5月18日國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature ·Communications）在線發(fā)表了浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院何湘寧教授團(tuán)隊(duì)的研究成果—Article（論文）：電力電子的本質(zhì)特征以及電力變換融合通信實(shí)現(xiàn)“會(huì)說話的電能”（“Nature of power electronics and integration of power conversion with communication for talkative power”）。論文從一個(gè)全新的角度審視了電力電子變換技術(shù)的基本屬性，揭示了電力電子系統(tǒng)不僅具備電能變換功能，還具備信息交流潛質(zhì)。該研究發(fā)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的信息本質(zhì)特征，闡述了這一本質(zhì)特征的物理意義和實(shí)現(xiàn)通信方法的理論基礎(chǔ)。論文進(jìn)一步提出了電能變換與數(shù)據(jù)通信的一體化集成調(diào)控技術(shù)，使得電力電子變流器自身可以同步完成電能變換與信息傳輸，其輸出電能均攜帶信息編碼，彼此可自主“對(duì)話”。該項(xiàng)研究對(duì)電力電子學(xué)科的相關(guān)基本概念和傳統(tǒng)認(rèn)知具有一定的顛覆性，有望開辟電力電子和通信技術(shù)交叉融合的新方向。
電力電子技術(shù)是采用功率半導(dǎo)體器件和功率無源元件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，它改變電能基本形態(tài)以實(shí)現(xiàn)電能交直流形式的多樣化，能夠極大提升電能應(yīng)用效率。電力電子技術(shù)已成為21世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，滲透到了工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的方方面面。
自電力電子技術(shù)誕生以來，人們對(duì)于它的理解和研究?jī)H停留在電能變換和功率調(diào)控的層面，采用的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)也是以變換系統(tǒng)的輸入/輸出電能為主要研究對(duì)象和調(diào)控目標(biāo)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，電力電子系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了信息化、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用。但目前電力電子與信息網(wǎng)絡(luò)在物理層一直還是相對(duì)獨(dú)立的二個(gè)系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來被看成遵循完全不同的工作原理，屬于兩個(gè)跨大類的不同學(xué)科范疇。事實(shí)上，電力電子技術(shù)和信息通信技術(shù)均基于電磁理論發(fā)展而來，而電能又是信息交互不可或缺的物質(zhì)載體。為探究?jī)烧叩膬?nèi)在關(guān)聯(lián)性，何湘寧教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多年的電力電子與信息通信的跨學(xué)科持續(xù)鉆研，取得了顯著的成果。研究發(fā)現(xiàn)電力電子變流器具備信息本征屬性，從本質(zhì)上揭示了電能變換與信息調(diào)制過程的一致性。在此基礎(chǔ)上，提出了基于電力電子變換的功率調(diào)控與數(shù)據(jù)交互深度融合的調(diào)制方法，無需附加通信硬件和相關(guān)軟件，即可實(shí)現(xiàn)變換電能的“會(huì)說話”功能。新型功率/數(shù)據(jù)雙重調(diào)制方法，即功率調(diào)制以提高電能變換效率為目標(biāo)，而數(shù)據(jù)調(diào)制以提高信息傳輸效率為目標(biāo)，二者融合集成一體化，實(shí)現(xiàn)了能量與信息的同步調(diào)制與協(xié)同傳輸，大大擴(kuò)展和提升了電力電子變流器的綜合性能。論文給出了詳實(shí)的理論分析結(jié)果，還以可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用為例進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使電能變換系統(tǒng)在提供光照能量的同時(shí)提供信息編碼。其原理和方法可被廣泛應(yīng)用于各類模塊化電力電子系統(tǒng)裝備，包括分布式電源，電氣化交通，可再生能源發(fā)電，網(wǎng)絡(luò)通信電源基站等等，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
圖1 變流器#1采用功率/數(shù)據(jù)雙重調(diào)制技術(shù)（PWM/FH-4DPSK），在功率變換時(shí)，同步與變流器#2和#3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
圖. 2 變流器進(jìn)行功率/數(shù)據(jù)雙重調(diào)制時(shí)所表征的功率變換和信息交互特性
這項(xiàng)研究通過對(duì)電能變換與數(shù)據(jù)通信內(nèi)在一致性的原理性解析，構(gòu)筑了電力電子與信息電子之間的物理橋梁，具有普適性價(jià)值。為在電能系統(tǒng)或者通信系統(tǒng)中的二者深度融合和一體化集成設(shè)計(jì)提供了全新思路?！蹲匀?/span>·通訊》的評(píng)審專家認(rèn)為：這項(xiàng)研究“為鏈接起電氣工程與通信工程做出了重要貢獻(xiàn)”（significant contribution），“將影響通信工程師和電源工程師的思維方式”(may influence the thinking of both communication engineers and power supply engineers)。據(jù)悉這是《自然·通訊》首次發(fā)表電力電子變換領(lǐng)域的研究成果。
何湘寧教授和王睿馳博士是該論文的共同第一作者，吳建德博士是論文的通信作者，李武華教授是論文的合作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研究計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
論文全文鏈接：
“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。
（攝影 盧紹慶）
