電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)的構(gòu)建

楊達(dá)亮，盧子廣，杭乃善，陳延明，胡立坤，李國(guó)進(jìn)

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧 530004）

《電力電子技術(shù)》課程是橫跨電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)之間的交叉科學(xué)，是目前最活躍、發(fā)展最快的一門(mén)新興學(xué)科，近20年來(lái)得到迅速發(fā)展[1]。柔性交流輸電FACTS（flexible AC transmission system）技術(shù)的基礎(chǔ)是電力電子器件，電力電子技術(shù)的應(yīng)用正從傳統(tǒng)的角色向更加廣闊的領(lǐng)域拓展，特別是在可再生能源發(fā)電、新型節(jié)能技術(shù)、電能質(zhì)量及其控制等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。與此同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制性能也在不斷提高，非線性控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等復(fù)雜算法開(kāi)始應(yīng)用于電力電子控制系統(tǒng)[2，3]。另外，電力電子和電力驅(qū)動(dòng)相關(guān)課程近20年來(lái)沒(méi)有太多的變化，面對(duì)控制實(shí)時(shí)化和數(shù)字化的要求，學(xué)習(xí)此課程的相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生需要掌握對(duì)電力電子器件模塊各種性能的控制方法，然后通過(guò)可編程邏輯控制器PLC（programmable logic controller）、單片機(jī)MCU（micro control unit）、高級(jí)精簡(jiǎn)指令集微處理器ARM（advanced RISC microprocessor）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（field programmable gate array）或數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）等嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字化控制，這就要求重新調(diào)整課程結(jié)構(gòu)[4]，以適應(yīng)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展。基于此，本文旨在探索建立《電力電子技術(shù)》實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，以方便學(xué)生（包括本科生、碩士研究生和博士研究生）將數(shù)字化控制引入到控制系統(tǒng)中，快速地對(duì)電力電子控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和測(cè)試，提升學(xué)生創(chuàng)造能力、實(shí)踐能力、就業(yè)能力、創(chuàng)業(yè)能力—“4種能力”培養(yǎng)。

1 構(gòu)建電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)的理論依據(jù)

1.1 從國(guó)家層面，提高質(zhì)量是我國(guó)高等教育改革發(fā)展最核心最緊迫的任務(wù)

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》、《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高[2012]4號(hào)）等文件明確提出，不斷提高質(zhì)量是高等教育的生命線，我國(guó)高等學(xué)校要把提高質(zhì)量作為教育改革發(fā)展最核心最緊迫的任務(wù)，始終貫穿人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會(huì)服務(wù)、文化傳承創(chuàng)新各項(xiàng)工作之中。廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院較早開(kāi)展電力電子和電力驅(qū)動(dòng)研究工作，近年來(lái)，通過(guò)“211”重點(diǎn)學(xué)科（電氣工程與“西電東送”關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)學(xué)科群）建設(shè)和國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目、優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)的有力推動(dòng)，對(duì)電力電子技術(shù)學(xué)科教學(xué)改革進(jìn)行了有益的嘗試，已初步建立起電力電子控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真綜合平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以dSPACE DS1104、Quanser Q8控制器為核心，可以實(shí)現(xiàn)快速控制原型RCP（rapid control prototyping）和硬件在回路仿真HILS（hardware－inthe－loop simulation），并建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)仿真模型庫(kù)（包括算法和系統(tǒng)模型），已具備開(kāi)展建設(shè)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)的軟硬件基礎(chǔ)。本文所描述的電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，在已有的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)采用先進(jìn)的教學(xué)理念和方法，全面擴(kuò)展內(nèi)涵建設(shè)，探索實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)，以進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1.2 從行業(yè)層面，電力電子技術(shù)是建設(shè)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和技術(shù)手段

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著全球能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，用戶對(duì)電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，電力行業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇，除電力需求增加等因素外，還表現(xiàn)為：①風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，大量間歇性分布式電源需要接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)提出了新的要求；②電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，電網(wǎng)與用戶實(shí)現(xiàn)友好互動(dòng)，未來(lái)發(fā)展應(yīng)以用戶需要為導(dǎo)向（電網(wǎng)不僅要向用戶提供可靠、綠色、高質(zhì)、個(gè)性化的電能，用戶也可以向電網(wǎng)輸送剩余電能）；③大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)任意接入和退出電網(wǎng)等用電方式的改變，對(duì)電力系統(tǒng)安全和供電電能質(zhì)量提出更高的技術(shù)要求。因此，依靠現(xiàn)代電力電子、計(jì)算機(jī)、控制等多門(mén)學(xué)科交叉和技術(shù)融合，積極有序地發(fā)展智能電網(wǎng)，以適應(yīng)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的要求，已成為國(guó)際電力發(fā)展的必然要求。通過(guò)建設(shè)智能電網(wǎng)，充分發(fā)揮電網(wǎng)在資源優(yōu)化配置、服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義[5～8]。以柔性交流輸電FACTS技術(shù)、高壓直流輸電HVDC（high voltage DC）技術(shù)、定制電力CP（custom power）技術(shù)和能量轉(zhuǎn)換技術(shù)為代表的先進(jìn)電力電子技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，它是建設(shè)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和技術(shù)手段[9]。正因?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在建設(shè)智能電網(wǎng)中的重要地位，對(duì)其課程進(jìn)行改革以適應(yīng)未來(lái)發(fā)展迫在眉睫。

2 電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)內(nèi)容

根據(jù)電力電子技術(shù)課程特點(diǎn)和已有的多年教學(xué)、科研研究基礎(chǔ)，結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化建設(shè)優(yōu)質(zhì)、特色專(zhuān)業(yè)和重點(diǎn)學(xué)科發(fā)展要求，并充分考慮學(xué)院“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)際情況，首先提出如圖1所示的《電力電子技術(shù)》實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖。圖1的中心部分為電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)技術(shù)內(nèi)涵部分，是技術(shù)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）、運(yùn)作（operate）CDIO培養(yǎng)模式[10]以及專(zhuān)業(yè)與人才培養(yǎng)層次等圍繞實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)展開(kāi)或擴(kuò)充。整個(gè)平臺(tái)具有技術(shù)內(nèi)涵充實(shí)，多層次、數(shù)字化、開(kāi)放性的特點(diǎn)。

2.1 電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)技術(shù)內(nèi)涵建設(shè)

整個(gè)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)以Matlab、dSPACE和QuanserQ8等高性能平臺(tái)為核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)2部分。硬件結(jié)構(gòu)主要由dSPACE平臺(tái)控制器和主電路組成；平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)由Matlab/Simulink軟件，dSPACE軟件和實(shí)時(shí)仿真模型庫(kù)組成。在此基礎(chǔ)上，不同層次的學(xué)生可根據(jù)實(shí)際功能需要，按照平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行更換、擴(kuò)展，或通過(guò)通信總線組成多處理器復(fù)雜系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。其中接口標(biāo)準(zhǔn)、器件選型、結(jié)構(gòu)選擇、算法設(shè)計(jì)等具體細(xì)節(jié)還需要根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)、培養(yǎng)層次、項(xiàng)目類(lèi)型等進(jìn)行選擇。通過(guò)驗(yàn)證的控制算法可以直接移植到嵌入式處理器來(lái)運(yùn)行，目前基于高性能DSPTMS320F2812/TMS320F28335已經(jīng)脫機(jī)運(yùn)行，基于FPGA正在實(shí)現(xiàn)當(dāng)中。

圖1 電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the practice innovation platform for power electronics technology

2.2 實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)內(nèi)容設(shè)計(jì)

訓(xùn)練內(nèi)容按照培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)造能力、實(shí)踐能力、就業(yè)能力、創(chuàng)業(yè)能力”的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。培養(yǎng)過(guò)程則按照CDIO模式進(jìn)行，以培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中鞏固知識(shí)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的工程能力。具體內(nèi)容上，主要結(jié)合學(xué)生專(zhuān)業(yè)，由培養(yǎng)層次決定。學(xué)習(xí)課程時(shí)以相控整流和脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制逆變?yōu)橹饕獌?nèi)容；優(yōu)秀本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主要內(nèi)容；研究生以學(xué)科前沿問(wèn)題和科研項(xiàng)目為主要訓(xùn)練內(nèi)容。

2.3 實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)層次建設(shè)

電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等本科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生主要進(jìn)行整流、逆變等單相/三相電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制（相控、PWM控制）設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)容可適當(dāng)豐富；電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)碩士研究生可以進(jìn)行新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如Z源逆變器）、新型PWM控制算法（直接轉(zhuǎn)矩控制、直接功率控制等）、電能質(zhì)量及控制技術(shù)（統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、靜止同步補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等）、新能源發(fā)電技術(shù)（風(fēng)能發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)等）、獨(dú)立發(fā)電技術(shù)（異步發(fā)電等）、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專(zhuān)業(yè)碩士生可進(jìn)行電壓、電流、相位、頻率等電量在單相/三相，對(duì)稱(chēng)/非對(duì)稱(chēng)等情況下用快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transform）、小波變換、瞬時(shí)功率理論，S變換，Hilbert-Huang（HH）變換，Time-Time（TT）變換及形態(tài)濾波器等進(jìn)行檢測(cè)和算法處理研究；博士研究生、青年教師等研究人員可進(jìn)行從系統(tǒng)建模到背靠背變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高級(jí)新型算法等創(chuàng)新研究。

2.4 實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)師資隊(duì)伍的建設(shè)

電力電子技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)師資隊(duì)伍建設(shè)。師資隊(duì)伍包括專(zhuān)業(yè)教研室和專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的教師。通過(guò)攻讀學(xué)位、人才引進(jìn)、訪問(wèn)進(jìn)修、學(xué)術(shù)交流、對(duì)口支援（華南理工大學(xué)）等多種方式，建立一支年齡結(jié)構(gòu)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、工程素質(zhì)均較為合理的師資隊(duì)伍，有力支撐電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)工作的開(kāi)展。

2.5 實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)管理建設(shè)

在電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中，采取“問(wèn)題為導(dǎo)向、項(xiàng)目為組織”的原則，堅(jiān)持教學(xué)科研并重機(jī)制，開(kāi)展具有專(zhuān)業(yè)指向性的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)科研活動(dòng)，形成可持續(xù)發(fā)展的管理機(jī)制，并從技術(shù)、成果和人員3個(gè)方面不斷完善。一些成熟的技術(shù)如硬件電路、系統(tǒng)模型和控制算法納入成果庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模塊化和資源共享，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)和資源浪費(fèi)。研究生在導(dǎo)師項(xiàng)目帶動(dòng)下直接利用此實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)展課題研究。對(duì)于本科生，實(shí)行雙向選擇、重點(diǎn)培養(yǎng)。在電力電子技術(shù)課堂上，教師將實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)技術(shù)內(nèi)涵和研究熱點(diǎn)、學(xué)科前沿問(wèn)題與學(xué)生互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激發(fā)興趣，然后在老師指導(dǎo)下申請(qǐng)國(guó)家級(jí)、區(qū)級(jí)和校級(jí)創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)技能等相關(guān)項(xiàng)目，目前此類(lèi)項(xiàng)目可占學(xué)院學(xué)生總數(shù)50%左右，項(xiàng)目實(shí)施周期2 a。學(xué)生參與創(chuàng)新項(xiàng)目可以獲得相對(duì)應(yīng)的學(xué)分，在保研考研、評(píng)優(yōu)就業(yè)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。這樣，不但落實(shí)了經(jīng)費(fèi)，還從師資和生源方面步入可持續(xù)發(fā)展的良性循環(huán)，充分調(diào)動(dòng)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)課題、進(jìn)團(tuán)隊(duì)的積極性，整體上達(dá)到并實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放性實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)，開(kāi)放的廣度、深度和厚度不斷擴(kuò)大。

3 電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)應(yīng)用分析

目前國(guó)內(nèi)高校的電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)普遍采用“電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置”，本科學(xué)生只需通過(guò)簡(jiǎn)單面板連線即可完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐和創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉。同時(shí)，研究生培養(yǎng)和科研項(xiàng)目的實(shí)施需要與學(xué)科前沿接軌的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)能為力。構(gòu)建電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)以后，情況有了根本改變。

經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，目前電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)可再生能源接入、電能質(zhì)量、電機(jī)節(jié)能技術(shù)、獨(dú)立供電（異步發(fā)電）、儲(chǔ)能充放電控制等關(guān)鍵技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)（如圖2所示），對(duì)專(zhuān)業(yè)建設(shè)和學(xué)科發(fā)展、人才培養(yǎng)，發(fā)揮了十分重要的作用。采用電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)后，取得了較為滿意的效果，表現(xiàn)在3個(gè)方面。

圖2 電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)成果Fig.2 Achievements of practice innovation platform for power electronics technology

（1）基于此平臺(tái)進(jìn)行實(shí)施以本科生為主導(dǎo)的“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目、“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目、廣西大學(xué)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能與科技創(chuàng)新能力訓(xùn)練基金項(xiàng)目和廣西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目相繼獲得立項(xiàng)，以此平臺(tái)進(jìn)行的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)歷年獲得優(yōu)秀成績(jī)。

（2）研究生（碩士研究生、博士研究生）以此實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)進(jìn)行控制算法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等理論研究和系統(tǒng)研制工作，在異步獨(dú)立發(fā)電、電能質(zhì)量及其控制技術(shù)、電機(jī)控制、光伏發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、微網(wǎng)控制技術(shù)（基于蓄電池儲(chǔ)能充放電控制）等方面取得了一系列成果，部分研究成果已經(jīng)陸續(xù)發(fā)表在《電力電子技術(shù)》、《電力自動(dòng)化設(shè)備》和《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)期刊上。

（3）依托電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)組建的“先進(jìn)測(cè)控和智能電力”科研團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣西自然科學(xué)基金、廣西科技攻關(guān)、廣西住房和城市建設(shè)廳專(zhuān)項(xiàng)課題、南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題等一大批科研項(xiàng)目，對(duì)電氣工程學(xué)科前沿問(wèn)題進(jìn)行理論探索，并相繼研制了10 kVA光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)、50 kvar配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器DSTATCOM（distribution static synchronous compensator）和30 kVA動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（dynamic voltage restorer）裝置。

通過(guò)電力電子技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，學(xué)生改變了過(guò)去只能仿真的被動(dòng)局面，勇于實(shí)踐，通過(guò)實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了CDIO模式的培養(yǎng)過(guò)程。

4 結(jié)論

（1）建設(shè)完成電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，使學(xué)生的工程能力和實(shí)踐創(chuàng)新素質(zhì)得到較大提升。

（2）形成有特色的基于電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)模式，包括改變教師的教學(xué)方法，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性等，同時(shí)教師科研能力不斷提升。

（3）多層次、數(shù)字化、開(kāi)放性的電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，滿足不同教學(xué)科研需要，極具推廣價(jià)值。

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