李曉文

1978年，趙爭鳴走進(jìn)湖南大學(xué)，學(xué)習(xí)電機(jī)及其控制。

“電機(jī)專業(yè)是我父親未能完成的夢想。”趙爭鳴說。新中國成立以來，我國電機(jī)工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。那個百廢俱興的年代形成了這樣的認(rèn)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(yè)為骨干并與輕工業(yè)相互協(xié)調(diào)的強(qiáng)大工業(yè)體系，就不可能建成獨(dú)立完整的國民經(jīng)濟(jì)體系，而這一切都需要電！“我父親那代人，以學(xué)習(xí)電機(jī)專業(yè)為建設(shè)國家服務(wù)為榮，他也報(bào)考過電機(jī)專業(yè)，但沒有被錄取，于是學(xué)習(xí)電機(jī)的希望就被寄托在我身上了?！钡诋?dāng)時的趙爭鳴眼里，和正在中國起步的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)相比，電機(jī)專業(yè)只是“一個陌生但老一輩人認(rèn)為很重要的專業(yè)”。

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(yè)里。隨后的40余年中，他從“純正”的電機(jī)學(xué)起步，又將電力電子學(xué)與電機(jī)學(xué)交匯融合在一起，助力傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)科向著更現(xiàn)代、更前沿的方向發(fā)展，變成一個“時髦而又重要的專業(yè)”。磨合越久，他越發(fā)現(xiàn)，這已經(jīng)成了他生活中不可或缺的一部分?！艾F(xiàn)在覺得，這是最適合我的專業(yè)?？蒲谢蛟S很苦，但能做我喜歡的事，心里充實(shí)就很好了，更何況還能為國家和社會發(fā)展做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。”

學(xué)科初探

——走向電力電子

20世紀(jì)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(fā)的第一代電動汽車“Impact”設(shè)計(jì)新一代高效電機(jī)及其電驅(qū)動系統(tǒng)。

要做好這項(xiàng)工作必須要解決兩個棘手的問題：設(shè)計(jì)基于半導(dǎo)體開關(guān)器件的電驅(qū)動控制器，并研發(fā)出與之匹配的高效高功率密度電機(jī)。這需要充分的電力電子知識為基礎(chǔ)，但趙爭鳴當(dāng)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(xué)攻讀博士期間的導(dǎo)師、中國科學(xué)院院士高景德寫了一封信?！半姍C(jī)必須與電力系統(tǒng)和電力電子緊密結(jié)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(jīng)住院了?！敝钡饺缃?，趙爭鳴仍為此感動不已。他迅速調(diào)整了學(xué)習(xí)和工作計(jì)劃，想充分利用這個機(jī)會好好地補(bǔ)上電力電子學(xué)這一課。

從19世紀(jì)世界上第一臺電機(jī)問世，經(jīng)過100多年的發(fā)展，電機(jī)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了整個工業(yè)文明的進(jìn)步?！半S著等效電路的提出，到20世紀(jì)30年代，電機(jī)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(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展伴生了如數(shù)值分析等多種分析方法，這使得電機(jī)‘大廈更上一層樓，我在湖南大學(xué)的碩士論文研究的就是一些數(shù)值分析方法在電機(jī)上的應(yīng)用。而電力電子的發(fā)展使得電機(jī)控制又上了一個新臺階，尤其是電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)出現(xiàn)之后，令電機(jī)越來越往智能化方向邁進(jìn)，電機(jī)學(xué)科內(nèi)涵發(fā)生了很大的變化?！壁w爭鳴補(bǔ)充道。

在趙爭鳴本科時代，一位教師在“電機(jī)學(xué)”課上說了一句話：“交流電機(jī)變頻調(diào)速控制研究相當(dāng)于電機(jī)領(lǐng)域中的諾貝爾獎?wù)n題，有望近期突破?！壁w爭鳴沒想到，剛到美國，他就要直面這類課題了。調(diào)整好心態(tài)，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(jī)設(shè)計(jì)與電力電子變換器特性緊密結(jié)合起來，開發(fā)了一套基于變頻器驅(qū)動的交流電機(jī)設(shè)計(jì)軟件，提出了一套交流電機(jī)高頻等效電路和數(shù)學(xué)模型，為順利完成與GM合作的項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，這項(xiàng)工作拉開了他在電機(jī)與電力電子集成理論和應(yīng)用研究上的序幕，成為他科研生涯中的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

“隨著能源戰(zhàn)略地位的提升和信息化工業(yè)化的發(fā)展，節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)逐漸成為我國的基本國策。在這樣的大背景下，電機(jī)、變換器及其控制已不能單獨(dú)地作為一個個孤立對象來對待，而應(yīng)把它們置于整個系統(tǒng)之中，成為一個電機(jī)系統(tǒng)?！壁w爭鳴認(rèn)為，這一發(fā)展趨勢應(yīng)該同時體現(xiàn)在學(xué)科發(fā)展中。1999年擔(dān)任清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系電機(jī)教研室主任時，結(jié)合系里的改革需求，趙爭鳴與同事們一起將“電機(jī)教研室”更名為“電力電子與電機(jī)系統(tǒng)研究所”。2000年和2003年，他又先后在清華大學(xué)開設(shè)出本科和研究生課程“電子電機(jī)設(shè)計(jì)與分析”和“電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)”，并撰寫和出版了相應(yīng)教材。直到今天，這兩門課程仍然是清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)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(xué)研究生精品課程”。

“這只是一個開始?！壁w爭鳴說。在他看來，電力電子學(xué)科畢竟是一門新學(xué)科，很多方法和理論尚未成型，還屬于實(shí)驗(yàn)性科學(xué)范疇。要真正使電機(jī)與電力電子和諧共進(jìn)，還需要他們花大力氣去鉆研。

結(jié)緣光伏

——開啟太陽能光伏發(fā)電

1999年，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)電機(jī)系教授盧強(qiáng)在全國政協(xié)會議上作了“開發(fā)大西部”的大會發(fā)言，受到國家高度重視。而后，正在香港大學(xué)做研究教授的趙爭鳴收到邀請，參加了盧強(qiáng)院士在太陽能光伏發(fā)電裝置上的研究工作，計(jì)劃將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到我國西部。

太陽能光伏發(fā)電被“盯上”并非無緣無故。到20世紀(jì)末，能源危機(jī)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)造成了沖擊。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為集半導(dǎo)體材料、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、蓄電池技術(shù)及電力工程技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)，成為當(dāng)今新能源發(fā)電領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

我國西部地區(qū)，太陽能充足，但缺電，缺地表水。在盧強(qiáng)院士的帶領(lǐng)下，趙爭鳴組織團(tuán)隊(duì)，揚(yáng)長補(bǔ)短，提出將變頻調(diào)速交流異步電機(jī)應(yīng)用到太陽能光伏裝置中的設(shè)想——一來提高太陽能光伏發(fā)電利用率；二來通過光伏發(fā)電將西部地區(qū)的地下水資源調(diào)動起來進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。而后，基于該系列研究，他們在新疆和田地區(qū)建設(shè)了5座5千瓦級的太陽能光伏揚(yáng)水與照明發(fā)電系統(tǒng)。

這其中的原理就是將傳統(tǒng)的分別獨(dú)立的太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)和光伏照明系統(tǒng)合二為一，使得太陽能光伏陣列輸出的電能得以最充分應(yīng)用。由于光伏陣列的輸出隨日照而變化，太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)的輸出也隨太陽光的強(qiáng)度而變化。當(dāng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)時，太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)可以正常抽水，而光照強(qiáng)度較弱時，即光伏陣列輸出功率小于某一值時，系統(tǒng)將無法繼續(xù)驅(qū)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(qū)應(yīng)用該系統(tǒng)之前，他們就在清華大學(xué)校園內(nèi)建成了一座2.5千瓦太陽能光伏揚(yáng)水與照明示范工程。

這套“光伏揚(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)”在當(dāng)時受到了社會各界的關(guān)注。2001年，他們在北京奧運(yùn)會場館內(nèi)也建立了相應(yīng)的太陽能光伏揚(yáng)水與照明系統(tǒng)，獲得了國際奧委會考察團(tuán)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(xiàn)。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(wǎng)系統(tǒng)和跟蹤型40千瓦光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。這些成果均在西部地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，其中，兩項(xiàng)主要專利轉(zhuǎn)讓給特變電工后，成立了新疆新能源股份有限公司，現(xiàn)已成為我國光伏發(fā)電行業(yè)龍頭企業(yè)?！疤柲軗P(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)”科研成果于2001年獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀研究成果科技進(jìn)步獎一等獎。在此基礎(chǔ)上，趙爭鳴與同事們撰寫出版了著作《太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用》和《太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)》?！拔覀冊谶@個方向上做了很多工程，相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給國內(nèi)外十幾家公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，直到2007年才告一段落?！壁w爭鳴補(bǔ)充道。

出擊前沿

——在實(shí)踐中再度轉(zhuǎn)型

將科研成果切實(shí)落地，是趙爭鳴一直以來的重要理念?！拔覀儺?dāng)時堅(jiān)持與企業(yè)合作，把成果做到產(chǎn)品級；建立了相應(yīng)的基地，也為企業(yè)和學(xué)校培養(yǎng)了一批能夠理論聯(lián)系實(shí)際的優(yōu)秀人才。但產(chǎn)學(xué)研做多了，也逐漸發(fā)現(xiàn)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(lián)合成立了“電力電子應(yīng)用技術(shù)聯(lián)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(shù)和裝置當(dāng)時由瑞士的ABB獨(dú)家擁有，國內(nèi)尚屬空白，研發(fā)難度大。趁著“光伏發(fā)電”成功的勢頭，趙爭鳴團(tuán)隊(duì)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(yàn)樣機(jī)。但新的問題也隨之來臨。

這套樣機(jī)裝置雖然經(jīng)過了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，但一到現(xiàn)場運(yùn)行就發(fā)生各種故障，“可靠運(yùn)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(dāng)時發(fā)生了5次大型故障，每次都會炸壞8到10塊IGCT，當(dāng)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(xué)生們總是垂頭喪氣，甚至一度不敢再做運(yùn)行試驗(yàn)?！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(fā)現(xiàn)電力電子技術(shù)似乎沒有像教科書講得那么簡單。對故障反復(fù)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(shí)與半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)瞬態(tài)過程、主電路上的分布雜散參數(shù)以及控制上的各種延遲和畸變緊密相關(guān)。“電力電子裝置與電機(jī)一樣，也是一種電磁能量變換裝置，在開關(guān)狀態(tài)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(guān)機(jī)制構(gòu)成了一對嚴(yán)重的矛盾。而我們教科書采用的理想開關(guān)器件、線性電路拓?fù)浜托盘柤壍目刂扑惴ǘ间螞]了這個矛盾。”趙爭鳴總結(jié)道。明確問題后，他們經(jīng)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(tǒng)的瞬態(tài)分析方法和控制技術(shù)，包括系統(tǒng)安全運(yùn)行工作區(qū)定義和應(yīng)用，開關(guān)瞬態(tài)過程建模分析，主電路分布雜散參數(shù)定義、建模和提取等新技術(shù)，解決了基于IGCT的高壓大容量三電平變頻器多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。2006年以后多臺裝置在現(xiàn)場運(yùn)行后再也沒有出現(xiàn)重大故障，至今仍在可靠運(yùn)行。

“我們原來不是研究半導(dǎo)體開關(guān)器件的，但因?yàn)檫@個問題，逼得我們花了一個學(xué)期找器件專家補(bǔ)課。”時隔多年，趙爭鳴平靜地講出了那場成功背后的真相。這群執(zhí)拗的人做的可不僅是補(bǔ)課，2006年他們與日本三菱公司成立了電力電子器件應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，2008年專門在系里開設(shè)了一門“電力半導(dǎo)體器件原理和應(yīng)用”課程，2011年又撰寫出版了一部教材《電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用》，這門課程也成了清華大學(xué)研究生的精品課程。

對趙爭鳴團(tuán)隊(duì)來說，這又是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從此，他們的研究從項(xiàng)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(bào)主持了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程及其對可靠性的影響研究”，以及國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“大容量電力電子混雜系統(tǒng)多時間尺度動力學(xué)表征和運(yùn)行機(jī)制研究”。這也是電力電子方向上第一個國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目。他們與浙江大學(xué)、海軍工程大學(xué)等其他國家企業(yè)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(tǒng)安全工作區(qū)、計(jì)及分布雜散參數(shù)的瞬態(tài)換流電路、多時間尺度的電磁脈沖瞬態(tài)過程和系統(tǒng)瞬態(tài)能量平衡關(guān)系等關(guān)鍵問題，開創(chuàng)性地從電磁能量變換、瞬態(tài)換流回路以及系統(tǒng)可靠性的新視角提出了一整套大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)分析理論與關(guān)鍵技術(shù)。趙爭鳴團(tuán)隊(duì)在這個研究方向上先后獲得授權(quán)國家專利28項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)15項(xiàng)，核心發(fā)明專利獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展覽會評審團(tuán)特別嘉許金獎；應(yīng)用成果先后3次獲中國電工技術(shù)學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，SCI他引2300余次，近5年6次獲國際學(xué)術(shù)會議最佳論文獎；出版著作3部，其中著作《電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程》于2018年獲得中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎，2019年出版了其英文版；2019年趙爭鳴領(lǐng)銜的“大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程分析與控制”成果榮獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀研究成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎。趙爭鳴本人也先后因?yàn)樵谠擃I(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)當(dāng)選為IET Fellow和IEEE Fellow。

與此同時，趙爭鳴團(tuán)隊(duì)的成果也廣泛應(yīng)用于榮信匯科電氣技術(shù)有限責(zé)任公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)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(guān)制造有限公司、POWERSIM公司等多家大型企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目中，研制出的相應(yīng)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電力電子裝置仿真、變頻調(diào)速節(jié)能、電力牽引、光伏并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域，為生產(chǎn)廠家?guī)砹藬?shù)十億元的利潤，過去3年，直接經(jīng)濟(jì)效益超過18億元。

2019年4月，教育部科技發(fā)展中心組織了技術(shù)評價會，專家評價意見認(rèn)為：“該成果在大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)分析理論與控制領(lǐng)域取得重大突破，引領(lǐng)并推進(jìn)了國內(nèi)外大容量電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)分析理論和控制領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步，科技成果整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平”。

共同成長

——迎接可持續(xù)發(fā)展

趙爭鳴與我國電氣傳動和電氣自動化學(xué)科的著名學(xué)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(xiàng)目鑒定時期。“第一，我們所有的問題都是從實(shí)踐中來到實(shí)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(tǒng)的電磁瞬態(tài)變換分析和控制方法。陳伯時先生對我們的這兩點(diǎn)十分贊賞，也一直關(guān)注和支持我們的工作。”與高景德、盧強(qiáng)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(yǎng)分，不斷成長，也把這段成長歷程中形成的寶貴經(jīng)驗(yàn)傳承下來。

2000年，趙爭鳴正式獲得博導(dǎo)資格。至今，他培養(yǎng)畢業(yè)博士31位。所培養(yǎng)的博士中獲得清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文獎?wù)?位、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生2位、清華大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生4位、清華大學(xué)首批“紫荊學(xué)者”1位；另外還有獲得清華大學(xué)優(yōu)秀碩士論文獎?wù)?位，獲得重要國際學(xué)術(shù)會議優(yōu)秀論文獎?wù)?位?！叭瞬?，首先要是一個三觀正確的人，一個能夠?yàn)槿怂湃?、能夠有志向?yàn)樯鐣鲐暙I(xiàn)的人?！壁w爭鳴以導(dǎo)師的身份強(qiáng)調(diào)道，“在這個基礎(chǔ)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(yǎng)學(xué)生時也經(jīng)歷了“項(xiàng)目牽引—問題牽引—前沿牽引”。尤其在2010年之后，趙爭鳴團(tuán)隊(duì)逐步轉(zhuǎn)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(shù)，確定了3個主要前沿研究方向：大功率電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程研究，面向能源互聯(lián)網(wǎng)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大項(xiàng)目的支持，并與企業(yè)建立了前沿技術(shù)研究院，形成了一個好的前沿科研態(tài)勢，為團(tuán)隊(duì)的研究工作建立了一個優(yōu)良的創(chuàng)新平臺。

“我作為導(dǎo)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(guān)鍵性難題，課題結(jié)束后進(jìn)行客觀的判斷和評價?！壁w爭鳴希望學(xué)生們能夠積極主動地進(jìn)行深入思考，認(rèn)為這是創(chuàng)新的直接源泉?！斑€要有團(tuán)隊(duì)精神、做事精準(zhǔn)堅(jiān)韌”，停頓了一下，他繼續(xù)補(bǔ)充道，“知識面廣、英語能力好也很重要，因?yàn)槲覀兲貏e注重把博士生培養(yǎng)放到國際化平臺上，并且將他們的知識結(jié)構(gòu)引入到學(xué)科交叉層面”。

目前，趙爭鳴團(tuán)隊(duì)有7位教師，他們在團(tuán)隊(duì)的3個前沿方向上各有所長。未來，面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電能路由器和無線電能傳輸，他們期望在產(chǎn)業(yè)化上努力突破。而圍繞大功率電力電子系統(tǒng)電磁瞬態(tài)過程研究，他們列出了十余個有針對性和前沿性的難點(diǎn)問題，正逐一進(jìn)行攻關(guān)。

“團(tuán)隊(duì)當(dāng)然是要攜手并進(jìn)，我們要為現(xiàn)有人員創(chuàng)造更大的成長空間，同時不斷引進(jìn)新的人才，也培養(yǎng)更年輕的人才，為團(tuán)隊(duì)注入更新鮮的血液?！?019年9月，趙爭鳴及其團(tuán)隊(duì)到美國參加全球電力電子領(lǐng)域最大的學(xué)術(shù)年會ECCE 2019會議，作為中國唯一的特邀專題講座團(tuán)隊(duì)介紹了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的最新進(jìn)展。“我們的理念是做一些有意義的事情，推動學(xué)科和行業(yè)往前走，并促使我們自己不斷進(jìn)步。”