产业观察 | 我国高铁未来的发展方向——兼谈顶层设计和底层技术革命相辅相成

编者按

中国高铁的成功发展是中国现代化和强国化的标志之一，其通车里程2016年底已超过2.2万公里，并成功与印尼、俄罗斯、泰国、老挝等国达成合作。11月17日，由铁道部前部长傅志寰院士和中车集团株机厂刘友梅院士，株洲所所长丁荣军院士共同发起的中国轨道交通装备技术田心论坛在中车株洲电力牵引研究所举行，清华大学电机系教授、博士生导师、能源互联网创新研究院绿色交通研究中心主任李永东老师参与了研讨会，并做了大会报告。在下午座谈会上，各位专家和学者畅所欲言，李老师也畅谈了中国高铁未来的发展方向，小编征得李老师同意将座谈会观点整理如下，以飨读者。

从做大到做强

经过十余年的蓬勃发展，中国已经成为了令世界瞩目的高铁大国。2012年至2016年，中国高铁年运营里程连续蝉联世界第一。

我国高铁建设虽然在多方面处于国际领先地位，但是距离真正的高铁强国还有一定的距离。高铁有包括机械、电气、计算机在内的三大领域、九大核心技术。而其中最为核心的软件技术，包括逆变器控制软件、通讯信号软件，外国大公司是绝对不会转让的。如果不掌握核心技术，那么我国在高铁建设中必遭外国企业掣肘。因此，出于国家战略安全和经济成本的考虑，中国高铁想要真正做强，必须要掌握核心的技术。在这方面，中国标准动车组无疑是一个成功的例子，2017年，中国标准动车组通车以350km/h的时速再次问鼎运营速度世界之冠。但在下一代高铁技术，如电力电子牵引变压器和配套设施上还需要下大力气投入研发。

图：李永东教授作大会报告

图：2017年2月25日10时33分，中国标准动车组开始运营

交通的绿色和智能化

《铁路“十三五”发展规划》提出“2020年全国高速铁路网覆盖80%以上的大城市、营业里程3万公里”的目标。要在如此高密度的条件下实现高效、高速运行，高铁智能化是一个重要方向。智能化包括数字化、自动化和网络化。具体来说，数字化是指数字控制、计算机控制；自动化包括自动驾驶等；网络化则旨在为乘客提供移动互联网等服务。

绿色化是交通领域未来发展的普遍趋势，也是我国实现可持续发展的重要举措。绿色交通，首先是实现能源消费类型从燃油到电气的转变，以减少环境污染物的排放；其次，必须要满足“两高一低”，以真正达到环境保护的目标。“两高”是指高效率、高功率密度。反之，低效率的交通会造成能源的浪费，低功率密度则会造成移动负载的体积和重量过大，从而大量消耗能源。“一低”是指低成本，成本过高，则难以进行市场化，从而失去应用前景。

图：和谐号CRH3A型动车组

图：2020年铁路网规划图

两个关键技术

对于绿色和智能化交通的发展，两个关键技术将发挥至关重要的作用。

一是下一代半导体技术。所谓“一代器件一代产品”。从可控硅，到IGBT，再到宽禁带半导体（SiC/ GaN），新一代器件突破了硅器件在电压、频率和温度上的限制，不断取代旧一代，作为底层、核心的技术推动电力电子领域的革新。如果不注重新技术革命的发展、底层技术的突破，则顶层设计再好也可能被推倒重来，造成时间和资源上的浪费。

我国曾因对底层技术革命缺乏足够重视而遭遇多次失败。例如，上个世纪90年代我国曾引进十几条可控硅生产线，然而它们却因大功率三极管和IGBT技术的崛起而迅速失去了价值。再如上个世纪末，一些彩电公司没有注意到液晶面板将成为新一代电视屏幕的核心制造技术，反而大力收购彩色显像管生产线，因此造成了巨额亏损，并造成时间的浪费。社会学上也有类似的例子，例如民国借鉴西方的优秀经验，以三权分立作为国家的顶层设计，却忽视了底层人民的疾苦，最后在底层革命中被推翻。

历史的经验告诉我们，要想实现创新发展，实现科技强国，我们在进行完善的顶层设计时，必须同时关注底层技术革命，遵循顶层设计和底层革命相辅相成的原则。

二是直流技术。直流和交流技术究竟孰优孰劣，自爱迪生与特斯拉之争以来已经被讨论了一百余年。现如今，交流技术被更广泛地应用于社会的各个方面。但随着电力技术的发展，以及性能要求的进一步提高，交流输电的局限性逐渐暴露。例如，在目前的高铁和电气化铁路供电系统中，一般采用单相交流电，所以三相输电线必须经过复杂的换相过程来平衡线路中单相电压的频繁切换，增加了技术难度，并降低了系统可靠性。

近年来，伴随着底层器件新革命的爆发，直流在诸多领域展现出优于交流的性能。因此，直流被认为是属于未来的电力技术，将在输电、配电和家电等各个领域发挥重要作用。我国已在大型直流系统的应用中创下多个成功案例，例如高压直流输电，中压直流船舶推进等。未来，船舶直流电压等级将进一步提高到6KV、10KV，甚至15KV。此外，在地铁和电车上一直采用直流技术，未来的家庭供电系统也将同时配备USB接口、单相插座和48V直流插座，利用家电内部的逆变装置实现交流变频供电。

直流化也应该是未来高铁发展的重要方向，将推动高铁性能指标进一步提升。首先，直流将避免过分相的困扰，提高系统稳定性。其次，在列车密集路段，直流将避免交流系统中电压频率震荡的问题。目前，直流化最大的挑战是故障保护问题，即在直流电压没有“自然过零点”的情况下如何迅速灭弧、可靠分断故障电流。这就需要研制更灵活、可靠的直流断路器，并设计与其配套的故障检测技术和保护策略，需要一套顶层设计方案。

图：中国轨道交通装备技术田心论坛合影

作者简介

李永东，清华大学电机工程系教授及博士生导师；清华大学能源互联网创新研究院绿色交通研究中心主任，电力电子工程研究中心常务副主任。1987年在法国图卢兹国家理工学院获博士学位，1988年初回到祖国，在清华大学从事博士后研究，1990年留校任教至今。李永东博士近30年来一直从事大容量电力电子变换器和交流电机的全数字化控制等方向的研究与应用工作，其研究成果在调速节能、新能源发电、数控机床/机器人、高铁电力牵引、舰船电力推进、大飞机等领域均有应用。李永东教授领导完成了我国首台工业化高压大容量变频器的研制和生产，推广后产生巨大经济和社会效益。李永东博士现为IEEE IAS Beijing Chapter Chairman，Journal of Electrical Engineering和ELECTROMOTION等国际刊物编委，中国电力电子学会副理事长，中国电工技术学会电控装置及系统专委会副主任委员，中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员，学术委员会主任。2002年被法国图卢兹国家理工学院聘为客座教授，与国外20多所大学进行交流与合作研究。

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