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(qiáng)調(diào)要“加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)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(xí)近平總書(shū)記在中共中央政治局第十二次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，應(yīng)對(duì)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(xué)擁有“新能源電力系統(tǒng)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，您能介紹一下實(shí)驗(yàn)室的情況嗎？
黃永章：能源和電力是國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)供應(yīng)，涉及方方面面，價(jià)格和供給只是一方面，還有安全、環(huán)境等等社會(huì)因素。對(duì)這些戰(zhàn)略要求，我的理解：第一，新能源接入的程度對(duì)電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)了，既要解決這些問(wèn)題，還要讓新能源的接入變得更多；第二，安全、經(jīng)濟(jì)、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(dá)到這些目標(biāo)和要求。低碳則是新要求，為應(yīng)對(duì)新能源的波動(dòng)性和間歇性對(duì)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(wèn)題，但是還必須要提高新能源占比。
“新能源電力系統(tǒng)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室十多年來(lái)做得非常有特色，成績(jī)也是在實(shí)驗(yàn)室主任、學(xué)校的老校長(zhǎng)劉吉臻院士，學(xué)校副校長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任畢天姝教授的領(lǐng)導(dǎo)下取得的；學(xué)校也是舉全校之力為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)，校長(zhǎng)楊勇平院士給予國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室極大的支持。例如在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)期，劉吉臻團(tuán)隊(duì)的火電機(jī)組深度調(diào)峰工作，使火電機(jī)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(píng)價(jià)。彼時(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作重心是提高新能源的消納，減少棄風(fēng)棄光，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的飛輪儲(chǔ)能群組耦合火電機(jī)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(chǔ)聯(lián)合AGC平均負(fù)荷變化率相較于機(jī)組自身提升1.7倍；畢天姝團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的并網(wǎng)友好型風(fēng)光儲(chǔ)場(chǎng)站群智慧聯(lián)合調(diào)控運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的區(qū)域新能源場(chǎng)站群應(yīng)用實(shí)施。
中能傳媒：您2013年來(lái)到華北電力大學(xué)后，主要聚焦哪些領(lǐng)域的研究？
黃永章：主要聚焦兩個(gè)方面的研究：一方面是關(guān)于功率半導(dǎo)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(yùn)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(gè)最大的技術(shù)問(wèn)題，一個(gè)是國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)占有率低，二是通過(guò)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(dǎo)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(guó)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(dòng)汽車(chē)、新能源并網(wǎng)等應(yīng)用，但是器件的設(shè)計(jì)和工藝差距大，國(guó)產(chǎn)器件的市場(chǎng)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(zhǎng)。所以，我們就選擇了幫助器件制造客戶(hù)和應(yīng)用客戶(hù)提高器件的可靠性，我們做可靠性測(cè)試技術(shù)的研發(fā)、可靠性測(cè)試新設(shè)備開(kāi)發(fā)、器件失效分析、可靠性改進(jìn)建議。
這個(gè)工作具有很高的技術(shù)門(mén)檻，能夠?yàn)楣I(yè)界提供實(shí)實(shí)在在的術(shù)服務(wù)，幫助行業(yè)和客戶(hù)解決實(shí)際工作中的問(wèn)題。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(diǎn)，新問(wèn)題就出現(xiàn)一點(diǎn)，占比越高，新問(wèn)題的影響也越大，直至影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。這個(gè)問(wèn)題具有長(zhǎng)期性和艱巨性，非常適合大學(xué)研究組來(lái)做。新能源的增加替換了電網(wǎng)原來(lái)的同步發(fā)電機(jī)電源，同步發(fā)電機(jī)是電壓源，但是新能源驅(qū)動(dòng)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(yùn)行需要電壓源來(lái)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(dòng)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(dǎo)致不穩(wěn)定性的最大原因。兩個(gè)問(wèn)題疊加，如果無(wú)法破解，將使新能源的發(fā)展戛然而止。
當(dāng)前行業(yè)人員基本都是在改進(jìn)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?cè)谘芯窟€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(shí)代的MGP 并網(wǎng)技術(shù)，為其起了個(gè)名字叫“新能源同步機(jī)”，并進(jìn)行了必要的可行性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性研發(fā)工作。相信行業(yè)會(huì)在將來(lái)某個(gè)時(shí)間開(kāi)始嘗試和接受這個(gè)技術(shù)方案。
中能傳媒：請(qǐng)您介紹一下新能源同步機(jī)這個(gè)研究的構(gòu)想，目前進(jìn)展情況如何？對(duì)于新能源同步機(jī)這一技術(shù)未來(lái)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(wèn)題就是它們是電流源，而非電壓源。新能源同步機(jī)這個(gè)方案的出發(fā)點(diǎn)是，同步發(fā)電機(jī)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(jī)這么好，為什么不把同步機(jī)保留下來(lái)，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(dòng)一個(gè)同步電動(dòng)機(jī)，再用同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)，這樣就把新能源電力轉(zhuǎn)變成了一個(gè)交流電網(wǎng)需要的電壓源。我們把這個(gè)裝置稱(chēng)為同步電機(jī)對(duì)并網(wǎng)（MGP），隨著研究的逐步深入，我們又把這個(gè)方案叫作新能源同步機(jī)
新能源同步機(jī)并網(wǎng)與電力電子并網(wǎng)對(duì)比圖
新能源同步機(jī)的方案，在世界上是獨(dú)樹(shù)一幟的。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，要在原理上、功能上、成本效益上進(jìn)行充分論證。開(kāi)始，做專(zhuān)利和文獻(xiàn)調(diào)研，確認(rèn)這是沒(méi)有人提過(guò)和做過(guò)的；再做原理性論證，確認(rèn)物理基礎(chǔ)是可靠的；然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，那時(shí)沒(méi)有任何條件，就借其他老師的教學(xué)實(shí)驗(yàn)桌和教學(xué)用小電機(jī)，再一個(gè)一個(gè)地理解和解決實(shí)驗(yàn)裝置出現(xiàn)的各種問(wèn)題，終于用墻上電力帶動(dòng)了裝置并發(fā)出了電力，隨后再把這個(gè)電力并入墻上電網(wǎng)。與此同時(shí)，建立 MGP的并網(wǎng)運(yùn)行模型，建立小信號(hào)模型、暫態(tài)仿真模型等，由此確信了對(duì)電網(wǎng)的有益性。我們?nèi)ブ袊?guó)電科院等地請(qǐng)教內(nèi)行對(duì)方案進(jìn)行批評(píng)和指教，他們提出了新能源驅(qū)動(dòng) MGP 可能會(huì)有的問(wèn)題，由此我們就開(kāi)始籌建驅(qū)動(dòng) MGP和進(jìn)行MGP并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的完整裝置。不懂就學(xué)，由此理解了電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器和并網(wǎng)逆變器的相似之處和差異之處，在這個(gè)裝置上完成了模擬新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)、MGP 阻尼的測(cè)量、高壓穿越和低壓穿越、諧波分析、負(fù)載短路等實(shí)驗(yàn)。最新的進(jìn)展是針對(duì)新能源并入電網(wǎng)的場(chǎng)景，在仿真模型上用新能源同步機(jī)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。
新能源同步機(jī)構(gòu)造圖
目前，我們已經(jīng)生產(chǎn)出一個(gè)小型工程樣機(jī)并安裝到了浙江金華的一個(gè)微電網(wǎng)的應(yīng)用中，要說(shuō)明的是，微網(wǎng)的運(yùn)行應(yīng)該是不需要新能源同步機(jī)來(lái)支撐的。之所以安裝工程樣機(jī)，是因?yàn)橄到y(tǒng)建設(shè)者對(duì)方案研究的支持和關(guān)注。通過(guò)工程樣機(jī)的工作運(yùn)行情況，我們也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，比如，用光伏發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行安裝和調(diào)試、自動(dòng)開(kāi)停機(jī)、控制和測(cè)量、故障應(yīng)對(duì)處理等。這對(duì)一個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是不可缺少的。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上也有幾個(gè)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(jī)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(gè)新的研究團(tuán)隊(duì)，其兩個(gè)工作目標(biāo)之一，就是完成一個(gè)100兆瓦的新能源同步機(jī)的工程樣機(jī)。他們讀了我們所有的論文，并和我們開(kāi)了視頻咨詢(xún)會(huì)。如果他們完成了工程樣機(jī)并網(wǎng)，或者如果歐洲某個(gè)公司也啟動(dòng)了類(lèi)似的方案研發(fā)，那么這個(gè)方案就有可能鋪開(kāi)。我們討論的新能源同步機(jī)的方案，是針對(duì)未來(lái)新能源占比高的場(chǎng)景時(shí)的技術(shù)方案。從基本物理定律看這個(gè)方案，麥克斯韋方程明確地表明了，產(chǎn)生電壓最簡(jiǎn)單和直接的方式就是改變磁場(chǎng)，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(lái)的問(wèn)題就會(huì)被更快地解決，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)也就會(huì)進(jìn)展得更快。
中能傳媒：請(qǐng)您談?wù)勗诠β拾雽?dǎo)體器件的可靠性測(cè)試設(shè)備和可靠性研究方面所做的工作，以及功率半導(dǎo)體器件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程如何？
黃永章：中國(guó)的功率半導(dǎo)體的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)際上都是領(lǐng)先的，這些應(yīng)用也促進(jìn)了功率半導(dǎo)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(guò)去做過(guò)集成電路芯片的制造設(shè)備，對(duì)芯片工藝有理解。現(xiàn)在芯片又是中國(guó)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(guó)際的、有國(guó)產(chǎn)化的，或者兩者混合的。現(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(jué)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(mǎn)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(xiàn)，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(xiàn)，把芯片做到質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，并使功率芯片在能源轉(zhuǎn)型和低碳社會(huì)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(guó)際領(lǐng)先水平的工作，并且得到國(guó)際同行的稱(chēng)贊。進(jìn)而，通過(guò)技術(shù)交流和共享，獲取我國(guó)急需的工藝、材料、設(shè)備等技術(shù)的使用權(quán)限，這里面當(dāng)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(shí)現(xiàn)智力互惠。
本著這樣的想法，我們?cè)趯W(xué)校建設(shè)了“大功率半導(dǎo)體器件可靠性研究實(shí)驗(yàn)室”，為國(guó)內(nèi)外的客戶(hù)提供功率器件可靠性測(cè)試技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外客戶(hù)也給我們的技術(shù)研發(fā)提供了方向性建議，我們和客戶(hù)共同進(jìn)步。其一，我們團(tuán)隊(duì)做的測(cè)試技術(shù)的研發(fā)使我們具有了國(guó)際認(rèn)可度，我們?cè)谛酒Y(jié)溫的精確測(cè)量、芯片的溫度分布測(cè)量、壓接器件的多芯片結(jié)溫分布、器件熱阻的精確測(cè)量等方面都對(duì)測(cè)試技術(shù)做了很大提升，達(dá)到世界前沿技術(shù)水平，這些技術(shù)也應(yīng)用在我們?yōu)閲?guó)內(nèi)外客戶(hù)的測(cè)試服務(wù)中，包括給英飛凌和東芝的測(cè)試。
其二，我們團(tuán)隊(duì)將研發(fā)進(jìn)行了成果轉(zhuǎn)化，開(kāi)發(fā)了多種不同的測(cè)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(cè)試效率為國(guó)際商業(yè)產(chǎn)品的 2—6 倍，測(cè)試精度和設(shè)備可靠性還更優(yōu)；我們開(kāi)發(fā)了 3000安和 6000 安的器件功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備，是世界首臺(tái)套，為中國(guó)的柔直工程和高鐵用的不同器件做了必要的測(cè)試服務(wù)；我們針對(duì)室外應(yīng)用環(huán)境（如海上風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)等）的器件開(kāi)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(cè)試裝備，為世界首臺(tái)套，為行業(yè)提供了新類(lèi)型的測(cè)試數(shù)據(jù)。其三，我們團(tuán)隊(duì)為國(guó)內(nèi)眾多客戶(hù)做了器件失效分析服務(wù)，為客戶(hù)的工藝改進(jìn)、封裝設(shè)計(jì)提供了直接幫助。上述工作為國(guó)產(chǎn)化器件的提升提供了直接的幫助。
總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)功率器件的國(guó)產(chǎn)化還是相當(dāng)不錯(cuò)的。以中車(chē)半導(dǎo)體、南瑞半導(dǎo)體為代表的器件廠商進(jìn)步非常快。比如柔直輸電，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)器件已經(jīng)進(jìn)入工程使用階段，中短期可靠性可接受，長(zhǎng)期可靠性有待時(shí)間檢驗(yàn)，這個(gè)高端應(yīng)用應(yīng)該是國(guó)產(chǎn)器件的突破點(diǎn)。在電動(dòng)汽車(chē)、新能源并網(wǎng)等通用工業(yè)芯片的應(yīng)用上，芯片還在進(jìn)步中。可喜的是，上述兩大廠商已經(jīng)走過(guò)了芯片制造的可行性階段，來(lái)到了芯片產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)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(chǎng)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(rèn)為我國(guó)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(rèn)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(jī)制？
黃永章：我國(guó)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(shì)的因素，也有我國(guó)能源分布的因素，能源在西部，用戶(hù)在東部，成就了“西電東送”，為此我國(guó)的遠(yuǎn)距離輸電工程比世界加起來(lái)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(xué)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(dǎo)體器件可靠性等不同領(lǐng)域都工作過(guò)多年，在產(chǎn)學(xué)研界也都工作過(guò)。所以我也充分地發(fā)揮自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在人才培養(yǎng)方面多做了一些嘗試。
新型電力系統(tǒng)是個(gè)完全新的系統(tǒng)，挑戰(zhàn)很多，涉及學(xué)科交叉、創(chuàng)新、融合等等。產(chǎn)學(xué)研界的工作經(jīng)歷，能夠使我在涉及學(xué)科交叉的科研工作中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，去做不一樣的問(wèn)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(xué)科交叉的人才培養(yǎng)其實(shí)很難做，即使世界的一流大學(xué)也說(shuō)自己在學(xué)科交叉的人才培養(yǎng)上做得不夠好。
形成一個(gè)人才培養(yǎng)機(jī)制是個(gè)漫長(zhǎng)和細(xì)致的過(guò)程，大學(xué)教授不能坐等機(jī)制的形成，應(yīng)該可以為機(jī)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(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)精神。一個(gè)較為直接的方法，就是帶著研究生做一件世界上沒(méi)有人做過(guò)的工作，在這個(gè)過(guò)程中，大家一起為了一個(gè)目標(biāo)，思考做什么，怎么做，直到做出一個(gè)“成品”。這個(gè)工作完成了，這名研究生的培養(yǎng)過(guò)程也就完成了，他也就成長(zhǎng)了。
例如，我們?cè)谧鲂履茉赐綑C(jī)的時(shí)候，目標(biāo)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(dòng)同步機(jī)并網(wǎng)。工作是一步一步做的，先是確定這個(gè)方案物理基礎(chǔ)是否牢靠，接著做實(shí)驗(yàn)證明能不能運(yùn)轉(zhuǎn)，然后做個(gè)小裝置將電力并上電網(wǎng)，再用這個(gè)裝置做些試驗(yàn)證明有益處。在過(guò)程中遇到什么問(wèn)題解決什么問(wèn)題，有些問(wèn)題世界上沒(méi)人解決過(guò)，我和研究生不了解此類(lèi)問(wèn)題，那就去讀書(shū)、去思考、去請(qǐng)教。當(dāng)研究生們把裝置做出來(lái)并且穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，他們的自信心和對(duì)問(wèn)題理解力的提高是出人意料的。這些研究生們未來(lái)都會(huì)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(jìn)都不算。當(dāng)然，說(shuō)說(shuō)容易，做到難，教授們也有考核壓力，也有經(jīng)費(fèi)壓力，但不管怎么說(shuō)，對(duì)待行業(yè)問(wèn)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(duì)有挑戰(zhàn)性的問(wèn)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(guò)程中培養(yǎng)了人才。大學(xué)不是一定要證明一個(gè)新技術(shù)是有效的，如果能證明一個(gè)新技術(shù)是無(wú)效的，那也是培養(yǎng)了人才，也是對(duì)行業(yè)的莫大貢獻(xiàn)。
作者：楊苗苗 王睿佳 曲藝
評(píng)論