新工科背景下虚拟电力电子实验系统的开发与设计＊

李沁，唐德，李绍武，沈忱

新工科背景下虚拟电力电子实验系统的开发与设计＊

李沁1，唐德2，李绍武1，沈忱1

（1.湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.中国地质大学 自动化学院，湖北 武汉 430074）

现有传统的“电力电子学”及相关课程的实验教学在硬件设备、实验手段、创新教学上都存在一定缺陷，无法满足新工科建设的要求。结合LabVIEW与Matlab/Simulink平台，对“电力电子学”以及相关专业课程的实验教学内容进行设计，建立虚拟实验系统平台。此系统能完成传统实验平台同等要求的常规实验，还能完成一些传统硬件设备所不能实现的综合性和设计类实验，提高了电力电子实验系统的灵活性和创新性，为开展新工科建设提供思路。

LabVIEW；Matlab/Simulink；电力电子；虚拟实验

1 引言

“电力电子学”是电气专业的一门专业基础课，实验教学是其中重要的环节。但是现有的传统实验室由于设备老旧、形式单一、内容僵化等问题，限制了实验教学的代表性和创新性、实验项目的设计性和灵性，妨碍了实验室建设的可持续发展，教学效率低下，无法满足新工科建设的内涵与特征[1-2]。

本文采用LabVIEW结合Matlab/Simulink平台开发的虚拟实验系统，代替传统实验平台，避免了硬件设备的维护维修、元器件损坏、接线不直观、实验灵活性差的缺点。学生可以通过该实验系统进行完整的模型仿真、波形观察、参数调节、过程控制、结果分析等操作。经测试，本系统能完成实际实验平台同等要求的实验，并且还能完成一些学校现有设备所不满足的选修课和课程设计的综合实验，提高了电力电子实验系统的灵活性和创新性，提高学生的积极性和主动性，有利于实现以学生为中心的新工科建设发展要求。

2 主界面设计

基于NI公司设计的LabVIEW软件，能实现交互式的人机接口与测量仪器的设计，操作简洁灵活[3]。

本设计基于LabVIEW和Matlab/Simulink的电力电子实验教学平台，有助于提高学生对理论知识的学习兴趣，加深对系统设计的操作认识。

针对于“电力电子学”“电力电子课程设计”“柔性电力技术”等课程中涉及的课程实验，结合笔者在课程教学以及学生在实验过程中遇到的问题，对系统的整体功能进行了设计，如图1所示。

按照预定的由整体到细节的分层编程思路设计方案，将虚拟实验系统分为三个大的功能模块，分别是系统认证模块、系统主界面模块、实验模块。

图1 虚拟实验系统整体功能设计

其中，系统认证模块是实验系统的初始运行模块，用于实现用户认证。通过系统管理员（教师）添加学生（常驻用户）和访客（临时用户），用户数据均以数据库的形式保存，管理员还可继续添加、删除用户等操作；根据本系统设计，必须完成系统认证后才能进入实验系统，提高了系统的安全性，也便于教师统计学生的到课率以及学生实验的完成进度。系统登陆界面如图2所示。

系统的主界面模块包含了电力电子常规实验和扩展实验。通过主VI与子VI的依存关系对子VI进行调用，以此来打开和关闭实验项目，由LabVIEW的静态事件触发来完成，主界面如图3所示。

电力电子实验模块包括整流电路、逆变电路、交流调压电路、直流斩波电路和扩展实验模块，涵盖了课程中学习的典型变流电路的各类验证性实验和部分选修课与课程设计中需要的设计性实验，还可根据后续课程的需要添加、修改和删除各实验项目。

3 实验系统设计与测试

系统利用Matlab/Simulink强大的模型设计与分析的功能进行底层的仿真分析，对每一个实验电路进行仿真计算、数据存储，通过LabVIEW中的仿真接口工具箱（SIT）实现LabVIEW和Matlab/Simulink的统一结合，再基于VI前面板实现参数设置、波形显示、结论分析等功能[4]。还可利用LabVIEW中的Web功能将实验系统平台在网络网络发布，学生可以远程对虚拟实验平台访问，不受空间和时间限制，进行实验课程的学习[5]，方便学生在课下进行基础实验的学习，实验课堂上教师可以更多地进行答疑和创新性教学设计的指导，使实验教学更高效。

图2 登录界面

图3 主界面

考虑到本实验系统涉及的实验较多，因此以单相桥式全控整流电路和扩展实验中的动态电压补偿器（DVR）来进行简单介绍。

3.1 单相桥式全控整流电路

3.1.1 单相桥式全控整流电路实验程序设计

单相桥式全控整流电路是电力电子学中的一项常规实验，是分析三相整流、有源逆变等电路的基础。在Matlab/

Simulink中按照电路原理图建立仿真模型，通过SIT接口联立编程，创建单相桥式整流电路程序如图4所示。

3.1.2 实验测试

在实验项目选择的主界面上选择打开对应实验项目，此时虚拟系统会同时在后台打开Matlab对应仿真模型的.mdl文件，如在实验项目选择界面上点击“单相桥式全控整流电路”实验选项进入实验项目界面，如图5所示。如同实际仪器一样用鼠标“拨动”左上方的开关，此时运行状态指示会亮起绿灯，表示实验系统就绪。

图4 单相桥全控整流电路实验程序设计框图

学生可根据实验需要进行参数的调节。本实验中通过调节负载的大小来改变负载类型，如果电感设置为0表示纯电阻负载，如果电阻设置为0表示纯电感负载；还可调节触发角，本实验项目可调节为30°、60°、90°、120°几个典型值。也可在VI中修改为对话框的形式实现非典型值的触发角数值的输入。在参数设置完毕后即可点击左下方“开始”按钮进行实验电路的仿真，结果如图5所示。

图5 单相桥式全控整流电路实验仿真结果

如图5所示，界面上显示有电路原理，学生在实验时可以对照原理图进行理论分析，加深理解。在不同负载和触发角下，其对应的晶闸管电压、电流，负载的电压和电流波形能直观显示在界面上，当触发角不同时，学生通过仿真图像中直观的曲线对比，可对电阻负载、阻感负载在不同触发角下的输出有更深入的理解。并且相比传统的实验系统，其触发角的调节更准确，相位和幅值的对比更清晰直观。

3.2 扩展实验：动态电压补偿器（DVR）

单相桥式全控整流电路在传统实验平台上也能进行实验，但是在很多选修课、方向课、课程设计中，受硬件条件和实验环境的限制，无法进行相关的实验操作和学习。例如在“柔性电力技术”这门课程中，分析了电力电子装置在电力系统中的相关应用，在本实验系统中，学生通过底层仿真模型的学习和搭建，能够将抽象的应用与实际工程环境结合进行综合性的实验设计与学习，在本文中以动态电压补偿器（DVR）为例进行说明。

3.2.1 动态电压补偿器（DVR）的程序设计

动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）是一种应用于电力系统的电力电子串联补偿装置，具有补偿有功功率从而实现电压调节的能力。当电力系统电压受到干扰（如短路故障）时，会引起负荷侧短时间（几个周期到几十个周期）的电压跌落。可能造成敏感负荷的故障发生。通过在电力系统配网中串联动态电压调节器（DVR），它可在1～2个周期内利用逆变器产生的高频PWM波来提供补偿电压，抵消或消除系统的扰动，使负荷侧电压基本不受影响，从而保证计算机等重要但很敏感的负荷的安全可靠运行[6]。

因为DVR配网动态电压补偿装置大多都应用于中压配电网系统中。完成该项实验除了电压跌落不便于及时测定外，电压补偿大小以及时间无法依靠学生手算得出，因此在校内实际实验室中难以完成该项电力电子实验，实验效果打了折扣。然而学生在学习该部分理论知识时，如果没有结合实际工程项目，对其工作原理、补偿过程、控制效果的理解有一定难度，容易打消进一步学习的积极性，尤其对课程设计、选修课容易产生混及格混学分的错误学习态度，难以实现理想的学习效果。传统实验项目很难将实际工程项目在实验室中实现，而在本虚拟实验平台中，通过将实际工程项目进行等效参数的建模，方便学生将抽象的概念转换为实际的实验项目来理解，加强了学生工程实践能力。

在本实验系统中，其VI设计方案与单相桥式全控整流实验类似，按照分析→建模→建立VI→连接→仿真的顺序进行设计。动态电压补偿器的程序设计如图6所示。

图6 DVR仿真实验程序框图

3.2.2 实验测试

在实验项目界面上选择“DVR”实验项目，进入实验项目子界面，与单相桥式整流电路实验类似，在使用时需要先打开界面上的开关，待指示灯变为绿色时，表明系统进入待运行模式。在左下方处点击“开始”按钮开始运行仿真。仿真过程是在底层由Matlab/Simulink搭建的.dll文件中运行，学生在仿真运行的过程中可以通过LabVIEW上位机监测界面对波形进行实时观察，如图7所示。

图7 DVR仿真运行过程

以A相电压发生电压跌落时的调节过程为例进行说明。在参数设置部分，可以设定电压跌落或者上升的幅度和出现的时间，由于在底层中设计了加入和不加入DVR实现电压调节的两个模型，一个仿真模型为不引入DVR装置进行电压补偿前节点的电压波形，明显可见在设定时间内负载节点处发生了电压跌落；另一个模型为在系统中加入DVR补偿装置后节点的电压波形，在电压跌落的时间内电压实现了补偿，在上位机中可同时对比显示，还能进行放大和缩小的观测，学生可以通过两种模型节点电压波形的分析与处理来深入学习DVR对电压调节的作用。考虑到DVR补偿的是PWM波，还需进行FFT分析，在上位机界面上加入节点经过滤波后基波电压的显示，帮助学生理解DVR的补偿效果，可见通过DVR补偿装置在一个周期内就将跌落的电压补偿恢复为标幺值。学生还可以通过导出简易图像，针对波形进行更深入的分析与理解，还可以通过点击波形图右上方的Ub、Uc线条框来显示B、C相的电压按照同样方法显示和分析。在本实验中学生还可以通过选择某一相或者几相短路来模拟当系统发生接地故障时DVR的电压补偿作用，在此不赘述。

在本虚拟实验系统中，通过底层开发时提供相应的电压补偿算法，即可利用计算机和Matlab软件自动进行电压的测量和相应的补偿，实验过程简单易行，可以根据学生的基础和兴趣，针对不同层级的学生可以有不同的实验设计和步骤，如果是基础较差的同学，可以在上位机界面上设计和观察在不同电压跌落故障下的DVR补偿作用和效果，而基础较好、学习兴趣浓厚的同学，不仅可在上位机界面上完成验证性实验，还能打开底层的模型文件，进一步学习工程模型搭建、控制器参数设计与校正等知识，对于培养学生的学习兴趣，提高独立思考的能力有极大的帮助。其余的实验也可根据学生基础和层次有针对性进行实验步骤和实验内容的设计与修改，提高了传统实验平台的灵活性和适用性。

4 结语

LabVIEW具有界面设计友好、编程功能强大的特点，能有效弥补传统实验平台的不足。基于LabVIEW设计的电力电子虚拟实验平台，充分利用了LabVIEW测量界面的便捷性和Matlab/Simulink建模的灵活性，加深了学生理论和实验学习的互通，学生可以灵活、高效地进行实验，还能通过远程进行学习与实践，使学生的学习不再受时间和空间的限制，与理论学习灵活互补、有效协调，帮助学生加深对“电力电子学”相关课程的学习与理解，提高实践能力，强化工程应用能力。有助于在新工科背景下，以学生为主体的自主学习与新型实验教学模式的结合发展。

［1］于飞，向东，魏永清.基于LabVIEW及Matlab的“电力电子技术”教学［J］.电气电子教学学报，2013，35（3）：49-51.

［2］李沁，艾青，陈坤燚，等.基于Matlab/Simulink和LabVIEW的电力拖动虚实结合实验系统设计［J］.科技与创新，2018（20）：61-63.

［3］田思庆，侯强，王越男.基于LabVIEW的“自动控制原理”实验教学平台［J］.电气电子教学学报，2019，41（2）：135-138，151.

［4］周岩，张腾飞，马海啸，等.基于LabVIEW构建“电力电子技术”实践教学平台［J］.电气电子教学学报，2018，40（5）：129-131，135.

［5］潘玉恒，鲁维佳，陈佳慧，等.电子信息类专业课程远程虚拟实验平台的构建［J］.实验室科学，2018，21（3）：75-77.

［6］史建平，杜立.基于分布式电网中DVR的补偿控制策略研究［J］.电子器件，2018，41（3）：631-637.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.005

2095－6835（2019）19－0016－04

李沁，女，博士，讲师，长期从事电力电子与电力拖动、电气信息检测等教学研究。

湖北民族大学教学研究项目（编号：2014JY034）

〔编辑：严丽琴〕