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《太陽能》《太陽能學報》

  創刊于1980年,

  中國科協主管

  中國可再生能源學會主辦

《太陽能》雜志社有限公司出版

《太陽能》雜志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  國內發行2-165  國外發行Q286

《太陽能學報》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  國內發行2-165  國外發行Q286

详细内容

【特別策劃】清華大學教授、青海大學副校長梅生偉談可再生能源高質量發展

        李鵬,陳一言 太陽能雜志

        

        引領可再生能源由高速發展轉向高質量發展

——專訪清華大學教授、青海大學副校長梅生偉


               21 世紀以來,受到能源枯竭和環境惡化的雙重壓力,全球能源發展格局正在發生重大而深刻的變化,可再生能源逐漸取代傳統化石能源成為主力電源的趨勢已不可逆轉。


               經過多年發展,我國的可再生能源發電已取得舉世矚目的成就。據水電水利規劃設計總院發布的《中國可再生能源發展報告2019》顯示,2019 年,我國可再生能源發電裝機容量達到7.94億kW( 其中,風電、光伏發電首次同時突破2億kW),占總裝機容量的39.5%;可再生能源年發電量超過2 萬億kWh,繼續多年高居世界第一。然而,大規模間歇性可再生能源并網給電力系統帶來了運行控制難度增大、連鎖反應風險加劇等嚴峻挑戰,推動我國可再生能源由高速發展轉向高質量發展已刻不容緩。


               清華大學教授、青海大學副校長梅生偉長期奮戰在教育、科研第一線。自上世紀90 年代從清華大學電機系畢業留校工作以來的近20年間,梅生偉主要從事大型同步發電機抗擾控制及遠距離輸電技術的研究工作。他提出了電力系統非線性魯棒控制設計原理,攻克了困擾電力控制界數十年的Hamilton-Jacobi-Issacs 偏微不等式解析求解的科學難題,這一工作被美國工程院Vittal 院士譽為“培育了一門極具吸引力的嶄新學科”;主持研發了世界首臺大型同步發電機組非線性魯棒勵磁/ 調速工業控制裝置及非線性魯棒有源濾波器,并廣泛應用于我國數百座電廠、油田;特別值得一提的是,他的相關研究使大容量遠距離輸電系統的極限輸送功率提高了15%,這一成果獲得了2008 年國家自然科學二等獎。

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               2013 年,梅生偉追隨王光謙院士到青海大學參加對口支援工作后,為了促進青?稍偕茉吹陌l展并服務于國家能源轉型戰略,他開始轉戰可再生能源及儲能等相關領域,通過對工程博弈論、非補燃壓縮空氣儲能、交直流輸電系統連鎖故障等基礎理論與關鍵共性技術的攻關,引領可再生能源由高速發展轉向高質量發展。憑借在可再生能源領域的重大貢獻,梅生偉先后獲得1項國家科技進步二等獎和4 項省部級一等獎( 均為第一完成人)。


               在昆明參加2020 年中國可再生能源學術大會期間,筆者有幸采訪了梅生偉。盡管他公務繁忙,仍于9 月20 日23:20 結束了與云南省能源投資集團的洽談后,接受了筆者一個多小時的專訪。梅生偉淵博的學識、平易近人的作風和娓娓道來的語言風格,令人印象深刻。

 

        開創新能源電力系統工程博弈論,實現可再生能源的協調發展


               我國的可再生能源發展長期面臨 “規劃難”、“調度難”和“穩控難”3 大技術瓶頸。以光伏發電規劃為例,光伏電站的建設周期短( 往往只需要數月)、投資額度小、見效快,而高壓輸電線路建設周期長( 通常為幾年到十幾年不等)、投資額大,這種電站與電網的建設周期不匹配的問題可能導致光伏電站建成后長時間無法并網,由此產生大量棄光。此外,政府、電廠和電網對光伏電站建設的利益訴求不同。政府比較關注環保問題及可靠、經濟、優質的電力供應,電廠主要考慮建設投資回報,而電網則更為關注光伏電站并網引發的一系列安全穩定問題,這種利益“拉鋸”進一步增加了光伏電站規劃的難度。高比例可再生能源電力系統的調度、穩控也存在類似的沖突問題,比如安全、經濟、環保等目標之間的沖突,以及源、網、荷、儲等主體利益之間的沖突。這些問題與可再生能源的強隨機性及不可控性問題交織,使可再生能源的協調發展面臨重大挑戰。


               針對可再生能源協調發展的重大科學問題,梅生偉依托教育部創新團隊和國家自然科學基金委員會創新研究群體項目開展研究,系統創立了新能源電力系統工程博弈論,提出了非合作/ 合作/ 演化3 大工程博弈建模原理與均衡分析方法,構建了高比例可再生能源省域電力系統高效綠色供電整體解決方案。主要包括:


               1) 創新性地將可再生能源規劃、調度與控制問題構建為協商博弈、主從博弈和演化博弈模型,通過各方的博弈均衡,系統解決了可再生能源發展過程中場站、負荷、電網、政府等不同主體之間的利益沖突問題;


               2) 從2 人零和多階段動態博弈的視角考慮可再生能源的強隨機性對電力系統調度與控制問題的影響,通過電力調控中心與大自然的多時間尺度虛擬博弈,在保證電力系統安全穩定運行的前提下,實現可再生能源的最大化消納;


               3) 研發了基于工程博弈論的可再生能源發電規劃、調度與控制系統,實現了工程博弈論從理論研究到實際工程應用的重大跨越。


               上述研究成果已成功應用于青海電力調控中心及風光場站,成為省域清潔能源系統典范,并為建設青!扒鍧嵞茉词痉妒 蹦酥镣苿尤珖稍偕茉吹陌l展做出了重大貢獻;在青海新能源裝機容量占比高達54% 的情況下( 全國居首),實現了青海風光可再生能源消納率超過96%、光伏發電利用小時數高出全國平均水平31%。成果應用產生的直接經濟效益達4.21 億元,減少CO2排放178 萬t,并帶動相關產業發展,產生間接效益10.8 億元。研究成果還全面支撐了青海電網不間斷輸出全清潔能源電力168 h( 綠電7 日)、216 h( 綠電9 日)、360 h( 綠電15 日) 的實踐,3次刷新了省域電網全清潔能源供電的世界紀錄,在國內外社會各界引起了強烈反響,李克強總理批示指出“這項工作具有開創性”。憑借在省域可再生能源電力系統協調運行控制方面的重大研究成果,梅生偉獲得了2018 年青海省科技進步一等獎、2019 年中國可再生能源學會科學技術人物獎和2020 年中國可再生能源學會科學技術進步一等獎。


        突破儲能技術瓶頸, 彌補可再生能源的先天缺陷

        

        

        

               儲能是高比例可再生能源電力系統的重要組成部分和關鍵支撐技術,可彌補風能、太陽能等可再生能源發電隨機性強與可調度性低的先天缺陷,顯著提高可再生能源的消納水平,推動實現主力能源由化石能源向可再生能源的更替。


               儲能的方式較多,常見的包括抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能等。這些儲能方式各有特點,需要根據其技術經濟特性,因地制宜加以利用。


               從電力系統的應用情況看,抽水蓄能是目前技術最成熟、應用最廣泛的大規模儲能方式,在削峰填谷、緊急事故備用、調頻、調相等方面發揮了重要作用。但是抽水蓄能易受水源、地形地質等條件制約,難以在西北地區得到應用。電化學儲能是除抽水蓄能外裝機容量最大、發展速度最快的儲能形式,此類儲能占地少、選址布局靈活、調節速度快、能量轉換效率高,但也存在循環壽命短、后期回收難、運行過程不安全等隱患。雖然江蘇、河南等地的鋰電池儲能裝機容量都已達到萬kW甚至10 萬kW的規模,但其安全問題不容忽視。對于青海這種氣候環境較為嚴酷的省份,晝夜溫差大、冬季極寒、風沙大,電化學儲能在運行過程中將面臨更為嚴峻的挑戰。


               壓縮空氣儲能是一種重要的物理儲能形式。傳統的壓縮空氣儲能一般利用天然氣等燃料進行補燃,但這一方面增加了天然氣的使用量,另一方面也存在一定程度的環境污染。為了解決傳統壓縮空氣儲能的補燃問題并提升能量轉換效率,梅生偉團隊創造性地提出了基于壓縮熱回收的非補燃壓縮空氣儲能技術,分析并揭示了壓力勢能和壓縮熱能的“解耦存儲”及“耦合釋能”機理,攻克了壓縮、蓄熱/ 換熱、儲氣、膨脹發電等關鍵技術瓶頸;谏鲜鲅芯砍晒,梅生偉主持建成了安徽蕪湖500 kW 非補燃壓縮空氣儲能工業試驗電站( 世界上首座實現并網運行的非補燃壓縮空氣儲能電站) 和青海西寧100 kW復合式壓縮空氣儲能工業試驗電站( 世界上首座實現發電的太陽能熱復合式壓縮空氣儲能電站),循環效率國際領先。此外,梅生偉還擔任國家能源局壓縮空氣儲能國家示范項目“江蘇金壇60 MW/300 MWh鹽穴壓縮空氣儲能電站”的首席科學家,利用中鹽金壇公司地下鹽穴( 埋深800 m,容積22 萬m3)作為高壓儲氣室,實現電能的大規模存儲和高效轉換,此項目預計將于2020 年底建成,30 年壽命期內的度電成本僅為0.22 元/kWh,技術經濟性突出。憑借在非補燃壓縮空氣儲能領域的開創性成果,梅生偉榮獲了2019 年安徽省科技進步一等獎。


               可再生能源制氫的儲能形式目前也廣受關注。利用富余光伏發電制氫,一方面可使單純的光伏電站轉變為光伏- 儲能電站,緩解光伏發電功率不穩定對電網的沖擊;另一方面可以利用氫燃料電池在發電過程中產生的熱量進行供熱,形成熱電一體化電站,這在工業用熱或居民供暖需求較大的地區具有廣闊的應用前景。為了突破可再生能源制氫的關鍵技術,梅生偉團隊承接了青海省科技廳光伏制氫成果轉化重點項目,在青海大學校園建成了光伏制氫示范系統,可利用4.3kWh 的光伏電力制成1 m3 的氫氣,制氫效率處于國內領先水平。此外,梅生偉團隊還與魯能新能源( 集團) 有限公司青海分公司等可再生能源發電企業緊密合作,計劃在格爾木建設大容量氫儲能系統,利用富余的可再生能源發電制備氫氣,再通過西氣東送天然氣管道摻氫等方式加以規;。

 

        攻克大電網連鎖故障難題,保障可再生能源安全輸送


               隨著西電東送工程的穩步推進,我國已建成世界上電壓等級和直流輸電比例最高、結構最復雜的交直流輸電系統,承擔著大規?稍偕茉催h距離跨區傳輸和消納的重要使命。由于可再生能源的隨機性強,電力故障行為及其發展過程復雜多變,再考慮到自然災害頻發等因素,大電網連鎖故障風險加劇,傳統的電力系統防御體系面臨嚴峻考驗。


               為解決大規?稍偕茉床⒕W可能引發大面積連鎖故障的難題,支撐國家西電東送戰略,梅生偉開創性地將復雜系統自組織臨界理論應用于大規?稍偕茉唇恢绷鬏旊娤到y,在連鎖故障的誘發與傳播機理、建模與仿真方法、主動預防與連鎖故障在線阻斷等方面取得了重大突破。梅生偉根據能源轉型背景下電力系統的基本特性、仿真分析方法及調控模式的根本性變化,將傳統電力系統的3 道防線發展為面向大規?稍偕茉床⒕W的“緊急控制- 主動解列- 自適應減載”3道防線,實現了故障狀態下可再生能源交直流輸電系統“全局協防- 化整為零- 分體存活”意義下的主動阻斷。在這些理論研究成果的基礎上,梅生偉率領團隊進一步研發了可再生能源交直流輸電系統連鎖故障預演、風險評估、安全預警與在線主動阻斷一體化平臺,實現了上萬節點系統的連鎖故障可信風險源與路徑集的高效模擬,準確率和計算速度全面超越美國橡樹嶺國家實驗室的OPA 平臺,連鎖故障阻斷率達到了98.3%。此成果應用于我國西電東送6 大主要輸電通道,在保障西電東送安全、減少棄風棄光現象等方面發揮了重要作用,產生直接經濟效益約10 億元。相關成果獲得了2015 年教育部高等學校自然科學一等獎和2018 年國家科技進步二等獎。


        投身西部教育,破解可再能源人才匱乏的困局


               我國西部地區具有得天獨厚的可再生能源資源條件,西部地區可再生能源的開發利用,既是振興西部經濟、實現西部大開發的關鍵措施,也是推進能源革命、實現能源轉型的重要舉措。然而,西部地區教育資源匱乏,人才儲備不足,這從根本上限制了西部地區可再生能源事業的長遠發展。


               為了破解西部地區可再能源人才匱乏的困局,2013 年,梅生偉受清華大學選派,加入到“清華大學對口支援青海大學”的行列中。相較于一般援青干部的3 年期限,他已“超長期服役”,在青海這片祖國西部的熱土默默耕耘了8 年。由于同時肩負清華大學的科研教學工作,梅生偉每年都要在北京與青海之間進行40 余次單程逾1600 km 的往返飛行,但艱苦的自然條件和年復一年的奔波之苦擋不住他服務西部地區的熱情。梅生偉用實際行動,堅守著踏上青海土地之初許下的“不把青海大學的可再生能源學科建設好就不回清華”的承諾。


               目前,梅生偉擔任青海省清潔能源高效利用重點實驗室主任、青海大學新能源學院院長、青海大學副校長等多個職務。在這期間,梅生偉從零開始,在青海大學可再生能源基地建設、學科建設、人才培養、國際項目合作等方面取得了重大突破。主要包括:


               1) 吸收了國內外最先進的太陽能前沿技術,在青海大學建成了國內高校中面積最大、設備最完善、功能最完備、技術最先進的太陽能綜合利用示范工程基地,在教學、科研和科普中發揮了重要作用,并承擔了青海大學的部分供電任務。自2016 年以來,先后有3 位黨和國家領導人、59 位省部級領導、61 位院士和400 余名專家學者到基地參觀指導;此外,該基地作為青海省首批科研、科普基地,接待了約6000 名大、中學生,科技愛好者和社會人員。


               2)創建了青海大學新能源學院,目前招生超過300人,實現了青?稍偕茉慈瞬诺摹白晕以煅。


               3) 組建了一支覆蓋電氣、機械、計算機、熱工等6 個一級學科的交叉型可再生能源創新團隊,并為青海大學培養了教育部青年長江學者1 名、“青海千人計劃”入選者5 名。


               4) 主持完成了“退役飛機碳纖維材料回收”太陽能光熱項目,為青海大學帶來了第1 個國際合作項目,并與波音公司反復協商,計劃將退役飛機的回收基地建在青海。


               在梅生偉身上不僅體現了一個共產黨員無怨無悔、長期支援西部建設的奉獻精神,還彰顯了一個科學家孜孜以求、攀登科研高峰的創新精神,以及一個教育家為國家,尤其是西部地區培養行業緊缺人才的家國情懷!度嗣袢請蟆废群6 次在“十九大特刊”和“愛國情 奮斗者”等欄目對梅生偉的先進事跡進行了專題報道;清華大學也以《在西部,堅守清華人的使命與責任》等為主題多次宣傳了他的愛國奮斗情懷( 為此他2 次榮獲清華大學優秀共產黨員稱號),受到了社會各界人士的廣泛關注。2019 年,梅生偉被評為青海省最美科技工作者,同時入選中宣部最美科技工作者100 名宣傳人物,成為“到祖國最需要的地方建功立業”的杰出代表。


               能源革命與能源轉型之路任重道遠。在祖國的大西部,在我國實施可再生能源發展戰略的關鍵節點,梅生偉將無問西東,一往無前,發出更加絢爛多彩的光和熱。

        


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