胡斯登 楊麒籌 趙偉濤 李武華

(浙江大學 電氣工程學院,杭州 310027)

新工科內(nèi)涵強調(diào)的是前沿技術(shù)引領(lǐng)性、學科之間交融性、工程技術(shù)人才培養(yǎng)創(chuàng)新性。構(gòu)建知識體系多樣性的新工科教育,是實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標的關(guān)鍵。因此,工科大學教育在培養(yǎng)學生具備專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時,如何進一步完善綜合分析和實踐創(chuàng)新能力,在未來創(chuàng)造性地解決工程技術(shù)難題,是新工科人才培養(yǎng)的重要挑戰(zhàn)之一[1-2]。近年來,新能源并網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、標準動車組等領(lǐng)域的示范工程與應(yīng)用案例表明多模塊的互聯(lián)與即插即用技術(shù)逐漸成為復(fù)雜電力裝備與系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)[3]。教學中,如何讓知識教學中的變換器端口阻抗理論模型應(yīng)用于實際分析,以解決多變換器組合系統(tǒng)及其穩(wěn)定性既是目標,也是前提。完整的直流變換器阻抗模型通常由變換器自身小信號模型與閉環(huán)控制系統(tǒng)共同決定[4]。然而,在傳統(tǒng)的“電力電子技術(shù)”課程中關(guān)于變換器阻抗特性的教學主要依靠理論公式的推導(dǎo)與分析,實踐操作與驗證環(huán)節(jié)尚需補充與完善。也就是說,如何更緊密地貼近工程實踐,讓學生認識并歸納變換器小信號模型、閉環(huán)控制影響與輸出阻抗塑形機理等方面的知識關(guān)聯(lián),掌握實際應(yīng)用中阻抗衍變規(guī)律與制約因素,促進工程思維與實踐能力的培養(yǎng),成為該課程教學改革的切入點。

然而,展開電力電子變換器阻抗分析教學改革主要面臨的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在:①需解決阻抗分析儀等昂貴設(shè)備難以在本科教學中普及的問題。通過構(gòu)建低成本的直流變換器阻抗提取裝置,快速完成各種模式下變換器阻抗特性的觀測。②由于實際變換器中存在寄生參數(shù)等非理想特性,學生應(yīng)能掌握非理想特性的影響途徑與特征,形成對理論公式的全面認識。③亟需開發(fā)具體案例以闡釋阻抗模型與理論知識的實際應(yīng)用方法。針對以上表現(xiàn),本文圍繞直流變換器阻抗在分析教學改革與實踐方法上進行了深入探索。

1 基礎(chǔ):阻抗曲線的獲取與特性分析

實現(xiàn)阻抗曲線的快速獲取并觀察其特征是本文工作的基礎(chǔ)。同時,阻抗曲線的頻率特性可以引導(dǎo)學生回顧“自動控制理論"等課程的相關(guān)知識點,為綜合分析做好準備。

以采用閉環(huán)控制的Boost升壓變換器為對象,本文設(shè)計開發(fā)了阻抗測試平臺,如圖1所示。控制系統(tǒng)采用工業(yè)界廣泛使用的UC2843芯片,如圖2所示。其優(yōu)點是采用了模擬PID控制,既可以降低成本,又避免了數(shù)字控制中延遲、離散等額外分析因素[5]。

圖1 直流升壓變換器輸出阻抗測試實驗平臺

圖2 采用閉環(huán)控制的直流變換器阻抗測試原理圖

圖3 控制系統(tǒng)框圖

(1)

(2)

圖4 輸出阻抗幅頻特性理論與實驗結(jié)果對比

2 進階:寄生參數(shù)對阻抗分析的影響

變換器在實際運行過程中,輸出阻抗受到電感和電容中寄生電阻、開關(guān)紋波、門極觸發(fā)誤差等方面的作用,造成與理論模型的偏差,需要重新建立考慮非理想因素的模型。本節(jié)圍繞寄生電阻設(shè)計了阻抗分析進階內(nèi)容,進一步完善理論建模方法,引導(dǎo)學生構(gòu)建面向?qū)嶋H變換器阻抗分析的知識體系,并掌握偏差的規(guī)律與特點。

表1 電感與電容中寄生電阻增大的影響

考慮寄生電阻參數(shù)后的新理論公式結(jié)果,如圖5所示,其與實驗結(jié)果的一致性明顯提升。圖5中存在的偏差主要來自電壓紋波對比較器觸發(fā)的影響,這是小信號建模所忽略的。以上圍繞偏差展開的討論有助于加深學生對理論課程中阻抗計算公式推導(dǎo)、應(yīng)用前提與局限性的理解[6-7],同時可以進一步啟發(fā)學生思考實際工程中多股線繞制電感、多電容并聯(lián)等降低寄生電阻等措施的意義。

圖5 寄生電阻造成的理論建模偏差

3 綜合:并聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)過程剖析

本節(jié)參考實際直流變換器運行工況,選取負載電流突變時并聯(lián)變換器動態(tài)響應(yīng)行為作為對象,依據(jù)前兩節(jié)的阻抗模型剖析造成動態(tài)響應(yīng)差異的原因,使學生掌握阻抗分析與應(yīng)用的具體方法。

首先,利用兩臺如圖1所示的裝置及控制環(huán)帶寬分別為20 Hz與586 Hz的PID參數(shù),構(gòu)成一套輸出并聯(lián)系統(tǒng),每臺變換器的輸出阻抗分別為Zout1與Zout2,如圖6所示。圖中兩個10 Ω的電阻用于抑制輸出電壓差異引起的環(huán)流,同時作為電流采樣電阻用于I1、I2的測量,開關(guān)S1和負載電阻R1用于構(gòu)造負載功率的突變。

圖6 變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

公式(3)為圖6中I1、I2動態(tài)響應(yīng)表達式[8]。將負載電流階躍跳變時對應(yīng)的實驗曲線與公式(3)的結(jié)果繪制于圖7中?？梢钥吹?兩臺變換器的理論與實驗過程一致性很高,表明準確的輸出阻抗可以預(yù)測與評估實際并聯(lián)變換器的動態(tài)性能。

(a)輸出電流響應(yīng)對比

(3)

針對I1先升后降,I2先降后升的過程可以展開一系列有價值的分析。圖7(a)與(b)給出了兩臺變換器各自的時域與頻域特性。圖7(a)的區(qū)域(1)由圖7(b)的高頻段主要決定,圖7(b)中兩者相似,因此兩條曲線的初期過程很接近。圖7(a)的區(qū)域(2)主要由圖7(b)的中頻段決定。由于變換器2的阻抗幅值較大,因此圖7(a)中區(qū)域(2)內(nèi)的I2小于I1。最后,圖7(a)的區(qū)域(3)主要由圖7(b)的低頻段決定,頻率越低阻抗幅值逐漸接近,因此圖7(a)的區(qū)域(3)中輸出電流的穩(wěn)態(tài)差距逐漸減小。通過將輸出阻抗的頻域特性與變換器的時域特性進行關(guān)聯(lián)分析,使學生能夠更直觀地理解變換器輸出阻抗對動態(tài)性能的影響規(guī)律。

4 結(jié)語

相對傳統(tǒng)科工而言的新工科之新意在新概念、新課程與新的教學途徑與方法?；谶@一認識,本文著意于Boost變換器阻抗分析,設(shè)計了硬件實驗平臺,同時圍繞實際非理想因素以及實際工況中并聯(lián)系統(tǒng)動態(tài)過程的時域與頻域特性,展開內(nèi)容豐富的對比與討論,引導(dǎo)學生全面理解直流變換器阻抗分析基礎(chǔ)理論、小信號建模與工程實踐的聯(lián)系與區(qū)別,有效地提升了教學效果。