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突破瓶颈,连续攻关,为智能电网发展保驾护航——记清华大学电机系教授梅生伟

发布时间:2020-04-28所属分类:文史论文浏览:1

摘 要: 智能电网的概念,最早是由美国专家在2009年提出的,进入新世纪之后,各个国家都在重新审视过去电网建设的模式,探讨未来电网的发展新方向,智能电网正是专家们对这一问题思考、研究的结果。我国对智能电网的研究、讨论与应用,已经进入了快速发展的轨道,与

  智能电网的概念,最早是由美国专家在2009年提出的,进入新世纪之后,各个国家都在重新审视过去电网建设的模式,探讨未来电网的发展新方向,智能电网正是专家们对这一问题思考、研究的结果。我国对智能电网的研究、讨论与应用,已经进入了快速发展的轨道,与世界先进水平同步。

突破瓶颈,连续攻关,为智能电网发展保驾护航——记清华大学电机系教授梅生伟

  交直流电力系统是智能电网发展的新趋势和新常态。为了保证规模复杂的交直流电力系统正常运行,清华大学电机系教授梅生伟带领他的团队,历经多年技术攻关,成功研发了连锁故障主动防御软件平台,为保障我国特/超高压交直流电力系统安全运行发挥了重要作用,该项目荣获2018年国家科学技术进步二等奖。

  梅生伟,清华大学教授,博士生导师,青海大学新能源学院院长,美国电子电气工程师协会会士,英国工程技术学会会士,国家杰出青年基金获得者,教育部长江学者,青海省昆仑学者,基金委创新群体学术带头人。

  梅生伟主要从事电力系统鲁棒控制、复杂电力网络理论、电力系统灾变防治和新能源电力系统等研究。他提出了电力系统非线性鲁棒控制设计原理,解决了复杂电力系统抗干扰控制器设计难题,建立了电力系统非线性鲁棒控制理论,有力推动了现代控制理论的发展;突破了电力系统灾变防治多时间尺度过程分析相互割裂的局限性,建立了电力系统自组织临界理论,开辟了连锁故障机理分析和灾变阻断新途径。以多目标多决策主体不确定系统综合优化为突破口,提出工程博弈论新方法,研发了压缩空气储能新技术,开创并引领了可再生能源综合利用研究新方向。

  在炎炎夏日里,带着对梅生伟的崇敬之情,记者走入了清华园,拜访了这位正直壮年的学者。宾主一落座,梅生伟就向记者介绍了自己新近获奖的这个项目。在交谈的过程中,记者感受到了梅生伟的谦逊之情,始终将团队的荣誉放在了首位,令记者钦佩。

  专业团队,成就专业之能事

  梅生伟介绍说,随着特/超高压交直流混联电网的稳步建设,我国目前已建成世界上电压等级和直流输电比例最高、同步机群规模最大和结构最复杂的交直流电力系统,承担着电能生产、远距离跨区传输以及大规模可再生能源消纳的重要使命。此类系统的连锁故障诱因多、特性杂、耦合强、路径多、距离长,一旦发生故障,容易引发大规模停电事故,造成惨重社会经济损失。交直流电力系统主要由同步机群、交直流混联电网和负荷组成,其连锁故障一般伴随着初始故障、故障扩散和振荡崩溃3个阶段,原有技术侧重从交直流混联电网层面预防大停电事故,缺乏从交直流电力系统源-网-荷全局角度研究的视角,而梅生伟则通盘考虑,潜心研究引发大停电的连锁故障发生机理、传播过程以及阻断技术。

  梅生伟带领自己的项目团队,历经多年攻关,重点突破了交直流系统连锁故障整体建模、主动预防、主动阻断3项关键技术,项目成功研发了交直流电力系统连锁故障仿真平台、电网灾害风险评估及安全预警系统以及连锁故障在线主动阻断系统,形成了高效阻断合力,将电力系统连锁故障消除于初始阶段或限制在最小范围之内,主要性能指标居国际领先水平。

  “交直流电力系统连锁故障主动防御关键技术与应用”的成功,赢得了业内专家们的高度肯定,荣获国家科技进步二等奖,其成果已经成功应用于河南、上海、四川、广东、新疆等5个特/超高压交直流电力系统、20 多家省市电力公司及100 多个电力工程项目。

  对于梅生伟而言,能够将项目的成果实施应用,自然是一件非常开心的事情。在众多的应用基地中,他最牵挂的,莫过于青海了,在那里,有他工作的烙印,有他科研的回忆。青海是我国风光资源大省,新能源发电比例高,采用特高压线路向华中地区输送电力,是典型的交直流电力系统,该项目提出的关键技术,将对保障青海电网安全稳定运行具有重要意义。

  支援青海,转化科技成果

  提及青海,梅生伟有着述说不完的情怀。梅生伟本科毕业于新疆大学,对着西部有着深厚的感情。从2013 年开始,梅生伟就肩负起组织赋予的伟大使命,支援青海建设,为青海的高等教育事业“输血造血”。

  在青海,梅生伟带领新的团队,结合实际情况,开展了多项科研项目,其中,在“10MW非补燃压缩空气储能技术研发及示范应用”项目中,梅生伟和他的团队,攻克了高负荷宽工况多级压缩、高效蓄热/换热、大容量储气、变工况多级空气透平、电站运行优化控制以及系统设计与集成等多项关键技术,建立了完备的自主知识产权体系,显著提升了装备的国产化水平。核心技术获中国发明专利20余项,相关技术成果有力地支撑了国家能源局“江苏金坛60MW/300MWh压缩空气储能”国家示范项目。目前,他担任该项目首席科学家,负责项目的技术攻关和工程建设。2018年10月,由五位院士领衔的鉴定委员会认为,该项目“实现了我国在世界压缩空气储能行业技术研发和工程实践的双引领,达到国际领先水平”。

  当前,青海正在建设国家清洁能源示范省,新能源装机迅猛发展,大容量储能在全清洁供能场景下的电源侧、电网侧和负荷侧均具有广阔的应用前景。该项目提出的非补燃压缩空气储能技术具有大容量、高效率、长寿命、清洁环保等众多优点,将对青海的能源转型发展产生积极、广泛和深远的影响。

  青海省属于高原地区,即使是在海拔较低的西宁市,有些人也可能会有高原反应,何况是山区。为了搞科研,他们必须要到山区进行实地调研?而梅生伟作为清华大学对口支援青海大学的支援干部,到青海工作已经有6个年头了。每年都要往返北京、西宁三四十次,工作忙碌、辛苦而充实,经常是凌晨才落地西宁,当天晚上又要赶回首都。但是,当看到通过青海大学这个平台,为青海做的事能够落实、培养的队伍能够留下,梅生伟倍感欣慰。青海省有最丰富的清洁能源,给科学研究和技术应用提供了最好的天然实验室。在支援过程中,梅生伟也意识到,青海给他的科研提供了新的思路和条件,从这一点上说,梅生伟对青海心怀感恩之情,也非常感谢青海大学的全力支持。

  刚到青海工作时,青海大学对新能源的研究还处于起步阶段,没有一个完整的学科体系,特别是缺乏新的研究思路和国际视野。恰好当时美国波音公司希望能够与清华大学合作研究退役飞机碳纤维材料的绿色回收问题,想利用太阳能找到合理回收方法,这将推动形成一个全新的绿色循环产业。梅生伟当时就想到了青海,那里有明媚的阳光、干燥的空气和无垠的荒漠,没有比那里更合适的了。进过多次沟通和考察,该项目最终落地青海大学,也成为青海大学第一个与国际大公司联合开展的研究项目。2年的努力攻关之后,梅生伟和青海团队研究出了两步法光伏回收飞机碳纤维的新技术,获得了波音公司的好评。后来步,他们又提出以此技术为依托,在青海建设中国飞机回收中心的设想,而且预估这一全新的绿色产业将为青海带来30亿的产值。目前,中国飞机回收中心已经在青海省德令哈市奠基开工。对于青海省的经济建设,梅生伟功不可没。

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  青海拥有全国最好的新能源资源,但发展关键要靠人,青海发展最大的瓶颈是人才。因此,梅生伟将如何培养新能源专业人才作为对口支援工作的重中之重。从组建教师队伍、申请专业、到招生,梅生伟事无巨细,事必躬亲。2020年,第一届学生即将毕业,想到他们将要投入到青海新能源产业的建设中去,梅生伟也是颇感欣慰。聊到这里,梅生伟特意分享了一个小故事。由于生源质量不佳,有部分预科学生学习基础较差,特别是一些民族学生,汉语交流都有困难。针对现状,梅生伟和他的团队,经过思考和实践,总结了一整套的三全育人计划,坚决不放弃每一位勤奋的学生。

  有一名来自果洛,叫力旦杰的藏族学生,大一时,几乎门门课程不及格,自己心灰意冷,觉得不适合学习,准备退学回家放牧。通过老师们的精准帮扶,特别是同学之间的一对一帮助,最终不但通过全部课程的考核,思想观念也大为转变,还促进了民族团结。力旦杰还励志毕业后要回到家乡建设家乡,不但要改变自己家人的生活,还要改变家乡的面貌。

  专注专业,持续挑战自我

  当然,对于梅生伟而言,对青海省的支援,只是其工作中的一方面,梅生伟将视野放在了全国,他曾经获得过国家自然科学二等奖,当年的项目已经在多个省份和电力公司得到了应用,这也是让梅生伟颇感欣慰的事情。

  动态电力系统在其运行过程中不可避免地受到强非线性和干扰的影响,而对于构造具有高抗干扰能力的非线性鲁棒控制器,自20世纪80年代末以来,国际电力控制界一直被两大难题所困扰:一是仿射型系统鲁棒控制器的构造必须求解HJI不等式,无一般求解方法;二是非仿射型系统鲁棒控制器的构造受制于一类非最小相位系统的动态扩张设计难题,缺乏解析求解方法。

  梅生伟带领团队,经过不断试验,成功建立了考虑内部未建模动态和外扰两类干扰的电力系统一般动态模型,针对前一难题提出基于微分博弈的直接求解能量耗散积分方程方法,开发了非线性鲁棒控制器的工程实用算法,突破了HJI不等式求解难题;针对后一难题提出了基于状态、动态和量测反馈的SDM反馈设计方法以及动态量测量滤波输入方法,攻克了非最小相位系统鲁棒控制器构造难关。基于理论成果研发了大型发电机组非线性鲁棒励磁控制器、大型水轮机组非线性鲁棒调速控制器和非线性鲁棒有源滤波器, 前者应用于国内20余座发电厂站,提高极限输送功率 15%;后者已有5800余台广泛推广于变电站、军工、油田等,显著改善了电能质量。项目形成的电力系统非线性鲁棒控制理论荣获2008年国家自然科学二等奖。

  目前,梅生伟持续地挑战自我,对于他正在主持的国家自然科学基金委创新群体项目“聚纳大型风光发电的电力系统智能调度与控制的基础研究”,梅生伟也是充满了信心。

  智能电网环境下,随着高比例风光电厂及储能等主动式负荷的广泛接入,传统电力系统演化为由风光电厂、常规电厂、储能和调度中心等多个主体构成的多目标多决策主体不确定系统,其规划、调度和控制中的优化决策问题不仅面临高度不确定性,且需兼顾多种目标,不同决策主体间还存在复杂的竞争/合作关系,传统优化方法难以适用。

  受维纳控制论反馈理念和钱学森工程控制论启发,梅生伟团队提出了“以博弈均衡协调冲突目标” 的新思路,将一般博弈论拓展至工程博弈论,进一步以多目标多决策主体不确定系统综合优化为突破口,提出了电力系统非合作/合作工程博弈建模原理与均衡分析方法,开辟了工程博弈论新学科方向,引领了新一代电力系统决策理论与技术的发展。基于工程博弈论研发的“新能源电力系统协同自律调控平台”,应用于青海地区700多座光伏场站,装机容量超过800 万kW,近三年消纳光伏电力222亿度,消纳率全国领先。该成果荣获2018年青海省科技进步一等奖。

  顶天立地,前沿基础并进

  面对未来,梅生伟胸有成竹,他所带领的科研团队将牢记“顶天立地”做科研的初心,既要做好“顶天”的前沿基础研究,也要做好“立地”的工程应用研究。在基础理论方面,进一步拓展工程博弈论的内涵和外延,扩大国际影响力;在工程应用方面,开展基于煤矿巷道、油田气藏等深地空间的大规模压缩空气储能关键技术研究及产业化推广,让压缩空气储能技术在更广阔的祖国大地上落地生根、开花结果。

  心底无私天地宽。梅生伟能够在满眼繁华的都市中精心搞科研,也能够到荒漠高原无私支援,充分展示出无比广袤的内心世界。在梅生伟的心中,始终秉承着“自强不息”的清华精神,如一名孜孜不倦的追光者,照亮身边的每一个人,并持续登攀关系民生、关乎清洁能源环境的高难课题高峰。而在此其中,梅生伟的人生价值也将得到最大的升华。

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