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    王奎--勵精圖治近廿載,長波通信鑄輝煌

    已有3002次閱讀2022-05-12標簽:
      近日,電機系電力電子與電機系統研究所王奎在中國電源學會第24屆學術年會中,被授予中國電源學會科學技術獎優秀青年獎,并受邀在“電源青年人才論壇”上作專題報告。中國電源學會科學技術獎是由國家科技部批準,代表本行業、本專業在全國范圍內評選的最高科技獎勵,獎勵在我國電源領域的科學研究、技術創新、新品開發、科技成果推廣應用等方面做出突出貢獻的個人和單位,評審結果反映了我國電源科技發展的最高水平,自2011年設立至今累計評選出優秀青年獎獲得者19人。這是繼2020年王奎所在團隊的項目“多電平變換器的拓撲與控制及高壓變頻調速裝置的研發與產業化”獲中國電源學會科技進步一等獎后再次榮獲大獎!

      此前,由清華大學電機系電力電子與電機控制實驗室完成的《高性能級聯高壓大容量變頻調速系統研發與應用》項目已經獲得2017年度國家教育部高等學?茖W研究優秀成果科技進步獎、2018年中國電工技術學會科技進步獎和2019年中國自動化產業年度團隊獎。在以上的獲獎中,王奎博士作為科研骨干,在團隊負責人之后,單位排名均列第二。

      初戰告捷,長波通信鑄輝煌

      王奎博士的主要研究領域包括多電平電力電子變換器的拓撲、調制與控制技術,及多電平電機驅動系統的狀態監測、故障診斷與容錯控制,是一項具有世界領先水平的前沿技術。“在本科畢業設計較好地掌握了新型半導體器件IGBT的基本驅動和保護特性的基礎上,導師李永東教授介紹了幾個直博可能的研究方向”,王奎回憶說。“李老師特別強調了我國海軍對潛通信甚低頻發射機面臨的問題,一下就吸引了我的注意,并立志解決這一難題。”現在他已經把這些技術成功應用在我國海軍對潛通信甚低頻發射機和中船重工綜合電力推進中壓變頻器中,為國防建設做出了重要的貢獻,還申請了多項國內和國際專利,并通過相關企業實現了產業化,取得了較大的學術影響和經濟效益。



      大家可能還記得,2021年10月2日美國海軍一艘最敏感的頂級“海狼”攻擊核潛艇被曝在南海撞擊不明水下物體,十幾名水手受傷。據介紹,“康涅狄格”號是美國海軍擁有的三艘海狼級核潛艇之一,這是一種冷戰后期研制的攻擊型核潛艇,旨在深水海域獵殺最復雜的蘇聯核潛艇。美國《福布斯》雜志網站2021年11月3日報道稱,盡管美國海軍對在南海“撞山”的“康涅狄格”號核潛艇的受損情況守口如瓶,但有關該潛艇的損壞信息開始外泄,這次碰撞事件讓美國海軍失去了一件關鍵的水下作戰工具,造成的損壞甚至可能迫使這艘潛艇提前退役,至少“康涅狄格”號核潛艇將在未來數年內無法服役。問題是,如果不是該潛艇在南海撞擊不明水下物體后被迫浮出海面,我們可能還不知道它們被部署在我國南海,而且可能已經很久!因為,美國海軍潛艇從上個世紀八十年代即已經裝備了遠洋深海通訊設備,可以保證其潛艇在全世界各個大洋水下巡航。

      王奎老師讀博時的科研工作最初就是圍繞對潛遠洋深海通訊設備開展的,他在導師李永東教授的帶領下,研制成功了我國第二代車載移動式對潛通訊電源功率放大器,并于2012年裝備部隊,實現了我國潛艇的遠洋深水通訊,2014年獲中國電子信息產業集團科技進步獎。CCTV4國際臺2012年10月28日罕見披露:中國核潛艇實現水下大深度通信。由于是新中國43年來第一次這樣做,它的效果非常豐富,成為當年網上最熱視頻。中國官方媒體2013年開始大規模報道中國戰略核潛艇部隊的情況,這被普遍評論為中國對戰略“撒手锏”的一次展示,實際上是要讓全世界都清楚,不挑戰中國的核心利益是所有國家的唯一選擇,根本就不存在其他選項。

      說起對潛通訊,歷史就長了!那是1950年,抗美援朝戰爭爆發。清華大學電機系四年級的學生陸建勛,在同班同學、校學生會主席朱镕基的鼓動下,義無反顧投筆從戎,報名參加了海軍,和他一起參軍的5位同學都分配到大連海校當教員,只有他被留在北京,成為海軍司令部成立后接收的第一位大學生。陸建勛在海軍司令部通信處任機務組長,帶領機務組維修無線電臺的發信機和收信機,1955年以機務組為主組建海軍701廠,陸建勛任技術股長,1958年10月,又被調到海司通信部新組建的技術處任工程師,主管科研工作,1960年他參加了通信部下屬的通信和雷達研究室的組建工作?梢哉f,在人民海軍發展的每一個重要階段,陸建勛在解決通信專業領域不斷出現的一系列難題方面都做出了重大貢獻,這其中包括:核潛艇瞬間超快速通信系統(900工程)、遠洋測量船“短波遠程通信”(781工程),他也因此成為不折不扣的海軍通信專家。

      1961年,陸建勛所在的海司通信部通信和雷達研究室劃歸剛成立的國防部第七研究院(簡稱七院),陸建勛也調到七院七Ο六所工作,先后任研究室副主任、主任,主管技術工作,此間他帶領科技工作者將陸用超短波電臺改為海用,受到艦艇部隊的歡迎;由他主持設計研制的數字化多路移相電傳終端不但被海軍采用,也為陸軍、空軍采用,經過多次更新換代,延續至今。1965年1月1日,七院與第六機械工業部合并,陸建勛任通信研究室主任,他帶領全室科技人員投入到艦船通信技術的自主研究中。即使在文革期間,他仍堅持克服種種困難,組織全室人員的大協作,出色地完成了多項任務:主持研制的900號快速通信系統,裝備了我國研制的核潛艇;主持了某型導彈遠洋試驗的岸船、船船通信分系統研制,圓滿完成了海上通信保障任務。1968年以七院七Ο六所通信室為基礎成立了艦船通信研究所七二二所,他任副所長、所長,1978年全國科學大會上他被授予先進科技工作者,1981年他被授予國防工業系統先進科技工作者,同年被選為第五屆全國人民代表大會代表。1983年陸建勛調任七院院長兼黨組書記,全心投入于艦船科技事業的改革與發展中。1994年,陸建勛從院長位置退下來,但他仍為艦船通信科研事業奮力前進,1995年,76歲的陸建勛當選為中國工程院院士。

      眾所周知,1957年,前蘇聯提出了中蘇兩國合建大功率超長波對潛通訊電臺的建議,我國則堅持自主建設的主張。陸建勛曾隨時任海軍副司令員的羅舜初(1914—1981)將軍前往中南海西花廳向周恩來總理匯報超長波電臺的有關情況,解答了總理提出的相關疑問。被陸建勛稱為“西花廳考試”的這次經歷,更加堅定了他繼續在海軍通信領域進行探索的信心。在陸建勛院士的科研和管理生涯中,對潛長波通訊是一個揮之不去的夢想!自從60年代前蘇聯專家撤走之后,我國立志建立自己的對潛通訊長波電臺,以期實現潛艇的深海遠洋通訊,并且成為毛主席去世之前批準的最后一個大項目。最初采用電子管做長波發射機功率放大器,不但占地面積龐大,而且效率不高,嚴重影響了通訊效果。后來采用MOS管組成放大器,功率又有限,影響了通訊深度。

      時間很快來到90年代,王奎博士所在的課題組在李永東老師的帶領下,成功完成了我國首臺工業化高壓變頻器,并投入批量生產。該產品是一項具有世界領先水平的前沿技術,可以節約大量能源,對于我國走綠色的新型工業化道路具有重大意義。我國鋼鐵、電力、石化、煤炭、礦山等工業和西氣東輸、城市自來水廠等民用領域中的鼓風機、制氧機、除塵風機、給排水泵、引風機、排風扇、壓縮機和供水泵等,驅動電機大都是400-40000kW,3-10kV的大功率高壓交流電動機。這些設備過去由于缺少調速的手段,不同程度上存在著大馬拉小車的狀況,每年浪費電能近500億度。應用高壓變頻技術,可以節約大量電能,實現節能環保的目標。幸運的是,該技術正好可以用來大功率長波對潛通訊電臺發射機放大器!

      上個世紀末,我國海軍司令部通訊部經過大量調研發現清華大學電機系李永東課題組已經掌握的功率變換技術可用于大功率長波對潛通訊電臺發射機放大器,于是開展了密集的技術交流和方案探討,項目最終落實到中國電子信息集團圣非凡公司,由清華大學提供技術來共同完成這項任務。在2005年,王奎在博士階段的第一個課題就是研究大功率長波對潛通訊電臺發射機放大器的功率變換技術。與已有高壓變頻技術不同的是,長波通信的頻段對于電力電子開關器件IGBT而言是一個挑戰。首先,課題組采用H橋級聯模式較好地解決了上高壓和大功率的問題;其次,為了提高IGBT的工作頻率,開始采用無源吸收電路來降低開關損耗,但是損耗轉移到吸收電阻上,還是會發熱,影響系統效率。當開關頻率接近20Khz時,各種實驗方案都試了,還是不能解決問題,在大家幾乎要喪失信心的時候,李永東老師鼓勵大家開動腦筋,再想一下。經過苦思冥想,王奎博士終于提出了一種新型軟開關電路,并結合多電平階梯波合成技術大幅降低了單個器件的損耗發熱,最終實現了最高頻率40kHz,最大功率200kW的長波發射機功放,成功應用于車載對潛長波通訊系統。經過和合作單位一起精心的設計和艱苦的調試工作,終于在2012年裝備部隊,實現了我國海軍潛艇的深海遠洋通訊!做到了寇能往,我亦能往也,為我國國防事業做出了重大貢獻。


      王奎博士每天辛勤工作在實驗室


      王奎(左)與導師李永東教授(左2)在做實驗

      砥礪前行,勵精圖治近廿載

      在初戰告捷的基礎上,為了進一步提高系統的效率和功率密度使之能夠適用于機載平臺,王奎博士在留校之后繼續潛心鉆研,采用全新的高頻級聯方案,并應用最新的寬禁帶半導體技術和高頻變壓器,大幅提高了系統效率和功率密度,又研制出了第二代機載長波通信發射機樣機,正在裝備部隊。

      相關研究先后得到了多個國家項目的支持,包括國家自然科學基金3項(面上2項、青年1項)、北京市自然科學基金2項(面上、青年各1項)、國家重點實驗室基金3項以及中國博士后科學基金一等資助,并承擔國防裝備預研、企業委托項目等10余項。發表SCI/EI論文100余篇,其中以第一作者/通訊作者在IEEETrans.等國際頂級期刊發表SCI論文近30篇,含ESI高被引論文1篇。作為第一發明人獲中國發明專利授權10項、國際專利授權2項。并榮獲2017年度教育部科技進步獎,2018年中國電工技術學會科技進步獎,2019年中國自動化產業年度團隊獎和2020年度中國電源學會科技進步一等獎。

      近年來,在李永東老師帶領下,團隊更致力于船艦艇電力推進等高端應用場合提供高性能的國產變頻器。王奎博士的研究領域也進一步向船艦艇(包括航母)電力推進等領域拓展,承擔了我國海軍現代化的重要課題,并做出了突出貢獻;貞浧疬@些年的經歷,王奎認為,這些成績的取得一方面源自于自己選擇了一個很好的領域,開始就下定了要解決這個難題的決心,并做到了長期的堅持,更源自于團隊負責人身體力行立志科技報國的理念。通過多年一起科研攻關的經歷,王奎逐漸形成了與李永東老師的默契,形成一種正向的反饋,激發出最大的能量,攻克了一個又一個難題!


      李永東老師和他的團隊


      國產高壓大容量變頻器廠房

      結語

      王奎博士現為電機系助理研究員、電力電子與電機系統研究所副所長,同時兼任艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室七一二分室客座教授、中國電源學會交通電氣化專委會副秘書長,IEEE高級會員。1984年出生于湖北省鄂州市,2002年進入清華大學電機系本科學習,并于2011年獲工學博士學位,2013年留校任教至今,2018年至2019年期間獲國家留學基金委資助在美國田納西大學CURENT中心訪問交流。

      對于自己的成績和獲獎,王奎謙遜地說,“現代電力電子技術及其應用領域的發展離不開國家的戰略規劃、資金投入以及持續的人才培養,而產業技術優勢的形成需要我們更多人的努力。我們所取得的一些小成績,只是繼承了國內外眾多科技巨人的成果?茖W研究沒有止境,還有更多的項目和課題需要大家繼續研究。”
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