电工|中国工程院院士马伟明：关于电工学科前沿技术发展的若干思考( 二 )

作为一个高阶、非线性、多变量的电、磁、固、热多物理场耦合系统，超大规模电力电子系统涉及能量流电磁场与信息流电磁场相互交叉，连续域模拟量与离散域数字量相互转换，能量流的传输与耗散路径不唯一，端口对外能量输运特性与端口对内多时间尺度能量转移扩散特性不一致（见图1），系统内部机理与外在表征的时空特性极为复杂，支撑电力电子系统无缆化设计理念的基础理论还不完备，需深刻剖析无缆化设计理念背后蕴含的关键科学问题。

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1.1.2关键科学问题
1）瞬态电磁能量精确表征与平衡调控问题
能量流的精确刻画是开展电力电子系统控制技术研究的关键，传统控制方法通过控制电压或电流来表征电力电子系统的动力学过程，而电压或电流均不能全面刻画电路的模型和特征。电力电子器件在开/关过程中，伴随电路结构的转换，其最本质的特征是电路中储存的能量以及能量的流动过程。因此，需开展基于瞬态电磁能量平衡的电力电子系统建模方法研究和以能量平衡为主要目标的电力电子系统控制技术研究。
2）状态管理、智能决策与高效控制问题
电力电子系统全域负载范围内的高精度传感、高性能运行与高可靠工作，是实现电磁能量高效转换的基础。而高集成的无缆化电力电子系统内部机理与外在表征呈现出比有缆系统更为复杂的时空响应特性，传统状态感知、故障诊断、电能调制及数字脉冲序列生成的普遍规律难以充分发挥无缆化系统的优势，不再适用。因此，需要考虑结合无缆化系统信息流与能量流之间的复杂映射关系，探究无缆化电力电子系统的状态管理、智能决策与高效控制方法。
3）高功率密度电力电子系统无缆化集成封装过程中的绝缘、电磁兼容与散热设计问题
电力电子系统的绝缘、电磁兼容与散热设计，是决定其功率密度、可靠性与连续运行性能的重要因素。根据Poynting电磁场能量守恒定理，电磁能除了通过电流沿导线内部传递给负载以外，还会通过空间电磁场的形式传播，系统不同材料、元件在中高频电磁场作用下的物理特性均与电磁能量转换息息相关，如分布参数、热效应、电磁感应与振动等，也直接决定着系统的绝缘性能、电磁兼容性与散热性能。
1.2舰船电机系统的智能感知与运行控制问题
1.2.1需求分析
舰船综合电力系统（Integrated Power System, IPS）如图2所示，它是将发电、推进供电、高能武器发射供电、大功率探测供电、日常用电等综合为一体的舰船电力系统，将传统舰船相互独立的动力和电力两大系统合二为一，实现了全舰能量的综合利用。
综合电力系统不仅可大幅降低舰船全寿命周期费用、优化舱室布局、提高舰船隐身性、生命力和机动性，更是高能武器上舰的唯一途径，被誉为舰船动力的第三次革命。舰船电机系统长期大功率运行下，信息感知能力和运行控制手段决定平台性能的发挥程度，需要不断深化舰船电机系统状态智能感知与运行控制理论，全面提升电机系统的自传感、自诊断和优化控制能力，为发展下一代综合电力系统提供理论和技术支撑。

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电机系统的智能感知与运行控制系统结构如图3所示，由集成式智能传感单元、健康状态评估与故障预测单元、运行控制管理单元三部分组成，通过新型集成传感、现代控制理论、最优化理论、数据融合等理论和新技术，实现电机系统健康状态的实时监测和故障预测，并结合舰船实时工况需求，实现智能优化控制。