電力電子技術實驗改革與實踐創新平臺建設

楊達亮，盧子廣，杭乃善，林俊豪，羅 成，劉文泰

（廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004）

電力電子技術與電氣工程（強電）、信息工程（弱電）、控制工程三大學科緊密交叉，是連接弱電和強電的橋梁，是目前最活躍、發展最快的新興學科之一，近20年來得到迅速發展［1］。以柔性交流輸電（flexible AC transmission system，FACTS）技術、高壓直流輸電（high voltage DC，HVDC）技術、定制電力（custom power，CP）技術和能源轉換技術為代表的電力電子技術越來越廣泛地應用到電力系統中，成為建設堅強智能電網的重要基礎和技術手段［2］。除此之外，電力電子技術應用正從傳統的角色向更加廣闊的領域拓展，特別在風能、光伏、燃料電池等新能源發電與接入技術、電機驅動新型節能技術、機車牽引與軌道交通等領域得到成功應用。與此同時，非線性控制、模糊邏輯控制、自適應控制等復雜控制算法開始應用于電力電子控制系統［3－4］，以改善系統性能，從而適應行業不斷發展。針對此發展變化，電力電子技術課程需要進行課程重構和實驗改革，以實現控制數字化和實時化的要求。美國“集成數字控制的電力電子與電力傳動課程重構”計劃［5］，以控制數字化（嵌入式處理器）和模塊化（集成化）為核心組建實驗平臺，對電力電子技術進行課程重構和實驗改革；歐洲“電力電子與電力傳動工業與大學協作”項目提出由大學和行業第一線技術專家共同給在校學生開設學科前沿專題講座，建立先進電力電子技術實踐創新平臺［6］；國內院校電力電子技術課程的實驗教學改革，主要有利用計算機強大的軟件仿真技術，如 PSPICE［7］、Multisim［8－9］，以及進行電力電子技術相關的實驗裝置和部分相關平臺的開發建設［10－12］。

廣西大學電氣工程學院較早開展電力電子和電力驅動教學科研工作。上世紀80年代成立的自動化研究所在直流變頻調速領域展開研究工作，產品出口國外。近年來，通過學校“211工程”重點學科——電氣工程與“西電東送”關鍵技術開發學科群建設，以及學校大力實施的大學生實驗創新系列項目和優秀科研團隊的有力推動，對電力電子技術學科實驗教學改革進行大膽有益的嘗試，已建立起具有自主知識產權的電力電子技術實踐創新開發平臺。本文結合國際工程教育的構思、設計、實施、運作CDIO培養模式［13］和V模式開發流程［14］，總結此平臺在本科生實驗創新項目、研究生人才培養和教師科研項目中所起作用，以進一步提高教學質量。

1 電力電子技術課程實驗改革與實踐創新平臺建設

1.1 電力電子技術實驗改革

我校電氣工程學院每年招收本科學生約300人，分為電氣工程及其自動化、農業電氣化與自動化和自動化3個專業。3個專業的電力電子技術課程實驗平臺采用目前國內高校普遍采用的“電力電子技術與運動控制教學實驗裝置”，由學生和實驗人員共同完成。考慮到使用電力電子技術與運動控制教學實驗裝置的學生人數較多，為提高實驗教學質量，對實驗進行了改革。主要實施措施：

（1）鼓勵學生加強計算機仿真技術如 Matlab、Simulink、PSPICE應用，將該環節安排在課外進行。

（2）考慮電力電子技術實驗內容較多而實驗課時只有9學時，學生可以選做自己感興趣的實驗，從而進一步激發學生學習熱情。

（3）結合學校進行的課程改革，改變實驗考核方式，實驗成績除實驗報告和考勤以外，增加實驗操作和提問環節，考核體現實驗全部過程。

（4）鼓勵學生參與“實驗室建設與實驗教學改革”項目，對現有的實驗裝置進行技術改造和升級，以及參與編寫新的實驗項目大綱和實驗指導書。

1.2 實驗改革與實踐創新平臺構建結構框圖

電力電子技術課程實驗改革與實踐創新平臺構建結構如圖1所示。

圖1 電力電子技術實驗改革結構體系框圖

實驗過程中，學生根據實驗內容選擇主電路、觸發電路和相應的組件掛箱。通過以上電路面板指示插拔連接線即可完成實驗，學生參與率達100%，不足在于實驗過程較為簡單、實驗平臺電路不開放、無法進行二次開發、功率器件多為半控型小功率晶閘管、功率等級偏小、故障保護電路不夠完善或難以應用于工業生產現場，學生實踐和創新能力得不到有效鍛煉。構建電力電子技術實踐創新平臺以后，情況發生根本改變。二者的對比關系如表1所示。

表1 “電力電子技術與運動控制教學實驗裝置”與“電力電子技術實踐創新平臺”對比表

從表1可知，除學生參與率以外，電力電子技術實踐創新平臺比電力電子技術與運動控制教學實驗裝置具有更多的優勢。

實踐創新平臺所有軟件和硬件全部自主研發完成，具有自主知識產權，可進行二次開發。

培養模式實行導師制，優秀本科生通過申請創新項目或實驗項目形式進入實踐創新平臺，3名本科生組成一個課題組，由有博士學位的教師或副高以上職稱教師負責指導，堅持“以問題為導向，以項目為組織”原則進行為期2年的培養。由于時間得到有效保證，可以實現CDIO工程教育培養方式和V模型開發流程培養，同時，通過構建實踐創新平臺為電力電子與電力傳動碩士、博士研究生提供了開展前沿課題研究的先進實驗平臺。此外，由教師和實驗人員組成的科研團隊，可將優秀的科研成果及時融入教學內容中。

【案例1】等比數列的求和中，創設“西游記后傳”的情景：豬八戒經營某公司，因資金短缺，向猴哥貸款，猴哥爽快地答應了，“我每天給你投資100萬元，連續30天，但第一天返還1元，第二天返還2元，第三天返還4元，……每天返還數為前一天的2倍。”八戒樂得手舞足蹈，第一天出1元入100萬，第二天出2元入100萬，第三天出4元入100萬……哇，發財了。如果你是公司高管，你幫八戒決策，它會不會被猴哥甩了。經計算孫悟空大約能拿到10億多元，學生十分驚訝，產生認知上的沖突，進而迫切想要了解新知識。

實踐創新平臺的先進性得到充分體現，除參與項目的實踐創新學分外，學生在項目實施過程中發表論文、申請專利、參與學科競賽、進行創業活動等還將獲得相應的額外學分，從而吸引了更多的優秀本科生進入實驗室、課題組和研究團隊，組成博士生導師→中青年教師（碩士生導師）→博士生→碩士生→優秀本科生的傳幫帶梯隊隊伍，進一步促進電力電子技術實踐創新平臺的發展，形成良性循環。可以預見，未來發展趨勢是從電力電子技術與運動控制教學實驗裝置過渡到電力電子技術實踐創新平臺。

1.3 實踐創新平臺人才培養體系

電力電子技術實踐創新平臺的研究和建設，目的是培養人才，特別是符合學校“四種能力”為主線的創新人才培養體系。為此，實施過程中要制定以此平臺為基礎的人才培養體系。結合學院已經實施的“卓越工程師教育培養計劃”，擬按圖2所示制定電力電子技術實踐創新人才培養體系，以體現本課程與“卓越工程師教育培養計劃”實施的有機結合。

圖2 實踐創新平臺人才培養體系制定流程

1.4 實踐創新平臺人才培養實施過程

當前國際先進的教學理念倡導工程教育應當從科學向工程實踐回歸［15］。CDIO 代表構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）、運作（operate），V模式開發流程也類似，如圖3所示，它以產品研發到產品運作的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程實踐知識，強調新一代實踐工程師創新培養的核心信念：個人的能力以及產品、過程和系統的建造能力必須在真實的工程實踐和解決問題的過程中取得［16］。

在產品開發最初（構思）階段，本科生必須對產品概念、需求、設計目的等進行詳細說明，研究生則結合開題報告進行。

圖3 實踐創新平臺V模式開發流程

方案設計階段，主要利用計算機各種軟件進行，電路原理圖、PCB板用protel系列軟件，電路仿真用PSPICE，系統建模和算法仿真用 Matlab／Simulink。以 Matlab／Simulink為基礎，快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）通過dSPACE DS1104平臺和Control Desk系列調試軟件實現，硬件在回路仿真（hardware－in－the－loop simulation， HILS） 通 過Quanser Q8和QuaRC實時仿真平臺進行。通過業界先進開發平臺，產品開發周期大大縮短，學生得以把主要精力集中在產品核心控制算法和具體控制器實現上。

嵌入式控制器是實施階段的重要環節。嵌入式控制器選用目前TI公司主流DSP芯片TMS320F2812（定點）／TMS320F28335（浮點）和高性能FPGA，主要實現A／D采樣、PWM 信號產生、通信接口（CAN、RS485）和控制算法功能。

運行階段則要把產品接入真實的電網進行指標性能測試，其中并網控制是關鍵環節。在實踐創新平臺的推動下，10kW光伏逆變控制系統、50kvar配電網靜止同步補償器（distribution static synchronous compensator，DSTATCOM）、30kVA 動態電壓恢復器（dynamic voltage restorer，DVR）裝置等科研項目裝置相繼掛網投入運行。過去學生害怕并網、只做仿真的局面得以改變，做出了較好的作品，且并網運行，實現了CDIO培養過程。部分作品見圖4、圖5。

圖4 實踐創新平臺能源轉換與控制系統

圖5 實踐創新平臺作品

1.5 實踐創新平臺技術特點

（1）多層次。滿足電氣工程及其自動化、農業電氣化與自動化、自動化本科專業、電力電子和電力傳動研究生專業學生對攻讀學位的電力電子技術研究平臺需求，優秀本科生、碩士研究生、博士研究生、博士后研究人員的人才培養和科研團隊科研項目實施可由此平臺開展。

（2）數字化。系統實測信號通過測量電路由A／D進行模擬到數字的轉換；通過RTW（real－time workshop）產生可在平臺控制器上運行的標準C代碼程序；實時接口RTI實現物理系統與離線仿真系統的信息數字化交換；通過數字脈寬調制DPWM（digital pulse－width modulation）輸出功率開關管的控制脈沖，實現對系統的目標控制。以圖形化的方式完成參數調整、指令輸入、結果顯示存儲等所有功能，為復雜算法的實現提供了有利的環境。

（3）擴展性。具有自主知識產權的電力電子技術實踐創新平臺可方便進行二次開發，目前基于此平臺已實現電能質量控制技術綜合平臺、異步發電機綜合控制實驗平臺、電機驅動節能技術研究平臺、光伏發電并網控制系統平臺、風／光／蓄多能互補主動微電網研究平臺等多個與電力電子技術密切相關的平臺建設，研究成果顯著。

2 結束語

（1）創新實驗系列項目為電力電子技術實驗改革和實踐創新平臺建設提供了良好的實施環境。

（2）構建具有自主知識產權的電力電子技術實踐創新平臺，可以滿足優秀本科生、研究生人才培養和教師科研項目實施要求。

（3）電力電子技術實踐創新平臺內容豐富，融合CDIO工程教育理念和V模型開發流程，具有多層次、數字化、開放性的技術特點，效果顯著，具有推廣價值。

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