持续创新研发解决电网技术挑战

 ——访华北电力大学教授、国家特聘专家黄永章

 中国能源新闻网记者 杨苗苗

 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？带着这个问题，中能传媒记者采访了华北电力大学教授、国家特聘专家黄永章。黄永章过往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挑战和机遇，黄永章以培养未来学科交叉型人才为己任，通过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，向国内外龙头企业提供可靠性测试服务，提出并研发未来和电力电子并网共存的新能源同步机技术。

 中能传媒：您如何看待建设新型电力系统战略要求的不断演变？多年来，您主要聚焦哪些领域的研究？

 黄永章：能源和电力是国家的基础设施和基础供应，价格和供给只是其中的两个方面，还会涉及安全、环境等社会因素。对于战略要求，我的理解是：第一，新能源接入的程度对电力系统的影响已经表现出来了，既要解决这些问题，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需要达到这些目标和要求，还要达到低碳的新要求，所以就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以应对新能源的波动性和间歇性对稳定性的影响；第三，尽管新能源的接入存在问题和困难，但是还必须要以技术进步来提高新能源占比。

 目前，国内电网面临着两大技术问题，一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。我的研究领域就是围绕这两个问题开展的。

 中能传媒：近年来，大规模新能源并网对电网稳定性产生了影响。您认为解决方案应是什么？

 黄永章：电力系统的核心是安全和稳定。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，这个问题具有长期性。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，而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，电流源是难以支撑交流电网的。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非常困难，功率不平衡又是导致不稳定性的最大原因。

 因此，新能源并网最大的技术问题就是电流源、而非电压源。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上下功夫，以期能够具有电压源的一些外部特性。而我们思考的是什么样的新技术能够使新能源并网成为电压源，于是，我们提出了后电力电子器件并网时代的同步电机对（MGP）并网技术，为其命名为新能源同步机。新能源同步机的运行原理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。

 新能源同步机作为一种差异化的创新方案，在世界上是独树一帜的。实现这个方案，需要在原理上、功能上、成本效益上进行充分论证。那时没有实验条件，就借用教学小电机，一个一个地理解和解决实验装置出现的各种问题，终于用电网电力带动了装置并发出了电力，随后再把电力并入电网。同时，还建立了MGP并网运行模型、小信号模型、暂态仿真模型等，仿真出了对电网的有益性。我们去中国电科院等地请业内专家对方案进行指导，他们提出了新能源驱动MGP可能会出现的问题，随后我们开始筹建驱动MGP和进行MGP并网实验的完整装置。在这个过程中，还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。最终，在这个完整装置上完成了模拟新能源驱动MGP、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MGP并网一部分新能源，证明了频率的暂态稳定性得到改善、振荡得到改善。

 现在，国内和国际上也有几个不同的高校小组发表了若干论文，其装置的基本构成和新能源同步机完全一样。特别是日本的几家私营公司和政府一起组建了一个研究团队，其工作目标之一，就是完成一个100兆瓦的MGP工程样机。他们阅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，或者欧洲某个公司也启动了类似的方案研发，那么这个方案就有可能铺开。

 中能传媒：您在功率半导体器件的可靠性研究方面做了哪些工作？

 黄永章：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。我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。功率半导体器件的核心要求是高可靠性，也就是使用寿命长。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。这个工作具有很高的技术门槛，能够为工业界提供实实在在的技术服务，帮助行业和客户解决实际工作中的问题。

 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技术研发提供了方向性建议。其一，我们团队做的测试技术研发具有了国际认可度，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，为各国同行提供了有益的经验，这些技术也应用在我们为国内外客户做的测试服务中，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产品，其测试效率为国际商业产品的2~6倍，而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设备，为世界首台套，并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可靠性提升提供了直接的帮助。