工程問題在“電力電子技術實驗”課程教學中的改革探索

黃日帆，潘曉明，田軍南，彭達莉，唐濤祥

（廣西科技師范學院 機械與電氣工程學院，廣西 來賓 546100）

0 引言

隨著科技的進步，電力電子技術廣泛應用在電力系統、新能源發電、家用電器、交通運輸等領域，“電力電子技術”課程在電氣工程類應用型人才培養中顯得越來越重要[1]。本課程的學習目標不僅要求學生掌握扎實電力電子技術的理論知識，而且要求學生掌握解決電力電子工程領域相關問題的技能[2]。隨著電力電子技術在新工程中的廣泛應用[3]，許多高校“電力電子技術”實驗教學設備陳舊、實驗內容單一，很難培養理論知識扎實、動手能力強、工程素質高的高級工程技術人才[4]。本研究對“電力電子技術實驗”教學改革與實際工程應用相結合展開探索，使課程教學面向工程實際需要，培養學生應用電力電子技術解決實際工程問題的綜合能力和創新思維[5]。以電力電子技術在分布式儲能發電領域的實際工程應用，以項目工程實例方式，對電力電子技術實驗課程教學進行改革，使學生進一步理解電力電子技術的在實際工程問題中的應用，以培養具備創新實踐能力強的應用型高級工程技術人才。

1 應用型人才培養存在的問題

當前，電力電子技術課程實驗教學方法與應用型高級電氣工程類技術人才培養目標不相適應，主要表現為以下幾個方面：

（1）目前電力電子技術課程教材多以晶閘管技術、電能整流（AC-DC）技術、電能逆變（DC-AC）技術以及脈沖寬度調制（PWM）技術為主要內容[6]，而當今實際工程中常用的全控型器件，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）以及場效晶體管（MOSFET）只是簡單介紹其基本原理。課程的實驗教材內容大多是以教材內容進行實驗教學設計[7]，與實際工程問題的設計不相適應，達不到鍛煉學生分析和解決實際工程問題的能力，不利于應用型高級工程技術人才的培養。

（2）目前課程實驗教學內容不以具體的工程問題為導向，不利于培養學生通過實驗課程所學的技能來解決實際工程問題的能力[8]。課程的實驗教學設計局限在一般的驗證性實驗和演示性實驗，缺少與實際工程設計之間的聯系，這不足以培養學生分析和解決實際工程問題的能力。

（3）地方性應用型本科院校招生規模不斷擴大，給課程的實驗教學帶來新的困難與挑戰[9]。當前，多數地方性應用型本科院校存在實驗設備陳舊、備數量不足以及實驗內容單一等問題[10]。另外，學生通過集成化實驗平臺展開實驗，很難接觸到實驗平臺內部的各種電力電子器件，操作能力、創新能力得不到鍛煉。同時，學生在實驗平臺進行實驗活動時，經常誤操作造成實驗平臺損壞，降低其參與實驗教學的興趣，不利于學生綜合技能的提升。

2 工程問題能力培養的實驗教學改革

將“電力電子技術”課程的實踐教學內容與實際工程問題相結合，在教學過程中除了驗證性實驗項目外，增加了新能源發電及智能電網相關的工程應用案例，通過工程應用實例的講解，激發學生的學習興趣。結合工程實踐與探究環節，加深學生對理論知識的深層次理解，培養了學生實踐創新能力、自主學習能力以及工程設計應用能力。

將計算機仿真軟件MATLAB/Simulink引入實驗課的教學中，可完成電力電路的仿真設計以及仿真智能控制，仿真實驗平臺不會造成電力電子器件的損壞，平臺建設的資金投入比較小。另外，仿真實驗平臺的搭建不受時間和場地的限制，為學生實踐創新提供很大的便利條件。與傳統實驗方法相比，基于MATLAB/Simulink仿真實驗平臺提高實驗的橫向廣度和縱向深度。學生可以方便地修改器件的仿真系統的參數，直觀地觀察各個元件以及節點的波形、電路的不同工作狀態及動態顯示分析波形，更加透徹地理解工程系統的工作過程。通過指導教師的演示以及學生動手調試，使學生更好地鞏固所學的理論知識，同時還提高了學生的分析問題和解決問題的能力。

因此，采用工程運用實例，提出了基于MATLAB/Simulink仿真軟件對分布式光伏儲能微電網進行仿真研究，包括變流器的拓撲結構設計及其控制算法設計。該仿真系統可以加深學生對“電力電子技術”理論原理和工程應用系統設計方面知識的理解，使得課程的理論原理教學與實際工程應用之間相互適應，為學生將來成為高級工程技術人才打下堅實基礎。

3 工程問題應用的實驗教學

下面以分布式光伏儲能微電網實際工程為例，說明如何展開課程的實驗教學活動。在學生系統學習逆變電路、整流電路的工作原理后，然后利用MATLAB/Simulink仿真軟件建模仿真，使學生進一步理解逆變電路、整流電路的拓撲結構、基本特性和工作原理，最后在MATLAB/Simulink模塊搭建分布式儲能微電網系統的仿真模型，以該仿真模型例深入的學習解決工程問題的技能。

將電路元器件模塊按儲能微電網系統結構圖組成仿真系統，如圖1所示，主要由儲能電池部分、變流器部分、電網側濾波器部分和電網四部分大部分組成。變流器由全控性器件IGBT構成儲能微電網系統能可以實現電能的雙向流動即儲能電池的充電過程以及放電過程。給儲能電池充電時，微電網系統從電網側獲取電能，利用AC-DC技術實現儲能電池充電。反之，微電網系統利用DC-AC技術實現儲能電池向電網或者負載供電。

圖1 儲能微電網系統仿真圖

系統仿真給定參數儲能電池端電壓為直流85 V，電網線電壓為交流380 V。如圖2所示，為微電網仿真系統的儲能電池由放電狀態切換到充電狀態，即由逆變狀態切換整流狀態，0 s~0.1 s儲能電池放電電流約為6 A，0.1 s時刻電池由放電切換到充電模式，充電電流為電流約為3 A，同時可以清楚地觀察電網側交流電流每一相的變化。同理，如圖3所示，為微電網仿真系統的儲能電池由充電狀態切換至放電狀態，即由整流狀態切換逆變狀態。系統仿真結果顯示該系統控制策略優良，系統運行穩定。該系統仿真模型以及仿真結果有利于學生深入理解電力電子技術在儲能微電網工程項目中的重要作用。

圖2 儲能電池由放電狀態切換至充電狀態

圖3 儲能電池由充電狀態切換至放電狀態

4 改革效果

在分析應用型本科高校電氣工程類專業“電力電子技術”課程實驗教學過程中出現相關問題的基礎上，對實驗教學環節進行了以工程問題為導向的改革，進一步充實學生的學習內容，學生解決工程問題的能力得到了提升，該種教學方式獲得學生好評。在課程實驗教學方式改革后，學院學生積極申請與電力電子技術相關創新實踐項目，如我院電氣工程及其自動化學生申請的“光電充——離網型光伏梯次儲能電站”大學生創新創業訓練計劃項目獲得了自治區級項目立項（項目編號為S202111546020），該項目是以電力電子技術為核心工程型訓練項目。在實行以工程問題為導向的實驗教學基礎上，學院還需深化校企業合作，邀請企業工程師進校與學生進行交流，同時鼓勵課程指導教師到企業進行掛職鍛煉。

5 結語

將MATLAB/Simulink仿真技術引入實驗教學中，學生可以自己動手去設計或開發實用電路模型，并對電路的運行效果進行模擬實驗。這樣既能解決實驗器材老化及頻繁損壞實驗裝置的問題，又能調動學生學習的主動性，讓學生充分發揮自己的想象力，極大地提高學生的思維能力和動手實踐能力，是理論教學的有益補充。激發了學生學習的積極性和興趣，加強了學生對理論知識的理解和延伸應用，進而提高學生動手和操作能力，強化了學生工程實踐意識和綜合素質的培養，使其具備了一定的分析和解決問題的能力，在切實提高教學質量的同時，使學生的實踐、創新等綜合素質得以提高，以適應當今社會對應用型高級工程技術人才的要求。