电力电子技术实践创新平台的构建

杨达亮，卢子广，杭乃善，陈延明，胡立坤，李国进

（广西大学电气工程学院，南宁 530004）

《电力电子技术》课程是横跨电力、电子、控制三大电气工程技术之间的交叉科学，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科，近20年来得到迅速发展[1]。柔性交流输电FACTS（flexible AC transmission system）技术的基础是电力电子器件，电力电子技术的应用正从传统的角色向更加广阔的领域拓展，特别是在可再生能源发电、新型节能技术、电能质量及其控制等领域得到成功应用。与此同时，对系统的控制性能也在不断提高，非线性控制、模糊控制、自适应控制等复杂算法开始应用于电力电子控制系统[2，3]。另外，电力电子和电力驱动相关课程近20年来没有太多的变化，面对控制实时化和数字化的要求，学习此课程的相关专业学生需要掌握对电力电子器件模块各种性能的控制方法，然后通过可编程逻辑控制器PLC（programmable logic controller）、单片机MCU（micro control unit）、高级精简指令集微处理器ARM（advanced RISC microprocessor）、现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）或数字信号处理器DSP（digital signal processor）等嵌入式控制器实现实时数字化控制，这就要求重新调整课程结构[4]，以适应电力电子技术的快速发展。基于此，本文旨在探索建立《电力电子技术》实践创新平台，以方便学生（包括本科生、硕士研究生和博士研究生）将数字化控制引入到控制系统中，快速地对电力电子控制系统进行实时仿真和测试，提升学生创造能力、实践能力、就业能力、创业能力—“4种能力”培养。

1 构建电力电子技术课程实践创新平台的理论依据

1.1 从国家层面，提高质量是我国高等教育改革发展最核心最紧迫的任务

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》、《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）等文件明确提出，不断提高质量是高等教育的生命线，我国高等学校要把提高质量作为教育改革发展最核心最紧迫的任务，始终贯穿人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新各项工作之中。广西大学电气工程学院较早开展电力电子和电力驱动研究工作，近年来，通过“211”重点学科（电气工程与“西电东送”关键技术开发学科群）建设和国家、省部级科研项目、优秀科研团队的有力推动，对电力电子技术学科教学改革进行了有益的尝试，已初步建立起电力电子控制系统实时仿真综合平台。该实验平台以dSPACE DS1104、Quanser Q8控制器为核心，可以实现快速控制原型RCP（rapid control prototyping）和硬件在回路仿真HILS（hardware－inthe－loop simulation），并建成具有自主知识产权的实时仿真模型库（包括算法和系统模型），已具备开展建设实践创新平台的软硬件基础。本文所描述的电力电子技术实践创新平台，在已有的研究基础上，通过采用先进的教学理念和方法，全面扩展内涵建设，探索实践创新平台建设，以进一步提高教学质量。

1.2 从行业层面，电力电子技术是建设统一智能电网的重要基础和技术手段

进入21世纪，随着全球能源和环境问题的日益突出，用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和发展机遇，除电力需求增加等因素外，还表现为：①风力发电、光伏发电、生物质能发电等可再生能源发电的快速发展，大量间歇性分布式电源需要接入电网，给电网提出了新的要求；②电力市场改革的推进，电网与用户实现友好互动，未来发展应以用户需要为导向（电网不仅要向用户提供可靠、绿色、高质、个性化的电能，用户也可以向电网输送剩余电能）；③大规模电动汽车任意接入和退出电网等用电方式的改变，对电力系统安全和供电电能质量提出更高的技术要求。因此，依靠现代电力电子、计算机、控制等多门学科交叉和技术融合，积极有序地发展智能电网，以适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的必然要求。通过建设智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的战略意义[5～8]。以柔性交流输电FACTS技术、高压直流输电HVDC（high voltage DC）技术、定制电力CP（custom power）技术和能量转换技术为代表的先进电力电子技术越来越广泛地应用到电力系统中，它是建设统一智能电网的重要基础和技术手段[9]。正因为电力电子技术在建设智能电网中的重要地位，对其课程进行改革以适应未来发展迫在眉睫。

2 电力电子技术课程实践创新平台内容

根据电力电子技术课程特点和已有的多年教学、科研研究基础，结合电气工程及其自动化、自动化建设优质、特色专业和重点学科发展要求，并充分考虑学院“卓越工程师教育培养计划”实际情况，首先提出如图1所示的《电力电子技术》实践创新平台结构框图。图1的中心部分为电力电子技术实践创新平台技术内涵部分，是技术内容。结构体系中构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运作（operate）CDIO培养模式[10]以及专业与人才培养层次等围绕实践创新平台展开或扩充。整个平台具有技术内涵充实，多层次、数字化、开放性的特点。

2.1 电力电子技术实践创新平台技术内涵建设

整个实践创新平台以Matlab、dSPACE和QuanserQ8等高性能平台为核心，采用模块化结构设计，系统结构分为硬件结构和软件结构2部分。硬件结构主要由dSPACE平台控制器和主电路组成；平台软件结构由Matlab/Simulink软件，dSPACE软件和实时仿真模型库组成。在此基础上，不同层次的学生可根据实际功能需要，按照平台的硬件结构对电路进行更换、扩展，或通过通信总线组成多处理器复杂系统，以满足不同的控制要求。其中接口标准、器件选型、结构选择、算法设计等具体细节还需要根据不同专业、培养层次、项目类型等进行选择。通过验证的控制算法可以直接移植到嵌入式处理器来运行，目前基于高性能DSPTMS320F2812/TMS320F28335已经脱机运行，基于FPGA正在实现当中。

图1 电力电子技术实践创新平台结构框图Fig.1 Block diagram of the practice innovation platform for power electronics technology

2.2 实践创新平台内容设计

训练内容按照培养学生“创造能力、实践能力、就业能力、创业能力”的理念进行设计。培养过程则按照CDIO模式进行，以培养学生在实践中巩固知识、发现问题、解决问题的工程能力。具体内容上，主要结合学生专业，由培养层次决定。学习课程时以相控整流和脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）控制逆变为主要内容；优秀本科学生毕业设计以创新实验项目为主要内容；研究生以学科前沿问题和科研项目为主要训练内容。

2.3 实践创新平台层次建设

电气工程及其自动化、自动化等本科专业的学生主要进行整流、逆变等单相/三相电能变换电路拓扑结构和控制（相控、PWM控制）设计，毕业设计时内容可适当丰富；电力电子与电力传动专业硕士研究生可以进行新型电路拓扑结构（如Z源逆变器）、新型PWM控制算法（直接转矩控制、直接功率控制等）、电能质量及控制技术（统一电能质量调节器、静止同步补偿器、动态电压恢复器等）、新能源发电技术（风能发电技术、光伏发电技术、生物质能发电技术等）、独立发电技术（异步发电等）、检测技术与自动化装置专业硕士生可进行电压、电流、相位、频率等电量在单相/三相，对称/非对称等情况下用快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transform）、小波变换、瞬时功率理论，S变换，Hilbert-Huang（HH）变换，Time-Time（TT）变换及形态滤波器等进行检测和算法处理研究；博士研究生、青年教师等研究人员可进行从系统建模到背靠背变流器结构设计、高级新型算法等创新研究。

2.4 实践创新平台师资队伍的建设

电力电子技术发展很快，应加强实践创新平台师资队伍建设。师资队伍包括专业教研室和专业实验室的教师。通过攻读学位、人才引进、访问进修、学术交流、对口支援（华南理工大学）等多种方式，建立一支年龄结构、知识结构、工程素质均较为合理的师资队伍，有力支撑电力电子技术实践创新平台建设工作的开展。

2.5 实践创新平台管理建设

在电力电子技术实践创新平台构建过程中，采取“问题为导向、项目为组织”的原则，坚持教学科研并重机制，开展具有专业指向性的实验创新教学科研活动，形成可持续发展的管理机制，并从技术、成果和人员3个方面不断完善。一些成熟的技术如硬件电路、系统模型和控制算法纳入成果库，实现模块化和资源共享，避免重复开发和资源浪费。研究生在导师项目带动下直接利用此实践创新平台开展课题研究。对于本科生，实行双向选择、重点培养。在电力电子技术课堂上，教师将实践创新平台技术内涵和研究热点、学科前沿问题与学生互动，引导学生发现问题，激发兴趣，然后在老师指导下申请国家级、区级和校级创新、实验技能等相关项目，目前此类项目可占学院学生总数50%左右，项目实施周期2 a。学生参与创新项目可以获得相对应的学分，在保研考研、评优就业等方面优势明显。这样，不但落实了经费，还从师资和生源方面步入可持续发展的良性循环，充分调动优秀学生进实验室、进课题、进团队的积极性，整体上达到并实现了开放性实践创新教学，开放的广度、深度和厚度不断扩大。

3 电力电子技术课程实践创新平台应用分析

目前国内高校的电力电子技术课程实验平台普遍采用“电力电子技术与运动控制教学实验装置”，本科学生只需通过简单面板连线即可完成实验，实践和创新能力得不到有效锻炼。同时，研究生培养和科研项目的实施需要与学科前沿接轨的开发平台，实验装置无能为力。构建电力电子技术实践创新平台以后，情况有了根本改变。

经过多年建设，目前电力电子技术实践创新平台已实现可再生能源接入、电能质量、电机节能技术、独立供电（异步发电）、储能充放电控制等关键技术的自主开发（如图2所示），对专业建设和学科发展、人才培养，发挥了十分重要的作用。采用电力电子技术课程实践创新平台后，取得了较为满意的效果，表现在3个方面。

图2 电力电子技术实践创新平台成果Fig.2 Achievements of practice innovation platform for power electronics technology

（1）基于此平台进行实施以本科生为主导的“大学生创新性实验计划”项目、“大学生创新创业训练计划”项目、广西大学大学生实验技能与科技创新能力训练基金项目和广西大学实验室建设与实验教学改革项目相继获得立项，以此平台进行的本科毕业设计历年获得优秀成绩。

（2）研究生（硕士研究生、博士研究生）以此实践创新平台进行控制算法、拓扑结构等理论研究和系统研制工作，在异步独立发电、电能质量及其控制技术、电机控制、光伏发电及并网技术、微网控制技术（基于蓄电池储能充放电控制）等方面取得了一系列成果，部分研究成果已经陆续发表在《电力电子技术》、《电力自动化设备》和《中国电机工程学报》等学术期刊上。

（3）依托电力电子技术课程实践创新平台组建的“先进测控和智能电力”科研团队，承担了国家自然科学基金、广西自然科学基金、广西科技攻关、广西住房和城市建设厅专项课题、南宁市科学研究与技术开发计划课题等一大批科研项目，对电气工程学科前沿问题进行理论探索，并相继研制了10 kVA光伏发电并网系统、50 kvar配电网静止同步补偿器DSTATCOM（distribution static synchronous compensator）和30 kVA动态电压恢复器DVR（dynamic voltage restorer）装置。

通过电力电子技术课程实践创新平台，学生改变了过去只能仿真的被动局面，勇于实践，通过实际并网运行，实现了CDIO模式的培养过程。

4 结论

（1）建设完成电力电子技术实践创新平台，使学生的工程能力和实践创新素质得到较大提升。

（2）形成有特色的基于电力电子技术实践创新平台实践教学模式，包括改变教师的教学方法，激励学生学习积极性和主动性等，同时教师科研能力不断提升。

（3）多层次、数字化、开放性的电力电子技术实践创新平台，满足不同教学科研需要，极具推广价值。

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