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)在于利用功率半導體器件的開(kāi)關(guān)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(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)現了用電裝置的小型化、輕量化及原材料的大量節省，以及全自動(dòng)化的生產(chǎn)，構成信息社會(huì )和傳統工業(yè)的接口。

1　行業(yè)背景與現狀

1.1　永磁同步電機控制發(fā)展現狀、趨勢

所有的機器人、自動(dòng)化機床的基礎都是伺服系統，伺服系統的核心是交流電機的控制。交流電機相對于直流電機來(lái)講比較復雜，永磁電機介與兩者之間。目前，永磁電機無(wú)傳感器控制正往高穩態(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+sensorless”替代傳統“SPM電機+sensor”的驅動(dòng)模式，以進(jìn)一步降低成本。我認為高穩態(tài)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)IPM電機無(wú)傳感器控制技術(shù)具有很好的應用前景。

1.2　感應電機變頻調速技術(shù)概況

感應電機進(jìn)入實(shí)用化近30年，國產(chǎn)變頻器廠(chǎng)家300家以上，國內變頻器市場(chǎng)增長(cháng)率一直保持在12%~15%，市場(chǎng)潛在空間大約為1200~1800億元。雖然國產(chǎn)品牌變頻器已取得長(cháng)足進(jìn)步，但在數控機床、大功率起重設備、機車(chē)牽引等高端應用場(chǎng)合，國外品牌市場(chǎng)份額占到80%以上。

1.3　大容量電力電子變換器技術(shù)在節能領(lǐng)域的應用

（1）在西氣東輸、風(fēng)洞等大容量高壓變頻調速領(lǐng)域：現在廣泛采用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/艇系統中的應用：多電平變換器技術(shù)及其在船/艦/艇系統中的應用，包括電路拓撲、調制策略、對潛通訊以及控制算法等方面。未來(lái)，國家要研究的軍艦、航母等國防軍事領(lǐng)域都會(huì )用到這項技術(shù)。重點(diǎn)應用包含：

潛艇永磁電機驅動(dòng)系統——多相開(kāi)繞組H供電；

對潛長(cháng)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——高壓多電平（直流達10kV）。

2　存在的問(wèn)題及挑戰

近代文明從16世紀英國工業(yè)革命開(kāi)始，發(fā)展到今天，當年瓦特的蒸汽機已經(jīng)進(jìn)化成現代火車(chē)、汽車(chē)、輪船、飛機和火箭的發(fā)動(dòng)機（Motor），這些現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、全球變暖等世紀難題。目前城市大氣污染總量的半數以上來(lái)自燃油汽車(chē)系統，已造成全球性的溫室效應。

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)的現代電力電子及交流電機（ElectricalMotor）傳動(dòng)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(dòng)技術(shù)的典型高端應用。具體數據如圖1所示。

圖1

據數據顯示，全國貨物運輸部門(mén)每天向鐵路部門(mén)申請車(chē)皮約33萬(wàn)車(chē)，實(shí)際批準11萬(wàn)車(chē)，滿(mǎn)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(wàn)公里，人均6厘米，人均鐵路里程僅為德14%，美9%，日34%。綜上，仍遠遠不能滿(mǎn)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(chē)體，轉向架，制動(dòng)剎車(chē)），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(méi)有轉讓?zhuān)ㄞD向/制動(dòng)，逆變器控制軟件，通訊信號軟件（占30%）等。

據悉，國內南車(chē)株洲電力機車(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月正式運行的中國標準動(dòng)車(chē)組是完全自主知識產(chǎn)權的，主要是株洲電力機車(chē)研究所和中國鐵道科學(xué)研究院兩家的技術(shù)，說(shuō)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(diǎn)及問(wèn)題

高鐵及動(dòng)車(chē)組的牽引系統由牽引網(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(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(dòng)控制帶來(lái)困難。

下一代高鐵系統，對體積和重量的要求更具挑戰性。隨著(zhù)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的體積和重量，提高系統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中關(guān)鍵技術(shù)

清華電機系從2001年開(kāi)始研究地鐵、電力機車(chē)牽引系統，并和北車(chē)研發(fā)中心和永濟電機集團開(kāi)展了多項合作，包括北車(chē)研發(fā)中心（2001）、永濟集團（2004）、清華自主項目（2008）、南車(chē)時(shí)代（2011）等項目。2011年8月，清華電機系和南車(chē)株洲時(shí)代集團（我國生產(chǎn)高鐵/動(dòng)車(chē)組CRH380A電力牽引系統的主力公司）簽訂了長(cháng)期戰略合作協(xié)議，希望在下一代高鐵牽引系統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(lǐng)世界高鐵發(fā)展的潮流。2017年8月獲國家科技部重點(diǎn)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(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成（全橋、半橋、不對稱(chēng)半橋）和中高頻變壓器構成（單原邊單副邊、多原邊多副邊）在內的隔離單元的構成方式，對全橋、半橋、不對稱(chēng)半橋三種結構的性能進(jìn)行了理論分析和仿真驗證。最后，提出了實(shí)用的中高頻變壓器隔離直流環(huán)節變換器新拓撲結構，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(chē)牽引和新能源發(fā)電并網(wǎng)等場(chǎng)合。

3.2　全電化船/艦/艇驅動(dòng)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(jìn)系統”。國內首臺具有自主知識產(chǎn)權的船舶中壓電力推進(jìn)系統及其核心設備研制成功，這項技術(shù)目前僅少數國家掌握，過(guò)去我國主要依賴(lài)進(jìn)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(shí)現了我國船舶電力推進(jìn)核心設備自主研制“零的突破”。

船艦全電力推進(jìn)系統的優(yōu)越性體現在以下方面：

（1）為電力推進(jìn)系統提供動(dòng)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(guò)電纜供電，系統可以不與原動(dòng)機布置在一起，因此電力推進(jìn)系統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動(dòng)性能。

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

（1）理論：開(kāi)展中壓多電平拓撲的故障診斷、容錯以及在線(xiàn)修復技術(shù)研究；開(kāi)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能系統研究，目前已申請北京市自然科學(xué)基金并將進(jìn)一步深入研究。

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

3.3　多電/全電飛機系統關(guān)鍵技術(shù)

從二十世紀70 年代開(kāi)始傳統的混合功率系統就受到了質(zhì)疑全電飛機的探索也逐漸展開(kāi)。我們的研究?jì)热葜饕劢瓜到y建模與穩定性分析。HVDC供電系統作為未來(lái)MEA供電系統的主要架構之一，穩定性問(wèn)題嚴峻。主要體現在：

大量電力電子，體現負阻抗特性；

高功率密度要求下的濾波器設計，系統易振蕩；

源荷容量相當，負載變動(dòng)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(shí)現多電平最初的思路，采用多級直流電壓源串聯(lián)，并控制某一級開(kāi)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構；

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)現電容電壓的自平衡；

認為是最復雜同時(shí)也是最全面的一種結構。

3.3.2　通用拓撲簡(jiǎn)化和演化新拓撲的規律

（1）通用拓撲兩側主開(kāi)關(guān)管必須全部保留。

（2）通用拓撲的輔助箝位開(kāi)關(guān)管、二極管和電容要對稱(chēng)的從兩側成對省略。簡(jiǎn)化后的拓撲具有很好的對稱(chēng)性，且可擴展。

（3）如果要使簡(jiǎn)化后拓撲具有完整輸出所有電平的能力，通用拓撲中實(shí)現每個(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(xiàn)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，影響系統壽命和可靠性的問(wèn)題。

（5）對于簡(jiǎn)化后拓撲中每個(gè)箝位電容，為了保證其電壓能夠有效的控制穩定，在輸出特定電平，特定電流情況下，存在對箝位電容電壓沒(méi)有影響的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或者存在對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、控制靈活，易于裝配，每個(gè)單元可單獨控制；

（2）擴展性強，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，易于實(shí)現高壓多電平，非常適合于高壓直流輸電、無(wú)功補償以及有源濾波等場(chǎng)合；

（3）可以省掉母線(xiàn)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(chēng)半橋三種結構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證，提出了幾種實(shí)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(jìn)行多繞組功率解耦的方法，并提出了基于直流電壓P I 調節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(jiǎn)化和演化新拓撲的規律。

（5）建立了仿真和實(shí)驗平臺，并對以上拓撲及控制進(jìn)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(dòng)化產(chǎn)業(yè)年會(huì )”上的報告）

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(cháng)期從事大容量電力電子變換器及其在調速傳動(dòng)領(lǐng)域應用方面的教學(xué)和科研工作。尤其在交流電機的全數字化控制及其在高鐵電力牽引和艦船電力推進(jìn)中的應用等領(lǐng)域成果突出。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年4月刊