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开拓影视照明电源 助力北京奥运照明

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“不忘初心、牢记使命,建功新时代——展风采树楷模”榜样精神宣传人物——张卫平,中国电源学会党委推荐

人物简介:张卫平 北方工业大学教授

人物详细介绍

张卫平教授长期从事电源技术研究,“坚持用基础理论解决工业难题,服务于国民经济建设,满足社会发展需要”。其主要贡献为:

1.开拓影视照明电源研究领域,培育了一个国际品牌电源企业

1994年开始研究影视照明电源,先后主持完成了原广电总局“八·五”、“九·五”攻关课题——“交流无频闪MH灯用电子电源的研究”,国家重点技术创新项目——“高压气体放电灯用大功率-谐振式电子镇流器的研究”,国家自然科学基金项目——“HID灯用高频谐振变换系统稳定性的研究”,北京市“高层次人才”项目——“基于中功率照明电源系统的优化方法与功率集成技术的研究”,北京市“拔尖人才”项目——“照明电子电源系统集成中基础理论和关键技术研究”,北京市自然科学基金项目——“带有非线性-时变负载高频开关谐振变换器稳定性的研究”等课题。课题涵盖了电子镇流器、触发器和测试装置等关键理论、原创性核心技术和先进的成套技术,取得了如下主要成果:

(1)拓扑结构:①基于Buck和Boost变换器具有相同三端等效开关的发现,发明了适合电子电源中PFC和DC/DC变换器的大功率软开关技术,使整机效率达94%,解决了系统高温运行的难题,输出功率由18 kW提高到24kW;②基于LCC网络增益曲线与HID灯电气特性完美匹配的新发现,发明了高频谐振式单级电源电路,将直流变换、逆变和高压触发三者集成为单级电路,效率97%,降低成本到1/5。

(2)控制策略、声共振和建模:策略:基于MH灯不同工作区域特征差异明显的新发现,发明了开环、单电流环和双环等控制模式自动切换的自适应控制策略,延长灯的寿命1.5倍;提出了电源与触发器分频区工作原理,使电源与触发器协调工作。声共振:①发现了大功率HID灯低频声共振现象及其成因—与功率等级、地磁和电流纹波等有关。提出的抑制技术是降低电流纹波和电流环的穿越频率;②发明中小功率HID灯高频声共振抑制技术——减少能量破坏起振条件。建模:①提出HID灯的低频模型和高频通用模型,描述灯起动、稳态、声共振等电气特性,为系统设计提供了理论依据;②给出电子电源的双环控制模型;③提出类Buck变换器的小信号模型范式;证明Buck、谐振变换器及低频逆变器具有类似的小信号模型。

(3)电子触发器:在理论上发现Tesla变压器能量传输效率最大条件,研制出电子触发器。使用倍压技术和高频变换器技术,降低体积和成本到1/10;采用了气体放电管和电子电源供电,解决了起动噪声影响同期录音和重复起动两大难题。

(4) 研制弧光成像与电气参数综合测试装置,兼有示波器与红外热成像仪的双重功能,实时记录HID弧光形状、强度与电气参数之间的关系,用于实验研究电控气体放电特性与标定最佳工作参数。用该装置发现低频声共振现象、观察到高频声共振的形成过程。

这些成果在电力电子系统以及气体放电灯照明系统的理论研究和产品研发领域具有基石的创新意义。中国电力电子学会鉴定会的结论是“技术发明为国内首创,填补了国内空白,达到了世界先进水平,在功率等级和运行环境温度两项指标领先于国际同类产品。”中国工程院外籍院士、Fred C. Lee教授的评价是:“张卫平博士在拓扑结构、控制技术等研究领域内做出了突出贡献,为电力电力学的研究开拓出一个新的研究领域。”研制出125W-24kW影视照明电源系列产品,并规模化生产。培育了一个国际品牌的电源企业——北京莱斯达电子科技股份有限公司,产品出口欧美和亚非,解决了220余人就业问题。其产品被认证为我国政府采购指定产品,2005年为德国汽车展提供了全部的照明系统,2006年为多哈亚运会电视转播提供了全部的照明系统,2007年为中央电视台提供了照明系统,2008年承担了第29届北京奥运会国家体育场主火炬照明系统用镇流器和控制柜的设计及现场调试任务。2017年国内产值2.69亿元,出口1628万美元。改变了我国影视照明设备长期依赖进口和大型活动媒体照明受制于人的局面,为我国媒体照明提供了现代化照明环境。

2013年“交流无频闪MH灯用电子电源系统基础理论和关键技术研究”获第二届中国电源学会科学技术奖技术发明奖一等奖;2016年“影视照明电源系列关键理论与成套技术研发及应用”获北京市科学进步奖三等奖;2017年“125W-24kW 影视照明系列电子电源”获第四届中国电源学会优秀产品创新奖。

2.研究下一代光伏与储能系统的应用基础理论和关键技术,成果显著

从2012年起,开始研究太阳能发电与储能系统,主持完成了国家自然科学基金项目——“光伏发电系统PV阵列串-并联功率优化技术的研究”,北京市自然科学基金重点项目——“串联均衡-并联跟踪光伏阵列及其匹配技术的研究”,北京市属高等学校创新团队建设提升计划项目——“下一代光伏与储能系统关键技术的研究”以及5项北京市科委和教委科研计划项目。发表论文20多篇,取得发明专利3项、实用新型专利2项。

PV阵列优化的成果摘要:部分遮蔽使PV阵列的平均损失约为25、使其V-P特性为多峰值曲线、降低了MPPT的效率、其动态功耗高达70~80%。因此,提出了PV组串的串联电压均衡和并联优化技术以及标准PV组串技术。其主要成果为:

1)首次综述了近年来已发表PV阵列优化技术,用直流平均模型分析其工作原理、优缺点及其使用场合。

2)串联均衡技术:提出了无传感器—单开关—PV组串电压均衡技术。实验结果表明消除了局部MPP,电压利用率由45.3%提高到理想值,功率利用率45.5%提高到95.2%。

3)并联优化技术:应用桥式Buck-boost MPP跟踪器,提出了PV组串的并联优化技术,实现了自动均流和自动均衡。

4)提出了标准PV组串技术:其结构是为每个PV模块并接一个电压均衡器,形成组合PV模块,使其工作在其MP点;为PV组串增加一个MPP跟踪器形成标准PV组串。标准PV组串中包含电压均衡器内环和MPPT外环,内环的响应速度至少大于外环十倍,否则会出现MPPT振荡。

5)其它成果含新型MIC(微型光伏发电模块)系统、PLL(锁相环)的规范模型、基于载波通信的PV阵列的监控器。

正在研究大功率储能系统,取得的阶段成果摘要:储能系统由电池包与开关变换器组成。因电池模块的特性失配致使电池包存在着“容量取小效应”、“开路效应”、“环流效应”、“自放电效应”和“短路效应”等,使其实际效能约在40~60%。因此,提高电池包实际效能是一个重要的研究问题。储能系统是一个高可靠性系统,但存在着如下特殊问题:1)宽范围工作电压导致放电系统输出的过冲或响应速度过慢等现象;2)电池的充电规律致使系统有CCM/DCM、电压/电流四种工作模式;3)锂电池具有慢时变动态特性,使得放电系统的源阻抗和充电系统负载阻抗随放电次数而变化 。因此,需要研究数字控制器的自整定技术,以满足各种苛刻工况。

研究内容一:大功率电池包的拓扑结构及其优化理论,含单体电池的大信号模型、标准模块的拓扑结构、有源电池模块及其有源电池阵列以及Sudoku优化阵列。研究内容二:锂电池交流阻抗谱的测量及其健康管理。美国能源部将电化学阻抗谱测量作为电池性能衰减的一种新技术。正在研究的问题有:嵌入式锂电池交流阻抗谱测量的技术、锂电池小信号电气特性的可测性证明、分频段—多频参数辨识方法、电池健康管理与寿命预测的方法。研究内容三:控制器自整定技术。因储能系统存在“宽范围工作电压、四种工作模式和锂电池的慢时变动态特性”等3个特殊问题,导致了双向DC/DC变换器的控制器是一个变结构-变参数的网路。正在研究的内容有:参数调节理论——误差相量方程及其相量分解和整定PID控制器参数的优化方案。

3.建立了“节能照明电源集成与制造北京市重点实验室”

2001年创建北方工业大学绿色电源实验室,主持完成了国家发展与改革委员会重大专项——“国家新型电力电子器件产业化专项——用户专用高效节能电力电子模块产业化”,国家自然科学基金项目——“窄带控制-高性能PT功率变换器的研究”。2016年被北京市认定为“节能照明电源集成与制造北京市重点实验室”,该实验室基于第三代功率半导体功率器件(简称3G),以节能照明电源为研究对象,开展3G电源的基础理论与关键技术的研究。

4.在普及“开关变换器建模与控制理论”方面做出了突出贡献

我国电源产业工程师普遍使用落后的试错法、盲目地调试电源系统。为了满足我国电源产业发展的实际需求,适时更新教学内容,培养人才、服务于产业、提高其的核心竞争力,编著了《开关变换器建模与控制》,开办全国电源工程师培训班,将生涩难懂的理论变为工程师易于掌握的数值设计工具,改变了电源工程师依靠经验盲目调试的局面,为我国电源产业的发展和人才培养做出了突出贡献,2015年被中国电源学会授予电源工程师培训杰出贡献奖。

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