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何湘宁教授团队在《自然·通讯》发表研究成果——电力电子的本质特征以及电力变换融合通信实现“会说话的电能”

发布日期:2020-05-19  作者:  编辑:wangx  访问量:1463

       518国际著名学术期刊《自然·通讯》(《Nature· Communications》)在线发表了浙江大学电气工程学院何湘宁教授团队的研究成果——《电力电子的本质特征以及电力变换融合通信实现会说话的电能“Nature of power electronics and integration of power conversion with communication for talkative power”。论文从一个全新的角度审视了电力电子变换技术的基本属性,揭示了电力电子系统不仅具备电能变换功能,还具备信息交流潜质。该研究发现了电力电子技术的信息本质特征,阐述了这一本质特征的物理意义和实现通信方法的理论基础。论文进一步提出了电能变换与数据通信的一体化集成调控技术,使得电力电子变流器自身可以同步完成电能变换与信息传输,其输出电能均携带信息编码,彼此可自主对话。该项研究对电力电子学科的相关基本概念和传统认知具有一定的颠覆性,有望开辟电力电子和通信技术交叉融合的新方向。

电力电子技术是采用功率半导体器件和功率无源元件对电能进行变换和控制的技术,它改变电能基本形态以实现电能交直流形式的多样化,能够极大提升电能应用效率。电力电子技术已成为21世纪应用最广泛的技术之一,渗透到了工业生产和社会生活的方方面面。

自电力电子技术诞生以来,人们对于它的理解和研究仅停留在电能变换和功率调控的层面,采用的脉宽调制PWM技术也是以变换系统的输入/输出电能为主要研究对象和调控目标。随着现代信息技术的发展,电力电子系统也实现了信息化、网络化的应用。但目前电力电子与信息网络在物理层一直还是相对独立的二个系统,长期以来被看成遵循完全不同的工作原理,属于两个跨大类的不同学科范畴。事实上,电力电子技术和信息通信技术均基于电磁理论发展而来,而电能又是信息交互不可或缺的物质载体。为探究两者的内在关联性,何湘宁教授团队进行了多年的电力电子与信息通信的跨学科持续钻研,取得了显著的成果。研究发现电力电子变流器具备信息本征属性,从本质上揭示了电能变换与信息调制过程的一致性。在此基础上,提出了基于电力电子变换的功率调控与数据交互深度融合的调制方法,无需附加通信硬件和相关软件,即可实现变换电能的会说话功能。新型功率/数据双重调制方法,即功率调制以提高电能变换效率为目标,而数据调制以提高信息传输效率为目标,二者融合集成一体化,实现了能量与信息的同步调制与协同传输,大大扩展和提升了电力电子变流器的综合性能。论文给出了详实的理论分析结果,还以可见光通信领域的应用为例进行了详细的实验验证,使电能变换系统在提供光照能量的同时提供信息编码。其原理和方法可被广泛应用于各类模块化电力电子系统装备,包括分布式电源,电气化交通,可再生能源发电,网络通信电源基站等等,具有重要的工程应用价值

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1 变流器#1采用功率/数据双重调制技术(PWM/FH-4DPSK),在功率变换时,同步与变流器#2#3实现数据通信。

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. 2 变流器进行功率/数据双重调制时所表征的功率变换和信息交互特性

    这项研究通过对电能变换与数据通信内在一致性的原理性解析,构筑了电力电子与信息电子之间的物理桥梁,具有普适性价值。为在电能系统或者通信系统中的二者深度融合和一体化集成设计提供了全新思路。《自然·通讯》的评审专家认为:这项研究为链接起电气工程与通信工程做出了重要贡献significant contribution),将影响通信工程师和电源工程师的思维方式”(may influence the thinking of both communication engineers and power supply engineers)。据悉这是《自然·通讯》首次发表电力电子变换领域的研究成果。

    何湘宁教授和王睿驰博士是该论文的共同第一作者,吴建德博士是论文的通信作者,李武华教授是论文的合作者。本研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研究计划等项目资助。

    论文全文链接:

“Nature of power electronics and integration of power conversion with communication for talkative power”, Xiangning He, Ruichi Wang, Jiande Wu, & Wuhua Li,

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16262-0

NATURE COMMUNICATIONS | (2020) 11:2479 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-16262-0


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