离并网数字控制逆变电源教学实验平台设计与开发

方天治，谢捷如

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 211106)

电气工程专业涉及的专业课程众多，从“电路”到“模拟电子技术”“数字电子技术”[1]，从“信号与线性系统”到“自动控制原理”，从“工程电磁场”到“电力电子技术”抑或是“电机学”……，课程群中各门课程之间环环相扣、层层递进，知识点相互渗透。电气学科的学生通过各门课程的学习，不仅要打下扎实的理论基础，更要最终达成工程应用的需求[2]。

虽然每门专业课程中的相应知识点都会与工程实际紧密结合，但教师在授课过程中大多只能举例说明，学生很难有切身感受。尽管几乎每门专业课程都设置了实验课环节，但一般该环节的课时较短，并且大多是验证性实验。实际上，欲使学生最终具备电气学科的相关工程经验，让其参与到一项涵盖各门课程知识点的课程设计是大有裨益的。当然，这对相关的课程设计也提出了要求：尽可能多地囊括各门课程的工程应用知识点，在此基础上，对相应的实验平台进行合理的设计，使之具有综合性、系统性，从而促进学生掌握扎实的理论基础，并培养学生的系统综合能力、工程设计能力和创新能力。为此，本文设计并开发了一套离并网数字控制逆变电源教学实验平台。

1 离并网数字控制逆变电源

逆变电源又叫逆变器，其可将直流电转换为交流电(DC-AC)，是典型的电力电子变换单元，在UPS、航空静止变流器、交流微网等场合均得到了广泛应用。近年来，数字控制作为电力电子技术中的重要控制方法，其相比模拟控制具有控制灵活、通用性强等优点。对于所开发的数字控制逆变电源实验平台，为了提高其在实际应用背景的适用性并丰富平台所涉及的工程应用知识点，考虑进行逆变电源在带独立负载运行与并网运行两种工况下的平台设计[3]。

对于离并网数字控制逆变电源，需对其略显庞杂的实验体系进行有效设计以匹配本科生的已有知识体系，进而培养其工程实践能力。

2 实验平台的设计

电气课程群的结构体系如图1所示，实验平台各项环节的组织需与之紧密贴合。与课程群中各门课程之间层层递进的关系相对应，各个实验步骤的设计也需由浅入深与之匹配。

图1 电气课程群结构体系

首先，给学生介绍有关离网逆变器与并网逆变器的区别：前者带独立负载运行，为电压源型逆变器(交流电压源)；后者为并网运行，其输出电压由电网决定，被控量为其输出电流，故其为电流源型逆变器(交流电流源)。显然，这一概念上的区别加深了学生对基本电路知识中电源的理解。

其次，作为交流电源，实验平台的相关知识——正弦交流电路是“电路”这门电类基础课程的最为重要的环节，也是该课程的分水岭。与直流量相比，交流量存在幅值、频率、相位等多个要素，故对其知识点的掌握需建立起新的观点、体系和架构，譬如用相量代替正弦量进行分析[4]。此外，交流电所涉及的功率亦不再单纯，需区分有功功率、无功功率以及视在功率，且涉及到功率因数这个重要的物理量。由此可见，交流电路的知识点繁杂，若不改变观点、建立新知识架构，恐怕很难理解由直流转到交流的深邃含义，更不用谈将其应用到工程实际当中。

除了“电路”，实验平台涉及的知识点还分布在其他各门课程中，表1给出了实验平台所涉及的各门课程的对应知识点。为了更好地让学生将所学知识应用于实验平台，从而建立工程思维[5-6]，可由浅入深地设计初级、进阶以及终极3个阶段的实验，其中初级实验侧重考察学生对基础知识的掌握与应用，进阶实验和终极实验侧重考察学生对知识的综合运用以及一定的工程设计能力。由进阶实验到终极实验则是由偏重软件到偏重硬件的由易到难的过渡。

表1 知识点所属课程

3 实验内容

如前所述，为了将本科生所学各门课程的知识点有效串联起来并应用于工程实际，本实验平台设置了3个阶段的实验。其中，初级实验主要涉及本科生第一门电类课程——“电路”的基础知识及相关应用，其具体内容涉及如下两种工况：

1)对于逆变电源工作在离网模式——带阻性负载和感性负载运行，测试在两种独立负载运行情况下的输出功率，特别是带感性负载运行时的输出有功功率P、无功功率Q、视在功率S以及功率因数cosφ。

2)对于逆变电源工作在并网模式，此时的工作目标是要实现单位功率因数并网，故此时测试并网逆变器注入电网电流的有效值Ig、功率因数cosφ、有功功率P。

通过上述实验，使学生对电路理论关于正弦交流电部分的重要物理量有了直观的工程概念。由于该阶段的实验只是对单独一门课程中的知识点的工程实践，故称为初级实验。此外，对学生工程思维的培养还要进一步落实到他们对多门课程知识的综合运用，甚至衍生到对实际环节的工程设计上。因此，在以上初级实验的基础上进一步设置了进阶实验，具体步骤如下：

1)分别测试逆变电源工作于离网、并网模式时的输出电压、电流的总谐波含量(THD)，该测试对象是以“信号与线性系统”课程中的傅里叶变换作为理论依据。同时辅以saber仿真，观察THD值与滤波器参数的关系。通过上述实验很好地培养并考察学生对傅里叶变换及滤波器知识的综合应用。

2)逆变电源采用数字控制[7]，相应的数控系统需实现稳定运行且兼具良好性能。对此需综合运用Z变换知识(信号与线性系统)和自控知识(自动控制原理)。对于该逆变电源数控系统在z域中的模型，需合理设计PI(比例积分)调节器等控制参数，故需学生结合已有的知识(根轨迹、波特图等)进行相应的实战演习，并结合saber仿真观察其参数设计效果。

3)由于逆变电源采用的是数字控制，故需通过DSP编程方能实现上述数控模型中的控制环路。实验中给出有关程序的整体架构供学生学习，同时也空出部分程序由学生完成，以考查学生运用C语言编程的工程应用能力。学生在编程完毕后将其应用于逆变电源中实现系统的高性能运行，工程设计能力在这一阶段亦得以培养。

上述实验进一步考察了学生对所学专业知识的综合应用能力，更在一定程度上锻炼了他们的工程设计能力。相比这一阶段的实验平台的软件，电源本身的硬件部分更需学生综合应用其所学知识，故在终极实验中给出了相应培养方案，具体步骤如下：

1)了解逆变电源的主电路拓扑——全桥拓扑，对其中的电感进行设计并制作；对采用的器件——MOSFET有直观感受；对主电路部分主要器件的选型过程进行理解并掌握。这一步骤涉及的课程包括“电力电子技术”“工程电磁场”“数字电路”。

2)了解逆变电源的采样、驱动电路等，其中运用了运放、门电路等知识；了解霍尔元件的工作原理，并对驱动变压器进行设计和制作；最终再次运行逆变电源，并测试前述各项指标。这一步骤涉及的课程包括“模拟电路”“数字电路”“电力电子技术”“工程电磁场”。

终极实验每个步骤的完成均涉及多门课程的综合及相关工程设计，特别是设置了电感、驱动变压器的设计这一环节，其实际上是一个工程项目进展中的必由之路。学生通过这一阶段的训练势必有助于建立其工程思维，为日后的研究工作打下扎实的基础。

图2给出了以上3个阶段的实验进程，结合相应图例可见，各个实验步骤紧密衔接、层层递进。

4 结束语

电气学科具有很强的工程应用背景，故对其课程设计提出了更高要求。本文对一种离并网数字控制逆变电源实验平台进行具体设计及开发，其所涉及的实验分成相关课程基础知识点的应用、各门课程的综合应用和工程设计3个阶段，对应不同层次学生的培养。实验将本科生所学各门课程有效串联起来，整个实验平台的建设具有很好的综合性与系统性。实践证明，本实验平台在有效满足电气学科工程应用需求的同时，也为本科生进一步深造打下了良好的工程基础。

图2 3个阶段的实验进程