摘 要：針對傳統(tǒng)的風力發(fā)電教學實驗平臺功能單一、難以完全滿足新工科建設對學生多維能力培養(yǎng)需求的現(xiàn)狀，基于半實物仿真技術，設計了一種產(chǎn)學研一體化的風力發(fā)電控制裝置研發(fā)及教學實驗平臺。以OBE（基于學習產(chǎn)出的教育模式，Outcomes-Based Education）理念為指導，依托貴州大學通用實時仿真平臺，以培養(yǎng)科學素養(yǎng)高、創(chuàng)新能力強、實踐能力強的三位一體的復合型高級工程技術人才為目標，參考企業(yè)實際產(chǎn)品研發(fā)測試流程，通過采用先進的實時仿真技術，構建了適用于新工科建設的新一代實驗教學平臺，探索了產(chǎn)學研一體化的新工科人才培養(yǎng)路徑。

關鍵詞：風力發(fā)電;硬件在環(huán);產(chǎn)學研一體化;新工科

中圖分類號：TM614; G642.423

文獻標識碼： A

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是風能利用的主要形式[1]。一個完整的風力發(fā)電系統(tǒng)涉及的專業(yè)知識包括電機學、電力電子技術、自動控制、電力拖動等，而這些知識對應的是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課。因此，有必要把風力發(fā)電系統(tǒng)作為該專業(yè)創(chuàng)新綜合應用類課程的實驗教學實例[2]。

傳統(tǒng)實物風力發(fā)電教學實驗平臺功能單一，多依托于固定的實物拓撲，以操作演示為主，缺乏創(chuàng)新性與拓展性;而純數(shù)字仿真平臺可以實現(xiàn)對控制算法的研究，卻難以培養(yǎng)學生動手實踐的能力。為了實現(xiàn)學生創(chuàng)新、實踐與科研多維能力的全面發(fā)展，高校自行研制基于半實物仿真技術的新型實驗教學平臺，已成為當前風力發(fā)電實驗平臺建設與探索的熱點。

1 風力發(fā)電實驗教學平臺建設現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對風力發(fā)電實驗教學平臺建設進行了很多的探索，但大多是實物實驗平臺或純數(shù)字仿真實驗平臺。文獻[3]中建設了以小型永磁同步發(fā)電系統(tǒng)和LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)組成的風力發(fā)電實驗平臺，可以實現(xiàn)完整風力發(fā)電過程的演示，幫助學生對風力發(fā)電建立直觀的概念;文獻[4]中通過對實際運行大型風力機進行實時數(shù)據(jù)的采集，配合3D動畫技術，建立了一個交互式風力學習實驗平臺，形象地展示了風力發(fā)電的過程，讓學生學習過程充滿趣味性;文獻[5]中建設了以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）、電機、風機和蓄電池組成的小型風力實驗平臺，學生通過調(diào)節(jié)風速按鈕，可以觀察風力發(fā)電功率曲線的變化，較為形象地展示了風力發(fā)電的實際情況。以上3種風力教學實驗平臺功能都比較單一，主要以操作演示為主。學生只能對風力發(fā)電的整體過程大致了解，對少部分原理進行簡單驗證，學生參與度低。

文獻[6]中基于德國Lucas-nuelle公司的雙饋風力發(fā)電教學實驗平臺，設計了一些典型實驗，通過軟硬件結合模擬風機運行，結合計算機輔助測量控制，幫助學生形象理解各種晦澀的理論知識。通過風速模擬、風力機控制、雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)、雙饋風力發(fā)電功率控制與雙饋風力發(fā)電低電壓穿越等實驗操作過程，加深了學生對課堂知識的理解。但由于是采用現(xiàn)成的實物實驗平臺，控制器對學生是不開放的，學生無法研究與運用最新的控制技術，實驗過程缺乏創(chuàng)新性與拓展性。

文獻[7]中以MATLAB軟件為基礎，采用模塊化思想，設計了一種風力發(fā)電仿真平臺;文獻[8]中基于MATLAB與LabVIEW設計了一個風力發(fā)電虛擬實驗教學平臺，突破了實驗環(huán)境、場地、儀器設備等條件的限制，教學內(nèi)容豐富形象且成本低。雖然純軟件仿真能夠幫助學生學習和驗證控制理論與算法，但較難培養(yǎng)學生的實際動手能力，學生對實際的控制器也很難有直觀的認識。

總的來說，傳統(tǒng)的實物和純數(shù)字仿真風力發(fā)電實驗平臺較難滿足新工科建設下對學生科研能力、創(chuàng)新能力與實踐能力培養(yǎng)的要求[9-12]。因此，本文面向新工科建設內(nèi)涵要求[13]，對風力發(fā)電實驗平臺進行了探索，研制了一種基于半實物仿真技術的實踐教學平臺。

2 建模方案

2.1 實驗平臺基礎架構

實驗平臺基礎架構采用通用實時仿真器（Universal Real-time Experimental Platform， UREP）。UREP是自主研發(fā)的基于模型化的工程設計應用平臺，其基礎構架如圖1所示。UREP包括主控計算機和實時仿真目標機：主控計算機用于離線建模和實時監(jiān)控、在線調(diào)參;實時仿真目標機用于運行實時模型，并與外部設備接口形成半實物閉環(huán)系統(tǒng)。目標機包含多核處理器仿真主板、高速通信單元、智能I/O接口單元、協(xié)調(diào)優(yōu)化硬件解算器和實時操作系統(tǒng)，是實驗平臺的核心部分。利用MATLAB/Simulink建立動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型，經(jīng)代碼轉換為C代碼后，編譯下載到實時仿真器內(nèi)運行，可以進行實時數(shù)字仿真、半實物仿真及控制、測量與系統(tǒng)控制等。UREP具有快速控制原型（Rapid Control Prototyping，"" RCP）、功率級快速控制原型（Power Rapid Control Prototyping， PRCP）、硬件在環(huán)（Hardware In the Loop， HIL）和功率級硬件在環(huán)（Power Hardware In the Loop， PHIL）等4項基本功能，仿真步長最短可達30 μs，完全能夠滿足風力發(fā)電仿真與控制裝置研發(fā)一體化實驗平臺建設的基本需求[14]。

2.2 實驗平臺的層次化設計

實驗平臺采用層次化設計思想，如圖2所示，分為離線仿真、實時仿真和半實物仿真等3個層次。第一層次為離線仿真，是指在PC端實現(xiàn)功率

主系統(tǒng)以及控制算法的建模，并進行離線仿真。該層的主要功能是驗證風力發(fā)電系統(tǒng)的整體方案是

否可行。第二層次是全數(shù)字實時仿真，是指將離線模型實時化后導入UREP實時運行。功率主系統(tǒng)和控制器兩部分的模型分別搭建為硬件在環(huán)（HIL）子系統(tǒng)和快速控制原型（RCP）子系統(tǒng)。HIL和RCP均在UREP中運行，二者交換的信號通過UREP的輸入輸出端口實現(xiàn)連接。該層的主要功能是通過長時間運行（如幾小時至幾天甚至更長），驗證數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這是第一層次無法完成的。第三層次是半實物仿真，是指將RCP子系統(tǒng)模型通過Simulink代碼自動生成技術導入嵌入式開發(fā)平臺（STX-N39），使RCP轉變?yōu)閷嶋H控制器，并對主系統(tǒng)進行控制，驗證控制算法在實際控制中的性能，可以消除在實際控制中存在的缺陷，并測試極端情況、故障情況下控制器的功能是否完善。該層的主要功能是培養(yǎng)學生基于嵌入式平臺開發(fā)實際控制器的能力，是半實物仿真平臺的最終目標。

2.3 半實物仿真實驗平臺的組成

實驗室現(xiàn)場的半實物仿真實驗平臺如圖3所示，由UREP、PC上位機、嵌入式開發(fā)平臺（N39控制器）、機柜等設備組成。相對于傳統(tǒng)操作演示型的實物風力教學實驗平臺，基于半實物實時仿真技術的實驗平臺，控制器對學生不再是一個黑匣子，學生可以對各種先進的控制算法進行研究與運用，實驗過程更具有創(chuàng)新性與拓展性。相對于傳統(tǒng)純數(shù)字風力發(fā)電仿真實驗平臺，利用半實物實時仿真技術，將控制器硬件納入到仿真回路中進行測試，其仿真效果更趨近真實情況，仿真結果更具說服力。并且通過對實際控制器的研發(fā)與測試，學生可以真正地接觸真實的硬件，學習從理論算法到實際控制設備運行代碼的轉換過程，自己動手聯(lián)合軟硬件進行調(diào)試，大大提高了學生實驗的參與度。

3 風力發(fā)電項目實驗流程設計

項目式風力發(fā)電控制裝置研發(fā)的實驗實踐教學主要分為3個階段：控制器研發(fā)的理論基礎的學習與貫通階段，控制算法快速驗證與創(chuàng)新階段和實物控制器驗證與實踐能力提升階段。

3.1 控制器研發(fā)的基礎理論驗證

本階段主要通過風力發(fā)電系統(tǒng)的Simulink仿真模型搭建（圖4），對風力發(fā)電的過程形成整體的認識，融會貫通風力發(fā)電相關的基礎理論知識。

如圖4所示，實驗主要包括：風輪機模型搭建實驗，風力發(fā)電機側與網(wǎng)側變流器控制實驗，風力發(fā)電最大功率追蹤實驗，風力發(fā)電并網(wǎng)控制實驗，LVRT電壓跌落測試實驗。

3.2 控制算法快速驗證與創(chuàng)新階段

風電系統(tǒng)的控制器主要通過嵌入式硬件進行開發(fā)，底層代碼大都比較復雜，對于編程基礎薄弱的電氣工程專業(yè)學生很難快速適應。為此研制了具有代碼快速轉化、調(diào)試簡單的RCP快速原型控制器，大大提高控制器開發(fā)的效率。如圖5所示，將第一階段搭建的控制算法模型與功率主電路模型分別導入RCP與UREP中運行，進行RCP+HIL半實物仿真閉環(huán)測試實驗，利用先進的半實物仿真技術快速驗證所搭建的控制算法的有效性。然后學生根據(jù)自己想法對控制算法進行優(yōu)化，不斷試錯，不斷驗證，快速地對控制算法進行創(chuàng)新。

3.3 實物控制器驗證

如圖6所示，首先在STX-N39控制器中刷入Ubuntu系統(tǒng)，然后利用Simulink代碼自動生成技術將控制算法模型轉化為C代碼，并將代碼移植到控制器中，同時也需要學會電壓電流數(shù)據(jù)如何采集、PWM脈沖如何產(chǎn)生等硬件知識。最后將實際的控制器與實時仿真器連接，對控制器進行硬件在環(huán)實時仿真測試，真正地實現(xiàn)了產(chǎn)學研一體化。

LVRT電壓跌落測試：

電壓跌落時，永磁直驅風電機組的主要問題是輸出功率不平衡引起的直流母線電壓上升，可通過儲存或消耗多余能量的方法，解決功率平衡問題，抑制沖擊壓[15]。采用Chopper電路實現(xiàn)LVRT，對直流電壓進行監(jiān)測。當直流電壓超過限值2 000 V時，觸發(fā)Chopper中的IGBT，泄放直流母線的能量。

初始風速為0，在0.01 s跳變到8 m/s;0.2 s交流斷路器合閘，開始并網(wǎng)運行;0.3 s風速跳變到12 m/s;0.5 s交流電壓跌落到0.2 pu，持續(xù)625 ms;1.5 s仿真結束。

4 結語

依托自主研發(fā)的UREP構建了新型風力發(fā)電實驗平臺，將教學-科研-裝置研發(fā)有機結合起來。通過項目式學習，讓學生學會利用全局工程意識來統(tǒng)籌多門學科的知識，學習重心由課本知識轉移到了個人能力。通過實際裝置的研發(fā)，讓學生了解了企業(yè)電力系統(tǒng)自動化裝備的開發(fā)流程，實現(xiàn)了由知識傳授向企業(yè)所需的職業(yè)能力過渡。

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（責任編輯：曾 晶）