構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是能源電力行業(yè)未來幾十年的目標，實現(xiàn)這個目標需要新技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。如何發(fā)力?帶著這個問題，本刊記者采訪了華北電力大學教授、國家特聘專家黃永章。黃永章幾十年的研發(fā)工作涉及新能源電力系統(tǒng)、功率半導體器件可靠性、集成電路制造設(shè)備和工藝、高能物理加速器等多個領(lǐng)域。近些年，面對新能源給電網(wǎng)帶來的機遇和問題，黃永章以培養(yǎng)未來學科交叉型的大師級人才為己任，以差異化的途徑解決行業(yè)問題，開發(fā)出系列功率器件可靠性測試設(shè)備并推向市場，向國內(nèi)外龍頭企業(yè)提供可靠性測試服務(wù)，提出和電力電子并網(wǎng)共存的新能源同步機技術(shù)并堅持研發(fā)。
中能傳媒：
2021年3月，中央首次提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，要求“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。2023年7月11日，中央再次強調(diào)要“加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)。”2024年2月29日，習近平總書記在中共中央政治局第十二次集體學習時強調(diào)，應(yīng)對能源發(fā)展的系列挑戰(zhàn)，“出路就是大力發(fā)展新能源。”您如何看待建設(shè)新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略要求的不斷演變?華北電力大學擁有新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，您能介紹一下實驗室的情況嗎?
黃永章：
能源和電力是國家的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)供應(yīng)，涉及方方面面，價格和供給只是一方面，還有安全、環(huán)境等等社會因素。對這些戰(zhàn)略要求，我的理解：第一，新能源接入的程度對電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)表現(xiàn)出來了，既要解決這些問題，還要讓新能源的接入變得更多;第二，安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定是電力系統(tǒng)一貫的要求，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)需要達到這些目標和要求。低碳則是新要求，為應(yīng)對新能源的波動性和間歇性對穩(wěn)定性的影響，給新型電力系統(tǒng)提出了供需協(xié)同和靈活智能的方向性策略;第三，盡管新能源的接入存在問題，但是還必須要提高新能源占比。
新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室十多年來做得非常有特色，成績也是在實驗室主任、學校的老校長劉吉臻院士，學校副校長、實驗室常務(wù)副主任畢天姝教授的領(lǐng)導下取得的;學校也是舉全校之力為國家重點實驗室服務(wù)，校長楊勇平院士給予國家重點實驗室極大的支持。
例如在實驗室的建設(shè)期，劉吉臻團隊的火電機組深度調(diào)峰工作，使火電機組在新型電力系統(tǒng)的功率平衡中發(fā)揮更大作用，得到行業(yè)的高度評價。彼時實驗室的工作重心是提高新能源的消納，減少棄風棄光，現(xiàn)在實驗室的工作重心是高比例新能源的新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定技術(shù)。例如劉吉臻團隊開發(fā)的飛輪儲能群組耦合火電機組聯(lián)合調(diào)頻技術(shù)在電力系統(tǒng)成功應(yīng)用，一次調(diào)頻合格率提高到92%，火儲聯(lián)合AGC平均負荷變化率相較于機組自身提升1.7倍;畢天姝團隊開發(fā)的并網(wǎng)友好型風光儲場站群智慧聯(lián)合調(diào)控運維關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的區(qū)域新能源場站群應(yīng)用實施。
中能傳媒：
您2013年來到華北電力大學后，主要聚焦哪些領(lǐng)域的研究?
黃永章：
主要聚焦兩個方面的研究：一方面是關(guān)于功率半導體器件的可靠性;另一方面是關(guān)于新能源電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。為什么做這兩件事呢?我的理解是，電網(wǎng)面臨兩個最大的技術(shù)問題，一個是國產(chǎn)功率半導體器件的市場占有率低，二是通過電力電子并網(wǎng)的新能源逐步移走了電網(wǎng)的穩(wěn)定性基礎(chǔ)。
功率半導體器件也叫電力電子器件，例如IGBT，還有新型碳化硅和氮化鎵器件。中國的電力電子器件的應(yīng)用是世界第一，如柔直輸電、高鐵、電動汽車、新能源并網(wǎng)等應(yīng)用，但是器件的設(shè)計和工藝差距大，國產(chǎn)器件的市場占有率低。功率器件的核心要求是高可靠性，也就是使用壽命要長。所以，我們就選擇了幫助器件制造客戶和應(yīng)用客戶提高器件的可靠性，我們做可靠性測試技術(shù)的研發(fā)、可靠性測試新設(shè)備開發(fā)、器件失效分析、可靠性改進建議。這個工作具有很高的技術(shù)門檻，能夠為工業(yè)界提供實實在在的技術(shù)服務(wù)，幫助行業(yè)和客戶解決實際工作中的問題。
黃永章團隊在華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室的框架內(nèi)建立了大功率半導體器件可靠性實驗室，該實驗室放滿了團隊自己研發(fā)的十幾臺各種測試設(shè)備，這些設(shè)備都在日夜使用中。
電力系統(tǒng)的核心是安全和穩(wěn)定，但新能源占比提高一點，新問題就出現(xiàn)一點，占比越高，新問題的影響也越大，直至影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。這個問題具有長期性和艱巨性，非常適合大學研究組來做。新能源的增加替換了電網(wǎng)原來的同步發(fā)電機電源，同步發(fā)電機是電壓源，但是新能源驅(qū)動的電力電子變流器本質(zhì)上是電流源。交流電網(wǎng)的穩(wěn)定運行需要電壓源來支撐，而現(xiàn)在電流源是不能夠支撐交流電網(wǎng)的。再加上新能源的波動性和間歇性，使得電力系統(tǒng)的功率平衡也變得非常困難，而功率不平衡又是導致不穩(wěn)定性的最大原因。兩個問題疊加，如果無法破解，將使新能源的發(fā)展戛然而止。
當前行業(yè)人員基本都是在改進電力電子器件并網(wǎng)的控制算法以期能夠具有電壓源的一些外部表現(xiàn)，而我們在研究還可以有什么樣的新技術(shù)使之成為電壓源。我們提出了后電力電子器件并網(wǎng)時代的MGP并網(wǎng)技術(shù)，為其起了個名字叫“新能源同步機”，并進行了必要的可行性、經(jīng)濟性、技術(shù)性研發(fā)工作。相信行業(yè)會在將來某個時間開始嘗試和接受這個技術(shù)方案。
中能傳媒：
請您介紹一下新能源同步機這個研究的構(gòu)想，目前進展情況如何?對于新能源同步機這一技術(shù)未來的發(fā)展和應(yīng)用，您有怎樣的期許?
黃永章：
目前新能源并網(wǎng)方法最大的技術(shù)問題就是它們是電流源，而非電壓源。新能源同步機這個方案的出發(fā)點是，同步發(fā)電機是傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且已經(jīng)被證明了非常有效。于是我們就提出，既然同步機這么好，為什么不把同步機保留下來，而一定要替換掉呢?如果可以保留，應(yīng)該怎么保留?答案就是用新能源驅(qū)動一個同步電動機，再用同步電動機帶動同步發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)，這樣就把新能源電力轉(zhuǎn)變成了一個交流電網(wǎng)需要的電壓源。我們把這個裝置稱為同步電機對并網(wǎng)(MGP)，隨著研究的逐步深入，我們又把這個方案叫作新能源同步機。
新能源同步機的方案，在世界上是獨樹一幟的。當然，要實現(xiàn)這個方案，要在原理上、功能上、成本效益上進行充分論證。開始，做專利和文獻調(diào)研，確認這是沒有人提過和做過的;再做原理性論證，確認物理基礎(chǔ)是可靠的;然后進行實驗確認，那時沒有任何條件，就借其他老師的教學實驗桌和教學用小電機，再一個一個地理解和解決實驗裝置出現(xiàn)的各種問題，終于用墻上電力帶動了裝置并發(fā)出了電力，隨后再把這個電力并入墻上電網(wǎng)。與此同時，建立MGP的并網(wǎng)運行模型，建立小信號模型、暫態(tài)仿真模型等，由此確信了對電網(wǎng)的有益性。我們?nèi)ブ袊娍圃旱鹊卣埥虄?nèi)行對方案進行批評和指教，他們提出了新能源驅(qū)動MGP可能會有的問題，由此我們就開始籌建驅(qū)動MGP和進行MGP并網(wǎng)實驗的完整裝置。不懂就學，由此理解了電機驅(qū)動變頻器和并網(wǎng)逆變器的相似之處和差異之處，在這個裝置上完成了模擬新能源驅(qū)動電機、MGP阻尼的測量、高壓穿越和低壓穿越、諧波分析、負載短路等實驗。最新的進展是針對新能源并入電網(wǎng)的場景，在仿真模型上用新能源同步機并網(wǎng)一部分新能源，證明了頻率的暫態(tài)穩(wěn)定性得到改善、振蕩得到改善。
目前，我們已經(jīng)生產(chǎn)出一個小型工程樣機并安裝到了浙江金華的一個微電網(wǎng)的應(yīng)用中，要說明的是，微網(wǎng)的運行應(yīng)該是不需要新能源同步機來支撐的。之所以安裝工程樣機，是因為系統(tǒng)建設(shè)者對方案研究的支持和關(guān)注。通過工程樣機的工作運行情況，我們也積累了一些經(jīng)驗，比如，用光伏發(fā)電來驅(qū)動裝置進行安裝和調(diào)試、自動開停機、控制和測量、故障應(yīng)對處理等。這對一個創(chuàng)新產(chǎn)品來說是不可缺少的。
現(xiàn)在，國內(nèi)和國際上也有幾個不同的高校小組發(fā)表了幾篇研究論文，其裝置的基本構(gòu)成和新能源同步機完全一樣。特別是日本的幾家大公司和政府一起建立了一個新的研究團隊，其兩個工作目標之一，就是完成一個100兆瓦的新能源同步機的工程樣機。他們讀了我們所有的論文，并和我們開了視頻咨詢會。如果他們完成了工程樣機并網(wǎng)，或者如果歐洲某個公司也啟動了類似的方案研發(fā)，那么這個方案就有可能鋪開。
我們討論的新能源同步機的方案，是針對未來新能源占比高的場景時的技術(shù)方案。從基本物理定律看這個方案，麥克斯韋方程明確地表明了，產(chǎn)生電壓最簡單和直接的方式就是改變磁場，從工程的角度看，就是旋轉(zhuǎn)一塊磁鐵以產(chǎn)生交流電壓，這就是第一性原理思維。新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)該需要這樣的第一性原理思維，直接從物理定律思考解決方案。如果行業(yè)人員都用第一性原理思維試圖提出本質(zhì)性的解決方案，那么新能源給電網(wǎng)帶來的問題就會被更快地解決，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)也就會進展得更快。
中能傳媒：
請您談?wù)勗诠β拾雽w器件的可靠性測試設(shè)備和可靠性研究方面所做的工作，以及功率半導體器件的國產(chǎn)化進程如何?
黃永章：
中國的功率半導體的應(yīng)用技術(shù)在國際上都是領(lǐng)先的，這些應(yīng)用也促進了功率半導體器件的發(fā)展，但是生產(chǎn)的功率器件的水平和應(yīng)用水平不匹配。我過去做過集成電路芯片的制造設(shè)備，對芯片工藝有理解?，F(xiàn)在芯片又是中國急需的“卡脖子”技術(shù)，有關(guān)這方面的發(fā)展路徑有各種討論，有融入國際的、有國產(chǎn)化的，或者兩者混合的?，F(xiàn)在外部大環(huán)境發(fā)生變化，這種路徑討論就又多了一些，但我覺得應(yīng)該有更好的路徑，比如智力互惠路徑。
芯片主要分為數(shù)字芯片和功率芯片，數(shù)字芯片日新月異，更新?lián)Q代很快;功率芯片主要是滿足工況要求和提高可靠性，芯片結(jié)構(gòu)的變化緩慢。那么我就想，我們能不能在功率芯片上，為芯片的工藝和可靠性作出令人夸贊的技術(shù)貢獻，在碳化硅、氮化鎵等新型器件上作出令人夸贊的技術(shù)貢獻，把芯片做到質(zhì)優(yōu)價廉，并使功率芯片在能源轉(zhuǎn)型和低碳社會上得到廣泛應(yīng)用。比如，在柔直輸電中引領(lǐng)壓接型IGBT器件的應(yīng)用都是國際領(lǐng)先水平的工作，并且得到國際同行的稱贊。進而，通過技術(shù)交流和共享，獲取我國急需的工藝、材料、設(shè)備等技術(shù)的使用權(quán)限，這里面當然可以包含數(shù)字芯片的工藝、材料、設(shè)備等技術(shù)的使用權(quán)限，實現(xiàn)智力互惠。
本著這樣的想法，我們在學校建設(shè)了“大功率半導體器件可靠性研究實驗室”，為國內(nèi)外的客戶提供功率器件可靠性測試技術(shù)和測試設(shè)備，同時，國內(nèi)外客戶也給我們的技術(shù)研發(fā)提供了方向性建議，我們和客戶共同進步。其一，我們團隊做的測試技術(shù)的研發(fā)使我們具有了國際認可度，我們在芯片結(jié)溫的精確測量、芯片的溫度分布測量、壓接器件的多芯片結(jié)溫分布、器件熱阻的精確測量等方面都對測試技術(shù)做了很大提升，達到世界前沿技術(shù)水平，這些技術(shù)也應(yīng)用在我們?yōu)閲鴥?nèi)外客戶的測試服務(wù)中，包括給英飛凌和東芝的測試。其二，我們團隊將研發(fā)進行了成果轉(zhuǎn)化，開發(fā)了多種不同的測試設(shè)備，PCT2000是我們推出的功率循環(huán)定型系列產(chǎn)品，其測試效率為國際商業(yè)產(chǎn)品的2—6倍，測試精度和設(shè)備可靠性還更優(yōu);我們開發(fā)了3000安和6000安的器件功率循環(huán)測試設(shè)備，是世界首臺套，為中國的柔直工程和高鐵用的不同器件做了必要的測試服務(wù);我們針對室外應(yīng)用環(huán)境(如海上風電、電動汽車等)的器件開發(fā)了具有大電流、高電壓、濕度、鹽霧腐蝕等共同作用的器件壽命測試裝備，為世界首臺套，為行業(yè)提供了新類型的測試數(shù)據(jù)。其三，我們團隊為國內(nèi)眾多客戶做了器件失效分析服務(wù)，為客戶的工藝改進、封裝設(shè)計提供了直接幫助。上述工作為國產(chǎn)化器件的提升提供了直接的幫助。
功率器件可靠性測試設(shè)備——PCT2000系列。
總的來說，我國功率器件的國產(chǎn)化還是相當不錯的。以中車半導體、南瑞半導體為代表的器件廠商進步非常快。比如柔直輸電，現(xiàn)在國產(chǎn)器件已經(jīng)進入工程使用階段，中短期可靠性可接受，長期可靠性有待時間檢驗，這個高端應(yīng)用應(yīng)該是國產(chǎn)器件的突破點。在電動汽車、新能源并網(wǎng)等通用工業(yè)芯片的應(yīng)用上，芯片還在進步中。可喜的是，上述兩大廠商已經(jīng)走過了芯片制造的可行性階段，來到了芯片產(chǎn)品可靠性設(shè)計和管理階段，已經(jīng)完全理解了可靠性是功率芯片提高市場占有率的首要因素。
中能傳媒：
結(jié)合您多年的海外研究教育經(jīng)歷，您認為我國電力系統(tǒng)發(fā)展在全球居于什么地位?您培養(yǎng)了多位博士人才，您認為應(yīng)如何構(gòu)建適應(yīng)新型電力系統(tǒng)快速發(fā)展的人才培養(yǎng)機制?
黃永章：
我國電力系統(tǒng)的發(fā)展在全球應(yīng)該是居于前沿位置。這里面有后發(fā)優(yōu)勢的因素，也有我國能源分布的因素，能源在西部，用戶在東部，成就了“西電東送”，為此我國的遠距離輸電工程比世界加起來還多，也發(fā)展了特高壓交直流輸電技術(shù)。
我的職業(yè)背景比較豐富一些，學的是物理，在高能物理加速器、集成電路制造設(shè)備和工藝、電力系統(tǒng)、功率半導體器件可靠性等不同領(lǐng)域都工作過多年，在產(chǎn)學研界也都工作過。所以我也充分地發(fā)揮自身特點和優(yōu)勢，在人才培養(yǎng)方面多做了一些嘗試。
新型電力系統(tǒng)是個完全新的系統(tǒng)，挑戰(zhàn)很多，涉及學科交叉、創(chuàng)新、融合等等。產(chǎn)學研界的工作經(jīng)歷，能夠使我在涉及學科交叉的科研工作中充分發(fā)揮優(yōu)勢，去做不一樣的問題、用不一樣的途徑，就有可能產(chǎn)生出新技術(shù)和新思想，有可能產(chǎn)生出顛覆性的技術(shù)。這也是我在盡最大努力去做的。
涉及學科交叉的人才培養(yǎng)其實很難做，即使世界的一流大學也說自己在學科交叉的人才培養(yǎng)上做得不夠好。
形成一個人才培養(yǎng)機制是個漫長和細致的過程，大學教授不能坐等機制的形成，應(yīng)該可以為機制的形成做些嘗試。我的感悟是，要培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維、質(zhì)疑精神、動手能力和團隊精神。一個較為直接的方法，就是帶著研究生做一件世界上沒有人做過的工作，在這個過程中，大家一起為了一個目標，思考做什么，怎么做，直到做出一個“成品”。這個工作完成了，這名研究生的培養(yǎng)過程也就完成了，他也就成長了。
例如，我們在做新能源同步機的時候，目標就是研究不一樣的新能源并網(wǎng)方法，能夠使新能源的占比得到提高。我們就想到了新能源驅(qū)動同步機并網(wǎng)。工作是一步一步做的，先是確定這個方案物理基礎(chǔ)是否牢靠，接著做實驗證明能不能運轉(zhuǎn)，然后做個小裝置將電力并上電網(wǎng)，再用這個裝置做些試驗證明有益處。在過程中遇到什么問題解決什么問題，有些問題世界上沒人解決過，我和研究生不了解此類問題，那就去讀書、去思考、去請教。當研究生們把裝置做出來并且穩(wěn)定運行的時候，他們的自信心和對問題理解力的提高是出人意料的。這些研究生們未來都會是棟梁之材。
所以，最有效的培養(yǎng)人才的方法，就是一起做一件完全不一樣的工作，小改進都不算。當然，說說容易，做到難，教授們也有考核壓力，也有經(jīng)費壓力，但不管怎么說，對待行業(yè)問題，需要差異性的解決方案，從不同的角度想一想，從底層物理定律想一想，對有挑戰(zhàn)性的問題多想一想。技術(shù)方案最終是否有效不重要，重要的是在過程中培養(yǎng)了人才。大學不是一定要證明一個新技術(shù)是有效的，如果能證明一個新技術(shù)是無效的，那也是培養(yǎng)了人才，也是對行業(yè)的莫大貢獻。
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