中國儲能網(wǎng)訊：構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、集成電路制造設備和工藝、高能物理加速器等多個領域。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備并推向市場，向國內外龍頭企業(yè)提供可靠性測試服務，提出和電力電子并網(wǎng)共存的新能源同步機技術并堅持研發(fā)。
用差異化創(chuàng)新方法推進新型電力系統(tǒng)構建
——訪華北電力大學教授、國家特聘專家黃永章
中能傳媒：2021年3月，中央首次提出構建新型電力系統(tǒng)，要求“構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。2023年7月11日，中央再次強調要“加快構建清潔低碳、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，應對能源發(fā)展的系列挑戰(zhàn)，“出路就是大力發(fā)展新能源?！蹦绾慰创ㄔO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設施和基礎供應，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)的建設需要達到這些目標和要求。低碳則是新要求，為應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、實驗室常務副主任畢天姝教授的領導下取得的；學校也是舉全校之力為國家重點實驗室服務，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期，劉吉臻團隊的火電機組深度調峰工作，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。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)合調頻技術在電力系統(tǒng)成功應用，一次調頻合格率提高到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)合調控運維關鍵技術在內蒙古電網(wǎng)的區(qū)域新能源場站群應用實施。
中能傳媒：您2013年來到華北電力大學后，主要聚焦哪些領域的研究？
黃永章：主要聚焦兩個方面的研究：一方面是關于功率半導體器件的可靠性；另一方面是關于新能源電力系統(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。
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)等應用，但是器件的設計和工藝差距大，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用客戶提高器件的可靠性，我們做可靠性測試技術的研發(fā)、可靠性測試新設備開發(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門檻，能夠為工業(yè)界提供實實在在的技術服務，幫助行業(yè)和客戶解決實際工作中的問題。
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，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，但是新能源驅動的電力電子變流器本質上是電流源。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，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方案。
中能傳媒：請您介紹一下新能源同步機這個研究的構想，目前進展情況如何？對于新能源同步機這一技術未來的發(fā)展和應用，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，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，應該怎么保留？答案就是用新能源驅動一個同步電動機，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。
新能源同步機并網(wǎng)與電力電子并網(wǎng)對比圖
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。我們去中國電科院等地請教內行對方案進行批評和指教，他們提出了新能源驅動MGP可能會有的問題，由此我們就開始籌建驅動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。
新能源同步機構造圖
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)的應用中，要說明的是，微網(wǎng)的運行應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)建設者對方案研究的支持和關注。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)電來驅動裝置進行安裝和調試、自動開停機、控制和測量、故障應對處理等。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，應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)的建設也就會進展得更快。
中能傳媒：請您談談在功率半導體器件的可靠性測試設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用技術在國際上都是領先的，這些應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用水平不匹配。我過去做過集成電路芯片的制造設備，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，有關這方面的發(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，芯片結構的變化緩慢。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貢獻，在碳化硅、氮化鎵等新型器件上作出令人夸贊的技術貢獻，把芯片做到質優(yōu)價廉，并使功率芯片在能源轉型和低碳社會上得到廣泛應用。比如，在柔直輸電中引領壓接型IGBT器件的應用都是國際領先水平的工作，并且得到國際同行的稱贊。進而，通過技術交流和共享，獲取我國急需的工藝、材料、設備等技術的使用權限，這里面當然可以包含數(shù)字芯片的工藝、材料、設備等技術的使用權限，實現(xiàn)智力互惠。
本著這樣的想法，我們在學校建設了“大功率半導體器件可靠性研究實驗室”，為國內外的客戶提供功率器件可靠性測試技術和測試設備，同時，國內外客戶也給我們的技術研發(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的研發(fā)使我們具有了國際認可度，我們在芯片結溫的精確測量、芯片的溫度分布測量、壓接器件的多芯片結溫分布、器件熱阻的精確測量等方面都對測試技術做了很大提升，達到世界前沿技術水平，這些技術也應用在我們?yōu)閲鴥韧饪蛻舻臏y試服務中，包括給英飛凌和東芝的測試。其二，我們團隊將研發(fā)進行了成果轉化，開發(fā)了多種不同的測試設備，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；我們針對室外應用環(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，我們團隊為國內眾多客戶做了器件失效分析服務，為客戶的工藝改進、封裝設計提供了直接幫助。上述工作為國產(chǎn)化器件的提升提供了直接的幫助。
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?？?。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，這個高端應用應該是國產(chǎn)器件的突破點。在電動汽車、新能源并網(wǎng)等通用工業(yè)芯片的應用上，芯片還在進步中?？上驳氖?，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，您認為應如何構建適應新型電力系統(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。
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、集成電路制造設備和工藝、電力系統(tǒng)、功率半導體器件可靠性等不同領域都工作過多年，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)生出新技術和新思想，有可能產(chǎn)生出顛覆性的技術。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是否牢靠，接著做實驗證明能不能運轉，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是有效的，如果能證明一個新技術是無效的，那也是培養(yǎng)了人才，也是對行業(yè)的莫大貢獻。
