雙變流器電力電子課程創新研究

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摘要：針對高校實驗室電源或線路容量較小的工況，構建了基于雙變流器的電力電子課程創新實驗平臺，介紹了平臺的主電路結構和主要環節的設計原理，并對平臺的整流、逆變、能量回饋、無功生成及補償等多項實驗教學功能進行了實驗驗證。結果表明，該實驗平臺不僅克服了電源或線路容量有限的缺點，而且豐富了電力電子課程探究性實驗的教學內容，可顯著提升電力電子課程的實驗教學質量。

關鍵詞：電力電子；雙變流器；實驗教學；探究性實驗

隨著我國經濟持續快速發展和人們生活水平的不斷提高，迫切需要新能源發電和電能高效變換技術[1-6]。因此，作為電能變換的核心技術，電力電子技術課程在電氣工程類專業教學中占有十分重要的地位。電力電子技術與工程實際聯系緊密，單純的理論分析教學模式不利于學生對相關知識點的深入理解。實驗課程在提升電力電子教學效果中有著至關重要的作用，它能夠將抽象枯燥的理論變得生動具體，激發學生的求知欲望。為此，眾多高校致力于電力電子教學實驗平臺的構建和持續更新[7-12]。隨著現代電力電子技術的發展，以PWM理論為基礎的電能變換技術在電能變換和控制中(尤其在中小功率場合)占據主導地位[13-16]。但目前電力電子實驗課程依然主要基于晶閘管器件的相控技術，教學內容老化，與電力電子實際應用脫節。因此，為加深學生對現代電力電子技術的理解，培養學生創新意識，迫切需要建立以現代電力電子技術為應用背景的教學實驗平臺。由于高校實驗室電源或線路容量通常較小，購置的電力電子實驗裝置在實驗過程通常只能在小電流工況下進行，無法反映電力電子裝置實際應用場景，進而影響實驗課程教學效果。為此，本文設計了基于雙變流器的電力電子課程創新綜合性實驗平臺。基于該平臺，學生可進行PWM整流、PWM逆變、能量回饋、無功生成、無功補償以及有源濾波等多項以現代電力電子技術應用為背景的實驗。該平臺有效克服了電源或線路容量不足所帶來的局限性，大幅提高了實驗靈活性。此外，該平臺具有交流欠壓、交流過壓、直流過壓、缺相、錯相、過流和過溫等完善的保護措施，安全性高，適合學生操作。

1實驗平臺硬件設計

實驗平臺硬件設計主要包括功率主電路、信號調理電路及控制與保護電路，涉及電力電子技術、自動控制原理、模擬電子技術、數字電子技術及可編程邏輯器件等多門課程的知識。實驗平臺各環節的設計原理手冊均對學生完全開放，作為學生實驗前期的學習材料，促進學生系統性地認識和掌握多門專業知識，將相關課程的知識“點”串成一條“線”，進而培養學習興趣，激發創新意識。1.1功率主電路拓撲基于雙變流器的電力電子課程創新實驗平臺的主電路拓撲如圖1所示。us和is分別為電網電壓和網側電流；VSC1和VSC2為兩臺具有相同結構的電壓源型變流器(其拓撲如圖2所示)；L1和L2分別為兩臺變流器的輸出濾波電感；Cdc1和Cdc2為直流側電壓支撐電容；為提高實驗平臺靈活性，兩臺變流器直流側通過開關Sw連接，當進行PWM整流+逆變實驗時閉合Sw，形成背靠背結構，控制VSC1使其工作在整流狀態，VSC2工作于逆變狀態；當進行無功電流生成及補償實驗時斷開Sw，兩臺VSC分別作為無功發生器和無功補償器。1.2控制與保護電路實驗平臺控制電路板采用四層板結構，由上至下分別為頂層信號層、地層、電源層以及底層信號層，如圖3所示。主控芯片采用TI公司TMS320F28335浮點型DSP，并結合相關外圍電路實現具有多項保護功能的DSP系統控制器。整個系統的保護邏輯由ALTERA公司的EPM7128STI100型CPLD管理，主要實現相序判斷、故障類型指示及保護等功能。當出現任一故障時，CPLD輸出PWM封鎖信號并點亮相應的故障類型指示燈，便于學生對故障類型進行判斷。此外，系統中還設置了控制電源指示燈、PWM封鎖指示燈以及CPLD工作狀態指示燈等，便于學生了解系統的狀態。為提高系統的可擴展性，系統中設置了額外的保護信號輸入端及數字量輸入端。由主電路和控制系統組成的實驗平臺如圖4所示。

2實驗平臺軟件設計

實驗平臺軟件部分由兩部分組成：一是基于TI公司CodeComposerStudio(CCS)的下位機控制程序；二是在VisualStudio下采用C#語言開發上位機實驗平臺控制界面。根據探究性實驗教學內容的系統性要求及深度，又將下位機程序分為兩類：一是將編寫好的DSP外設配置代碼進行封裝，學生只對控制程序進行修改，不能修改外設配置，避免對外設配置的誤操作，該類型的程序供以控制原理為重點實驗內容的學生使用；二是DSP外設配置代碼及控制代碼均對學生開放，該類型的程序供課時較多，以專業知識系統性學習為目標的學生使用。為了提高實驗平臺的可操作性與可讀性，實驗平臺上位機控制程序由實驗注意事項區和功能區兩部分組成。實驗注意事項區主要對學生的安全操作、實驗計劃學習和控制程序及主電路結構校驗等主要環節進行提示。功能區對VSC1和VSC2的操控命令通過串口通信分別下達至相應的DSP芯片，實驗平臺的微機操控界面如圖5所示。

3實驗平臺應用案例

3.1實驗內容設計

第一，由學生將雙變流器實驗平臺連接成背靠背形式，控制VSC1和VSC2分別工作于整流和逆變狀態，通過觀察并網電流與電網電壓相位之間的關系，分析整流和逆變時能量的流動方向。第二，在背靠背結構下，設置VSC2工作在不同的開關頻率下，觀察開關頻率對變流器輸出電流中開關紋波電流大小的影響，并討論其原因。第三，雙變流器實驗平臺連接成負載—補償器形式，即VSC1模擬無功負載，VSC2模擬無功補償器，觀察負載無功電流和補償電流與電網電壓相位關系，使學生對靜止無功補償器的控制原理有感性認識。

3.2實驗結果及分析

根據上述實驗內容制定了具體的實驗計劃，由教師輔助指導學生完成相關實驗并組織學生對實驗結果進行討論。第一，整流—逆變實驗。學生將實驗平臺連接成背靠背形式，通過CCS改變控制程序使得VSC1的控制目標為直流側電壓，VSC2的控制目標為有功電流，通過上位機界面設置VSC1和VSC2的開關頻率分別為4.8kHz和2.4kHz。學生由圖6可以發現VSC1的電流與電網電壓相位相同，因此工作在整流狀態，此時能量由交流電網流向直流側；VSC2的電流與電網電壓相位相反，因此工作在逆變狀態，此時能量由直流側流向交流電網。雖然兩者電流的幅值均為20A左右，但是由于相位相反，因此電源側電流的幅值較小，大幅度減小了實驗平臺對電源和線路容量的要求。為了便于觀察開關頻率對變流器輸出電流中開關紋波電流大小的影響，減小變流器輸出電流為10A，實驗結果如圖7所示。VSC2輸出電流中的開關紋波含量明顯大于VSC1，這加深了學生對開關頻率與紋波電流之間關系的理解，針對該實驗現象由老師引入L型及LCL型濾波器供學生討論，激發學生的好奇心，培養學生的創新意識。第二，負載—補償實驗。學生將實驗平臺連接成負載—補償器形式，通過CCS改變控制程序，使VSC2工作在無功發生器模式，發出一定的感性無功電流，VSC1工作在無功補償器模式，對VSC2發出的無功電流進行補償。通過上位機界面設置兩者的開關頻率均為9.6kHz，實驗結果如圖8所示。學生由圖8可以發現VSC2的電流滯后于電網電壓90°，對應感性無功功率；VSC1的電流超前于電網電壓90°，對應容性無功功率。由于VSC1與VSC2的電流幅值相同，相位互差180°，兩者相互抵消，因此電源側不含有無功電流，即實現了對負載無功電流的補償。在該實驗結果的基礎上由教師引入有源濾波的概念并組織學生討論，安排學生進行課下學習，為有源濾波實驗做準備。由此可見，無論是在整流—逆變還是負載—補償模式下，每個VSC均可在電網側電流很小的工況下進行較大電流的實驗，有效克服了電源或線路容量不足所帶來的局限性。

4結語

針對高校實驗室電源或線路容量較小的工況，結合現代電力電子技術探究性實驗教學目標和特點，建立了基于雙變流器的電力電子課程創新實驗平臺。系統化的平臺設計方案有助于開展面向電力電子技術、模擬電路、數字電路、自動控制原理以及可編程邏輯器件等專業知識的綜合性和探究性實驗，友好的上位機程序便于學生對系統主要參數進行修改，完善的保護措施和較高的靈活性與可擴展性適合實驗教學的使用。最后，對平臺在整流—逆變與負載—補償器模式下的實驗功能進行了測試，驗證了平臺功能的正確性。該創新實驗平臺的引入，豐富了現代電力電子技術課程的探究性實驗教學內容，為激發學生的好奇心，培養學生的創新意識提供了良好條件。

作者：楊樹德 張繼勇 蔣偉 單位：揚州大學電氣與能源動力工程學院