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《太阳能》《太阳能学报》

  创刊于1980年,

  中国科协主管

  中国可再生能源学会主办

《太阳能》杂志社有限公司出版

《太阳能》杂志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  国内发行2-165  国外发行Q286

《太阳能学报》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  国内发行2-165  国外发行Q286

详细内容

清华大学教授、青海大学副校长梅生伟谈可再生能源高质量发展

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引领可再生能源由高速发展转向高质量发展

——专访清华大学教授、青海大学副校长梅生伟


       21 世纪以来,受到能源枯竭和环境恶化的双重压力,全球能源发展格局正在发生重大而深刻的变化,可再生能源逐渐取代传统化石能源成为主力电源的趋势已不可逆转。


       经过多年发展,我国的可再生能源发电已取得举世瞩目的成就。据水电水利规划设计总院发布的《中国可再生能源发展报告2019》显示,2019 年,我国可再生能源发电装机容量达到7.94亿kW( 其中,风电、光伏发电首次同时突破2亿kW),占总装机容量的39.5%;可再生能源年发电量超过2 万亿kWh,继续多年高居世界第一。然而,大规模间歇性可再生能源并网给电力系统带来了运行控制难度增大、连锁反应风险加剧等严峻挑战,推动我国可再生能源由高速发展转向高质量发展已刻不容缓。


       清华大学教授、青海大学副校长梅生伟长期奋战在教育、科研第一线。自上世纪90 年代从清华大学电机系毕业留校工作以来的近20年间,梅生伟主要从事大型同步发电机抗扰控制及远距离输电技术的研究工作。他提出了电力系统非线性鲁棒控制设计原理,攻克了困扰电力控制界数十年的Hamilton-Jacobi-Issacs 偏微不等式解析求解的科学难题,这一工作被美国工程院Vittal 院士誉为“培育了一门极具吸引力的崭新学科”;主持研发了世界首台大型同步发电机组非线性鲁棒励磁/ 调速工业控制装置及非线性鲁棒有源滤波器,并广泛应用于我国数百座电厂、油田;特别值得一提的是,他的相关研究使大容量远距离输电系统的极限输送功率提高了15%,这一成果获得了2008 年国家自然科学二等奖。


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       2013 年,梅生伟追随王光谦院士到青海大学参加对口支援工作后,为了促进青海可再生能源的发展并服务于国家能源转型战略,他开始转战可再生能源及储能等相关领域,通过对工程博弈论、非补燃压缩空气储能、交直流输电系统连锁故障等基础理论与关键共性技术的攻关,引领可再生能源由高速发展转向高质量发展。凭借在可再生能源领域的重大贡献,梅生伟先后获得1项国家科技进步二等奖和4 项省部级一等奖( 均为第一完成人)。


       在昆明参加2020 年中国可再生能源学术大会期间,笔者有幸采访了梅生伟。尽管他公务繁忙,仍于9 月20 日23:20 结束了与云南省能源投资集团的洽谈后,接受了笔者一个多小时的专访。梅生伟渊博的学识、平易近人的作风和娓娓道来的语言风格,令人印象深刻。


开创新能源电力系统工程博弈论,

实现可再生能源的协调发展


       我国的可再生能源发展长期面临 “规划难”、“调度难”和“稳控难”3 大技术瓶颈。以光伏发电规划为例,光伏电站的建设周期短( 往往只需要数月)、投资额度小、见效快,而高压输电线路建设周期长( 通常为几年到十几年不等)、投资额大,这种电站与电网的建设周期不匹配的问题可能导致光伏电站建成后长时间无法并网,由此产生大量弃光。此外,政府、电厂和电网对光伏电站建设的利益诉求不同。政府比较关注环保问题及可靠、经济、优质的电力供应,电厂主要考虑建设投资回报,而电网则更为关注光伏电站并网引发的一系列安全稳定问题,这种利益“拉锯”进一步增加了光伏电站规划的难度。高比例可再生能源电力系统的调度、稳控也存在类似的冲突问题,比如安全、经济、环保等目标之间的冲突,以及源、网、荷、储等主体利益之间的冲突。这些问题与可再生能源的强随机性及不可控性问题交织,使可再生能源的协调发展面临重大挑战。


       针对可再生能源协调发展的重大科学问题,梅生伟依托教育部创新团队和国家自然科学基金委员会创新研究群体项目开展研究,系统创立了新能源电力系统工程博弈论,提出了非合作/ 合作/ 演化3 大工程博弈建模原理与均衡分析方法,构建了高比例可再生能源省域电力系统高效绿色供电整体解决方案。主要包括:


       1) 创新性地将可再生能源规划、调度与控制问题构建为协商博弈、主从博弈和演化博弈模型,通过各方的博弈均衡,系统解决了可再生能源发展过程中场站、负荷、电网、政府等不同主体之间的利益冲突问题;


       2) 从2 人零和多阶段动态博弈的视角考虑可再生能源的强随机性对电力系统调度与控制问题的影响,通过电力调控中心与大自然的多时间尺度虚拟博弈,在保证电力系统安全稳定运行的前提下,实现可再生能源的最大化消纳;


       3) 研发了基于工程博弈论的可再生能源发电规划、调度与控制系统,实现了工程博弈论从理论研究到实际工程应用的重大跨越。


       上述研究成果已成功应用于青海电力调控中心及风光场站,成为省域清洁能源系统典范,并为建设青海“清洁能源示范省”乃至推动全国可再生能源的发展做出了重大贡献;在青海新能源装机容量占比高达54% 的情况下( 全国居首),实现了青海风光可再生能源消纳率超过96%、光伏发电利用小时数高出全国平均水平31%。成果应用产生的直接经济效益达4.21 亿元,减少CO2排放178 万t,并带动相关产业发展,产生间接效益10.8 亿元。研究成果还全面支撑了青海电网不间断输出全清洁能源电力168 h( 绿电7 日)、216 h( 绿电9 日)、360 h( 绿电15 日) 的实践,3次刷新了省域电网全清洁能源供电的世界纪录,在国内外社会各界引起了强烈反响,李克强总理批示指出“这项工作具有开创性”。凭借在省域可再生能源电力系统协调运行控制方面的重大研究成果,梅生伟获得了2018 年青海省科技进步一等奖、2019 年中国可再生能源学会科学技术人物奖和2020 年中国可再生能源学会科学技术进步一等奖。


突破储能技术瓶颈,

弥补可再生能源的先天缺陷


       储能是高比例可再生能源电力系统的重要组成部分和关键支撑技术,可弥补风能、太阳能等可再生能源发电随机性强与可调度性低的先天缺陷,显著提高可再生能源的消纳水平,推动实现主力能源由化石能源向可再生能源的更替。


       储能的方式较多,常见的包括抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能、氢储能等。这些储能方式各有特点,需要根据其技术经济特性,因地制宜加以利用。


       从电力系统的应用情况看,抽水蓄能是目前技术最成熟、应用最广泛的大规模储能方式,在削峰填谷、紧急事故备用、调频、调相等方面发挥了重要作用。但是抽水蓄能易受水源、地形地质等条件制约,难以在西北地区得到应用。电化学储能是除抽水蓄能外装机容量最大、发展速度最快的储能形式,此类储能占地少、选址布局灵活、调节速度快、能量转换效率高,但也存在循环寿命短、后期回收难、运行过程不安全等隐患。虽然江苏、河南等地的锂电池储能装机容量都已达到万kW甚至10 万kW的规模,但其安全问题不容忽视。对于青海这种气候环境较为严酷的省份,昼夜温差大、冬季极寒、风沙大,电化学储能在运行过程中将面临更为严峻的挑战。


       压缩空气储能是一种重要的物理储能形式。传统的压缩空气储能一般利用天然气等燃料进行补燃,但这一方面增加了天然气的使用量,另一方面也存在一定程度的环境污染。为了解决传统压缩空气储能的补燃问题并提升能量转换效率,梅生伟团队创造性地提出了基于压缩热回收的非补燃压缩空气储能技术,分析并揭示了压力势能和压缩热能的“解耦存储”及“耦合释能”机理,攻克了压缩、蓄热/ 换热、储气、膨胀发电等关键技术瓶颈。基于上述研究成果,梅生伟主持建成了安徽芜湖500 kW 非补燃压缩空气储能工业试验电站( 世界上首座实现并网运行的非补燃压缩空气储能电站) 和青海西宁100 kW复合式压缩空气储能工业试验电站( 世界上首座实现发电的太阳能热复合式压缩空气储能电站),循环效率国际领先。此外,梅生伟还担任国家能源局压缩空气储能国家示范项目“江苏金坛60 MW/300 MWh盐穴压缩空气储能电站”的首席科学家,利用中盐金坛公司地下盐穴( 埋深800 m,容积22 万m3)作为高压储气室,实现电能的大规模存储和高效转换,此项目预计将于2020 年底建成,30 年寿命期内的度电成本仅为0.22 元/kWh,技术经济性突出。凭借在非补燃压缩空气储能领域的开创性成果,梅生伟荣获了2019 年安徽省科技进步一等奖。


       可再生能源制氢的储能形式目前也广受关注。利用富余光伏发电制氢,一方面可使单纯的光伏电站转变为光伏- 储能电站,缓解光伏发电功率不稳定对电网的冲击;另一方面可以利用氢燃料电池在发电过程中产生的热量进行供热,形成热电一体化电站,这在工业用热或居民供暖需求较大的地区具有广阔的应用前景。为了突破可再生能源制氢的关键技术,梅生伟团队承接了青海省科技厅光伏制氢成果转化重点项目,在青海大学校园建成了光伏制氢示范系统,可利用4.3kWh 的光伏电力制成1 m3 的氢气,制氢效率处于国内领先水平。此外,梅生伟团队还与鲁能新能源( 集团) 有限公司青海分公司等可再生能源发电企业紧密合作,计划在格尔木建设大容量氢储能系统,利用富余的可再生能源发电制备氢气,再通过西气东送天然气管道掺氢等方式加以规模化利用。


攻克大电网连锁故障难题,

保障可再生能源安全输送


       随着西电东送工程的稳步推进,我国已建成世界上电压等级和直流输电比例最高、结构最复杂的交直流输电系统,承担着大规模可再生能源远距离跨区传输和消纳的重要使命。由于可再生能源的随机性强,电力故障行为及其发展过程复杂多变,再考虑到自然灾害频发等因素,大电网连锁故障风险加剧,传统的电力系统防御体系面临严峻考验。


       为解决大规模可再生能源并网可能引发大面积连锁故障的难题,支撑国家西电东送战略,梅生伟开创性地将复杂系统自组织临界理论应用于大规模可再生能源交直流输电系统,在连锁故障的诱发与传播机理、建模与仿真方法、主动预防与连锁故障在线阻断等方面取得了重大突破。梅生伟根据能源转型背景下电力系统的基本特性、仿真分析方法及调控模式的根本性变化,将传统电力系统的3 道防线发展为面向大规模可再生能源并网的“紧急控制- 主动解列- 自适应减载”3道防线,实现了故障状态下可再生能源交直流输电系统“全局协防- 化整为零- 分体存活”意义下的主动阻断。在这些理论研究成果的基础上,梅生伟率领团队进一步研发了可再生能源交直流输电系统连锁故障预演、风险评估、安全预警与在线主动阻断一体化平台,实现了上万节点系统的连锁故障可信风险源与路径集的高效模拟,准确率和计算速度全面超越美国橡树岭国家实验室的OPA 平台,连锁故障阻断率达到了98.3%。此成果应用于我国西电东送6 大主要输电通道,在保障西电东送安全、减少弃风弃光现象等方面发挥了重要作用,产生直接经济效益约10 亿元。相关成果获得了2015 年教育部高等学校自然科学一等奖和2018 年国家科技进步二等奖。


投身西部教育,

破解可再能源人才匮乏的困局


       我国西部地区具有得天独厚的可再生能源资源条件,西部地区可再生能源的开发利用,既是振兴西部经济、实现西部大开发的关键措施,也是推进能源革命、实现能源转型的重要举措。然而,西部地区教育资源匮乏,人才储备不足,这从根本上限制了西部地区可再生能源事业的长远发展。


       为了破解西部地区可再能源人才匮乏的困局,2013 年,梅生伟受清华大学选派,加入到“清华大学对口支援青海大学”的行列中。相较于一般援青干部的3 年期限,他已“超长期服役”,在青海这片祖国西部的热土默默耕耘了8 年。由于同时肩负清华大学的科研教学工作,梅生伟每年都要在北京与青海之间进行40 余次单程逾1600 km 的往返飞行,但艰苦的自然条件和年复一年的奔波之苦挡不住他服务西部地区的热情。梅生伟用实际行动,坚守着踏上青海土地之初许下的“不把青海大学的可再生能源学科建设好就不回清华”的承诺。


       目前,梅生伟担任青海省清洁能源高效利用重点实验室主任、青海大学新能源学院院长、青海大学副校长等多个职务。在这期间,梅生伟从零开始,在青海大学可再生能源基地建设、学科建设、人才培养、国际项目合作等方面取得了重大突破。主要包括:


       1) 吸收了国内外最先进的太阳能前沿技术,在青海大学建成了国内高校中面积最大、设备最完善、功能最完备、技术最先进的太阳能综合利用示范工程基地,在教学、科研和科普中发挥了重要作用,并承担了青海大学的部分供电任务。自2016 年以来,先后有3 位党和国家领导人、59 位省部级领导、61 位院士和400 余名专家学者到基地参观指导;此外,该基地作为青海省首批科研、科普基地,接待了约6000 名大、中学生,科技爱好者和社会人员。


       2)创建了青海大学新能源学院,目前招生超过300人,实现了青海可再生能源人才的“自我造血”。


       3) 组建了一支覆盖电气、机械、计算机、热工等6 个一级学科的交叉型可再生能源创新团队,并为青海大学培养了教育部青年长江学者1 名、“青海千人计划”入选者5 名。


       4) 主持完成了“退役飞机碳纤维材料回收”太阳能光热项目,为青海大学带来了第1 个国际合作项目,并与波音公司反复协商,计划将退役飞机的回收基地建在青海。


       在梅生伟身上不仅体现了一个共产党员无怨无悔、长期支援西部建设的奉献精神,还彰显了一个科学家孜孜以求、攀登科研高峰的创新精神,以及一个教育家为国家,尤其是西部地区培养行业紧缺人才的家国情怀。《人民日报》先后6 次在“十九大特刊”和“爱国情 奋斗者”等栏目对梅生伟的先进事迹进行了专题报道;清华大学也以《在西部,坚守清华人的使命与责任》等为主题多次宣传了他的爱国奋斗情怀( 为此他2 次荣获清华大学优秀共产党员称号),受到了社会各界人士的广泛关注。2019 年,梅生伟被评为青海省最美科技工作者,同时入选中宣部最美科技工作者100 名宣传人物,成为“到祖国最需要的地方建功立业”的杰出代表。


       能源革命与能源转型之路任重道远。在祖国的大西部,在我国实施可再生能源发展战略的关键节点,梅生伟将无问西东,一往无前,发出更加绚烂多彩的光和热。



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