20年奏成“四部曲”
回顾该成果研究20年的历程,孙宏斌用“四部曲”来形容。他把导师相年德教授、张伯明教授和自己最初开展的研究工作称为开创和奠基的阶段,而从孙宏斌的博士论文开始,课题组里多位博士生的毕业论文,始终围绕着这一研究开展深入研究。郭庆来副教授的博士论文,实现了该成果从理论到实践的应用,在控制中心实现闭环运行;王彬的博士论文,实现了由单一控制中心进一步到多级多控制中心的协同运行;而张明晔的博士论文,解决了该系统在美国PJM电网运行的问题,实现了从中国电网到美国电网的应用;此外,还有多位博士与硕士共同努力,解决了风、光发电等大规模间歇式可再生能源接入电网的电压控制问题。
“该成果的取得,需要攻克四方面的技术难题:一是电网结构变化时控制系统结构的自适应调整问题,二是多级控制中心的分布式协同控制问题,三是大规模间歇式可再生能源接入弱网的电压大幅度快速波动和联锁脱网问题,四是考虑大规模预想事故集的巨型电网安全和经济协同控制问题。”孙宏斌说。
“安全、优质、经济、环保是电网运行的四大目标,我们这20年来的持续研究,始终围绕着如何通过自动控制技术让运行人员能够更好的驾驭日益复杂的电网。”郭庆来说,“我们的系统已经被国内大部分电网应用,成为运行人员不可或缺的有力工具。这更要求我们一时一刻都不能停下来,电网中出现的新挑战就是我们的新使命。”
在实际应用中,孙宏斌团队研发的自动电压控制系统能够显著地降低电网输送过程中的损耗。据统计,该系统在江苏电网投运后,一年的时间里可节约近1亿度电的损耗,相当于年节省开支约5000万人民币。在美国PJM电网持续半年的运行数据也表明,该系统实现了节能降损收益约850万美元,在显著降低网损取得巨大经济效益的同时,五个关键输电通道的传输极限分别提高了7.6%~16.1%,为PJM电力市场带来了巨大的电价降低效益,此外还提高了供电可靠性带来的社会效益。“中国电网目前每年的损耗大约是3600亿度电,相当于每人每天浪费了1度电,相当于多消耗了1.5亿吨煤。”孙宏斌说,“而通过我们的自动电压控制系统,不需要增加任何设备投入,仅通过控制的手段,就能显著降低损耗,起到四两拨千斤的效果。”
另一方面,近年来我国风机装机容量位居世界首位,光伏装机占第二位,面临着大规模的可再生能源接入电网的问题。然而,风、光发电等可再生能源的输入是间歇性的,会引起电网电压的快速、大幅度波动,甚至诱发大规模连锁脱网事故,给电网的安全运行带来威胁,这也成为我国大规模可再生能源接入电网的主要障碍之一。
针对这一新出现的重大挑战,孙宏斌的团队提出并实现了大规模风电汇集接入的电压控制技术。截至2015年底,已在我国6个大型风光基地应用(占我国全部10大风光基地的6/10)和102座大型风光场站应用,已经接入协同控制的风/光能源总装机48.7GW,占全国并网风/光能源总装机的37%,有效保障了新能源基地和电网的安全运行,显著提高了电网消纳间歇式新能源的能力。
美国能源部顾问、电网运行和控制权威、美国工程院院士Prof.BOSE认为该成果“使中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。IEEE连锁故障工作组主席、美国电科院电网运行与规划部经理Dr.Zhang评价该成果表示“它使中国的电压控制在技术发展和应用两方面都具备了领先地位”。在2010年清华大学电机系的国际学科评估中,该成果被国际专家认为已达到世界领先(worldleading)水平。
“如果没有20多年的基础研究积累,我们不可能实现今天的成果;如果只是理论研究,没有中国这么复杂的电力系统作为舞台让我们去进行工程实践,我们同样不可能实现今天的成果。”孙宏斌总结到,“作为工程学科,面向国民经济主战场,顶天立地做科研,这是我的导师张伯明教授当年经常教导我的,我现在也时刻提醒团队中的年轻人,我希望这能作为我们整个团队的一种精神,一种价值观,一代代接力下去。”