操控电能 巧变频率

 马画藤   2019-09-06 14:50   7 人阅读  0 条评论

  ——记清华大学电机工程系教授,博士生导师李永东

  李永东小传:

  李永东,清华大学电机工程系教授,博士生导师,电力电子工程研究中心与电气化交通团队负责人,清华大学新概念汽车研究院副院长,原新疆大学电气工程学院院长;中国电工技术学会高级会员,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,学术委员会主任委员;IEEE IAS Beijing Chapter Chairman。

  1982年毕业于哈尔滨工业大学电气工程系工业电气自动化专业,1987年在法国图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系获博士学位,1988年初回国,并在清华大学电机工程系从事博士后研究。1990年留校任教至今,1991、1996年分别破格聘任为副教授和教授,1999年聘为博士生导师,2002年兼任法国图卢兹国家理工学院客座教授。

  主要研究方向为大容量电力电子变换器及其在调速节能领域的应用,交流电机的全数字化控制及其在数控机床、高铁电力牵引和舰船电力推进中的应用,新能源发电等。

  从VVVF变频器开始

  1988年初,刚刚拿到法国图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系博士学位的李永东回到祖国,在清华大学电机系师从校长高景德院士做博士后,他扎实的理论基础和实践操作能力倍受关注。他与旅日归来的黄立培老师以及杨秉寿教授的硕士生丁永汀一起,开始了清华大学第一台大功率晶体管变频器的研制工作。不到一年,他们研制的VVVF变频器在北京和平宾馆进行了24小时连续运行试验,顺利通过了成果鉴定。

  VVVF变频器的研制成功引起了国内外的高度重视,1990年春节前,他应邀参加了在人民大会堂举行的春节团拜会,受到李瑞环等前党和国家领导人的亲切接见,他的事迹被《中国青年报》在头版头条报道。在此基础上,他们实验室在随后的十年中和台湾普传公司、山东惠丰公司、北京时代公司、深圳华为公司、曲阜电机厂、四川希望森兰公司、浙江海利普公司和上海格立特等公司建立了广泛的合作关系。目前国内生产通用变频器的厂家已经超过200多家,其中大部分都是从他们的上述合作伙伴衍生出来的。

  进入1995年,国家经贸委组织了对电气节能领域的调查,数据显示,钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机;石油化工生产的压缩机;电力工业的给水泵、引风机;煤矿的排水泵和排风扇以及城市自来水厂的供水泵等等,驱动电机都是400—40000kW,3-10kV的大功率高压交流电动机。这些设备当年由于设计余量,或因弹性产能及工艺负载的变化,缺少调速的手段,每天都在大量地浪费电能,每年近500亿度电。 因此,高压多电平大容量交流电机变频调速节能装置的研制成为当时非常受关注的热点。

  据统计,当时我国高压大容量变频器的市场潜力在1000亿人民币以上,假如单台变频器的价格为100万元(800kW/6kV),市场的需求量就超过10万台。

  这组数字实在是有着不可抗拒的诱惑力,但在上世纪九十年代,高压大容量变频器市场还统统被国外产品所独占,且要价超高。李永东说:“它不但可以显著降低我国工业单产能耗,还是电力机车、城市地铁和轻轨等现代交通工具的核心关键技术。”1996年,自美国访问归来后,李永东成了“摘柿子”的人。他与北京凯奇公司开始合作这一项目,通过一系列地自主研发,很快就申请了高压变频技术专利,并于1998年通过技术鉴定,投入试运行。当看到亲手研制的几百千瓦的高压变频器首次在北京重型电机厂带动着电机平滑运转,并实现正弦供电、连续调速时,李永东激动不已。

  随着这台机器的顺利运转,一个高压变频器国产化时代也从此拉开了帷幕,当年中央电视台《科技博览》栏目进行了报道。他带领的那个由倚鹏、刘军为主力的不过十人的研发小团队,随后构成了几家国产高压大容量变频器厂家的研发主力。后来继承这一项目发展起来的北京利德华福电气技术有限公司,仅2003年销售量就接近100台,产值超过8000万元,2008年年产值已超过8个亿。到目前为止,实际安装运行超过12000多台,产值近百亿元。突出的业绩使北京利德华福在2004年即超过西门子、ABB等国外电气巨头,一举成为国内市场占有量最大的公司。

  目前,国内大约已经有十几家企业有能力生产高压变频器,包括广州智光电气公司,哈尔滨九洲电气公司,北京合康益盛电气公司等上市公司,都和他们实验室有合作关系,总产量已接近3万台,年产值达30多亿元,并大量出口俄罗斯、印度和拉美,占国内市场的60%以上。

  高端变频的价值

  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颁奖会上,清华大学电机工程系电力电子与电机控制实验室牵头的《高性能级联高压大容量变频调速系统研发与应用》获奖,这使团队负责人李永东倍感振奋。

  该项目所研发的高压变频技术,是一项具有世界领先水平的前沿技术,可以节约大量能源,实现节能环保的目标,对于我国走绿色的新型工业化道路具有重大意义。此外,该技术打破了国外电气巨头的垄断,鼓舞了国人在大容量、高性能变频调速领域赶超世界先进水平的信心。

  从2001年开始,他的实验室正式开始将交流电机控制技术应用到地铁、电力机车牵引系统中的专题研究中,并和北京鹏发公司(2001年)、北车大连研发中心(2002年)和永济电机集团(2003年)等公司开展了多项合作,并参与了我国高铁和谐号的引进、消化、吸收、再创新的整个过程,对行业起了较好的推动作用。在此基础上,清华大学电机系和南车株洲时代集团(我国生产“和谐号”高铁、动车组牵引系统的主力公司)于2011年8月签订了长期战略合作协议,希望在下一代高铁牵引系统的轻量化和高效化方面做出完全自主知识产权的产品,跟上并引领世界高铁发展的潮流。2017年他们和株洲电力牵引研究所组织国内各单位联合申请的国家重点研发计划项目正式获国家科技部批准。

  近年来,他带领的团队还致力于为风力发电、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。他主持研制的具有广阔市场前景的风力发电变频器已经在现场实验运行,并通过专家的评审,并大批量产业化,2014年获中国机械工业联合会与中国机械工程学会科学技术奖特等奖。此外,他的研究领域进一步向船舰艇(包括潜艇和航母)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。

  在路上

  2018年6月22-23日,由清华大学和中车株洲电力车研究所有限公司联合举办的第二届电气化交通前沿技术论坛在清华大学召开。本届论坛由北京市自然科学基金委员会、中国电源学会、国家变流技术工程技术中心、深圳青铜剑科技股份有限公司、国家新能源汽车技术创新中心、IEEE电气化交通专委会(TEC: Transportation Electrification Committee)和IEEE车辆技术协会(VTS: Vehicular Technology Society)等单位协办,清华大学由电机系、汽车系和能源互联网创新研究院承办。中国科学院院士、清华大学汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高教授担任大会主席,李永东教授任组委会主席。

  会上,清华大学李永东教授做了题为“大容量电力电子技术在电气化交通系统中的应用”的报告。报告就行业背景与技术发展;关键技术研究中的高速电机与多相电机,下一代高铁牵引和船舶推进,高压电力电子变压器,列车轻量化和直流电网技术,模块化多电平技术,船舶MVDC和新型牵引网供电以及结论与展望等方面进行了阐述。

  在教书育人方面,他每年主讲清华大学研究生学位课《现代电力电子学》、本科专业课《自动控制原理》和《电机控制系统》。他指导的70多个研究生中,3人获国家奖学金,2人获清华大学优秀博士毕业生,1人获清华大学优秀博士论文,2人获清华大学优秀硕士毕业论文,多人担任高校教授、博士生导师,重点企业、民企和外企总工程师、负责人。他还多次获清华大学研究生“良师益友”称号。2003年获台达电子和中达学者基金计划实施委员会颁发的中达学者(Delta Scholar)荣誉称号。

  他以第一作者身份出版专著3部,2002年由机械工业出版社出版了专著《交流电机数字控制系统》,2005年由中国科学出版社出版了专着《大容量多电平变换器-原理、控制及应用》,2011年由电子工业部出版社出版了研究生教材《现代电力电子学》。发表论文300多篇,其中SCI收录40余篇,EI收录100余篇。他多次赴法国图卢兹国家理工学院、里尔中央大学、巴黎Cachan高师,美国弗吉尼亚理工学院,威斯康辛州立大学,加州大学埃文分校,英国诺丁汉大学,布里斯托尔大学,杜伦大学,加拿大Ryerson大学,麦吉尔大学,魁北克大学,UBC,意大利都灵工业大学,日本横滨国立大学,东京工业大学,明治大学,名古屋工业大学,韩国汉城大学,汉阳大学,香港大学、香港理工大学,智利理工大学等学校开展访问与合作研究,并在国际会议上作专题报告,受到国际同行的重视和广泛关注。

  多年来,李永东在教书育人的同时,主持国家自然基金项目4项、国家863项目和支撑计划项目各1项,中英、法、美、日、韩等国际合作交流项目10项,台达科教基金一般项目和重点项目各2项、其他横向及军工项目几十项,广泛应用于国民经济的各个领域和国防建设中,谱写了一个科技工作者不忘初心、砥砺前行的光辉篇章。

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