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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功電源，使電能的產(chǎn)生、傳輸和使用效率大大提高，并實現(xiàn)了用電裝置的小型化、輕量化及原材料的大量節(jié)省，以及全自動化的生產(chǎn)，構(gòu)成信息社會和傳統(tǒng)工業(yè)的接口。

1　行業(yè)背景與現(xiàn)狀

1.1　永磁同步電機控制發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢

所有的機器人、自動化機床的基礎(chǔ)都是伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的核心是交流電機的控制。交流電機相對于直流電機來講比較復(fù)雜，永磁電機介與兩者之間。目前，永磁電機無傳感器控制正往高穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)傳動領(lǐng)域延伸。西門子、安川等公司正在努力研究“IPM電機+sensorless”替代傳統(tǒng)“SPM電機+sensor”的驅(qū)動模式，以進一步降低成本。我認為高穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)IPM電機無傳感器控制技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

1.2　感應(yīng)電機變頻調(diào)速技術(shù)概況

感應(yīng)電機進入實用化近30年，國產(chǎn)變頻器廠家300家以上，國內(nèi)變頻器市場增長率一直保持在12%~15%，市場潛在空間大約為1200~1800億元。雖然國產(chǎn)品牌變頻器已取得長足進步，但在數(shù)控機床、大功率起重設(shè)備、機車牽引等高端應(yīng)用場合，國外品牌市場份額占到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橋級聯(lián)多電平變換器技術(shù)。但H橋級聯(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，包括電路拓撲、調(diào)制策略、對潛通訊以及控制算法等方面。未來，國家要研究的軍艦、航母等國防軍事領(lǐng)域都會用到這項技術(shù)。重點應(yīng)用包含：

潛艇永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)——多相開繞組H供電；

對潛長波通信發(fā)射機——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10kV）。

2　存在的問題及挑戰(zhàn)

近代文明從16世紀(jì)英國工業(yè)革命開始，發(fā)展到今天，當(dāng)年瓦特的蒸汽機已經(jīng)進化成現(xiàn)代火車、汽車、輪船、飛機和火箭的發(fā)動機（Motor），這些現(xiàn)代交通工具在給人類帶來高速移動和出行便利的同時，也帶來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)以上來自燃油汽車系統(tǒng)，已造成全球性的溫室效應(yīng)。

解決環(huán)境污染、交通擁擠問題的重要途徑之一是發(fā)展電動汽車及高速公共交通工具（地鐵/輕軌，城際列車）和電氣化高鐵。核心技術(shù)就是八十年代以來飛速發(fā)展起來的現(xiàn)代電力電子及交流電機（ElectricalMotor）傳動控制技術(shù)。其中，交通電氣化是能源消費的重要領(lǐng)域和方向，將占30%，是電力電子與電力傳動技術(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，全國貨物運輸部門每天向鐵路部門申請車皮約33萬車，實際批準(zhǔn)11萬車，滿足率僅為1/3；用世界6%的鐵路，完成了25%的運輸量；鐵路里程約8萬公里，人均6厘米，人均鐵路里程僅為德14%，美9%，日34%。綜上，仍遠遠不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

高鐵三大領(lǐng)域/九大核心技術(shù)：機械（車體，轉(zhuǎn)向架，制動剎車），電氣（變壓器，電機，逆變器和控制）和計算機（通信/信號），核心的技術(shù)外國都沒有轉(zhuǎn)讓，包括轉(zhuǎn)向/制動，逆變器控制軟件，通訊信號軟件（占30%）等。

據(jù)悉，國內(nèi)南車株洲電力機車研究所基本走在行業(yè)前沿，通過CRH380A基本掌握核心技術(shù)。2017年3月正式運行的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組是完全自主知識產(chǎn)權(quán)的，主要是株洲電力機車研究所和中國鐵道科學(xué)研究院兩家的技術(shù)，說明中國人已經(jīng)掌握了該技術(shù)。

2.1　工頻牽引變壓器的優(yōu)點及問題

高鐵及動車組的牽引系統(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、牽引電機等組成。工頻牽引變壓器的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：簡單、可靠性高、價格低廉。

缺點：體積重量大，增加列車的設(shè)計難度，減小載客量；輸出電壓隨負載變化而變化，電壓跌落給傳動控制帶來困難。

下一代高鐵系統(tǒng)，對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

3.1　下一代高鐵牽引系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)

清華電機系從2001年開始研究地鐵、電力機車牽引系統(tǒng)，并和北車研發(fā)中心和永濟電機集團開展了多項合作，包括北車研發(fā)中心（2001）、永濟集團（2004）、清華自主項目（2008）、南車時代（2011）等項目。2011年8月，清華電機系和南車株洲時代集團（我國生產(chǎn)高鐵/動車組CRH380A電力牽引系統(tǒng)的主力公司）簽訂了長期戰(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月獲國家科技部重點研發(fā)計劃支持。

對中高頻變壓器隔離變換器拓撲結(jié)構(gòu)研究：首先，對基本拓撲結(jié)構(gòu)的特點進行了分析。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、不對稱半橋）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，對全橋、半橋、不對稱半橋三種結(jié)構(gòu)的性能進行了理論分析和仿真驗證。最后，提出了實用的中高頻變壓器隔離直流環(huán)節(jié)變換器新拓撲結(jié)構(gòu)，包括采用單個多繞組變壓器和多個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)，分別可用于電力機車牽引和新能源發(fā)電并網(wǎng)等場合。

3.2　全電化船/艦/艇驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)

2013年9月24日，中央電視臺《新聞聯(lián)播》再次聚焦“中船重工 712所”，報道了“我國成功研制船舶中壓電力推進系統(tǒng)”。國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的船舶中壓電力推進系統(tǒng)及其核心設(shè)備研制成功，這項技術(shù)目前僅少數(shù)國家掌握，過去我國主要依賴進口，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。實現(xiàn)了我國船舶電力推進核心設(shè)備自主研制“零的突破”。

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

（1）為電力推進系統(tǒng)提供動力的高中速柴油機，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)計提供了更多的空間。

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

（3）動態(tài)性能好，使船舶具有良好的靈活性，大幅提高了艦船的機動性能。

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

（1）理論：開展中壓多電平拓撲的故障診斷、容錯以及在線修復(fù)技術(shù)研究；開展多控制策略相結(jié)合并優(yōu)勢互補的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：開展艦船中壓直流電力電子變壓器和中壓直流儲能系統(tǒng)研究，目前已申請北京市自然科學(xué)基金并將進一步深入研究。

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

3.3　多電/全電飛機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

從二十世紀(jì)70 年代開始傳統(tǒng)的混合功率系統(tǒng)就受到了質(zhì)疑全電飛機的探索也逐漸展開。我們的研究內(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MEA供電系統(tǒng)的主要架構(gòu)之一，穩(wěn)定性問題嚴(yán)峻。主要體現(xiàn)在：

大量電力電子，體現(xiàn)負阻抗特性；

高功率密度要求下的濾波器設(shè)計，系統(tǒng)易振蕩；

源荷容量相當(dāng)，負載變動影響大；

源荷各模塊單獨設(shè)計后互聯(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

基本拓撲：

實現(xiàn)多電平最初的思路，采用多級直流電壓源串聯(lián)，并控制某一級開關(guān)的通斷輸出不同的電平。

衍生拓撲：

基本單元是兩電平拓撲結(jié)構(gòu)；

二極管，可控開關(guān)管和電容這三種箝位器件同時被使用；

最外層的主開關(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；

可以實現(xiàn)電容電壓的自平衡；

認為是最復(fù)雜同時也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。

3.3.2　通用拓撲簡化和演化新拓撲的規(guī)律

（1）通用拓撲兩側(cè)主開關(guān)管必須全部保留。

（2）通用拓撲的輔助箝位開關(guān)管、二極管和電容要對稱的從兩側(cè)成對省略。簡化后的拓撲具有很好的對稱性，且可擴展。

（3）如果要使簡化后拓撲具有完整輸出所有電平的能力，通用拓撲中實現(xiàn)每個電平的多個電流雙向通路至少有一個被保留。

（4）出于實際應(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。因為箝位電容本身造成了體積增大，成本增加，影響系統(tǒng)壽命和可靠性的問題。

（5）對于簡化后拓撲中每個箝位電容，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，存在對箝位電容電壓沒有影響的開關(guān)狀態(tài)或者存在對箝位電容電壓影響相反的開關(guān)狀態(tài)。

3.3.3　模塊化多電平變換器（MMC）MMC優(yōu)點

（1）模塊性強、控制靈活，易于裝配，每個單元可單獨控制；

（2）擴展性強，易于上高壓。增加1個電平輸出只需增加串聯(lián)的單元個數(shù)，易于實現(xiàn)高壓多電平，非常適合于高壓直流輸電、無功補償以及有源濾波等場合；

（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）對全橋、半橋、不對稱半橋三種結(jié)構(gòu)的中高頻隔離變換器單元性能進行了理論分析和仿真驗證，提出了幾種實用的中高頻變壓器隔離變換器新拓撲結(jié)構(gòu)。

（2）提出了兩種進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PD-SPWM的電壓平衡控制輔助方法；提出了系統(tǒng)的故障運行策略、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）提出了通用拓撲簡化和演化新拓撲的規(guī)律。

（5）建立了仿真和實驗平臺，并對以上拓撲及控制進行了驗證。

（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中國自動化產(chǎn)業(yè)年會”上的報告）

作者簡介：

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

摘自《自動化博覽》2018年4月刊