趙爭鳴：現代電網中的電力電子裝置與系統

演講人系清華大學電機工程與應用電子技術系教授、中國電工技術學會理事、《電氣技術》雜誌主編

（本文根據「2015第四屆分散式發電與微電網技術大會」演講PPT編輯而成）

功率半導體化的電力系統是現代電網的支撐技術之一。目前，能源互聯網研究熱潮正在中國興起。

一、能源互聯網中的電力電子——能量路由器

（一）

能量路由器共性特徵：能夠為分散式可再生能源發電和儲能提供即插即用的交/直流介面；能夠實現電壓變換、電壓隔離、提升電能質量、能量雙向流動的綜合調節能力；能夠根據故障情況或系統需要，自主地與主網分離，提高電網的自愈性；能夠調節網內的饋線潮流，實現功率的快速調節能力。

能量路由器的電氣結構發展：高變比、多埠、模塊化、強解耦。

（二）

電力變壓器在現代電力系統中扮演著非常關鍵的角色，能夠實現電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞，被廣泛用於輸電系統和配電系統中，是電力系統中應用數量最多的輸變電設備之一。

傳統電力變壓器的缺點：體積大，重量重，耗費的銅材和鐵材多；絕緣油會對環境造成污染，不易維護；鐵心磁飽和會造成電壓電流畸變；不能隔離故障，需要配套設備進行保護；空載損耗高，不能保持副邊電壓恆定；任何一側的不平衡或者畸變都會耦合到另一側；輸入輸出不可控。

固態變壓器是能量路由器的核心部件，是基於電力電子變換器的新型電力變壓器。其特點是：重量輕，體積小，無污染；可以調節電壓、電流、頻率和相位等；可以具有直流介面；輸入輸出耦合性不強；含有智能控制單元。

固態變壓器的應用：ABB公司在2011年製作了一台用於機車牽引的1.2MVA的固態變壓器樣機，其輸入為15kV，16.7Hz的鐵路電網，輸出為1.5kV。實驗表明效率可以達到96%以上，安裝在瑞士聯邦鐵路的機車上，通過了電氣認證和驗收測試。

（三）

美國於2010年由美國能源部和國家自然科學基金會資助$6000萬（2014年再追加$1.4億）建立了「未來可再生電能傳輸和管理系統中心」（FREEDM）（由5個大學、5個研究院、12個著名企業組成）。

100kW/6kV的能量路由器採用級聯多電平的串入並出、隔離的三級主電路結構

二、能源互聯網中的電力電子——任意波形功率放大器

（一）信息與能量的介面（實時軟硬體混合系統的關鍵裝備）

（二）以脈衝的邏輯組合理論為基礎，採用相應的拓撲與調製方式，突破了器件開關頻率的限制（輸出頻率0-346kHz, 開關頻率64Hz）。

三、能源互聯網中的電力電子——分散式電磁能量收集器

作為能源互聯網的終端應用，能量收集技術作為一種很有希望的方案被提出。分散式電磁能量收集器是對周圍環境中散布的電磁能量進行收集、轉換並利用的裝置。

四、電力電子裝置與系統存在的問題

三大挑戰：提升電能變換能力；系統優化設計；裝備和系統的可靠性。

三項關鍵技術難題（源頭）：功率半導體器件失效機理及其模型的建立；基於分布雜散參數的瞬態變換拓撲模型及其能量平衡；電磁能量脈衝序列分析及控制。

（一）難題1：功率器件失效機理及其模型的建立

技術背景：電力電子裝備和系統的基礎是基於功率半導體器件的電力電子變流技術；目前的功率半導體器件的額定電壓和電流都非常有限，難以滿足高壓大電流的需要，必須採用器件組合方式。

主要原因：半導體功率器件內部載流子運動時間快，在微、納秒時間內完成非線性的開關過程，其運動規律難以掌握；由於功率半導體器件本身參數的離散性，器件組合後的特性非常複雜，參數的微小差異就帶來巨大影響。

需研究的科學問題：研究功率半導體器件的失效模型及其與系統中其他元素之間的互動關係（電氣工程學科中的器件科學問題）。

解決兩個問題：（1）建立大容量器件（大功率IGBT、IGCT和功率二極體等）的失效模型；（2）確定大功率器件的特性與裝置中其它元素之間的相互制約關係。

（二）難題2：基於雜散參數的瞬態拓撲及其能量平衡

技術背景：電力電子裝置中的變流拓撲是實現電能變換的條件，目前主要採用級聯式、模塊化多電平等結構；功率半導體器件採用快速開關模式以調製輸出電量波形和幅值，對外表現出高的電應力di/dt和dv/dt。

主要原因：器件快速的開關運行模式使得通過其中的電磁能量快速變化，其與連接件中的分布雜散參數聯合作用，產生納、微秒級的浪涌電流和電壓；這些雜散參數電磁迴路表現出不同時間常數，使得變換中的電磁能量難以平衡。

需研究的科學問題：考慮雜散參數的主電路瞬態換流拓撲，建立不同時間常數的電磁換流迴路的能量平衡關係（電力電子中的電路科學問題）。

關鍵問題：如何得到分布雜散參數、如何確定參數靈敏度。

（三）難題3：電磁能量脈衝序列分析及控制

技術背景：電力電子裝置的目的是實現電磁能量的有效變換，必須採用如PWM的調製方法；目前的PWM技術本質上都是從宏觀上對變換過程進行調製，屬於信號級的線性控制，視功率器件為理想開關。

主要原因：由於開關器件以及變換主電路的非線性因素，使得信號脈衝與能量脈衝有很大的差異，存在延遲和畸變；由於脈衝的延遲和畸變，使得理論控制功能難以實施，產生許多異常脈衝和破壞性能量脈衝。

需研究的科學問題：揭示能量脈衝的發生和傳播規律，研究針對能量脈衝及其序列的主動控制策略（電力電子中的控制科學問題）。

關鍵問題：異常脈衝原因，信號脈衝與功率脈衝的差異。

五、基礎科學研究

關鍵詞：電磁能量變換，瞬態過程，系統可靠性。

三關係：器件與裝置，控制與主迴路，集中參數與分布參數。

國家自然科學基金重大項目（2015-2019）：大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表徵與運行機制。

六、前沿研究——大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表徵及運行機制

研究意義：提高電力電子器件和裝置的變換能力，提高裝置與系統的可靠性，為提升大容量電力電子裝置和系統的研製水平與綜合性能提供理論依據與技術支撐。

研究內容：器件瞬態組合建模；多速率系統模擬；瞬態拓撲結構；瞬態三維電磁場分析；能量脈衝主動控制；系統能量平衡控制。

研究難點：器件失效機理、主迴路雜散參數的提取、瞬態三維電磁場分析、納微秒級能量脈衝實時控制等都將在超短時間和空間里聯立求解。

七、發展展望

技術層面：面向電力電子裝置與系統，將傳統的「理想開關、集中參數和信號PWM調製」電力電子技術變革為基於「非理想開關特性、雜散參數設計和電磁能量脈衝控制」的新一代電力電子技術。

應用層面：採用新的電力電子器件，研製面向現代電網應用的新一代電力電子裝置和系統，研究器件組合機理和及其失效，提升電力電子變換能力，提高裝置和系統的可靠性，為分散式發電與微電網——能源互聯網的發展提供更好的技術支撐。