工程問(wèn)題在“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中的改革探索

黃日帆，潘曉明，田軍南，彭達(dá)莉，唐濤祥

（廣西科技師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣西 來(lái)賓 546100）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、家用電器、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，“電力電子技術(shù)”課程在電氣工程類應(yīng)用型人才培養(yǎng)中顯得越來(lái)越重要[1]。本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握扎實(shí)電力電子技術(shù)的理論知識(shí)，而且要求學(xué)生掌握解決電力電子工程領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題的技能[2]。隨著電力電子技術(shù)在新工程中的廣泛應(yīng)用[3]，許多高?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，很難培養(yǎng)理論知識(shí)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、工程素質(zhì)高的高級(jí)工程技術(shù)人才[4]。本研究對(duì)“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合展開(kāi)探索，使課程教學(xué)面向工程實(shí)際需要，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用電力電子技術(shù)解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力和創(chuàng)新思維[5]。以電力電子技術(shù)在分布式儲(chǔ)能發(fā)電領(lǐng)域的實(shí)際工程應(yīng)用，以項(xiàng)目工程實(shí)例方式，對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)進(jìn)行改革，使學(xué)生進(jìn)一步理解電力電子技術(shù)的在實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用，以培養(yǎng)具備創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才。

1 應(yīng)用型人才培養(yǎng)存在的問(wèn)題

當(dāng)前，電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與應(yīng)用型高級(jí)電氣工程類技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)不相適應(yīng)，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）目前電力電子技術(shù)課程教材多以晶閘管技術(shù)、電能整流（AC-DC）技術(shù)、電能逆變（DC-AC）技術(shù)以及脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)為主要內(nèi)容[6]，而當(dāng)今實(shí)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(chǎng)效晶體管（MOSFET）只是簡(jiǎn)單介紹其基本原理。課程的實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容大多是以教材內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[7]，與實(shí)際工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)不相適應(yīng)，達(dá)不到鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，不利于應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。

（2）目前課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不以具體的工程問(wèn)題為導(dǎo)向，不利于培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程所學(xué)的技能來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[8]。課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)局限在一般的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示性實(shí)驗(yàn)，缺少與實(shí)際工程設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系，這不足以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

（3）地方性應(yīng)用型本科院校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，給課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)新的困難與挑戰(zhàn)[9]。當(dāng)前，多數(shù)地方性應(yīng)用型本科院校存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、備數(shù)量不足以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一等問(wèn)題[10]。另外，學(xué)生通過(guò)集成化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，很難接觸到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部的各種電力電子器件，操作能力、創(chuàng)新能力得不到鍛煉。同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，經(jīng)常誤操作造成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)損壞，降低其參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣，不利于學(xué)生綜合技能的提升。

2 工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

將“電力電子技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合，在教學(xué)過(guò)程中除了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，增加了新能源發(fā)電及智能電網(wǎng)相關(guān)的工程應(yīng)用案例，通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例的講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合工程實(shí)踐與探究環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深層次理解，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力以及工程設(shè)計(jì)應(yīng)用能力。

將計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB/Simulink引入實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)中，可完成電力電路的仿真設(shè)計(jì)以及仿真智能控制，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不會(huì)造成電力電子器件的損壞，平臺(tái)建設(shè)的資金投入比較小。另外，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新提供很大的便利條件。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，基于MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提高實(shí)驗(yàn)的橫向廣度和縱向深度。學(xué)生可以方便地修改器件的仿真系統(tǒng)的參數(shù)，直觀地觀察各個(gè)元件以及節(jié)點(diǎn)的波形、電路的不同工作狀態(tài)及動(dòng)態(tài)顯示分析波形，更加透徹地理解工程系統(tǒng)的工作過(guò)程。通過(guò)指導(dǎo)教師的演示以及學(xué)生動(dòng)手調(diào)試，使學(xué)生更好地鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)還提高了學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

因此，采用工程運(yùn)用實(shí)例，提出了基于MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)分布式光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究，包括變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制算法設(shè)計(jì)。該仿真系統(tǒng)可以加深學(xué)生對(duì)“電力電子技術(shù)”理論原理和工程應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面知識(shí)的理解，使得課程的理論原理教學(xué)與實(shí)際工程應(yīng)用之間相互適應(yīng)，為學(xué)生將來(lái)成為高級(jí)工程技術(shù)人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 工程問(wèn)題應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

下面以分布式光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)實(shí)際工程為例，說(shuō)明如何展開(kāi)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。在學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)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(xué)生進(jìn)一步理解逆變電路、整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基本特性和工作原理，最后在MATLAB/Simulink模塊搭建分布式儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，以該仿真模型例深入的學(xué)習(xí)解決工程問(wèn)題的技能。

將電路元器件模塊按儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖組成仿真系統(tǒng)，如圖1所示，主要由儲(chǔ)能電池部分、變流器部分、電網(wǎng)側(cè)濾波器部分和電網(wǎng)四部分大部分組成。變流器由全控性器件IGBT構(gòu)成儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)能可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)即儲(chǔ)能電池的充電過(guò)程以及放電過(guò)程。給儲(chǔ)能電池充電時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)從電網(wǎng)側(cè)獲取電能，利用AC-DC技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池充電。反之，微電網(wǎng)系統(tǒng)利用DC-AC技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池向電網(wǎng)或者負(fù)載供電。

圖1 儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖

系統(tǒng)仿真給定參數(shù)儲(chǔ)能電池端電壓為直流85 V，電網(wǎng)線電壓為交流380 V。如圖2所示，為微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池由放電狀態(tài)切換到充電狀態(tài)，即由逆變狀態(tài)切換整流狀態(tài)，0 s~0.1 s儲(chǔ)能電池放電電流約為6 A，0.1 s時(shí)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(shí)可以清楚地觀察電網(wǎng)側(cè)交流電流每一相的變化。同理，如圖3所示，為微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池由充電狀態(tài)切換至放電狀態(tài)，即由整流狀態(tài)切換逆變狀態(tài)。系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)控制策略優(yōu)良，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)仿真模型以及仿真結(jié)果有利于學(xué)生深入理解電力電子技術(shù)在儲(chǔ)能微電網(wǎng)工程項(xiàng)目中的重要作用。

圖2 儲(chǔ)能電池由放電狀態(tài)切換至充電狀態(tài)

圖3 儲(chǔ)能電池由充電狀態(tài)切換至放電狀態(tài)

4 改革效果

在分析應(yīng)用型本科高校電氣工程類專業(yè)“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了以工程問(wèn)題為導(dǎo)向的改革，進(jìn)一步充實(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力得到了提升，該種教學(xué)方式獲得學(xué)生好評(píng)。在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革后，學(xué)院學(xué)生積極申請(qǐng)與電力電子技術(shù)相關(guān)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，如我院電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生申請(qǐng)的“光電充——離網(wǎng)型光伏梯次儲(chǔ)能電站”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目獲得了自治區(qū)級(jí)項(xiàng)目立項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)為S202111546020），該項(xiàng)目是以電力電子技術(shù)為核心工程型訓(xùn)練項(xiàng)目。在實(shí)行以工程問(wèn)題為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)院還需深化校企業(yè)合作，邀請(qǐng)企業(yè)工程師進(jìn)校與學(xué)生進(jìn)行交流，同時(shí)鼓勵(lì)課程指導(dǎo)教師到企業(yè)進(jìn)行掛職鍛煉。

5 結(jié)語(yǔ)

將MATLAB/Simulink仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以自己動(dòng)手去設(shè)計(jì)或開(kāi)發(fā)實(shí)用電路模型，并對(duì)電路的運(yùn)行效果進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。這樣既能解決實(shí)驗(yàn)器材老化及頻繁損壞實(shí)驗(yàn)裝置的問(wèn)題，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的想象力，極大地提高學(xué)生的思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，是理論教學(xué)的有益補(bǔ)充。激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和延伸應(yīng)用，進(jìn)而提高學(xué)生動(dòng)手和操作能力，強(qiáng)化了學(xué)生工程實(shí)踐意識(shí)和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，使其具備了一定的分析和解決問(wèn)題的能力，在切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，使學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新等綜合素質(zhì)得以提高，以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才的要求。