人类历史上的无产阶级精神领袖、国际共产主义运动先驱卡尔·马克思曾经说过一句简短的名言:“怀疑一切”。这句话是马克思本人最喜欢的格言,它提倡以实践等多方面的形式来去除最后的怀疑,从而找到真理。多年来,西安交通大学电气工程学院刘进军教授也将它视为自己的座右铭,在研究过程中始终保持着持之以恒的态度和追根究底的决心,从而为我国电能质量领域的发展做出了巨大贡献。
刻苦求学 结缘电能
西安交通大学电气工程学院是我国高等教育创办最早的电工学科,学院师资力量雄厚、实验设备先进。百年沧桑,春华秋实,经过几代人的努力,今天已成为我国电气工程领域人才培养和研究创新的重要基地之一。刘进军正是在此度过了自己的大学时光,学到了扎实的知识与本领。谈及入学的历程,刘进军回忆道:“当初我选择来到西安交通大学攻读工业电气自动化专业,也有些偶然因素。那时我所在中学的校长刚刚访问过西安交大,西安交大良好的环境和学风给他留下了深刻的印象。正好西安交大来到我们中学招收保送生,校长极力向我推荐这所学校。加之社会舆论还未对国内有实力的大学进行排名和区分,我和父母很自然地就被校长说服了。”
西安交通大学电气工程学院教授 刘进军
对于大学生来说,专业的选择至关重要,刘进军对选择专业的过程仍然历历在目。“当时对专业的选择其实有点盲目。那时专业领域都划分得很细,然而同大多数高中毕业生一样,我对各个专业的大致内涵并不了解。能够在众多的专业中选择工业电气自动化,纯粹是因为名字好听,觉得这个专业既有‘电气’,还有‘自动化’,一定能学到很多知识。用现在年轻人的话来说,这个专业一定是超炫的。”
在大学期间,刘进军刻苦学习,保持着强烈的求知欲和上进心。他始终认为,学习需要持之以恒,刻苦钻研,只有这样才能让自己得到提升。“在本科期间,我每天都会对课业进行同步复习和理解,在学习每门专业课时,都会阅读相应的英文原版教材作为参考,并且每天都会用10分钟的时间对英文单词和专业术语进行默记。在研究生阶段,我仍然坚持朗读和背诵英语短文,每周都要在图书馆国际学术期刊阅览室用4~8个小时来阅读和摘记专业领域的文献。”
在本科阶段的实习经历也给刘进军留下了深刻的印象,对此他回忆道:“在本科毕业设计之前,学校都会安排我们去企业进行实习。当时我们来到了上海宝山钢铁公司自动化部,在将近一个月的时间里,我们接触到了厂区内几乎所有的自动化设备和系统,对在课本中学到的知识也有了更为深入的理解。整个实习过程是我们综合运用专业理论,分析、理解实际设备和系统的初步实践,解答了我们在知识理论学习中遇到的许多疑惑。在实践成功后,我们还获得了企业工程师的鼓励和赞许。”
1992年7月,刘进军顺利完成了在西安交通大学电气工程学院本科阶段的学习,获得了工学学士学位。1997年3月,刘进军获得工学博士学位,随即留校在电气工程学院任教至今。
从本科毕业设计开始,刘进军与电能质量结下了不解之缘。对于初次接触电能质量,他仍然记忆犹新。“在本科毕业设计开始之前,我有幸成为了本专业三名保送研究生中的一员,在本科阶段最后一个学期,完成了对研究生导师的选择。王兆安老师当时在专业教研室里的研究课题经费最多,所以选择了他作为我本科毕业设计和研究生阶段的导师。王老师于上世纪八十年代末从日本学成归国,在国内率先开展了有源电力滤波器的研究。王老师给我安排的本科毕业设计和研究生论文课题都与有源电力滤波器相关,正因如此,我也有幸成为了国内较早进行基于电力电子变流器的电能质量控制技术研究团队成员之一,从此进入了电能质量领域。”
在研究的过程中,刘进军被有源电力滤波器的基本原理和无功功率与基波电流的实时提取方法所吸引。“谐波竟然能够被实时分离出来,而不用通过复杂的傅立叶变换,从而进一步实现谐波电流的实时跟踪,当时我感觉这项研究非常有趣,从而让我坚定了继续钻研的决心。”
认清行业 见证发展
多年来,刘进军通过在电能质量领域的不断钻研,不仅在学术范围内获得了突破,更为百姓的生活带来了直接的便利。有一件事令他印象深刻,“十几年前,在甘肃偏远地区的一个县城,当地电信部门在城外的小山上建成了移动通信基站。由于给基站供电的线路处于一个弱电网的末端,附近又有一些强烈的扰动源,使得基站的供电电压质量非常恶劣。移动通信设备几乎是一上电就进行自我保护而关机,通信基站建好已有两年时间,但始终无法正常运行。有关部门采用过磁稳压器等许多基于传统技术的办法,但并未解决问题。县城里许多人的手机已购买了一两年仍然无法使用,给生活带来了极大不便。”随后,刘进军团队采用了串联有源滤波器改善通信基站供电质量的方案,方案一经实施,效果非常明显,通信基站所有的设备终于能够正常运行。县城老百姓发现手机突然可以使用了,高兴的奔走相告,也让去现场调试的课题组教师和研究生们充满了成就感。
与此同时,作为我国电能质量控制技术发展的见证人,刘进军对电能质量行业的进步有着深刻的感悟。“我国以有源电力滤波器为代表的电能质量控制技术研究,是从二三十年前学习国外先进技术开始的。从装置基本原理、控制方法、具体电路实现,到补偿特性和应用技术的优化,每一步都走得十分扎实。十几年前,国产第一批有源电力滤波器批量产品上市,使得国外同类产品报价跌到不足原来的一半。如今,大批国内企业都推出了系列化产品并不断完善,在市场竞争中已经完全能够和国外知名企业一较高下了。”说到这里,刘进军充满了自豪与欣慰。“如今在一些运用有源电力滤波器的复杂工况下,国内产品投入运行后就能解决问题,进口的产品反而无法发挥正常作用并发生振荡。每当此类情况出现,我内心的喜悦是无以言表的。”
对于我国电能质量行业的发展与蜕变,刘进军也有着清醒的认识。“在过去二三十年中,我国基于电力电子变流器的电能质量控制技术已取得了长足进步,相关的先进技术产品已广泛应用于电能质量控制的各个实际领域。从上世纪八十年代末开始,最初的研究集中于有源电力滤波器和静止无功发生器等先进装置的基本原理、控制方法和概念性装置基本功能的实现。本世纪初期,相关的研究已转移到进一步提升、完善各种基于电力电子变流器的电能质量控制装置的控制方法、策略和技术。2005年,中国企业先进的电能质量控制装置产品开始批量上市。如今这些产品已被广泛应用于全国各地,覆盖数十个行业,获得了巨大的经济与社会效益。单就基于电力电子变流器的电能质量控制装置来说,就已经形成了规模可观的产品市场。”刘进军还提到,我国电能质量的监测技术和相应产品在过去二三十年里也取得了长足进步。相关的先进技术产品已广泛应用于各种电能系统的电能质量监测,覆盖面正在迅速扩大。
“在过去的十年中,分布式电源与微网系统逐渐兴起,它们在电力系统中的渗透率逐渐增大,变化明显。这给各种独立电能系统以及公共大电网系统的电能质量问题带来了诸多新的问题与挑战,需要我们从基本理论、基础解决方法和相应的技术和产品上进行深入研究和具体应对。”
深入研究 指明方向
在过去的时间里,我国电能质量行业获得了长足的发展和进步。通过多年的研究,刘进军指出了目前电能质量控制行业需要关注的两个问题。
首先,无论是解决负荷侧发生的负载电流质量问题还是电源侧发生的供电电压质量问题,电能质量控制技术都可以分为被动补偿和主动控制两大类。所谓被动补偿,就是问题发生后(如产生了负载谐波电流或者电源供电电压有暂降等),由电能质量控制装置进行跟踪补偿,以抵消掉相关电流或电压的畸变以及扰动。所谓主动控制,就是负荷或者电源本身精确地、高质量地控制自身产生的负载电流或者供电电压,使之本身符合电能质量的要求而无需补偿。实际上,被动补偿技术受到了更多的关注,负荷侧的主动控制技术也得到了长足发展,但电源侧的主动控制技术尚未得到充分重视。近年来,随着分布式电源和微网等技术的应用不断增多,在电源侧部分或者全部通过电力电子变流器进行供电的场合也越来越多。如何能够充分发挥这些变流器对电能质量的主动控制作用,值得电能质量控制行业投入更多的关注。
其次,区域供电系统或微网的电能质量综合优化设计方法和技术,值得电能质量控制行业重点研究和开发。对一个区域(如厂区、办公楼、住宅小区等)的供电系统或者微网来讲,电能质量问题源头的类型多种多样。系统的电源、负载类型、容量、成本、电能质量控制能力等因素错综复杂,系统的供电结构也并不相同。如何在进行电能质量综合优化设计时,既能使得系统电能质量符合要求,又不会造成过多损失,这一直是个值得深入探讨的问题。近年来,随着电能质量行业的深入发展与蜕变,给这个问题的解决找到了方向,提供了更为先进的电能质量检测和控制技术。只有将此问题解决,电能质量技术的应用领域才能得到大力的拓宽和延伸,进而向广大电能系统业主和用户充分展示出电能质量控制所带来的巨大经济和社会效益,意义十分重大。
目前,“区域供电系统、微网的协调控制以及系统稳定性监控”正是刘进军的重点研究方向。具体研究内容包括:区域供电系统和微网内部分布式并联电源的协调控制及综合优化设计;区域供电系统和微网与大电网之间的切换控制;区域供电系统和微网在孤网运行或与大电网联网运行时稳定性的监测与控制。
坚持教学 硕果累累
如今,刘进军在西安交通大学电气工程学院主要从事电力电子技术的研究和教学。对此他向我们介绍道:“电力电子技术主要研究的是如何采用半导体器件对电能进行变换和控制,是电气工程领域的新兴学科,与电子、控制工程领域有强烈交叉。现在我年均授课近130课时,每年用英语为本科生和研究生讲授课程各一门。”在教学领域,刘进军获得了许多成就,他主导建设的《电力电子技术》课程先后入选了国家级精品课程和首批国家级精品资源共享课;用英语讲授的视频公开课开放两年,即被国内外收藏下载超过40万次;合作主编的电力电子教材在国内发行量始终保持领先,获得了2010年中国机械工业科学技术二等奖,成为首批入选“十二五”国家级规划教材之一,这些课程改革成果更荣获了2013年陕西省教学成果特等奖。刘进军也因此当选了教育部电气类专业教学指导委员会的副主任委员。
与此同时,刘进军一直致力于电能质量控制和多变流器电能系统这两个方面的研究。在电能质量控制方面,他提出了瞬时无功功率与传统功率统一理论,以及有源电力滤波器的系列检测控制方法,解决了国际上在各种复杂工况下,难以找到稳定、快速检测控制方法的难题。有关研究结果获得了有源电力滤波器权威学者、曾任IEEE电力电子学会主席的东京工业大学赤木泰文教授,美国密西根州立大学彭方正教授,以及日本电气学会工业应用学会主席、东京都立大学清水敏久教授等人的高度评价,他们称赞这是国际上首例深刻揭示有源电力滤波器几类典型控制方法内在规律和本质联系的研究。该成果获邀在韩国举行的IEEE ICPE 2007会议上做了大会特邀报告,同时,这也是电力电子领域的中国学者首次在非中国大陆承办的IEEE系列大型国际会议上做报告。
基于上述研究结果开发的有源电力滤波器,总体性能与国际同类技术产品相当,部分指标更占有明显的优势,填补了国内空白,引领国内企业打破了国外垄断,在市场占有率上追平了进口产品,获得了2011年国家科技进步二等奖。该成果的鉴定结论中指出,刘进军提出的相关理论及检测方法达到了国际领先水平,做出了核心的贡献。
在多变流器电能系统方面,刘进军提出了新型变流器系列拓扑和控制,以及变流器间协调控制的系列方法,这是国际上首创的一种基于对各变流器阻抗的独立测量来分析系统稳定性的方法。该成果了获得前任IEEE电力电子学会主席、美国工程院院士Dushan Borojevich教授,IEEE电力电子会刊前主编、丹麦Frede Blaabjerg教授等人的高度评价和多次引用。他们认为此项研究为多变流器电能系统的分析和设计问题,以及多端柔性直流系统的稳定性问题提出了初步有效的解决途径。该成果获邀在IEEE IFEEC 2013会议和IEEE ICPE 2015-ECCE Asia上做了大会特邀报告,
以上述研究为核心,刘进军共发表SCI论文40余篇、EI论文二百余篇,授权中国、美国发明专利共30余项。合作出版的电力谐波有源抑制方面国内第一本专著先后多次印刷,已被引近5000次。研究成果还被十余部教材和专著收录介绍或参考引用,受邀赴美国俄亥俄州立大学、田纳西大学、新加坡南洋理工大学、台湾大学、成功大学等多所电力电子领域有重要影响的境外高校做专题讲学。
刘进军始终认为,做研究必须要有持之以恒的精神。他进一步说道:“做研究最忌讳的就是‘东一榔头、西一棒槌’,有人笑称为‘打一枪换一个地方’。其实,只要看准研究的意义和方向,哪怕短期内不能获得进展,也应该坚持探索。如果短期内进展较快,也不能采取‘捞一把就走’的态度。因为只有持之以恒,才有可能深入到问题的本质,才有可能获得更大的突破。当然,审时度势地对研究方向进行调整,做到与时俱进也是十分必要的。这与持之以恒看上去相互矛盾,但我认为应该采取辩证的态度来看,不探索出问题的本质,就不应该轻易改变研究方向。”
同时,刘进军认为在研究中保持追根究底的决心十分重要。“在科学研究中,如果沉不下心,盲目地追求各种新兴研究方向,也注定是失败的,不可能留下具有重要贡献的成果,留下科研的‘传世之作’。”也许,这就是他将“怀疑一切”作为自己的座右铭的原因之一。
与很多人一样,刘进军教授平时喜欢看电影和旅游,听音乐和打篮球也是他的爱好。未来,刘进军将会继续坚守在教学与科研的前线,期待着能够在电能质量行业做出更大的贡献,从而推动整个电能质量行业不断向前发展。
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