電力電子技術實踐創新平臺的構建

楊達亮，盧子廣，杭乃善，陳延明，胡立坤，李國進

（廣西大學電氣工程學院，南寧 530004）

《電力電子技術》課程是橫跨電力、電子、控制三大電氣工程技術之間的交叉科學，是目前最活躍、發展最快的一門新興學科，近20年來得到迅速發展[1]。柔性交流輸電FACTS（flexible AC transmission system）技術的基礎是電力電子器件，電力電子技術的應用正從傳統的角色向更加廣闊的領域拓展，特別是在可再生能源發電、新型節能技術、電能質量及其控制等領域得到成功應用。與此同時，對系統的控制性能也在不斷提高，非線性控制、模糊控制、自適應控制等復雜算法開始應用于電力電子控制系統[2，3]。另外，電力電子和電力驅動相關課程近20年來沒有太多的變化，面對控制實時化和數字化的要求，學習此課程的相關專業學生需要掌握對電力電子器件模塊各種性能的控制方法，然后通過可編程邏輯控制器PLC（programmable logic controller）、單片機MCU（micro control unit）、高級精簡指令集微處理器ARM（advanced RISC microprocessor）、現場可編程門陣列FPGA（field programmable gate array）或數字信號處理器DSP（digital signal processor）等嵌入式控制器實現實時數字化控制，這就要求重新調整課程結構[4]，以適應電力電子技術的快速發展。基于此，本文旨在探索建立《電力電子技術》實踐創新平臺，以方便學生（包括本科生、碩士研究生和博士研究生）將數字化控制引入到控制系統中，快速地對電力電子控制系統進行實時仿真和測試，提升學生創造能力、實踐能力、就業能力、創業能力—“4種能力”培養。

1 構建電力電子技術課程實踐創新平臺的理論依據

1.1 從國家層面，提高質量是我國高等教育改革發展最核心最緊迫的任務

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》、《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）等文件明確提出，不斷提高質量是高等教育的生命線，我國高等學校要把提高質量作為教育改革發展最核心最緊迫的任務，始終貫穿人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新各項工作之中。廣西大學電氣工程學院較早開展電力電子和電力驅動研究工作，近年來，通過“211”重點學科（電氣工程與“西電東送”關鍵技術開發學科群）建設和國家、省部級科研項目、優秀科研團隊的有力推動，對電力電子技術學科教學改革進行了有益的嘗試，已初步建立起電力電子控制系統實時仿真綜合平臺。該實驗平臺以dSPACE DS1104、Quanser Q8控制器為核心，可以實現快速控制原型RCP（rapid control prototyping）和硬件在回路仿真HILS（hardware－inthe－loop simulation），并建成具有自主知識產權的實時仿真模型庫（包括算法和系統模型），已具備開展建設實踐創新平臺的軟硬件基礎。本文所描述的電力電子技術實踐創新平臺，在已有的研究基礎上，通過采用先進的教學理念和方法，全面擴展內涵建設，探索實踐創新平臺建設，以進一步提高教學質量。

1.2 從行業層面，電力電子技術是建設統一智能電網的重要基礎和技術手段

進入21世紀，隨著全球能源和環境問題的日益突出，用戶對電能可靠性和質量要求的不斷提升，電力行業正面臨前所未有的挑戰和發展機遇，除電力需求增加等因素外，還表現為：①風力發電、光伏發電、生物質能發電等可再生能源發電的快速發展，大量間歇性分布式電源需要接入電網，給電網提出了新的要求；②電力市場改革的推進，電網與用戶實現友好互動，未來發展應以用戶需要為導向（電網不僅要向用戶提供可靠、綠色、高質、個性化的電能，用戶也可以向電網輸送剩余電能）；③大規模電動汽車任意接入和退出電網等用電方式的改變，對電力系統安全和供電電能質量提出更高的技術要求。因此，依靠現代電力電子、計算機、控制等多門學科交叉和技術融合，積極有序地發展智能電網，以適應未來可持續發展的要求，已成為國際電力發展的必然要求。通過建設智能電網，充分發揮電網在資源優化配置、服務國民經濟發展中的作用，對我國經濟社會全面、協調、可持續發展具有十分重要的戰略意義[5～8]。以柔性交流輸電FACTS技術、高壓直流輸電HVDC（high voltage DC）技術、定制電力CP（custom power）技術和能量轉換技術為代表的先進電力電子技術越來越廣泛地應用到電力系統中，它是建設統一智能電網的重要基礎和技術手段[9]。正因為電力電子技術在建設智能電網中的重要地位，對其課程進行改革以適應未來發展迫在眉睫。

2 電力電子技術課程實踐創新平臺內容

根據電力電子技術課程特點和已有的多年教學、科研研究基礎，結合電氣工程及其自動化、自動化建設優質、特色專業和重點學科發展要求，并充分考慮學院“卓越工程師教育培養計劃”實際情況，首先提出如圖1所示的《電力電子技術》實踐創新平臺結構框圖。圖1的中心部分為電力電子技術實踐創新平臺技術內涵部分，是技術內容。結構體系中構思（conceive）、設計（design）、實施（implement）、運作（operate）CDIO培養模式[10]以及專業與人才培養層次等圍繞實踐創新平臺展開或擴充。整個平臺具有技術內涵充實，多層次、數字化、開放性的特點。

2.1 電力電子技術實踐創新平臺技術內涵建設

整個實踐創新平臺以Matlab、dSPACE和QuanserQ8等高性能平臺為核心，采用模塊化結構設計，系統結構分為硬件結構和軟件結構2部分。硬件結構主要由dSPACE平臺控制器和主電路組成；平臺軟件結構由Matlab/Simulink軟件，dSPACE軟件和實時仿真模型庫組成。在此基礎上，不同層次的學生可根據實際功能需要，按照平臺的硬件結構對電路進行更換、擴展，或通過通信總線組成多處理器復雜系統，以滿足不同的控制要求。其中接口標準、器件選型、結構選擇、算法設計等具體細節還需要根據不同專業、培養層次、項目類型等進行選擇。通過驗證的控制算法可以直接移植到嵌入式處理器來運行，目前基于高性能DSPTMS320F2812/TMS320F28335已經脫機運行，基于FPGA正在實現當中。

圖1 電力電子技術實踐創新平臺結構框圖Fig.1 Block diagram of the practice innovation platform for power electronics technology

2.2 實踐創新平臺內容設計

訓練內容按照培養學生“創造能力、實踐能力、就業能力、創業能力”的理念進行設計。培養過程則按照CDIO模式進行，以培養學生在實踐中鞏固知識、發現問題、解決問題的工程能力。具體內容上，主要結合學生專業，由培養層次決定。學習課程時以相控整流和脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）控制逆變為主要內容；優秀本科學生畢業設計以創新實驗項目為主要內容；研究生以學科前沿問題和科研項目為主要訓練內容。

2.3 實踐創新平臺層次建設

電氣工程及其自動化、自動化等本科專業的學生主要進行整流、逆變等單相/三相電能變換電路拓撲結構和控制（相控、PWM控制）設計，畢業設計時內容可適當豐富；電力電子與電力傳動專業碩士研究生可以進行新型電路拓撲結構（如Z源逆變器）、新型PWM控制算法（直接轉矩控制、直接功率控制等）、電能質量及控制技術（統一電能質量調節器、靜止同步補償器、動態電壓恢復器等）、新能源發電技術（風能發電技術、光伏發電技術、生物質能發電技術等）、獨立發電技術（異步發電等）、檢測技術與自動化裝置專業碩士生可進行電壓、電流、相位、頻率等電量在單相/三相，對稱/非對稱等情況下用快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transform）、小波變換、瞬時功率理論，S變換，Hilbert-Huang（HH）變換，Time-Time（TT）變換及形態濾波器等進行檢測和算法處理研究；博士研究生、青年教師等研究人員可進行從系統建模到背靠背變流器結構設計、高級新型算法等創新研究。

2.4 實踐創新平臺師資隊伍的建設

電力電子技術發展很快，應加強實踐創新平臺師資隊伍建設。師資隊伍包括專業教研室和專業實驗室的教師。通過攻讀學位、人才引進、訪問進修、學術交流、對口支援（華南理工大學）等多種方式，建立一支年齡結構、知識結構、工程素質均較為合理的師資隊伍，有力支撐電力電子技術實踐創新平臺建設工作的開展。

2.5 實踐創新平臺管理建設

在電力電子技術實踐創新平臺構建過程中，采取“問題為導向、項目為組織”的原則，堅持教學科研并重機制，開展具有專業指向性的實驗創新教學科研活動，形成可持續發展的管理機制，并從技術、成果和人員3個方面不斷完善。一些成熟的技術如硬件電路、系統模型和控制算法納入成果庫，實現模塊化和資源共享，避免重復開發和資源浪費。研究生在導師項目帶動下直接利用此實踐創新平臺開展課題研究。對于本科生，實行雙向選擇、重點培養。在電力電子技術課堂上，教師將實踐創新平臺技術內涵和研究熱點、學科前沿問題與學生互動，引導學生發現問題，激發興趣，然后在老師指導下申請國家級、區級和校級創新、實驗技能等相關項目，目前此類項目可占學院學生總數50%左右，項目實施周期2 a。學生參與創新項目可以獲得相對應的學分，在保研考研、評優就業等方面優勢明顯。這樣，不但落實了經費，還從師資和生源方面步入可持續發展的良性循環，充分調動優秀學生進實驗室、進課題、進團隊的積極性，整體上達到并實現了開放性實踐創新教學，開放的廣度、深度和厚度不斷擴大。

3 電力電子技術課程實踐創新平臺應用分析

目前國內高校的電力電子技術課程實驗平臺普遍采用“電力電子技術與運動控制教學實驗裝置”，本科學生只需通過簡單面板連線即可完成實驗，實踐和創新能力得不到有效鍛煉。同時，研究生培養和科研項目的實施需要與學科前沿接軌的開發平臺，實驗裝置無能為力。構建電力電子技術實踐創新平臺以后，情況有了根本改變。

經過多年建設，目前電力電子技術實踐創新平臺已實現可再生能源接入、電能質量、電機節能技術、獨立供電（異步發電）、儲能充放電控制等關鍵技術的自主開發（如圖2所示），對專業建設和學科發展、人才培養，發揮了十分重要的作用。采用電力電子技術課程實踐創新平臺后，取得了較為滿意的效果，表現在3個方面。

圖2 電力電子技術實踐創新平臺成果Fig.2 Achievements of practice innovation platform for power electronics technology

（1）基于此平臺進行實施以本科生為主導的“大學生創新性實驗計劃”項目、“大學生創新創業訓練計劃”項目、廣西大學大學生實驗技能與科技創新能力訓練基金項目和廣西大學實驗室建設與實驗教學改革項目相繼獲得立項，以此平臺進行的本科畢業設計歷年獲得優秀成績。

（2）研究生（碩士研究生、博士研究生）以此實踐創新平臺進行控制算法、拓撲結構等理論研究和系統研制工作，在異步獨立發電、電能質量及其控制技術、電機控制、光伏發電及并網技術、微網控制技術（基于蓄電池儲能充放電控制）等方面取得了一系列成果，部分研究成果已經陸續發表在《電力電子技術》、《電力自動化設備》和《中國電機工程學報》等學術期刊上。

（3）依托電力電子技術課程實踐創新平臺組建的“先進測控和智能電力”科研團隊，承擔了國家自然科學基金、廣西自然科學基金、廣西科技攻關、廣西住房和城市建設廳專項課題、南寧市科學研究與技術開發計劃課題等一大批科研項目，對電氣工程學科前沿問題進行理論探索，并相繼研制了10 kVA光伏發電并網系統、50 kvar配電網靜止同步補償器DSTATCOM（distribution static synchronous compensator）和30 kVA動態電壓恢復器DVR（dynamic voltage restorer）裝置。

通過電力電子技術課程實踐創新平臺，學生改變了過去只能仿真的被動局面，勇于實踐，通過實際并網運行，實現了CDIO模式的培養過程。

4 結論

（1）建設完成電力電子技術實踐創新平臺，使學生的工程能力和實踐創新素質得到較大提升。

（2）形成有特色的基于電力電子技術實踐創新平臺實踐教學模式，包括改變教師的教學方法，激勵學生學習積極性和主動性等，同時教師科研能力不斷提升。

（3）多層次、數字化、開放性的電力電子技術實踐創新平臺，滿足不同教學科研需要，極具推廣價值。

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