電氣科學與工程學科發展戰略研究報告

根據國家自然科學基金委員會的統一部署，百餘位活躍在電氣科學與工程領域科研一線的專家學者站在科學技術發展的高度，從國家利益出發，履行國家自然科學基金委員會「築探索之淵，浚創新之源，延交叉之遠，遂人才之願」的戰略使命，展開歷時兩年多的戰略研討，完成的《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告（2016~2020）》近日由科學出版社正式出版發行。

從本期起，本號將陸續選取由國家自然科學基金委員會工程與材料科學部編著的《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》的精彩章節奉獻給廣大讀者，敬請關注。

「電」是能量轉換與輸運以及信息傳播的重要載體，是人類現代文明和社會發展的基礎。

早在公元前七八世紀，人類就用文字記載了自然界的閃電現象和天然磁石的磁現象。對電磁物理規律的一系列探索和發現，特別是19世紀建立的麥克斯韋電磁場方程組，奠定了人類利用電磁能量與電磁信息的理論基礎。

電能的廣泛利用將人類引入了電氣化時代，引發了人類的第二次工業革命，將人類社會帶入了一個新的發展階段，電氣化成為20世紀最偉大的工程技術成就，而以電磁信息理論為基礎的信息科學和技術，則在20世紀末又把人類帶入信息化時代。人類利用電磁能量和電磁信息的實踐促進了電氣科學與工程學科（以下簡稱電工學科）的發展、拓寬與深化。

電工學科是研究電（磁）能的產生、轉換、傳遞、利用等過程中的電磁現象及其與物質相互作用規律的學科，包含電（磁）能科學及電磁場與物質相互作用兩個科學領域。

根據研究對象的不同，電工學科可以分為電氣科學、電氣工程和學科交叉三大分支。

21世紀以來，發展低碳經濟、建設生態文明、實現可持續發展成為人類社會的普遍共識。世界能源發展格局因此發生重大而深刻的變化，新一輪能源革命的序幕已經拉開。發展清潔能源、保障能源安全、解決環保問題、應對氣候變化，是本輪能源革命的核心內容。

作為能源的重要供應環節和主要使用形式，電能對能源革命的推進至關重要，其對電機系統、電力電子、電力系統、高電壓與絕緣、能源電工新技術和電能存儲等電氣工程及相關交叉研究提出了更高的需求，強勁地牽引著電工學科的發展。

「十三五」期間，電工學科應如何進一步擴大研究領域、增強活力、開拓新局面，對世界科學技術的進步和經濟與社會的發展做出更大貢獻，是一個迫切需要明確回答的問題。為此，根據國家自然科學基金委員會的統一部署，我們開展了電工學科「十三五」學科發展戰略專題研究。在深入分析學科面臨的新形勢、新機遇和新挑戰，深刻認識和統籌把握國家戰略需求和科學發展需求的前提下，組織電工學科相關專家與學者進行了深入調查、研究和討論，並結合國內外電工學科發展趨勢與今後發展的重大需求，編寫了這本《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》。

國家自然科學基金委員會「十三五」電氣科學與工程學科發展戰略研究工作始於2014年7月，受電工學科委託，程時傑院士和馬偉明院士牽頭進行學科發展戰略研究和「十三五」規劃工作，經討論確定了參與研究工作的專家名單，成立了顧問組、專家組、秘書組，明確了電工學科所屬各二級學科的戰略發展研究牽頭人。

從7月下旬開始，各二級學科戰略發展研究小組在牽頭人的組織下開始工作，進行戰略研討，明確研究主題和研究內容，並負責撰寫戰略發展研究分報告初稿。

9月17日在華中科技大學組織召開了電工學科發展戰略研究與「十三五」規劃的第一次工作研討會，與會專家依次認真審議了5個二級學科戰略發展研究分報告初稿，並提出了進一步修改完善的意見；與會專家還對一級學科總報告的撰寫思路進行了研討，並對下一階段的工作進行了部署。在接下來的20多天時間裡，在各二級學科牽頭人的指導下，秘書組整理完成了電工學科發展戰略及「十三五」規劃初稿。

10月15日，電工學科在武漢組織召開了初稿的審閱討論會。10月26日，秘書組根據專家組及各二級學科牽頭人的建議整理完成了電工學科發展戰略及「十三五」規劃報告完整稿，繼續在學科更大範圍內徵求意見。在此基礎上，秘書組根據反饋意見不斷完善規劃報告。

2015年5月30日，在華中科技大學召開了國家自然科學基金委員會電工學科「十三五」規劃及發展戰略研討會，來自高等院校、科研院所及相關企業的近200位電氣工程領域知名專家（包括本學科幾乎所有的院士、國家傑出青年基金獲得者、長江學者等）參加了會議。會議對戰略研究報告給予了高度評價，並就國家重大需求及學科發展方向、重大研究計劃布局、學科人才隊伍建設等問題進行了深入探討，決定以戰略研究報告為基礎，撰寫出版《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》一書。

2015年6月1日，學科組織召開了《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》撰寫出版討論會，決定把向國家自然科學基金委員會提交的學科發展「十三五」規劃報告作為本書第1章的主要內容，將5個二級學科進一步劃分成15個分支方向，並確定了15個分支方向的主題及撰寫負責人。隨後，在各分支方向撰寫負責人的組織下，《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》的撰寫工作有序開展，經多次徵求意見和修改後提交顧問組和專家組審閱。2016年4月10日，《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》的出版工作會議在華中科技大學召開，確定了終稿內容並對出版物的文字風格提出了規範和統一要求，《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》於2016年6月30日提交至科學出版社。

電工學科的發展歷史較長，包含的領域寬，涉及的交叉學科和新興生長點多，與國民經濟和社會發展相關性強。我們深切體會到要寫一篇好的戰略研究報告實屬不易。

《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》是電工學科一百多名老中青專家學者集體智慧和辛勤勞動的結晶，反映了他們對電氣科學與工程學科未來若干年發展方向的真知灼見。

在《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》的寫作過程中，我們注意電工學科和科學全局、前瞻性和時效性、科學前沿和國情的幾個統一，重視與其他學科的交叉融合和相互包容，力圖做到：突出學科的基礎性而不止於應用層面，突出發展的戰略方向而不拘泥於具體細節，并力求做到敘述嚴謹、評價客觀、用詞規範、言簡意賅。科學技術的發展變化和人類的追求永無止境，絕非一份報告所能概括，更難斷言。我們只希望本書能在今後的學科發展預期方面給讀者一些啟迪，引發更多思考。我們深知這個目標很難達到，但我們朝這個方向努力了。由於參與撰寫的人員眾多，認識上會有所差異，收集資料的範圍和時間也有限，還有出版篇幅的限制，難免存在遺漏之處，誠請讀者指正。

國家自然科學基金委員會工程與材料科學部工程科學五處主任丁立健教授負責了電工學科發展戰略研究報告撰寫的組織工作。在電工學科發展戰略研究報告的編寫、修改和評審過程中，承蒙眾多大學、研究機構的許多有名望的教授、專家指點，以不同形式提出許多寶貴意見。活躍在學科前沿領域的海外專家紛紛發來電子郵件，他們提出了大量的學術性或編寫性的建議和意見，這些建議對本書的最後完成起到了重要的作用。這裡，謹向所有參與《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》研討、寫作和評審的專家與學者表示誠摯的感謝。

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《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》

目錄

前言

第1章總論

1.1電氣科學與工程學科發展戰略——「全景式」的學科地貌圖

1.1.1學科內涵與發展動力

1.1.2的研究現狀

1.1.3對2020年的展望

1.2電氣科學與工程學科發展戰略報告

1.2.1學科的戰略地位

1.2.2學科的發展規律與發展態勢

1.2.3學科的發展現狀與發展布局

1.2.4學科的發展目標及其實現途徑

1.3優先發展領域

1.3.1高效能、高品質電機系統基礎科學問題

1.3.2複雜電力系統規劃與安全高效運行基礎理論和方法

1.3.3先進電力設備絕緣與放電

1.3.4電力電子系統的可靠運行及性能綜合優化

1.3.5極端條件下的電工裝備技術

1.3.6高效率、低成本、大規模電能存儲技術

1.3.7生物電磁基礎及醫學應用新技術

1.4實現「十三五」發展戰略的政策措施

第2章電機系統

2.1學科內涵與研究範圍

2.1.1電機的新材料與新工藝

2.1.2電機系統設計理論與分析方法

2.1.3電機本體新原理與新結構

2.1.4電機冷卻技術

2.1.5電機驅動與控制技術

2.1.6電機測試與試驗技術

2.2國內外研究現狀與發展趨勢

2.2.1電機設計新技術與分析方法的研究發展現狀

2.2.2電機本體的研究發展

2.2.3電機系統冷卻技術的研究發展現狀

2.2.4電機驅動與控制技術的研究發展現狀

2.2.5電機測試技術研究發展現狀

2.2.6電機系統的技術發展趨勢

2.2.7電機系統前沿技術

2.3今後發展目標和重點研究領域

2.3.1電機系統的發展方向

2.3.2電機系統的重點研究領域

2.3.3電機系統的優先研究領域

參考文獻

第3章電力系統及其自動化

3.1學科內涵與研究範圍

3.2國內外研究現狀與發展趨勢

3.2.1電力系統規劃

3.2.2電力系統控制

3.2.3電力系統保護

3.2.4電力系統模擬

3.2.5電力市場

3.2.6電力系統運行與調度

3.2.7新型輸配電技術

3.3今後發展目標和重點研究領域

3.3.1電力系統規劃

3.3.2電力系統控制

3.3.3電力系統保護

3.3.4電力系統模擬

3.3.5電力市場

3.3.6電力系統運行與調度

3.3.7新型輸配電技術

參考文獻

第4章高電壓與絕緣技術

4.1研究範圍和任務

4.1.1先進電介質

4.1.2電氣設備中的放電與過電壓防護

4.1.3高壓電力電子裝備

4.1.4智能電氣設備與全壽命運行特性

4.2國內外研究進展和發展趨勢

4.2.1先進電介質材料

4.2.2電氣設備中的放電與過電壓防護

4.2.3高壓電力電子裝備

4.2.4智能電氣設備與全壽命運行特性

4.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

4.3.1先進電介質材料

4.3.2電氣設備中的放電與過電壓防護

4.3.3高壓電力電子裝備

4.3.4智能電氣設備與全壽命運行特性

參考文獻

第5章氣體放電與放電等離子體

5.1研究範圍與任務

5.2國內外研究現狀及發展趨勢

5.2.1脈衝放電等離子體產生機理

5.2.2氣體放電非線性動力學行為

5.2.3液相介質擊穿

5.2.4高活性等離子體的產生方法

5.2.5等離子體在不同介質中的輸運規律

5.2.6在生物醫學和生命科學領域的應用

5.2.7在能源化工和材料科學領域的應用

5.2.8在輔助燃燒與流體動力學方面的應用

5.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

5.3.1脈衝放電等離子體

5.3.2氣體放電非線性動力學

5.3.3液相介質擊穿

5.3.4高活性等離子體的產生方法

5.3.5等離子體在不同介質中的輸運規律

5.3.6在生物醫學和生命科學領域的應用

5.3.7在能源化工和材料科學領域的應用

5.3.8在燃燒學和流體動力學領域的應用

參考文獻

第6章脈衝功率技術

6.1研究範圍與任務

6.2國內外研究現狀及發展趨勢

6.2.1國外研究現狀

6.2.2國內研究現狀

6.2.3未來發展趨勢

6.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

6.3.1重頻全固態脈衝功率技術

6.3.2高功率開關技術研究

6.3.3超高功率電脈衝形成與傳輸關鍵物理問題

6.3.4金屬絲電爆炸放電等離子體

參考文獻

第7章電力電子技術

7.1學科內涵與研究範圍

7.2國內外研究現狀與發展趨勢

7.2.1電力電子器件的研究發展現狀

7.2.2電力電子變換器拓撲及其應用的研究發展現狀

7.2.3電力電子建模和控制的研究發展現狀

7.2.4電力電子電磁兼容及可靠性的研究發展現狀

7.3今後發展目標和重點研究領域

7.3.1電力電子器件及應用的重點研究領域

7.3.2電力電子變換器拓撲及其應用的重點研究領域

7.3.3電力電子建模和控制的重點研究領域

7.3.4電力電子電磁兼容及可靠性的重點研究領域

參考文獻

第8章電磁場與電網路

8.1電磁場

8.1.1學科內涵與研究範圍

8.1.2國內外研究現狀及發展趨勢

8.1.3今後發展目標和重點研究領域

8.2電網路

8.2.1學科內涵與研究範圍

8.2.2國內外研究現狀和發展趨勢

8.2.3今後發展目標和重點研究領域

參考文獻

第9章電磁兼容學科發展戰略

9.1學科內涵與研究範圍

9.1.1電力系統的電磁兼容

9.1.2軌道交通系統的電磁兼容

9.1.3航空航天系統的電磁兼容

9.1.4高功率電磁脈衝效應與防護

9.1.5艦船系統的電磁兼容

9.2國內外研究現狀與發展趨勢

9.2.1電力系統的電磁兼容

9.2.2軌道交通系統的電磁兼容

9.2.3航空航天系統的電磁兼容

9.2.4高功率電磁脈衝效應與防護

9.2.5艦船系統的電磁兼容

9.3今後發展目標和重點研究領域

9.3.1發展目標

9.3.2重點研究領域

參考文獻

第10章先進電工材料及其應用

10.1研究範圍與任務

10.1.1超導材料及其應用

10.1.2新型導電材料及其應用

10.1.3先進電工磁性材料及其應用

10.1.4其他新型電磁功能材料

10.2國內外研究現狀及發展趨勢

10.2.1超導材料及其應用研究現狀與發展趨勢

10.2.2新型導電材料的研究進展與發展趨勢

10.2.3先進電工磁性材料研究現狀及發展趨勢

10.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

10.3.1發展目標

10.3.2重點研究領域與交叉研究領域

參考文獻

第11章極端條件下的電工裝備基礎

11.1科學內涵與研究範圍

11.1.1深空電工裝備的科學內涵與研究範圍

11.1.2深海電工裝備的科學內涵與研究範圍

11.1.3極端試驗條件下電工裝備的科學內涵與研究範圍

11.1.4電磁發射電工裝備的科學內涵與研究範圍

11.2國內外研究現狀和發展趨勢

11.2.1深空電工裝備的國內外研究現狀和發展趨勢

11.2.2深海電工裝備的國內外研究現狀和發展趨勢

11.2.3極端試驗條件下電工裝備的國內外研究現狀和發展趨勢

11.2.4電磁發射電工裝備的國內外研究現狀和發展趨勢

11.3今後發展目標與重點研究領域

11.3.1深空電工裝備的今後發展目標與重點研究領域

11.3.2深海電工裝備的今後發展目標與重點研究領域

11.3.3極端試驗條件下電工裝備的今後發展目標與重點研究領域

11.3.4電磁發射電工裝備的今後發展目標與重點研究領域

參考文獻

第12章電磁測量與感測技術

12.1研究範圍與任務

12.2國內外研究現狀及發展趨勢

12.2.1基於智能材料的感測器技術

12.2.2電工磁性材料的磁特性精細測量技術

12.2.3電磁探測與成像技術

12.2.4脈衝功率電量精確測量技術

12.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

12.3.1基於智能材料的感測器技術

12.3.2電工磁性材料的磁特性精細測量技術

12.3.3電磁探測與成像技術

12.3.4脈衝功率精密測量技術

參考文獻

第13章生物電磁學

13.1研究範圍與任務

13.2國內外研究現狀及發展趨勢

13.2.1生物電磁特性與電磁信息檢測技術

13.2.2生物電磁干預技術

13.2.3生物醫學中的電工技術

13.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

13.3.1生物電磁特性與電磁信息檢測技術

13.3.2生物電磁調控技術

13.3.3生物醫學中的電工技術領域

參考文獻

第14章電能存儲與應用

14.1學科內涵

14.2研究範圍與任務

14.2.1可直接輸出電能的存儲技術

14.2.2非直接輸出電能的存儲技術

14.2.3電能存儲的系統應用技術

14.3國內外研究現狀及發展趨勢

14.3.1可直接輸出電能的儲能器件及單元集成技術

14.3.2非直接輸出電能的儲能單元技術

14.3.3儲能系統應用技術

14.4今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

14.4.1發展目標

14.4.2重點研究領域

14.4.3交叉研究領域

參考文獻

第15章能源電工新技術

15.1學科內涵與研究範圍

15.1.1新能源發電

15.1.2無線電能傳輸

15.1.3電氣節能

15.2國內外研究現狀及發展趨勢

15.2.1新能源發電

15.2.2無線電能傳輸

15.2.3電氣節能

15.3今後發展目標和重點研究領域

15.3.1發展目標

15.3.2重點研究領域

參考文獻

第16章 環境電工新技術

16.1研究範圍和任務

16.2國內外研究現狀和發展趨勢

16.2.1電磁環境研究

16.2.2環保電工技術研究

16.3今後發展目標、重點研究領域和交叉研究領域

16.3.1電磁環境方面

16.3.2環保電工技術方面

參考文獻

本文摘編自國家自然科學基金委員會工程與材料科學部編著《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告(2016～2020)》的前言。

電氣科學與工程學科發展戰略研究報告：2016~2020

國家自然科學基金委員會 工程與材料科學部 編著

責任編輯：劉寶莉 王蘇

北京：科學出版社 2017.06

978-7-03-052963-3

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「十三五」時期是全面建設小康社會和建設創新型國家的關鍵時期。為了繁榮基礎研究、提升原始創新能力和服務國家創新驅動發展的戰略部署，亟須深入開展學科發展戰略研究，科學謀划國家自然科學基金「十三五」的發展。根據國家自然科學基金委員會的統一部署，百餘位活躍在電氣科學與工程領域科研一線的專家學者站在科學技術發展的高度，從國家利益出發，履行國家自然科學基金委員會「築探索之淵，浚創新之源，延交叉之遠，遂人才之願」的戰略使命，展開歷時兩年多的戰略研討，完成了《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告（2016~2020）》。

《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告（2016~2020）》既瞄準國家重大戰略需求，又密切結合國際科技前沿發展，立足電氣科學與工程學科的基本任務，將學科的傳統內涵和創新發展方向相結合，其內容具有戰略性、前瞻性和引領性。

《電氣科學與工程學科發展戰略研究報告（2016~2020）》共16章，通過對電氣科學與工程學科「全景式」地貌圖的勾勒以及對學科戰略地位與總體發展態勢的分析，提出了學科發展布局的指導思想，部署了學科未來5年乃至10年的優先資助領域，系統地闡述了學科的研究範圍、內涵、現狀和發展趨勢，明確了重大科學問題、重點研究領域和發展規劃。

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