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王奎--励精图治近廿载,长波通信铸辉煌

已有1636次阅读2022-05-12标签:
  近日,电机系电力电子与电机系统研究所王奎在中国电源学会第24届学术年会中,被授予中国电源学会科学技术奖优秀青年奖,并受邀在“电源青年人才论坛”上作专题报告。中国电源学会科学技术奖是由国家科技部批准,代表本行业、本专业在全国范围内评选的最高科技奖励,奖励在我国电源领域的科学研究、技术创新、新品开发、科技成果推广应用等方面做出突出贡献的个人和单位,评审结果反映了我国电源科技发展的最高水平,自2011年设立至今累计评选出优秀青年奖获得者19人。这是继2020年王奎所在团队的项目“多电平变换器的拓扑与控制及高压变频调速装置的研发与产业化”获中国电源学会科技进步一等奖后再次荣获大奖!

  此前,由清华大学电机系电力电子与电机控制实验室完成的《高性能级联高压大容量变频调速系统研发与应用》项目已经获得2017年度国家教育部高等学校科学研究优秀成果科技进步奖、2018年中国电工技术学会科技进步奖和2019年中国自动化产业年度团队奖。在以上的获奖中,王奎博士作为科研骨干,在团队负责人之后,单位排名均列第二。

  初战告捷,长波通信铸辉煌

  王奎博士的主要研究领域包括多电平电力电子变换器的拓扑、调制与控制技术,及多电平电机驱动系统的状态监测、故障诊断与容错控制,是一项具有世界领先水平的前沿技术。“在本科毕业设计较好地掌握了新型半导体器件IGBT的基本驱动和保护特性的基础上,导师李永东教授介绍了几个直博可能的研究方向”,王奎回忆说。“李老师特别强调了我国海军对潜通信甚低频发射机面临的问题,一下就吸引了我的注意,并立志解决这一难题。”现在他已经把这些技术成功应用在我国海军对潜通信甚低频发射机和中船重工综合电力推进中压变频器中,为国防建设做出了重要的贡献,还申请了多项国内和国际专利,并通过相关企业实现了产业化,取得了较大的学术影响和经济效益。



  大家可能还记得,2021年10月2日美国海军一艘最敏感的顶级“海狼”攻击核潜艇被曝在南海撞击不明水下物体,十几名水手受伤。据介绍,“康涅狄格”号是美国海军拥有的三艘海狼级核潜艇之一,这是一种冷战后期研制的攻击型核潜艇,旨在深水海域猎杀最复杂的苏联核潜艇。美国《福布斯》杂志网站2021年11月3日报道称,尽管美国海军对在南海“撞山”的“康涅狄格”号核潜艇的受损情况守口如瓶,但有关该潜艇的损坏信息开始外泄,这次碰撞事件让美国海军失去了一件关键的水下作战工具,造成的损坏甚至可能迫使这艘潜艇提前退役,至少“康涅狄格”号核潜艇将在未来数年内无法服役。问题是,如果不是该潜艇在南海撞击不明水下物体后被迫浮出海面,我们可能还不知道它们被部署在我国南海,而且可能已经很久!因为,美国海军潜艇从上个世纪八十年代即已经装备了远洋深海通讯设备,可以保证其潜艇在全世界各个大洋水下巡航。

  王奎老师读博时的科研工作最初就是围绕对潜远洋深海通讯设备开展的,他在导师李永东教授的带领下,研制成功了我国第二代车载移动式对潜通讯电源功率放大器,并于2012年装备部队,实现了我国潜艇的远洋深水通讯,2014年获中国电子信息产业集团科技进步奖。CCTV4国际台2012年10月28日罕见披露:中国核潜艇实现水下大深度通信。由于是新中国43年来第一次这样做,它的效果非常丰富,成为当年网上最热视频。中国官方媒体2013年开始大规模报道中国战略核潜艇部队的情况,这被普遍评论为中国对战略“撒手锏”的一次展示,实际上是要让全世界都清楚,不挑战中国的核心利益是所有国家的唯一选择,根本就不存在其他选项。

  说起对潜通讯,历史就长了!那是1950年,抗美援朝战争爆发。清华大学电机系四年级的学生陆建勋,在同班同学、校学生会主席朱镕基的鼓动下,义无反顾投笔从戎,报名参加了海军,和他一起参军的5位同学都分配到大连海校当教员,只有他被留在北京,成为海军司令部成立后接收的第一位大学生。陆建勋在海军司令部通信处任机务组长,带领机务组维修无线电台的发信机和收信机,1955年以机务组为主组建海军701厂,陆建勋任技术股长,1958年10月,又被调到海司通信部新组建的技术处任工程师,主管科研工作,1960年他参加了通信部下属的通信和雷达研究室的组建工作。可以说,在人民海军发展的每一个重要阶段,陆建勋在解决通信专业领域不断出现的一系列难题方面都做出了重大贡献,这其中包括:核潜艇瞬间超快速通信系统(900工程)、远洋测量船“短波远程通信”(781工程),他也因此成为不折不扣的海军通信专家。

  1961年,陆建勋所在的海司通信部通信和雷达研究室划归刚成立的国防部第七研究院(简称七院),陆建勋也调到七院七Ο六所工作,先后任研究室副主任、主任,主管技术工作,此间他带领科技工作者将陆用超短波电台改为海用,受到舰艇部队的欢迎;由他主持设计研制的数字化多路移相电传终端不但被海军采用,也为陆军、空军采用,经过多次更新换代,延续至今。1965年1月1日,七院与第六机械工业部合并,陆建勋任通信研究室主任,他带领全室科技人员投入到舰船通信技术的自主研究中。即使在文革期间,他仍坚持克服种种困难,组织全室人员的大协作,出色地完成了多项任务:主持研制的900号快速通信系统,装备了我国研制的核潜艇;主持了某型导弹远洋试验的岸船、船船通信分系统研制,圆满完成了海上通信保障任务。1968年以七院七Ο六所通信室为基础成立了舰船通信研究所七二二所,他任副所长、所长,1978年全国科学大会上他被授予先进科技工作者,1981年他被授予国防工业系统先进科技工作者,同年被选为第五届全国人民代表大会代表。1983年陆建勋调任七院院长兼党组书记,全心投入于舰船科技事业的改革与发展中。1994年,陆建勋从院长位置退下来,但他仍为舰船通信科研事业奋力前进,1995年,76岁的陆建勋当选为中国工程院院士。

  众所周知,1957年,前苏联提出了中苏两国合建大功率超长波对潜通讯电台的建议,我国则坚持自主建设的主张。陆建勋曾随时任海军副司令员的罗舜初(1914—1981)将军前往中南海西花厅向周恩来总理汇报超长波电台的有关情况,解答了总理提出的相关疑问。被陆建勋称为“西花厅考试”的这次经历,更加坚定了他继续在海军通信领域进行探索的信心。在陆建勋院士的科研和管理生涯中,对潜长波通讯是一个挥之不去的梦想!自从60年代前苏联专家撤走之后,我国立志建立自己的对潜通讯长波电台,以期实现潜艇的深海远洋通讯,并且成为毛主席去世之前批准的最后一个大项目。最初采用电子管做长波发射机功率放大器,不但占地面积庞大,而且效率不高,严重影响了通讯效果。后来采用MOS管组成放大器,功率又有限,影响了通讯深度。

  时间很快来到90年代,王奎博士所在的课题组在李永东老师的带领下,成功完成了我国首台工业化高压变频器,并投入批量生产。该产品是一项具有世界领先水平的前沿技术,可以节约大量能源,对于我国走绿色的新型工业化道路具有重大意义。我国钢铁、电力、石化、煤炭、矿山等工业和西气东输、城市自来水厂等民用领域中的鼓风机、制氧机、除尘风机、给排水泵、引风机、排风扇、压缩机和供水泵等,驱动电机大都是400-40000kW,3-10kV的大功率高压交流电动机。这些设备过去由于缺少调速的手段,不同程度上存在着大马拉小车的状况,每年浪费电能近500亿度。应用高压变频技术,可以节约大量电能,实现节能环保的目标。幸运的是,该技术正好可以用来大功率长波对潜通讯电台发射机放大器!

  上个世纪末,我国海军司令部通讯部经过大量调研发现清华大学电机系李永东课题组已经掌握的功率变换技术可用于大功率长波对潜通讯电台发射机放大器,于是开展了密集的技术交流和方案探讨,项目最终落实到中国电子信息集团圣非凡公司,由清华大学提供技术来共同完成这项任务。在2005年,王奎在博士阶段的第一个课题就是研究大功率长波对潜通讯电台发射机放大器的功率变换技术。与已有高压变频技术不同的是,长波通信的频段对于电力电子开关器件IGBT而言是一个挑战。首先,课题组采用H桥级联模式较好地解决了上高压和大功率的问题;其次,为了提高IGBT的工作频率,开始采用无源吸收电路来降低开关损耗,但是损耗转移到吸收电阻上,还是会发热,影响系统效率。当开关频率接近20Khz时,各种实验方案都试了,还是不能解决问题,在大家几乎要丧失信心的时候,李永东老师鼓励大家开动脑筋,再想一下。经过苦思冥想,王奎博士终于提出了一种新型软开关电路,并结合多电平阶梯波合成技术大幅降低了单个器件的损耗发热,最终实现了最高频率40kHz,最大功率200kW的长波发射机功放,成功应用于车载对潜长波通讯系统。经过和合作单位一起精心的设计和艰苦的调试工作,终于在2012年装备部队,实现了我国海军潜艇的深海远洋通讯!做到了寇能往,我亦能往也,为我国国防事业做出了重大贡献。


  王奎博士每天辛勤工作在实验室


  王奎(左)与导师李永东教授(左2)在做实验

  砥砺前行,励精图治近廿载

  在初战告捷的基础上,为了进一步提高系统的效率和功率密度使之能够适用于机载平台,王奎博士在留校之后继续潜心钻研,采用全新的高频级联方案,并应用最新的宽禁带半导体技术和高频变压器,大幅提高了系统效率和功率密度,又研制出了第二代机载长波通信发射机样机,正在装备部队。

  相关研究先后得到了多个国家项目的支持,包括国家自然科学基金3项(面上2项、青年1项)、北京市自然科学基金2项(面上、青年各1项)、国家重点实验室基金3项以及中国博士后科学基金一等资助,并承担国防装备预研、企业委托项目等10余项。发表SCI/EI论文100余篇,其中以第一作者/通讯作者在IEEETrans.等国际顶级期刊发表SCI论文近30篇,含ESI高被引论文1篇。作为第一发明人获中国发明专利授权10项、国际专利授权2项。并荣获2017年度教育部科技进步奖,2018年中国电工技术学会科技进步奖,2019年中国自动化产业年度团队奖和2020年度中国电源学会科技进步一等奖。

  近年来,在李永东老师带领下,团队更致力于船舰艇电力推进等高端应用场合提供高性能的国产变频器。王奎博士的研究领域也进一步向船舰艇(包括航母)电力推进等领域拓展,承担了我国海军现代化的重要课题,并做出了突出贡献。回忆起这些年的经历,王奎认为,这些成绩的取得一方面源自于自己选择了一个很好的领域,开始就下定了要解决这个难题的决心,并做到了长期的坚持,更源自于团队负责人身体力行立志科技报国的理念。通过多年一起科研攻关的经历,王奎逐渐形成了与李永东老师的默契,形成一种正向的反馈,激发出最大的能量,攻克了一个又一个难题!


  李永东老师和他的团队


  国产高压大容量变频器厂房

  结语

  王奎博士现为电机系助理研究员、电力电子与电机系统研究所副所长,同时兼任舰船综合电力技术国防科技重点实验室七一二分室客座教授、中国电源学会交通电气化专委会副秘书长,IEEE高级会员。1984年出生于湖北省鄂州市,2002年进入清华大学电机系本科学习,并于2011年获工学博士学位,2013年留校任教至今,2018年至2019年期间获国家留学基金委资助在美国田纳西大学CURENT中心访问交流。

  对于自己的成绩和获奖,王奎谦逊地说,“现代电力电子技术及其应用领域的发展离不开国家的战略规划、资金投入以及持续的人才培养,而产业技术优势的形成需要我们更多人的努力。我们所取得的一些小成绩,只是继承了国内外众多科技巨人的成果。科学研究没有止境,还有更多的项目和课题需要大家继续研究。”
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