一款仿真软件。PSCAD非常适合电力电子领域的电磁暂态仿真，能用于电力电子的教学和科研工作。
图1为PSCAD的操作界面，PSCAD拥有了强大的自带元件库，能够搭建各种复杂的电力电子和电力系统模。PSCAD自带元件库的所有元件按类分成18组，具体为：无源元件，电源，混合元件，I/O器件，断路器和故障，HVDC、FACTS和电力电子元件，输入、输出和标签，变压器，电机，连续系统功能模型，传输线，电缆，表计，保护，外部数据记录及读取，定序器，逻辑元件，PI型等值线路。除此之外，用户还可以根据特定需求，自己定义新的模块。
图1PSCAD操作界面
在PSCAD中可以采用Fortran语言编程，灵活性好，具有友好的仿真波形显示界面。《电力电子技术》课程中所有的电路及控制系统均可采用PSCAD中的元件进行搭建，运行后可显示所关心电气量的波形或输出数据，增强课程的趣味性，帮助学生深入理解教材中的理论知识。此外，学生还可在PSCAD中自行设计电力电子电路建模或验证自己的想法。
三、 仿真教学实例
《电力电子技术》（第5版）第3.5.3节分析了电容滤波不可控整流电路交流侧谐波，并直接给出了相关结论。对于多数本科生来说，一般倾向于直接记下结论以应付考试，难以真正形象化地理解。本文以三相不可控整流电路为例，说明如何在本课程教学中应用PSCAD。
1. 搭建仿真模型
根据教材所示的电路搭建仿真模型，仿真模型需要用到电压源、电感、电力二极管等器件。在PSCAD元件库中查找需要的元件，按照电路图进行建模，如图2所示。
2. 运行仿真模型，观察和分析波形
在PSCAD中运行已经搭建的仿真模型，对测量所关心的电气量，对其进行观察和深入分析，对教材所给的结论进行验证。
图3给出了运行仿真模型得到的A相电流波形图和A相电流频谱图。通过改变直流侧电阻，得到一组类似的仿真波形图，通过对比可以验证教材中的3个结论：1）交流侧电流谐波次数为6k±1；2）谐波次数越高，谐波幅值越小；3）负载越轻（直流侧电阻越大），则谐波所占比重越大。
除此之外，通过PSCAD中的谐波序分量分析模块可知：6k 1次谐波为正序分量，6k-1次谐波为负序分量。
因此，通过应用PSCAD搭建和运行仿真模型，观察和分析仿真波形，可以有效验证教材中的结论，并可深入分析得出新的结论。相比于传统枯燥的授课方式，课程上适当使用PSCAD，演示仿真波形的生成过程和特点，能够更好地引起学生的学习兴趣，提高课堂氛围和学习效果。此外，使用PSCAD不受硬件条件的限制，简单方便，仿真波形图形化、形象化，加深了学生的记忆和理解，并可培养学生熟练使用PSCAD进行学习和科研的能力。
四、 结语
为了克服传统教学方法存在的不足，本文引入电磁暂态仿真软件PSCAD辅助电力电子技术的教学工作，该方法具有以下优势：
1. 软件易于操作，界面友好。教师可以在课堂上通过投影仪直接进行演示，使教学过程更加直观。
2. 课余时间，学生可以在自己电脑上根据教材搭建仿真模型，验证教材中的结论，使用方便，不受时间和地点的限制。
3. 与传统的采用实验方法验证教材结论相比，采用PSCAD软件具有类似的效果，但不需要硬件电路，节约了成本和实验室空间，不存在学生搭错电路损坏硬件的可能性。
4. PSCAD中丰富的元件库克服了传统的实验教学方法只能实现几种特定实验内容的局限性。学生可以在软件中随意建模，验证自己的想法，提高了学生的学习热情，有助于培养学生的创新能力。通过分析仿真波形，可以帮助学生深入分析和解决问题，加深对相关知识的认识和理解。
虽然将PSCAD用于教学具有讲授法和实验法所不具备的优势，但PSCAD软件只能作为辅助的工具，不能完全替代讲授法和实验法。三者各有优缺点，在实际教学中，应将三者结合起来，充分利用三者的优点，以达到期望的教学效果。
授课教师可以每个章节都用PSCAD搭建一个demo，分享给学生，让学生作为参考搭建本章节中其他的电力电子电路。这样可以让学生熟练使用PSCAD，并深刻理解每种电路的特点，观察每种电路仿真波形的特点，激发学习的趣味性。需要指出，PSCAD不仅能用于《电力电子技术》的本科教学，还能应用于《电路原理》《电力拖动自动控制系统》《新能源并网发电技术》《柔性交流输电技术》等本科和研究生课程的教学。
参考文献：
[1]王兆安，杨进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]赵永涛.基于Proteus的软件仿真在单片机教学中的应用[J].考试周刊，2017，（43）：46-47.
[3]荣军，万军华，陈曦，等.计算机仿真技术在电力电子技术课堂教学难点中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（8）：103-105.
作者简介：
梁营玉，查雯婷，北京市，中国矿业大学（北京）电与信息工程学院。
关键词：PSCAD；电力电子技术；本科教学
一、 引言
《电力电子技术》是电气工程本科生的专业核心必修课，以《电路原理》《模拟电子技术》《数字电子技术》《自动控制原理》等先修课程为基础，是一门理论与实验相结合的本科专业课程。多数国内院校采用西安交通大学王兆安教授编写的《电力电子技术》（第5版）作为本课程的教材。
本课程传统的教学方法是以讲授理论知识为主，并辅之以实验，帮助学生理解理论知识。本课程理论性较强，传统的讲授法较为枯燥，使得学生学习热情不高，难以达到预期的教学目标。此外，由于部分高校实验室硬件条件和实验学时的限制，只能对教材中的部分理论进行实验验证。
为了解决本课程传统教学过程中存在的部分问题，引入电磁暂态仿真软件PSCAD辅助本课程的教学，激发学生学习的热情，克服实验室硬件条件和学时的限制，有助于深入理解理论知识和培养本科生利用仿真软件进行科研的能力。
二、 仿真软件PSCAD的介绍
PSCAD（power system computer aided design）是曼尼托巴水电局开发的电磁暂态仿真软件，具有功能强大、仿真精确性高、用户界面友好等优点，已成为全世界电磁暂态仿真领域认可度最高的一款仿真软件。PSCAD非常适合电力电子领域的电磁暂态仿真，能用于电力电子的教学和科研工作。
图1为PSCAD的操作界面，PSCAD拥有了强大的自带元件库，能够搭建各种复杂的电力电子和电力系统模。PSCAD自带元件库的所有元件按类分成18组，具体为：无源元件，电源，混合元件，I/O器件，断路器和故障，HVDC、FACTS和电力电子元件，输入、输出和标签，变压器，电机，连续系统功能模型，传输线，电缆，表计，保护，外部数据记录及读取，定序器，逻辑元件，PI型等值线路。除此之外，用户还可以根据特定需求，自己定义新的模块。
图1PSCAD操作界面
在PSCAD中可以采用Fortran语言编程，灵活性好，具有友好的仿真波形显示界面。《电力电子技术》课程中所有的电路及控制系统均可采用PSCAD中的元件进行搭建，运行后可显示所关心电气量的波形或输出数据，增强课程的趣味性，帮助学生深入理解教材中的理论知识。此外，学生还可在PSCAD中自行设计电力电子电路建模或验证自己的想法。
三、 仿真教学实例
《电力电子技术》（第5版）第3.5.3节分析了电容滤波不可控整流电路交流侧谐波，并直接给出了相关结论。对于多数本科生来说，一般倾向于直接记下结论以应付考试，难以真正形象化地理解。本文以三相不可控整流电路为例，说明如何在本课程教学中应用PSCAD。
1. 搭建仿真模型
根据教材所示的电路搭建仿真模型，仿真模型需要用到电压源、电感、电力二极管等器件。在PSCAD元件库中查找需要的元件，按照电路图进行建模，如图2所示。
2. 运行仿真模型，观察和分析波形
在PSCAD中运行已经搭建的仿真模型，对测量所关心的电气量，对其进行观察和深入分析，对教材所给的结论进行验证。
图3给出了运行仿真模型得到的A相电流波形图和A相电流频谱图。通过改变直流侧电阻，得到一组类似的仿真波形图，通过对比可以验证教材中的3个结论：1）交流侧电流谐波次数为6k±1；2）谐波次数越高，谐波幅值越小；3）负载越轻（直流侧电阻越大），则谐波所占比重越大。
除此之外，通过PSCAD中的谐波序分量分析模块可知：6k 1次谐波为正序分量，6k-1次谐波为负序分量。
因此，通过应用PSCAD搭建和运行仿真模型，观察和分析仿真波形，可以有效验证教材中的结论，并可深入分析得出新的结论。相比于传统枯燥的授课方式，课程上适当使用PSCAD，演示仿真波形的生成过程和特点，能够更好地引起学生的学习兴趣，提高课堂氛围和学习效果。此外，使用PSCAD不受硬件条件的限制，简单方便，仿真波形图形化、形象化，加深了学生的记忆和理解，并可培养学生熟练使用PSCAD进行学习和科研的能力。
四、 结语
为了克服传统教学方法存在的不足，本文引入电磁暂态仿真软件PSCAD辅助电力电子技术的教学工作，该方法具有以下优势：
1. 软件易于操作，界面友好。教师可以在课堂上通过投影仪直接进行演示，使教学过程更加直观。
2. 课余时间，学生可以在自己电脑上根据教材搭建仿真模型，验证教材中的结论，使用方便，不受时间和地点的限制。
3. 与传统的采用实验方法验证教材结论相比，采用PSCAD软件具有类似的效果，但不需要硬件电路，节约了成本和实验室空间，不存在学生搭错电路损坏硬件的可能性。
4. PSCAD中丰富的元件库克服了传统的实验教学方法只能实现几种特定实验内容的局限性。学生可以在软件中随意建模，验证自己的想法，提高了学生的学习热情，有助于培养学生的创新能力。通过分析仿真波形，可以帮助学生深入分析和解决问题，加深对相关知识的认识和理解。
虽然将PSCAD用于教学具有讲授法和实验法所不具备的优势，但PSCAD软件只能作为辅助的工具，不能完全替代讲授法和实验法。三者各有优缺点，在实际教学中，应将三者结合起来，充分利用三者的优点，以达到期望的教学效果。
授课教师可以每个章节都用PSCAD搭建一个demo，分享给学生，让学生作为参考搭建本章节中其他的电力电子电路。这样可以让学生熟练使用PSCAD，并深刻理解每种电路的特点，观察每种电路仿真波形的特点，激发学习的趣味性。需要指出，PSCAD不仅能用于《电力电子技术》的本科教学，还能应用于《电路原理》《电力拖动自动控制系统》《新能源并网发电技术》《柔性交流输电技术》等本科和研究生课程的教学。
参考文献：
[1]王兆安，杨进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]赵永涛.基于Proteus的软件仿真在单片机教学中的应用[J].考试周刊，2017，（43）：46-47.
[3]荣军，万军华，陈曦，等.计算机仿真技术在电力电子技术课堂教学难点中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（8）：103-105.
作者简介：
梁营玉，查雯婷，北京市，中国矿业大学（北京）电与信息工程学院。