專訪 | 訪華北電力大學(xué)教授、國家特聘專家黃永章
來源：《中國電力報》 時間：2024-06-12 10:33
持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)解決電網(wǎng)技術(shù)挑戰(zhàn)
——訪華北電力大學(xué)教授、國家特聘專家黃永章
中國能源新聞網(wǎng)記者 楊苗苗
構(gòu)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)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(shù)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，中能傳媒記者采訪了華北電力大學(xué)教授、國家特聘專家黃永章。黃永章過往幾十年的研發(fā)工作涉及新能源電力系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體器件可靠性、集成電路制造設(shè)備和工藝、高能物理加速器等多個領(lǐng)域。近些年，面對新能源給電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)和機遇，黃永章以培養(yǎng)未來學(xué)科交叉型人才為己任，通過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(shè)備并推向市場，向國內(nèi)外龍頭企業(yè)提供可靠性測試服務(wù)，提出并研發(fā)未來和電力電子并網(wǎng)共存的新能源同步機技術(shù)。
中能傳媒：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？多年來，您主要聚焦哪些領(lǐng)域的研究？
黃永章：能源和電力是國家的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)供應(yīng)，價格和供給只是其中的兩個方面，還會涉及安全、環(huán)境等社會因素。對于戰(zhàn)略要求，我的理解是：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(shè)需要達到這些目標和要求，還要達到低碳的新要求，所以就給新型電力系統(tǒng)提出了供需協(xié)同和靈活智能的方向性策略以應(yīng)對新能源的波動性和間歇性對穩(wěn)定性的影響；第三，盡管新能源的接入存在問題和困難，但是還必須要以技術(shù)進步來提高新能源占比。
目前，國內(nèi)電網(wǎng)面臨著兩大技術(shù)問題，一是國產(chǎn)功率半導(dǎo)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(chǔ)。我的研究領(lǐng)域就是圍繞這兩個問題開展的。
中能傳媒：近年來，大規(guī)模新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。您認為解決方案應(yīng)是什么？
黃永章：電力系統(tǒng)的核心是安全和穩(wěn)定。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。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，而新能源驅(qū)動的電力電子變流器本質(zhì)上是電流源。交流電網(wǎng)的穩(wěn)定運行需要電壓源來支撐，電流源是難以支撐交流電網(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，功率不平衡又是導(dǎo)致不穩(wěn)定性的最大原因。
因此，新能源并網(wǎng)最大的技術(shù)問題就是電流源、而非電壓源。當(dāng)前，行業(yè)人員基本都是在改進電力電子器件并網(wǎng)的控制算法上下功夫，以期能夠具有電壓源的一些外部特性。而我們思考的是什么樣的新技術(shù)能夠使新能源并網(wǎng)成為電壓源，于是，我們提出了后電力電子器件并網(wǎng)時代的同步電機對（MGP）并網(wǎng)技術(shù)，為其命名為新能源同步機。新能源同步機的運行原理是用新能源驅(qū)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(zhuǎn)變成了一個交流電網(wǎng)需要的電壓源。
新能源同步機作為一種差異化的創(chuàng)新方案，在世界上是獨樹一幟的。實現(xiàn)這個方案，需要在原理上、功能上、成本效益上進行充分論證。那時沒有實驗條件，就借用教學(xué)小電機，一個一個地理解和解決實驗裝置出現(xiàn)的各種問題，終于用電網(wǎng)電力帶動了裝置并發(fā)出了電力，隨后再把電力并入電網(wǎng)。同時，還建立了MGP并網(wǎng)運行模型、小信號模型、暫態(tài)仿真模型等，仿真出了對電網(wǎng)的有益性。我們?nèi)ブ袊娍圃旱鹊卣垬I(yè)內(nèi)專家對方案進行指導(dǎo)，他們提出了新能源驅(qū)動MGP可能會出現(xiàn)的問題，隨后我們開始籌建驅(qū)動MGP和進行MGP并網(wǎng)實驗的完整裝置。在這個過程中，還理解了電機驅(qū)動變頻器和并網(wǎng)逆變器的相似之處和差異之處。最終，在這個完整裝置上完成了模擬新能源驅(qū)動MGP、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MGP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。
現(xiàn)在，國內(nèi)和國際上也有幾個不同的高校小組發(fā)表了若干論文，其裝置的基本構(gòu)成和新能源同步機完全一樣。特別是日本的幾家私營公司和政府一起組建了一個研究團隊，其工作目標之一，就是完成一個100兆瓦的MGP工程樣機。他們閱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。
中能傳媒：您在功率半導(dǎo)體器件的可靠性研究方面做了哪些工作？
黃永章：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。我國的電力電子器件的應(yīng)用是世界第一，如柔直輸電、高鐵、電動汽車、新能源并網(wǎng)等應(yīng)用，但是器件的設(shè)計和工藝差距大，國產(chǎn)器件的市場占有率低。功率半導(dǎo)體器件的核心要求是高可靠性，也就是使用壽命長。所以，我們就選擇了幫助器件制造客戶和應(yīng)用客戶提高器件的可靠性。我們做可靠性測試技術(shù)的研發(fā)、可靠性測試新設(shè)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(shù)門檻，能夠為工業(yè)界提供實實在在的技術(shù)服務(wù)，幫助行業(yè)和客戶解決實際工作中的問題。
我們在學(xué)校建設(shè)了“大功率半導(dǎo)體器件可靠性研究實驗室”，為國內(nèi)外的客戶提供功率器件可靠性測試技術(shù)和測試設(shè)備。同時，國內(nèi)外客戶也給我們的技術(shù)研發(fā)提供了方向性建議。其一，我們團隊做的測試技術(shù)研發(fā)具有了國際認可度，我們在芯片結(jié)溫的精確測量、芯片的溫度分布測量、壓接器件的多芯片結(jié)溫分布、器件熱阻的精確測量等方面都對測試技術(shù)做了很大提升，為各國同行提供了有益的經(jīng)驗，這些技術(shù)也應(yīng)用在我們?yōu)閲鴥?nèi)外客戶做的測試服務(wù)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(zhuǎn)化，開發(fā)了多種不同的測試設(shè)備，PCT2000是我們推出的功率循環(huán)定型系列產(chǎn)品，其測試效率為國際商業(yè)產(chǎn)品的2~6倍，而測試精度和設(shè)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(shè)備，是世界首臺套，為柔直工程和高鐵用的不同器件做了必要的測試服務(wù)；我們針對室外應(yīng)用環(huán)境（如海上風(fēng)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設(shè)備，為世界首臺套，并為行業(yè)提供了新類型的測試數(shù)據(jù)。其三，我們團隊為國內(nèi)眾多客戶做了器件失效分析服務(wù)，為客戶的工藝改進、封裝設(shè)計提供了直接幫助。上述工作為國產(chǎn)化器件的可靠性提升提供了直接的幫助。
責(zé)任編輯：余璇
