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突破瓶頸,連續攻關,為智能電網發展保駕護航——記清華大學電機系教授梅生偉

發布時間:2020-04-28所屬分類:文史論文瀏覽:1

摘 要: 智能電網的概念,最早是由美國專家在2009年提出的,進入新世紀之后,各個國家都在重新審視過去電網建設的模式,探討未來電網的發展新方向,智能電網正是專家們對這一問題思考、研究的結果。我國對智能電網的研究、討論與應用,已經進入了快速發展的軌道,與

  智能電網的概念,最早是由美國專家在2009年提出的,進入新世紀之后,各個國家都在重新審視過去電網建設的模式,探討未來電網的發展新方向,智能電網正是專家們對這一問題思考、研究的結果。我國對智能電網的研究、討論與應用,已經進入了快速發展的軌道,與世界先進水平同步。

突破瓶頸,連續攻關,為智能電網發展保駕護航——記清華大學電機系教授梅生偉

  交直流電力系統是智能電網發展的新趨勢和新常態。為了保證規模復雜的交直流電力系統正常運行,清華大學電機系教授梅生偉帶領他的團隊,歷經多年技術攻關,成功研發了連鎖故障主動防御軟件平臺,為保障我國特/超高壓交直流電力系統安全運行發揮了重要作用,該項目榮獲2018年國家科學技術進步二等獎。

  梅生偉,清華大學教授,博士生導師,青海大學新能源學院院長,美國電子電氣工程師協會會士,英國工程技術學會會士,國家杰出青年基金獲得者,教育部長江學者,青海省昆侖學者,基金委創新群體學術帶頭人。

  梅生偉主要從事電力系統魯棒控制、復雜電力網絡理論、電力系統災變防治和新能源電力系統等研究。他提出了電力系統非線性魯棒控制設計原理,解決了復雜電力系統抗干擾控制器設計難題,建立了電力系統非線性魯棒控制理論,有力推動了現代控制理論的發展;突破了電力系統災變防治多時間尺度過程分析相互割裂的局限性,建立了電力系統自組織臨界理論,開辟了連鎖故障機理分析和災變阻斷新途徑。以多目標多決策主體不確定系統綜合優化為突破口,提出工程博弈論新方法,研發了壓縮空氣儲能新技術,開創并引領了可再生能源綜合利用研究新方向。

  在炎炎夏日里,帶著對梅生偉的崇敬之情,記者走入了清華園,拜訪了這位正直壯年的學者。賓主一落座,梅生偉就向記者介紹了自己新近獲獎的這個項目。在交談的過程中,記者感受到了梅生偉的謙遜之情,始終將團隊的榮譽放在了首位,令記者欽佩。

  專業團隊,成就專業之能事

  梅生偉介紹說,隨著特/超高壓交直流混聯電網的穩步建設,我國目前已建成世界上電壓等級和直流輸電比例最高、同步機群規模最大和結構最復雜的交直流電力系統,承擔著電能生產、遠距離跨區傳輸以及大規?稍偕茉聪{的重要使命。此類系統的連鎖故障誘因多、特性雜、耦合強、路徑多、距離長,一旦發生故障,容易引發大規模停電事故,造成慘重社會經濟損失。交直流電力系統主要由同步機群、交直流混聯電網和負荷組成,其連鎖故障一般伴隨著初始故障、故障擴散和振蕩崩潰3個階段,原有技術側重從交直流混聯電網層面預防大停電事故,缺乏從交直流電力系統源-網-荷全局角度研究的視角,而梅生偉則通盤考慮,潛心研究引發大停電的連鎖故障發生機理、傳播過程以及阻斷技術。

  梅生偉帶領自己的項目團隊,歷經多年攻關,重點突破了交直流系統連鎖故障整體建模、主動預防、主動阻斷3項關鍵技術,項目成功研發了交直流電力系統連鎖故障仿真平臺、電網災害風險評估及安全預警系統以及連鎖故障在線主動阻斷系統,形成了高效阻斷合力,將電力系統連鎖故障消除于初始階段或限制在最小范圍之內,主要性能指標居國際領先水平。

  “交直流電力系統連鎖故障主動防御關鍵技術與應用”的成功,贏得了業內專家們的高度肯定,榮獲國家科技進步二等獎,其成果已經成功應用于河南、上海、四川、廣東、新疆等5個特/超高壓交直流電力系統、20 多家省市電力公司及100 多個電力工程項目。

  對于梅生偉而言,能夠將項目的成果實施應用,自然是一件非常開心的事情。在眾多的應用基地中,他最牽掛的,莫過于青海了,在那里,有他工作的烙印,有他科研的回憶。青海是我國風光資源大省,新能源發電比例高,采用特高壓線路向華中地區輸送電力,是典型的交直流電力系統,該項目提出的關鍵技術,將對保障青海電網安全穩定運行具有重要意義。

  支援青海,轉化科技成果

  提及青海,梅生偉有著述說不完的情懷。梅生偉本科畢業于新疆大學,對著西部有著深厚的感情。從2013 年開始,梅生偉就肩負起組織賦予的偉大使命,支援青海建設,為青海的高等教育事業“輸血造血”。

  在青海,梅生偉帶領新的團隊,結合實際情況,開展了多項科研項目,其中,在“10MW非補燃壓縮空氣儲能技術研發及示范應用”項目中,梅生偉和他的團隊,攻克了高負荷寬工況多級壓縮、高效蓄熱/換熱、大容量儲氣、變工況多級空氣透平、電站運行優化控制以及系統設計與集成等多項關鍵技術,建立了完備的自主知識產權體系,顯著提升了裝備的國產化水平。核心技術獲中國發明專利20余項,相關技術成果有力地支撐了國家能源局“江蘇金壇60MW/300MWh壓縮空氣儲能”國家示范項目。目前,他擔任該項目首席科學家,負責項目的技術攻關和工程建設。2018年10月,由五位院士領銜的鑒定委員會認為,該項目“實現了我國在世界壓縮空氣儲能行業技術研發和工程實踐的雙引領,達到國際領先水平”。

  當前,青海正在建設國家清潔能源示范省,新能源裝機迅猛發展,大容量儲能在全清潔供能場景下的電源側、電網側和負荷側均具有廣闊的應用前景。該項目提出的非補燃壓縮空氣儲能技術具有大容量、高效率、長壽命、清潔環保等眾多優點,將對青海的能源轉型發展產生積極、廣泛和深遠的影響。

  青海省屬于高原地區,即使是在海拔較低的西寧市,有些人也可能會有高原反應,何況是山區。為了搞科研,他們必須要到山區進行實地調研?而梅生偉作為清華大學對口支援青海大學的支援干部,到青海工作已經有6個年頭了。每年都要往返北京、西寧三四十次,工作忙碌、辛苦而充實,經常是凌晨才落地西寧,當天晚上又要趕回首都。但是,當看到通過青海大學這個平臺,為青海做的事能夠落實、培養的隊伍能夠留下,梅生偉倍感欣慰。青海省有最豐富的清潔能源,給科學研究和技術應用提供了最好的天然實驗室。在支援過程中,梅生偉也意識到,青海給他的科研提供了新的思路和條件,從這一點上說,梅生偉對青海心懷感恩之情,也非常感謝青海大學的全力支持。

  剛到青海工作時,青海大學對新能源的研究還處于起步階段,沒有一個完整的學科體系,特別是缺乏新的研究思路和國際視野。恰好當時美國波音公司希望能夠與清華大學合作研究退役飛機碳纖維材料的綠色回收問題,想利用太陽能找到合理回收方法,這將推動形成一個全新的綠色循環產業。梅生偉當時就想到了青海,那里有明媚的陽光、干燥的空氣和無垠的荒漠,沒有比那里更合適的了。進過多次溝通和考察,該項目最終落地青海大學,也成為青海大學第一個與國際大公司聯合開展的研究項目。2年的努力攻關之后,梅生偉和青海團隊研究出了兩步法光伏回收飛機碳纖維的新技術,獲得了波音公司的好評。后來步,他們又提出以此技術為依托,在青海建設中國飛機回收中心的設想,而且預估這一全新的綠色產業將為青海帶來30億的產值。目前,中國飛機回收中心已經在青海省德令哈市奠基開工。對于青海省的經濟建設,梅生偉功不可沒。

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  青海擁有全國最好的新能源資源,但發展關鍵要靠人,青海發展最大的瓶頸是人才。因此,梅生偉將如何培養新能源專業人才作為對口支援工作的重中之重。從組建教師隊伍、申請專業、到招生,梅生偉事無巨細,事必躬親。2020年,第一屆學生即將畢業,想到他們將要投入到青海新能源產業的建設中去,梅生偉也是頗感欣慰。聊到這里,梅生偉特意分享了一個小故事。由于生源質量不佳,有部分預科學生學習基礎較差,特別是一些民族學生,漢語交流都有困難。針對現狀,梅生偉和他的團隊,經過思考和實踐,總結了一整套的三全育人計劃,堅決不放棄每一位勤奮的學生。

  有一名來自果洛,叫力旦杰的藏族學生,大一時,幾乎門門課程不及格,自己心灰意冷,覺得不適合學習,準備退學回家放牧。通過老師們的精準幫扶,特別是同學之間的一對一幫助,最終不但通過全部課程的考核,思想觀念也大為轉變,還促進了民族團結。力旦杰還勵志畢業后要回到家鄉建設家鄉,不但要改變自己家人的生活,還要改變家鄉的面貌。

  專注專業,持續挑戰自我

  當然,對于梅生偉而言,對青海省的支援,只是其工作中的一方面,梅生偉將視野放在了全國,他曾經獲得過國家自然科學二等獎,當年的項目已經在多個省份和電力公司得到了應用,這也是讓梅生偉頗感欣慰的事情。

  動態電力系統在其運行過程中不可避免地受到強非線性和干擾的影響,而對于構造具有高抗干擾能力的非線性魯棒控制器,自20世紀80年代末以來,國際電力控制界一直被兩大難題所困擾:一是仿射型系統魯棒控制器的構造必須求解HJI不等式,無一般求解方法;二是非仿射型系統魯棒控制器的構造受制于一類非最小相位系統的動態擴張設計難題,缺乏解析求解方法。

  梅生偉帶領團隊,經過不斷試驗,成功建立了考慮內部未建模動態和外擾兩類干擾的電力系統一般動態模型,針對前一難題提出基于微分博弈的直接求解能量耗散積分方程方法,開發了非線性魯棒控制器的工程實用算法,突破了HJI不等式求解難題;針對后一難題提出了基于狀態、動態和量測反饋的SDM反饋設計方法以及動態量測量濾波輸入方法,攻克了非最小相位系統魯棒控制器構造難關;诶碚摮晒邪l了大型發電機組非線性魯棒勵磁控制器、大型水輪機組非線性魯棒調速控制器和非線性魯棒有源濾波器, 前者應用于國內20余座發電廠站,提高極限輸送功率 15%;后者已有5800余臺廣泛推廣于變電站、軍工、油田等,顯著改善了電能質量。項目形成的電力系統非線性魯棒控制理論榮獲2008年國家自然科學二等獎。

  目前,梅生偉持續地挑戰自我,對于他正在主持的國家自然科學基金委創新群體項目“聚納大型風光發電的電力系統智能調度與控制的基礎研究”,梅生偉也是充滿了信心。

  智能電網環境下,隨著高比例風光電廠及儲能等主動式負荷的廣泛接入,傳統電力系統演化為由風光電廠、常規電廠、儲能和調度中心等多個主體構成的多目標多決策主體不確定系統,其規劃、調度和控制中的優化決策問題不僅面臨高度不確定性,且需兼顧多種目標,不同決策主體間還存在復雜的競爭/合作關系,傳統優化方法難以適用。

  受維納控制論反饋理念和錢學森工程控制論啟發,梅生偉團隊提出了“以博弈均衡協調沖突目標” 的新思路,將一般博弈論拓展至工程博弈論,進一步以多目標多決策主體不確定系統綜合優化為突破口,提出了電力系統非合作/合作工程博弈建模原理與均衡分析方法,開辟了工程博弈論新學科方向,引領了新一代電力系統決策理論與技術的發展;诠こ滩┺恼撗邪l的“新能源電力系統協同自律調控平臺”,應用于青海地區700多座光伏場站,裝機容量超過800 萬kW,近三年消納光伏電力222億度,消納率全國領先。該成果榮獲2018年青海省科技進步一等獎。

  頂天立地,前沿基礎并進

  面對未來,梅生偉胸有成竹,他所帶領的科研團隊將牢記“頂天立地”做科研的初心,既要做好“頂天”的前沿基礎研究,也要做好“立地”的工程應用研究。在基礎理論方面,進一步拓展工程博弈論的內涵和外延,擴大國際影響力;在工程應用方面,開展基于煤礦巷道、油田氣藏等深地空間的大規模壓縮空氣儲能關鍵技術研究及產業化推廣,讓壓縮空氣儲能技術在更廣闊的祖國大地上落地生根、開花結果。

  心底無私天地寬。梅生偉能夠在滿眼繁華的都市中精心搞科研,也能夠到荒漠高原無私支援,充分展示出無比廣袤的內心世界。在梅生偉的心中,始終秉承著“自強不息”的清華精神,如一名孜孜不倦的追光者,照亮身邊的每一個人,并持續登攀關系民生、關乎清潔能源環境的高難課題高峰。而在此其中,梅生偉的人生價值也將得到最大的升華。

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