立足国家需求 直击学科前沿——记清华大学电机工程与应用电子技术系教授赵争鸣

李晓文

赵争鸣

1978年，赵争鸣走进湖南大学，学习电机及其控制。

“电机专业是我父亲未能完成的梦想。”赵争鸣说。新中国成立以来，我国电机工业得到了突飞猛进的发展。那个百废俱兴的年代形成了这样的认识：一个国家，尤其是像我国这样人口众多、国土辽阔的大国，如果没有以重工业为骨干并与轻工业相互协调的强大工业体系，就不可能建成独立完整的国民经济体系，而这一切都需要电！“我父亲那代人，以学习电机专业为建设国家服务为荣，他也报考过电机专业，但没有被录取，于是学习电机的希望就被寄托在我身上了。”但在当时的赵争鸣眼里，和正在中国起步的计算机产业相比，电机专业只是“一个陌生但老一辈人认为很重要的专业”。

话虽如此，赵争鸣还是义无反顾地投入到了这个“一无所知”的专业里。随后的40余年中，他从“纯正”的电机学起步，又将电力电子学与电机学交汇融合在一起，助力传统的电机学科向着更现代、更前沿的方向发展，变成一个“时髦而又重要的专业”。磨合越久，他越发现，这已经成了他生活中不可或缺的一部分。“现在觉得，这是最适合我的专业。科研或许很苦，但能做我喜欢的事，心里充实就很好了，更何况还能为国家和社会发展做出一点贡献。”

学科初探

——走向电力电子

20世纪90年代中期，赵争鸣飞往美国做博士后研究，接到的第一个课题是为美国通用汽车公司（GM）新开发的第一代电动汽车“Impact”设计新一代高效电机及其电驱动系统。

要做好这项工作必须要解决两个棘手的问题：设计基于半导体开关器件的电驱动控制器，并研发出与之匹配的高效高功率密度电机。这需要充分的电力电子知识为基础，但赵争鸣当时对此所知甚少。怎么办？迷茫之下，他第一时间给在清华大学攻读博士期间的导师、中国科学院院士高景德写了一封信。“电机必须与电力系统和电力电子紧密结合”，高景德在回信里谆谆嘱咐。“高先生1996年仙逝，写这封回信的时候，他已经住院了。”直到如今，赵争鸣仍为此感动不已。他迅速调整了学习和工作计划，想充分利用这个机会好好地补上电力电子学这一课。

从19世纪世界上第一台电机问世，经过100多年的发展，电机的广泛应用促进了整个工业文明的进步。“随着等效电路的提出，到20世纪30年代，电机理论的‘大厦’基本落成，只是在它的上空还飘着两朵乌云——磁饱和与涡流。70年代之后，计算机的迅速发展伴生了如数值分析等多种分析方法，这使得电机‘大厦’更上一层楼，我在湖南大学的硕士论文研究的就是一些数值分析方法在电机上的应用。而电力电子的发展使得电机控制又上了一个新台阶，尤其是电机变频调速技术出现之后，令电机越来越往智能化方向迈进，电机学科内涵发生了很大的变化。”赵争鸣补充道。

在赵争鸣本科时代，一位教师在“电机学”课上说了一句话：“交流电机变频调速控制研究相当于电机领域中的诺贝尔奖课题，有望近期突破。”赵争鸣没想到，刚到美国，他就要直面这类课题了。调整好心态，他重整旗鼓，专门去选修了电力电子方向的两门课程。之后将电机设计与电力电子变换器特性紧密结合起来，开发了一套基于变频器驱动的交流电机设计软件，提出了一套交流电机高频等效电路和数学模型，为顺利完成与GM合作的项目奠定了基础。更重要的是，这项工作拉开了他在电机与电力电子集成理论和应用研究上的序幕，成为他科研生涯中的重要转折点。

“随着能源战略地位的提升和信息化工业化的发展，节约资源和环境保护逐渐成为我国的基本国策。在这样的大背景下，电机、变换器及其控制已不能单独地作为一个个孤立对象来对待，而应把它们置于整个系统之中，成为一个电机系统。”赵争鸣认为，这一发展趋势应该同时体现在学科发展中。1999年担任清华大学电机工程与应用电子技术系电机教研室主任时，结合系里的改革需求，赵争鸣与同事们一起将“电机教研室”更名为“电力电子与电机系统研究所”。2000年和2003年，他又先后在清华大学开设出本科和研究生课程“电子电机设计与分析”和“电力电子与电机系统集成分析基础”，并撰写和出版了相应教材。直到今天，这两门课程仍然是清华大学电机工程与应用电子技术系的主要选修课程，先后被评为“北京市精品课程教材”和“清华大学研究生精品课程”。

“这只是一个开始。”赵争鸣说。在他看来，电力电子学科毕竟是一门新学科，很多方法和理论尚未成型，还属于实验性科学范畴。要真正使电机与电力电子和谐共进，还需要他们花大力气去钻研。

结缘光伏

——开启太阳能光伏发电

1999年，中国科学院院士、清华大学电机系教授卢强在全国政协会议上作了“开发大西部”的大会发言，受到国家高度重视。而后，正在香港大学做研究教授的赵争鸣收到邀请，参加了卢强院士在太阳能光伏发电装置上的研究工作，计划将光伏发电技术应用到我国西部。

在实验室进行学术讨论

太阳能光伏发电被“盯上”并非无缘无故。到20世纪末，能源危机已经在全球范围内造成了冲击。太阳能光伏发电技术作为集半导体材料、电力电子技术、现代控制技术、蓄电池技术及电力工程技术于一体的综合性技术，成为当今新能源发电领域的一个研究热点。

我国西部地区，太阳能充足，但缺电，缺地表水。在卢强院士的带领下，赵争鸣组织团队，扬长补短，提出将变频调速交流异步电机应用到太阳能光伏装置中的设想——一来提高太阳能光伏发电利用率；二来通过光伏发电将西部地区的地下水资源调动起来进行农业灌溉。而后，基于该系列研究，他们在新疆和田地区建设了5座5千瓦级的太阳能光伏扬水与照明发电系统。

这其中的原理就是将传统的分别独立的太阳能扬水系统和光伏照明系统合二为一，使得太阳能光伏阵列输出的电能得以最充分应用。由于光伏阵列的输出随日照而变化，太阳能扬水系统的输出也随太阳光的强度而变化。当光照强度较强时，太阳能扬水系统可以正常抽水，而光照强度较弱时，即光伏阵列输出功率小于某一值时，系统将无法继续驱动水泵抽水。但光伏阵列仍将输出一定功率的电能，这部分电能可以储存在蓄电池中，留为夜间照明使用。在新疆地区应用该系统之前，他们就在清华大学校园内建成了一座2.5千瓦太阳能光伏扬水与照明示范工程。

这套“光伏扬水与照明综合应用系统”在当时受到了社会各界的关注。2001年，他们在北京奥运会场馆内也建立了相应的太阳能光伏扬水与照明系统，获得了国际奥委会考察团的高度评价和北京市市长的特别奖励，为北京市申奥成功做出了直接的贡献。2003年，他们又研制出太阳能高压钠灯式路灯控制器。2007年，完成了固定式10千瓦光伏并网系统和跟踪型40千瓦光伏并网系统。这些成果均在西部地区得到了广泛应用，其中，两项主要专利转让给特变电工后，成立了新疆新能源股份有限公司，现已成为我国光伏发电行业龙头企业。“太阳能扬水与照明综合应用系统”科研成果于2001年获全国高等学校优秀研究成果科技进步奖一等奖。在此基础上，赵争鸣与同事们撰写出版了著作《太阳能光伏发电及其应用》和《太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术》。“我们在这个方向上做了很多工程，相关技术转让给国内外十几家公司进行产业化，直到2007年才告一段落。”赵争鸣补充道。

出击前沿

——在实践中再度转型

将科研成果切实落地，是赵争鸣一直以来的重要理念。“我们当时坚持与企业合作，把成果做到产品级；建立了相应的基地，也为企业和学校培养了一批能够理论联系实际的优秀人才。但产学研做多了，也逐渐发现了一些深层次的问题。”赵争鸣以国电南京自动化股份有限公司（简称“国电南自”）为例，谈了他们的早期合作。

2002年，他们与国电南自联合成立了“电力电子应用技术联合研究所”，开启了“基于IGCT的高压大容量三电平变频器研究”。该类技术和装置当时由瑞士的ABB独家拥有，国内尚属空白，研发难度大。趁着“光伏发电”成功的势头，赵争鸣团队开始阶段并没有把困难放在心上，毫无顾忌地只管往前冲，很快就做出了一套试验样机。但新的问题也随之来临。

这套样机装置虽然经过了严格的实验室检验，但一到现场运行就发生各种故障，“可靠运行”成了横在他们面前的一道似乎不可逾越的屏障。“最大的问题就是容易炸坏IGCT。”赵争鸣还记得，当时发生了5次大型故障，每次都会炸坏8到10块IGCT，当时一块IGCT大约1.5万元，一次故障就能烧掉约15万元。“你就听到‘滋’的一声，一辆桑塔纳汽车就没了，又得重来！”那段时间，他和同事以及学生们总是垂头丧气，甚至一度不敢再做运行试验。“MOSFET，一摸就死！”他们自嘲道（IGCT是由GCT和MOSFET集成而成）。

失败让他们冷静下来，他们发现电力电子技术似乎没有像教科书讲得那么简单。对故障反复排查后，他们终于找到了问题所在——那些被忽视的“异常脉冲”，其实与半导体开关器件的开关瞬态过程、主电路上的分布杂散参数以及控制上的各种延迟和畸变紧密相关。“电力电子装置与电机一样，也是一种电磁能量变换装置，在开关状态下的电磁能量变换仍然要遵守能量平衡和能量不能突变的原则，但这个原则与电力电子开关机制构成了一对严重的矛盾。而我们教科书采用的理想开关器件、线性电路拓扑和信号级的控制算法都湮没了这个矛盾。”赵争鸣总结道。明确问题后，他们经过深入研究，有针对性地提出了一套基于IGCT的大容量电力电子变换系统的瞬态分析方法和控制技术，包括系统安全运行工作区定义和应用，开关瞬态过程建模分析，主电路分布杂散参数定义、建模和提取等新技术，解决了基于IGCT的高压大容量三电平变频器多项技术难点和关键问题。2006年以后多台装置在现场运行后再也没有出现重大故障，至今仍在可靠运行。

“我们原来不是研究半导体开关器件的，但因为这个问题，逼得我们花了一个学期找器件专家补课。”时隔多年，赵争鸣平静地讲出了那场成功背后的真相。这群执拗的人做的可不仅是补课，2006年他们与日本三菱公司成立了电力电子器件应用联合实验室，2008年专门在系里开设了一门“电力半导体器件原理和应用”课程，2011年又撰写出版了一部教材《电力半导体器件原理与应用》，这门课程也成了清华大学研究生的精品课程。

对赵争鸣团队来说，这又是一个转折点，从此，他们的研究从项目牵引、问题牵引过渡到更加主动的前沿牵引阶段。为了将电力电子深层次问题研究透彻，2008年起，他们先后申报主持了国家自然科学基金重点项目“大容量电力电子系统电磁瞬态过程及其对可靠性的影响研究”，以及国家自然科学基金重大项目“大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征和运行机制研究”。这也是电力电子方向上第一个国家自然科学基金重大项目。他们与浙江大学、海军工程大学等其他国家企业和科研院所一起，深入研究了基于大功率器件建模和仿真的系统安全工作区、计及分布杂散参数的瞬态换流电路、多时间尺度的电磁脉冲瞬态过程和系统瞬态能量平衡关系等关键问题，开创性地从电磁能量变换、瞬态换流回路以及系统可靠性的新视角提出了一整套大容量电力电子系统电磁瞬态分析理论与关键技术。赵争鸣团队在这个研究方向上先后获得授权国家专利28项，获得软件著作权15项，核心发明专利获日内瓦国际发明展览会评审团特别嘉许金奖；应用成果先后3次获中国电工技术学会科学技术奖一等奖。发表学术论文300余篇，SCI他引2300余次，近5年6次获国际学术会议最佳论文奖；出版著作3部，其中著作《电力电子系统电磁瞬态过程》于2018年获得中国机械工业科学技术奖二等奖，2019年出版了其英文版；2019年赵争鸣领衔的“大容量电力电子系统电磁瞬态过程分析与控制”成果荣获全国高等学校优秀研究成果奖技术发明奖一等奖。赵争鸣本人也先后因为在该领域的杰出贡献当选为IET Fellow和IEEE Fellow。

与此同时，赵争鸣团队的成果也广泛应用于荣信汇科电气技术有限责任公司、全球能源互联网研究院有限公司、南京国电南自新能源科技有限公司、常熟开关制造有限公司、POWERSIM公司等多家大型企业的相关产品研发项目中，研制出的相应产品广泛应用于国内外电力电子装置仿真、变频调速节能、电力牵引、光伏并网发电等领域，为生产厂家带来了数十亿元的利润，过去3年，直接经济效益超过18亿元。

2019年4月，教育部科技发展中心组织了技术评价会，专家评价意见认为：“该成果在大容量电力电子系统电磁瞬态分析理论与控制领域取得重大突破，引领并推进了国内外大容量电力电子系统电磁瞬态分析理论和控制领域的发展和进步，科技成果整体达到国际领先水平”。

共同成长

——迎接可持续发展

赵争鸣与我国电气传动和电气自动化学科的著名学者陈伯时教授是忘年交，他们相识于赵争鸣与国电南自合作的项目鉴定时期。“第一，我们所有的问题都是从实践中来到实践中去；第二，我们不再从‘理想的角度’去看待电力电子，而是从能量变换的角度去形成系统的电磁瞬态变换分析和控制方法。陈伯时先生对我们的这两点十分赞赏，也一直关注和支持我们的工作。”与高景德、卢强院士一样，陈伯时教授也是影响赵争鸣科研生涯的重要人物之一。一路走来，他从他们身上汲取养分，不断成长，也把这段成长历程中形成的宝贵经验传承下来。

2000年，赵争鸣正式获得博导资格。至今，他培养毕业博士31位。所培养的博士中获得清华大学优秀博士论文奖者8位、北京市优秀毕业生2位、清华大学优秀博士毕业生4位、清华大学首批“紫荆学者”1位；另外还有获得清华大学优秀硕士论文奖者6位，获得重要国际学术会议优秀论文奖者8位。“人才，首先要是一个三观正确的人，一个能够为人所信任、能够有志向为社会做贡献的人。”赵争鸣以导师的身份强调道，“在这个基础上，只要对科研工作有兴趣，能够积极阳光地投入到工作中，他们都是可塑之才。”

与毕业博士们合影

与科研历程同步，赵争鸣在培养学生时也经历了“项目牵引—问题牵引—前沿牵引”。尤其在2010年之后，赵争鸣团队逐步转型到前沿牵引的科研模式，围绕大容量电力电子与新型电力传输技术，确定了3个主要前沿研究方向：大功率电力电子系统电磁瞬态过程研究，面向能源互联网的电能路由器和无线电能传输。这一阶段，他们得到了国家自然科学基金重点项目、重大项目的支持，并与企业建立了前沿技术研究院，形成了一个好的前沿科研态势，为团队的研究工作建立了一个优良的创新平台。

“我作为导师必须做好3件事情：开题时明确研究方向，课题中解决真正的关键性难题，课题结束后进行客观的判断和评价。”赵争鸣希望学生们能够积极主动地进行深入思考，认为这是创新的直接源泉。“还要有团队精神、做事精准坚韧”，停顿了一下，他继续补充道，“知识面广、英语能力好也很重要，因为我们特别注重把博士生培养放到国际化平台上，并且将他们的知识结构引入到学科交叉层面”。

目前，赵争鸣团队有7位教师，他们在团队的3个前沿方向上各有所长。未来，面向能源互联网的电能路由器和无线电能传输，他们期望在产业化上努力突破。而围绕大功率电力电子系统电磁瞬态过程研究，他们列出了十余个有针对性和前沿性的难点问题，正逐一进行攻关。

“团队当然是要携手并进，我们要为现有人员创造更大的成长空间，同时不断引进新的人才，也培养更年轻的人才，为团队注入更新鲜的血液。”2019年9月，赵争鸣及其团队到美国参加全球电力电子领域最大的学术年会ECCE2019会议，作为中国唯一的特邀专题讲座团队介绍了国家自然科学基金重大项目的最新进展。“我们的理念是做一些有意义的事情，推动学科和行业往前走，并促使我们自己不断进步。”