依托實驗的“電力電子技術”課程建設研究與實踐

申永鵬 曹玲芝 竇智峰 郭磊磊 曹衛(wèi)鋒

[摘 要] 近年來，隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，清潔能源的大規(guī)模應用、電動汽車的飛速發(fā)展、低碳節(jié)能理念的深入人心以及新型電力電子器件的推廣應用，對電力電子技術人才培養(yǎng)提出了新要求。通過從章節(jié)編排、課程內容和課程實驗三個方面剖析了現(xiàn)有“電力電子技術”課程、教材中存在的問題，探索了系統(tǒng)開展以教材建設為核心的電力電子技術課程建設，以實驗為依托，以結果為切入，全面提升課程的引導性、互動性，提升學生解決復雜工程問題的能力。

[關鍵詞] 電力電子;實驗;教材;復雜工程問題

[基金項目] 2018年度河南省研究生教育優(yōu)質課程項目“現(xiàn)代電力電子技術”（hnyjs2018kc12）;2021年度鄭州輕工業(yè)大學第十三批教學改革研究與實踐項目“依托實驗的電力電子技術教材建設的研究與實踐”（2021-143）

[作者簡介] 申永鵬（1985—），男，河南安陽人，工學博士，鄭州輕工業(yè)大學電氣信息工程學院副教授，主要從事電力電子技術理論與實踐研究;曹玲芝（1965—），女，河南焦作人，工學博士，鄭州輕工業(yè)大學電氣信息工程學院教授，主要從事傳感技術與測控系統(tǒng)、電力電子技術理論與實踐研究;竇智峰（1979—），男，吉林松原人，工學博士，鄭州輕工業(yè)大學電氣信息工程學院講師，主要從事電力電子技術理論與實踐研究。

[中圖分類號] G642? [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）19-0073-04 [收稿日期] 2021-08-27

“電力電子技術”是電氣類專業(yè)的基礎課程和主干課程，是一門理論聯(lián)系實際、工程應用特色鮮明的綜合性課程，讓學生了解電力電子器件的工作原理、電能轉換的形式、結構及其控制方法等。該課程主要任務是使學生掌握各類變流裝置中發(fā)生的電磁過程、基本原理、控制方法、設計計算、實驗技能及其技術經濟指標，學生畢業(yè)后具有進一步掌握、設計各種變流裝置的能力。

近年來，我國經濟社會呈現(xiàn)出以下特征：（1）風力、光伏等清潔能源在電力系統(tǒng)中的占比越來越高，傳統(tǒng)電力企業(yè)業(yè)務轉型迫在眉睫。（2）交通動力系統(tǒng)的電動化轉型發(fā)展迅速，電動汽車產銷量增長迅速，在“雙積分”政策的壓力下，整車廠商大力布局電動汽車核心技術。（3）“3060雙碳”目標下，實現(xiàn)電能的高效利用，助力節(jié)能減排是企業(yè)、公民的共同責任。以上三個方面均高度依賴電力電子技術的支撐，對電力電子技術的人才培養(yǎng)質量和規(guī)模提出了新要求。伴隨著SiC、GaN等新型寬禁帶電力電子器件的成熟應用，電力電子的高頻化趨勢也對電力電子技術的人才培養(yǎng)方向提出了新要求[1-3]。結合社會需求、技術發(fā)展兩個方面的發(fā)展趨勢，剖析課程教學與教材中存在的問題，從章節(jié)編排、課程內容和課程實驗三個方面，系統(tǒng)開展課程建設，系統(tǒng)提升人才培養(yǎng)質量，是“電力電子技術”教學改革目的所在。

一、課程及教學基本情況

目前，鄭州輕工業(yè)大學“電力電子技術”相關課程涉及電氣工程及其自動化、自動化、軌道交通信號與控制3個本科專業(yè)、電氣工程碩士一級學科點及專業(yè)學位領域。包含“電力電子技術A”“電力電子技術B”“電力電子技術C”“電力電子技術課程設計”“電力電子技術創(chuàng)新設計”“現(xiàn)代電力電子技術”等共計6個課程，如表1所示可知，“電力電子技術”相關課程具有如下特征：（1）涵蓋專業(yè)廣，涵蓋了多數(shù)電氣類本科專業(yè);（2）學時長、學分多。電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)均為專業(yè)基礎必修課，學時分別達56和48，學分分別達3.5和3.0。加強“電力電子技術”課程建設，對于促進人才培養(yǎng)質量的全面提升具有重要意義[4]。

二、目前教材使用情況及存在問題

1.教材整體敘述性強、解釋性弱，學生使用過程中普遍反饋教材的互動性較差、枯燥無味，限制了學生的好奇心和創(chuàng)造力。

2.教材插圖、波形圖多以示意圖為主，直觀性差，學生難以通過插圖、波形圖建立對實際電路、裝置和波形的直觀認識，直接限制了學生對相關電路原理的深入理解及拓展思考。

3.知識陳舊，與電力電子技術發(fā)展趨勢不相符的內容所占篇幅過多，例如晶閘管整流電路、交流交流變流電路。上述內容在占據(jù)了大量篇幅的同時，其難度也較大，影響了學生深入、積極開展課程學習的積極性。

4.實驗課程與理論課程脫節(jié)，缺少綜合性的實踐章節(jié)，學生通過教材難以樹立電力電子技術及其應用的整體觀念，往往糾纏于波形的分析推導，一葉障目不見泰山，難以支撐“應用電氣工程專業(yè)知識，掌握解決問題的基本思路和方法，具備綜合應用所學知識解決復雜工程問題的能力”等畢業(yè)要求指標點。

教材是本科及研究生階段課程的核心。盡管已有相關教材是在數(shù)十年前成稿，并歷經多次改版形成當今版本的，足夠經典、足夠權威，但是深植于字里行間的文字基因仍是20世紀奠定的，已難以適應當今電力電子技術教學的需求，亟須進行以教材改革為核心的課程改革[5]。

三、“電力電子技術”教材建設思路

1.精簡陳舊、務實求新：精簡部分章節(jié)、知識點，補充電力電子技術最新發(fā)展趨勢、研究熱點相關章節(jié)。

2.宏觀導入、以面蓋點：以“電力電子技術”基礎關鍵技術、整體應用案例為導入，引導學生逐步深入到各相關知識點，確保學生先樹立整體概念，而后對相關知識點各個擊破。

3.依托實驗、面向應用：各章節(jié)均以實驗為導入，各知識點均有實際波形作為支撐，各章節(jié)末尾均留有綜合實踐作業(yè)。

四、教材建設具體措施

1.鑒于多數(shù)學生仍對關于電能的相關基礎知識掌握不夠深入，增設“電能基礎”章節(jié)，從電壓源、電流源、直流電源、交流電源、平均值/有效值等電能基本參數(shù)、諧波和功率因數(shù)等電能質量相關指標、電流/電壓/電能測量方法、常用電源測試儀器等方面入手，使學生構建關于電能的總體認知，為后續(xù)的電力電子半導體器件及電能變換電路學習奠定基礎。9F995BC6-89D6-40C0-BA27-F8E938B881A9

2.結合電力電子半導體技術的高頻化發(fā)展趨勢，在“電力電子器件及其驅動保護”章節(jié)，增加關于SiC和GaN等寬禁帶新型電力電子半導體器件的工作原理、關鍵特性的分析介紹。同時，強化電力電子器件的驅動與保護電路的工作原理及使用注意事項。在授課過程中，適度強化行業(yè)典型電力電子半導體器件生產廠家及主要產品特征的介紹，并且在該環(huán)節(jié)突出我國電力電子半導體產業(yè)的發(fā)展概況、存在的不足，以及近年來取得的成績，以此來推進課程思政建設。

3.鑒于相控技術及PWM控制技術為具體電能變換電路的前置內容，因此，將相控技術及PWM控制技術獨立成章，并前置于具體的四種電能變換電路。在該章，主要講述相控技術的基本原理、PWM控制的基本原理，并重點講述SPWM、CFPWM及SVPWM三種控制方法，最后以基于模型的電力電子開發(fā)方法收尾，使學生對實際電力電子裝置的開發(fā)流程有所了解。

4.鑒于晶閘管的相控技術目前在中低功率領域的應用場景極少，并且難度較大。因此，精簡晶閘管等半控型器件、可控整流電路、交流調壓、交流調功電路等內容所占篇幅。適度突出晶閘管在特高壓直流輸電領域的應用，并結合“向家壩—上?！?00千伏特高壓”工程，介紹特高壓直流輸電工程的技術原理，以及我國在該領域取得的成就。

5.鑒于直流直流變流電路原理較為簡單，故將其作為第一種電能變換電路講述。重點對BUCK、BOOST、BUCK/BOOST，以及復合型DC/DC電路的電路結構、工作原理、性能參數(shù)及閉環(huán)控制系統(tǒng)進行講述。

6.鑒于逆變電路廣泛應用于電動汽車、新能源發(fā)電等領域，是電力電子技術中最重要的電能變換電路之一。因此，結合三相兩電平橋式逆變電路，首先，對電壓型逆變器的基本工作原理進行分析;然后，結合SPWM、CFPWM和SVPWM控制方法，對逆變電路的控制原理進行重點講述。此外，結合逆變技術發(fā)展趨勢，簡要介紹多相和多電平逆變技術及其控制方法。

7.在章節(jié)編排方面，以電能基礎、電力電子器件驅動保護、PWM控制技術、相控技術等共性基礎為教材導入，引導學生樹立對“電力電子技術”課程的總體認知;以綜合應用項目為章節(jié)切入，引導學生對某一類電力電子變換電路的整體認知，而后逐步深入各知識點，各個擊破;重新編排后的教材結構及比重如圖1所示。其中，緒論環(huán)節(jié)占5.0%;電能基礎占15.0%;電力電子器件及其驅動保護占15.0%;相控技術及PWM技術占10.0%;直流直流變流電路占15.0%;整流電路占15.0%;逆變電路占15.0%;交流交流變流電路占10%。

8.以實驗為依托，以結果為切入，先擺結果，然后剖析原因，層層深入。構建包含BUCK開環(huán)/閉環(huán)實驗、BOOST開環(huán)/閉環(huán)實驗、電容濾波的單相/三相橋式不可控整流電路、晶閘管三相全橋半控開環(huán)/電流閉環(huán)/電壓閉環(huán)/有源逆變實驗、三相PWM逆變開環(huán)/電流閉環(huán)/電壓閉環(huán)實驗、三相SVPWM逆變開環(huán)/轉速閉環(huán)實驗、三相PWM整流控制實驗等課程隨堂實驗，以實際電路波形、實際電路原理圖作為插圖，全面提升教材的引導性、互動性。

結語

本文所開展的以教材建設為核心的課程建設，具有以下幾點創(chuàng)新：（1）立足于“電力電子技術”課程理論聯(lián)系實際、工程應用背景強、綜合性強的特征，構建了既能涵蓋課程知識點，又有針對性的全新知識點體系。（2）立足于信息泛濫、學生群體專注力發(fā)散的時代特征，在章節(jié)編排方面，從結構上既有高屋建瓴的建立整體感，又有細致入微的體現(xiàn)細節(jié)要領;在整體風格上，宏觀導入，以面蓋點，層層深入，循循善誘，引人入勝。（3）立足于應用，構建了涵蓋課程絕大多數(shù)知識點的完整實驗體系，寓具體知識點于實驗過程和實驗結果，全面提升教材的引導性與互動性。

參考文獻

[1]申永鵬，鄭竹風，楊小亮，等.直流母線電流采樣電壓空間矢量脈沖寬度調制[J].電工技術學報，2021，36（8）：1617-1627.

[2]申永鵬，孫建彬，王延峰，等.電動汽車混合儲能裝置小波功率分流方法[J].中國電機工程學報，2021，41（13）：4636-4646.

[3]鄒密，趙巖，段盼.“電力電子技術”線上線下協(xié)同教學改革與實踐——以電力電子技術為例[J].教育教學論壇，2021（24）：93-96.

[4]馬雙寶，游長莉，游青華，等.基于OBE理念的電力電子技術課程教學改革[J].實驗技術與管理，2020，37（8）：22-25+41.

[5]王凱，周圣哲，李玉浩，等.電力電子技術多元化創(chuàng)新型教學模式探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（7）：173-175+184.

Research and Practice of the Power and Electronic Technology Course Construction Based on Experiments

SHEN Yong-peng， CAO Ling-zhi， DOU Zhi-feng， GUO Lei-lei， CAO Wei-feng

（School of Electrical and Information Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan 450002， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of Chinas economy and society， the large-scale application of clean energy， the rapid development of electric vehicles， the popularity of the concept of low-carbon and energy saving， and the promotion and application of new power electronic devices， new requirements for the training of power and electronics talents are put forward. The existing problems in the course of Power and Electronics Technology and its textbooks are analyzed from the aspects of the chapter arrangement， the course content， and the experiments. This paper explores the systematic construction of the course with the textbook construction as the core， relying on the experiments and the outcome-based concept， so as to comprehensively improve the guidance and interactivity of the course and enhance the students ability to solve complex engineering problems.

Key words： power and electronics; experiments; textbooks; complex engineering problems9F995BC6-89D6-40C0-BA27-F8E938B881A9