“电能质量控制”课程设置的考虑

陈 仲

(南京航空航天大学电气工程系，江苏南京 210016)

电能质量的改善对于电网和用户电气设备的安全经济运行，促进电力行业发展有重要意义。影响电能质量的主要因素有:谐波、电压波动与闪变、频率波动、三相不平衡和过电压等［1］。

当前，国内外有关电能质量控制的研究正处于高潮，从所适用的非正弦功率理论拓展、电能质量评价指标体系建立、电能质量监测到各种电能质量控制技术的研究和装置开发正不断深入进行。

基于电力电子的电能质量控制是一个复杂的系统工程技术，涉及电力系统、电工理论、电力电子、自动控制和计算机等技术的综合应用，为了适应当代科技发展对电气工程及其自动化专业高素质人才的培养需求，有必要开设“电能质量控制”课程［2］。

1 课程结构和内容优化

“电能质量控制”课程属于电气工程与自动化专业的选修课，2个学分，32个学时，面向大学四年级学生开设。我们根据电能质量控制技术的特点和需求，结合电力电子技术在电能质量控制领域的基础理论和关键技术，采用如下课程结构和内容设置。

1)电力系统发展历史和柔性交流输电技术

介绍典型的FACTS控制器，包括静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)和静止无功发生器(SVG)等。详细讲述电能质量问题的概念、产生、分类和危害。着重分析典型非线性电力电子装置的输入电流特性，例如典型整流器装置的输入侧谐波特性。

2)电力电子装置的功率因数校正技术

讲述常见无源功率因数校正技术，包括多脉冲整流技术、三次谐波注入技术、无源滤波器技术等。介绍典型电力电子器件、电压型变流器和电流型变流器，讲述典型的有源功率因数高频整流技术，包括PWM整流器和Boost功率因数校正整流器等。

3)非正弦功率理论和谐波检测技术

介绍功率理论的发展历史和现状，本课程详细讲述瞬时无功功率理论以及基于该理论的pq谐波检测方法和ip-iq谐波检测方法;介绍基于傅里叶频域分析的谐波检测方法;介绍特定次谐波检测技术和无谐波检测控制技术等。

4)各类电能质量控制器

(1)并联型电能质量控制器—讲述并联型有源电力滤波器的主电路结构及其数学模型、电流波形控制技术和电压控制策略、主电路参数优化设计方法等。多电平变换器是未来应用于中高压大容量场合的理想变流器，本课程将最新的多电平功率变换技术引入电能质量控制领域，介绍级联多电平有源电力滤波器的原理、控制方法和设计等。

(2)串联型电能质量控制器—讲述串联型电能质量控制器的主电路结构和参数选择，详细讲述其控制策略，包括前馈控制和电压反馈控制等—讲述单相串联电能质量控制器的最小电压补偿和最小能量补偿策略，三相串联电能质量控制器的补偿电压优化计算方法等。

(3)混合型电能质量控制器—讲述串联混合型有源电力滤波器的结构和原理、稳定控制策略和系统优化设计方法等。讲述并联混合型有源电力滤波器的典型结构形式、无源滤波组件设计和复合控制策略等。讲述谐振注入型混合有源电力滤波器的结构和原理、控制方法等。

5)适用于航空电力系统的高可靠性高性能有源电力滤波器，基于新型双降压开关单元的有源电力滤波器拓扑结构及其控制策略等。

2 研究性教学模式和课程考核

研究性教学以来自实践的真实问题为基础，让学生在接近真实的情境中学习，它培养了学生的学习能力、解决问题的能力、团队合作能力和创新能力，增强了学生对未来工作的适应能力［3］。本课程在研究性教学方面作了一些积极的研究和实践，包括自学、合作、讨论和课外阅读等方式。

1)引导学生阅读电力电子技术专业的学术期刊，了解学科前沿。教师可以指导学生阅读与电力电子技术和电能质量控制装置相关的学术期刊，利用互联网搜索最新的信息，还鼓励学生写读书报告和学术小论文。

2)积极推行Seminar形式的课堂教学模式。教师通过布置研究专题，例如:谐波电流检测技术发展及其现状研究、有源电力滤波器的拓扑及其控制策略研究、并联型有源电力滤波器关键技术研究、多电平变换及其在电能质量控制中的应用研究等。一般以2-3人为一组，通过分工合作，由学生在课外自发地进行查找资料、理论学习、设计和仿真等工作，撰写一份研究报告;并同步完成一份PPT报告，在课堂上进行交流。

3)对本课程的考核进行了改革，更多的比重偏向于考察学生在专题研究和实践性教学环节中的表现。这对于引导学生重视和加强素质和能力训练起到了决定性作用。

3 实践教学环节设置

1)有效利用计算机仿真这一虚拟的实验环境。教师在重要的课程章节中精心布置一些习题，例如:①基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术;②并联型有源电力滤波器的仿真研究;③动态电压恢复器的仿真研究等。要求学生借助Saber和Matlab中的工具箱Power Systems等软件在课外进行仿真研究。并且要求学生完成相应的实验报告，内容必须涵盖原理分析、参数计算、建模与结果分析等，这样可以有效锻炼学生的主动学习能力。

2)开发了一种并联型电能质量控制装置通用实验平台。在该平台上学生可以完成多项课程设计，例如:①基于时域分析的瞬时谐波检测模块设计;②瞬时波形跟踪PWM控制技术;③并联型有源电力滤波器系统;④动态无功发生器等。

利用此平台可以帮助学生很好地掌握典型电力电子装置的系统构成，深刻理解基于电力电子的电能质量控制一系列关键技术。例如:电流PWM控制、系统运行控制策略、驱动电路设计、高频开关功率电路设计和高精度瞬时谐波检测技术等。这对于培养学生的专业素质具有极其重要的帮助作用。

4 课程设置基础与条件

1998年，中国航空工业总公司立项批准在本学科建设航空电源部级航空科技重点实验室，2010年“新能源发电与电能变换重点实验室”又正式获得江苏省教育厅立项建设。近二十年来实验室承担了多项国家级和省部级科研项目，取得了丰硕的科研成果。

我们在电气专业教学中，将重点实验室的研究成果，实际的应用实例和典型的工程案例穿插入教学环节中，强化对学生的创新思维和创新能力的培养。在本课程中，可以将实验室研发的多脉冲航空变压整流器、高功率因数PWM整流电源、高性能航空有源滤波器等作为典型案例在课堂上讲解，将实物装置展示给学生观摩学习。

我们选用了文献［4］、［5］和［6］作为本课程的教材。另外还选出许多关于电能质量控制方面的学术论文或技术报告用作学生课外阅读文献，以辅助本课程的学习。

5 结语

“电能质量控制”课程具有很强的技术性和学术性，和电力电子学科的发展紧密相关。通过开设“电能质量控制”课程，使学生能够及时了解电能质量控制领域的最新发展动态，掌握现代电力电子技术在电力系统中应用的核心理论和关键技术，加深对电气工程学科专业知识的理解。通过研究性教学模式和开放性实践环节的训练，大大提高了课程教学质量，进一步培养了学生的科学研究能力。

［1］ 肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京，中国电力出版社，2004.

［2］ 胡敏强，程明，李杨.新形势下电气工程及其自动化专业人才培养模式与知识体系框架［J］.南京:电气电子教学学报，2003，25(2):44 －46

［3］ 赵洪.研究性教学与大学教学方法改革［J］.武汉:高等教育研究，2006，27(2):71-75

［4］ 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京，机械工业出版社，1998

［5］ H.Akagi，E.H.Watanabe，and M.Aredes.Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning［M］.Piscataway，NJ:IEEE Press，2007

［6］ 谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2006.