学术进展

一、电力电子装置状态感知：提出了宽频高保真电流感知技术，破解了异形狭小空间下传感器带宽与抗扰性矛盾的难题，实现了DC到MHz开关电流、基波电流和谐振电流的一体化集成感知，支撑了电力电子系统多尺度分析和动态稳定控制与保护的实现。

二、功率变换器的高频调制：针对传统调制策略计算量大、限制碳化硅电流源型变换器的性能的问题，系统阐明电流源型变换器载波调制策略与系统性能关联机制，并提出相应的增强型载波调制策略，推动其高频化应用。

三、功率变换器的高频软开关技术：提出了针对三相并网逆变器的软开关控制策略，解决了逆变器高频工作时开关损耗大的问题，可以大幅提高变换器的功率密度并降低系统的成本，并在国际首次提出并实现了“糖状”电流波形。

四、新能源并网稳定性分析与提升策略：提出了可用于自适应控制的控制性能指标实时在线监测技术，解决了微电网参数变化影响新能源并网稳定性的问题，实现了微电网控制系统性能的可视化与可控化。

团队面向国家重大需求和科技前沿，聚焦电力电子系统稳定可靠运行关键技术，主要开展电力电子元器件及系统的失效（稳）机理、状态监测、多物理场仿真、寿命评估与健康管理等研究。

具体成果

电力电子装备的电流信息是实现高频振荡抑制、故障保护和控制的关键。由于电力电子开关器件集成于狭小的装置内部，且开关频率高、电磁干扰强、电流时间尺度大(ns-ms)，使得电流信息的准确感知极为困难，导致电力电子装备的保护与控制失效。当前，第三代功率半导体正大规模普及应用，其高开关速度使得开关瞬态的电压电流变化率更大，由此引发的EMI问题使得电流测量极具挑战。现有传感技术难以匹配新一代电力电子装备的性能需求，无法实现复杂工况下全频域电流信息的精确测量。对此，研究团队提出了非侵入式宽频高保真微传感技术，所提方案在发挥空心线圈传感器高频性能基础上，通过微型化设计和强抗扰设计，破解了强电磁干扰下电流传感器带宽与抗扰性的矛盾，并巧妙利用电力电子装置的“开关特性”，实现了DC-MHz频率范围的电流信息一体化精确感知，试验样机及测量波形如图1所示。相关成果已与中国中车合作，解决了在异形狭小空间下超宽频电磁状态感知的难题，实现了牵引系统直流支撑电容全生命周期健康状态监测。

(a)测量样机           (b)实验波形

图1 功率器件开关电流和工频电流一体化测量技术

电流源型变换器具有自限流、四象限运行和直接电流控制等优势，是一种可靠的交/直流变换装置。随着宽禁带功率器件（如碳化硅和氮化镓）的发展，用其制备的电流源型变换器开关频率更高且损耗更低，相应的无源器件（如电感和电容）的体积可大幅减小，显著提高其功率密度和效率。然而，较高的开关频率对系统的调制技术提出了更严苛的时效要求。传统调制策略计算量大，限制了碳化硅电流源型变换器的性能及高频化应用。为了充分释放基于宽禁带功率器件的电流源型变换器的潜力，研究团队系统阐明电流源型变换器载波调制策略与系统性能关联机制，并提出两种增强型载波调制策略，分别用于降低系统直流侧电感体积并提升系统效率和功率密度以及降低系统交流侧开关谐波及共模电压含量，效果如图2所示。相关工作与香港应用科技研究院(ASTRI)合作，推动碳化硅电流源型变换器的高频化应用。

(a)直流母线电流纹波               (b)并网电流开关谐波

图2 面向电流源型变换器高频运行的载波调制技术

现有三相逆变器由于通常采用IGBT作为功率器件，开关频率一般不足20kHz，导致滤波器体积庞大、成本高昂以及动态响应速度较慢。即使采用新型SiC功率器件，仍然存在高频时开关损耗大的问题。基于此，研究团队提出了针对三相并网逆变器的高频软开关控制策略，通过预测电感电流脉动并实时调节开关频率，在不增加高频传感器或辅助电路的前提下，实现了所有开关管在整个工频周期内全负载和全功率因数范围下的软开关。实验样机和波形如图3所示，开关频率可高达100~500kHz，样机功率密度可达10kW/dm³，首次提出并实现了“糖状”电流波形。解决了逆变器高频工作时开关损耗大的问题，可以大幅提高变换器的功率密度并降低系统的成本。在新能源发电、储能系统、电动汽车等领域均具有极高的应用价值。相关研究与中科院电工所合作，已经在安徽金寨应用于国内首台SiC组串型光伏逆变器，效率高达99.1%。

(a) 20kVA样机                   (b) 并网电流实验波形

图3 三相并网逆变器高频软开关控制技术

现代运载交通工具的电源系统呈现出直流化、宽电压范围、宽频域扰动特征。围绕储能单元构建智能化电源系统，已成为其未来发展的重要趋势。高效率、高密度、高动态响应的双向直流变换系统作为储能单元与直流母线的核心接口，在系统能量管理和优化配置中发挥着重要作用。在面向多电飞机应用的双向功率变换装置研究方面，研究团队提出了具有闭合形式的双向直流变换器效率优化控制策略，解决了传统控制方法非解析且依赖宽频域电流传感的问题，推动了MHz、kW级高密度双向功率变换器的实现；在面向电动汽车应用的双向功率变换装置研究方面，提出了基于高频变压器耦合的高效率车载充电机与低压变换器集成化拓扑方案，如图4所示，解决了传统集成化方案在宽电压工况下效率低的问题，并可实现车载充电、V2X、低压变换、高压预充电、动力系统应急供电等功能。

(a) 基于氮化镓器件的2kW双向直流变换器样机 (b) 电动汽车OBC+LDC集成化框图

图4 面向运载交通工具的双向功率变换拓扑与控制

高比例可再生能源与高比例电力电子设备的发展趋势导致了电力系统的稳定性问题。尤其在以新能源为主体的微电网中，电网阻抗大且变化迅速，极易造成并网系统的性能下降与失稳现象。基于此，研究团队提出了新能源并网系统控制性能指标在线监测技术，通过对并网逆变器控制系统的环路增益进行快速测量，实现了毫秒级别、精度98%以上的控制性能指标监测效果。该方案不需要增加任何硬件，不拘泥于控制平台，可以方便地集成到已有的DSP或FPGA控制程序中，适用于所有电力电子设备的控制系统，具有很好的普适性。光伏并网系统的实验波形如图5所示。

(a) 人机界面                   (b) 实验波形

图5 光伏并网系统控制性能指标在线监测平台

团队简介

“思锐电力电子实验室”成立于2018年10月，现有5名教师成员，平均年龄32岁，其中教授1人，副教授1人，校聘副教授1人，讲师2人。实验室在读博士研究生6人，硕士研究生26人，多人获研究生国家奖学金。中国电工技术学会理事长杨庆新教授和国务院政府特殊津贴获得者徐桂芝教授担任课题组职业发展导师（Mentor），河北工业大学教学督导刘剑飞教授和河北省教学名师杨文荣教授担任课题组教研导师。课题组聘有兼职教授两人，分别为国际知名学者Poh Chiang Loh教授和丹麦奥尔堡大学王怀教授。

课题组带头人辛振教授为天津市电力设备可靠性与智能化国际联合研究中心副主任，IEEE PES动力电池技术分委会常务理事，天津市电机工程学会理事，中国电工技术学会青工委委员，入选中国科协第六届“青年人才托举工程”，获批河北省杰出青年科学基金、河北省教育厅“青年拔尖人才”等人才项目资助。团队研究骨干陈建良、韩伟健、刘青和明磊四位教师均受聘河北工业大学“元光学者”。

课题组组建三年来，先后获批国家自然科学基金项目3项，中国科协人才项目1项，河北省杰出青年科学基金等省部级项目9项，军工项目3项。团队成员累计发表论文80余篇，其中SCI期刊论文40余篇。团队成员获国防科技进步一等奖、河北省高等教育教学成果一等奖、中国电源学会技术发明二等奖、学术会议优秀论文奖等。

思锐电力电子实验室（Resilient Energy Application and Distribution），英文名称简称为“READ”。“思锐”二字意为“思行合一，锐意进取”，思学并举，学以致用，在实践中将知识内化，不断进取。“思锐”二字分别取自英文单词“Stable”和“Reliable”的首字母音译，意为实验室的终极目标是构建高度安全可靠的电力电子系统。

邮箱：xzh@hebut.edu.cn