近日，電機(jī)系電力電子與電機(jī)系統(tǒng)研究所王奎在中國電源學(xué)會第24屆學(xué)術(shù)年會中，被授予中國電源學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎優(yōu)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(xué)會科學(xué)技術(shù)獎是由國家科技部批準(zhǔn)，代表本行業(yè)、本專業(yè)在全國范圍內(nèi)評選的最高科技獎勵，獎勵在我國電源領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、新品開發(fā)、科技成果推廣應(yīng)用等方面做出突出貢獻(xiàn)的個人和單位，評審結(jié)果反映了我國電源科技發(fā)展的最高水平，自2011年設(shè)立至今累計評選出優(yōu)秀青年獎獲得者19人。這是繼2020年王奎所在團(tuán)隊的項目“多電平變換器的拓?fù)渑c控制及高壓變頻調(diào)速裝置的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”獲中國電源學(xué)會科技進(jìn)步一等獎后再次榮獲大獎！
此前，由清華大學(xué)電機(jī)系電力電子與電機(jī)控制實驗室完成的《高性能級聯(lián)高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用》項目已經(jīng)獲得2017年度國家教育部高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果科技進(jìn)步獎、2018年中國電工技術(shù)學(xué)會科技進(jìn)步獎和2019年中國自動化產(chǎn)業(yè)年度團(tuán)隊獎。在以上的獲獎中，王奎博士作為科研骨干，在團(tuán)隊負(fù)責(zé)人之后，單位排名均列第二。
初戰(zhàn)告捷，長波通信鑄輝煌
王奎博士的主要研究領(lǐng)域包括多電平電力電子變換器的拓?fù)�、調(diào)制與控制技術(shù)，及多電平電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與容錯控制，是一項具有世界領(lǐng)先水平的前沿技術(shù)。“在本科畢業(yè)設(shè)計較好地掌握了新型半導(dǎo)體器件IGBT的基本驅(qū)動和保護(hù)特性的基礎(chǔ)上，導(dǎo)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(qiáng)調(diào)了我國海軍對潛通信甚低頻發(fā)射機(jī)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(xiàn)在他已經(jīng)把這些技術(shù)成功應(yīng)用在我國海軍對潛通信甚低頻發(fā)射機(jī)和中船重工綜合電力推進(jìn)中壓變頻器中，為國防建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)，還申請了多項國內(nèi)和國際專利，并通過相關(guān)企業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，取得了較大的學(xué)術(shù)影響和經(jīng)濟(jì)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(jù)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(zhàn)后期研制的攻擊型核潛艇，旨在深水海域獵殺最復(fù)雜的蘇聯(lián)核潛艇。美國《福布斯》雜志網(wǎng)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(guān)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(guān)鍵的水下作戰(zhàn)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(shù)年內(nèi)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(jīng)很久！因為，美國海軍潛艇從上個世紀(jì)八十年代即已經(jīng)裝備了遠(yuǎn)洋深海通訊設(shè)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(yuǎn)洋深海通訊設(shè)備開展的，他在導(dǎo)師李永東教授的帶領(lǐng)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(xiàn)了我國潛艇的遠(yuǎn)洋深水通訊，2014年獲中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)科技進(jìn)步獎。CCTV4國際臺2012年10月28日罕見披露：中國核潛艇實現(xiàn)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(dāng)年網(wǎng)上最熱視頻。中國官方媒體2013年開始大規(guī)模報道中國戰(zhàn)略核潛艇部隊的情況，這被普遍評論為中國對戰(zhàn)略“撒手锏”的一次展示，實際上是要讓全世界都清楚，不挑戰(zhàn)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(zhàn)爭爆發(fā)。清華大學(xué)電機(jī)系四年級的學(xué)生陸建勛，在同班同學(xué)、校學(xué)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(xué)都分配到大連海校當(dāng)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(xué)生。陸建勛在海軍司令部通信處任機(jī)務(wù)組長，帶領(lǐng)機(jī)務(wù)組維修無線電臺的發(fā)信機(jī)和收信機(jī)，1955年以機(jī)務(wù)組為主組建海軍701廠，陸建勛任技術(shù)股長，1958年10月，又被調(diào)到海司通信部新組建的技術(shù)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(dá)研究室的組建工作�？梢哉f，在人民海軍發(fā)展的每一個重要階段，陸建勛在解決通信專業(yè)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)的一系列難題方面都做出了重大貢獻(xiàn)，這其中包括：核潛艇瞬間超快速通信系統(tǒng)（900工程）、遠(yuǎn)洋測量船“短波遠(yuǎn)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(dá)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(diào)到七院七Ο六所工作，先后任研究室副主任、主任，主管技術(shù)工作，此間他帶領(lǐng)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(shè)計研制的數(shù)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(jīng)過多次更新?lián)Q代，延續(xù)至今。1965年1月1日，七院與第六機(jī)械工業(yè)部合并，陸建勛任通信研究室主任，他帶領(lǐng)全室科技人員投入到艦船通信技術(shù)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(xié)作，出色地完成了多項任務(wù)：主持研制的900號快速通信系統(tǒng)，裝備了我國研制的核潛艇；主持了某型導(dǎo)彈遠(yuǎn)洋試驗的岸船、船船通信分系統(tǒng)研制，圓滿完成了海上通信保障任務(wù)。1968年以七院七Ο六所通信室為基礎(chǔ)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(xué)大會上他被授予先進(jìn)科技工作者，1981年他被授予國防工業(yè)系統(tǒng)先進(jìn)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(diào)任七院院長兼黨組書記，全心投入于艦船科技事業(yè)的改革與發(fā)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(yè)奮力前進(jìn)，1995年，76歲的陸建勛當(dāng)選為中國工程院院士。
眾所周知，1957年，前蘇聯(lián)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(shè)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(guān)情況，解答了總理提出的相關(guān)疑問。被陸建勛稱為“西花廳考試”的這次經(jīng)歷，更加堅定了他繼續(xù)在海軍通信領(lǐng)域進(jìn)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(lián)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(xiàn)潛艇的深海遠(yuǎn)洋通訊，并且成為毛主席去世之前批準(zhǔn)的最后一個大項目。最初采用電子管做長波發(fā)射機(jī)功率放大器，不但占地面積龐大，而且效率不高，嚴(yán)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(lǐng)下，成功完成了我國首臺工業(yè)化高壓變頻器，并投入批量生產(chǎn)。該產(chǎn)品是一項具有世界領(lǐng)先水平的前沿技術(shù)，可以節(jié)約大量能源，對于我國走綠色的新型工業(yè)化道路具有重大意義。我國鋼鐵、電力、石化、煤炭、礦山等工業(yè)和西氣東輸、城市自來水廠等民用領(lǐng)域中的鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、給排水泵、引風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇、壓縮機(jī)和供水泵等，驅(qū)動電機(jī)大都是400-40000kW，3-10kV的大功率高壓交流電動機(jī)。這些設(shè)備過去由于缺少調(diào)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(yīng)用高壓變頻技術(shù)，可以節(jié)約大量電能，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。幸運(yùn)的是，該技術(shù)正好可以用來大功率長波對潛通訊電臺發(fā)射機(jī)放大器！
上個世紀(jì)末，我國海軍司令部通訊部經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)清華大學(xué)電機(jī)系李永東課題組已經(jīng)掌握的功率變換技術(shù)可用于大功率長波對潛通訊電臺發(fā)射機(jī)放大器，于是開展了密集的技術(shù)交流和方案探討，項目最終落實到中國電子信息集團(tuán)圣非凡公司，由清華大學(xué)提供技術(shù)來共同完成這項任務(wù)。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(fā)射機(jī)放大器的功率變換技術(shù)。與已有高壓變頻技術(shù)不同的是，長波通信的頻段對于電力電子開關(guān)器件IGBT而言是一個挑戰(zhàn)。首先，課題組采用H橋級聯(lián)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(guān)損耗，但是損耗轉(zhuǎn)移到吸收電阻上，還是會發(fā)熱，影響系統(tǒng)效率。當(dāng)開關(guān)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?guī)缀跻獑适判牡臅r候，李永東老師鼓勵大家開動腦筋，再想一下。經(jīng)過苦思冥想，王奎博士終于提出了一種新型軟開關(guān)電路，并結(jié)合多電平階梯波合成技術(shù)大幅降低了單個器件的損耗發(fā)熱，最終實現(xiàn)了最高頻率40kHz，最大功率200kW的長波發(fā)射機(jī)功放，成功應(yīng)用于車載對潛長波通訊系統(tǒng)。經(jīng)過和合作單位一起精心的設(shè)計和艱苦的調(diào)試工作，終于在2012年裝備部隊，實現(xiàn)了我國海軍潛艇的深海遠(yuǎn)洋通訊！做到了寇能往，我亦能往也，為我國國防事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。
王奎博士每天辛勤工作在實驗室
王奎（左）與導(dǎo)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(zhàn)告捷的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率和功率密度使之能夠適用于機(jī)載平臺，王奎博士在留校之后繼續(xù)潛心鉆研，采用全新的高頻級聯(lián)方案，并應(yīng)用最新的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)和高頻變壓器，大幅提高了系統(tǒng)效率和功率密度，又研制出了第二代機(jī)載長波通信發(fā)射機(jī)樣機(jī)，正在裝備部隊。
相關(guān)研究先后得到了多個國家項目的支持，包括國家自然科學(xué)基金3項（面上2項、青年1項）、北京市自然科學(xué)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(xué)基金一等資助，并承擔(dān)國防裝備預(yù)研、企業(yè)委托項目等10余項。發(fā)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(fā)表SCI論文近30篇，含ESI高被引論文1篇。作為第一發(fā)明人獲中國發(fā)明專利授權(quán)10項、國際專利授權(quán)2項。并榮獲2017年度教育部科技進(jìn)步獎，2018年中國電工技術(shù)學(xué)會科技進(jìn)步獎，2019年中國自動化產(chǎn)業(yè)年度團(tuán)隊獎和2020年度中國電源學(xué)會科技進(jìn)步一等獎。
近年來，在李永東老師帶領(lǐng)下，團(tuán)隊更致力于船艦艇電力推進(jìn)等高端應(yīng)用場合提供高性能的國產(chǎn)變頻器。王奎博士的研究領(lǐng)域也進(jìn)一步向船艦艇（包括航母）電力推進(jìn)等領(lǐng)域拓展，承擔(dān)了我國海軍現(xiàn)代化的重要課題，并做出了突出貢獻(xiàn)�；貞浧疬@些年的經(jīng)歷，王奎認(rèn)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(lǐng)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(tuán)隊負(fù)責(zé)人身體力行立志科技報國的理念。通過多年一起科研攻關(guān)的經(jīng)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(fā)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(tuán)隊
國產(chǎn)高壓大容量變頻器廠房
結(jié)語
王奎博士現(xiàn)為電機(jī)系助理研究員、電力電子與電機(jī)系統(tǒng)研究所副所長，同時兼任艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室七一二分室客座教授、中國電源學(xué)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(jìn)入清華大學(xué)電機(jī)系本科學(xué)習(xí)，并于2011年獲工學(xué)博士學(xué)位，2013年留校任教至今，2018年至2019年期間獲國家留學(xué)基金委資助在美國田納西大學(xué)CURENT中心訪問交流。
對于自己的成績和獲獎，王奎謙遜地說，“現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展離不開國家的戰(zhàn)略規(guī)劃、資金投入以及持續(xù)的人才培養(yǎng)，而產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)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(nèi)外眾多科技巨人的成果�？茖W(xué)研究沒有止境，還有更多的項目和課題需要大家繼續(xù)研究。”
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