作者：清華大學 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。電力電子技術在于利用功率半導體器件的開關作用，構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)品質傳動領域延伸。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IPM電機無傳感器控制技術具有很好的應用前景。

1.2　感應電機變頻調(diào)速技術概況

感應電機進入實用化近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、大功率起重設備、機車牽引等高端應用場合，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在節(jié)能領域的應用

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

（2）在船/艦/艇系統(tǒng)中的應用：多電平變換器技術及其在船/艦/艇系統(tǒng)中的應用，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、航母等國防軍事領域都會用到這項技術。重點應用包含：

潛艇永磁電機驅動系統(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世紀英國工業(yè)革命開始，發(fā)展到今天，當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。

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。其中，交通電氣化是能源消費的重要領域和方向，將占30%，是電力電子與電力傳動技術的典型高端應用。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。

高鐵三大領域/九大核心技術：機械（車體，轉向架，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），核心的技術外國都沒有轉讓，包括轉向/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。2017年3月正式運行的中國標準動車組是完全自主知識產(chǎn)權的，主要是株洲電力機車研究所和中國鐵道科學研究院兩家的技術，說明中國人已經(jīng)掌握了該技術。

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。其采用的技術正是電力電子變壓器（PET or SST）。

3　關鍵技術研究及體會

3.1　下一代高鐵牽引系統(tǒng)中關鍵技術

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)權的產(chǎn)品，跟上并引領世界高鐵發(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構研究：首先，對基本拓撲結構的特點進行了分析。其次，列舉包括中高頻逆變器和中高頻整流器構成（全橋、半橋、不對稱半橋）和中高頻變壓器構成（單原邊單副邊、多原邊多副邊）在內(nèi)的隔離單元的構成方式，對全橋、半橋、不對稱半橋三種結構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)變換器新拓撲結構，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構以及采用多繞組變壓器的三相輸入結構，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/艇驅動關鍵技術

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)權的船舶中壓電力推進系統(tǒng)及其核心設備研制成功，這項技術目前僅少數(shù)國家掌握，過去我國主要依賴進口，可廣泛應用于考察船、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)的多電平關鍵技術，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、容錯以及在線修復技術研究；開展多控制策略相結合并優(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)關鍵技術

從二十世紀70 年代開始傳統(tǒng)的混合功率系統(tǒng)就受到了質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)的主要架構之一，穩(wěn)定性問題嚴峻。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計，系統(tǒng)易振蕩；

源荷容量相當，負載變動影響大；

源荷各模塊單獨設計后互聯(lián)而成——耦合嚴重。

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構；

二極管，可控開關管和電容這三種箝位器件同時被使用；

最外層的主開關管和反并聯(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；

認為是最復雜同時也是最全面的一種結構。

3.3.2　通用拓撲簡化和演化新拓撲的規(guī)律

（1）通用拓撲兩側主開關管必須全部保留。

（2）通用拓撲的輔助箝位開關管、二極管和電容要對稱的從兩側成對省略。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狀態(tài)或者存在對箝位電容電壓影響相反的開關狀態(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　結論與展望

（1）對全橋、半橋、不對稱半橋三種結構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構。

（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，清華大學電力電子工程研究中心常務副主任，長期從事大容量電力電子變換器及其在調(diào)速傳動領域應用方面的教學和科研工作。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用等領域成果突出。

摘自《自動化博覽》2018年4月刊