李永东：把论文写在祖国大地上

——励精图治三十载,电机控制铸辉煌

破除四唯,硕果累累甘当幕后操盘手

2019年4月,中国自动化产业领域2018年度团队正式揭晓,清华大学电机系的“先进能源变换和电气化交通团队”摘得这一奖项。全国自动化领域中科院、大学、公司和国防科研院所众多科研团队申报该项荣誉,经过前期推荐、专家严格评审并公示,共有四个团队获奖。推介词显示,该团队包括多名具有海内外博士学位、且扎根中国大地多年的年轻成员,长期从事高性能大容量交流电机控制领域的国际前沿研究,并致力于成果的产业化,为我国的节能减排、工业自动化和交通电气化事业做出了突出贡献,取得了巨大的经济效益和良好的社会效益。

2018年3月,由清华大学电机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》项目获得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,随后又获得2018年中国电工技术学会颁发的科技进步奖。该项目所研发的高压变频技术,广泛应用在我国钢铁、电力、石化、煤炭、矿山和风洞等工业领域和西气东输、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、压缩机等系统的高压大功率交流电动机中。应用高压变频技术,可以节约大量电能,全国每年达上百亿度,实现节能环保的目标,对我国走绿色的工业化道路具有重大意义。

2018年4月,清华大学电机系电力电子与电机控制实验室研制的全系列高性能永磁电机伺服系统获日内瓦国际发明展览会特别金奖。该高性能交流电机控制系统于2007年推出,得到大量推广应用,尤其是在工业机器人及数控机床伺服驱动器的产业化应用方面成果突出,并曾获得2014年中国电工技术学会颁发的科技进步奖。

环球网军事2017年10月25日报道:“我国首台潜艇用永磁推进电机动车成功,具有完全自主知识产权。”适逢十九大召开之际,中国造船工业传出重磅消息。据“中船重工”微信公众号23日报道,10月18日上午,由中船重工七一二所首套实艇安装的永磁推进电机动车成功,各项性能指标均满足技术要求(主任设计师为七一二所研究员高跃,2007毕业于清华大学电机工程与应用电子技术系,获博士学位,导师,李永东教授)。据军事专家介绍,永磁电机将对潜艇特别是核潜艇的静音性能带来很大提高,这标志着中国核潜艇将有望成为世界上最安静的潜艇之一。

2017年2月25日10时33分,随着G65次列车驶出北京西站,标志着我国自行设计研制、拥有全面自主知识产权的中国标准动车组样车上线运营。两列标准动车组分别为,中车四方机车车辆股份有限公司生产的“蓝海豚”,中车长春轨道客车股份有限公司生产的“金凤凰”,时速高达350公里。从2001年清华电机系研制地铁电力牵引系统,随后和北车集团研制高铁牵引变频器开始,到2011年和中车集团株洲电力机车研究所签订战略合作协议以来,铁道部制定的2020年四纵四横铁路网规划已提前实现,并在向八纵八横迈进,目前从西安到乌鲁木齐的高铁也已开通。

最新消息:中国海军最新型的003航母已经放弃了使用传统的蒸汽弹射技术,改用经过充分验证过的海军工程大学马伟明团队完成的电磁弹射技术。马伟明1996年从清华大学电机系电力电子与电机控制实验室博士毕业,41岁的他于2001年成为中国工程院最年轻的院士!让他真正成为军事界“网红”的,是近年来他带领团队完成的航母电磁弹射技术,因为他的这项工作,中国的航母实现了巨大跨越。电磁弹射器是航母的核心部件,决定战机能否从航母上顺利起飞,全球目前仅美国最新的福特级航母使用了电磁弹射技术,造价高达9亿美元。从2006年开始,马伟明瞄准了电磁弹射器,由于国家经费有限,他从自己的科研积累中拿出2000万元搞电磁弹射。在2008年,他们终于研制成功小样机,接着又突破了全部关键技术,做出了1:1设备样机,并完成舰载机的地面弹射实验,终于使中国成为世界上第二个掌握电磁弹射的国家!

马伟明院士在博士期间就开始研究中国潜艇的动力问题,那时中国核潜艇的发电机都需要进口。他发现对方电机存在“固有振荡”问题,但是外方却拒不承认!三十多岁的马伟明内心憋了一股劲,决心攻克这一难关。回国后,他拿出3.5万块钱改造实验室,在六年时间里,他和研究团队五加二、白加黑,发奋图强。终于,1800多个日夜后,中国有了自己的潜艇发电系统,还从根本上解决了这个“固有振荡”的世界难题。众所周知,海基核力量是人类的终极真理,是公认的最具有威慑性的核武器。所以英、法等国宁可放弃陆基导弹,也要保持自己的战略核潜艇。2015年由清华大学电力电子与电机控制实验室研制的用于海军对潜通信发射机放大器系统获中国电子信息产业集团科技进步奖。该对潜通信发射机放大器系统采用多电平电力电子变换技术,于2012年实现了我国潜艇的机动深海通信设备的列装,为彻底打破超级大国对我国的战略遏制和讹诈做出贡献。

2014年10月,清华大学电机系电力电子与电机控制实验室参与研制的“大功率风电机组”项目获中国机械工业科技进步特等奖。风力发电2020年新增3000万千瓦计算,每台2500千瓦计算,约有13000多套控制系统需要供应,如果每套80万元计算,有100多亿元的产值。过去控制系统大部分采用国外产品,不但价格高,而且维护成本很贵,给企业运营加重了负担。该实验室与有关企业合作开发的双馈逆变变频系统,已经在国内风机成套企业进行本地化生产和配套服务。

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这个清单还可以列的很长、很长。我们一直好奇的是,是谁推动着这一切的实现,是什么让我国在这些高端科技的竞争中逐渐胜出?

心向东方,高科技助推节能减排事业

说来话长。1988年初,刚刚获得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重新回到了祖国熟悉的土地,如果说在法国的五年,李永东主要在理论研究上苦心钻研,那么回国之后,他的目光更多的则投注到产业化实践当中。30多年来,他念念不忘当初国家送他出国的费用--近40万元人民币,那可是当年200个大学生毕业后4年的工资!但我们也算了一下,这些年来他和他的合作伙伴共为国家创造的高科技产值达到几百亿元,这还不算这些产品产生的节能和环保收益,以及为用户节省了大量投资(如购买国外产品必须付出几倍的价钱),国家的投资回报率为1:100000,还有什么数据能比这更有说服力!

回国之初,在清华大学电机系师从校长高景德院士做博士后的李永东以其扎实的理论基础和实践操作能力倍受关注。当时为支持节能事业,系里陈丕章教授从北京市三电办争取了一个变频器的项目。李永东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。经过一番努力,他们研制的变频器在北京和平宾馆进行了24小时连续运行试验,并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,受到李瑞环等党和国家领导人的亲切接见。而这,无疑也是李永东为其博士后研究工作提交的最好答卷,他的杰出表现,更是被《中国青年报》在头版头条加以报道。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。

对于自己所做的一切,李永东还是有着清醒的认识,他说,“高压大容量变频器是我的另一个主要研究方向,我们在这一领域的研究在国内外还是比较领先的。这种新型高性能的大容量变频器,对电网污染很小,节能效果巨大,市场也十分广阔。”的确,这并不是他的一家之言,根据国家经贸委1995年对电气节能调查的相关统计数据显示,钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机;石油化工生产用的压缩机;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的余量,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,每年浪费近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和发展成为当时非常受关注的热点。它不但可以显著降低我国工业单产能耗,还是各种电力机车、城市地铁和轻轨等现代交通工具的核心关键技术。据统计,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),市场的需求量就会超过10万台。

这组数字实在是有着不可抗拒的诱惑力,但是要有所收获一定要付出怎样的心血和汗水?要知道,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,很少有企业能够承担天文数字般的要价,中国人要做的话则被称为是“堂吉诃德”式的设想。1996年,自美国访问归来后,他就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,很快地,他们就申请了自己的高压变频技术专利,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!整个项目组激动不已!他们所创造的又何止是一台高压变频器?实际上,随着这台机器的正常运转,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》就进行了报道。他带领的那个由倚鹏、刘军为主力、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。截止到目前为止,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。“这是我们的科研成果与投资公司合作,应用到实践中推动产业发展最好的一个例子”,谈起这些,李永东依然掩饰不住内心的自豪。是的,这是他的自豪,更是中国人的骄傲!在他们的努力推广下,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,占国内市场的60%以上,并大量出口俄罗斯、印度和拉美。

国产高压大容量变频器厂房

俯首耕耘,铸就育人和产业化的辉煌

当我们了解到刚回国留校时,李永东老师的月工资只有100多元,而他留在国外的同学月薪基本都是上万法郎时,不能不肃然起敬。而他却笑呵呵地说,“我这个人从小对金钱没有什么概念,不但从没有向家里要过一分零花钱,而且每到假期都要带着弟弟们到妈妈所在的工厂去打工,挣学费和书本费。记得1976年高中毕业后,打了一个多月计件的零工,挣了170多元,相当于父母两个人两个月的工资,也都全数交给了母亲,当时解决了家里的大问题”。回顾在清华近三十年的历程,他也是这样,只要是对实现民族产业振兴有利的事,他从来都是全力以赴,奋不顾身,最终实现了科技产业报国的夙愿。他经常说:“在电力电子这个行业里如果只做理论,对国内经济的发展不会有大的促进作用。我非常鼓励学生毕业后去企业里工作,事实证明他们确实能很快把技术转化为实际生产力,作为生产骨干和参与人员研发出不少的实用产品,这是我最乐于看到的事情。”

诚如李永东教授所言,他不但倾其全部精力投入到高压变频技术的产业化研究中,同时,在他的教育生涯中,也把培养产学研结合的融通型人才作为自己的首要目标。

他因材施教,通过不断引导,耐心鼓励,使很多学生在工作岗位上都做到了厚积薄发,或成为钻研技术的专才、企业高级技术人才、技术管理人才,或成为专门的管理人才。他注重理论联系实际,强调研发人员要深入实际,了解实际需求,解决实际问题,真正促进产业发展,把各方面的投资做出价值。他鼓励学生深入企业,担当重任,而他们也确实没有辜负他的期望,不仅能够很快把技术转化为实际生产力,还作为生产骨干和参与人员研发出不少的实用产品。看到这些,李永东无比欣慰,这些后起之辈是我国变频技术发展的潜力和希望,还有什么能比他们有所作为更让他高兴的事呢。

在繁荣的背后,中国高压变频器也曾面临不小的挑战。前些年,众多投资者盲目地进入市场,带来了技术抄袭、恶性竞争等不良风气,导致利润微薄、多家中小企业破产。这直接打击了众多企业在技术上的创新积极性,并扰乱了原有的市场格局。面对这一困境,李永东再次强调“要么上容量,要么上精度”的观点,着眼世界前沿,带领团队攻克核心技术。

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。这中间他们还于2008年开展了清华关于轨道交通的自主项目的研发,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,校党委陈旭书记、系党委赵伟书记和曾嵘系主任与丁荣军院士、所长参加了签字仪式,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年他们和中车时代集团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也获国家科技部批准。

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。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。

结 语

李永东教授现任清华大学电机工程系教授、博士生导师,“先进电能转换和电气化交通”团队负责人,清华大学新概念汽车研究院副院长、中国电源学会交通电气化委员会主任委员、中国电工技术学会电力电子分会副理事长、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。他长期从事高性能,大容量,全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究,尤其是在高压大容量异步电机变频调速,交流电机矢量控制和转矩直接控制及其数字化实现和无速度传感器运行等方面提出自己的控制方法和理论,申请了七项发明专利,并应用到实际系统中。他主持过多项国家自然科学基金、国家863项目和几十项其他国内外企业横向课题的研究,发表了300多篇论文,出版了三部专著。2003年获“中达学者”,2013年获“天山学者”荣誉称号。

对于自己的成绩,李永东谦逊地说,“电力电子等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。目前我只是一个三无(无国奖,无名头,无Science论文)科技工作者,但我希望把论文写在祖国大地上”

李永东老师和他的团队