導(dǎo)語：雙變流器電力電子課程創(chuàng)新研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室電源或線路容量較小的工況，構(gòu)建了基于雙變流器的電力電子課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，介紹了平臺(tái)的主電路結(jié)構(gòu)和主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)平臺(tái)的整流、逆變、能量回饋、無功生成及補(bǔ)償?shù)榷囗?xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅克服了電源或線路容量有限的缺點(diǎn)，而且豐富了電力電子課程探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，可顯著提升電力電子課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力電子；雙變流器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；探究性實(shí)驗(yàn)

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，迫切需要新能源發(fā)電和電能高效變換技術(shù)[1-6]。因此，作為電能變換的核心技術(shù)，電力電子技術(shù)課程在電氣工程類專業(yè)教學(xué)中占有十分重要的地位。電力電子技術(shù)與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，單純的理論分析教學(xué)模式不利于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的深入理解。實(shí)驗(yàn)課程在提升電力電子教學(xué)效果中有著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)⒊橄罂菰锏睦碚撟兊蒙鷦?dòng)具體，激發(fā)學(xué)生的求知欲望。為此，眾多高校致力于電力電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和持續(xù)更新[7-12]。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，以PWM理論為基礎(chǔ)的電能變換技術(shù)在電能變換和控制中(尤其在中小功率場合)占據(jù)主導(dǎo)地位[13-16]。但目前電力電子實(shí)驗(yàn)課程依然主要基于晶閘管器件的相控技術(shù)，教學(xué)內(nèi)容老化，與電力電子實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。因此，為加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)代電力電子技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，迫切需要建立以現(xiàn)代電力電子技術(shù)為應(yīng)用背景的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于高校實(shí)驗(yàn)室電源或線路容量通常較小，購置的電力電子實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過程通常只能在小電流工況下進(jìn)行，無法反映電力電子裝置實(shí)際應(yīng)用場景，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果。為此，本文設(shè)計(jì)了基于雙變流器的電力電子課程創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于該平臺(tái)，學(xué)生可進(jìn)行PWM整流、PWM逆變、能量回饋、無功生成、無功補(bǔ)償以及有源濾波等多項(xiàng)以現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用為背景的實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)有效克服了電源或線路容量不足所帶來的局限性，大幅提高了實(shí)驗(yàn)靈活性。此外，該平臺(tái)具有交流欠壓、交流過壓、直流過壓、缺相、錯(cuò)相、過流和過溫等完善的保護(hù)措施，安全性高，適合學(xué)生操作。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)主要包括功率主電路、信號(hào)調(diào)理電路及控制與保護(hù)電路，涉及電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)及可編程邏輯器件等多門課程的知識(shí)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)原理手冊(cè)均對(duì)學(xué)生完全開放，作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)前期的學(xué)習(xí)材料，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)和掌握多門專業(yè)知識(shí)，將相關(guān)課程的知識(shí)“點(diǎn)”串成一條“線”，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。1.1功率主電路拓?fù)浠陔p變流器的電力電子課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。us和is分別為電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流；VSC1和VSC2為兩臺(tái)具有相同結(jié)構(gòu)的電壓源型變流器(其拓?fù)淙鐖D2所示)；L1和L2分別為兩臺(tái)變流器的輸出濾波電感；Cdc1和Cdc2為直流側(cè)電壓支撐電容；為提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)靈活性，兩臺(tái)變流器直流側(cè)通過開關(guān)Sw連接，當(dāng)進(jìn)行PWM整流+逆變實(shí)驗(yàn)時(shí)閉合Sw，形成背靠背結(jié)構(gòu)，控制VSC1使其工作在整流狀態(tài)，VSC2工作于逆變狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)行無功電流生成及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)時(shí)斷開Sw，兩臺(tái)VSC分別作為無功發(fā)生器和無功補(bǔ)償器。1.2控制與保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制電路板采用四層板結(jié)構(gòu)，由上至下分別為頂層信號(hào)層、地層、電源層以及底層信號(hào)層，如圖3所示。主控芯片采用TI公司TMS320F28335浮點(diǎn)型DSP，并結(jié)合相關(guān)外圍電路實(shí)現(xiàn)具有多項(xiàng)保護(hù)功能的DSP系統(tǒng)控制器。整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)邏輯由ALTERA公司的EPM7128STI100型CPLD管理，主要實(shí)現(xiàn)相序判斷、故障類型指示及保護(hù)等功能。當(dāng)出現(xiàn)任一故障時(shí)，CPLD輸出PWM封鎖信號(hào)并點(diǎn)亮相應(yīng)的故障類型指示燈，便于學(xué)生對(duì)故障類型進(jìn)行判斷。此外，系統(tǒng)中還設(shè)置了控制電源指示燈、PWM封鎖指示燈以及CPLD工作狀態(tài)指示燈等，便于學(xué)生了解系統(tǒng)的狀態(tài)。為提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)中設(shè)置了額外的保護(hù)信號(hào)輸入端及數(shù)字量輸入端。由主電路和控制系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件部分由兩部分組成：一是基于TI公司CodeComposerStudio(CCS)的下位機(jī)控制程序；二是在VisualStudio下采用C#語言開發(fā)上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制界面。根據(jù)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性要求及深度，又將下位機(jī)程序分為兩類：一是將編寫好的DSP外設(shè)配置代碼進(jìn)行封裝，學(xué)生只對(duì)控制程序進(jìn)行修改，不能修改外設(shè)配置，避免對(duì)外設(shè)配置的誤操作，該類型的程序供以控制原理為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)生使用；二是DSP外設(shè)配置代碼及控制代碼均對(duì)學(xué)生開放，該類型的程序供課時(shí)較多，以專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)為目標(biāo)的學(xué)生使用。為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可操作性與可讀性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)控制程序由實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)區(qū)和功能區(qū)兩部分組成。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)區(qū)主要對(duì)學(xué)生的安全操作、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)習(xí)和控制程序及主電路結(jié)構(gòu)校驗(yàn)等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行提示。功能區(qū)對(duì)VSC1和VSC2的操控命令通過串口通信分別下達(dá)至相應(yīng)的DSP芯片，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微機(jī)操控界面如圖5所示。

3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用案例

3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

第一，由學(xué)生將雙變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接成背靠背形式，控制VSC1和VSC2分別工作于整流和逆變狀態(tài)，通過觀察并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位之間的關(guān)系，分析整流和逆變時(shí)能量的流動(dòng)方向。第二，在背靠背結(jié)構(gòu)下，設(shè)置VSC2工作在不同的開關(guān)頻率下，觀察開關(guān)頻率對(duì)變流器輸出電流中開關(guān)紋波電流大小的影響，并討論其原因。第三，雙變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接成負(fù)載—補(bǔ)償器形式，即VSC1模擬無功負(fù)載，VSC2模擬無功補(bǔ)償器，觀察負(fù)載無功電流和補(bǔ)償電流與電網(wǎng)電壓相位關(guān)系，使學(xué)生對(duì)靜止無功補(bǔ)償器的控制原理有感性認(rèn)識(shí)。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制定了具體的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，由教師輔助指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)并組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。第一，整流—逆變實(shí)驗(yàn)。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接成背靠背形式，通過CCS改變控制程序使得VSC1的控制目標(biāo)為直流側(cè)電壓，VSC2的控制目標(biāo)為有功電流，通過上位機(jī)界面設(shè)置VSC1和VSC2的開關(guān)頻率分別為4.8kHz和2.4kHz。學(xué)生由圖6可以發(fā)現(xiàn)VSC1的電流與電網(wǎng)電壓相位相同，因此工作在整流狀態(tài)，此時(shí)能量由交流電網(wǎng)流向直流側(cè)；VSC2的電流與電網(wǎng)電壓相位相反，因此工作在逆變狀態(tài)，此時(shí)能量由直流側(cè)流向交流電網(wǎng)。雖然兩者電流的幅值均為20A左右，但是由于相位相反，因此電源側(cè)電流的幅值較小，大幅度減小了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電源和線路容量的要求。為了便于觀察開關(guān)頻率對(duì)變流器輸出電流中開關(guān)紋波電流大小的影響，減小變流器輸出電流為10A，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。VSC2輸出電流中的開關(guān)紋波含量明顯大于VSC1，這加深了學(xué)生對(duì)開關(guān)頻率與紋波電流之間關(guān)系的理解，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由老師引入L型及LCL型濾波器供學(xué)生討論，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。第二，負(fù)載—補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接成負(fù)載—補(bǔ)償器形式，通過CCS改變控制程序，使VSC2工作在無功發(fā)生器模式，發(fā)出一定的感性無功電流，VSC1工作在無功補(bǔ)償器模式，對(duì)VSC2發(fā)出的無功電流進(jìn)行補(bǔ)償。通過上位機(jī)界面設(shè)置兩者的開關(guān)頻率均為9.6kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。學(xué)生由圖8可以發(fā)現(xiàn)VSC2的電流滯后于電網(wǎng)電壓90°，對(duì)應(yīng)感性無功功率；VSC1的電流超前于電網(wǎng)電壓90°，對(duì)應(yīng)容性無功功率。由于VSC1與VSC2的電流幅值相同，相位互差180°，兩者相互抵消，因此電源側(cè)不含有無功電流，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載無功電流的補(bǔ)償。在該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上由教師引入有源濾波的概念并組織學(xué)生討論，安排學(xué)生進(jìn)行課下學(xué)習(xí)，為有源濾波實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。由此可見，無論是在整流—逆變還是負(fù)載—補(bǔ)償模式下，每個(gè)VSC均可在電網(wǎng)側(cè)電流很小的工況下進(jìn)行較大電流的實(shí)驗(yàn)，有效克服了電源或線路容量不足所帶來的局限性。

4結(jié)語

針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室電源或線路容量較小的工況，結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和特點(diǎn)，建立了基于雙變流器的電力電子課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)化的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案有助于開展面向電力電子技術(shù)、模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制原理以及可編程邏輯器件等專業(yè)知識(shí)的綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)，友好的上位機(jī)程序便于學(xué)生對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行修改，完善的保護(hù)措施和較高的靈活性與可擴(kuò)展性適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的使用。最后，對(duì)平臺(tái)在整流—逆變與負(fù)載—補(bǔ)償器模式下的實(shí)驗(yàn)功能進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了平臺(tái)功能的正確性。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的引入，豐富了現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)提供了良好條件。

作者：楊樹德 張繼勇 蔣偉 單位：揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院