重庆大学牛富丽、曾正 等：面向卓越工程师培养的电力电子教学实验平台设计

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重庆大学电气工程学院的牛富丽、曾正、王明渝、杨帆、郭珂在2024年第10期《电气技术》上撰文，面向国家卓越工程师培养计划电气工程人才培养需求，针对现有电力电子实验设备通用性弱、拓展性差的问题，设计开发模块化、可重构的电力电子教学实验平台。该实验平台包含3个独立半桥、控制器、直流斩波电路、数据采集和保护电路，可灵活、高效地重构多种典型的电力电子电路，满足电力电子系列课程的实验要求。经过多年的应用推广和升级迭代，实践表明：该实验平台能够完成电力电子系列课程的实验项目并支撑学生自主创新学习实践，显著提升教学质量，为培养学生解决复杂工程问题和创新实践能力打下坚实基础。

电力电子技术在新能源发电、电气化交通、储能等领域具有不可替代的作用，是国家“双碳”目标下实现能源转型的关键技术。近年来，高比例新能源、高比例电力电子装备的“双高”电力系统持续快速发展，其对电力电子领域高素质工程人才的需求越来越大。与此同时，国家卓越工程师计划对新工科人才培养提出了越来越严格的要求，强调人才培养要突出工程技术创新能力的培养，工程师应具备解决交叉复合问题的工程能力和综合素养。

电力电子实验教学是培养学生实践能力、创新能力的重要阵地。然而，现有的电力电子实验平台仅包含一种固定的电路拓扑和专用的控制器，完成一个实验需要大量设备配合，还需要较大的实验场地。此外，现有设备的电路拓扑和控制器拓展性差，无法支撑学生开展自主设计实验，难以满足卓越工程师自主创新能力培养的要求。因此，开发自主性高、通用性强、拓展性好的新一代电力电子实验平台十分必要。

电力电子实验平台的研究主要集中在小型化、数字化、模块化等方面。在小型化方面，采用控制器在环的半实物仿真技术，将各种复杂的功率电路转化为现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）代码，可以大幅降低实验平台的体积和质量，并提升实验平台的拓展能力，此类实验平台注重培养学生在软件控制方面的设计与创新能力，但忽略了学生的硬件电路设计能力和创新能力。

在数字化方面，部分实验平台采用自动代码生成的数字化编程工具来加速复杂控制策略的实现，此类实验平台便于开展线上教学实验，在疫情时代具有较高的实用价值，但缺乏对学生动手实践能力的训练。在模块化方面，基于模块化的电路设计，采用平台化的开发工具能够完成各种算法的设计和快速验证，可移植能力强，此类实验平台易于集成和二次开发，但其底层软硬件固化，开放性较差。综上所述，现有电力电子实验平台已实现部分创新性探索和实践，丰富了实验教学内容和教学手段，但在通用性和拓展性方面仍需进一步的优化。

面向卓越电力电子工程师的培养需求，针对电力电子系列课程实验现存问题，本文设计开发一种开放式、可重构的电力电子教学实验平台，采用模块化设计理念、积木式电路组合，覆盖新能源发电、电气化交通等领域的常用电力电子变换电路。该实验平台具有即插即用、易于维护、便于拓展的特点，有利于学生进行二次开发和创新实验。本文详细介绍实验平台的设计架构、核心模块、典型案例和实践效果，为电力电子教学实验平台的开发提供新的设计思路。

1 实验平台的功能与原理

本文所研制的教学实验平台原理框图与实物效果如图1所示。面向电力电子系列课程的实验教学需求，该实验平台涵盖电路拓扑、控制驱动两个方面的教学内容，包括电源输入、负载、外部驱动、数据采集等关键部分。为了便于开展自主学习和探究学习，该实验平台采用模块化设计理念，兼顾拓展性、可视化和集成度等关键功能。该实验平台的具体功能如下：

图1 教学实验平台的原理框图与实物效果

1）包含可重构的硬件模块，通过模块的互联与重构可以实现AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC多种不同的电能转换拓扑。

2）可以提供覆盖电力电子技术、功率器件、电气传动、开关电源、电能质量分析等电力电子系列课程的实验项目。

3）具有即插即用的功率器件和控制器，学生可根据实验项目编写新的控制方法或调制技术，并选择相应的控制器。

4）集成了数据采集和测量设备，方便外接示波器观察波形。

所研制实验平台的关键参数见表1。该平台可以实现2kW以下的各种电力电子拓扑实验项目。功率电路各元件的端子在实验装置顶面板上表面可用，不同的拓扑结构通过外部连接实现。该实验平台的侧面留有外接电源端口，用于将平台与交流电源相连。此外，该实验装置顶面板还留有外部驱动输入端口，用于不同实验平台间的扩展连接。

根据功能的不同，该平台可以细分为三相半桥电路、直流斩波电路、控制器、数据采集和保护电路4个模块。

表1 教学实验平台的关键参数

1.1 三相半桥电路

三相半桥电路模块由3个独立的半桥电路构成，电路原理如图2所示。其中，A、B、C分别为三个半桥电路的交流端，P和N分别为三个半桥电路的直流正极端和负极端。功率器件可以是半控型器件晶闸管，也可以是IGBT等全控型器件。器件的功率端子并联RC吸收电路，吸收器件的关断过电压，保护器件安全。

图2 半桥电路原理

实验平台采用可插拔的功率座，实现不同功率器件的即插即用。半桥电路的每个器件端子都引至顶面板，便于通过香蕉插头与电缆互联，进而重构不同的电路拓扑。可以实现的电力电子系列课程实验项目包括：单相整流、三相整流、单相逆变、三相全桥逆变、三相有源逆变、单相交流调压等。在此基础上，该实验平台便于学生实现在新能源发电、交通电气化、工商业储能等新兴前沿领域，开展光伏逆变器、直流输电、电动机控制、能量回馈、电化学储能等探索性学习，具有较强的拓展性。

基于图2（a）所示的半桥电路，以单相整流、三相整流实验项目为例，电路接线如图3所示，其中虚线表示学生用于互连接线的外部导线。模块的驱动控制部分可外接驱动信号，也可由控制器提供信号。

图3 单相整流和三相整流电路接线

该实验平台还可以模拟驱动信号故障情况下的电路实验，此时实验中的驱动信号须由外部驱动提供，通过装置顶面板三相整流电路模块上方的钮子开关控制每个器件驱动信号的通断，实现故障现象的模拟重现，有利于结合高压直流输电的真实案例，开展异常工况的分析和应对，训练学生对直流输电闭锁、缺相、短路等故障的处置能力。

1.2 直流斩波电路

基于图2（b）所示的半桥电路，半桥电路的端子A、端子P、端子N外接不同电路可以重构出不同的直流斩波电路，开展Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、4管Buck-Boost电路等非隔离型DC-DC电路实验项目，电路连接原理如图4所示。利用多个图1（b）所示的实验箱可以进行模块化重构，得到交错并联Buck-Boost电路、模块化多电平电路等更加复杂的电力电子变换电路。通过该实验平台，可以开展储能、电动汽车等新兴应用领域的储能双向DC-DC、电动汽车充电等探究式实验，以提升学生对电路拓扑演化规律的认知水平及对电力电子技术应用创新的理解能力。

图4 可重构DC-DC电路的连接原理

1.3 控制器

实验平台提供模拟控制器和数字控制器，作为电路的驱动控制接口。模拟控制器采用SG3525集成芯片，产生带有死区的脉冲宽度调制信号。通过电位器的调节，改变输出控制脉冲的占空比。数字控制器使用数字信号处理器、单片机等微处理器，学生可基于Matlab自动代码生成工具，利用模型化编程的方式，实现不同的控制和调制方案。数字控制器编程灵活、功能多样，包括从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换、静止坐标系到同步旋转坐标系的变换（及其反变换）、锁相环控制、比例积分控制、三角调制、空间矢量调制等。

1.4 数据采集和保护电路

实验平台集成LED直流双显数字电压、电流表，电压测量范围为0～600V，电流测量范围为0～10A，用于显示输入或输出电压、电流的数值。电压、电流表的端口置于实验装置顶面板，方便接入电路获取电压、电流值。

实验数据通过顶面板端口输出，顶面板配置有多个电压探测点和电流测量跳线，可以连接各类电压和电流探头，便于在实验过程中通过示波器观察实验波形，并保存实验结果用于分析和处理。

实验平台设置有过电压保护和过电流保护。三相半桥电路模块中每个功率器件两端都并联电阻电容保护电路，以吸收功率器件换相过电压。采用快速熔断器对三相半桥电路模块的每个半桥电路进行 过电流保护。

2 实验平台的实验设计及案例分析

实验平台的设计以支撑现有课程实验为出发点，如图5所示，可涵盖电力电子方向的专业基础课、专业选修课及创新实践类课程的实验，由浅入深、循序渐进，为构建基础型、综合设计型、创新型的实验体系提供硬件支持。

图5 实验平台支撑课程及实验类型

以典型的直流斩波电路Buck电路为例，介绍实验平台的应用实践过程和实验结果。在Buck电路实验基础上，设计储能双向DC-DC变换器实验案例，提升学生对Buck电路到双向DC-DC电路拓扑演化规律的认知，以及对电力电子技术应用创新的理解。

2.1 Buck电路实验设计及实验结果

Buck电路实验接线如图6所示。Buck电路的输入电压 U in 为单相不控整流桥的输入，输入单相不控整流桥的交流电压可通过单相自耦调压器调节，半桥电路构成主功率回路，斩波后的电压经电感L和电容C滤波后供给负载电阻R，通过改变SG3525的占空比控制IGBT的通断，进而控制输出电压 U out 的大小。 该Buck电路工作在开环模式，直流输入电压 U in =50V，通过实验平台顶面板的外部旋钮，可手动调节脉宽调制信号的占空比，控制输出电压在0～50V可调。

图6 Buck电路实验接线

调节脉宽调制旋钮，改变脉宽调制的占空比，在示波器上观察到SG3525芯片的11引脚、14引脚和脉宽调制波的电压波形如图7所示，可以看到11引脚与14引脚的电压波形的相位相差180°，且两个波形存在同为低电平的时间，脉宽调制波形是IGBT的驱动电压波形。

图7 控制回路 的实验波形

输入电压为50V，观察占空比为50%时，电感L的电压和IGBT两端电压如图8（a）所示，输出电压 U o ut 的纹波如图8（b）所示。 在IGBT导通期间，电感电流上升，电感电压为输入电压与输出电压之差，即 U i n - U o ut ； 在IGBT关断期间，电感通过二极管续流，电感电流下降，电感电压等于输出电压 U o ut 。 通过对输出电压波形的分析可知，输出电压的纹波为146mV。

图8 功率回路的实验波形

学生根据电路原理，可以利用半桥电路搭建Buck电路拓扑，从而加深对电路拓扑的理解，提高自主学习能力和动手实践能力。通过观察不同占空比下的SG3525芯片11引脚、14引脚和脉宽调制波形，学生更能理解脉宽调制波形产生的原理，并直观地观察到脉宽改变对波形的影响。通过测量不同占空比下的输入电压与输出电压，验证输出电压与输入电压的关系，可以培养学生的数据分析能力。通过观察电感电压、输出电压波形及脉宽调制信号，验证DC-DC降压变换器的工作情况，并判断电路的工作模式，从而培养学生理论联系实际的能力和分析问题、解决问题的能力。

2.2 储能双向DC-DC变换器的实验设计

新能源发电的随机性、波动性不利于稳定并网，储能作为能量存储和功率调节模块，可以有效抑制光伏、风电等新能源发电带来的功率波动。

结合储能应用的工程背景，将图9所示光伏储能系统中的储能双向DC-DC变换器设计成实验教学项目，有利于培养学生解决实际问题的能力。

图9 光伏储能系统

基于图1和图2（b）所示的实验平台设计储能双向DC-DC变换器实验，接线如图10所示，其中 U 1 为直流母线电压， U 2 为储能电池两端电压。 当开关管 S 2 保持关断， S 1 导通时，电路工作在Buck电路模式，能量由直流母线侧流向储能电池侧，实现电池充电储能，当S1关断时，电路中的电感通过S2的并联二极管续流； 当开关管S1保持关断，S2导通时，电路工作在Boost电路模式，能量由储能电池侧向直流母线侧传递，电池放电。 实验中需观察输入、输出的电压和电流，判断电池的充、放电状态，同时根据电感电压波形判断电路工作状态。

图10 储能双向DC-DC变换器实验接线

3 实验平台的教学效果

该实验平台已成功应用于我校电力电子系列课程的实验教学中近三年，共开设36学时实验，每年服务300多名本科生。同时，为学生创新创业训练项目提供了有利条件。实际的教学过程中，学生表现出更强的求知欲和积极性，表示能从实验课学到课本以外的知识，并锻炼了动手能力。为了检验实验平台应用的效果，课程结束后，以问卷的形式收集学生对课程的评价，课程问卷调查情况见表2，打分1～10表示很不满意～非常满意。

表2 课程问卷调查情况

表2数据是针对200名本科生进行问卷调查得到的结果，其中打分数值是所有同学打分的平均值。调查中超过86%的学生认为实验平台操作性高、易用性好，通过该实验平台锻炼了分析问题、解决问题的能力，达到了预期目标，说明实验平台在课程教学实验环节的应用效果良好。

4 结论

本文设计了可重构、多功能电力电子教学实验平台，用来解决现阶段电力电子课程实验设备不可扩展、无法通用等问题。该实验平台采用模块化设计思路，包括半控/全控半桥电路、模拟/数字控制器、数据采集、驱动保护等模块，集成度高、拓展性好、通用性强。

以Buck电路实验教学为例，展示了该实验平台的可操作性和实践效果；以储能应用背景引入储能双向DC-DC变换器实验设计，让学生在应用场景中解决实际问题，培养学生的工程思维。多年的应用实践表明，该实验平台能极大地激发学生的自主学习兴趣，调动学生的学习积极性，有利于培养学生理论联系实际的创新能力和实践能力，很好地支撑电力电子系列课程的实验教学。该实验平台还可用于开展各类创新创业项目、毕业设计、学科竞赛等课外实践项目，培养学生的创新实践能力，为解决复杂工程问题奠定基础。

本工作成果发表在2024年第10期《电气技术》，论文标题为“面向卓越工程师培养的电力电子教学实台设计”。本课题得到教育部新工科研究与实践项目、重庆市研究生教育教学改革项目的支持。

中国电工技术学会

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