赵争鸣：立足国家需求，直击学科前沿

1978年，赵进入湖南大学学习电机及其控制。

"电气工程专业是我父亲未能实现的梦想."赵对说道。建国以来，中国的汽车工业有了突飞猛进的发展。在那个繁荣的时代，一个国家，尤其是像中国这样人口众多、幅员辽阔的大国，如果没有以重工业为骨干、轻工业为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，而这一切都需要电力！“我父亲那一代人以学习电气工程报效国家为荣。他也报了电气工程，但是没被录取，所以学电气工程的希望就寄托在我身上了。”然而，在当时的赵眼里，与国内正在起步的计算机行业相比，电气专业不过是“老一辈人认为的一个陌生却重要的专业”。

说到这里，赵毫不犹豫地一头扎进了这个“无知”的专业。在随后的40年里，他从“纯”电气工程起步，进而融合电力电子和电气工程，帮助传统的电气工程向更现代、更前沿的方向发展，成为“时尚而重要的专业”。他磨合的时间越长，越发现这已经成为他生活中不可或缺的一部分。“现在我觉得这是最适合我的专业。科研可能比较辛苦，但是能做自己喜欢的事情就很好了，而且心满满的，更不用说为国家和社会的发展做一点点贡献了。

学科初探

-走向电力电子

20世纪90年代中期，赵飞往美国做博士后研究。他接到的第一个任务是为通用汽车公司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，必须解决两个棘手的问题:设计基于半导体开关器件的电力驱动控制器，并研制与之匹配的高效率、高功率密度电机。这需要建立在充分的电力电子学知识基础上，但赵当时对知之甚少。我该怎么办？困惑之余，他立即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器件紧密结合”，高景德在回信中语重心长地指示。“高先生于1996年去世。写这封回信的时候，他已经住院了。”直到现在，赵仍为之感动。他很快调整了自己的学习和工作计划，想充分利用这个机会把电力电子的课补上。

自19世纪第一台电机问世以来，经过100多年的发展，电机的广泛应用推动了整个工业文明的进步。“随着等效电路的提出，到了20世纪30年代，电机理论的‘大厦’基本建成，但它的顶上飘着两朵乌云空——磁饱和和涡流。20世纪70年代以后，计算机的快速发展伴随着数值分析等各种分析方法，使电机通过上一层楼梯就“造”了进去。我在湖南大学的硕士论文研究了一些数值分析方法在电机中的应用。随着电力电子技术的发展，电机控制达到了一个新的水平，特别是电机变频调速技术出现后，电机越来越智能化，电机学科的内涵发生了很大的变化。”赵对补充道。

赵本科时代，一位老师在《电机》课上说过一句话:“交流电机变频调速的研究相当于电机领域的诺奖，有望在不久的将来取得突破。”赵没想到，当他刚到美国的时候，他会面临这种话题。调整态度后，他重整旗鼓，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的特点紧密结合，开发了一套变频器驱动的交流电机设计软件，提出了一套交流电机的高频等效电路和数学模型，为与GM顺利完成项目奠定了基础。更重要的是，这项工作拉开了他电机与电力电子一体化理论和应用研究的序幕，成为他科研生涯的重要转折点。

“随着能源战略地位的提升和信息产业化的发展，节约资源和保护环境逐渐成为我国的基本国策。在这样的背景下，不能再把电机、变流器及其控制当作孤立的对象，而应该放在整个系统中，成为一个电机系统。”赵认为，这种发展趋势也应该反映在学科的发展上。1999年，时任清华大学电机工程与应用电子技术系主任的赵和他的同事们将电机工程系更名为电力电子与电机系统研究所。2000年、2003年在清华大学开设本科和研究生课程《电动机的设计与分析》和《电力电子与电动机系统集成基础分析》，并编写出版了相应的教材。时至今日，这两门课程仍是清华大学电气工程与应用电子技术系的主要选修课，并先后被评为“北京市精品课程教材”和“清华大学研究生精品课程”。

“这只是开始。”赵对说道。在他看来，电力电子学毕竟是一门新学科，很多方法和理论还没有形成，仍然属于实验科学的范畴。要真正让电机和电力电子和谐进步，还需要他们下大力气去学习。

杰源光伏

——开启太阳能光伏发电。

1999年，中国科学院院士、清华大学电气工程系教授卢强在全国政协会议上作了“开发西部”的发言，受到国家的高度重视。接着，研究教授赵接到邀请，参与院士关于太阳能光伏发电装置的研究工作，计划将光伏发电技术应用到中国西部。

光伏发电被“盯上”不是无缘无故的。到20世纪末，能源危机已经造成了全球性的影响。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、电池技术和电力工程技术于一体的综合技术，已成为新能源发电领域的研究热点。

在中国西部，太阳能充足，但电力和地表水短缺。在院士的带领下，赵组织团队，取长补短，提出了将变频调速交流异步电动机应用于太阳能光伏器件的设想——一是提高太阳能光伏发电的利用率；二是通过光伏发电调动西部地区地下水资源用于农业灌溉。然后，基于这一系列的研究，他们在新疆和田建造了5个5千瓦的太阳能光伏提水和照明发电系统。

其原理是将传统的独立太阳能抽水系统和光伏照明系统合二为一，使太阳能光伏阵列输出的电能得到充分应用。由于光伏阵列的输出随着阳光的变化而变化，太阳能抽水系统的输出也随着太阳光的强度而变化。当光强较大时，太阳能抽水系统可以正常抽水，但当光强较弱时，即光伏阵列输出功率小于一定值时，系统不会继续驱动水泵抽水。但是，光伏阵列仍然会输出一定功率的电能，这些电能可以储存在电池中，用于夜间照明。该系统在新疆应用之前，他们在清华大学校园内建了一个2.5千瓦的太阳能光伏提水照明示范工程。

这套“光伏抽水照明综合应用系统”在当时受到社会各界的关注。2001年，他们还在北京奥运场馆设置了相应的太阳能光伏抽水和照明系统，受到了国际奥委会代表团的高度赞扬和北京市市长的特别奖励，为北京申奥成功做出了直接贡献。2003年，他们开发了太阳能高压钠灯路灯控制器。2007年完成固定式10 kW光伏并网系统和跟踪式40 kW光伏并网系统。这些成果在西部地区得到了广泛应用。其中，两大专利转让给TBEA后，成立了新疆新能源有限公司，现已成为中国光伏发电行业的龙头企业。2001年，“太阳能抽水照明综合应用系统”科研成果获国家科技进步一等奖高校优秀研究成果。在此基础上，赵和他的同事撰写并出版了《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》两本书。“我们在这个方向做了很多项目，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。”赵接着说道。

袭击边境

——在实践中再次转型。

将科研成果转化为实践，一直是赵的重要思想。“当时我们坚持与企业合作，做到产品级的成果；建立了相应的基地，为企业和学校培养了一批理论联系实际的优秀人才。但是产学研做的比较多，也逐渐发现了一些深层次的问题。”赵以国电南京自动化股份有限公司为例，讲述了他们早期的合作。

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院”，启动了“基于IGCT的高压大容量三电平逆变器研究”。这种技术和装置当时是瑞士ABB独家拥有的，在国内还是空白的，很难研发出来。趁着“光伏发电”成功的势头，赵的团队一开始没有把困难考虑进去，毫无顾忌地往前冲，很快就做出了一套实验样机。但新的问题也随之而来。

虽然样机装置经过了严格的实验室测试，但现场一运行就出现各种故障，“可靠运行”成了他们面前不可逾越的屏障。“最大的问题是，炸掉IGCT很容易。”赵还记得，当时有五次大故障，每次都有8到10个IGCTs被炸毁。当时一台IGCT大概要15000元，一次故障能烧15万左右。“你就听到‘滋’的一声，一辆桑塔纳车没了，又要重新出发！”那段时间，他和他的同事、学生们总是情绪低落，甚至一度不敢再做任何跑步测试。“MOSFET，碰一下就死！”他们嘲笑自己。

让他们在失败后冷静下来，他们发现电力电子技术似乎并没有课本上说的那么简单。经过反复排查，他们终于找到了问题所在——那些被忽略的“异常脉冲”，其实与半导体开关器件的开关瞬态过程、主电路上分布的杂散参数以及控制中的各种延迟和失真密切相关。“电力电子装置和电机一样，也是一种电磁能量转换装置。开关状态下的电磁能量转换仍然要遵守能量平衡、能量不突变的原则，但这个原则与电力电子开关机制构成了严重的矛盾。而我们教材中采用的理想开关器件、线性电路拓扑和信号级控制算法，都湮灭了这个矛盾。”赵总结道。弄清问题后，他们提出了一套基于IGCT的大容量电力电子变换系统暂态分析方法和控制技术，包括系统安全运行工作空间的定义与应用、开关暂态过程的建模与分析、主电路分布杂散参数的定义、建模与提取等新技术，解决了基于IGCT的高压大容量三电平逆变器的多项技术难点和关键问题。自2006年以来，许多设备没有出现重大故障，它们仍然可靠地运行。

“我们一开始没有研究半导体开关器件，但是因为这个问题，迫使我们花了一个学期找器件专家补课。”多年以后，赵平静地向讲述了那次成功背后的真相。这群顽固的人不仅仅是补课。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，该系专门开设了“功率半导体器件原理与应用”课程。2011年编写出版了一本教材《功率半导体器件原理与应用》，成为清华大学研究生的精品课程。

对于赵的团队来说，这又是一个转折点。此后，他们的研究从项目牵引和问题牵引过渡到更加活跃的前沿牵引阶段。为了深入研究电力电子的深层次问题，从2008年开始，他们先后申报并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暂态过程及其对可靠性影响的研究”和国家自然科学基金重大项目“大容量电力电子混合系统多时间尺度动力学表征及运行机理研究”。这也是国家自然科学基金在电力电子方向的第一个重大项目。与浙江大学、海军工程大学等其他国家级企业和科研院所一起，深入研究了基于大功率器件建模仿真的系统安全工作区、考虑分布杂散参数的暂态变流电路、多时间尺度电磁脉冲暂态过程和系统暂态能量平衡关系等关键问题，从电磁能量转换、暂态变流电路和系统可靠性的全新角度，创造性地提出了一套大容量电力电子系统电磁暂态分析理论和关键技术。赵团队在该研究方向先后获得28项国家授权专利和15项软件著作权，核心发明专利获得日内瓦国际发明展评委会特别金奖。应用成果三次获得中国电工学会科学技术奖一等奖。发表学术论文300余篇，被SCI引用2300余次，近五年六次获得国际学术会议最佳论文奖；出版著作3部，其中《电力电子系统电磁暂态过程》一书获2018年中国机械工业科学技术奖二等奖，2019年出版英文版；2019年，赵领衔的“大容量电力电子系统电磁暂态过程分析与控制”成果获得全国高校优秀研究成果奖技术发明奖一等奖。赵本人因在这一领域的突出贡献当选为院士和院士。

同时，赵团队的成果还广泛应用于多家大型企业的相关产品项目，如融信电气科技有限公司、环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。开发的相应产品已广泛应用于电力电子器件仿真、变频调速、节能、电力牵引、光伏并网发电等领域。国内外，给厂商带来数十亿的利润。在…里

2019年4月，教育部科技发展中心组织召开技术评估会。专家评价“该成果在大容量电力电子系统电磁暂态分析理论与控制领域取得重大突破，引领和推动了国内外大容量电力电子系统电磁暂态分析理论与控制领域的发展与进步，科技成果整体达到国际领先水平”。

共同成长

——符合可持续发展。

赵和中国著名的电气传动和电气自动化学者陈教授已经忘记了过去的一年。两人相识于赵与国电南自合作的项目评估期。“第一，我们所有的问题都来源于实践，来源于实践；其次，我们不再从‘理想角度’看待电力电子，而是从能量转换的角度形成系统电磁暂态变换的分析和控制方法。陈先生非常赞赏这两点，并一直关注和支持我们的工作。”与、院士一样，陈教授是影响赵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，并将这种成长过程中形成的宝贵经验传承下去。

2000年，赵正式获得博士生导师资格。到目前为止，他已经培养了31名研究生。培养的博士中，获得清华大学优秀博士学位论文奖8人，北京市优秀毕业生2人，清华大学优秀博士毕业生4人，清华大学首批“紫荆学者”1人；此外，还有清华大学优秀硕士论文奖6篇，国际重要学术会议优秀论文奖8篇。“人才，首先是一个有正确三观的人，一个能被别人信任的人，一个有奉献社会的志向的人。”赵作为导师强调，“在此基础上，只要对科研感兴趣，能积极、阳光地投入到工作中，都是可塑人才。”

与科研课程同步，赵在培养学生时也经历了“项目牵引—问题牵引—前沿牵引”。特别是2010年以后，赵的团队逐渐转变为一个领先的研究模式。围绕大容量电力电子和新型电力传输技术，确定了三个主要领先研究方向:大功率电力电子系统电磁暂态过程研究、面向能源互联网的电力路由器和无线电力传输。这一阶段，他们得到了国家自然科学基金重点项目和重大项目的支持，与企业建立了前沿技术研究院，形成了良好的前沿科研态势，为团队的研究工作搭建了优秀的创新平台。

“作为导师，我必须做好三件事:开题时明确研究方向，解决题目中真正的关键问题，题目结束后做出客观的判断和评价。”赵希望学生能积极深入地思考，这是创新的直接源泉。“团队精神、精准和毅力”，停顿了一下，他补充道，“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的培养放在国际平台上，把他们的知识结构引入到跨学科的层面”。

目前，赵的团队有七位老师，他们在团队的三个前沿方向各有所长。未来面向能源互联网的能源路由器和无线电力传输有望在产业化方面取得突破。围绕大功率电力电子系统电磁暂态过程研究，他们列出了十余个具有针对性和前沿性的难题，正在逐一攻关。

“当然，团队应该齐头并进。我们要为现有员工创造更大的成长空间空，同时也要不断引进新的人才，培养更年轻的人才，为团队注入新鲜血液。”2019年9月，赵及其团队赴美参加全球电力电子领域最大的年度学术会议ECCE2019。作为国内唯一的专题讲座团队，他们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，推动学科和行业前进，推动我们自己前进。”