“電能質(zhì)量控制”課程設置的考慮

陳 仲

(南京航空航天大學電氣工程系，江蘇南京 210016)

電能質(zhì)量的改善對于電網(wǎng)和用戶電氣設備的安全經(jīng)濟運行，促進電力行業(yè)發(fā)展有重要意義。影響電能質(zhì)量的主要因素有:諧波、電壓波動與閃變、頻率波動、三相不平衡和過電壓等［1］。

當前，國內(nèi)外有關電能質(zhì)量控制的研究正處于高潮，從所適用的非正弦功率理論拓展、電能質(zhì)量評價指標體系建立、電能質(zhì)量監(jiān)測到各種電能質(zhì)量控制技術的研究和裝置開發(fā)正不斷深入進行。

基于電力電子的電能質(zhì)量控制是一個復雜的系統(tǒng)工程技術，涉及電力系統(tǒng)、電工理論、電力電子、自動控制和計算機等技術的綜合應用，為了適應當代科技發(fā)展對電氣工程及其自動化專業(yè)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求，有必要開設“電能質(zhì)量控制”課程［2］。

1 課程結構和內(nèi)容優(yōu)化

“電能質(zhì)量控制”課程屬于電氣工程與自動化專業(yè)的選修課，2個學分，32個學時，面向大學四年級學生開設。我們根據(jù)電能質(zhì)量控制技術的特點和需求，結合電力電子技術在電能質(zhì)量控制領域的基礎理論和關鍵技術，采用如下課程結構和內(nèi)容設置。

1)電力系統(tǒng)發(fā)展歷史和柔性交流輸電技術

介紹典型的FACTS控制器，包括靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)和靜止無功發(fā)生器(SVG)等。詳細講述電能質(zhì)量問題的概念、產(chǎn)生、分類和危害。著重分析典型非線性電力電子裝置的輸入電流特性，例如典型整流器裝置的輸入側諧波特性。

2)電力電子裝置的功率因數(shù)校正技術

講述常見無源功率因數(shù)校正技術，包括多脈沖整流技術、三次諧波注入技術、無源濾波器技術等。介紹典型電力電子器件、電壓型變流器和電流型變流器，講述典型的有源功率因數(shù)高頻整流技術，包括PWM整流器和Boost功率因數(shù)校正整流器等。

3)非正弦功率理論和諧波檢測技術

介紹功率理論的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，本課程詳細講述瞬時無功功率理論以及基于該理論的pq諧波檢測方法和ip-iq諧波檢測方法;介紹基于傅里葉頻域分析的諧波檢測方法;介紹特定次諧波檢測技術和無諧波檢測控制技術等。

4)各類電能質(zhì)量控制器

(1)并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器—講述并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路結構及其數(shù)學模型、電流波形控制技術和電壓控制策略、主電路參數(shù)優(yōu)化設計方法等。多電平變換器是未來應用于中高壓大容量場合的理想變流器，本課程將最新的多電平功率變換技術引入電能質(zhì)量控制領域，介紹級聯(lián)多電平有源電力濾波器的原理、控制方法和設計等。

(2)串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器—講述串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器的主電路結構和參數(shù)選擇，詳細講述其控制策略，包括前饋控制和電壓反饋控制等—講述單相串聯(lián)電能質(zhì)量控制器的最小電壓補償和最小能量補償策略，三相串聯(lián)電能質(zhì)量控制器的補償電壓優(yōu)化計算方法等。

(3)混合型電能質(zhì)量控制器—講述串聯(lián)混合型有源電力濾波器的結構和原理、穩(wěn)定控制策略和系統(tǒng)優(yōu)化設計方法等。講述并聯(lián)混合型有源電力濾波器的典型結構形式、無源濾波組件設計和復合控制策略等。講述諧振注入型混合有源電力濾波器的結構和原理、控制方法等。

5)適用于航空電力系統(tǒng)的高可靠性高性能有源電力濾波器，基于新型雙降壓開關單元的有源電力濾波器拓撲結構及其控制策略等。

2 研究性教學模式和課程考核

研究性教學以來自實踐的真實問題為基礎，讓學生在接近真實的情境中學習，它培養(yǎng)了學生的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力和創(chuàng)新能力，增強了學生對未來工作的適應能力［3］。本課程在研究性教學方面作了一些積極的研究和實踐，包括自學、合作、討論和課外閱讀等方式。

1)引導學生閱讀電力電子技術專業(yè)的學術期刊，了解學科前沿。教師可以指導學生閱讀與電力電子技術和電能質(zhì)量控制裝置相關的學術期刊，利用互聯(lián)網(wǎng)搜索最新的信息，還鼓勵學生寫讀書報告和學術小論文。

2)積極推行Seminar形式的課堂教學模式。教師通過布置研究專題，例如:諧波電流檢測技術發(fā)展及其現(xiàn)狀研究、有源電力濾波器的拓撲及其控制策略研究、并聯(lián)型有源電力濾波器關鍵技術研究、多電平變換及其在電能質(zhì)量控制中的應用研究等。一般以2-3人為一組，通過分工合作，由學生在課外自發(fā)地進行查找資料、理論學習、設計和仿真等工作，撰寫一份研究報告;并同步完成一份PPT報告，在課堂上進行交流。

3)對本課程的考核進行了改革，更多的比重偏向于考察學生在專題研究和實踐性教學環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)。這對于引導學生重視和加強素質(zhì)和能力訓練起到了決定性作用。

3 實踐教學環(huán)節(jié)設置

1)有效利用計算機仿真這一虛擬的實驗環(huán)境。教師在重要的課程章節(jié)中精心布置一些習題，例如:①基于瞬時無功功率理論的諧波檢測技術;②并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真研究;③動態(tài)電壓恢復器的仿真研究等。要求學生借助Saber和Matlab中的工具箱Power Systems等軟件在課外進行仿真研究。并且要求學生完成相應的實驗報告，內(nèi)容必須涵蓋原理分析、參數(shù)計算、建模與結果分析等，這樣可以有效鍛煉學生的主動學習能力。

2)開發(fā)了一種并聯(lián)型電能質(zhì)量控制裝置通用實驗平臺。在該平臺上學生可以完成多項課程設計，例如:①基于時域分析的瞬時諧波檢測模塊設計;②瞬時波形跟蹤PWM控制技術;③并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng);④動態(tài)無功發(fā)生器等。

利用此平臺可以幫助學生很好地掌握典型電力電子裝置的系統(tǒng)構成，深刻理解基于電力電子的電能質(zhì)量控制一系列關鍵技術。例如:電流PWM控制、系統(tǒng)運行控制策略、驅(qū)動電路設計、高頻開關功率電路設計和高精度瞬時諧波檢測技術等。這對于培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)具有極其重要的幫助作用。

4 課程設置基礎與條件

1998年，中國航空工業(yè)總公司立項批準在本學科建設航空電源部級航空科技重點實驗室，2010年“新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室”又正式獲得江蘇省教育廳立項建設。近二十年來實驗室承擔了多項國家級和省部級科研項目，取得了豐碩的科研成果。

我們在電氣專業(yè)教學中，將重點實驗室的研究成果，實際的應用實例和典型的工程案例穿插入教學環(huán)節(jié)中，強化對學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在本課程中，可以將實驗室研發(fā)的多脈沖航空變壓整流器、高功率因數(shù)PWM整流電源、高性能航空有源濾波器等作為典型案例在課堂上講解，將實物裝置展示給學生觀摩學習。

我們選用了文獻［4］、［5］和［6］作為本課程的教材。另外還選出許多關于電能質(zhì)量控制方面的學術論文或技術報告用作學生課外閱讀文獻，以輔助本課程的學習。

5 結語

“電能質(zhì)量控制”課程具有很強的技術性和學術性，和電力電子學科的發(fā)展緊密相關。通過開設“電能質(zhì)量控制”課程，使學生能夠及時了解電能質(zhì)量控制領域的最新發(fā)展動態(tài)，掌握現(xiàn)代電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的核心理論和關鍵技術，加深對電氣工程學科專業(yè)知識的理解。通過研究性教學模式和開放性實踐環(huán)節(jié)的訓練，大大提高了課程教學質(zhì)量，進一步培養(yǎng)了學生的科學研究能力。

［1］ 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京，中國電力出版社，2004.

［2］ 胡敏強，程明，李楊.新形勢下電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式與知識體系框架［J］.南京:電氣電子教學學報，2003，25(2):44 －46

［3］ 趙洪.研究性教學與大學教學方法改革［J］.武漢:高等教育研究，2006，27(2):71-75

［4］ 王兆安.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京，機械工業(yè)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］ 謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2006.