離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

方天治，謝捷如

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)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(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”[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(shù)”抑或是“電機(jī)學(xué)”……，課程群中各門課程之間環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，知識點(diǎn)相互滲透。電氣學(xué)科的學(xué)生通過各門課程的學(xué)習(xí)，不僅要打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更要最終達(dá)成工程應(yīng)用的需求[2]。

雖然每門專業(yè)課程中的相應(yīng)知識點(diǎn)都會與工程實(shí)際緊密結(jié)合，但教師在授課過程中大多只能舉例說明，學(xué)生很難有切身感受。盡管幾乎每門專業(yè)課程都設(shè)置了實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)，但一般該環(huán)節(jié)的課時(shí)較短，并且大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上，欲使學(xué)生最終具備電氣學(xué)科的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，讓其參與到一項(xiàng)涵蓋各門課程知識點(diǎn)的課程設(shè)計(jì)是大有裨益的。當(dāng)然，這對相關(guān)的課程設(shè)計(jì)也提出了要求：盡可能多地囊括各門課程的工程應(yīng)用知識點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使之具有綜合性、系統(tǒng)性，從而促進(jìn)學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)綜合能力、工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。為此，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套離并網(wǎng)數(shù)字控制逆變電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(yīng)用。近年來，數(shù)字控制作為電力電子技術(shù)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對于所開發(fā)的數(shù)字控制逆變電源實(shí)驗(yàn)平臺，為了提高其在實(shí)際應(yīng)用背景的適用性并豐富平臺所涉及的工程應(yīng)用知識點(diǎn)，考慮進(jìn)行逆變電源在帶獨(dú)立負(fù)載運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行兩種工況下的平臺設(shè)計(jì)[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(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行有效設(shè)計(jì)以匹配本科生的已有知識體系，進(jìn)而培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

電氣課程群的結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，實(shí)驗(yàn)平臺各項(xiàng)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(jìn)的關(guān)系相對應(yīng)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)也需由淺入深與之匹配。

圖1 電氣課程群結(jié)構(gòu)體系

首先，給學(xué)生介紹有關(guān)離網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)逆變器的區(qū)別：前者帶獨(dú)立負(fù)載運(yùn)行，為電壓源型逆變器(交流電壓源)；后者為并網(wǎng)運(yùn)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(xué)生對基本電路知識中電源的理解。

其次，作為交流電源，實(shí)驗(yàn)平臺的相關(guān)知識——正弦交流電路是“電路”這門電類基礎(chǔ)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(gè)要素，故對其知識點(diǎn)的掌握需建立起新的觀點(diǎn)、體系和架構(gòu)，譬如用相量代替正弦量進(jìn)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(gè)重要的物理量。由此可見，交流電路的知識點(diǎn)繁雜，若不改變觀點(diǎn)、建立新知識架構(gòu)，恐怕很難理解由直流轉(zhuǎn)到交流的深邃含義，更不用談將其應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。

除了“電路”，實(shí)驗(yàn)平臺涉及的知識點(diǎn)還分布在其他各門課程中，表1給出了實(shí)驗(yàn)平臺所涉及的各門課程的對應(yīng)知識點(diǎn)。為了更好地讓學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)平臺，從而建立工程思維[5-6]，可由淺入深地設(shè)計(jì)初級、進(jìn)階以及終極3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，其中初級實(shí)驗(yàn)側(cè)重考察學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握與應(yīng)用，進(jìn)階實(shí)驗(yàn)和終極實(shí)驗(yàn)側(cè)重考察學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用以及一定的工程設(shè)計(jì)能力。由進(jìn)階實(shí)驗(yàn)到終極實(shí)驗(yàn)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(diǎn)所屬課程

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

如前所述，為了將本科生所學(xué)各門課程的知識點(diǎn)有效串聯(lián)起來并應(yīng)用于工程實(shí)際，本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置了3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)。其中，初級實(shí)驗(yàn)主要涉及本科生第一門電類課程——“電路”的基礎(chǔ)知識及相關(guān)應(yīng)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(fù)載和感性負(fù)載運(yùn)行，測試在兩種獨(dú)立負(fù)載運(yùn)行情況下的輸出功率，特別是帶感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)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(shí)的工作目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，故此時(shí)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(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對電路理論關(guān)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(shí)驗(yàn)只是對單獨(dú)一門課程中的知識點(diǎn)的工程實(shí)踐，故稱為初級實(shí)驗(yàn)。此外，對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)還要進(jìn)一步落實(shí)到他們對多門課程知識的綜合運(yùn)用，甚至衍生到對實(shí)際環(huán)節(jié)的工程設(shè)計(jì)上。因此，在以上初級實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)置了進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)輔以saber仿真，觀察THD值與濾波器參數(shù)的關(guān)系。通過上述實(shí)驗(yàn)很好地培養(yǎng)并考察學(xué)生對傅里葉變換及濾波器知識的綜合應(yīng)用。

2)逆變電源采用數(shù)字控制[7]，相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行且兼具良好性能。對此需綜合運(yùn)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(shè)計(jì)PI(比例積分)調(diào)節(jié)器等控制參數(shù)，故需學(xué)生結(jié)合已有的知識(根軌跡、波特圖等)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，并結(jié)合saber仿真觀察其參數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)上述數(shù)控模型中的控制環(huán)路。實(shí)驗(yàn)中給出有關(guān)程序的整體架構(gòu)供學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)也空出部分程序由學(xué)生完成，以考查學(xué)生運(yùn)用C語言編程的工程應(yīng)用能力。學(xué)生在編程完畢后將其應(yīng)用于逆變電源中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能運(yùn)行，工程設(shè)計(jì)能力在這一階段亦得以培養(yǎng)。

上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考察了學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，更在一定程度上鍛煉了他們的工程設(shè)計(jì)能力。相比這一階段的實(shí)驗(yàn)平臺的軟件，電源本身的硬件部分更需學(xué)生綜合應(yīng)用其所學(xué)知識，故在終極實(shí)驗(yàn)中給出了相應(yīng)培養(yǎng)方案，具體步驟如下：

1)了解逆變電源的主電路拓?fù)洹珮蛲負(fù)洌瑢ζ渲械碾姼羞M(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行理解并掌握。這一步驟涉及的課程包括“電力電子技術(shù)”“工程電磁場”“數(shù)字電路”。

2)了解逆變電源的采樣、驅(qū)動電路等，其中運(yùn)用了運(yùn)放、門電路等知識；了解霍爾元件的工作原理，并對驅(qū)動變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作；最終再次運(yùn)行逆變電源，并測試前述各項(xiàng)指標(biāo)。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(shù)”“工程電磁場”。

終極實(shí)驗(yàn)每個(gè)步驟的完成均涉及多門課程的綜合及相關(guān)工程設(shè)計(jì)，特別是設(shè)置了電感、驅(qū)動變壓器的設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)，其實(shí)際上是一個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)展中的必由之路。學(xué)生通過這一階段的訓(xùn)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(shí)的基礎(chǔ)。

圖2給出了以上3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，結(jié)合相應(yīng)圖例可見，各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟緊密銜接、層層遞進(jìn)。

4 結(jié)束語

電氣學(xué)科具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，故對其課程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行具體設(shè)計(jì)及開發(fā)，其所涉及的實(shí)驗(yàn)分成相關(guān)課程基礎(chǔ)知識點(diǎn)的應(yīng)用、各門課程的綜合應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)3個(gè)階段，對應(yīng)不同層次學(xué)生的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)將本科生所學(xué)各門課程有效串聯(lián)起來，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)具有很好的綜合性與系統(tǒng)性。實(shí)踐證明，本實(shí)驗(yàn)平臺在有效滿足電氣學(xué)科工程應(yīng)用需求的同時(shí)，也為本科生進(jìn)一步深造打下了良好的工程基礎(chǔ)。

圖2 3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程