中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 450007

近年來在我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)能源的消耗量也大幅增長，由此引發(fā)的能源短缺和環(huán)境污染等問題成為制約我國經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的瓶頸。因此，發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)勢在必行[1]。另外從電力系統(tǒng)的發(fā)展來看，目前正在從傳統(tǒng)電網(wǎng)、智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。不論基于新能源的分布式電網(wǎng)、柔性交直流輸電技術(shù)、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)其核心技術(shù)之一為電能變換與控制技術(shù) ，所以有學(xué)者稱未來的電網(wǎng)是電力電子化的電網(wǎng)。隨著社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，在電力電子技術(shù)課程中沿用傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，已經(jīng)開始與除舊布新與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展要求不相符合[2]。近年來，在高校和科研院所也涌現(xiàn)出了大批科研成果，其理論水平和實(shí)驗(yàn)室級的成果已接近或達(dá)到歐美水平，令人遺憾的是這些成果在工業(yè)化的過程中卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的滯后。傳統(tǒng)課程設(shè)置和教材一般版本比較老，并且只注重基于電力電子電能變換基本原理講解與描述，控制應(yīng)用實(shí)例相對不多，新技術(shù)的應(yīng)用涉及較少。在實(shí)驗(yàn)學(xué)方面主要以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開設(shè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主。為使學(xué)生能夠及時(shí)掌握和了解電能變換新的發(fā)展動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，以及適應(yīng)電力電子化電網(wǎng)對培養(yǎng)復(fù)合型人才的需要，就必須對電力電子課程進(jìn)行改革。

1 課程教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的電力電子課程內(nèi)容主要包括：電力電子器件、整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路以及電力電子技術(shù)的應(yīng)用等。隨著電網(wǎng)電力電子化的發(fā)展，有關(guān)電能變換與控制新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，且日臻完善，例如常用的PWM控制技術(shù)，包括SPWM、SVPWM、三角波比較和滯環(huán)控制；基于坐標(biāo)變換的瞬時(shí)無功理論和鎖相環(huán)技術(shù)等。作為本科課程教學(xué)知識(shí)體系的條件已經(jīng)具備，且在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。因此在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)增加這些新的內(nèi)容，而對應(yīng)該用較少的晶閘管整流和交流-交流變換電路內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)壓縮，重點(diǎn)講解DC/DC，DC/AC和AC/DC變換的原理、控制和參數(shù)選擇等。

通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生能掌握目前基于電力電子電能變換基本原理、電能變換中信號的檢測方法、PWM調(diào)制技術(shù)等。為從事未來電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的工作打下良好的基礎(chǔ)。針對本課程的特點(diǎn)主要采用理教、上機(jī)、綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)來完成教學(xué)環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)電力電子技術(shù)課時(shí)一般為45個(gè)學(xué)時(shí)，但鑒于新內(nèi)容的增加，建議總課時(shí)數(shù)為60學(xué)時(shí)。課時(shí)分配具體見表1。

表1 電力電子技術(shù)課時(shí)分配

表1 (續(xù))

第1章主要講述電力電子導(dǎo)論信號檢測與處理所需要的一些基礎(chǔ)知識(shí)，包括信號的檢測方法與濾波、鎖相環(huán)技術(shù)、瞬時(shí)無功理論及坐標(biāo)變換等(這部分若有相關(guān)的課程已講授此處可以不講)。第2章主要講述常用半導(dǎo)體電力器件，特別是新型全控制全控型器件MOSFET，IGBT等。第3章主要講述常用的DC/DC變換(包括升壓Boost、降壓Buck、具有隔離功能DC/DC變換等)的基本原理、主電路參數(shù)計(jì)算、控制方法、仿真及實(shí)現(xiàn)。第4章主要講述逆變器控制模型與原理，在此基礎(chǔ)上分析DC/AC變換的基本原理、控制方法和仿真。DC/AC變換采用SPWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。講述PWM的控制方法，包括正弦脈寬調(diào)制SPWM、空間矢量SVPWM、滯環(huán)控制和三角波比較控制，在三角波比較控制中增加了PID調(diào)節(jié)的基本原理和離散數(shù)學(xué)模型分析。第5章主要講述PWM整流器控制模型與原理、分析典型單相和三相PWM整流器的基本原理、控制方法和仿真；第6章主要講述電能變換裝置中常用電感、變壓器的設(shè)計(jì)方法。第7章講述典型電能變換裝置原理及實(shí)現(xiàn)的方法，包括靜止無功發(fā)生器、有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[3]。

2 仿真與設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

一般院校電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)做驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，連線復(fù)雜，學(xué)生興趣不高，往往是一人接線多人觀看，浪費(fèi)時(shí)間效果較差。隨著仿真軟件的發(fā)展，如Matlable，Simulink，PSCAD，PISM的應(yīng)用為電力電子技術(shù)的教學(xué)帶來了極大的方便，學(xué)生可自主地搭建相關(guān)模型、設(shè)定參數(shù)來驗(yàn)證不同變換電路的工作原理及波形。在教學(xué)實(shí)踐中利用“理論教學(xué)+仿真”的模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“理論教學(xué)+驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)”的模式取得了較好的效果，因此利用仿真代替驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)勢在必行。但僅僅依靠仿真實(shí)驗(yàn)還不能完全達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的，為避免取消了驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)帶來對學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力鍛煉的缺失，建議開設(shè)2個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

2.1 仿真課程設(shè)置

仿真課程設(shè)置可由教師課上提出系統(tǒng)的要求，學(xué)生根據(jù)要求對電路的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，在仿真課上(或以作業(yè)的形式在課下完成)利用仿真軟件進(jìn)行模型搭建和仿真。對于DC/DC變換原理與控制內(nèi)容，建議設(shè)置Buck、Boost或全橋變換的開、閉環(huán)仿真；對于DC/AC變換原理與控制內(nèi)容，建議設(shè)置單相、三相逆變電壓的開、閉環(huán)仿真；對于AC/DC變換原理與控制，建議設(shè)置單相、三相PWM整流的閉環(huán)仿真。

2.2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

建議設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為4學(xué)時(shí)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)開設(shè)需要時(shí)間較長，所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都在4個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)完成，困難較大。建議教師提前布置實(shí)驗(yàn)的具體任務(wù)。要求學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)之前，完成相應(yīng)的理論分析、參數(shù)計(jì)算并進(jìn)行仿真，同時(shí)編寫出相關(guān)的程序代碼。建議開設(shè)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的任務(wù)書如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)任務(wù)書

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

上述實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)全部由學(xué)生搭建，4個(gè)課時(shí)是難以完成的，因此必須建立一個(gè)合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)電力電子技術(shù)的特點(diǎn)，不管是DC/DC，DC/AC還是AC/DC，其系統(tǒng)組成有共同性，即由開關(guān)器件和LC組成的電能變換主電路、由檢測元件和運(yùn)算放大器等組成的檢測調(diào)理電路、由微處理器組成的控制電路等。為滿足本課程模式設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的需要，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由系統(tǒng)電路、電能變換主電路、檢測電路調(diào)理電路、控制電路、輔助電源電路和保護(hù)電路等組成[4]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主電源由調(diào)壓器和不可控整流組成的電路提供，通過調(diào)壓器可得到不同的電壓，方便不同實(shí)驗(yàn)的需要。由三相橋式開關(guān)器件和LC組成的電能變換主電路，通過不同的連接可使其完成單、三相AC/DC和單三相DC/AC變換，也可以完成DC/ DC的變換。

按照圖1連接可完成實(shí)驗(yàn)二的內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的需要，設(shè)計(jì)檢測、調(diào)理和LC濾波電路，來滿足任務(wù)書要求，從而達(dá)到提高工程實(shí)踐能力的目的。連接成如圖2所示的電路可以完成實(shí)驗(yàn)一的內(nèi)容，同樣檢測、調(diào)理和LC濾波電路的參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求由學(xué)生自己確定，實(shí)驗(yàn)室可預(yù)先準(zhǔn)備幾種規(guī)格的電感電容供學(xué)生選用。

圖2 Buck變換穩(wěn)壓電路圖

4 結(jié)語

本課程改革的初衷是使學(xué)生不僅能掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，而且能迅速掌握與之相適應(yīng)的電能變換與控制技術(shù)。所以與傳統(tǒng)課程教學(xué)模式相比，理論方面增加了檢測算法和控制策略等新的內(nèi)容，在教學(xué)手段方面引入了仿真軟件的應(yīng)用，提高了教學(xué)效率。取消了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，增加了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的實(shí)際工程能力。給出了具體課程內(nèi)容及課時(shí)分配；對仿真和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做了詳細(xì)的分析。該課程教學(xué)模式已經(jīng)過幾屆教學(xué)實(shí)踐取得了良好的效果，在全國大學(xué)生電子競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等中取得了很好的成績。

[1] 巫付專,王耕.電氣專業(yè)電能變換與控制方向培養(yǎng)方案的構(gòu)建[J].中國電力教育,2013(17):18-19.

[2] 樊建強(qiáng),郭晉蜀.電力電子技術(shù)課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2016(5):87-89.

[3] 巫付專,沈虹.電能變換與控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[4] 巫付專,彭圣,侯婷婷.基于DSP電力電子技術(shù)通用研發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].中國電力教育,2012(12):154-155.