电力电子：推进全球未来能源系统的变革

尽管电力电子技术并非人们日常讨论的话题，但它却是一项在幕后发挥作用的重要变革性技术。虽然看不见也听不见，但它已融入人们日常使用的各种产品之中，并让生活变得更有乐趣。

我们利用电力电子器件为智能手机和电动汽车充电，并通过基于该技术的电磁炉来提高烹饪效率。全球各行各业也越来越依赖于电力电子技术来提高各种解决方案的效率。例如，利用该技术为大规模铝制品生产供电；助力跨国和跨海的高效电力输送等。电力电子技术正在深刻地改变着全球能源系统，并将逐渐遍及世界每一个角落！

当今全球70%的电能都经由电力电子技术进行处理不足为奇 ¹，在未来几十年，这一比例还将继续提升。

电力电子技术是半导体电子在电力控制和转换方面的应用 ²。

这些半导体是功率晶体管和二极管，它们将输入电压接通和断开，形成无源组件网络，将其转换为不同的电压电平。功率半导体技术的进步促使电能处理效率得到进一步提升。

为确保电能转换系统正确运行，需要通过嵌入式数字计算机，采用每秒运行数千次的复杂算法来予以控制。该计算机负责监测系统运行情况，并根据各种参数和设定的目标来调整系统行为。这种调整能力被嵌入到包含了系统和应用知识的数字算法中。

电力电子技术将数字字节（信息）与电子流相融合，从而以最优的方式工作。电力电子技术与数字技术的结合，是促使电网成为碳中和能源系统支柱的关键因素。

电力电子技术在社会中的存在和发展，源于其出色的灵活性和适应能力。电力电子技术是一种“多功能工具”，可随时解决向碳中和能源系统加速转型中带来的诸多新挑战。在此进程中，最大的赢家将是整个社会和我们的地球！

过去二十年，电力电子技术凭借其高效、紧凑（减少对地球土地和资源的使用）及可靠（即使在极端条件下也能保持生产）的性能，助力颠覆性技术的开发，有力推进了碳中和目标的实现。电力电子技术的反应速度、控制灵活性以及跨功率和电压等级的扩展性，是帮助未来能源系统保持韧性的关键因素。当前，电力电子技术正在帮助偏远城区实现电气化，对污染严重的工业流程和交通基础设施进行环保改造，并通过采用更可负担的能源来增加人民财富，这些与联合国第7项可持续发展目标（SDG 7）是一致的。

近几十年来，电网以传统旋转发电机产生的电源为主，在维持电网稳定方面发挥着主要作用。大规模可再生能源发电则刚刚兴起，且大容量发电集中于少数区域，发电侧通过高压交流线路向负荷中心输送电力。

在能源领域，电力电子技术主要提供中高电压等级的高度专业化解决方案。例如，在因损耗、成本或频率差异无法进行交流输电的情况下，采用高压直流输电（HVDC）方案可将单独的交流电网连接。HVDC可实现为偏远地区和岛屿（例如，苏格兰的设得兰群岛和巴西的马代拉河）提供可靠的能源；同时，还可实现跨区域和跨频率的一体化电力系统（例如，日本 Higashi-Shimizu电力系统）。此外，柔性交流输电系统（FACTS）加强了交流网络和薄弱节点的电能质量，静止变频器（SFC）解决方案则帮助实现铁路网的电气化，将铁路网与电网的电压和频率解耦。日立能源开创了其中大部分电力电子的应用。

如今，能源系统正在经历一场巨大的变革，其速度之快与范围之广，堪称一场“革命”。随着人们对可持续发展和环境的日益关注、相关监管框架的出台、以及电力领域新技术的发展，电力正在成为未来能源系统的支柱。

在这种不断演变的新形势下，电力电子技术的角色发生了巨大的变化。

电力电子器件可以可再生能源发出的直流电（例如太阳能光伏发电）接入交流电网，也可以提高风电机组和水电站等交流发电的可控性和效率。HVDC技术实现了高效、远距离且完全可控的电力传输，支持海上风力发电接入电网和跨国电网互联，从而扩大能源交易。FACTS则被用于解决新出现的电能质量问题，帮助现有基础设施应对新型动态电流——即使电网强度降低。电力电子技术正在赋能包括电池储能系统、抽水蓄能、制氢和氢能发电等从发电侧到消费侧的诸多解决方案。

交通运输行业正在经历真正的电气化革命。

电力电子技术在交通运输行业的快速发展，使得电动汽车（包括民用车、公共汽车或卡车）能够更快、更可靠地充电，从而极大地促进了电动交通在全球范围的普及。

在这个交流与直流电力解决方案共存的世界，电力电子技术实现了二者的互联。该技术以微电网的形式，将整个工业设施范围内（如矿山、数据中心，甚至跨岛屿）的各种不同发电来源（如光伏、风机、电池、电动汽车和备用柴油发电机组）顺利地整合到一起。电力电子技术提高了电网从发电侧到消费侧的效率和韧性。未来几年，在迈向更可持续能源系统的进程中，这些转变将得到进一步的体现。

功率半导体是变流器的核心，涵盖从千瓦到千兆瓦的全电力系统。其晶体管和二极管的制造首先需要纯晶圆片，然后添加不同的元素和金属图案以形成正确的物理结构，控制电流的流动。。有些功率半导体的尺寸不超过5毫米×5毫米，厚度小于1毫米，却能够在微秒内通断数百安和数百伏的电流。尺寸最大的功率半导体可控制数千兆瓦的电力，直径仅有咖啡杯般大小。

功率半导体和电力电子系统的运行速度比电网快几个数量级。快速响应是电网实现快速控制的关键。通过使用碳化硅（SiC）功率晶体管（替代硅器件），变流器更为紧凑和高效，并且能够更快地对任何电网波动作出响应。过去二十多年来，日立能源直接参与了将碳化硅技术引入电力电子系统的过程。

电力电子系统由数字控制器予以监测和控制，因为性能对于取得最优系统运行至关重要。这些控制器能够连续超过20年，对每秒测量数千次所得的输入数据，进行每秒数百万次的计算。

数字技术的进步让电力电子系统的可控性得到进一步提升，并通过收集和分析数据，提高了系统的可视性，从而帮助制定决策和改善控制结果。电网边缘与云端解决方案帮助提高了资产和电力设备的可控性，并促进了电力电子解决方案与电网之间的相互作用。增强现实、机器学习和数字孪生技术则在可维护性和健康管理方面更好地提升了客户体验，并增加了培训和安全保障等新概念。

为确保系统的优化运行和经济高效，电力电子解决方案必须能够适应实际的应用。在这些实际应用中，我们需要全面了解背景流程、系统限制和操作边界，以及其中各项设备之间的相互作用。

•  例如，公交车站为电动公交提供的快速充电服务（600千瓦，连接后立即充电）有助于改进电动公交的设计，减少对大型电池的需求，从而腾出空间搭载更多乘客，同时，复杂的数字算法能够将电池储能系统转变为虚拟同步发电机，为电网提供必要的支持。

• 电力电子技术在铁路电气化进程中发挥着至关重要的作用。该技术提供多种不同的交流电压、频率及直流电压，帮助实现主电网供电，并支持开发基于高铁、地铁和有轨电车的可持续电动交通解决方案，从而无需再使用污染环境的柴油列车。
• 通过应用静态同步补偿器（STATCOM）和电能质量滤波器，电力电子技术能够实现可靠、具有韧性的电力供应，稳定电流和电压波动，从而提高工业设施的生产率，并帮助风电和光伏等可再生能源发电站顺利并网。
  
• HVDC解决方案可实现从海上风电场到陆上、或者在隔海相望国家之间的高效大容量电力输送。例如，IFA2高压直流项目将法国电网与英国电网连接在一起，可对各种意外做出及时响应，比如通过扩大法国电网的电力输送，可迅速应对英国电网的停电事故。
  

以上所有解决方案均使用了半导体和控制系统，但根据不同案例进行了定制化的设计和编程。

事实证明，电力电子技术正在创造巨大价值，并推动能源行业向前发展。

为此，我们亟需进一步开发和掌握以下三个方面：

1.         半导体和系统设计

• 打造新型功率半导体器件以提供更高电压、更高电流、更高效率，例如，宽禁带器件。凭借极快的通断速度，它们将改变电路的布局，同时还将使稳健的EMI/EMC设计更具挑战性。
• 先进的电力电子系统将在低频和高频（大于150千赫）的区间内，挑战电网的电能质量和EMC。为达到国际标准，电网需要增大输出滤波器阻尼，这将对电网阻抗产生不利影响，使其更容易出现不稳定和不兼容问题。因此，我们需要采用更先进的控制与阻抗塑造策略，以保持电网性能。
• 鉴于器件、变流器和系统的集成度越来越高，我们需要新的理念来应对热、绝缘、测试、制造和成本控制方面的挑战。因此，生命周期分析（包括回收再利用）变得越来越重要，来确保电力电子产品的可持续性。
• 为了更好、更优化地设计电力电子产品，我们需要开展多领域分析。例如，在三维结构中包括热、电、机械、湿度和材料等特性。
• 功率转换及应用的高可靠性是通过“可靠性设计”实现的，并且基于描述了应用概况与故障预测之间关系的模型。

2.         新应用

• 电力电子变流器在发电侧和消费侧的日益普及，将给电力系统在宽频区间的稳定性带来挑战。因此，我们需要针对这些问题，采用相应的分析、评估和缓解方法——包括在实时仿真系统中，同时对数千个变流器进行分析。
• 对于数据中心和电力多元化转换（Power-to-X）3等高能耗行业或应用，采用高级扇区耦合（如电气和加热/冷却）架构及控制策略，对实现100%可再生能源发电（如现场）并网也是非常重要的。

3. 数字化
 

• 由于互联性日益提高和大数据处理的发展，新的数字化机会逐步展现。我们需要不断加深对产品设计的理解并予以优化。
• 数字孪生技术也可利用数据来实现状态监测和预防性维护，从而让电力电子解决方案拥有更良好的维护性。
• 针对不同目的而引入人工智能（AI）算法，例如针对系统设计和优化，或者针对可靠性的计算和评估，引入复杂系统快速仿真算法。

*1 参考文献1: https://www.et.aau.dk/research-programmes/efficient-and-reliable-power-electronics/

*2 参考文献2: https://en.wikipedia.org/wiki/Power_electronics

*3 EMI = 电磁干扰；EMC = 电磁兼容性

*4 Power-to-X指的是将电能转换为天然气或氢气等其他能源形式的解决方案