電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)

楊達(dá)亮，盧子廣，杭乃善，林俊豪，羅 成，劉文泰

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

電力電子技術(shù)與電氣工程（強(qiáng)電）、信息工程（弱電）、控制工程三大學(xué)科緊密交叉，是連接弱電和強(qiáng)電的橋梁，是目前最活躍、發(fā)展最快的新興學(xué)科之一，近20年來得到迅速發(fā)展［1］。以柔性交流輸電（flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS）技術(shù)、高壓直流輸電（high voltage DC，HVDC）技術(shù)、定制電力（custom power，CP）技術(shù)和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)為代表的電力電子技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，成為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和技術(shù)手段［2］。除此之外，電力電子技術(shù)應(yīng)用正從傳統(tǒng)的角色向更加廣闊的領(lǐng)域拓展，特別在風(fēng)能、光伏、燃料電池等新能源發(fā)電與接入技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)新型節(jié)能技術(shù)、機(jī)車牽引與軌道交通等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。與此同時(shí)，非線性控制、模糊邏輯控制、自適應(yīng)控制等復(fù)雜控制算法開始應(yīng)用于電力電子控制系統(tǒng)［3－4］，以改善系統(tǒng)性能，從而適應(yīng)行業(yè)不斷發(fā)展。針對此發(fā)展變化，電力電子技術(shù)課程需要進(jìn)行課程重構(gòu)和實(shí)驗(yàn)改革，以實(shí)現(xiàn)控制數(shù)字化和實(shí)時(shí)化的要求。美國“集成數(shù)字控制的電力電子與電力傳動(dòng)課程重構(gòu)”計(jì)劃［5］，以控制數(shù)字化（嵌入式處理器）和模塊化（集成化）為核心組建實(shí)驗(yàn)平臺，對電力電子技術(shù)進(jìn)行課程重構(gòu)和實(shí)驗(yàn)改革；歐洲“電力電子與電力傳動(dòng)工業(yè)與大學(xué)協(xié)作”項(xiàng)目提出由大學(xué)和行業(yè)第一線技術(shù)專家共同給在校學(xué)生開設(shè)學(xué)科前沿專題講座，建立先進(jìn)電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺［6］；國內(nèi)院校電力電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，主要有利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件仿真技術(shù)，如 PSPICE［7］、Multisim［8－9］，以及進(jìn)行電力電子技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置和部分相關(guān)平臺的開發(fā)建設(shè)［10－12］。

廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院較早開展電力電子和電力驅(qū)動(dòng)教學(xué)科研工作。上世紀(jì)80年代成立的自動(dòng)化研究所在直流變頻調(diào)速領(lǐng)域展開研究工作，產(chǎn)品出口國外。近年來，通過學(xué)?！?11工程”重點(diǎn)學(xué)科——電氣工程與“西電東送”關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)學(xué)科群建設(shè)，以及學(xué)校大力實(shí)施的大學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新系列項(xiàng)目和優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)的有力推動(dòng)，對電力電子技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行大膽有益的嘗試，已建立起具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新開發(fā)平臺。本文結(jié)合國際工程教育的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作CDIO培養(yǎng)模式［13］和V模式開發(fā)流程［14］，總結(jié)此平臺在本科生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目、研究生人才培養(yǎng)和教師科研項(xiàng)目中所起作用，以進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1 電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)

1.1 電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革

我校電氣工程學(xué)院每年招收本科學(xué)生約300人，分為電氣工程及其自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化和自動(dòng)化3個(gè)專業(yè)。3個(gè)專業(yè)的電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)平臺采用目前國內(nèi)高校普遍采用的“電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置”，由學(xué)生和實(shí)驗(yàn)人員共同完成?？紤]到使用電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的學(xué)生人數(shù)較多，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革。主要實(shí)施措施：

（1）鼓勵(lì)學(xué)生加強(qiáng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)如 Matlab、Simulink、PSPICE應(yīng)用，將該環(huán)節(jié)安排在課外進(jìn)行。

（2）考慮電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多而實(shí)驗(yàn)課時(shí)只有9學(xué)時(shí)，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

（3）結(jié)合學(xué)校進(jìn)行的課程改革，改變實(shí)驗(yàn)考核方式，實(shí)驗(yàn)成績除實(shí)驗(yàn)報(bào)告和考勤以外，增加實(shí)驗(yàn)操作和提問環(huán)節(jié)，考核體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)全部過程。

（4）鼓勵(lì)學(xué)生參與“實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”項(xiàng)目，對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造和升級，以及參與編寫新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

1.2 實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺構(gòu)建結(jié)構(gòu)框圖

電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺構(gòu)建結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革結(jié)構(gòu)體系框圖

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇主電路、觸發(fā)電路和相應(yīng)的組件掛箱。通過以上電路面板指示插拔連接線即可完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與率達(dá)100%，不足在于實(shí)驗(yàn)過程較為簡單、實(shí)驗(yàn)平臺電路不開放、無法進(jìn)行二次開發(fā)、功率器件多為半控型小功率晶閘管、功率等級偏小、故障保護(hù)電路不夠完善或難以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉。構(gòu)建電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺以后，情況發(fā)生根本改變。二者的對比關(guān)系如表1所示。

表1 “電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置”與“電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺”對比表

從表1可知，除學(xué)生參與率以外，電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺比電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置具有更多的優(yōu)勢。

實(shí)踐創(chuàng)新平臺所有軟件和硬件全部自主研發(fā)完成，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可進(jìn)行二次開發(fā)。

培養(yǎng)模式實(shí)行導(dǎo)師制，優(yōu)秀本科生通過申請創(chuàng)新項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目形式進(jìn)入實(shí)踐創(chuàng)新平臺，3名本科生組成一個(gè)課題組，由有博士學(xué)位的教師或副高以上職稱教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)，堅(jiān)持“以問題為導(dǎo)向，以項(xiàng)目為組織”原則進(jìn)行為期2年的培養(yǎng)。由于時(shí)間得到有效保證，可以實(shí)現(xiàn)CDIO工程教育培養(yǎng)方式和V模型開發(fā)流程培養(yǎng)，同時(shí)，通過構(gòu)建實(shí)踐創(chuàng)新平臺為電力電子與電力傳動(dòng)碩士、博士研究生提供了開展前沿課題研究的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺。此外，由教師和實(shí)驗(yàn)人員組成的科研團(tuán)隊(duì)，可將優(yōu)秀的科研成果及時(shí)融入教學(xué)內(nèi)容中。

【案例1】等比數(shù)列的求和中，創(chuàng)設(shè)“西游記后傳”的情景：豬八戒經(jīng)營某公司，因資金短缺，向猴哥貸款，猴哥爽快地答應(yīng)了，“我每天給你投資100萬元，連續(xù)30天，但第一天返還1元，第二天返還2元，第三天返還4元，……每天返還數(shù)為前一天的2倍?！卑私錁返檬治枳愕?，第一天出1元入100萬，第二天出2元入100萬，第三天出4元入100萬……哇，發(fā)財(cái)了。如果你是公司高管，你幫八戒決策，它會(huì)不會(huì)被猴哥甩了。經(jīng)計(jì)算孫悟空大約能拿到10億多元，學(xué)生十分驚訝，產(chǎn)生認(rèn)知上的沖突，進(jìn)而迫切想要了解新知識。

實(shí)踐創(chuàng)新平臺的先進(jìn)性得到充分體現(xiàn)，除參與項(xiàng)目的實(shí)踐創(chuàng)新學(xué)分外，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中發(fā)表論文、申請專利、參與學(xué)科競賽、進(jìn)行創(chuàng)業(yè)活動(dòng)等還將獲得相應(yīng)的額外學(xué)分，從而吸引了更多的優(yōu)秀本科生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室、課題組和研究團(tuán)隊(duì)，組成博士生導(dǎo)師→中青年教師（碩士生導(dǎo)師）→博士生→碩士生→優(yōu)秀本科生的傳幫帶梯隊(duì)隊(duì)伍，進(jìn)一步促進(jìn)電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺的發(fā)展，形成良性循環(huán)。可以預(yù)見，未來發(fā)展趨勢是從電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置過渡到電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺。

1.3 實(shí)踐創(chuàng)新平臺人才培養(yǎng)體系

電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺的研究和建設(shè)，目的是培養(yǎng)人才，特別是符合學(xué)校“四種能力”為主線的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。為此，實(shí)施過程中要制定以此平臺為基礎(chǔ)的人才培養(yǎng)體系。結(jié)合學(xué)院已經(jīng)實(shí)施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，擬按圖2所示制定電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，以體現(xiàn)本課程與“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施的有機(jī)結(jié)合。

圖2 實(shí)踐創(chuàng)新平臺人才培養(yǎng)體系制定流程

1.4 實(shí)踐創(chuàng)新平臺人才培養(yǎng)實(shí)施過程

當(dāng)前國際先進(jìn)的教學(xué)理念倡導(dǎo)工程教育應(yīng)當(dāng)從科學(xué)向工程實(shí)踐回歸［15］。CDIO 代表構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）、運(yùn)作（operate），V模式開發(fā)流程也類似，如圖3所示，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)作的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程實(shí)踐知識，強(qiáng)調(diào)新一代實(shí)踐工程師創(chuàng)新培養(yǎng)的核心信念：個(gè)人的能力以及產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力必須在真實(shí)的工程實(shí)踐和解決問題的過程中取得［16］。

在產(chǎn)品開發(fā)最初（構(gòu)思）階段，本科生必須對產(chǎn)品概念、需求、設(shè)計(jì)目的等進(jìn)行詳細(xì)說明，研究生則結(jié)合開題報(bào)告進(jìn)行。

圖3 實(shí)踐創(chuàng)新平臺V模式開發(fā)流程

方案設(shè)計(jì)階段，主要利用計(jì)算機(jī)各種軟件進(jìn)行，電路原理圖、PCB板用protel系列軟件，電路仿真用PSPICE，系統(tǒng)建模和算法仿真用 Matlab／Simulink。以 Matlab／Simulink為基礎(chǔ)，快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）通過dSPACE DS1104平臺和Control Desk系列調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)，硬件在回路仿真（hardware－in－the－loop simulation， HILS） 通 過Quanser Q8和QuaRC實(shí)時(shí)仿真平臺進(jìn)行。通過業(yè)界先進(jìn)開發(fā)平臺，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，學(xué)生得以把主要精力集中在產(chǎn)品核心控制算法和具體控制器實(shí)現(xiàn)上。

嵌入式控制器是實(shí)施階段的重要環(huán)節(jié)。嵌入式控制器選用目前TI公司主流DSP芯片TMS320F2812（定點(diǎn)）／TMS320F28335（浮點(diǎn)）和高性能FPGA，主要實(shí)現(xiàn)A／D采樣、PWM 信號產(chǎn)生、通信接口（CAN、RS485）和控制算法功能。

運(yùn)行階段則要把產(chǎn)品接入真實(shí)的電網(wǎng)進(jìn)行指標(biāo)性能測試，其中并網(wǎng)控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)踐創(chuàng)新平臺的推動(dòng)下，10kW光伏逆變控制系統(tǒng)、50kvar配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（distribution static synchronous compensator，DSTATCOM）、30kVA 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage restorer，DVR）裝置等科研項(xiàng)目裝置相繼掛網(wǎng)投入運(yùn)行。過去學(xué)生害怕并網(wǎng)、只做仿真的局面得以改變，做出了較好的作品，且并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了CDIO培養(yǎng)過程。部分作品見圖4、圖5。

圖4 實(shí)踐創(chuàng)新平臺能源轉(zhuǎn)換與控制系統(tǒng)

圖5 實(shí)踐創(chuàng)新平臺作品

1.5 實(shí)踐創(chuàng)新平臺技術(shù)特點(diǎn)

（1）多層次。滿足電氣工程及其自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化、自動(dòng)化本科專業(yè)、電力電子和電力傳動(dòng)研究生專業(yè)學(xué)生對攻讀學(xué)位的電力電子技術(shù)研究平臺需求，優(yōu)秀本科生、碩士研究生、博士研究生、博士后研究人員的人才培養(yǎng)和科研團(tuán)隊(duì)科研項(xiàng)目實(shí)施可由此平臺開展。

（2）數(shù)字化。系統(tǒng)實(shí)測信號通過測量電路由A／D進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換；通過RTW（real－time workshop）產(chǎn)生可在平臺控制器上運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)C代碼程序；實(shí)時(shí)接口RTI實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與離線仿真系統(tǒng)的信息數(shù)字化交換；通過數(shù)字脈寬調(diào)制DPWM（digital pulse－width modulation）輸出功率開關(guān)管的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的目標(biāo)控制。以圖形化的方式完成參數(shù)調(diào)整、指令輸入、結(jié)果顯示存儲等所有功能，為復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)提供了有利的環(huán)境。

（3）擴(kuò)展性。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺可方便進(jìn)行二次開發(fā)，目前基于此平臺已實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制技術(shù)綜合平臺、異步發(fā)電機(jī)綜合控制實(shí)驗(yàn)平臺、電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)研究平臺、光伏發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)平臺、風(fēng)／光／蓄多能互補(bǔ)主動(dòng)微電網(wǎng)研究平臺等多個(gè)與電力電子技術(shù)密切相關(guān)的平臺建設(shè)，研究成果顯著。

2 結(jié)束語

（1）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系列項(xiàng)目為電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革和實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)提供了良好的實(shí)施環(huán)境。

（2）構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺，可以滿足優(yōu)秀本科生、研究生人才培養(yǎng)和教師科研項(xiàng)目實(shí)施要求。

（3）電力電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新平臺內(nèi)容豐富，融合CDIO工程教育理念和V模型開發(fā)流程，具有多層次、數(shù)字化、開放性的技術(shù)特點(diǎn)，效果顯著，具有推廣價(jià)值。

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