赵争鸣：现代电网中的电力电子装置与系统
演讲人系清华大学电机工程与应用电子技术系教授、中国电工技术学会理事、《电气技术》杂志主编
（本文根据“2015第四届分布式发电与微电网技术大会”演讲PPT编辑而成）
功率半导体化的电力系统是现代电网的支撑技术之一。目前，能源互联网研究热潮正在中国兴起。
一、能源互联网中的电力电子——能量路由器
（一）
能量路由器共性特征：能够为分布式可再生能源发电和储能提供即插即用的交/直流接口；能够实现电压变换、电压隔离、提升电能质量、能量双向流动的综合调节能力；能够根据故障情况或系统需要，自主地与主网分离，提高电网的自愈性；能够调节网内的馈线潮流，实现功率的快速调节能力。
能量路由器的电气结构发展：高变比、多端口、模块化、强解耦。
（二）
电力变压器在现代电力系统中扮演着非常关键的角色，能够实现电压等级变换、电气隔离和能量传递，被广泛用于输电系统和配电系统中，是电力系统中应用数量最多的输变电设备之一。
传统电力变压器的缺点：体积大，重量重，耗费的铜材和铁材多；绝缘油会对环境造成污染，不易维护；铁心磁饱和会造成电压电流畸变；不能隔离故障，需要配套设备进行保护；空载损耗高，不能保持副边电压恒定；任何一侧的不平衡或者畸变都会耦合到另一侧；输入输出不可控。
固态变压器是能量路由器的核心部件，是基于电力电子变换器的新型电力变压器。其特点是：重量轻，体积小，无污染；可以调节电压、电流、频率和相位等；可以具有直流接口；输入输出耦合性不强；含有智能控制单元。
固态变压器的应用：ABB公司在2011年制作了一台用于机车牵引的1.2MVA的固态变压器样机，其输入为15kV，16.7Hz的铁路电网，输出为1.5kV。实验表明效率可以达到96%以上，安装在瑞士联邦铁路的机车上，通过了电气认证和验收测试。
（三）
美国于2010年由美国能源部和国家自然科学基金会资助$6000万（2014年再追加$1.4亿）建立了“未来可再生电能传输和管理系统中心”（FREEDM）（由5个大学、5个研究院、12个著名企业组成）。
100kW/6kV的能量路由器采用级联多电平的串入并出、隔离的三级主电路结构
二、能源互联网中的电力电子——任意波形功率放大器
（一）信息与能量的接口（实时软硬件混合系统的关键装备）
（二）以脉冲的逻辑组合理论为基础，采用相应的拓扑与调制方式，突破了器件开关频率的限制（输出频率0-346kHz, 开关频率64Hz）。
三、能源互联网中的电力电子——分布式电磁能量收集器
作为能源互联网的终端应用，能量收集技术作为一种很有希望的方案被提出。分布式电磁能量收集器是对周围环境中散布的电磁能量进行收集、转换并利用的装置。
四、电力电子装置与系统存在的问题
三大挑战：提升电能变换能力；系统优化设计；装备和系统的可靠性。
三项关键技术难题（源头）：功率半导体器件失效机理及其模型的建立；基于分布杂散参数的瞬态变换拓扑模型及其能量平衡；电磁能量脉冲序列分析及控制。
（一）难题1：功率器件失效机理及其模型的建立
技术背景：电力电子装备和系统的基础是基于功率半导体器件的电力电子变流技术；目前的功率半导体器件的额定电压和电流都非常有限，难以满足高压大电流的需要，必须采用器件组合方式。
主要原因：半导体功率器件内部载流子运动时间快，在微、纳秒时间内完成非线性的开关过程，其运动规律难以掌握；由于功率半导体器件本身参数的离散性，器件组合后的特性非常复杂，参数的微小差异就带来巨大影响。
需研究的科学问题：研究功率半导体器件的失效模型及其与系统中其他元素之间的互动关系（电气工程学科中的器件科学问题）。
解决两个问题：（1）建立大容量器件（大功率IGBT、IGCT和功率二极管等）的失效模型；（2）确定大功率器件的特性与装置中其它元素之间的相互制约关系。
（二）难题2：基于杂散参数的瞬态拓扑及其能量平衡
技术背景：电力电子装置中的变流拓扑是实现电能变换的条件，目前主要采用级联式、模块化多电平等结构；功率半导体器件采用快速开关模式以调制输出电量波形和幅值，对外表现出高的电应力di/dt和dv/dt。
主要原因：器件快速的开关运行模式使得通过其中的电磁能量快速变化，其与连接件中的分布杂散参数联合作用，产生纳、微秒级的浪涌电流和电压；这些杂散参数电磁回路表现出不同时间常数，使得变换中的电磁能量难以平衡。
需研究的科学问题：考虑杂散参数的主电路瞬态换流拓扑，建立不同时间常数的电磁换流回路的能量平衡关系（电力电子中的电路科学问题）。
关键问题：如何得到分布杂散参数、如何确定参数灵敏度。
（三）难题3：电磁能量脉冲序列分析及控制
技术背景：电力电子装置的目的是实现电磁能量的有效变换，必须采用如PWM的调制方法；目前的PWM技术本质上都是从宏观上对变换过程进行调制，属于信号级的线性控制，视功率器件为理想开关。
主要原因：由于开关器件以及变换主电路的非线性因素，使得信号脉冲与能量脉冲有很大的差异，存在延迟和畸变；由于脉冲的延迟和畸变，使得理论控制功能难以实施，产生许多异常脉冲和破坏性能量脉冲。
需研究的科学问题：揭示能量脉冲的发生和传播规律，研究针对能量脉冲及其序列的主动控制策略（电力电子中的控制科学问题）。
关键问题：异常脉冲原因，信号脉冲与功率脉冲的差异。
五、基础科学研究
关键词：电磁能量变换，瞬态过程，系统可靠性。
三关系：器件与装置，控制与主回路，集中参数与分布参数。
国家自然科学基金重大项目（2015-2019）：大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制。
六、前沿研究——大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征及运行机制
研究意义：提高电力电子器件和装置的变换能力，提高装置与系统的可靠性，为提升大容量电力电子装置和系统的研制水平与综合性能提供理论依据与技术支撑。
研究内容：器件瞬态组合建模；多速率系统仿真；瞬态拓扑结构；瞬态三维电磁场分析；能量脉冲主动控制；系统能量平衡控制。
研究难点：器件失效机理、主回路杂散参数的提取、瞬态三维电磁场分析、纳微秒级能量脉冲实时控制等都将在超短时间和空间里联立求解。
七、发展展望
技术层面：面向电力电子装置与系统，将传统的“理想开关、集中参数和信号PWM调制”电力电子技术变革为基于“非理想开关特性、杂散参数设计和电磁能量脉冲控制”的新一代电力电子技术。
应用层面：采用新的电力电子器件，研制面向现代电网应用的新一代电力电子装置和系统，研究器件组合机理和及其失效，提升电力电子变换能力，提高装置和系统的可靠性，为分布式发电与微电网——能源互联网的发展提供更好的技术支撑。