中原工学院电子信息学院 河南郑州 450007

近年来在我国经济持续高速发展的背景下，传统能源的消耗量也大幅增长，由此引发的能源短缺和环境污染等问题成为制约我国经济又好又快发展的瓶颈。因此，发展新能源产业势在必行[1]。另外从电力系统的发展来看，目前正在从传统电网、智能电网到能源互联网发展。不论基于新能源的分布式电网、柔性交直流输电技术、智能电网、能源互联网其核心技术之一为电能变换与控制技术 ，所以有学者称未来的电网是电力电子化的电网。随着社会进步和技术发展，在电力电子技术课程中沿用传统的教学内容和教学方法，已经开始与除旧布新与时俱进的发展要求不相符合[2]。近年来，在高校和科研院所也涌现出了大批科研成果，其理论水平和实验室级的成果已接近或达到欧美水平，令人遗憾的是这些成果在工业化的过程中却出现了严重的滞后。传统课程设置和教材一般版本比较老，并且只注重基于电力电子电能变换基本原理讲解与描述，控制应用实例相对不多，新技术的应用涉及较少。在实验学方面主要以传统实验台开设验证型实验为主。为使学生能够及时掌握和了解电能变换新的发展动态，培养学生的综合素质，提高学生的工程应用能力，以及适应电力电子化电网对培养复合型人才的需要，就必须对电力电子课程进行改革。

1 课程教学内容

传统的电力电子课程内容主要包括：电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流-直流变流电路、交流-交流变流电路以及电力电子技术的应用等。随着电网电力电子化的发展，有关电能变换与控制新技术也不断涌现，且日臻完善，例如常用的PWM控制技术，包括SPWM、SVPWM、三角波比较和滞环控制；基于坐标变换的瞬时无功理论和锁相环技术等。作为本科课程教学知识体系的条件已经具备，且在实际中得到了广泛的应用。因此在教学内容设置上应增加这些新的内容，而对应该用较少的晶闸管整流和交流-交流变换电路内容进行适当压缩，重点讲解DC/DC，DC/AC和AC/DC变换的原理、控制和参数选择等。

通过本课程的学习使学生能掌握目前基于电力电子电能变换基本原理、电能变换中信号的检测方法、PWM调制技术等。为从事未来电网相关领域的工作打下良好的基础。针对本课程的特点主要采用理教、上机、综合型和设计型实验来完成教学环节。

传统电力电子技术课时一般为45个学时，但鉴于新内容的增加，建议总课时数为60学时。课时分配具体见表1。

表1 电力电子技术课时分配

表1 (续)

第1章主要讲述电力电子导论信号检测与处理所需要的一些基础知识，包括信号的检测方法与滤波、锁相环技术、瞬时无功理论及坐标变换等(这部分若有相关的课程已讲授此处可以不讲)。第2章主要讲述常用半导体电力器件，特别是新型全控制全控型器件MOSFET，IGBT等。第3章主要讲述常用的DC/DC变换(包括升压Boost、降压Buck、具有隔离功能DC/DC变换等)的基本原理、主电路参数计算、控制方法、仿真及实现。第4章主要讲述逆变器控制模型与原理，在此基础上分析DC/AC变换的基本原理、控制方法和仿真。DC/AC变换采用SPWM控制技术实现。讲述PWM的控制方法，包括正弦脉宽调制SPWM、空间矢量SVPWM、滞环控制和三角波比较控制，在三角波比较控制中增加了PID调节的基本原理和离散数学模型分析。第5章主要讲述PWM整流器控制模型与原理、分析典型单相和三相PWM整流器的基本原理、控制方法和仿真；第6章主要讲述电能变换装置中常用电感、变压器的设计方法。第7章讲述典型电能变换装置原理及实现的方法，包括静止无功发生器、有源电力滤波器、动态电压恢复器[3]。

2 仿真与设计型实验

一般院校电力电子技术实验以验证型实验为主，利用传统的实验台做验证型实验，连线复杂，学生兴趣不高，往往是一人接线多人观看，浪费时间效果较差。随着仿真软件的发展，如Matlable，Simulink，PSCAD，PISM的应用为电力电子技术的教学带来了极大的方便，学生可自主地搭建相关模型、设定参数来验证不同变换电路的工作原理及波形。在教学实践中利用“理论教学+仿真”的模式代替传统的“理论教学+验证型实验”的模式取得了较好的效果，因此利用仿真代替验证型实验势在必行。但仅仅依靠仿真实验还不能完全达到实践教学的目的，为避免取消了验证型实验带来对学生实际动手能力锻炼的缺失，建议开设2个设计型实验。

2.1 仿真课程设置

仿真课程设置可由教师课上提出系统的要求，学生根据要求对电路的参数进行计算分析，在仿真课上(或以作业的形式在课下完成)利用仿真软件进行模型搭建和仿真。对于DC/DC变换原理与控制内容，建议设置Buck、Boost或全桥变换的开、闭环仿真；对于DC/AC变换原理与控制内容，建议设置单相、三相逆变电压的开、闭环仿真；对于AC/DC变换原理与控制，建议设置单相、三相PWM整流的闭环仿真。

2.2 设计型实验

建议设计型实验学时为4学时。设计型实验开设需要时间较长，所有实验内容都在4个实验学时完成，困难较大。建议教师提前布置实验的具体任务。要求学生在进入实验之前，完成相应的理论分析、参数计算并进行仿真，同时编写出相关的程序代码。建议开设的设计型实验的任务书如表2所示。

表2 设计型实验任务书

3 实验平台的建设

上述实验的硬件平台全部由学生搭建，4个课时是难以完成的，因此必须建立一个合适的实验平台。根据电力电子技术的特点，不管是DC/DC，DC/AC还是AC/DC，其系统组成有共同性，即由开关器件和LC组成的电能变换主电路、由检测元件和运算放大器等组成的检测调理电路、由微处理器组成的控制电路等。为满足本课程模式设计型实验的需要，本实验平台由系统电路、电能变换主电路、检测电路调理电路、控制电路、辅助电源电路和保护电路等组成[4]。系统组成如图1所示。

图1 系统组成图

实验平台的主电源由调压器和不可控整流组成的电路提供，通过调压器可得到不同的电压，方便不同实验的需要。由三相桥式开关器件和LC组成的电能变换主电路，通过不同的连接可使其完成单、三相AC/DC和单三相DC/AC变换，也可以完成DC/ DC的变换。

按照图1连接可完成实验二的内容，学生根据不同设计参数的需要，设计检测、调理和LC滤波电路，来满足任务书要求，从而达到提高工程实践能力的目的。连接成如图2所示的电路可以完成实验一的内容，同样检测、调理和LC滤波电路的参数根据实验要求由学生自己确定，实验室可预先准备几种规格的电感电容供学生选用。

图2 Buck变换稳压电路图

4 结语

本课程改革的初衷是使学生不仅能掌握电力电子技术基础知识，而且能迅速掌握与之相适应的电能变换与控制技术。所以与传统课程教学模式相比，理论方面增加了检测算法和控制策略等新的内容，在教学手段方面引入了仿真软件的应用，提高了教学效率。取消了传统实验台验证型实验，增加了设计型实验，提高了学生的实际工程能力。给出了具体课程内容及课时分配；对仿真和设计型实验及实验平台做了详细的分析。该课程教学模式已经过几届教学实践取得了良好的效果，在全国大学生电子竞赛和毕业设计等中取得了很好的成绩。

[1] 巫付专,王耕.电气专业电能变换与控制方向培养方案的构建[J].中国电力教育,2013(17):18-19.

[2] 樊建强,郭晋蜀.电力电子技术课程教学研究与实践[J].中国现代教育装备,2016(5):87-89.

[3] 巫付专,沈虹.电能变换与控制[M].北京:电子工业出版社,2014.

[4] 巫付专,彭圣,侯婷婷.基于DSP电力电子技术通用研发平台的设计[J].中国电力教育,2012(12):154-155.