人類歷史上，科學研究已經(jīng)歷四次重大范式轉(zhuǎn)變。從最初興起于文藝復興前期以觀察和測量為主的試探性科學，到17世紀開始建立理論，并對假設(shè)進行合理驗證的理論科學，20世紀50年代以理論建模和模擬計算為主的計算科學，再到21世紀初以超大規(guī)模系統(tǒng)和海量數(shù)據(jù)為主導的大數(shù)據(jù)驅(qū)動科學，每一次范式的轉(zhuǎn)變，都推動著科學研究的變革。當前，在大數(shù)據(jù)的支撐下，科研創(chuàng)新已進入全新時代，其最大特點就是多行業(yè)、多領(lǐng)域、多學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。

電工學科具有悠久的歷史和強大的生命力，從幾百年前人們對磁現(xiàn)象的觀察思考開始，到電學的誕生，再到電能的大規(guī)模應用，電工學科譜寫了輝煌的工業(yè)歷史，并成為世界經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐。2018年國家自然科學基金委對電工學科的代碼和研究方向進行了系統(tǒng)梳理，共分13個二級學科代碼，進一步豐富了電工學科的研究內(nèi)容。

當前，隨著智能化的發(fā)展，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等為代表的新技術(shù)正推動著各學科領(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。

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

1 人工智能的興起孕育了電工學科新的發(fā)展方向

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

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)?；⒅悄芑l(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)的信息流和能量流互聯(lián)互通日趨復雜，不斷促進電力電子系統(tǒng)向高度集成化和模塊化發(fā)展。繁雜的互聯(lián)線纜嚴重制約了電力電子系統(tǒng)的智能制造、柔性擴展，而現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論和設(shè)計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。

作為一個高階、非線性、多變量的電、磁、固、熱多物理場耦合系統(tǒng)，超大規(guī)模電力電子系統(tǒng)涉及能量流電磁場與信息流電磁場相互交叉，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，端口對外能量輸運特性與端口對內(nèi)多時間尺度能量轉(zhuǎn)移擴散特性不一致（見圖1），系統(tǒng)內(nèi)部機理與外在表征的時空特性極為復雜，支撐電力電子系統(tǒng)無纜化設(shè)計理念的基礎(chǔ)理論還不完備，需深刻剖析無纜化設(shè)計理念背后蘊含的關(guān)鍵科學問題。

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)的動力學過程，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)的特征是電路中儲存的能量以及能量的流動過程。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)全域負載范圍內(nèi)的高精度傳感、高性能運行與高可靠工作，是實現(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)部機理與外在表征呈現(xiàn)出比有纜系統(tǒng)更為復雜的時空響應特性，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，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)計問題

電力電子系統(tǒng)的絕緣、電磁兼容與散熱設(shè)計，是決定其功率密度、可靠性與連續(xù)運行性能的重要因素。根據(jù)Poynting電磁場能量守恒定理，電磁能除了通過電流沿導線內(nèi)部傳遞給負載以外，還會通過空間電磁場的形式傳播，系統(tǒng)不同材料、元件在中高頻電磁場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、電磁感應與振動等，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 艦船電機系統(tǒng)的智能感知與運行控制問題

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、推進供電、高能武器發(fā)射供電、大功率探測供電、日常用電等綜合為一體的艦船電力系統(tǒng)，將傳統(tǒng)艦船相互獨立的動力和電力兩大系統(tǒng)合二為一，實現(xiàn)了全艦能量的綜合利用。

綜合電力系統(tǒng)不僅可大幅降低艦船全壽命周期費用、優(yōu)化艙室布局、提高艦船隱身性、生命力和機動性，更是高能武器上艦的唯一途徑，被譽為艦船動力的第三次革命。艦船電機系統(tǒng)長期大功率運行下，信息感知能力和運行控制手段決定平臺性能的發(fā)揮程度，需要不斷深化艦船電機系統(tǒng)狀態(tài)智能感知與運行控制理論，全面提升電機系統(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)

電機系統(tǒng)的智能感知與運行控制系統(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)評估與故障預測單元、運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)，實現(xiàn)電機系統(tǒng)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障預測，并結(jié)合艦船實時工況需求，實現(xiàn)智能優(yōu)化控制。

與傳統(tǒng)艦船電機系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)不同，智能感知與運行控制系統(tǒng)可充分挖掘并掌握電機系統(tǒng)狀態(tài)，對故障準確預測，在保證安全穩(wěn)定運行前提下，根據(jù)不同工況和故障狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)整與容錯控制，使其滿足高載荷、高動態(tài)復雜工況，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，有望使電機系統(tǒng)在運行、維護效率和盡限運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)鍵科學問題

1）電機系統(tǒng)集成式智能感知

傳統(tǒng)艦船電機系統(tǒng)裝備的傳感器簡單、分離，缺乏關(guān)鍵物理量的綜合、全面測量?？紤]電機系統(tǒng)“電磁-機械-流體-信號”本征多物理場耦合關(guān)系，需突破集成式多維度智能感知基礎(chǔ)理論，支撐電機系統(tǒng)健康狀態(tài)智能認知技術(shù)的發(fā)展。

一方面，通過深入研究電機系統(tǒng)中“電磁-機械-流體-信號”的多物理場耦合關(guān)系，揭示電機狀態(tài)與系統(tǒng)激勵、電機結(jié)構(gòu)之間的相互作用機理，建立電機本征物理量與可觀測狀態(tài)量間的映射模型，從而基于現(xiàn)有傳感器實現(xiàn)復合傳感，間接獲取更多的電機關(guān)鍵狀態(tài)信息（見圖4）。

另一方面，對無法間接觀測的電機物理量，重點突破新型傳感器的集成應用技術(shù)，以盡可能少的新型傳感器，獲取必需的電機狀態(tài)信息。最終實現(xiàn)電機定轉(zhuǎn)子溫度、相對位移、轉(zhuǎn)子位置和速度、電機繞組絕緣狀態(tài)等關(guān)鍵狀態(tài)信息的全面獲取。

圖4 電機電壓電流物理場耦合圖

2）復雜工況下電機系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測與故障預測

艦船推進電機運行工況復雜，故障早期的信號特征極其微弱，容易被噪聲淹沒，強干擾環(huán)境下電機漸變故障微弱信號的建模與有效特征提取方法是實現(xiàn)復雜工況下電機系統(tǒng)性能參數(shù)退化預警的關(guān)鍵。因此，需研究多源多維信息融合的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)（見圖5），分析電機系統(tǒng)非線性、強耦合特性以及溫漂、擾動等非線性因素的作用機理，強干擾下弱信號的提取方法和多源信息融合機制，探明電機參數(shù)與運行工況間的非線性函數(shù)關(guān)系、電機系統(tǒng)漸變故障與狀態(tài)信息及參數(shù)的關(guān)系，通過狀態(tài)觀測和參數(shù)辨識實現(xiàn)電機系統(tǒng)性能參數(shù)退化預警。

圖5

3）電機系統(tǒng)自適應運行優(yōu)化與容錯控制

目前廣泛采用的分立控制架構(gòu)嚴重依賴“人在回路”運行模式，限制了電機系統(tǒng)安全運行邊界和智能運行能力。建立多層次、多目標的電機系統(tǒng)智能運行優(yōu)化機制，實現(xiàn)信息流驅(qū)動能量流的智能控制，是實現(xiàn)艦船電機系統(tǒng)智能控制、提高電機系統(tǒng)綜合運行品質(zhì)和生命力的保障。自適應運行優(yōu)化與容錯控制原理如圖6所示。

通過在線健康診斷技術(shù)獲得電機的故障狀態(tài)和類型，基于系統(tǒng)狀態(tài)估計和信息融合實現(xiàn)冗余/容錯控制，其核心是解決無擾動運行模式切換、主動容錯控制算法設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化等問題。

圖6 自適應運行優(yōu)化與容錯控制原理

2 全電移動平臺的發(fā)展加速了高性能電機的研究需求?

20世紀80年代以來，電力電子和交流電機技術(shù)的發(fā)展推動了動力系統(tǒng)從機械化向電氣化的深刻變革，催生了全電移動平臺，加速了新型高效能源、高性能電機、高效電力傳動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系統(tǒng)的發(fā)展。

2.1 需求分析

全電移動平臺的核心動力裝置是發(fā)電、推進、儲能等電機系統(tǒng)，最大程度地實現(xiàn)了能量的高效利用和精確控制，對電機系統(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、高適應性、高可靠性、高精度、低排放、多功能復用等，目前正逐漸推廣應用于全電艦船、全電車輛、全電推進飛行器等平臺。

2.2 關(guān)鍵科學問題

1）材料盡限應用下的電機分析和設(shè)計

相比傳統(tǒng)電機系統(tǒng)，高功率密度電機系統(tǒng)具有材料利用率趨近極限、運行工況復雜、使用環(huán)境多變等特點，其內(nèi)部電磁、溫度、流體、應力等物理因素交互作用形成的耦合效應突出，如圖7所示，導致復雜多物理因素交互作用下的電磁兼容、散熱冷卻、機械強度、結(jié)構(gòu)振動等問題凸顯，電機由弱耦合、少約束、線性系統(tǒng)向強耦合、多約束、非線性系統(tǒng)演變，傳統(tǒng)電機系統(tǒng)的分析設(shè)計技術(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)，研究復雜多工況下高功率密度電機系統(tǒng)多物理因素映射規(guī)律與交互機制，探索材料盡限應用條件下電機多物理性能精確分析及協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法，從而實現(xiàn)高功率密度電機系統(tǒng)的安全可靠運行。

圖7 電機系統(tǒng)多物理場耦合示意圖

2）電機功能復用與集成

傳統(tǒng)電機各部件物理功能明確、單一，造成了材料浪費，不利于功率密度的提高，需要探索研究部件功能復用或集成技術(shù)，減少系統(tǒng)體積和重量，優(yōu)化現(xiàn)有電機設(shè)計理念。在某些對體積、重量要求極高的應用場合，如全電飛機、跨介質(zhì)飛行器、水下航行器、高速發(fā)電等，還應考慮系統(tǒng)級集成方案，進一步提高整個系統(tǒng)的功率密度。

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

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

圖8 電機功能復用與集成

3）新材料、新工藝及新拓撲的牽引與應用

電機性能的不斷提升往往更多依賴新材料、新工藝以及新電機拓撲等技術(shù)的應用，牽引著整個電機行業(yè)更深層次的變革。為推動我國電機技術(shù)的跨越式發(fā)展，亟需跟進和探索各種新材料、新工藝和新拓撲等與電機學科相結(jié)合的工程應用問題。

新材料的出現(xiàn)，使進一步全方位提升電機性能成為可能。新型高導電材料，如碳導線復合材料等，可突破原有熱負荷限制，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，增大電機磁負荷；低損耗軟磁材料，如超薄硅鋼、非晶材料等，可大幅降低電機鐵耗；高強度永磁材料，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；高強度復合材料，可避免金屬護套高頻渦流損耗，同時實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)子預緊力；高導熱絕緣材料，可顯著提升電機的散熱能力。

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電、導熱、導磁、機械強度、環(huán)境適應性等各種物理性能邊界，并結(jié)合電機應用需求，研究新材料系統(tǒng)下的電機優(yōu)化設(shè)計方法。

新工藝有助于使電機實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，針對某些電機端部過長的問題，可借鑒綜合集成的思想，在電機端部連接處采用復合母排結(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，可大幅提高電機散熱效率，但需解決由此帶來的結(jié)構(gòu)強度、絕緣及電磁性能劣化等系列問題。

另外，電機的發(fā)展總是伴隨著各類新原理新拓撲的不斷涌現(xiàn)，如磁場調(diào)制電機、混合勵磁電機、同步磁阻電機、環(huán)形繞組電機等，不僅豐富了現(xiàn)有電機理論，也為各類電機需求提供了更廣泛的選擇空間。這些新拓撲原理各不相同，也必然存在各自不同的適用場合，因此需從各類新拓撲電機機電轉(zhuǎn)換過程的物理機理出發(fā)，深入研究其在功率/轉(zhuǎn)矩密度、損耗密度、振動噪聲水平、成本等多維度下的適用邊界及優(yōu)勢區(qū)間，從而牽引新拓撲電機實現(xiàn)更廣泛的工程化應用。

?3 雙碳目標推動了多能源電力系統(tǒng)的深化研究

隨著雙碳目標的實施，以風、光等為代表的新能源發(fā)電將迎來爆發(fā)式增長和高比例接入，為適應新能源發(fā)電的隨機性、波動性、間歇性等特征，儲能也會大規(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、強電力電子化、非線性、柔性互聯(lián)等特點，給系統(tǒng)的運行調(diào)控帶來挑戰(zhàn)。

雙碳目標和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將推動多能源電力系統(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-儲協(xié)同控制與調(diào)配，多能源電力系統(tǒng)安全可靠運行與主動防御，多能源電力系統(tǒng)智能調(diào)度控制與優(yōu)化運行，多能源電力系統(tǒng)高效儲能等問題。多能源電力系統(tǒng)中，新能源電源將取代同步機成為系統(tǒng)主導電源。

同步機電源能夠提供電壓、頻率動態(tài)支撐，對系統(tǒng)具有天然友好的優(yōu)勢，為使新能源電源具備和傳統(tǒng)同步機相似的對系統(tǒng)主動支撐能力，實現(xiàn)多能源電力系統(tǒng)的構(gòu)建與安全可靠運行，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行的新能源發(fā)電機組對系統(tǒng)表現(xiàn)為功率源，不具備調(diào)頻、調(diào)壓特性，對系統(tǒng)主動支撐能力弱，系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)?；ヂ?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，系統(tǒng)動力學行為復雜，運行過程中易出現(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)鍵科學問題

1）電力電子裝備與同步機裝備數(shù)學等效/物理等價能力邊界分析

同步機裝備作為傳統(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定律，通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子運動，實現(xiàn)能量變換，能夠給電力系統(tǒng)提供慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等主動支撐功能，具有對電網(wǎng)天然友好的優(yōu)勢。

與同步機裝備不同，緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，作為風、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、阻尼等動力學行為特性，常規(guī)以最大功率跟蹤模式運行的新能源發(fā)電機組對系統(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)同步機占比下降，將導致系統(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)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

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

但是虛擬同步發(fā)電機的本體是電力電子裝備，物理上與同步發(fā)電機相差較大，厘清二者的數(shù)學等效/物理等價性是虛擬同步機技術(shù)亟需攻克的關(guān)鍵所在。因此，研究虛擬同步機與真實同步機的物理等價性，探索虛擬同步發(fā)電機模擬真實同步發(fā)電機的能力邊界，對虛擬同步機技術(shù)的工程應用、增強多能源電力系統(tǒng)運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?；诓煌碾娐吠負?，通過復雜控制驅(qū)動電力電子開關(guān)器件的高頻開關(guān)動作，實現(xiàn)所需的電能變換，其動態(tài)特性由其自身復雜的控制和電路動態(tài)所主導，具有多時間尺度、強非線性特征。

電力電子裝備的動態(tài)響應特性還與其端口激勵特性密切相關(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，通過交直流電網(wǎng)呈現(xiàn)強耦合，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，耦合機制復雜，機理不清，系統(tǒng)動力學行為多樣。

已有大量事故案例表明，由于多樣化電力電子裝備間的強復雜非線性相互作用，緊耦合多能源電力系統(tǒng)運行過程中會出現(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)時變特征，振蕩能量傳播機制不再清晰，呈現(xiàn)復雜時空演變規(guī)律特征，傳統(tǒng)分析手段已難以揭示該復雜非線性振蕩現(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，造成電力電子裝備保護動作脫網(wǎng)，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(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理與奇異振蕩特性分析技術(shù)，保障系統(tǒng)安全可靠運行。

圖10

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

緊耦合多能源電力系統(tǒng)中，電力電子裝備占比升高，同步機裝備占比相對下降，電力電子裝備將主導系統(tǒng)動態(tài)行為，其激勵響應特性對系統(tǒng)動態(tài)有較大影響。由電力電子裝備運行原理可知其激勵響應特性與裝備本身控制動態(tài)密切相關(guān)，依托電力電子裝備的強可控性，在外加硬件的輔助能量支撐下，電力電子裝備輸出動態(tài)靈活可調(diào)，具備對系統(tǒng)主動支撐能力，可實現(xiàn)多能源電力系統(tǒng)動態(tài)特性優(yōu)化，并增強系統(tǒng)運行性能。

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)計下，其對系統(tǒng)不具備主動調(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)。

為增強緊耦合多能源電力系統(tǒng)運行性能，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，在儲能等的能量支撐下，使得電力電子裝備獲取和同步機相似的運行特性，具備給系統(tǒng)提供慣量、阻尼、調(diào)頻、調(diào)壓等主動支撐的能力。

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，進行變參數(shù)設(shè)置，增強運行性能。因此，基于電力電子裝備輸出動態(tài)靈活可調(diào)特性，亟需開展緊耦合多能源電力系統(tǒng)動態(tài)特性優(yōu)化與主動支撐控制技術(shù)研究（如圖11），增強系統(tǒng)安全可靠運行性能。

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間內(nèi)通過能量的存儲、功率放大和調(diào)控，將電能變換為瞬時動能（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，是繼機械能、化學能以來的又一次能量運用革命，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梯度、溫度梯度和應力梯度，以及多種高度非線性的瞬時耦合物理效應，這使得在傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)工況下建立的材料模型與性能表征、設(shè)計理論、測量技術(shù)等無法適用于這種極端的沖擊態(tài)物理環(huán)境。

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

可以說，電磁能裝備的發(fā)展面臨設(shè)計理論空白、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、試驗驗證、測量手段匱乏等難題。亟需開展傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)/準穩(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空演化機理方面的研究。

4.2 關(guān)鍵科學問題

1）極端條件下器件失效機理與盡限應用

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)有理論方法進行分析和設(shè)計，很難滿足其對功率密度和能量密度的苛刻要求。因此，在多物理場瞬態(tài)建模方面需要突破電熱力多場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現(xiàn)器件可靠性安全邊界的量化評估；盡限應用方面需要綜合考慮器件建模、失效量化評估、多平臺多速率仿真等，探索器件應用極限能力的邊界。

圖13 器件多物理場瞬態(tài)建模與仿真

2）極端條件電磁能材料動態(tài)響應表征原理

目前，電磁熱力多場耦合極端條件下電磁能材料動態(tài)響應表征方面的研究是“無人區(qū)”，缺乏電磁能材料在極端條件作用下的測試理論和測試方法。傳統(tǒng)測試手段一般采用穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境或緩慢熱加載，應變率范圍窄，難以考慮純電致塑性效應和溫度沖擊效應。

而電磁能裝備的電磁、溫度、應力沖擊速率大，多個物理場耦合沖擊作用，例如，沖擊條件下的電流密度、溫升速率和應變率分別是現(xiàn)有測試手段的10000倍、100倍和10000倍。因此，開展多場耦合極端沖擊材料物性在線測試和原位觀測方法研究，獲得電磁熱力多場耦合沖擊下的材料動態(tài)響應表征原理，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

極端條件多場耦合沖擊作用下，電磁能材料的構(gòu)效關(guān)系呈“強非線性”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，導致設(shè)計理論難突破，嚴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，是認知電磁能與材料相互作用機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)定性與失效機制

電磁能裝備工作于電磁熱力多場耦合作用的極端工況，與傳統(tǒng)機電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不同，其每次運行都伴隨著材料性能的明顯劣化，直至達到使用壽命進而失效。由于電磁能裝備設(shè)計面臨診斷依據(jù)匱乏的難題，無法實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時評估，嚴重制約了電磁能裝備極端工況長期服役的穩(wěn)定性。

因此，以電磁能材料為基礎(chǔ)，以極端沖擊材料動態(tài)響應為輸入，建立電磁能裝備的數(shù)理模型，掌握電磁能裝備狀態(tài)評估和壽命預測方法，開發(fā)電磁能裝備設(shè)計軟件，是查明極端條件電磁能裝備失效機制、實現(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、分析、測量及實驗理論體系，為電磁能裝備的發(fā)展與優(yōu)化設(shè)計奠定完備的理論基礎(chǔ)。

?5 結(jié)論

本文針對當前行業(yè)發(fā)展的實際需求，結(jié)合自己的研究經(jīng)驗，對電工學科發(fā)展的若干前沿問題進行了思考，主要涉及四個方面的內(nèi)容：

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

2）全電移動平臺對高性能電機需求的推動方面，重點介紹了材料極限應用、功能復用與集成和新材料、新工藝及新拓撲的對高性能電機的牽引與應用等相關(guān)科學問題。

3）多能源電力系統(tǒng)方面介紹了相關(guān)的五個研究方向，并重點分析了互聯(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）電磁能裝備對非周期瞬態(tài)工況和相關(guān)材料學科的推動方面，重點分析了傳統(tǒng)周期穩(wěn)態(tài)/準穩(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空演化機理方面的內(nèi)容。

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