基于MATLAB的“电力电子技术”仿真实验教学系统

［摘 要］ 在当前高等教育数字化背景下，设计基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统，通过教学系统可以进行基本电路的仿真，如整流电路、交流调压、逆变电路和PWM变换等，便于更好地帮助学生理解电力电子技术的运作原理和应用，提高学生的实践能力。结合MATLAB的特点和优势，基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统可实现电路参数灵活设置和实验结果的图形化实时显示，有利于信息技术与课堂教学的有机融合，能够充分激发学生的学习兴趣，为学生提供关于辅学的资料，进一步推进“电力电子技术”课程教学资源数字化建设。

［关键词］ MATLAB；电力电子技术；Simulink仿真实验；教学系统设计

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“基于开放式的电力电子技术课程实践教学平台建设”（220604171144855）；2022年度塔里木大学一流本科专业建设项目“电气工程及其自动化”（YLZYXJ202205）；2023年度塔里木大学第三批课程思政示范课程项目“电力电子技术”（TDKCSZ122317）

［作者简介］ 邹梦丽（1988—），女，河南南阳人，硕士，塔里木大学机械电气化工程学院副教授（通信作者），主要从事农业电气化研究；俞 彬（2001—），男，安徽宿州人，学士，塔里木大学机械电气化工程学院2019级电气工程及其自动化专业本科生，研究方向为电气工程；张治娟（1987—），女，甘肃白银人，硕士，塔里木大学机械电气化工程学院副教授，主要从事机电一体化系统控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）24-0039-04 ［收稿日期］ 2023-05-26

一、研究背景和意义

电力电子技术作为一门新兴的交叉学科，已经在现代电力系统中得到了广泛应用。电力电子技术的发展极大地推动了电力系统的现代化和智能化，也为人们的生活提供了更加便捷和高效的电力服务。同时，电力电子技术也成了电气工程教育中不可或缺的一部分，为培养高素质的电气工程人才提供了重要的技术支撑［1］。

电力电子技术实验在教学中有着举足轻重的作用［2］，传统的电力电子技术实验存在实验过程复杂、实验结果难以观测、实验设备价格昂贵等问题，且学生操作不当时极易损坏实验设备，不仅会造成实验误差还有可能危及人身安全。

随着计算机技术的发展，电力电子仿真技术逐渐成为电力电子教育中的一项重要内容。通过电力电子仿真实验，可以有效地提高学生的实践能力和创新能力，加深学生对电力电子技术原理的理解和掌握。因此，建立一套基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统，具有非常重要的现实意义和发展前景。在此背景下，本研究基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统设计，以期提高“电力电子技术”课程教育的教学质量和水平。

二、国内外研究现状

“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的一门十分重要的专业知识核心必修课程，主要以整流电路、逆变电路、PWM电路、AC-AC交流调压、DC-DC斩波电路等几种典型电路为例分析电力电子器件的作用。然而，从这些复杂、抽象的电路原理图中学生很难直观地感受波形的变化效果。目前国内外许多高校在课堂上采用虚拟仿真平台进行教学，通过这些虚拟仿真平台学生可以更加清楚地了解这些电子器件的变化情况。各高校采用的仿真平台也不尽相同，有基于Flash MX开发的EC Ware教学软件，有基于PSpic、Simulink的实验仿真平台，有些高校采用Matlab和LabVIEW双仿真实验平台锻炼学生的自主学习和编程能力，还有些高校采用PSIM等虚拟仿真平台。

南京航空航天大学开发了基于Flash MX的EC Ware l1.0软件［3］，该软件生动形象地利用Flash动画向学生展示电力电子拓扑结构在不同条件下波形的变化形式，在增加课堂活跃度的同时还调动了学生学习的积极性。

哈尔滨工业大学给学生提供了基于PSpic、Simulink的实验仿真平台［4］，充分培养了学生的动手能力和独立思考能力。在该仿真平台上学生可以亲自动手操作，进一步加深了学生对复杂电路的理解，并增加了学生对独立学习的兴趣。

华北电力大学采用Matlab和LabVIEW双仿真实验平台［5］，帮助学生理解电力电子电路，该方法不仅节省了大量实验设备的投入，而且不受空间和时间的限制，学生只需独立构建仿真模型，并编写LabVIEW的管理界面，充分锻炼了学生的动手实践能力，教学效果显著。

中国石油大学（华东）利用PSIM软件［6］与教学实践相结合，直观地展示电力电子器件波形的动态变化，加深学生对电路原理的理解，提高学生的学习效果。

浙江大学电气工程学院、湖北民族学院、山东理工大学国防教育学院等高校均利用Matlab软件设计GUI（graphical user interface）界面［7-9］，通过GUI界面的直观性、简洁性，向学生传授电力系统实验原理和过程的相关知识。

三、基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统总体设计

（一）实验教学系统的需求分析

实验教学系统在进行仿真时需要满足以下几个条件：（1）系统中所包含的各种元器件必须能够正确地模拟实际运行过程，并且要保证仿真的真实度和可靠性。（2）要做到各个电路模型中重要参数的可调性，清晰地展示电路模型在不同的参数和运行环境下的变化情况。（3）在运行期间要保证电路模型的准确性和运行环境的稳定性，以确保仿真过程的正常和稳定［10］。（4）运行结束后快速将获得的信息进行整理并正确无误地将电源电压、负载电压、负载电流、开关器件等波形进行输出。（5）通过Simulink提前搭建各个电路的物理模型，对电路原理有一个直观、清晰且准确的了解，通过App Designer编写回调函数直接保存并调用Simulink仿真，分析系统是否有故障发生，或者其影响程度以及可能出现情况下应采取什么安全措施，以确保仿真的成功。

（二）仿真实验系统的总体设计

该仿真教学系统由电力电子实验项目群仿真和GUI图形用户界面两部分组成。其中电力电子项目仿真借助Simulink工具完成，GUI图形用户界面则通过App Designer工具进行创建，在创建前要先确定好各个电路模块界面以及仿真系统的布局。最后通过编写回调函数将仿真好的实验项目调用出来并嵌入GUI图形用户界面［11］，仿真实验系统的总体设计如图1所示。

（三）电力电子技术仿真实验教学系统的设计方案

1.电力电子实验项目群仿真设计。电力电子实验项目群由整流电路、交流调压电路、直流斩波电路、逆变电路、PWM电路、软开关电路六部分组成，每部分通过其实验要求和特性进行细化，共搭建出单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相交流调压电路电阻性负载电路、谐振直流环电路等13个Simulink仿真项目［12］。

2.GUI图形用户界面设计。在MATLAB软件中创建GUI界面通常有两种方法：第一是利用UIControl等句柄函数直接进行编写产生GUI［13］，该方法的优点是效率高，缺点是难度较大不容易上手，并且需要配置GUI图形位置等。第二是通过MTALAB自带的App Designer进行创建界面，该方法编程语言少且代码简单，对新手十分友好，可以快速入门。本课题采用第二种方法，GUI图形用户界面设计框架如图2所示。

四、电力电子技术仿真实验教学系统分析

随着电力电子技术的不断发展，传统的教学方式已经无法满足要求，人机交互式的新型教学方式已经成为主流。本文设计基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统，借助MATLAB软件对整流、逆变、交流调压电路等共计13个基本电路进行仿真与演示。通过对电路进行仿真，将仿真结果和开关管的变化情况以动态图形的形式直观地展现给学生，不仅可以让学生加深对电路原理的理解和掌握，还能有效锻炼学生的创新与实践能力。

该电力电子技术仿真实验教学系统几乎涵盖了本科期间“电力电子技术”课程的电路仿真，并且在仿真过程中可以根据仿真需要自行修改触发角、电源电压、电阻电感等主要参数，学生可以更加直观地观察电力电子开关器件在不同的电路中、不同的条件下的运行状况和自身的变化情况。教师可以利用该系统辅助教学，在提高课堂活跃度的同时还调动了学生学习的积极性。

五、电力电子技术仿真实验教学系统的演示

电力电子技术仿真实验教学系统由整流电路、逆变电路、交流调压电路、直流斩波电路、PWM电路、软开关电路六部分电路仿真组成。每部分通过其实验要求和特性进行细化，共搭建出单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、电流型单相逆变电路、单相交流调压、直流升压斩波电路、谐振直流环电路等13个电力电子技术仿真实验。系统目录如图3所示。

具体以单相交流电路为例，如图3所示，该界面由6部分构成，最上面是两个交流调压电路的切换按钮，点击对应的按钮即可跳转到相应的仿真界面。第二行是电路中的主要参数编辑框，可以根据实验所需自行更改仿真参数，左下角是实验仿真结果，包含电源电压波形、开关管波形和负载电压电流波形。右上角为仿真电路的拓扑结构图。中间为仿真按钮，设置好参数后单击仿真按钮即可获得实验仿真的结果。右下角为返回按钮，实验完成后可以跳转到目录界面。其他实验仿真界面的设计基本风格一致，如单相桥式单极性PWM逆变电路和谐振直流环电路等。

六、电力电子技术仿真实验系统的应用

（一）电力电子技术仿真实验教学系统的打包与共享

电力电子技术仿真实验系统搭建完成之后需要将其打包为App，可以方便用户进行使用。打包App分为选取主文件、描述App、打包为安装文件三步。首先需要选取主文件，系统会自动分析出包含的其他文件，然后选取辅助的Simulink文件，将所有文件选取完之后需要给App进行命名、添加辅助运行环境，最后选择输出文件夹进行打包。

（二）电力电子技术仿真实验教学系统的安装与使用

用户将MATLAB软件打开，选择“App”选项卡，点击“安装App”，找到软件所在的文件夹，选择文件并打开，然后单击“安装”按钮即可。安装完成后用户可在“我的App”中找到刚刚安装好的电力电子技术仿真实验教学系统，单击软件图标即可启动电力电子技术仿真实验教学系统。

结语

基于MATLAB的电力电子技术仿真实验教学系统可以有效地提高学生的学习兴趣，加深学生对电力电子技术原理的理解和掌握。该系统具有真实性强、灵活性高、交互性好、教学效果好等优点。尽管依赖MATLAB软件和硬件资源需求较高，但本研究所提出的仿真实验教学系统设计思路和方法也可以为其他相关领域的教学和研究提供参考和借鉴。

参考文献

［1］钟宁帆，曹峻虎，王玉良.电力电子技术仿真实验教学系统设计［J］.中国现代教育装备，2022（7）：36-39.

［2］李大双.“电力电子技术”虚拟仿真平台的设计与构建［J］.装备制造技术，2021（12）：227-231.

［3］王莉，龚春英，谢少军.基于Flash MX电力电子技术教学软件开发［J］.电气电子教学学报，2007（4）：60-62.

［4］王明彦.构建研究性实验教学体系的思考与实践［J］.中国大学教学，2009（3）：75-77.

［5］王慧，王毅，付超.Matlab和LabVIEW在电力电子虚拟实验中的应用［J］.电气电子教学学报，2014，36（2）：112-114.

［6］陈荣，王永军.新工科背景下电力电子技术课程仿真教学的实践探索［J］.教育现代化，2018，5（49）：226-228.

［7］赵建勇，汤加钰，孙丹，等.基于Matlab_GUI的电气工程虚拟仿真实验平台设计［J］.实验室研究与探索，2022，41（6）：92-97.