双变流器电力电子课程创新研究

　　摘要：针对高校实验室电源或线路容量较小的工况，构建了基于双变流器的电力电子课程创新实验平台，介绍了平台的主电路结构和主要环节的设计原理，并对平台的整流、逆变、能量回馈、无功生成及补偿等多项实验教学功能进行了实验验证。结果表明，该实验平台不仅克服了电源或线路容量有限的缺点，而且丰富了电力电子课程探究性实验的教学内容，可显著提升电力电子课程的实验教学质量。

　　关键词：电力电子；双变流器；实验教学；探究性实验

　　随着我国经济持续快速发展和人们生活水平的不断提高，迫切需要新能源发电和电能高效变换技术[1-6]。因此，作为电能变换的核心技术，电力电子技术课程在电气工程类专业教学中占有十分重要的地位。电力电子技术与工程实际联系紧密，单纯的理论分析教学模式不利于学生对相关知识点的深入理解。实验课程在提升电力电子教学效果中有着至关重要的作用，它能够将抽象枯燥的理论变得生动具体，激发学生的求知欲望。为此，众多高校致力于电力电子教学实验平台的构建和持续更新[7-12]。随着现代电力电子技术的发展，以PWM理论为基础的电能变换技术在电能变换和控制中(尤其在中小功率场合)占据主导地位[13-16]。但目前电力电子实验课程依然主要基于晶闸管器件的相控技术，教学内容老化，与电力电子实际应用脱节。因此，为加深学生对现代电力电子技术的理解，培养学生创新意识，迫切需要建立以现代电力电子技术为应用背景的教学实验平台。由于高校实验室电源或线路容量通常较小，购置的电力电子实验装置在实验过程通常只能在小电流工况下进行，无法反映电力电子装置实际应用场景，进而影响实验课程教学效果。为此，本文设计了基于双变流器的电力电子课程创新综合性实验平台。基于该平台，学生可进行PWM整流、PWM逆变、能量回馈、无功生成、无功补偿以及有源滤波等多项以现代电力电子技术应用为背景的实验。该平台有效克服了电源或线路容量不足所带来的局限性，大幅提高了实验灵活性。此外，该平台具有交流欠压、交流过压、直流过压、缺相、错相、过流和过温等完善的保护措施，安全性高，适合学生操作。

　　1实验平台硬件设计

　　实验平台硬件设计主要包括功率主电路、信号调理电路及控制与保护电路，涉及电力电子技术、自动控制原理、模拟电子技术、数字电子技术及可编程逻辑器件等多门课程的知识。实验平台各环节的设计原理手册均对学生完全开放，作为学生实验前期的学习材料，促进学生系统性地认识和掌握多门专业知识，将相关课程的知识“点”串成一条“线”，进而培养学习兴趣，激发创新意识。1.1功率主电路拓扑基于双变流器的电力电子课程创新实验平台的主电路拓扑如图1所示。us和is分别为电网电压和网侧电流；VSC1和VSC2为两台具有相同结构的电压源型变流器(其拓扑如图2所示)；L1和L2分别为两台变流器的输出滤波电感；Cdc1和Cdc2为直流侧电压支撑电容；为提高实验平台灵活性，两台变流器直流侧通过开关Sw连接，当进行PWM整流+逆变实验时闭合Sw，形成背靠背结构，控制VSC1使其工作在整流状态，VSC2工作于逆变状态；当进行无功电流生成及补偿实验时断开Sw，两台VSC分别作为无功发生器和无功补偿器。1.2控制与保护电路实验平台控制电路板采用四层板结构，由上至下分别为顶层信号层、地层、电源层以及底层信号层，如图3所示。主控芯片采用TI公司TMS320F28335浮点型DSP，并结合相关外围电路实现具有多项保护功能的DSP系统控制器。整个系统的保护逻辑由ALTERA公司的EPM7128STI100型CPLD管理，主要实现相序判断、故障类型指示及保护等功能。当出现任一故障时，CPLD输出PWM封锁信号并点亮相应的故障类型指示灯，便于学生对故障类型进行判断。此外，系统中还设置了控制电源指示灯、PWM封锁指示灯以及CPLD工作状态指示灯等，便于学生了解系统的状态。为提高系统的可扩展性，系统中设置了额外的保护信号输入端及数字量输入端。由主电路和控制系统组成的实验平台如图4所示。

　　2实验平台软件设计

　　实验平台软件部分由两部分组成：一是基于TI公司CodeComposerStudio(CCS)的下位机控制程序；二是在VisualStudio下采用C#语言开发上位机实验平台控制界面。根据探究性实验教学内容的系统性要求及深度，又将下位机程序分为两类：一是将编写好的DSP外设配置代码进行封装，学生只对控制程序进行修改，不能修改外设配置，避免对外设配置的误操作，该类型的程序供以控制原理为重点实验内容的学生使用；二是DSP外设配置代码及控制代码均对学生开放，该类型的程序供课时较多，以专业知识系统性学习为目标的学生使用。为了提高实验平台的可操作性与可读性，实验平台上位机控制程序由实验注意事项区和功能区两部分组成。实验注意事项区主要对学生的安全操作、实验计划学习和控制程序及主电路结构校验等主要环节进行提示。功能区对VSC1和VSC2的操控命令通过串口通信分别下达至相应的DSP芯片，实验平台的微机操控界面如图5所示。

　　3实验平台应用案例

　　3.1实验内容设计

　　第一，由学生将双变流器实验平台连接成背靠背形式，控制VSC1和VSC2分别工作于整流和逆变状态，通过观察并网电流与电网电压相位之间的关系，分析整流和逆变时能量的流动方向。第二，在背靠背结构下，设置VSC2工作在不同的开关频率下，观察开关频率对变流器输出电流中开关纹波电流大小的影响，并讨论其原因。第三，双变流器实验平台连接成负载—补偿器形式，即VSC1模拟无功负载，VSC2模拟无功补偿器，观察负载无功电流和补偿电流与电网电压相位关系，使学生对静止无功补偿器的控制原理有感性认识。

　　3.2实验结果及分析

　　根据上述实验内容制定了具体的实验计划，由教师辅助指导学生完成相关实验并组织学生对实验结果进行讨论。第一，整流—逆变实验。学生将实验平台连接成背靠背形式，通过CCS改变控制程序使得VSC1的控制目标为直流侧电压，VSC2的控制目标为有功电流，通过上位机界面设置VSC1和VSC2的开关频率分别为4.8kHz和2.4kHz。学生由图6可以发现VSC1的电流与电网电压相位相同，因此工作在整流状态，此时能量由交流电网流向直流侧；VSC2的电流与电网电压相位相反，因此工作在逆变状态，此时能量由直流侧流向交流电网。虽然两者电流的幅值均为20A左右，但是由于相位相反，因此电源侧电流的幅值较小，大幅度减小了实验平台对电源和线路容量的要求。为了便于观察开关频率对变流器输出电流中开关纹波电流大小的影响，减小变流器输出电流为10A，实验结果如图7所示。VSC2输出电流中的开关纹波含量明显大于VSC1，这加深了学生对开关频率与纹波电流之间关系的理解，针对该实验现象由老师引入L型及LCL型滤波器供学生讨论，激发学生的好奇心，培养学生的创新意识。第二，负载—补偿实验。学生将实验平台连接成负载—补偿器形式，通过CCS改变控制程序，使VSC2工作在无功发生器模式，发出一定的感性无功电流，VSC1工作在无功补偿器模式，对VSC2发出的无功电流进行补偿。通过上位机界面设置两者的开关频率均为9.6kHz，实验结果如图8所示。学生由图8可以发现VSC2的电流滞后于电网电压90°，对应感性无功功率；VSC1的电流超前于电网电压90°，对应容性无功功率。由于VSC1与VSC2的电流幅值相同，相位互差180°，两者相互抵消，因此电源侧不含有无功电流，即实现了对负载无功电流的补偿。在该实验结果的基础上由教师引入有源滤波的概念并组织学生讨论，安排学生进行课下学习，为有源滤波实验做准备。由此可见，无论是在整流—逆变还是负载—补偿模式下，每个VSC均可在电网侧电流很小的工况下进行较大电流的实验，有效克服了电源或线路容量不足所带来的局限性。

　　4结语

　　针对高校实验室电源或线路容量较小的工况，结合现代电力电子技术探究性实验教学目标和特点，建立了基于双变流器的电力电子课程创新实验平台。系统化的平台设计方案有助于开展面向电力电子技术、模拟电路、数字电路、自动控制原理以及可编程逻辑器件等专业知识的综合性和探究性实验，友好的上位机程序便于学生对系统主要参数进行修改，完善的保护措施和较高的灵活性与可扩展性适合实验教学的使用。最后，对平台在整流—逆变与负载—补偿器模式下的实验功能进行了测试，验证了平台功能的正确性。该创新实验平台的引入，丰富了现代电力电子技术课程的探究性实验教学内容，为激发学生的好奇心，培养学生的创新意识提供了良好条件。

　　作者：杨树德 张继勇 蒋伟 单位：扬州大学电气与能源动力工程学院