工程问题在“电力电子技术实验”课程教学中的改革探索

黄日帆，潘晓明，田军南，彭达莉，唐涛祥

（广西科技师范学院 机械与电气工程学院，广西 来宾 546100）

0 引言

随着科技的进步，电力电子技术广泛应用在电力系统、新能源发电、家用电器、交通运输等领域，“电力电子技术”课程在电气工程类应用型人才培养中显得越来越重要[1]。本课程的学习目标不仅要求学生掌握扎实电力电子技术的理论知识，而且要求学生掌握解决电力电子工程领域相关问题的技能[2]。随着电力电子技术在新工程中的广泛应用[3]，许多高校“电力电子技术”实验教学设备陈旧、实验内容单一，很难培养理论知识扎实、动手能力强、工程素质高的高级工程技术人才[4]。本研究对“电力电子技术实验”教学改革与实际工程应用相结合展开探索，使课程教学面向工程实际需要，培养学生应用电力电子技术解决实际工程问题的综合能力和创新思维[5]。以电力电子技术在分布式储能发电领域的实际工程应用，以项目工程实例方式，对电力电子技术实验课程教学进行改革，使学生进一步理解电力电子技术的在实际工程问题中的应用，以培养具备创新实践能力强的应用型高级工程技术人才。

1 应用型人才培养存在的问题

当前，电力电子技术课程实验教学方法与应用型高级电气工程类技术人才培养目标不相适应，主要表现为以下几个方面：

（1）目前电力电子技术课程教材多以晶闸管技术、电能整流（AC-DC）技术、电能逆变（DC-AC）技术以及脉冲宽度调制（PWM）技术为主要内容[6]，而当今实际工程中常用的全控型器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及场效晶体管（MOSFET）只是简单介绍其基本原理。课程的实验教材内容大多是以教材内容进行实验教学设计[7]，与实际工程问题的设计不相适应，达不到锻炼学生分析和解决实际工程问题的能力，不利于应用型高级工程技术人才的培养。

（2）目前课程实验教学内容不以具体的工程问题为导向，不利于培养学生通过实验课程所学的技能来解决实际工程问题的能力[8]。课程的实验教学设计局限在一般的验证性实验和演示性实验，缺少与实际工程设计之间的联系，这不足以培养学生分析和解决实际工程问题的能力。

（3）地方性应用型本科院校招生规模不断扩大，给课程的实验教学带来新的困难与挑战[9]。当前，多数地方性应用型本科院校存在实验设备陈旧、备数量不足以及实验内容单一等问题[10]。另外，学生通过集成化实验平台展开实验，很难接触到实验平台内部的各种电力电子器件，操作能力、创新能力得不到锻炼。同时，学生在实验平台进行实验活动时，经常误操作造成实验平台损坏，降低其参与实验教学的兴趣，不利于学生综合技能的提升。

2 工程问题能力培养的实验教学改革

将“电力电子技术”课程的实践教学内容与实际工程问题相结合，在教学过程中除了验证性实验项目外，增加了新能源发电及智能电网相关的工程应用案例，通过工程应用实例的讲解，激发学生的学习兴趣。结合工程实践与探究环节，加深学生对理论知识的深层次理解，培养了学生实践创新能力、自主学习能力以及工程设计应用能力。

将计算机仿真软件MATLAB/Simulink引入实验课的教学中，可完成电力电路的仿真设计以及仿真智能控制，仿真实验平台不会造成电力电子器件的损坏，平台建设的资金投入比较小。另外，仿真实验平台的搭建不受时间和场地的限制，为学生实践创新提供很大的便利条件。与传统实验方法相比，基于MATLAB/Simulink仿真实验平台提高实验的横向广度和纵向深度。学生可以方便地修改器件的仿真系统的参数，直观地观察各个元件以及节点的波形、电路的不同工作状态及动态显示分析波形，更加透彻地理解工程系统的工作过程。通过指导教师的演示以及学生动手调试，使学生更好地巩固所学的理论知识，同时还提高了学生的分析问题和解决问题的能力。

因此，采用工程运用实例，提出了基于MATLAB/Simulink仿真软件对分布式光伏储能微电网进行仿真研究，包括变流器的拓扑结构设计及其控制算法设计。该仿真系统可以加深学生对“电力电子技术”理论原理和工程应用系统设计方面知识的理解，使得课程的理论原理教学与实际工程应用之间相互适应，为学生将来成为高级工程技术人才打下坚实基础。

3 工程问题应用的实验教学

下面以分布式光伏储能微电网实际工程为例，说明如何展开课程的实验教学活动。在学生系统学习逆变电路、整流电路的工作原理后，然后利用MATLAB/Simulink仿真软件建模仿真，使学生进一步理解逆变电路、整流电路的拓扑结构、基本特性和工作原理，最后在MATLAB/Simulink模块搭建分布式储能微电网系统的仿真模型，以该仿真模型例深入的学习解决工程问题的技能。

将电路元器件模块按储能微电网系统结构图组成仿真系统，如图1所示，主要由储能电池部分、变流器部分、电网侧滤波器部分和电网四部分大部分组成。变流器由全控性器件IGBT构成储能微电网系统能可以实现电能的双向流动即储能电池的充电过程以及放电过程。给储能电池充电时，微电网系统从电网侧获取电能，利用AC-DC技术实现储能电池充电。反之，微电网系统利用DC-AC技术实现储能电池向电网或者负载供电。

图1 储能微电网系统仿真图

系统仿真给定参数储能电池端电压为直流85 V，电网线电压为交流380 V。如图2所示，为微电网仿真系统的储能电池由放电状态切换到充电状态，即由逆变状态切换整流状态，0 s~0.1 s储能电池放电电流约为6 A，0.1 s时刻电池由放电切换到充电模式，充电电流为电流约为3 A，同时可以清楚地观察电网侧交流电流每一相的变化。同理，如图3所示，为微电网仿真系统的储能电池由充电状态切换至放电状态，即由整流状态切换逆变状态。系统仿真结果显示该系统控制策略优良，系统运行稳定。该系统仿真模型以及仿真结果有利于学生深入理解电力电子技术在储能微电网工程项目中的重要作用。

图2 储能电池由放电状态切换至充电状态

图3 储能电池由充电状态切换至放电状态

4 改革效果

在分析应用型本科高校电气工程类专业“电力电子技术”课程实验教学过程中出现相关问题的基础上，对实验教学环节进行了以工程问题为导向的改革，进一步充实学生的学习内容，学生解决工程问题的能力得到了提升，该种教学方式获得学生好评。在课程实验教学方式改革后，学院学生积极申请与电力电子技术相关创新实践项目，如我院电气工程及其自动化学生申请的“光电充——离网型光伏梯次储能电站”大学生创新创业训练计划项目获得了自治区级项目立项（项目编号为S202111546020），该项目是以电力电子技术为核心工程型训练项目。在实行以工程问题为导向的实验教学基础上，学院还需深化校企业合作，邀请企业工程师进校与学生进行交流，同时鼓励课程指导教师到企业进行挂职锻炼。

5 结语

将MATLAB/Simulink仿真技术引入实验教学中，学生可以自己动手去设计或开发实用电路模型，并对电路的运行效果进行模拟实验。这样既能解决实验器材老化及频繁损坏实验装置的问题，又能调动学生学习的主动性，让学生充分发挥自己的想象力，极大地提高学生的思维能力和动手实践能力，是理论教学的有益补充。激发了学生学习的积极性和兴趣，加强了学生对理论知识的理解和延伸应用，进而提高学生动手和操作能力，强化了学生工程实践意识和综合素质的培养，使其具备了一定的分析和解决问题的能力，在切实提高教学质量的同时，使学生的实践、创新等综合素质得以提高，以适应当今社会对应用型高级工程技术人才的要求。