电气工程及其自动化专业科教融合实践训练平台
“电气工程科教融合实践训练课程”是以电气工程领域的实际应用的科研项目取得的成果为基础，经过缩小、简化后，做成适合本科生高年级的实践训练平台。实践训练课程以此为背景，分析该系统的组成结构、部件和装置的功能要求，掌握系统的设计方法；在此基础上，针对系统的某个模块开展理论分析、设计、开发（仿真、软件开发、硬件开发）、测试或实验。
通过集中教学、自主分析设计、开发、测试或实验等形式，帮助学生建立一类电气工程应用系统设计和开发的基本概念和基本流程，掌握一类电气工程应用系统及其模块构建的一般方法、步骤、原则；系统分析、系统设计、系统开发，以及文献查阅与综述、动手开发、科技报告撰写等方面的技能。课程的教学成果体现为模块开发的成果，如软件或硬件或软硬件；包含系统分析、系统设计和模块开发过程的实训报告。
通过本课程的学习，使学生初步掌握一类电气工程应用系统理论分析、设计、开发（仿真、软件开发、硬件开发）、测试或实验的基本过程、方法和技能，以及严谨规范的技术报告写作能力，为专业设计打下良好的基础。
“电气工程科教融合实践训练课程”共包含6个方向：新能源方向、电力电子方向、电机及其控制方向、电力系统方向、电气信息与控制方向、铁道牵引电气化方向。实践训练课程组由20多位教师组成，他们都是电气工程方向的资深教授或学术新锐，在科研中有不少斩获。课程总负责人是张和生教授。
1新能源方向实践训练课程简介
新能源科教融合实践训练课程充分发挥研发中心产、学、研、用的协同创新作用，将新能源发电、储能、智能电网等科技前沿以及研究成果及时转化成实践训练内容，实现科教融合。实践训练题目来源于国家重点研发计划项目《净零能耗建筑适宜技术研究与集成示范》、《与可再生能源发电相融合的充电设施网络关键技术研究与示范》、国家自然基金“重点”项目《车载锂离子动力电池安全管理与高效利用的基础理论与关键技术》以及国家电网重点科技项目《百兆瓦级电池储能站集成与协调控制及量管理的关键技术研究》等重大课题的项目成果转化。
新能源方向实训平台基于科研项目投资数百万建设的半实物仿真平台，以项目成果为背景，涵盖新能源发电系统中电力电子设备或储能元件建模及运行原理等理论研究、新能源发电系统设计、Matlab仿真技巧、实时仿真软件dSPACE与RT-Lab操作与使用、监控界面设计、实际变流器硬件或储能元件的实验调试与测试，以及常用测量仪器的使用方法，最后撰写报告。通过集中教学和演示、方案设计与开发、实践训练、实验调试，使学生及时了解电气工程新能源方向前沿技术和科技成果，初步掌握电气工程新能源方向应用系统理论分析、设计、硬软件开发、模型仿真、测试或实验的基本过程、基本方法和基本技能；帮助学生掌握如何分析实际问题，并将复杂工程问题抽象出问题模型，通过文献调研结合所学知识解决实际问题，并综合利用现代工具对解决方案进行仿真或实验验证，在完成研究后对整个过程归纳总结及结果评价。为毕业设计和继续深造奠定坚实基础。
通过实训课程，绝大多数学生表示，以往只注重只是知识的学习，对专业领域，知识的应用基本无从了解，通过这门课的学习，对本专业内容和前沿科学问题有了更深刻的了解，明白了所学知识对社会发展的作用，增强了责任感。通过课程里的问题研究与建模仿真，大大提高了自己分析问题的能力和理论水平，对自己的毕业设计甚至是研究生期间的工作都有帮助。通过在实训平台上的实际操作，接触到了最先进的科研仪器设备，锻炼了动手操作能力。完成实训后的总结，对收集资料、归纳总结、团队协作、表述能力有很大的帮助。
新能源方向实践训练平台主要分为以下3个：
实训平台1：基于dSPACE半实物仿真平台的新能源发电系统平台
以光伏发电系统和风力发电系统为例，系统讲述新能源发电系统中DC/AC变流器的运行和控制、实时仿真软件dSPACE的操作和使用，并通过方案设计、离线仿真、Controldesk监控界面设计、半实物仿真平台实际调试与操作，使学生掌握新能源发电系统的工作原理，了解DC/AC变流器运行与控制策略、硬件装置设计原则，掌握Matlab建模、dSPACE使用、Controldesk监控界面设计方法，以及常用测量仪器的使用方法。
学生首先对实训要求进行系统方案设计，选择电路拓扑与器件参数，并分析工作原理，设计控制方案，之后利用软件仿真工具验证方案设计的合理性，接下来在实训平台上进行实际操作和调试，最终完成实训报告。
平台介绍：基于dSPACE半实物仿真平台，主要由DC/AC变流器与相应的dSPACE实时软件组成，其硬件核心为DC/AC变流器，通过接口板与半实物仿真装置dSPACE相连；dSPACE则与PC机相连。PC机的MATLAB中，建立各种控制策略和模型，形成控制变流器的PWM控制脉冲，通过dSPACE将控制脉冲输出，利用光纤信号转接板传递该脉冲，控制变流器。只需在Simulink中建立变换器的控制模型，运行无误之后按下载按钮即可以生成C代码并自动下载到dSPACE中，节省控制策略开发与验证。2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议，在研究实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措时提到，要构建以新能源为主体的新型电力系统，其典型特征为“高比例可再生能源”和“高比例电力电子装备”。基于dSPACE半实物仿真平台的教学和实践，是学生了解和研究新能源发电系统以及其电力电子设备DC/AC变流器运行和控制的重要手段，可以为学生奠定必需的专业基础知识和能力。
图1 基于dSPACE半实物仿真平台的新能源发电系统实训平台
实训平台2：基于RT-LAB半实物仿真平台的DC/DC变换器研究与实践
以新能源发电系统中的DC/DC变换装置为对象，训练学生的实际操作及装置调试的能力。课程背景为诸如光伏、储能等新能源发电系统接入直流微网时，系统的控制。让学生独立设计双向DC/DC变换器及其控制方法，并将其应用在新能源发电装置上，完成能量传输变换的功能。学生首先对系统进行设计，选择电路拓扑与器件参数，并分析工作原理，设计控制方案，之后利用软件仿真工具验证方案设计的合理性，接下来在实训平台上进行实际操作和调试，最终完成设计报告。
平台介绍：整套半实物仿真系统由三部分组成，分别是上位机，RT-LAB和Buck变换器，其中上位机主要用于将搭建好的MATLAB模型生成代码和观测部分波形，RT-LAB主要用于计算，上位机和RT-LAB通过TCP/IP协议交换信息，模拟量信号输入RT-LAB后，根据模型生成的代码，内部会进行一个计算，算出我们需要的PWM波，最后通过数字量将该信号输出。
基于RT-LAB的DC/DC变换器实训平台，是了解和研究光伏发电系统、风力发电系统等新能源发电系统的重要手段。实际DC/DC变换器与实时仿真系统构成的半实物平台，这些新技术的应用，使学生既能够提高动手能力，又对我国电气工程领域的新技术、新方法、新技能有所了解。
图2 基于RT-LAB半实物仿真平台的DC/DC变换器的原理图和拓扑图
实训平台3：新能源储能元件性能仿真及控制系统平台
2020年2月，教育部、国家发展改革委、国家能源局联合发布了《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》，行动计划提出了初步的“储能科学与技术”专业的本科生培养计划，这对于我国发展储能科学与技术，培养优秀专业人才具有里程碑意义。“储能元件性能仿真及控制系统平台”是基于dSPACE系统的半实物仿真平台，通过本平台的教学和实践，使学生系统地了解储能元件的工作原理、建模仿真、以及性能测试等相关知识。为学生今后从事电力储能系统储能元件选型、设计、运用及试验等打下必需的专业基础知识。
基于dSPACE系统的半实物仿真平台示意图如图3所示，该平台的组成有：充放电设备，测试样品电池，恒温箱，电压、电流和温度采样设备，dSPACE硬件设备，以及安装Matlab和dspace的上位机，按照图3示的信息流向和连接关系搭建台架试验台。首先要进行的是仿真模型的嵌入，将上位机中的Matlab/Simulink模型通过dSPACE的软件编译成C语音并刷写到dSPACE内，接下来把充放电设备通道接到电池上并放入设定温度的恒温箱内，通过充放电设备对样品电池进行电流激励并获取电池端电压的响应，这里采用外设的采样设备进行数据采集，并输入到dSPACE中，为微控制器输入实时的采样数据进行实时硬件仿真输出。
图3 新能源储能元件性能仿真及控制系统平台
利用储能元件（动力电池、超级电容等）测试数据，建立数学模型并在Matlab平台上实现，在此基础上基于半实物仿真平台进行仿真精度验证和充电策略验证。主要内容如下：
(1) 储能元件（动力电池、超级电容）的工作原理及其在电力系统中的应用，储能元件仿真模型介绍及参数辨识原理介绍，课堂目标：学生理解和掌握储能电池和超级电容的工作原理及主要性能指标；
(2) 储能元件充放电测试设备软硬件功能和基本操作（教师讲解演示、学生实际操作），课堂目标：学生掌握储能元件测试方法，独立完成充放电设备的使用操作，掌握电池参数辨识实验设计方法；
(3) MATLAB/Simulink软件的编程方法（教师讲解演示、学生理解并进行实际操作和练习），熟悉通过matlab编程实现对excel文件的数据调用和提取，掌握一阶RC模型的参数辨识方法，课堂目标：熟悉Matlab/Simulink编程方法，能够进行电池模型参数辨识程序编写；
(4) 储能元件的等效电路仿真模型搭建和调试（教师讲解演示、学生理解并进行实际操作和练习），基于Simulink仿真环境，验证模型精度，能够通过优化模型参数提高仿真精度；课堂目标：掌握储能元件等效电路模型的在Simulink环境的搭建方法，以及模型的改进方法；
(5) 基于半实物仿真平台的模型搭建和充电控制操作（实物讲解和演示，学生实际操作并取得预期的实验结果），课堂目标：掌握半实物仿真平台的模型调整，完成模型精度验证，基于dSPACE和在线充电控制模块，熟悉不同电流对电池充电性能的影响。
2电力电子方向实践训练课程简介
电力电子方向的实践训练课程内容来源于国家自然科学基金、重点研发计划、中车集团、国家重点实验室开放基金等项目成果，将电力电子功率半导体器件、电力电子功率变换系统、数字控制等领域的研究成果和前沿技术引入课堂，实现科教融合。目前开设的电力电子方向实践训练课程平台四个：功率半导体器件开关行为测试与分析、无线电能传输技术、轨道交通高性能变流器系统功率器件与电路拓扑特性分析、基于TI-MCU的异步电机数字控制系统。电力电子方向的实践训练侧重理论和实践的有机结合，旨在提升学生未来解决电力电子方向实际工程问题所需要的基本研究技能和科学素养。通过集中理论教学、方案设计、“仿真+实践”的交互式实践训练，掌握常用测量仪器使用方法、数据处理和总结报告的能力。
电力电子方向实践训练课程所采取的科教融合实践教学模式已在2届本科生中加以实践，取得了很好的教学效果。作为学生综合运用已有知识解决一类实际工程问题的一次实践之旅，选课学生的匿名调查问卷显示了其对此电力电子方向实践训练课程强调硬件调试模式的高度认可和浓厚兴趣。接下来依次介绍四个电力电子方向实践训练课程平台：
实训平台1功率半导体器件开关行为测试与分析平台
面向电力电子变换中的功率半导体器件，在介绍IGBT等功率半导体器件的工作原理及其基本开关特性的基础上，学习主流功率半导体器件开关行为测试方法，并通过分析测试结果，掌握基本的器件损耗计算方法，获得主流功率半导体器件选型的相关知识。课程注重“理论-仿真-动手实践”的研讨式教学，激发学生对所学知识的思考。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
图4功率半导体器件开关行为测试与分析平台
实训平台2无线电能传输技术平台
面向用于有轨电车、电动汽车的磁耦合感应式无线电能传输系统，建立了3.3.kW原理模型平台。平台由能量发射端和能量接收端组成，其中能量发射端包括整流电路、高频逆变电路、谐振补偿电路、原边耦合线圈，能量接收端包括副边线圈、谐振补偿电路、整流电路、输出调节电路组成，负载形式多样。通过原理讲解、系统参数测试实训、性能测试实训、系统补偿电路设计与系统仿真等课程内容，同学们能够掌握无线电能传输基本原理、主电路关键参数测试方法、补偿电路设计方法、系统性能测试方法。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
