立足國家需求 直擊學科前沿

李曉文

1978年，趙爭鳴走進湖南大學，學習電機及其控制。

“電機專業是我父親未能完成的夢想?！壁w爭鳴說。新中國成立以來，我國電機工業得到了突飛猛進的發展。那個百廢俱興的年代形成了這樣的認識：一個國家，尤其是像我國這樣人口眾多、國土遼闊的大國，如果沒有以重工業為骨干并與輕工業相互協調的強大工業體系，就不可能建成獨立完整的國民經濟體系，而這一切都需要電！“我父親那代人，以學習電機專業為建設國家服務為榮，他也報考過電機專業，但沒有被錄取，于是學習電機的希望就被寄托在我身上了?！钡诋敃r的趙爭鳴眼里，和正在中國起步的計算機產業相比，電機專業只是“一個陌生但老一輩人認為很重要的專業”。

話雖如此，趙爭鳴還是義無反顧地投入到了這個“一無所知”的專業里。隨后的40余年中，他從“純正”的電機學起步，又將電力電子學與電機學交匯融合在一起，助力傳統的電機學科向著更現代、更前沿的方向發展，變成一個“時髦而又重要的專業”。磨合越久，他越發現，這已經成了他生活中不可或缺的一部分?！艾F在覺得，這是最適合我的專業。科研或許很苦，但能做我喜歡的事，心里充實就很好了，更何況還能為國家和社會發展做出一點貢獻。”

學科初探

——走向電力電子

20世紀90年代中期，趙爭鳴飛往美國做博士后研究，接到的第一個課題是為美國通用汽車公司（GM）新開發的第一代電動汽車“Impact”設計新一代高效電機及其電驅動系統。

要做好這項工作必須要解決兩個棘手的問題：設計基于半導體開關器件的電驅動控制器，并研發出與之匹配的高效高功率密度電機。這需要充分的電力電子知識為基礎，但趙爭鳴當時對此所知甚少。怎么辦？迷茫之下，他第一時間給在清華大學攻讀博士期間的導師、中國科學院院士高景德寫了一封信?！半姍C必須與電力系統和電力電子緊密結合”，高景德在回信里諄諄囑咐?！案呦壬?996年仙逝，寫這封回信的時候，他已經住院了。”直到如今，趙爭鳴仍為此感動不已。他迅速調整了學習和工作計劃，想充分利用這個機會好好地補上電力電子學這一課。

從19世紀世界上第一臺電機問世，經過100多年的發展，電機的廣泛應用促進了整個工業文明的進步?！半S著等效電路的提出，到20世紀30年代，電機理論的‘大廈基本落成，只是在它的上空還飄著兩朵烏云——磁飽和與渦流。70年代之后，計算機的迅速發展伴生了如數值分析等多種分析方法，這使得電機‘大廈更上一層樓，我在湖南大學的碩士論文研究的就是一些數值分析方法在電機上的應用。而電力電子的發展使得電機控制又上了一個新臺階，尤其是電機變頻調速技術出現之后，令電機越來越往智能化方向邁進，電機學科內涵發生了很大的變化。”趙爭鳴補充道。

在趙爭鳴本科時代，一位教師在“電機學”課上說了一句話：“交流電機變頻調速控制研究相當于電機領域中的諾貝爾獎課題，有望近期突破。”趙爭鳴沒想到，剛到美國，他就要直面這類課題了。調整好心態，他重整旗鼓，專門去選修了電力電子方向的兩門課程。之后將電機設計與電力電子變換器特性緊密結合起來，開發了一套基于變頻器驅動的交流電機設計軟件，提出了一套交流電機高頻等效電路和數學模型，為順利完成與GM合作的項目奠定了基礎。更重要的是，這項工作拉開了他在電機與電力電子集成理論和應用研究上的序幕，成為他科研生涯中的重要轉折點。

“隨著能源戰略地位的提升和信息化工業化的發展，節約資源和環境保護逐漸成為我國的基本國策。在這樣的大背景下，電機、變換器及其控制已不能單獨地作為一個個孤立對象來對待，而應把它們置于整個系統之中，成為一個電機系統。”趙爭鳴認為，這一發展趨勢應該同時體現在學科發展中。1999年擔任清華大學電機工程與應用電子技術系電機教研室主任時，結合系里的改革需求，趙爭鳴與同事們一起將“電機教研室”更名為“電力電子與電機系統研究所”。2000年和2003年，他又先后在清華大學開設出本科和研究生課程“電子電機設計與分析”和“電力電子與電機系統集成分析基礎”，并撰寫和出版了相應教材。直到今天，這兩門課程仍然是清華大學電機工程與應用電子技術系的主要選修課程，先后被評為“北京市精品課程教材”和“清華大學研究生精品課程”。

“這只是一個開始。”趙爭鳴說。在他看來，電力電子學科畢竟是一門新學科，很多方法和理論尚未成型，還屬于實驗性科學范疇。要真正使電機與電力電子和諧共進，還需要他們花大力氣去鉆研。

結緣光伏

——開啟太陽能光伏發電

1999年，中國科學院院士、清華大學電機系教授盧強在全國政協會議上作了“開發大西部”的大會發言，受到國家高度重視。而后，正在香港大學做研究教授的趙爭鳴收到邀請，參加了盧強院士在太陽能光伏發電裝置上的研究工作，計劃將光伏發電技術應用到我國西部。

太陽能光伏發電被“盯上”并非無緣無故。到20世紀末，能源危機已經在全球范圍內造成了沖擊。太陽能光伏發電技術作為集半導體材料、電力電子技術、現代控制技術、蓄電池技術及電力工程技術于一體的綜合性技術，成為當今新能源發電領域的一個研究熱點。

我國西部地區，太陽能充足，但缺電，缺地表水。在盧強院士的帶領下，趙爭鳴組織團隊，揚長補短，提出將變頻調速交流異步電機應用到太陽能光伏裝置中的設想——一來提高太陽能光伏發電利用率；二來通過光伏發電將西部地區的地下水資源調動起來進行農業灌溉。而后，基于該系列研究，他們在新疆和田地區建設了5座5千瓦級的太陽能光伏揚水與照明發電系統。

這其中的原理就是將傳統的分別獨立的太陽能揚水系統和光伏照明系統合二為一，使得太陽能光伏陣列輸出的電能得以最充分應用。由于光伏陣列的輸出隨日照而變化，太陽能揚水系統的輸出也隨太陽光的強度而變化。當光照強度較強時，太陽能揚水系統可以正常抽水，而光照強度較弱時，即光伏陣列輸出功率小于某一值時，系統將無法繼續驅動水泵抽水。但光伏陣列仍將輸出一定功率的電能，這部分電能可以儲存在蓄電池中，留為夜間照明使用。在新疆地區應用該系統之前，他們就在清華大學校園內建成了一座2.5千瓦太陽能光伏揚水與照明示范工程。

這套“光伏揚水與照明綜合應用系統”在當時受到了社會各界的關注。2001年，他們在北京奧運會場館內也建立了相應的太陽能光伏揚水與照明系統，獲得了國際奧委會考察團的高度評價和北京市市長的特別獎勵，為北京市申奧成功做出了直接的貢獻。2003年，他們又研制出太陽能高壓鈉燈式路燈控制器。2007年，完成了固定式10千瓦光伏并網系統和跟蹤型40千瓦光伏并網系統。這些成果均在西部地區得到了廣泛應用，其中，兩項主要專利轉讓給特變電工后，成立了新疆新能源股份有限公司，現已成為我國光伏發電行業龍頭企業?！疤柲軗P水與照明綜合應用系統”科研成果于2001年獲全國高等學校優秀研究成果科技進步獎一等獎。在此基礎上，趙爭鳴與同事們撰寫出版了著作《太陽能光伏發電及其應用》和《太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術》。“我們在這個方向上做了很多工程，相關技術轉讓給國內外十幾家公司進行產業化，直到2007年才告一段落?！壁w爭鳴補充道。

出擊前沿

——在實踐中再度轉型

將科研成果切實落地，是趙爭鳴一直以來的重要理念?！拔覀儺敃r堅持與企業合作，把成果做到產品級；建立了相應的基地，也為企業和學校培養了一批能夠理論聯系實際的優秀人才。但產學研做多了，也逐漸發現了一些深層次的問題。”趙爭鳴以國電南京自動化股份有限公司（簡稱“國電南自”）為例，談了他們的早期合作。

2002年，他們與國電南自聯合成立了“電力電子應用技術聯合研究所”，開啟了“基于IGCT的高壓大容量三電平變頻器研究”。該類技術和裝置當時由瑞士的ABB獨家擁有，國內尚屬空白，研發難度大。趁著“光伏發電”成功的勢頭，趙爭鳴團隊開始階段并沒有把困難放在心上，毫無顧忌地只管往前沖，很快就做出了一套試驗樣機。但新的問題也隨之來臨。

這套樣機裝置雖然經過了嚴格的實驗室檢驗，但一到現場運行就發生各種故障，“可靠運行”成了橫在他們面前的一道似乎不可逾越的屏障?！白畲蟮膯栴}就是容易炸壞IGCT。”趙爭鳴還記得，當時發生了5次大型故障，每次都會炸壞8到10塊IGCT，當時一塊IGCT大約1.5萬元，一次故障就能燒掉約15萬元?！澳憔吐牭健痰囊宦暎惠v桑塔納汽車就沒了，又得重來！”那段時間，他和同事以及學生們總是垂頭喪氣，甚至一度不敢再做運行試驗?！癕OSFET，一摸就死！”他們自嘲道（IGCT是由GCT和MOSFET集成而成）。

失敗讓他們冷靜下來，他們發現電力電子技術似乎沒有像教科書講得那么簡單。對故障反復排查后，他們終于找到了問題所在——那些被忽視的“異常脈沖”，其實與半導體開關器件的開關瞬態過程、主電路上的分布雜散參數以及控制上的各種延遲和畸變緊密相關。“電力電子裝置與電機一樣，也是一種電磁能量變換裝置，在開關狀態下的電磁能量變換仍然要遵守能量平衡和能量不能突變的原則，但這個原則與電力電子開關機制構成了一對嚴重的矛盾。而我們教科書采用的理想開關器件、線性電路拓撲和信號級的控制算法都湮沒了這個矛盾?！壁w爭鳴總結道。明確問題后，他們經過深入研究，有針對性地提出了一套基于IGCT的大容量電力電子變換系統的瞬態分析方法和控制技術，包括系統安全運行工作區定義和應用，開關瞬態過程建模分析，主電路分布雜散參數定義、建模和提取等新技術，解決了基于IGCT的高壓大容量三電平變頻器多項技術難點和關鍵問題。2006年以后多臺裝置在現場運行后再也沒有出現重大故障，至今仍在可靠運行。

“我們原來不是研究半導體開關器件的，但因為這個問題，逼得我們花了一個學期找器件專家補課?！睍r隔多年，趙爭鳴平靜地講出了那場成功背后的真相。這群執拗的人做的可不僅是補課，2006年他們與日本三菱公司成立了電力電子器件應用聯合實驗室，2008年專門在系里開設了一門“電力半導體器件原理和應用”課程，2011年又撰寫出版了一部教材《電力半導體器件原理與應用》，這門課程也成了清華大學研究生的精品課程。

對趙爭鳴團隊來說，這又是一個轉折點，從此，他們的研究從項目牽引、問題牽引過渡到更加主動的前沿牽引階段。為了將電力電子深層次問題研究透徹，2008年起，他們先后申報主持了國家自然科學基金重點項目“大容量電力電子系統電磁瞬態過程及其對可靠性的影響研究”，以及國家自然科學基金重大項目“大容量電力電子混雜系統多時間尺度動力學表征和運行機制研究”。這也是電力電子方向上第一個國家自然科學基金重大項目。他們與浙江大學、海軍工程大學等其他國家企業和科研院所一起，深入研究了基于大功率器件建模和仿真的系統安全工作區、計及分布雜散參數的瞬態換流電路、多時間尺度的電磁脈沖瞬態過程和系統瞬態能量平衡關系等關鍵問題，開創性地從電磁能量變換、瞬態換流回路以及系統可靠性的新視角提出了一整套大容量電力電子系統電磁瞬態分析理論與關鍵技術。趙爭鳴團隊在這個研究方向上先后獲得授權國家專利28項，獲得軟件著作權15項，核心發明專利獲日內瓦國際發明展覽會評審團特別嘉許金獎；應用成果先后3次獲中國電工技術學會科學技術獎一等獎。發表學術論文300余篇，SCI他引2300余次，近5年6次獲國際學術會議最佳論文獎；出版著作3部，其中著作《電力電子系統電磁瞬態過程》于2018年獲得中國機械工業科學技術獎二等獎，2019年出版了其英文版；2019年趙爭鳴領銜的“大容量電力電子系統電磁瞬態過程分析與控制”成果榮獲全國高等學校優秀研究成果獎技術發明獎一等獎。趙爭鳴本人也先后因為在該領域的杰出貢獻當選為IET Fellow和IEEE Fellow。

與此同時，趙爭鳴團隊的成果也廣泛應用于榮信匯科電氣技術有限責任公司、全球能源互聯網研究院有限公司、南京國電南自新能源科技有限公司、常熟開關制造有限公司、POWERSIM公司等多家大型企業的相關產品研發項目中，研制出的相應產品廣泛應用于國內外電力電子裝置仿真、變頻調速節能、電力牽引、光伏并網發電等領域，為生產廠家帶來了數十億元的利潤，過去3年，直接經濟效益超過18億元。

2019年4月，教育部科技發展中心組織了技術評價會，專家評價意見認為：“該成果在大容量電力電子系統電磁瞬態分析理論與控制領域取得重大突破，引領并推進了國內外大容量電力電子系統電磁瞬態分析理論和控制領域的發展和進步，科技成果整體達到國際領先水平”。

共同成長

——迎接可持續發展

趙爭鳴與我國電氣傳動和電氣自動化學科的著名學者陳伯時教授是忘年交，他們相識于趙爭鳴與國電南自合作的項目鑒定時期?！暗谝唬覀兯械膯栴}都是從實踐中來到實踐中去；第二，我們不再從‘理想的角度去看待電力電子，而是從能量變換的角度去形成系統的電磁瞬態變換分析和控制方法。陳伯時先生對我們的這兩點十分贊賞，也一直關注和支持我們的工作?！迸c高景德、盧強院士一樣，陳伯時教授也是影響趙爭鳴科研生涯的重要人物之一。一路走來，他從他們身上汲取養分，不斷成長，也把這段成長歷程中形成的寶貴經驗傳承下來。

2000年，趙爭鳴正式獲得博導資格。至今，他培養畢業博士31位。所培養的博士中獲得清華大學優秀博士論文獎者8位、北京市優秀畢業生2位、清華大學優秀博士畢業生4位、清華大學首批“紫荊學者”1位；另外還有獲得清華大學優秀碩士論文獎者6位，獲得重要國際學術會議優秀論文獎者8位?！叭瞬?，首先要是一個三觀正確的人，一個能夠為人所信任、能夠有志向為社會做貢獻的人?！壁w爭鳴以導師的身份強調道，“在這個基礎上，只要對科研工作有興趣，能夠積極陽光地投入到工作中，他們都是可塑之才?！?/p>

與科研歷程同步，趙爭鳴在培養學生時也經歷了“項目牽引—問題牽引—前沿牽引”。尤其在2010年之后，趙爭鳴團隊逐步轉型到前沿牽引的科研模式，圍繞大容量電力電子與新型電力傳輸技術，確定了3個主要前沿研究方向：大功率電力電子系統電磁瞬態過程研究，面向能源互聯網的電能路由器和無線電能傳輸。這一階段，他們得到了國家自然科學基金重點項目、重大項目的支持，并與企業建立了前沿技術研究院，形成了一個好的前沿科研態勢，為團隊的研究工作建立了一個優良的創新平臺。

“我作為導師必須做好3件事情：開題時明確研究方向，課題中解決真正的關鍵性難題，課題結束后進行客觀的判斷和評價?！壁w爭鳴希望學生們能夠積極主動地進行深入思考，認為這是創新的直接源泉?！斑€要有團隊精神、做事精準堅韌”，停頓了一下，他繼續補充道，“知識面廣、英語能力好也很重要，因為我們特別注重把博士生培養放到國際化平臺上，并且將他們的知識結構引入到學科交叉層面”。

目前，趙爭鳴團隊有7位教師，他們在團隊的3個前沿方向上各有所長。未來，面向能源互聯網的電能路由器和無線電能傳輸，他們期望在產業化上努力突破。而圍繞大功率電力電子系統電磁瞬態過程研究，他們列出了十余個有針對性和前沿性的難點問題，正逐一進行攻關。

“團隊當然是要攜手并進，我們要為現有人員創造更大的成長空間，同時不斷引進新的人才，也培養更年輕的人才，為團隊注入更新鮮的血液?！?019年9月，趙爭鳴及其團隊到美國參加全球電力電子領域最大的學術年會ECCE 2019會議，作為中國唯一的特邀專題講座團隊介紹了國家自然科學基金重大項目的最新進展。“我們的理念是做一些有意義的事情，推動學科和行業往前走，并促使我們自己不斷進步。”