电力电子技术实验改革与实践创新平台建设

杨达亮，卢子广，杭乃善，林俊豪，罗 成，刘文泰

（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004）

电力电子技术与电气工程（强电）、信息工程（弱电）、控制工程三大学科紧密交叉，是连接弱电和强电的桥梁，是目前最活跃、发展最快的新兴学科之一，近20年来得到迅速发展［1］。以柔性交流输电（flexible AC transmission system，FACTS）技术、高压直流输电（high voltage DC，HVDC）技术、定制电力（custom power，CP）技术和能源转换技术为代表的电力电子技术越来越广泛地应用到电力系统中，成为建设坚强智能电网的重要基础和技术手段［2］。除此之外，电力电子技术应用正从传统的角色向更加广阔的领域拓展，特别在风能、光伏、燃料电池等新能源发电与接入技术、电机驱动新型节能技术、机车牵引与轨道交通等领域得到成功应用。与此同时，非线性控制、模糊逻辑控制、自适应控制等复杂控制算法开始应用于电力电子控制系统［3－4］，以改善系统性能，从而适应行业不断发展。针对此发展变化，电力电子技术课程需要进行课程重构和实验改革，以实现控制数字化和实时化的要求。美国“集成数字控制的电力电子与电力传动课程重构”计划［5］，以控制数字化（嵌入式处理器）和模块化（集成化）为核心组建实验平台，对电力电子技术进行课程重构和实验改革；欧洲“电力电子与电力传动工业与大学协作”项目提出由大学和行业第一线技术专家共同给在校学生开设学科前沿专题讲座，建立先进电力电子技术实践创新平台［6］；国内院校电力电子技术课程的实验教学改革，主要有利用计算机强大的软件仿真技术，如 PSPICE［7］、Multisim［8－9］，以及进行电力电子技术相关的实验装置和部分相关平台的开发建设［10－12］。

广西大学电气工程学院较早开展电力电子和电力驱动教学科研工作。上世纪80年代成立的自动化研究所在直流变频调速领域展开研究工作，产品出口国外。近年来，通过学校“211工程”重点学科——电气工程与“西电东送”关键技术开发学科群建设，以及学校大力实施的大学生实验创新系列项目和优秀科研团队的有力推动，对电力电子技术学科实验教学改革进行大胆有益的尝试，已建立起具有自主知识产权的电力电子技术实践创新开发平台。本文结合国际工程教育的构思、设计、实施、运作CDIO培养模式［13］和V模式开发流程［14］，总结此平台在本科生实验创新项目、研究生人才培养和教师科研项目中所起作用，以进一步提高教学质量。

1 电力电子技术课程实验改革与实践创新平台建设

1.1 电力电子技术实验改革

我校电气工程学院每年招收本科学生约300人，分为电气工程及其自动化、农业电气化与自动化和自动化3个专业。3个专业的电力电子技术课程实验平台采用目前国内高校普遍采用的“电力电子技术与运动控制教学实验装置”，由学生和实验人员共同完成。考虑到使用电力电子技术与运动控制教学实验装置的学生人数较多，为提高实验教学质量，对实验进行了改革。主要实施措施：

（1）鼓励学生加强计算机仿真技术如 Matlab、Simulink、PSPICE应用，将该环节安排在课外进行。

（2）考虑电力电子技术实验内容较多而实验课时只有9学时，学生可以选做自己感兴趣的实验，从而进一步激发学生学习热情。

（3）结合学校进行的课程改革，改变实验考核方式，实验成绩除实验报告和考勤以外，增加实验操作和提问环节，考核体现实验全部过程。

（4）鼓励学生参与“实验室建设与实验教学改革”项目，对现有的实验装置进行技术改造和升级，以及参与编写新的实验项目大纲和实验指导书。

1.2 实验改革与实践创新平台构建结构框图

电力电子技术课程实验改革与实践创新平台构建结构如图1所示。

图1 电力电子技术实验改革结构体系框图

实验过程中，学生根据实验内容选择主电路、触发电路和相应的组件挂箱。通过以上电路面板指示插拔连接线即可完成实验，学生参与率达100%，不足在于实验过程较为简单、实验平台电路不开放、无法进行二次开发、功率器件多为半控型小功率晶闸管、功率等级偏小、故障保护电路不够完善或难以应用于工业生产现场，学生实践和创新能力得不到有效锻炼。构建电力电子技术实践创新平台以后，情况发生根本改变。二者的对比关系如表1所示。

表1 “电力电子技术与运动控制教学实验装置”与“电力电子技术实践创新平台”对比表

从表1可知，除学生参与率以外，电力电子技术实践创新平台比电力电子技术与运动控制教学实验装置具有更多的优势。

实践创新平台所有软件和硬件全部自主研发完成，具有自主知识产权，可进行二次开发。

培养模式实行导师制，优秀本科生通过申请创新项目或实验项目形式进入实践创新平台，3名本科生组成一个课题组，由有博士学位的教师或副高以上职称教师负责指导，坚持“以问题为导向，以项目为组织”原则进行为期2年的培养。由于时间得到有效保证，可以实现CDIO工程教育培养方式和V模型开发流程培养，同时，通过构建实践创新平台为电力电子与电力传动硕士、博士研究生提供了开展前沿课题研究的先进实验平台。此外，由教师和实验人员组成的科研团队，可将优秀的科研成果及时融入教学内容中。

【案例1】等比数列的求和中，创设“西游记后传”的情景：猪八戒经营某公司，因资金短缺，向猴哥贷款，猴哥爽快地答应了，“我每天给你投资100万元，连续30天，但第一天返还1元，第二天返还2元，第三天返还4元，……每天返还数为前一天的2倍。”八戒乐得手舞足蹈，第一天出1元入100万，第二天出2元入100万，第三天出4元入100万……哇，发财了。如果你是公司高管，你帮八戒决策，它会不会被猴哥甩了。经计算孙悟空大约能拿到10亿多元，学生十分惊讶，产生认知上的冲突，进而迫切想要了解新知识。

实践创新平台的先进性得到充分体现，除参与项目的实践创新学分外，学生在项目实施过程中发表论文、申请专利、参与学科竞赛、进行创业活动等还将获得相应的额外学分，从而吸引了更多的优秀本科生进入实验室、课题组和研究团队，组成博士生导师→中青年教师（硕士生导师）→博士生→硕士生→优秀本科生的传帮带梯队队伍，进一步促进电力电子技术实践创新平台的发展，形成良性循环。可以预见，未来发展趋势是从电力电子技术与运动控制教学实验装置过渡到电力电子技术实践创新平台。

1.3 实践创新平台人才培养体系

电力电子技术实践创新平台的研究和建设，目的是培养人才，特别是符合学校“四种能力”为主线的创新人才培养体系。为此，实施过程中要制定以此平台为基础的人才培养体系。结合学院已经实施的“卓越工程师教育培养计划”，拟按图2所示制定电力电子技术实践创新人才培养体系，以体现本课程与“卓越工程师教育培养计划”实施的有机结合。

图2 实践创新平台人才培养体系制定流程

1.4 实践创新平台人才培养实施过程

当前国际先进的教学理念倡导工程教育应当从科学向工程实践回归［15］。CDIO 代表构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运作（operate），V模式开发流程也类似，如图3所示，它以产品研发到产品运作的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程实践知识，强调新一代实践工程师创新培养的核心信念：个人的能力以及产品、过程和系统的建造能力必须在真实的工程实践和解决问题的过程中取得［16］。

在产品开发最初（构思）阶段，本科生必须对产品概念、需求、设计目的等进行详细说明，研究生则结合开题报告进行。

图3 实践创新平台V模式开发流程

方案设计阶段，主要利用计算机各种软件进行，电路原理图、PCB板用protel系列软件，电路仿真用PSPICE，系统建模和算法仿真用 Matlab／Simulink。以 Matlab／Simulink为基础，快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）通过dSPACE DS1104平台和Control Desk系列调试软件实现，硬件在回路仿真（hardware－in－the－loop simulation， HILS） 通 过Quanser Q8和QuaRC实时仿真平台进行。通过业界先进开发平台，产品开发周期大大缩短，学生得以把主要精力集中在产品核心控制算法和具体控制器实现上。

嵌入式控制器是实施阶段的重要环节。嵌入式控制器选用目前TI公司主流DSP芯片TMS320F2812（定点）／TMS320F28335（浮点）和高性能FPGA，主要实现A／D采样、PWM 信号产生、通信接口（CAN、RS485）和控制算法功能。

运行阶段则要把产品接入真实的电网进行指标性能测试，其中并网控制是关键环节。在实践创新平台的推动下，10kW光伏逆变控制系统、50kvar配电网静止同步补偿器（distribution static synchronous compensator，DSTATCOM）、30kVA 动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）装置等科研项目装置相继挂网投入运行。过去学生害怕并网、只做仿真的局面得以改变，做出了较好的作品，且并网运行，实现了CDIO培养过程。部分作品见图4、图5。

图4 实践创新平台能源转换与控制系统

图5 实践创新平台作品

1.5 实践创新平台技术特点

（1）多层次。满足电气工程及其自动化、农业电气化与自动化、自动化本科专业、电力电子和电力传动研究生专业学生对攻读学位的电力电子技术研究平台需求，优秀本科生、硕士研究生、博士研究生、博士后研究人员的人才培养和科研团队科研项目实施可由此平台开展。

（2）数字化。系统实测信号通过测量电路由A／D进行模拟到数字的转换；通过RTW（real－time workshop）产生可在平台控制器上运行的标准C代码程序；实时接口RTI实现物理系统与离线仿真系统的信息数字化交换；通过数字脉宽调制DPWM（digital pulse－width modulation）输出功率开关管的控制脉冲，实现对系统的目标控制。以图形化的方式完成参数调整、指令输入、结果显示存储等所有功能，为复杂算法的实现提供了有利的环境。

（3）扩展性。具有自主知识产权的电力电子技术实践创新平台可方便进行二次开发，目前基于此平台已实现电能质量控制技术综合平台、异步发电机综合控制实验平台、电机驱动节能技术研究平台、光伏发电并网控制系统平台、风／光／蓄多能互补主动微电网研究平台等多个与电力电子技术密切相关的平台建设，研究成果显著。

2 结束语

（1）创新实验系列项目为电力电子技术实验改革和实践创新平台建设提供了良好的实施环境。

（2）构建具有自主知识产权的电力电子技术实践创新平台，可以满足优秀本科生、研究生人才培养和教师科研项目实施要求。

（3）电力电子技术实践创新平台内容丰富，融合CDIO工程教育理念和V模型开发流程，具有多层次、数字化、开放性的技术特点，效果显著，具有推广价值。

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