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作者：清華大學(xué) 李永東

從信息到制造，其核心接口就是大容量電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)在于利用功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)作用，構(gòu)成頻率從零到兆赫茲、容量從幾瓦到幾十兆瓦之間任意組合的有功和無(wú)功電源，使電能的產(chǎn)生、傳輸和使用效率大大提高，并實(shí)現(xiàn)了用電裝置的小型化、輕量化及原材料的大量節(jié)省，以及全自動(dòng)化的生產(chǎn)，構(gòu)成信息社會(huì)和傳統(tǒng)工業(yè)的接口。

1　行業(yè)背景與現(xiàn)狀

1.1　永磁同步電機(jī)控制發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)

所有的機(jī)器人、自動(dòng)化機(jī)床的基礎(chǔ)都是伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的核心是交流電機(jī)的控制。交流電機(jī)相對(duì)于直流電機(jī)來(lái)講比較復(fù)雜，永磁電機(jī)介與兩者之間。目前，永磁電機(jī)無(wú)傳感器控制正往高穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)傳動(dòng)領(lǐng)域延伸。西門(mén)子、安川等公司正在努力研究“IPM電機(jī)+sensorless”替代傳統(tǒng)“SPM電機(jī)+sensor”的驅(qū)動(dòng)模式，以進(jìn)一步降低成本。我認(rèn)為高穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)IPM電機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

1.2　感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)概況

感應(yīng)電機(jī)進(jìn)入實(shí)用化近30年，國(guó)產(chǎn)變頻器廠家300家以上，國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率一直保持在12%~15%，市場(chǎng)潛在空間大約為1200~1800億元。雖然國(guó)產(chǎn)品牌變頻器已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但在數(shù)控機(jī)床、大功率起重設(shè)備、機(jī)車(chē)牽引等高端應(yīng)用場(chǎng)合，國(guó)外品牌市場(chǎng)份額占到80%以上。

1.3　大容量電力電子變換器技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在西氣東輸、風(fēng)洞等大容量高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域：現(xiàn)在廣泛采用H橋級(jí)聯(lián)多電平變換器技術(shù)。但H橋級(jí)聯(lián)多電平變換器需要復(fù)雜的多繞組變壓器，龐大笨重，能量回饋困難，在交通領(lǐng)域很難采用。

（2）在船/艦/艇系統(tǒng)中的應(yīng)用：多電平變換器技術(shù)及其在船/艦/艇系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括電路拓?fù)?、調(diào)制策略、對(duì)潛通訊以及控制算法等方面。未來(lái)，國(guó)家要研究的軍艦、航母等國(guó)防軍事領(lǐng)域都會(huì)用到這項(xiàng)技術(shù)。重點(diǎn)應(yīng)用包含：

潛艇永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——多相開(kāi)繞組H供電；

對(duì)潛長(zhǎng)波通信發(fā)射機(jī)——高壓與高頻（工作頻率30~40kHz）；

艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)——高壓多電平（直流達(dá)10kV）。

2　存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

近代文明從16世紀(jì)英國(guó)工業(yè)革命開(kāi)始，發(fā)展到今天，當(dāng)年瓦特的蒸汽機(jī)已經(jīng)進(jìn)化成現(xiàn)代火車(chē)、汽車(chē)、輪船、飛機(jī)和火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)（Motor），這些現(xiàn)代交通工具在給人類(lèi)帶來(lái)高速移動(dòng)和出行便利的同時(shí)，也帶來(lái)了石油等不可再生資源的枯竭、霧霾橫行、全球變暖等世紀(jì)難題。目前城市大氣污染總量的半數(shù)以上來(lái)自燃油汽車(chē)系統(tǒng)，已造成全球性的溫室效應(yīng)。

解決環(huán)境污染、交通擁擠問(wèn)題的重要途徑之一是發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)及高速公共交通工具（地鐵/輕軌，城際列車(chē)）和電氣化高鐵。核心技術(shù)就是八十年代以來(lái)飛速發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代電力電子及交流電機(jī)（ElectricalMotor）傳動(dòng)控制技術(shù)。其中，交通電氣化是能源消費(fèi)的重要領(lǐng)域和方向，將占30%，是電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)的典型高端應(yīng)用。具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)貨物運(yùn)輸部門(mén)每天向鐵路部門(mén)申請(qǐng)車(chē)皮約33萬(wàn)車(chē)，實(shí)際批準(zhǔn)11萬(wàn)車(chē)，滿足率僅為1/3；用世界6%的鐵路，完成了25%的運(yùn)輸量；鐵路里程約8萬(wàn)公里，人均6厘米，人均鐵路里程僅為德14%，美9%，日34%。綜上，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

高鐵三大領(lǐng)域/九大核心技術(shù)：機(jī)械（車(chē)體，轉(zhuǎn)向架，制動(dòng)剎車(chē)），電氣（變壓器，電機(jī)，逆變器和控制）和計(jì)算機(jī)（通信/信號(hào)），核心的技術(shù)外國(guó)都沒(méi)有轉(zhuǎn)讓?zhuān)ㄞD(zhuǎn)向/制動(dòng)，逆變器控制軟件，通訊信號(hào)軟件（占30%）等。

據(jù)悉，國(guó)內(nèi)南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所基本走在行業(yè)前沿，通過(guò)CRH380A基本掌握核心技術(shù)。2017年3月正式運(yùn)行的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組是完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，主要是株洲電力機(jī)車(chē)研究所和中國(guó)鐵道科學(xué)研究院兩家的技術(shù)，說(shuō)明中國(guó)人已經(jīng)掌握了該技術(shù)。

2.1　工頻牽引變壓器的優(yōu)點(diǎn)及問(wèn)題

高鐵及動(dòng)車(chē)組的牽引系統(tǒng)由牽引網(wǎng)、受電弓、牽引變壓器、四象限整流器、牽引逆變器、牽引電機(jī)等組成。工頻牽引變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：體積重量大，增加列車(chē)的設(shè)計(jì)難度，減小載客量；輸出電壓隨負(fù)載變化而變化，電壓跌落給傳動(dòng)控制帶來(lái)困難。

下一代高鐵系統(tǒng)，對(duì)體積和重量的要求更具挑戰(zhàn)性。隨著新材料和新器件的發(fā)展，希望采用中高頻變壓器替代變換器中的原有工頻變壓器，從而大大減小變換器系統(tǒng)的體積和重量，提高系統(tǒng)的可靠性和控制的靈活性。其采用的技術(shù)正是電力電子變壓器（PET or SST）。

3　關(guān)鍵技術(shù)研究及體會(huì)

3.1　下一代高鐵牽引系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)

清華電機(jī)系從2001年開(kāi)始研究地鐵、電力機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)，并和北車(chē)研發(fā)中心和永濟(jì)電機(jī)集團(tuán)開(kāi)展了多項(xiàng)合作，包括北車(chē)研發(fā)中心（2001）、永濟(jì)集團(tuán)（2004）、清華自主項(xiàng)目（2008）、南車(chē)時(shí)代（2011）等項(xiàng)目。2011年8月，清華電機(jī)系和南車(chē)株洲時(shí)代集團(tuán)（我國(guó)生產(chǎn)高鐵/動(dòng)車(chē)組CRH380A電力牽引系統(tǒng)的主力公司）簽訂了長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作協(xié)議，希望在下一代高鐵牽引系統(tǒng)的輕量化和高效化方面做出完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，跟上并引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展的潮流。2017年8月獲國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持。

對(duì)中高頻變壓器隔離變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究：首先，對(duì)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。其次，列舉包括中高頻逆變器和中高頻整流器構(gòu)成（全橋、半橋、不對(duì)稱(chēng)半橋）和中高頻變壓器構(gòu)成（單原邊單副邊、多原邊多副邊）在內(nèi)的隔離單元的構(gòu)成方式，對(duì)全橋、半橋、不對(duì)稱(chēng)半橋三種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。最后，提出了實(shí)用的中高頻變壓器隔離直流環(huán)節(jié)變換器新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括采用單個(gè)多繞組變壓器和多個(gè)多繞組變壓器的單相輸入結(jié)構(gòu)以及采用多繞組變壓器的三相輸入結(jié)構(gòu)，分別可用于電力機(jī)車(chē)牽引和新能源發(fā)電并網(wǎng)等場(chǎng)合。

3.2　全電化船/艦/艇驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)

2013年9月24日，中央電視臺(tái)《新聞聯(lián)播》再次聚焦“中船重工 712所”，報(bào)道了“我國(guó)成功研制船舶中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)”。國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船舶中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)及其核心設(shè)備研制成功，這項(xiàng)技術(shù)目前僅少數(shù)國(guó)家掌握，過(guò)去我國(guó)主要依賴(lài)進(jìn)口，可廣泛應(yīng)用于考察船、破冰船等，采用后效率更高、操縱更靈活便捷。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)船舶電力推進(jìn)核心設(shè)備自主研制“零的突破”。

船艦全電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下方面：

（1）為電力推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力的高中速柴油機(jī)，重量輕，體積小，占用的船體空間少，從而增加了船舶的有效載荷，為艦船的總體布置和設(shè)計(jì)提供了更多的空間。

（2）通過(guò)電纜供電，系統(tǒng)可以不與原動(dòng)機(jī)布置在一起，因此電力推進(jìn)系統(tǒng)的位置選擇具有較大的靈活性。

（3）動(dòng)態(tài)性能好，使船舶具有良好的靈活性，大幅提高了艦船的機(jī)動(dòng)性能。

針對(duì)用于艦船中壓直流系統(tǒng)的多電平關(guān)鍵技術(shù)，下一步的研究計(jì)劃主要是：

（1）理論：開(kāi)展中壓多電平拓?fù)涞墓收显\斷、容錯(cuò)以及在線修復(fù)技術(shù)研究；開(kāi)展多控制策略相結(jié)合并優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的MMC綜合優(yōu)化控制策略研究；尋求DC/AC、DC/DC以及AC/AC型MMC的統(tǒng)一控制理論。

（2）裝置：開(kāi)展艦船中壓直流電力電子變壓器和中壓直流儲(chǔ)能系統(tǒng)研究，目前已申請(qǐng)北京市自然科學(xué)基金并將進(jìn)一步深入研究。

（3）系統(tǒng)：擬搭建艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究平臺(tái)，并進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制研究。

3.3　多電/全電飛機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

從二十世紀(jì)70 年代開(kāi)始傳統(tǒng)的混合功率系統(tǒng)就受到了質(zhì)疑全電飛機(jī)的探索也逐漸展開(kāi)。我們的研究?jī)?nèi)容主要聚焦系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析。HVDC供電系統(tǒng)作為未來(lái)MEA供電系統(tǒng)的主要架構(gòu)之一，穩(wěn)定性問(wèn)題嚴(yán)峻。主要體現(xiàn)在：

大量電力電子，體現(xiàn)負(fù)阻抗特性；

高功率密度要求下的濾波器設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易振蕩；

源荷容量相當(dāng)，負(fù)載變動(dòng)影響大；

源荷各模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)后互聯(lián)而成——耦合嚴(yán)重。

3.3.1　模塊化多電平變換器（MMC）的演化（如圖2所示）

圖2 模塊化多電平變換器（MMC）的演化

基本拓?fù)洌?/p>

實(shí)現(xiàn)多電平最初的思路，采用多級(jí)直流電壓源串聯(lián)，并控制某一級(jí)開(kāi)關(guān)的通斷輸出不同的電平。

衍生拓?fù)洌?/p>

基本單元是兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

二極管，可控開(kāi)關(guān)管和電容這三種箝位器件同時(shí)被使用；

最外層的主開(kāi)關(guān)管和反并聯(lián)二極管用于產(chǎn)生期望的電壓，其余的則用于箝位和平衡電容電壓所用；

可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的自平衡；

認(rèn)為是最復(fù)雜同時(shí)也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。

3.3.2　通用拓?fù)浜?jiǎn)化和演化新拓?fù)涞囊?guī)律

（1）通用拓?fù)鋬蓚?cè)主開(kāi)關(guān)管必須全部保留。

（2）通用拓?fù)涞妮o助箝位開(kāi)關(guān)管、二極管和電容要對(duì)稱(chēng)的從兩側(cè)成對(duì)省略。簡(jiǎn)化后的拓?fù)渚哂泻芎玫膶?duì)稱(chēng)性，且可擴(kuò)展。

（3）如果要使簡(jiǎn)化后拓?fù)渚哂型暾敵鏊须娖降哪芰?，通用拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)每個(gè)電平的多個(gè)電流雙向通路至少有一個(gè)被保留。

（4）出于實(shí)際應(yīng)用的角度，箝位電容要越少越好，尤其是盡可能的去掉靠近直流母線側(cè)的箝位電容。因?yàn)轶槲浑娙荼旧碓斐闪梭w積增大，成本增加，影響系統(tǒng)壽命和可靠性的問(wèn)題。

（5）對(duì)于簡(jiǎn)化后拓?fù)渲忻總€(gè)箝位電容，為了保證其電壓能夠有效的控制穩(wěn)定，在輸出特定電平，特定電流情況下，存在對(duì)箝位電容電壓沒(méi)有影響的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或者存在對(duì)箝位電容電壓影響相反的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3.3.3　模塊化多電平變換器（MMC）MMC優(yōu)點(diǎn)

（1）模塊性強(qiáng)、控制靈活，易于裝配，每個(gè)單元可單獨(dú)控制；

（2）擴(kuò)展性強(qiáng)，易于上高壓。增加1個(gè)電平輸出只需增加串聯(lián)的單元個(gè)數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)高壓多電平，非常適合于高壓直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償以及有源濾波等場(chǎng)合；

（3）可以省掉母線電容，短路電流小，故障處理容易；

4　結(jié)論與展望

（1）對(duì)全橋、半橋、不對(duì)稱(chēng)半橋三種結(jié)構(gòu)的中高頻隔離變換器單元性能進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，提出了幾種實(shí)用的中高頻變壓器隔離變換器新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）提出了兩種進(jìn)行多繞組功率解耦的方法，并提出了基于直流電壓P I 調(diào)節(jié)的電壓平衡控制方法，提出了MAB隔離單元的軟開(kāi)關(guān)移相（SSPS）控制方法。

（3）提出了中高頻隔離變換器系統(tǒng)中CHBR基于改進(jìn)PD-SPWM的電壓平衡控制輔助方法；提出了系統(tǒng)的故障運(yùn)行策略、變壓器抗飽和的軟件控制算法以及采用LLC諧振變換器提高效率的方法。

（4）提出了通用拓?fù)浜?jiǎn)化和演化新拓?fù)涞囊?guī)律。

（5）建立了仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)以上拓?fù)浼翱刂七M(jìn)行了驗(yàn)證。

（6）PET在軌道交通、輸電，配電，新能源發(fā)電中將廣泛應(yīng)用。

（本文整理自李永東在“2018中國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)年會(huì)”上的報(bào)告）

作者簡(jiǎn)介：

李永東，清華大學(xué)電力電子工程研究中心常務(wù)副主任，長(zhǎng)期從事大容量電力電子變換器及其在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用方面的教學(xué)和科研工作。尤其在交流電機(jī)的全數(shù)字化控制及其在高鐵電力牽引和艦船電力推進(jìn)中的應(yīng)用等領(lǐng)域成果突出。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年4月刊