1.1.3　交通电气化

除了改变电网形态、提高可再生能源的渗透率外，转变负载的能源消耗情况也是解决能源危机、应对气候变化的有效途径。在能源的消费体系中，汽车和轨道交通是现代社会交通出行必不可少的工具。

对于汽车而言，化石能源的枯竭以及尾气排放造成的大气污染和气候变化问题给传统燃油汽车的发展造成了极大的限制。为了解决燃油汽车造成的能源和环境问题，人们开始将目光转向更加清洁的电动汽车，以减少或消除汽车尾气的排放。国务院发布的《“十三五”节能减排综合工作方案》中明确强调：促进交通用能清洁化，大力推广节能环保汽车、新能源汽车等，并支持相关配套设施建设[11]。这无疑会进一步推动中国新能源汽车产业的发展。

根据动力系统的能量来源形式，电动汽车主要可分为燃料电池汽车、混合电动汽车和纯电动汽车[68-70]。目前，由于高压储氢技术的壁垒，燃料电池的高制造成本和加氢站的高建设成本限制了燃料电池汽车的推广。相对而言，混合电动汽车和纯电动汽车在我国受到更多关注。

混合电动汽车和纯电动汽车都需要配备动力电池车载充电器（on-board charger, OBC）。除此之外，车载DC/DC变换器作为高压动力电池与低压母线之间的桥梁，可为照明、仪表等设备提供能量，同时也对保障电动汽车的安全行驶至关重要[71-73]。对于纯电动汽车而言，动力电池还能够通过双向DC/DC变换器和逆变器驱动电机运转，为汽车提供行驶的动力。出于安全性方面的考虑，OBC、车载DC/DC变换器等都采用隔离型变换器，提升这两个电力电子装置的效率和功率密度对电动汽车的安全性、节能性和环保性具有重要的意义。

对于电气化轨道交通而言，以高铁为例，其牵引传动系统主要由受电弓、牵引变压器、四象限整流器、牵引变流器和牵引电机组成，可将接触网的单相高压交流电转换为驱动电机的三相交流电[73]。其中牵引变压器是牵引系统中质量最大、占用空间最多和能量损失最大的部分。采用高频隔离功率变换技术，利用高频变压器替代工频变压器可以大幅度减小牵引系统的体积和质量，同时还能改善电能质量。2012年，ABB公司研制了一台运行于15 kV、16.7 Hz牵引网的电力电子牵引变压器。该试验样机的额定功率为1.2 MW，样机拓扑结构如图1-5所示[74-75]。其输入级采用基于IGBT的CHB结构，隔离级采用工作频率在1.8 kHz附近的谐振变换器，并始终工作在谐振状态，输出电压为1.5 kV。中国中车近年也展开了关于电力电子牵引变压器的相关探索。目前电力电子牵引变压器仍然存在器件保护困难、运行可靠性不足的问题，亟待进一步研究[76]。

图1-5　电力电子牵引变压器样机拓扑结构