新工科背景下虛擬電力電子實驗系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計＊

李沁，唐德，李紹武，沈忱

新工科背景下虛擬電力電子實驗系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計＊

李沁1，唐德2，李紹武1，沈忱1

（1.湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.中國地質(zhì)大學 自動化學院，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)有傳統(tǒng)的“電力電子學”及相關(guān)課程的實驗教學在硬件設(shè)備、實驗手段、創(chuàng)新教學上都存在一定缺陷，無法滿足新工科建設(shè)的要求。結(jié)合LabVIEW與Matlab/Simulink平臺，對“電力電子學”以及相關(guān)專業(yè)課程的實驗教學內(nèi)容進行設(shè)計，建立虛擬實驗系統(tǒng)平臺。此系統(tǒng)能完成傳統(tǒng)實驗平臺同等要求的常規(guī)實驗，還能完成一些傳統(tǒng)硬件設(shè)備所不能實現(xiàn)的綜合性和設(shè)計類實驗，提高了電力電子實驗系統(tǒng)的靈活性和創(chuàng)新性，為開展新工科建設(shè)提供思路。

LabVIEW；Matlab/Simulink；電力電子；虛擬實驗

1 引言

“電力電子學”是電氣專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，實驗教學是其中重要的環(huán)節(jié)。但是現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗室由于設(shè)備老舊、形式單一、內(nèi)容僵化等問題，限制了實驗教學的代表性和創(chuàng)新性、實驗項目的設(shè)計性和靈性，妨礙了實驗室建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，教學效率低下，無法滿足新工科建設(shè)的內(nèi)涵與特征[1-2]。

本文采用LabVIEW結(jié)合Matlab/Simulink平臺開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗平臺，避免了硬件設(shè)備的維護維修、元器件損壞、接線不直觀、實驗靈活性差的缺點。學生可以通過該實驗系統(tǒng)進行完整的模型仿真、波形觀察、參數(shù)調(diào)節(jié)、過程控制、結(jié)果分析等操作。經(jīng)測試，本系統(tǒng)能完成實際實驗平臺同等要求的實驗，并且還能完成一些學校現(xiàn)有設(shè)備所不滿足的選修課和課程設(shè)計的綜合實驗，提高了電力電子實驗系統(tǒng)的靈活性和創(chuàng)新性，提高學生的積極性和主動性，有利于實現(xiàn)以學生為中心的新工科建設(shè)發(fā)展要求。

2 主界面設(shè)計

基于NI公司設(shè)計的LabVIEW軟件，能實現(xiàn)交互式的人機接口與測量儀器的設(shè)計，操作簡潔靈活[3]。

本設(shè)計基于LabVIEW和Matlab/Simulink的電力電子實驗教學平臺，有助于提高學生對理論知識的學習興趣，加深對系統(tǒng)設(shè)計的操作認識。

針對于“電力電子學”“電力電子課程設(shè)計”“柔性電力技術(shù)”等課程中涉及的課程實驗，結(jié)合筆者在課程教學以及學生在實驗過程中遇到的問題，對系統(tǒng)的整體功能進行了設(shè)計，如圖1所示。

按照預(yù)定的由整體到細節(jié)的分層編程思路設(shè)計方案，將虛擬實驗系統(tǒng)分為三個大的功能模塊，分別是系統(tǒng)認證模塊、系統(tǒng)主界面模塊、實驗?zāi)K。

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)整體功能設(shè)計

其中，系統(tǒng)認證模塊是實驗系統(tǒng)的初始運行模塊，用于實現(xiàn)用戶認證。通過系統(tǒng)管理員（教師）添加學生（常駐用戶）和訪客（臨時用戶），用戶數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)庫的形式保存，管理員還可繼續(xù)添加、刪除用戶等操作；根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計，必須完成系統(tǒng)認證后才能進入實驗系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性，也便于教師統(tǒng)計學生的到課率以及學生實驗的完成進度。系統(tǒng)登陸界面如圖2所示。

系統(tǒng)的主界面模塊包含了電力電子常規(guī)實驗和擴展實驗。通過主VI與子VI的依存關(guān)系對子VI進行調(diào)用，以此來打開和關(guān)閉實驗項目，由LabVIEW的靜態(tài)事件觸發(fā)來完成，主界面如圖3所示。

電力電子實驗?zāi)K包括整流電路、逆變電路、交流調(diào)壓電路、直流斬波電路和擴展實驗?zāi)K，涵蓋了課程中學習的典型變流電路的各類驗證性實驗和部分選修課與課程設(shè)計中需要的設(shè)計性實驗，還可根據(jù)后續(xù)課程的需要添加、修改和刪除各實驗項目。

3 實驗系統(tǒng)設(shè)計與測試

系統(tǒng)利用Matlab/Simulink強大的模型設(shè)計與分析的功能進行底層的仿真分析，對每一個實驗電路進行仿真計算、數(shù)據(jù)存儲，通過LabVIEW中的仿真接口工具箱（SIT）實現(xiàn)LabVIEW和Matlab/Simulink的統(tǒng)一結(jié)合，再基于VI前面板實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、波形顯示、結(jié)論分析等功能[4]。還可利用LabVIEW中的Web功能將實驗系統(tǒng)平臺在網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，學生可以遠程對虛擬實驗平臺訪問，不受空間和時間限制，進行實驗課程的學習[5]，方便學生在課下進行基礎(chǔ)實驗的學習，實驗課堂上教師可以更多地進行答疑和創(chuàng)新性教學設(shè)計的指導，使實驗教學更高效。

圖2 登錄界面

圖3 主界面

考慮到本實驗系統(tǒng)涉及的實驗較多，因此以單相橋式全控整流電路和擴展實驗中的動態(tài)電壓補償器（DVR）來進行簡單介紹。

3.1 單相橋式全控整流電路

3.1.1 單相橋式全控整流電路實驗程序設(shè)計

單相橋式全控整流電路是電力電子學中的一項常規(guī)實驗，是分析三相整流、有源逆變等電路的基礎(chǔ)。在Matlab/

Simulink中按照電路原理圖建立仿真模型，通過SIT接口聯(lián)立編程，創(chuàng)建單相橋式整流電路程序如圖4所示。

3.1.2 實驗測試

在實驗項目選擇的主界面上選擇打開對應(yīng)實驗項目，此時虛擬系統(tǒng)會同時在后臺打開Matlab對應(yīng)仿真模型的.mdl文件，如在實驗項目選擇界面上點擊“單相橋式全控整流電路”實驗選項進入實驗項目界面，如圖5所示。如同實際儀器一樣用鼠標“撥動”左上方的開關(guān)，此時運行狀態(tài)指示會亮起綠燈，表示實驗系統(tǒng)就緒。

圖4 單相橋全控整流電路實驗程序設(shè)計框圖

學生可根據(jù)實驗需要進行參數(shù)的調(diào)節(jié)。本實驗中通過調(diào)節(jié)負載的大小來改變負載類型，如果電感設(shè)置為0表示純電阻負載，如果電阻設(shè)置為0表示純電感負載；還可調(diào)節(jié)觸發(fā)角，本實驗項目可調(diào)節(jié)為30°、60°、90°、120°幾個典型值。也可在VI中修改為對話框的形式實現(xiàn)非典型值的觸發(fā)角數(shù)值的輸入。在參數(shù)設(shè)置完畢后即可點擊左下方“開始”按鈕進行實驗電路的仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 單相橋式全控整流電路實驗仿真結(jié)果

如圖5所示，界面上顯示有電路原理，學生在實驗時可以對照原理圖進行理論分析，加深理解。在不同負載和觸發(fā)角下，其對應(yīng)的晶閘管電壓、電流，負載的電壓和電流波形能直觀顯示在界面上，當觸發(fā)角不同時，學生通過仿真圖像中直觀的曲線對比，可對電阻負載、阻感負載在不同觸發(fā)角下的輸出有更深入的理解。并且相比傳統(tǒng)的實驗系統(tǒng)，其觸發(fā)角的調(diào)節(jié)更準確，相位和幅值的對比更清晰直觀。

3.2 擴展實驗：動態(tài)電壓補償器（DVR）

單相橋式全控整流電路在傳統(tǒng)實驗平臺上也能進行實驗，但是在很多選修課、方向課、課程設(shè)計中，受硬件條件和實驗環(huán)境的限制，無法進行相關(guān)的實驗操作和學習。例如在“柔性電力技術(shù)”這門課程中，分析了電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用，在本實驗系統(tǒng)中，學生通過底層仿真模型的學習和搭建，能夠?qū)⒊橄蟮膽?yīng)用與實際工程環(huán)境結(jié)合進行綜合性的實驗設(shè)計與學習，在本文中以動態(tài)電壓補償器（DVR）為例進行說明。

3.2.1 動態(tài)電壓補償器（DVR）的程序設(shè)計

動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）是一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力電子串聯(lián)補償裝置，具有補償有功功率從而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的能力。當電力系統(tǒng)電壓受到干擾（如短路故障）時，會引起負荷側(cè)短時間（幾個周期到幾十個周期）的電壓跌落?？赡茉斐擅舾胸摵傻墓收习l(fā)生。通過在電力系統(tǒng)配網(wǎng)中串聯(lián)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR），它可在1～2個周期內(nèi)利用逆變器產(chǎn)生的高頻PWM波來提供補償電壓，抵消或消除系統(tǒng)的擾動，使負荷側(cè)電壓基本不受影響，從而保證計算機等重要但很敏感的負荷的安全可靠運行[6]。

因為DVR配網(wǎng)動態(tài)電壓補償裝置大多都應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中。完成該項實驗除了電壓跌落不便于及時測定外，電壓補償大小以及時間無法依靠學生手算得出，因此在校內(nèi)實際實驗室中難以完成該項電力電子實驗，實驗效果打了折扣。然而學生在學習該部分理論知識時，如果沒有結(jié)合實際工程項目，對其工作原理、補償過程、控制效果的理解有一定難度，容易打消進一步學習的積極性，尤其對課程設(shè)計、選修課容易產(chǎn)生混及格混學分的錯誤學習態(tài)度，難以實現(xiàn)理想的學習效果。傳統(tǒng)實驗項目很難將實際工程項目在實驗室中實現(xiàn)，而在本虛擬實驗平臺中，通過將實際工程項目進行等效參數(shù)的建模，方便學生將抽象的概念轉(zhuǎn)換為實際的實驗項目來理解，加強了學生工程實踐能力。

在本實驗系統(tǒng)中，其VI設(shè)計方案與單相橋式全控整流實驗類似，按照分析→建?！I→連接→仿真的順序進行設(shè)計。動態(tài)電壓補償器的程序設(shè)計如圖6所示。

圖6 DVR仿真實驗程序框圖

3.2.2 實驗測試

在實驗項目界面上選擇“DVR”實驗項目，進入實驗項目子界面，與單相橋式整流電路實驗類似，在使用時需要先打開界面上的開關(guān)，待指示燈變?yōu)榫G色時，表明系統(tǒng)進入待運行模式。在左下方處點擊“開始”按鈕開始運行仿真。仿真過程是在底層由Matlab/Simulink搭建的.dll文件中運行，學生在仿真運行的過程中可以通過LabVIEW上位機監(jiān)測界面對波形進行實時觀察，如圖7所示。

圖7 DVR仿真運行過程

以A相電壓發(fā)生電壓跌落時的調(diào)節(jié)過程為例進行說明。在參數(shù)設(shè)置部分，可以設(shè)定電壓跌落或者上升的幅度和出現(xiàn)的時間，由于在底層中設(shè)計了加入和不加入DVR實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的兩個模型，一個仿真模型為不引入DVR裝置進行電壓補償前節(jié)點的電壓波形，明顯可見在設(shè)定時間內(nèi)負載節(jié)點處發(fā)生了電壓跌落；另一個模型為在系統(tǒng)中加入DVR補償裝置后節(jié)點的電壓波形，在電壓跌落的時間內(nèi)電壓實現(xiàn)了補償，在上位機中可同時對比顯示，還能進行放大和縮小的觀測，學生可以通過兩種模型節(jié)點電壓波形的分析與處理來深入學習DVR對電壓調(diào)節(jié)的作用?？紤]到DVR補償?shù)氖荘WM波，還需進行FFT分析，在上位機界面上加入節(jié)點經(jīng)過濾波后基波電壓的顯示，幫助學生理解DVR的補償效果，可見通過DVR補償裝置在一個周期內(nèi)就將跌落的電壓補償恢復為標幺值。學生還可以通過導出簡易圖像，針對波形進行更深入的分析與理解，還可以通過點擊波形圖右上方的Ub、Uc線條框來顯示B、C相的電壓按照同樣方法顯示和分析。在本實驗中學生還可以通過選擇某一相或者幾相短路來模擬當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時DVR的電壓補償作用，在此不贅述。

在本虛擬實驗系統(tǒng)中，通過底層開發(fā)時提供相應(yīng)的電壓補償算法，即可利用計算機和Matlab軟件自動進行電壓的測量和相應(yīng)的補償，實驗過程簡單易行，可以根據(jù)學生的基礎(chǔ)和興趣，針對不同層級的學生可以有不同的實驗設(shè)計和步驟，如果是基礎(chǔ)較差的同學，可以在上位機界面上設(shè)計和觀察在不同電壓跌落故障下的DVR補償作用和效果，而基礎(chǔ)較好、學習興趣濃厚的同學，不僅可在上位機界面上完成驗證性實驗，還能打開底層的模型文件，進一步學習工程模型搭建、控制器參數(shù)設(shè)計與校正等知識，對于培養(yǎng)學生的學習興趣，提高獨立思考的能力有極大的幫助。其余的實驗也可根據(jù)學生基礎(chǔ)和層次有針對性進行實驗步驟和實驗內(nèi)容的設(shè)計與修改，提高了傳統(tǒng)實驗平臺的靈活性和適用性。

4 結(jié)語

LabVIEW具有界面設(shè)計友好、編程功能強大的特點，能有效彌補傳統(tǒng)實驗平臺的不足。基于LabVIEW設(shè)計的電力電子虛擬實驗平臺，充分利用了LabVIEW測量界面的便捷性和Matlab/Simulink建模的靈活性，加深了學生理論和實驗學習的互通，學生可以靈活、高效地進行實驗，還能通過遠程進行學習與實踐，使學生的學習不再受時間和空間的限制，與理論學習靈活互補、有效協(xié)調(diào)，幫助學生加深對“電力電子學”相關(guān)課程的學習與理解，提高實踐能力，強化工程應(yīng)用能力。有助于在新工科背景下，以學生為主體的自主學習與新型實驗教學模式的結(jié)合發(fā)展。

［1］于飛，向東，魏永清.基于LabVIEW及Matlab的“電力電子技術(shù)”教學［J］.電氣電子教學學報，2013，35（3）：49-51.

［2］李沁，艾青，陳坤燚，等.基于Matlab/Simulink和LabVIEW的電力拖動虛實結(jié)合實驗系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技與創(chuàng)新，2018（20）：61-63.

［3］田思慶，侯強，王越男.基于LabVIEW的“自動控制原理”實驗教學平臺［J］.電氣電子教學學報，2019，41（2）：135-138，151.

［4］周巖，張騰飛，馬海嘯，等.基于LabVIEW構(gòu)建“電力電子技術(shù)”實踐教學平臺［J］.電氣電子教學學報，2018，40（5）：129-131，135.

［5］潘玉恒，魯維佳，陳佳慧，等.電子信息類專業(yè)課程遠程虛擬實驗平臺的構(gòu)建［J］.實驗室科學，2018，21（3）：75-77.

［6］史建平，杜立.基于分布式電網(wǎng)中DVR的補償控制策略研究［J］.電子器件，2018，41（3）：631-637.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.005

2095－6835（2019）19－0016－04

李沁，女，博士，講師，長期從事電力電子與電力拖動、電氣信息檢測等教學研究。

湖北民族大學教學研究項目（編號：2014JY034）

〔編輯：嚴麗琴〕