離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源教學實驗平臺設計與開發(fā)

方天治，謝捷如

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 211106)

電氣工程專業(yè)涉及的專業(yè)課程眾多，從“電路”到“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”[1]，從“信號與線性系統(tǒng)”到“自動控制原理”，從“工程電磁場”到“電力電子技術”抑或是“電機學”……，課程群中各門課程之間環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，知識點相互滲透。電氣學科的學生通過各門課程的學習，不僅要打下扎實的理論基礎，更要最終達成工程應用的需求[2]。

雖然每門專業(yè)課程中的相應知識點都會與工程實際緊密結合，但教師在授課過程中大多只能舉例說明，學生很難有切身感受。盡管幾乎每門專業(yè)課程都設置了實驗課環(huán)節(jié)，但一般該環(huán)節(jié)的課時較短，并且大多是驗證性實驗。實際上，欲使學生最終具備電氣學科的相關工程經(jīng)驗，讓其參與到一項涵蓋各門課程知識點的課程設計是大有裨益的。當然，這對相關的課程設計也提出了要求：盡可能多地囊括各門課程的工程應用知識點，在此基礎上，對相應的實驗平臺進行合理的設計，使之具有綜合性、系統(tǒng)性，從而促進學生掌握扎實的理論基礎，并培養(yǎng)學生的系統(tǒng)綜合能力、工程設計能力和創(chuàng)新能力。為此，本文設計并開發(fā)了一套離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源教學實驗平臺。

1 離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源

逆變電源又叫逆變器，其可將直流電轉換為交流電(DC-AC)，是典型的電力電子變換單元，在UPS、航空靜止變流器、交流微網(wǎng)等場合均得到了廣泛應用。近年來，數(shù)字控制作為電力電子技術中的重要控制方法，其相比模擬控制具有控制靈活、通用性強等優(yōu)點。對于所開發(fā)的數(shù)字控制逆變電源實驗平臺，為了提高其在實際應用背景的適用性并豐富平臺所涉及的工程應用知識點，考慮進行逆變電源在帶獨立負載運行與并網(wǎng)運行兩種工況下的平臺設計[3]。

對于離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源，需對其略顯龐雜的實驗體系進行有效設計以匹配本科生的已有知識體系，進而培養(yǎng)其工程實踐能力。

2 實驗平臺的設計

電氣課程群的結構體系如圖1所示，實驗平臺各項環(huán)節(jié)的組織需與之緊密貼合。與課程群中各門課程之間層層遞進的關系相對應，各個實驗步驟的設計也需由淺入深與之匹配。

圖1 電氣課程群結構體系

首先，給學生介紹有關離網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)逆變器的區(qū)別：前者帶獨立負載運行，為電壓源型逆變器(交流電壓源)；后者為并網(wǎng)運行，其輸出電壓由電網(wǎng)決定，被控量為其輸出電流，故其為電流源型逆變器(交流電流源)。顯然，這一概念上的區(qū)別加深了學生對基本電路知識中電源的理解。

其次，作為交流電源，實驗平臺的相關知識——正弦交流電路是“電路”這門電類基礎課程的最為重要的環(huán)節(jié)，也是該課程的分水嶺。與直流量相比，交流量存在幅值、頻率、相位等多個要素，故對其知識點的掌握需建立起新的觀點、體系和架構，譬如用相量代替正弦量進行分析[4]。此外，交流電所涉及的功率亦不再單純，需區(qū)分有功功率、無功功率以及視在功率，且涉及到功率因數(shù)這個重要的物理量。由此可見，交流電路的知識點繁雜，若不改變觀點、建立新知識架構，恐怕很難理解由直流轉到交流的深邃含義，更不用談將其應用到工程實際當中。

除了“電路”，實驗平臺涉及的知識點還分布在其他各門課程中，表1給出了實驗平臺所涉及的各門課程的對應知識點。為了更好地讓學生將所學知識應用于實驗平臺，從而建立工程思維[5-6]，可由淺入深地設計初級、進階以及終極3個階段的實驗，其中初級實驗側重考察學生對基礎知識的掌握與應用，進階實驗和終極實驗側重考察學生對知識的綜合運用以及一定的工程設計能力。由進階實驗到終極實驗則是由偏重軟件到偏重硬件的由易到難的過渡。

表1 知識點所屬課程

3 實驗內(nèi)容

如前所述，為了將本科生所學各門課程的知識點有效串聯(lián)起來并應用于工程實際，本實驗平臺設置了3個階段的實驗。其中，初級實驗主要涉及本科生第一門電類課程——“電路”的基礎知識及相關應用，其具體內(nèi)容涉及如下兩種工況：

1)對于逆變電源工作在離網(wǎng)模式——帶阻性負載和感性負載運行，測試在兩種獨立負載運行情況下的輸出功率，特別是帶感性負載運行時的輸出有功功率P、無功功率Q、視在功率S以及功率因數(shù)cosφ。

2)對于逆變電源工作在并網(wǎng)模式，此時的工作目標是要實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，故此時測試并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)電流的有效值Ig、功率因數(shù)cosφ、有功功率P。

通過上述實驗，使學生對電路理論關于正弦交流電部分的重要物理量有了直觀的工程概念。由于該階段的實驗只是對單獨一門課程中的知識點的工程實踐，故稱為初級實驗。此外，對學生工程思維的培養(yǎng)還要進一步落實到他們對多門課程知識的綜合運用，甚至衍生到對實際環(huán)節(jié)的工程設計上。因此，在以上初級實驗的基礎上進一步設置了進階實驗，具體步驟如下：

1)分別測試逆變電源工作于離網(wǎng)、并網(wǎng)模式時的輸出電壓、電流的總諧波含量(THD)，該測試對象是以“信號與線性系統(tǒng)”課程中的傅里葉變換作為理論依據(jù)。同時輔以saber仿真，觀察THD值與濾波器參數(shù)的關系。通過上述實驗很好地培養(yǎng)并考察學生對傅里葉變換及濾波器知識的綜合應用。

2)逆變電源采用數(shù)字控制[7]，相應的數(shù)控系統(tǒng)需實現(xiàn)穩(wěn)定運行且兼具良好性能。對此需綜合運用Z變換知識(信號與線性系統(tǒng))和自控知識(自動控制原理)。對于該逆變電源數(shù)控系統(tǒng)在z域中的模型，需合理設計PI(比例積分)調(diào)節(jié)器等控制參數(shù)，故需學生結合已有的知識(根軌跡、波特圖等)進行相應的實戰(zhàn)演習，并結合saber仿真觀察其參數(shù)設計效果。

3)由于逆變電源采用的是數(shù)字控制，故需通過DSP編程方能實現(xiàn)上述數(shù)控模型中的控制環(huán)路。實驗中給出有關程序的整體架構供學生學習，同時也空出部分程序由學生完成，以考查學生運用C語言編程的工程應用能力。學生在編程完畢后將其應用于逆變電源中實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能運行，工程設計能力在這一階段亦得以培養(yǎng)。

上述實驗進一步考察了學生對所學專業(yè)知識的綜合應用能力，更在一定程度上鍛煉了他們的工程設計能力。相比這一階段的實驗平臺的軟件，電源本身的硬件部分更需學生綜合應用其所學知識，故在終極實驗中給出了相應培養(yǎng)方案，具體步驟如下：

1)了解逆變電源的主電路拓撲——全橋拓撲，對其中的電感進行設計并制作；對采用的器件——MOSFET有直觀感受；對主電路部分主要器件的選型過程進行理解并掌握。這一步驟涉及的課程包括“電力電子技術”“工程電磁場”“數(shù)字電路”。

2)了解逆變電源的采樣、驅動電路等，其中運用了運放、門電路等知識；了解霍爾元件的工作原理，并對驅動變壓器進行設計和制作；最終再次運行逆變電源，并測試前述各項指標。這一步驟涉及的課程包括“模擬電路”“數(shù)字電路”“電力電子技術”“工程電磁場”。

終極實驗每個步驟的完成均涉及多門課程的綜合及相關工程設計，特別是設置了電感、驅動變壓器的設計這一環(huán)節(jié)，其實際上是一個工程項目進展中的必由之路。學生通過這一階段的訓練勢必有助于建立其工程思維，為日后的研究工作打下扎實的基礎。

圖2給出了以上3個階段的實驗進程，結合相應圖例可見，各個實驗步驟緊密銜接、層層遞進。

4 結束語

電氣學科具有很強的工程應用背景，故對其課程設計提出了更高要求。本文對一種離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源實驗平臺進行具體設計及開發(fā)，其所涉及的實驗分成相關課程基礎知識點的應用、各門課程的綜合應用和工程設計3個階段，對應不同層次學生的培養(yǎng)。實驗將本科生所學各門課程有效串聯(lián)起來，整個實驗平臺的建設具有很好的綜合性與系統(tǒng)性。實踐證明，本實驗平臺在有效滿足電氣學科工程應用需求的同時，也為本科生進一步深造打下了良好的工程基礎。

圖2 3個階段的實驗進程