人類歷史上，科學(xué)研究已經(jīng)歷四次重大范式轉(zhuǎn)變。從最初興起于文藝復(fù)興前期以觀察和測(cè)量為主的試探性科學(xué)，到17世紀(jì)開始建立理論，并對(duì)假設(shè)進(jìn)行合理驗(yàn)證的理論科學(xué)，20世紀(jì)50年代以理論建模和模擬計(jì)算為主的計(jì)算科學(xué)，再到21世紀(jì)初以超大規(guī)模系統(tǒng)和海量數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)科學(xué)，每一次范式的轉(zhuǎn)變，都推動(dòng)著科學(xué)研究的變革。當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)的支撐下，科研創(chuàng)新已進(jìn)入全新時(shí)代，其最大特點(diǎn)就是多行業(yè)、多領(lǐng)域、多學(xué)科的交叉融合以及在此基礎(chǔ)上的組合創(chuàng)新，并將智能化作為發(fā)展方向。

電工學(xué)科具有悠久的歷史和強(qiáng)大的生命力，從幾百年前人們對(duì)磁現(xiàn)象的觀察思考開始，到電學(xué)的誕生，再到電能的大規(guī)模應(yīng)用，電工學(xué)科譜寫了輝煌的工業(yè)歷史，并成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐。2018年國家自然科學(xué)基金委對(duì)電工學(xué)科的代碼和研究方向進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，共分13個(gè)二級(jí)學(xué)科代碼，進(jìn)一步豐富了電工學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。

當(dāng)前，隨著智能化的發(fā)展，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等為代表的新技術(shù)正推動(dòng)著各學(xué)科領(lǐng)域的融合發(fā)展，改寫產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式、拓展創(chuàng)新領(lǐng)域。

本文立足當(dāng)前我國電工學(xué)科的發(fā)展需求，結(jié)合新一輪科技革命特點(diǎn)，從人工智能與電工學(xué)科的融合發(fā)展、全電移動(dòng)平臺(tái)對(duì)高性能電機(jī)研究的推動(dòng)、多能源電力系統(tǒng)的發(fā)展，以及電磁能裝備的突破對(duì)傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)向極端條件下非周期瞬態(tài)工況拓展四個(gè)方面，對(duì)電工學(xué)科在多領(lǐng)域融合推動(dòng)下的前沿發(fā)展問題進(jìn)行了初步思考，并詳細(xì)介紹了其背景需求和關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 人工智能的興起孕育了電工學(xué)科新的發(fā)展方向

人工智能是伴隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，近幾年已成為跨領(lǐng)域、多學(xué)科、多應(yīng)用的成功典范，其在電氣工程學(xué)科的融合應(yīng)用，必將掀起電氣工程領(lǐng)域顛覆性的變化，孕育新的學(xué)科方向。例如，大規(guī)模電力電子系統(tǒng)無纜化和電機(jī)系統(tǒng)智能感知與運(yùn)行控制等問題。

1.1 電力電子系統(tǒng)無纜化問題

1.1.1 需求分析

電力電子系統(tǒng)作為能量流轉(zhuǎn)換的基本單元，通常由半導(dǎo)體器件、傳感元件、硬件電路、監(jiān)控軟件經(jīng)連接件組合而成。隨著電力電子系統(tǒng)向多樣化、規(guī)模化、智能化發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)的信息流和能量流互聯(lián)互通日趨復(fù)雜，不斷促進(jìn)電力電子系統(tǒng)向高度集成化和模塊化發(fā)展。繁雜的互聯(lián)線纜嚴(yán)重制約了電力電子系統(tǒng)的智能制造、柔性擴(kuò)展，而現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)理念難以支撐電力電子系統(tǒng)和這些新技術(shù)手段的深度融合。

作為一個(gè)高階、非線性、多變量的電、磁、固、熱多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)，超大規(guī)模電力電子系統(tǒng)涉及能量流電磁場(chǎng)與信息流電磁場(chǎng)相互交叉，連續(xù)域模擬量與離散域數(shù)字量相互轉(zhuǎn)換，能量流的傳輸與耗散路徑不唯一，端口對(duì)外能量輸運(yùn)特性與端口對(duì)內(nèi)多時(shí)間尺度能量轉(zhuǎn)移擴(kuò)散特性不一致（見圖1），系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理與外在表征的時(shí)空特性極為復(fù)雜，支撐電力電子系統(tǒng)無纜化設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)理論還不完備，需深刻剖析無纜化設(shè)計(jì)理念背后蘊(yùn)含的關(guān)鍵科學(xué)問題。

圖1無纜化電力電子系統(tǒng)面臨的問題分析

1.1.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）瞬態(tài)電磁能量精確表征與平衡調(diào)控問題

能量流的精確刻畫是開展電力電子系統(tǒng)控制技術(shù)研究的關(guān)鍵，傳統(tǒng)控制方法通過控制電壓或電流來表征電力電子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過程，而電壓或電流均不能全面刻畫電路的模型和特征。電力電子器件在開/關(guān)過程中，伴隨電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，其最本質(zhì)的特征是電路中儲(chǔ)存的能量以及能量的流動(dòng)過程。因此，需開展基于瞬態(tài)電磁能量平衡的電力電子系統(tǒng)建模方法研究和以能量平衡為主要目標(biāo)的電力電子系統(tǒng)控制技術(shù)研究。

2）狀態(tài)管理、智能決策與高效控制問題

電力電子系統(tǒng)全域負(fù)載范圍內(nèi)的高精度傳感、高性能運(yùn)行與高可靠工作，是實(shí)現(xiàn)電磁能量高效轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。而高集成的無纜化電力電子系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理與外在表征呈現(xiàn)出比有纜系統(tǒng)更為復(fù)雜的時(shí)空響應(yīng)特性，傳統(tǒng)狀態(tài)感知、故障診斷、電能調(diào)制及數(shù)字脈沖序列生成的普遍規(guī)律難以充分發(fā)揮無纜化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，不再適用。因此，需要考慮結(jié)合無纜化系統(tǒng)信息流與能量流之間的復(fù)雜映射關(guān)系，探究無纜化電力電子系統(tǒng)的狀態(tài)管理、智能決策與高效控制方法。

3）高功率密度電力電子系統(tǒng)無纜化集成封裝過程中的絕緣、電磁兼容與散熱設(shè)計(jì)問題

電力電子系統(tǒng)的絕緣、電磁兼容與散熱設(shè)計(jì)，是決定其功率密度、可靠性與連續(xù)運(yùn)行性能的重要因素。根據(jù)Poynting電磁場(chǎng)能量守恒定理，電磁能除了通過電流沿導(dǎo)線內(nèi)部傳遞給負(fù)載以外，還會(huì)通過空間電磁場(chǎng)的形式傳播，系統(tǒng)不同材料、元件在中高頻電磁場(chǎng)作用下的物理特性均與電磁能量轉(zhuǎn)換息息相關(guān)，如分布參數(shù)、熱效應(yīng)、電磁感應(yīng)與振動(dòng)等，也直接決定著系統(tǒng)的絕緣性能、電磁兼容性與散熱性能。

1.2 艦船電機(jī)系統(tǒng)的智能感知與運(yùn)行控制問題

1.2.1 需求分析

艦船綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System, IPS）如圖2所示，它是將發(fā)電、推進(jìn)供電、高能武器發(fā)射供電、大功率探測(cè)供電、日常用電等綜合為一體的艦船電力系統(tǒng)，將傳統(tǒng)艦船相互獨(dú)立的動(dòng)力和電力兩大系統(tǒng)合二為一，實(shí)現(xiàn)了全艦?zāi)芰康木C合利用。

綜合電力系統(tǒng)不僅可大幅降低艦船全壽命周期費(fèi)用、優(yōu)化艙室布局、提高艦船隱身性、生命力和機(jī)動(dòng)性，更是高能武器上艦的唯一途徑，被譽(yù)為艦船動(dòng)力的第三次革命。艦船電機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期大功率運(yùn)行下，信息感知能力和運(yùn)行控制手段決定平臺(tái)性能的發(fā)揮程度，需要不斷深化艦船電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)智能感知與運(yùn)行控制理論，全面提升電機(jī)系統(tǒng)的自傳感、自診斷和優(yōu)化控制能力，為發(fā)展下一代綜合電力系統(tǒng)提供理論和技術(shù)支撐。

圖2 艦船綜合電力系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)的智能感知與運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由集成式智能傳感單元、健康狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)單元、運(yùn)行控制管理單元三部分組成，通過新型集成傳感、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)化理論、數(shù)據(jù)融合等理論和新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，并結(jié)合艦船實(shí)時(shí)工況需求，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化控制。

與傳統(tǒng)艦船電機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)不同，智能感知與運(yùn)行控制系統(tǒng)可充分挖掘并掌握電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)故障準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，根據(jù)不同工況和故障狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整與容錯(cuò)控制，使其滿足高載荷、高動(dòng)態(tài)復(fù)雜工況，并為能量管理分系統(tǒng)提供決策數(shù)據(jù)，支撐綜合電力系統(tǒng)作戰(zhàn)效能最大化，有望使電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行、維護(hù)效率和盡限運(yùn)行能力等方面的性能大幅提升。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）電機(jī)系統(tǒng)集成式智能感知

傳統(tǒng)艦船電機(jī)系統(tǒng)裝備的傳感器簡(jiǎn)單、分離，缺乏關(guān)鍵物理量的綜合、全面測(cè)量。考慮電機(jī)系統(tǒng)“電磁-機(jī)械-流體-信號(hào)”本征多物理場(chǎng)耦合關(guān)系，需突破集成式多維度智能感知基礎(chǔ)理論，支撐電機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)智能認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展。

一方面，通過深入研究電機(jī)系統(tǒng)中“電磁-機(jī)械-流體-信號(hào)”的多物理場(chǎng)耦合關(guān)系，揭示電機(jī)狀態(tài)與系統(tǒng)激勵(lì)、電機(jī)結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)理，建立電機(jī)本征物理量與可觀測(cè)狀態(tài)量間的映射模型，從而基于現(xiàn)有傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)合傳感，間接獲取更多的電機(jī)關(guān)鍵狀態(tài)信息（見圖4）。

另一方面，對(duì)無法間接觀測(cè)的電機(jī)物理量，重點(diǎn)突破新型傳感器的集成應(yīng)用技術(shù)，以盡可能少的新型傳感器，獲取必需的電機(jī)狀態(tài)信息。最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫度、相對(duì)位移、轉(zhuǎn)子位置和速度、電機(jī)繞組絕緣狀態(tài)等關(guān)鍵狀態(tài)信息的全面獲取。

圖4 電機(jī)電壓電流物理場(chǎng)耦合圖

2）復(fù)雜工況下電機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)

艦船推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，故障早期的信號(hào)特征極其微弱，容易被噪聲淹沒，強(qiáng)干擾環(huán)境下電機(jī)漸變故障微弱信號(hào)的建模與有效特征提取方法是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)退化預(yù)警的關(guān)鍵。因此，需研究多源多維信息融合的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)（見圖5），分析電機(jī)系統(tǒng)非線性、強(qiáng)耦合特性以及溫漂、擾動(dòng)等非線性因素的作用機(jī)理，強(qiáng)干擾下弱信號(hào)的提取方法和多源信息融合機(jī)制，探明電機(jī)參數(shù)與運(yùn)行工況間的非線性函數(shù)關(guān)系、電機(jī)系統(tǒng)漸變故障與狀態(tài)信息及參數(shù)的關(guān)系，通過狀態(tài)觀測(cè)和參數(shù)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)退化預(yù)警。

圖5

3）電機(jī)系統(tǒng)自適應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化與容錯(cuò)控制

目前廣泛采用的分立控制架構(gòu)嚴(yán)重依賴“人在回路”運(yùn)行模式，限制了電機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行邊界和智能運(yùn)行能力。建立多層次、多目標(biāo)的電機(jī)系統(tǒng)智能運(yùn)行優(yōu)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息流驅(qū)動(dòng)能量流的智能控制，是實(shí)現(xiàn)艦船電機(jī)系統(tǒng)智能控制、提高電機(jī)系統(tǒng)綜合運(yùn)行品質(zhì)和生命力的保障。自適應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化與容錯(cuò)控制原理如圖6所示。

通過在線健康診斷技術(shù)獲得電機(jī)的故障狀態(tài)和類型，基于系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和信息融合實(shí)現(xiàn)冗余/容錯(cuò)控制，其核心是解決無擾動(dòng)運(yùn)行模式切換、主動(dòng)容錯(cuò)控制算法設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化等問題。

圖6 自適應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化與容錯(cuò)控制原理

2 全電移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展加速了高性能電機(jī)的研究需求?

20世紀(jì)80年代以來，電力電子和交流電機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了動(dòng)力系統(tǒng)從機(jī)械化向電氣化的深刻變革，催生了全電移動(dòng)平臺(tái)，加速了新型高效能源、高性能電機(jī)、高效電力傳動(dòng)與智能控制等一系列技術(shù)的發(fā)展，尤其加速了高性能電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。

2.1 需求分析

全電移動(dòng)平臺(tái)的核心動(dòng)力裝置是發(fā)電、推進(jìn)、儲(chǔ)能等電機(jī)系統(tǒng)，最大程度地實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用和精確控制，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)提出了更高的性能需求，總體而言可以概括為高功率密度、高適應(yīng)性、高可靠性、高精度、低排放、多功能復(fù)用等，目前正逐漸推廣應(yīng)用于全電艦船、全電車輛、全電推進(jìn)飛行器等平臺(tái)。

2.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）材料盡限應(yīng)用下的電機(jī)分析和設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)，高功率密度電機(jī)系統(tǒng)具有材料利用率趨近極限、運(yùn)行工況復(fù)雜、使用環(huán)境多變等特點(diǎn)，其內(nèi)部電磁、溫度、流體、應(yīng)力等物理因素交互作用形成的耦合效應(yīng)突出，如圖7所示，導(dǎo)致復(fù)雜多物理因素交互作用下的電磁兼容、散熱冷卻、機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等問題凸顯，電機(jī)由弱耦合、少約束、線性系統(tǒng)向強(qiáng)耦合、多約束、非線性系統(tǒng)演變，傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)技術(shù)難以適用。

因此，迫切需要從多物理因素交互的角度出發(fā)，研究復(fù)雜多工況下高功率密度電機(jī)系統(tǒng)多物理因素映射規(guī)律與交互機(jī)制，探索材料盡限應(yīng)用條件下電機(jī)多物理性能精確分析及協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度電機(jī)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖7 電機(jī)系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合示意圖

2）電機(jī)功能復(fù)用與集成

傳統(tǒng)電機(jī)各部件物理功能明確、單一，造成了材料浪費(fèi)，不利于功率密度的提高，需要探索研究部件功能復(fù)用或集成技術(shù)，減少系統(tǒng)體積和重量，優(yōu)化現(xiàn)有電機(jī)設(shè)計(jì)理念。在某些對(duì)體積、重量要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合，如全電飛機(jī)、跨介質(zhì)飛行器、水下航行器、高速發(fā)電等，還應(yīng)考慮系統(tǒng)級(jí)集成方案，進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。

例如，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)（圖8a）可將轉(zhuǎn)軸同時(shí)作為結(jié)構(gòu)件及輔助勵(lì)磁磁路，實(shí)現(xiàn)部件級(jí)的功能復(fù)用，提高電機(jī)功率密度。定子籠型電機(jī)（圖8b）在定子每槽導(dǎo)體端部集成了獨(dú)立的電力電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與變頻器的部件級(jí)集成，除提高系統(tǒng)功率密度外，還可通過控制改變每槽導(dǎo)體電流相位，靈活實(shí)現(xiàn)定子“變極”，配合籠型轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)電機(jī)極數(shù)的在線調(diào)節(jié)。

水下無軸推進(jìn)技術(shù)是典型的系統(tǒng)級(jí)集成案例（圖8c），將電機(jī)從艙室內(nèi)移到艙外，并與推進(jìn)器集成一體，取消了復(fù)雜的推進(jìn)軸系及相關(guān)配套輔件，形成新型的無軸推進(jìn)器，在提高推進(jìn)系統(tǒng)功率密度、節(jié)省艙室空間的同時(shí)，也解決了潛艇現(xiàn)有機(jī)械推進(jìn)中“槳-軸-艇”耦合噪聲、大潛深下動(dòng)密封難題。

圖8 電機(jī)功能復(fù)用與集成

3）新材料、新工藝及新拓?fù)涞臓恳c應(yīng)用

電機(jī)性能的不斷提升往往更多依賴新材料、新工藝以及新電機(jī)拓?fù)涞燃夹g(shù)的應(yīng)用，牽引著整個(gè)電機(jī)行業(yè)更深層次的變革。為推動(dòng)我國電機(jī)技術(shù)的跨越式發(fā)展，亟需跟進(jìn)和探索各種新材料、新工藝和新拓?fù)涞扰c電機(jī)學(xué)科相結(jié)合的工程應(yīng)用問題。

新材料的出現(xiàn)，使進(jìn)一步全方位提升電機(jī)性能成為可能。新型高導(dǎo)電材料，如碳導(dǎo)線復(fù)合材料等，可突破原有熱負(fù)荷限制，大幅提高電流密度；新型高飽和軟磁材料，如含鈷軟磁材料等，可大幅提高飽和磁通密度，增大電機(jī)磁負(fù)荷；低損耗軟磁材料，如超薄硅鋼、非晶材料等，可大幅降低電機(jī)鐵耗；高強(qiáng)度永磁材料，如鐵鈷基永磁等，可在保證高磁能積的條件下，滿足更高轉(zhuǎn)速要求；高強(qiáng)度復(fù)合材料，可避免金屬護(hù)套高頻渦流損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)子預(yù)緊力；高導(dǎo)熱絕緣材料，可顯著提升電機(jī)的散熱能力。

但某一方面性能突出的新材料，可能在其他方面性能有所弱化，需全面摸清新材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、導(dǎo)磁、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性等各種物理性能邊界，并結(jié)合電機(jī)應(yīng)用需求，研究新材料系統(tǒng)下的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

新工藝有助于使電機(jī)實(shí)際性能更接近理想情況，并提高系統(tǒng)可靠性，但由此也可能帶來新問題需要深入研究。例如，針對(duì)某些電機(jī)端部過長(zhǎng)的問題，可借鑒綜合集成的思想，在電機(jī)端部連接處采用復(fù)合母排結(jié)構(gòu)，大幅減少端部尺寸，但需解決由此帶來的絕緣、散熱及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等系列問題；在冷卻技術(shù)方面，近些年陸續(xù)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子集成空冷、定子槽內(nèi)穿管、定子嵌套水冷板、熱管等新型冷卻工藝，可大幅提高電機(jī)散熱效率，但需解決由此帶來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、絕緣及電磁性能劣化等系列問題。

另外，電機(jī)的發(fā)展總是伴隨著各類新原理新拓?fù)涞牟粩嘤楷F(xiàn)，如磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、環(huán)形繞組電機(jī)等，不僅豐富了現(xiàn)有電機(jī)理論，也為各類電機(jī)需求提供了更廣泛的選擇空間。這些新拓?fù)湓砀鞑幌嗤脖厝淮嬖诟髯圆煌倪m用場(chǎng)合，因此需從各類新拓?fù)潆姍C(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換過程的物理機(jī)理出發(fā)，深入研究其在功率/轉(zhuǎn)矩密度、損耗密度、振動(dòng)噪聲水平、成本等多維度下的適用邊界及優(yōu)勢(shì)區(qū)間，從而牽引新拓?fù)潆姍C(jī)實(shí)現(xiàn)更廣泛的工程化應(yīng)用。

?3 雙碳目標(biāo)推動(dòng)了多能源電力系統(tǒng)的深化研究

隨著雙碳目標(biāo)的實(shí)施，以風(fēng)、光等為代表的新能源發(fā)電將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)和高比例接入，為適應(yīng)新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特征，儲(chǔ)能也會(huì)大規(guī)模接入。

在此背景下，未來電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出多元能源結(jié)構(gòu)體系、強(qiáng)電力電子化、非線性、柔性互聯(lián)等特點(diǎn)，給系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控帶來挑戰(zhàn)。

雙碳目標(biāo)和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將推動(dòng)多能源電力系統(tǒng)的深化研究，主要涉及互聯(lián)耦合多能源電力系統(tǒng)虛擬同步特性及其控制，多能源電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同控制與調(diào)配，多能源電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行與主動(dòng)防御，多能源電力系統(tǒng)智能調(diào)度控制與優(yōu)化運(yùn)行，多能源電力系統(tǒng)高效儲(chǔ)能等問題。多能源電力系統(tǒng)中，新能源電源將取代同步機(jī)成為系統(tǒng)主導(dǎo)電源。

同步機(jī)電源能夠提供電壓、頻率動(dòng)態(tài)支撐，對(duì)系統(tǒng)具有天然友好的優(yōu)勢(shì)，為使新能源電源具備和傳統(tǒng)同步機(jī)相似的對(duì)系統(tǒng)主動(dòng)支撐能力，實(shí)現(xiàn)多能源電力系統(tǒng)的構(gòu)建與安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)虛擬同步特性及其控制問題十分重要，因此，互聯(lián)耦合多能源發(fā)電系統(tǒng)虛擬同步特性及其控制問題是基礎(chǔ)。

3.1 需求分析

電力電子變換裝備作為新能源電源的并網(wǎng)接口，其本身慣量/阻尼低，常規(guī)以最大功率跟蹤模式運(yùn)行的新能源發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)為功率源，不具備調(diào)頻、調(diào)壓特性，對(duì)系統(tǒng)主動(dòng)支撐能力弱，系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。互聯(lián)耦合多能源電力系統(tǒng)如圖9所示。

該系統(tǒng)不同開關(guān)頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備間非線性耦合強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為復(fù)雜，運(yùn)行過程中易出現(xiàn)奇異的、不規(guī)則的非線性振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。

圖9 互聯(lián)耦合多能源發(fā)電系統(tǒng)

3.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）電力電子裝備與同步機(jī)裝備數(shù)學(xué)等效/物理等價(jià)能力邊界分析

同步機(jī)裝備作為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的重要裝備，其基于定轉(zhuǎn)子繞組間的電磁感應(yīng)定律，通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量變換，能夠給電力系統(tǒng)提供慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等主動(dòng)支撐功能，具有對(duì)電網(wǎng)天然友好的優(yōu)勢(shì)。

與同步機(jī)裝備不同，緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，作為風(fēng)、光等新能源電源并網(wǎng)接口的電力電子裝備為靜止設(shè)備，本身不具備慣量、阻尼等動(dòng)力學(xué)行為特性，常規(guī)以最大功率跟蹤模式運(yùn)行的新能源發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)為功率源，也不具備調(diào)頻、調(diào)壓特性。隨著緊耦合多能源電力系統(tǒng)中新能源電源占比的提高，傳統(tǒng)同步機(jī)占比下降，將導(dǎo)致系統(tǒng)總的慣量、阻尼下降，調(diào)頻、調(diào)壓能力降低，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

虛擬同步機(jī)技術(shù)以電力電子裝備的強(qiáng)可控性為依托，在外加硬件的能量支撐下，實(shí)現(xiàn)虛擬同步機(jī)功能，具備給系統(tǒng)提供慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等主動(dòng)支撐的能力，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行性能，是增強(qiáng)電力電子裝備組網(wǎng)性能的關(guān)鍵舉措。

但是虛擬同步發(fā)電機(jī)的本體是電力電子裝備，物理上與同步發(fā)電機(jī)相差較大，厘清二者的數(shù)學(xué)等效/物理等價(jià)性是虛擬同步機(jī)技術(shù)亟需攻克的關(guān)鍵所在。因此，研究虛擬同步機(jī)與真實(shí)同步機(jī)的物理等價(jià)性，探索虛擬同步發(fā)電機(jī)模擬真實(shí)同步發(fā)電機(jī)的能力邊界，對(duì)虛擬同步機(jī)技術(shù)的工程應(yīng)用、增強(qiáng)多能源電力系統(tǒng)運(yùn)行性能具有重要意義。

2）多樣化電力電子裝備非線性耦合機(jī)理與奇異振蕩特性分析

高比例電力電子裝備接入是緊耦合多能源電力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要特征之一。為滿足不同用戶的不同電制需求，緊耦合多能源電力系統(tǒng)中存在不同開關(guān)頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備。基于不同的電路拓?fù)洌ㄟ^復(fù)雜控制驅(qū)動(dòng)電力電子開關(guān)器件的高頻開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)所需的電能變換，其動(dòng)態(tài)特性由其自身復(fù)雜的控制和電路動(dòng)態(tài)所主導(dǎo)，具有多時(shí)間尺度、強(qiáng)非線性特征。

電力電子裝備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性還與其端口激勵(lì)特性密切相關(guān)，多樣化電力電子裝備接入同一緊耦合多能源電力網(wǎng)絡(luò)，通過交直流電網(wǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)耦合，使得緊耦合多能源電壓系統(tǒng)中，不同開關(guān)頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備間呈現(xiàn)多尺度、非線性耦合特征，耦合機(jī)制復(fù)雜，機(jī)理不清，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為多樣。

已有大量事故案例表明，由于多樣化電力電子裝備間的強(qiáng)復(fù)雜非線性相互作用，緊耦合多能源電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)一些奇異的、不規(guī)則的非線性振蕩現(xiàn)象（見圖10），振蕩頻率不再表現(xiàn)為單一模態(tài)，具有寬頻振蕩特征，振蕩頻率不再固定，呈現(xiàn)時(shí)變特征，振蕩能量傳播機(jī)制不再清晰，呈現(xiàn)復(fù)雜時(shí)空演變規(guī)律特征，傳統(tǒng)分析手段已難以揭示該復(fù)雜非線性振蕩現(xiàn)象。

在這種振蕩現(xiàn)象下，系統(tǒng)電壓、電流易發(fā)生大幅波動(dòng)，造成電力電子裝備保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，在緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，多樣化電力電子裝備非線性耦合機(jī)理不明，系統(tǒng)奇異振蕩特性不清，傳統(tǒng)振蕩特性分析與抑制手段不再適用，亟需突破多樣化電力電子裝備非線性耦合機(jī)理與奇異振蕩特性分析技術(shù)，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

圖10

3）緊耦合多能源電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化與主動(dòng)支撐控制技術(shù)

緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，電力電子裝備占比升高，同步機(jī)裝備占比相對(duì)下降，電力電子裝備將主導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為，其激勵(lì)響應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)有較大影響。由電力電子裝備運(yùn)行原理可知其激勵(lì)響應(yīng)特性與裝備本身控制動(dòng)態(tài)密切相關(guān)，依托電力電子裝備的強(qiáng)可控性，在外加硬件的輔助能量支撐下，電力電子裝備輸出動(dòng)態(tài)靈活可調(diào)，具備對(duì)系統(tǒng)主動(dòng)支撐能力，可實(shí)現(xiàn)多能源電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化，并增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行性能。

如含高比例電力電子裝備的緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，電力電子裝備本身慣量、阻尼低，傳統(tǒng)控制設(shè)計(jì)下，其對(duì)系統(tǒng)不具備主動(dòng)調(diào)頻、調(diào)壓支撐能力，使得系統(tǒng)頻率、電壓穩(wěn)定面臨挑戰(zhàn)。

為增強(qiáng)緊耦合多能源電力系統(tǒng)運(yùn)行性能，電力電子裝備可采用虛擬同步控制技術(shù)，通過控制策略的設(shè)計(jì)，在儲(chǔ)能等的能量支撐下，使得電力電子裝備獲取和同步機(jī)相似的運(yùn)行特性，具備給系統(tǒng)提供慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等主動(dòng)支撐的能力。

而且該慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓性能通過控制參數(shù)優(yōu)化可靈活調(diào)節(jié)，可根據(jù)系統(tǒng)不同工況需求，進(jìn)行變參數(shù)設(shè)置，增強(qiáng)運(yùn)行性能。因此，基于電力電子裝備輸出動(dòng)態(tài)靈活可調(diào)特性，亟需開展緊耦合多能源電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化與主動(dòng)支撐控制技術(shù)研究（如圖11），增強(qiáng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行性能。

圖11

?4 電磁能裝備的突破拓展了極端條件下非周期瞬態(tài)工況研究

電磁能裝備可在較短時(shí)間內(nèi)通過能量的存儲(chǔ)、功率放大和調(diào)控，將電能變換為瞬時(shí)動(dòng)能（如電磁炮）、熱能（如固體激光器）或輻射能（如高功率微波)等（見圖12）。其在運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)化效率、可控性和全壽期成本等方面具有傳統(tǒng)方式無可比擬的優(yōu)勢(shì)，是繼機(jī)械能、化學(xué)能以來的又一次能量運(yùn)用革命，在軍民領(lǐng)域均有顛覆現(xiàn)有格局的重大戰(zhàn)略意義。

圖12 電磁能裝備分類

4.1 需求說明

不同于傳統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝備，電磁能裝備受極高功率（數(shù)萬兆瓦）、極短時(shí)間（數(shù)毫秒）、極大電流（數(shù)兆安）、極高速度（數(shù)千米每秒），以及上述物理量極高變化率等極端條件的共同耦合作用，其電磁、溫度、應(yīng)力等物理量的變化率與峰值極大，產(chǎn)生極端的電磁熱力沖擊環(huán)境，在材料上形成巨大的磁場(chǎng)梯度、溫度梯度和應(yīng)力梯度，以及多種高度非線性的瞬時(shí)耦合物理效應(yīng)，這使得在傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況下建立的材料模型與性能表征、設(shè)計(jì)理論、測(cè)量技術(shù)等無法適用于這種極端的沖擊態(tài)物理環(huán)境。

同時(shí)，國內(nèi)外在沖擊條件下材料物性參數(shù)演變規(guī)律和機(jī)理研究尚為空白，傳統(tǒng)材料手冊(cè)上的性能參數(shù)均無法表征材料的沖擊響應(yīng)。

可以說，電磁能裝備的發(fā)展面臨設(shè)計(jì)理論空白、分析方法受限、材料器件脈沖工作狀態(tài)性能不明、制造工藝薄弱、試驗(yàn)驗(yàn)證、測(cè)量手段匱乏等難題。亟需開展傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況向極端條件下非周期瞬態(tài)工況拓展及電磁能與材料相互作用時(shí)空演化機(jī)理方面的研究。

4.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）極端條件下器件失效機(jī)理與盡限應(yīng)用

工作于非周期瞬態(tài)的電磁武器裝備受到極端環(huán)境和工況的約束，采用現(xiàn)有理論方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，很難滿足其對(duì)功率密度和能量密度的苛刻要求。因此，在多物理場(chǎng)瞬態(tài)建模方面需要突破電熱力多場(chǎng)耦合建模及其高效仿真（見圖13），尤其是極端條件下瞬態(tài)特性的精確表征；失效機(jī)理方面需要突破現(xiàn)有定性或半定量失效分析方法，結(jié)合芯片與封裝材料物理特性來實(shí)現(xiàn)器件可靠性安全邊界的量化評(píng)估；盡限應(yīng)用方面需要綜合考慮器件建模、失效量化評(píng)估、多平臺(tái)多速率仿真等，探索器件應(yīng)用極限能力的邊界。

圖13 器件多物理場(chǎng)瞬態(tài)建模與仿真

2）極端條件電磁能材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)表征原理

目前，電磁熱力多場(chǎng)耦合極端條件下電磁能材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)表征方面的研究是“無人區(qū)”，缺乏電磁能材料在極端條件作用下的測(cè)試?yán)碚摵蜏y(cè)試方法。傳統(tǒng)測(cè)試手段一般采用穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境或緩慢熱加載，應(yīng)變率范圍窄，難以考慮純電致塑性效應(yīng)和溫度沖擊效應(yīng)。

而電磁能裝備的電磁、溫度、應(yīng)力沖擊速率大，多個(gè)物理場(chǎng)耦合沖擊作用，例如，沖擊條件下的電流密度、溫升速率和應(yīng)變率分別是現(xiàn)有測(cè)試手段的10000倍、100倍和10000倍。因此，開展多場(chǎng)耦合極端沖擊材料物性在線測(cè)試和原位觀測(cè)方法研究，獲得電磁熱力多場(chǎng)耦合沖擊下的材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)表征原理，是電磁能材料性能調(diào)控和優(yōu)化電磁能裝備應(yīng)用性能的關(guān)鍵。

3）極端條件電磁能材料的非線性構(gòu)效關(guān)系

極端條件多場(chǎng)耦合沖擊作用下，電磁能材料的構(gòu)效關(guān)系呈“強(qiáng)非線性”特征，國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究均為空白，電磁能材料的構(gòu)效關(guān)系不完備、性能結(jié)果不完善，導(dǎo)致設(shè)計(jì)理論難突破，嚴(yán)重制約著電磁能裝備新材料的研發(fā)和裝備性能的提升。開展多場(chǎng)耦合極端沖擊材料的非線性構(gòu)效關(guān)系研究，明晰材料成分、組織與極端沖擊性能關(guān)系，是認(rèn)知電磁能與材料相互作用機(jī)理和提升電磁能裝備性能的基礎(chǔ)。

4）極端條件電磁能裝備穩(wěn)定性與失效機(jī)制

電磁能裝備工作于電磁熱力多場(chǎng)耦合作用的極端工況，與傳統(tǒng)機(jī)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不同，其每次運(yùn)行都伴隨著材料性能的明顯劣化，直至達(dá)到使用壽命進(jìn)而失效。由于電磁能裝備設(shè)計(jì)面臨診斷依據(jù)匱乏的難題，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估，嚴(yán)重制約了電磁能裝備極端工況長(zhǎng)期服役的穩(wěn)定性。

因此，以電磁能材料為基礎(chǔ)，以極端沖擊材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)為輸入，建立電磁能裝備的數(shù)理模型，掌握電磁能裝備狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)方法，開發(fā)電磁能裝備設(shè)計(jì)軟件，是查明極端條件電磁能裝備失效機(jī)制、實(shí)現(xiàn)電磁能裝備服役穩(wěn)定性的重要保障。

通過以上四類關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，最終目的是為了建立起非周期瞬態(tài)工況下電磁能裝備的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)量及實(shí)驗(yàn)理論體系，為電磁能裝備的發(fā)展與優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定完備的理論基礎(chǔ)。

?5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，結(jié)合自己的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電工學(xué)科發(fā)展的若干前沿問題進(jìn)行了思考，主要涉及四個(gè)方面的內(nèi)容：

1）人工智能與電工學(xué)科的融合發(fā)展方面，重點(diǎn)介紹了大規(guī)模電力電子系統(tǒng)無纜化問題和艦船電機(jī)系統(tǒng)智能感知與運(yùn)行控制等問題，并詳細(xì)分析了各自涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題。

2）全電移動(dòng)平臺(tái)對(duì)高性能電機(jī)需求的推動(dòng)方面，重點(diǎn)介紹了材料極限應(yīng)用、功能復(fù)用與集成和新材料、新工藝及新拓?fù)涞膶?duì)高性能電機(jī)的牽引與應(yīng)用等相關(guān)科學(xué)問題。

3）多能源電力系統(tǒng)方面介紹了相關(guān)的五個(gè)研究方向，并重點(diǎn)分析了互聯(lián)耦合多能源發(fā)電系統(tǒng)虛擬同步特性及其控制問題。

4）電磁能裝備對(duì)非周期瞬態(tài)工況和相關(guān)材料學(xué)科的推動(dòng)方面，重點(diǎn)分析了傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況向極端條件下非周期瞬態(tài)工況拓展及電磁能與材料相互作用時(shí)空演化機(jī)理方面的內(nèi)容。

以上研究成果發(fā)表在2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“關(guān)于電工學(xué)科前沿技術(shù)發(fā)展的若干思考”，作者為馬偉明。