專訪 | 訪華北電力大學教授、國家特聘專家黃永章
來源：《中國電力報》 時間：2024-06-12 10:33
持續創新研發解決電網技術挑戰
——訪華北電力大學教授、國家特聘專家黃永章
中國能源新聞網記者 楊苗苗
構建清潔低碳、安全充裕、經濟高效、供需協同、靈活智能的新型電力系統是能源電力行業未來幾十年的目標，實現這個目標需要新技術的發展和創新人才的培養。如何發力？帶著這個問題，中能傳媒記者采訪了華北電力大學教授、國家特聘專家黃永章。黃永章過往幾十年的研發工作涉及新能源電力系統、功率半導體器件可靠性、集成電路制造設備和工藝、高能物理加速器等多個領域。近些年，面對新能源給電網帶來的挑戰和機遇，黃永章以培養未來學科交叉型人才為己任，通過差異化的途徑解決行業問題，開發出系列功率器件可靠性測試設備并推向市場，向國內外龍頭企業提供可靠性測試服務，提出并研發未來和電力電子并網共存的新能源同步機技術。
中能傳媒：您如何看待建設新型電力系統戰略要求的不斷演變？多年來，您主要聚焦哪些領域的研究？
黃永章：能源和電力是國家的基礎設施和基礎供應，價格和供給只是其中的兩個方面，還會涉及安全、環境等社會因素。對于戰略要求，我的理解是：第一，新能源接入的程度對電力系統的影響已經表現出來了，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、經濟、穩定是電力系統一貫的要求，新型電力系統的建設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提出了供需協同和靈活智能的方向性策略以應對新能源的波動性和間歇性對穩定性的影響；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進步來提高新能源占比。
目前，國內電網面臨著兩大技術問題，一是國產功率半導體器件的市場占有率低，二是通過電力電子并網的新能源逐步移走了電網的穩定性基礎。我的研究領域就是圍繞這兩個問題開展的。
中能傳媒：近年來，大規模新能源并網對電網穩定性產生了影響。您認為解決方案應是什么？
黃永章：電力系統的核心是安全和穩定。新能源占比提高一點，新問題就出現一點，占比越高，新問題的影響也越大，直至影響電力系統的運行穩定性，這個問題具有長期性。新能源的增加替換了電網原來的同步發電機電源，同步發電機是電壓源，而新能源驅動的電力電子變流器本質上是電流源。交流電網的穩定運行需要電壓源來支撐，電流源是難以支撐交流電網的。再加上新能源的波動性和間歇性，使得電力系統的功率平衡也變得非常困難，功率不平衡又是導致不穩定性的最大原因。
因此，新能源并網最大的技術問題就是電流源、而非電壓源。當前，行業人員基本都是在改進電力電子器件并網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能夠使新能源并網成為電壓源，于是，我們提出了后電力電子器件并網時代的同步電機對（MGP）并網技術，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動一個同步電動機，再用同步電動機帶動同步發電機發電并網，這樣就把新能源電力轉變成了一個交流電網需要的電壓源。
新能源同步機作為一種差異化的創新方案，在世界上是獨樹一幟的。實現這個方案，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，就借用教學小電機，一個一個地理解和解決實驗裝置出現的各種問題，終于用電網電力帶動了裝置并發出了電力，隨后再把電力并入電網。同時，還建立了MGP并網運行模型、小信號模型、暫態仿真模型等，仿真出了對電網的有益性。我們去中國電科院等地請業內專家對方案進行指導，他們提出了新能源驅動MGP可能會出現的問題，隨后我們開始籌建驅動MGP和進行MGP并網實驗的完整裝置。在這個過程中，還理解了電機驅動變頻器和并網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的場景，在仿真模型上用MGP并網一部分新能源，證明了頻率的暫態穩定性得到改善、振蕩得到改善。
現在，國內和國際上也有幾個不同的高校小組發表了若干論文，其裝置的基本構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，或者歐洲某個公司也啟動了類似的方案研發，那么這個方案就有可能鋪開。
中能傳媒：您在功率半導體器件的可靠性研究方面做了哪些工作？
黃永章：功率半導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用是世界第一，如柔直輸電、高鐵、電動汽車、新能源并網等應用，但是器件的設計和工藝差距大，國產器件的市場占有率低。功率半導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用客戶提高器件的可靠性。我們做可靠性測試技術的研發、可靠性測試新設備開發、器件失效分析、可靠性改進建議。這個工作具有很高的技術門檻，能夠為工業界提供實實在在的技術服務，幫助行業和客戶解決實際工作中的問題。
我們在學校建設了“大功率半導體器件可靠性研究實驗室”，為國內外的客戶提供功率器件可靠性測試技術和測試設備。同時，國內外客戶也給我們的技術研發提供了方向性建議。其一，我們團隊做的測試技術研發具有了國際認可度，我們在芯片結溫的精確測量、芯片的溫度分布測量、壓接器件的多芯片結溫分布、器件熱阻的精確測量等方面都對測試技術做了很大提升，為各國同行提供了有益的經驗，這些技術也應用在我們為國內外客戶做的測試服務中，包括給英飛凌和東芝的測試。其二，我們團隊將研發進行了成果轉化，開發了多種不同的測試設備，PCT2000是我們推出的功率循環定型系列產品，其測試效率為國際商業產品的2~6倍，而測試精度和設備可靠性還更優；我們開發了3000安和6000安的器件功率循環測試設備，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；我們針對室外應用環境（如海上風電、電動汽車等）的器件開發了具有大電流、高電壓、濕度、鹽霧腐蝕等共同作用的器件壽命測試設備，為世界首臺套，并為行業提供了新類型的測試數據。其三，我們團隊為國內眾多客戶做了器件失效分析服務，為客戶的工藝改進、封裝設計提供了直接幫助。上述工作為國產化器件的可靠性提升提供了直接的幫助。
責任編輯：余璇
