新工科背景下虛擬電力電子實驗系統的開發與設計＊

李沁，唐德，李紹武，沈忱

新工科背景下虛擬電力電子實驗系統的開發與設計＊

李沁1，唐德2，李紹武1，沈忱1

（1.湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.中國地質大學 自動化學院，湖北 武漢 430074）

現有傳統的“電力電子學”及相關課程的實驗教學在硬件設備、實驗手段、創新教學上都存在一定缺陷，無法滿足新工科建設的要求。結合LabVIEW與Matlab/Simulink平臺，對“電力電子學”以及相關專業課程的實驗教學內容進行設計，建立虛擬實驗系統平臺。此系統能完成傳統實驗平臺同等要求的常規實驗，還能完成一些傳統硬件設備所不能實現的綜合性和設計類實驗，提高了電力電子實驗系統的靈活性和創新性，為開展新工科建設提供思路。

LabVIEW；Matlab/Simulink；電力電子；虛擬實驗

1 引言

“電力電子學”是電氣專業的一門專業基礎課，實驗教學是其中重要的環節。但是現有的傳統實驗室由于設備老舊、形式單一、內容僵化等問題，限制了實驗教學的代表性和創新性、實驗項目的設計性和靈性，妨礙了實驗室建設的可持續發展，教學效率低下，無法滿足新工科建設的內涵與特征[1-2]。

本文采用LabVIEW結合Matlab/Simulink平臺開發的虛擬實驗系統，代替傳統實驗平臺，避免了硬件設備的維護維修、元器件損壞、接線不直觀、實驗靈活性差的缺點。學生可以通過該實驗系統進行完整的模型仿真、波形觀察、參數調節、過程控制、結果分析等操作。經測試，本系統能完成實際實驗平臺同等要求的實驗，并且還能完成一些學校現有設備所不滿足的選修課和課程設計的綜合實驗，提高了電力電子實驗系統的靈活性和創新性，提高學生的積極性和主動性，有利于實現以學生為中心的新工科建設發展要求。

2 主界面設計

基于NI公司設計的LabVIEW軟件，能實現交互式的人機接口與測量儀器的設計，操作簡潔靈活[3]。

本設計基于LabVIEW和Matlab/Simulink的電力電子實驗教學平臺，有助于提高學生對理論知識的學習興趣，加深對系統設計的操作認識。

針對于“電力電子學”“電力電子課程設計”“柔性電力技術”等課程中涉及的課程實驗，結合筆者在課程教學以及學生在實驗過程中遇到的問題，對系統的整體功能進行了設計，如圖1所示。

按照預定的由整體到細節的分層編程思路設計方案，將虛擬實驗系統分為三個大的功能模塊，分別是系統認證模塊、系統主界面模塊、實驗模塊。

圖1 虛擬實驗系統整體功能設計

其中，系統認證模塊是實驗系統的初始運行模塊，用于實現用戶認證。通過系統管理員（教師）添加學生（常駐用戶）和訪客（臨時用戶），用戶數據均以數據庫的形式保存，管理員還可繼續添加、刪除用戶等操作；根據本系統設計，必須完成系統認證后才能進入實驗系統，提高了系統的安全性，也便于教師統計學生的到課率以及學生實驗的完成進度。系統登陸界面如圖2所示。

系統的主界面模塊包含了電力電子常規實驗和擴展實驗。通過主VI與子VI的依存關系對子VI進行調用，以此來打開和關閉實驗項目，由LabVIEW的靜態事件觸發來完成，主界面如圖3所示。

電力電子實驗模塊包括整流電路、逆變電路、交流調壓電路、直流斬波電路和擴展實驗模塊，涵蓋了課程中學習的典型變流電路的各類驗證性實驗和部分選修課與課程設計中需要的設計性實驗，還可根據后續課程的需要添加、修改和刪除各實驗項目。

3 實驗系統設計與測試

系統利用Matlab/Simulink強大的模型設計與分析的功能進行底層的仿真分析，對每一個實驗電路進行仿真計算、數據存儲，通過LabVIEW中的仿真接口工具箱（SIT）實現LabVIEW和Matlab/Simulink的統一結合，再基于VI前面板實現參數設置、波形顯示、結論分析等功能[4]。還可利用LabVIEW中的Web功能將實驗系統平臺在網絡網絡發布，學生可以遠程對虛擬實驗平臺訪問，不受空間和時間限制，進行實驗課程的學習[5]，方便學生在課下進行基礎實驗的學習，實驗課堂上教師可以更多地進行答疑和創新性教學設計的指導，使實驗教學更高效。

圖2 登錄界面

圖3 主界面

考慮到本實驗系統涉及的實驗較多，因此以單相橋式全控整流電路和擴展實驗中的動態電壓補償器（DVR）來進行簡單介紹。

3.1 單相橋式全控整流電路

3.1.1 單相橋式全控整流電路實驗程序設計

單相橋式全控整流電路是電力電子學中的一項常規實驗，是分析三相整流、有源逆變等電路的基礎。在Matlab/

Simulink中按照電路原理圖建立仿真模型，通過SIT接口聯立編程，創建單相橋式整流電路程序如圖4所示。

3.1.2 實驗測試

在實驗項目選擇的主界面上選擇打開對應實驗項目，此時虛擬系統會同時在后臺打開Matlab對應仿真模型的.mdl文件，如在實驗項目選擇界面上點擊“單相橋式全控整流電路”實驗選項進入實驗項目界面，如圖5所示。如同實際儀器一樣用鼠標“撥動”左上方的開關，此時運行狀態指示會亮起綠燈，表示實驗系統就緒。

圖4 單相橋全控整流電路實驗程序設計框圖

學生可根據實驗需要進行參數的調節。本實驗中通過調節負載的大小來改變負載類型，如果電感設置為0表示純電阻負載，如果電阻設置為0表示純電感負載；還可調節觸發角，本實驗項目可調節為30°、60°、90°、120°幾個典型值。也可在VI中修改為對話框的形式實現非典型值的觸發角數值的輸入。在參數設置完畢后即可點擊左下方“開始”按鈕進行實驗電路的仿真，結果如圖5所示。

圖5 單相橋式全控整流電路實驗仿真結果

如圖5所示，界面上顯示有電路原理，學生在實驗時可以對照原理圖進行理論分析，加深理解。在不同負載和觸發角下，其對應的晶閘管電壓、電流，負載的電壓和電流波形能直觀顯示在界面上，當觸發角不同時，學生通過仿真圖像中直觀的曲線對比，可對電阻負載、阻感負載在不同觸發角下的輸出有更深入的理解。并且相比傳統的實驗系統，其觸發角的調節更準確，相位和幅值的對比更清晰直觀。

3.2 擴展實驗：動態電壓補償器（DVR）

單相橋式全控整流電路在傳統實驗平臺上也能進行實驗，但是在很多選修課、方向課、課程設計中，受硬件條件和實驗環境的限制，無法進行相關的實驗操作和學習。例如在“柔性電力技術”這門課程中，分析了電力電子裝置在電力系統中的相關應用，在本實驗系統中，學生通過底層仿真模型的學習和搭建，能夠將抽象的應用與實際工程環境結合進行綜合性的實驗設計與學習，在本文中以動態電壓補償器（DVR）為例進行說明。

3.2.1 動態電壓補償器（DVR）的程序設計

動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）是一種應用于電力系統的電力電子串聯補償裝置，具有補償有功功率從而實現電壓調節的能力。當電力系統電壓受到干擾（如短路故障）時，會引起負荷側短時間（幾個周期到幾十個周期）的電壓跌落。可能造成敏感負荷的故障發生。通過在電力系統配網中串聯動態電壓調節器（DVR），它可在1～2個周期內利用逆變器產生的高頻PWM波來提供補償電壓，抵消或消除系統的擾動，使負荷側電壓基本不受影響，從而保證計算機等重要但很敏感的負荷的安全可靠運行[6]。

因為DVR配網動態電壓補償裝置大多都應用于中壓配電網系統中。完成該項實驗除了電壓跌落不便于及時測定外，電壓補償大小以及時間無法依靠學生手算得出，因此在校內實際實驗室中難以完成該項電力電子實驗，實驗效果打了折扣。然而學生在學習該部分理論知識時，如果沒有結合實際工程項目，對其工作原理、補償過程、控制效果的理解有一定難度，容易打消進一步學習的積極性，尤其對課程設計、選修課容易產生混及格混學分的錯誤學習態度，難以實現理想的學習效果。傳統實驗項目很難將實際工程項目在實驗室中實現，而在本虛擬實驗平臺中，通過將實際工程項目進行等效參數的建模，方便學生將抽象的概念轉換為實際的實驗項目來理解，加強了學生工程實踐能力。

在本實驗系統中，其VI設計方案與單相橋式全控整流實驗類似，按照分析→建模→建立VI→連接→仿真的順序進行設計。動態電壓補償器的程序設計如圖6所示。

圖6 DVR仿真實驗程序框圖

3.2.2 實驗測試

在實驗項目界面上選擇“DVR”實驗項目，進入實驗項目子界面，與單相橋式整流電路實驗類似，在使用時需要先打開界面上的開關，待指示燈變為綠色時，表明系統進入待運行模式。在左下方處點擊“開始”按鈕開始運行仿真。仿真過程是在底層由Matlab/Simulink搭建的.dll文件中運行，學生在仿真運行的過程中可以通過LabVIEW上位機監測界面對波形進行實時觀察，如圖7所示。

圖7 DVR仿真運行過程

以A相電壓發生電壓跌落時的調節過程為例進行說明。在參數設置部分，可以設定電壓跌落或者上升的幅度和出現的時間，由于在底層中設計了加入和不加入DVR實現電壓調節的兩個模型，一個仿真模型為不引入DVR裝置進行電壓補償前節點的電壓波形，明顯可見在設定時間內負載節點處發生了電壓跌落；另一個模型為在系統中加入DVR補償裝置后節點的電壓波形，在電壓跌落的時間內電壓實現了補償，在上位機中可同時對比顯示，還能進行放大和縮小的觀測，學生可以通過兩種模型節點電壓波形的分析與處理來深入學習DVR對電壓調節的作用。考慮到DVR補償的是PWM波，還需進行FFT分析，在上位機界面上加入節點經過濾波后基波電壓的顯示，幫助學生理解DVR的補償效果，可見通過DVR補償裝置在一個周期內就將跌落的電壓補償恢復為標幺值。學生還可以通過導出簡易圖像，針對波形進行更深入的分析與理解，還可以通過點擊波形圖右上方的Ub、Uc線條框來顯示B、C相的電壓按照同樣方法顯示和分析。在本實驗中學生還可以通過選擇某一相或者幾相短路來模擬當系統發生接地故障時DVR的電壓補償作用，在此不贅述。

在本虛擬實驗系統中，通過底層開發時提供相應的電壓補償算法，即可利用計算機和Matlab軟件自動進行電壓的測量和相應的補償，實驗過程簡單易行，可以根據學生的基礎和興趣，針對不同層級的學生可以有不同的實驗設計和步驟，如果是基礎較差的同學，可以在上位機界面上設計和觀察在不同電壓跌落故障下的DVR補償作用和效果，而基礎較好、學習興趣濃厚的同學，不僅可在上位機界面上完成驗證性實驗，還能打開底層的模型文件，進一步學習工程模型搭建、控制器參數設計與校正等知識，對于培養學生的學習興趣，提高獨立思考的能力有極大的幫助。其余的實驗也可根據學生基礎和層次有針對性進行實驗步驟和實驗內容的設計與修改，提高了傳統實驗平臺的靈活性和適用性。

4 結語

LabVIEW具有界面設計友好、編程功能強大的特點，能有效彌補傳統實驗平臺的不足。基于LabVIEW設計的電力電子虛擬實驗平臺，充分利用了LabVIEW測量界面的便捷性和Matlab/Simulink建模的靈活性，加深了學生理論和實驗學習的互通，學生可以靈活、高效地進行實驗，還能通過遠程進行學習與實踐，使學生的學習不再受時間和空間的限制，與理論學習靈活互補、有效協調，幫助學生加深對“電力電子學”相關課程的學習與理解，提高實踐能力，強化工程應用能力。有助于在新工科背景下，以學生為主體的自主學習與新型實驗教學模式的結合發展。

［1］于飛，向東，魏永清.基于LabVIEW及Matlab的“電力電子技術”教學［J］.電氣電子教學學報，2013，35（3）：49-51.

［2］李沁，艾青，陳坤燚，等.基于Matlab/Simulink和LabVIEW的電力拖動虛實結合實驗系統設計［J］.科技與創新，2018（20）：61-63.

［3］田思慶，侯強，王越男.基于LabVIEW的“自動控制原理”實驗教學平臺［J］.電氣電子教學學報，2019，41（2）：135-138，151.

［4］周巖，張騰飛，馬海嘯，等.基于LabVIEW構建“電力電子技術”實踐教學平臺［J］.電氣電子教學學報，2018，40（5）：129-131，135.

［5］潘玉恒，魯維佳，陳佳慧，等.電子信息類專業課程遠程虛擬實驗平臺的構建［J］.實驗室科學，2018，21（3）：75-77.

［6］史建平，杜立.基于分布式電網中DVR的補償控制策略研究［J］.電子器件，2018，41（3）：631-637.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.005

2095－6835（2019）19－0016－04

李沁，女，博士，講師，長期從事電力電子與電力拖動、電氣信息檢測等教學研究。

湖北民族大學教學研究項目（編號：2014JY034）

〔編輯：嚴麗琴〕