【中国能源观察】用差异化创新方法 推进新型电力系统构建——访华北电力大学教授、国家特聘专家黄永章
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发布时间：2024-05-15 02:49:34
构建以新能源为主体的新型电力系统是能源电力行业未来几十年的目标，实现这个目标需要新技术的发展和创新人才的培养。如何发力？带着这样的一个问题，本刊记者正常采访了华北电力大学教授、国家特聘专家黄永章。黄永章几十年的研发工作涉及新能源电力系统、功率半导体器件可靠性、集成电路制造设备和工艺、高能物理加速器等多个领域。近些年，面对新能源给电网带来的机遇和问题，黄永章以培养未来学科交叉型的大师级人才为己任，以差异化的途径解决行业问题，开发出系列功率器件可靠性测试设备并推向市场，向国内外有突出贡献的公司提供可靠性测试服务，提出和电力电子并网共存的新能源同步机技术并坚持研发。
中能传媒：2021年3月，中央首次提出构建新型电力系统，要求“构建以新能源为主体的新型电力系统”。2023年7月11日，中央再次强调要“加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统。”2024年2月29日，习在中央政治局第十二次集体学习时强调，应对能源发展的系列挑战，“出路就是全力发展新能源。”您怎么样看待建设新型电力系统战略要求的不断演变？华北电力大学拥有“新能源电力系统”国家重点实验室，您能介绍一下实验室的情况吗？
黄永章：能源和电力是国家的基础设施和基础供应，涉及方方面面，价格和供给只是一方面，还有安全、环境等等社会因素。对这些战略要求，我的理解：第一，新能源接入的程度对电力系统的影响已经反映出来了，既要解决这样一些问题，还要让新能源的接入变得更多；第二，安全、经济、稳定是电力系统一贯的要求，新型电力系统的建设要达到这些目标和要求。低碳则是新要求，为应对新能源的波动性和间歇性对稳定性的影响，给新型电力系统提出了供需协同和灵活智能的方向性策略；第三，尽管新能源的接入存在问题，但是还必须要提高新能源占比。
“新能源电力系统”国家重点实验室十多年来做得很有特色，成绩也是在实验室主任、学校的老校长刘吉臻院士，学校副校长、实验室常务副主任毕天姝教授的领导下取得的；学校也是举全校之力为国家重点实验室服务，校长杨勇平院士给予国家重点实验室极大的支持。例如在实验室的建设期，刘吉臻团队的火电机组深度调峰工作，使火电机组在新型电力系统的功率平衡中发挥更大作用，得到行业的高度评价。彼时实验室的工作重心是提高新能源的消纳，减少弃风弃光，现在实验室的工作重心是高比例新能源的新型电力系统的安全稳定技术。例如刘吉臻团队开发的飞轮储能群组耦合火电机组联合调频技术在电力系统成功应用，一次调频合格率提高到92%，火储联合AGC平均负荷变化率相较于机组自身提升1.7倍；毕天姝团队开发的并网友好型风光储场站群智慧联合调控运维关键技术在内蒙古电网的区域新能源场站群应用实施。
黄永章：主要聚焦两个方面的研究：一种原因是关于功率半导体器件的可靠性；另一方面是关于新能源电力系统的运行稳定性。为什么做这两件事呢？我的理解是，电网面临两个最大的技术问题，一个是国产功率半导体器件的市场占有率低，二是通过电力电子并网的新能源逐步移走了电网的稳定性基础。功率半导体器件也叫电力电子器件，例如IGBT，还有新型碳化硅和氮化镓器件。中国的电力电子器件的应用是世界第一，如柔直输电、高铁、电动汽车、新能源并网等应用，但是器件的设计和工艺差距大，国产器件的市场占有率低。功率器件的核心要求是高可靠性，也就是常规使用的寿命要长。所以，我们就选择了帮助器件制造客户和应用客户提高器件的可靠性，我们做可靠性测试技术的研发、可靠性测试新设备开发、器件失效分析、可靠性改进建议。
这个工作具备极高的技术门槛，能够为工业界提供实实在在的术服务，帮助行业和客户解决实际在做的工作中的问题。电力系统的核心是安全和稳定，但新能源占比提高一点，新问题就出现一点，占比越高，新问题的影响也越大，直至影响电力系统的运行稳定性。这样的一个问题具有长期性和艰巨性，很适合大学研究组来做。新能源的增加替换了电网原来的同步发电机电源，同步发电机是电压源，但是新能源驱动的电力电子变流器本质上是电流源。交流电网的稳定运行需要电压源来支撑，而现在电流源是不能够支撑交流电网的。再加上新能源的波动性和间歇性，使得电力系统的功率平衡也变得很困难，而功率不平衡又是导致不稳定性的最大原因。两个问题叠加，如果无法破解，将使新能源的发展戛然而止。
当前行业人员基本都是在改进电力电子器件并网的控制算法以期能够具有电压源的一些外部表现，而我们在研究还可以有咋样的新技术使之成为电压源。我们提出了后电力电子器件并网时代的MGP 并网技术，为其起了个名字叫“新能源同步机”，并进行了必要的可行性、经济性、技术性研发工作。相信行业会在将来某个时间开始尝试和接受这个技术方案。
中能传媒：请您介绍一下新能源同步机这个研究的构想，目前进展情况如何？对于新能源同步机这一技术未来的发展和应用，您有怎样的期许？
黄永章：目前新能源并网方法最大的技术问题是它们是电流源，而非电压源。新能源同步机这个方案的出发点是，同步发电机是传统交流电力系统的基础，而且已经被证明了很有效。于是我们就提出，既然同步机这么好，为啥不把同步机保留下来，而一定要替换掉呢？若能保留，该如何保留？答案就是用新能源驱动一个同步电动机，再用同步电动机带动同步发电机发电并网，这样就把新能源电力转变成了一个交流电网需要的电压源。我们把这个装置称为同步电机对并网（MGP），随着研究的逐步深入，我们又把这个方案叫作新能源同步机
新能源同步机的方案，在世界上是独树一帜的。当然，要实现这个方案，要在原理上、功能上、成本效益上进行充分论证。开始，做专利和文献调研，确认这是没有人提过和做过的；再做原理性论证，确认物理基础是可靠的；接着进行实验确认，那时没有一点条件，就借其他老师的教学实验桌和教学用小电机，再一个一个地理解和解决实验装置出现的很多问题，终于用墙上电力带动了装置并发出了电力，随后再把这个电力并入墙上电网。与此同时，建立 MGP的并网运行模型，建立小信号模型、暂态仿真模型等，由此确信了对电网的有益性。我们去中国电科院等地请教内行对方案进行批评和指教，他们提出了新能源驱动 MGP 可能会有的问题，由此我们就开始筹建驱动 MGP和进行MGP并网实验的完整装置。不懂就学，由此理解了电机驱动变频器和并网逆变器的相似之处和差异之处，在这个装置上完成了模拟新能源驱动电机、MGP 阻尼的测量、高压穿越和低压穿越、谐波分析、负载短路等实验。最新的进展是针对新能源并入电网的场景，在仿真模型上用新能源同步机并网一部分新能源，证明了频率的暂态稳定性得到一定的改善、振荡得到改善。
目前，我们已生产出一个小型工程样机并安装到了浙江金华的一个微电网的应用中，要说明的是，微网的运行应该是不需要新能源同步机来支撑的。之所以安装工程样机，是因为系统建设者对方案研究的支持和关注。通过工程样机的工作运作情况，我们也积累了一些经验，比如，用光伏发电来驱动装置来安装和调试、自动开停机、控制和测量、故障应对处理等。这对一个创新产品来说是必不可少的。现在，国内和国际上也有几个不同的高校小组发表了几篇研究论文，其装置的基本构成和新能源同步机完全一样。特别是日本的几家大公司和政府一起建立了一个新的研究团队，其两个工作目标之一，就是完成一个100兆瓦的新能源同步机的工程样机。他们读了我们所有的论文，并和我们开了视频咨询会。如果他们完成了工程样机并网，或者如果欧洲某个公司也启动了类似的方案研发，那么这个方案就非常有可能铺开。
我们讨论的新能源同步机的方案，是针对未来新能源占比高的场景时的技术方案。从基本物理定律看这个方案，麦克斯韦方程明确地表明了，产生电压最简单和直接的方式是改变磁场，从工程的角度看，就是旋转一块磁铁以产生交流电压，这就是第一性原理思维。新型电力系统的建设，应该需要这样的第一性原理思维，直接从物理定律思考解决方案。如果行业人员都用第一性原理思维试图提出本质性的解决方案，那么新能源给电网带来的问题就会被更快地解决，新型电力系统的建设也就会进展得更快。
中能传媒：请您谈谈在功率半导体器件的可靠性测试设备和可靠性研究方面所做的工作，以及功率半导体器件的国产化进程如何？
黄永章：中国的功率半导体的应用技术在国际上都是领先的，这些应用也促进了功率半导体器件的发展，但是生产的功率器件的水平和应用水平不匹配。我过去做过集成电路芯片的制造设备，对芯片工艺有理解。现在芯片又是中国急需的“卡脖子”技术，有关这方面的发展路径有各种讨论，有融入国际的、有国产化的，或者两者混合的。现在外部大环境发生变化，这种路径讨论就又多了一些，但我觉得应该有更好的路径，比如智力互惠路径。芯片大致上可以分为数字芯片和功率芯片，数字芯片日新月异，更新换代很快；功率芯片主要是满足工况要求和提高可靠性，芯片结构的变化缓慢。那么我就想，我们能不能在功率芯片上，为芯片的工艺和可靠性作出令人夸赞的技术贡献，在碳化硅、氮化镓等新型器件上作出令人夸赞的技术贡献，把芯片做到质优价廉，并使功率芯片在能源转型和低碳社会上得到普遍应用。比如，在柔直输电中引领压接型IGBT器件的应用都是国际领先水平的工作，并且得到国际同行的称赞。进而，通过技术交流和共享，获取我国急需的工艺、材料、设备等技术的使用权限，这里面当然可以包含数字芯片的工艺、材料、设备等技术的使用权限，实现智力互惠。
本着这样的想法，我们在学校建设了“大功率半导体器件可靠性研究实验室”，为国内外的客户提供功率器件可靠性测试技术和测试设备，同时，国内外客户也给我们的研发技术提供了方向性建议，我们和客户共同进步。其一，我们团队做的测试技术的研发使我们具有了国际认可度，我们在芯片结温的精确测量、芯片的温度分布测量、压接器件的多芯片结温分布、器件热阻的精确测量等方面都对测试技术做了很大提升，达到世界前沿技术水平，这些技术也应用在我们为国内外客户的测试服务中，包括给英飞凌和东芝的测试。
其二，我们团队将研发进行了成果转化，开发了多种不同的测试设备，PCT2000 是我们推出的功率循环定型系列新产品，其测试效率为国际商业产品的 2—6 倍，测试精度和设备可靠性还更优；我们开发了 3000安和 6000 安的器件功率循环测试设备，是世界首台套，为中国的柔直工程和高铁用的不同器件做了必要的测试服务；我们针对室外应用环境（如海上风电、电动汽车等）的器件开发了具有大电流、高电压、湿度、盐雾腐蚀等共同作用的器件寿命测试装备，为世界首台套，为行业提供了新类型的测试数据。其三，我们团队为国内众多客户做了器件失效分析服务，为客户的工艺改进、封装设计提供了直接帮助。上述工作为国产化器件的提升提供了直接的帮助。
总的来说，我国功率器件的国产化还是十分好的。以中车半导体、南瑞半导体为代表的器件厂商进步非常快。比如柔直输电，现在国产器件已确定进入工程使用阶段，中短期可靠性可接受，长期可靠性有待时间检验，这个高端应用应该是国产器件的突破点。在电动汽车、新能源并网等通用工业芯片的应用上，芯片还在进步中。可喜的是，上述两大厂商已经走过了芯片制造的可行性阶段，来到了芯片产品可靠性设计和管理阶段，已经完全理解了可靠性是功率芯片提高市场占有率的首要因素。
中能传媒：结合您多年的海外研究教育经历，您认为我国电力系统发展在全球居于什么地位？您培养了多位博士人才，您认为应如何构建适应新型电力系统加快速度进行发展的人才教育培训机制？
黄永章：我国电力系统的发展在全球应该是居于前沿位置。这里面有后发优势的因素，也有我国能源分布的因素，能源在西部，用户在东部，成就了“西电东送”，为此我国的远距离输电工程比世界加起来还多，也发展了特高压交直流输电技术。
我的职业背景比较丰富一些，学的是物理，在高能物理加速器、集成电路制造设备和工艺、电力系统、功率半导体器件可靠性等不相同的领域都工作过多年，在产学研界也都工作过。所以我也充分地发挥自身特点和优势，在人才教育培训方面多做了一些尝试。
新型电力系统是个完全新的系统，挑战很多，涉及学科交叉、创新、融合等等。产学研界的工作经历，能够使我在涉及学科交叉的科研工作中充分的发挥优势，去做不一样的问题、用不一样的途径，就非常有可能产生出新技术和新思想，有可能产生出颠覆性的技术。这也是我在尽最大努力去做的。
涉及学科交叉的人才教育培训其实很难做，即使世界的一流大学也说自己在学科交叉的人才教育培训上做得不够好。
形成一个人才培养机制是个漫长和细致的过程，大学教授不能坐等机制的形成，应该能为机制的形成做些尝试。我的感悟是，要培养研究生的创新思维、质疑精神、动手能力和团队精神。一个较为直接的方法，就是带着研究生做一件世界上没有人做过的工作，在这样的一个过程中，大家一起为了一个目标，思考做什么，怎么做，直到做出一个“成品”。这个工作完成了，这名研究生的培养过程也就完成了，他也就成长了。
例如，我们在做新能源同步机的时候，目标就是研究不一样的新能源并网方法，能够使新能源的占比得到提高。我们就想到了新能源驱动同步机并网。工作是一步一步做的，先是确定这个方案物理基础是否牢靠，接着做实验证明能不能运转，然后做个小装置将电力并上电网，再用这个装置做些试验证明有益处。在过程中遇到什么样的问题解决什么样的问题，有些问题世界上没人解决过，我和研究生不了解此类问题，那就去读书、去思考、去请教。当研究生们把装置做出来并且稳定运行的时候，他们的自信心和对问题理解力的提高是出人意料的。这些研究生们未来都会是栋梁之材。所以，最有效的培养人才的方法，就是一起做一件完全不一样的工作，小改进都不算。当然，说说容易，做到难，教授们也有考核压力，也有经费压力，但不管怎么说，对待行业问题，需要差异性的解决方案，从不同的角度想一想，从底层物理定律想一想，对有挑战性的问题多想一想。技术方案最终是否有效不重要，重要的是在过程中培养了人才。大学不是一定要证明一个新技术是有效的，如果能证明一个新技术是无效的，那也是培养了人才，也是对行业的莫大贡献。
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