中国工程院院士潘垣：以问题导向攻克绿色电力系统的构建难点

人物简介

潘垣

中国工程院院士，华中科技大学国防科学技术委员会主任，磁约束聚变技术和高功率脉冲电源技术专家。主持和参与主持过三套聚变装置研制和一套装置升级改造，在中国环流一号研制中负责工程方案设计、总体电磁工程、脉冲电源及总控系统等，创造性地解决多项重大技术难题，还将聚变电磁工程技术成功应用于国民经济和国防建设，取得多项成果；负责研制“小龙-2”和“凌云”核聚变等离子体实验研究装置，参与主持“中国环流器一号”的研制建造，解决了许多重大技术难题；负责完成了托卡马克HT-6M的脉冲电源与控制系统的升级改造。曾两次获国家科技进步一等奖、中科院和核工业部科技进步一等、二等奖多项，以及教育部科技进步一等奖。

习近平总书记在科学家座谈会上指出，“研究方向的选择要坚持需求导向，从国家急迫需要和长远需求出发，真正解决实际问题”。战略需求导向和问题导向的科技研究成为解决当前制约我国经济社会发展、民生改善和国防建设面临的重大科技问题的重要路径。

近日，在2022年中国电机工程学会院士专家论坛中，中国工程院院士、华中科技大学国防科学技术委员会主任潘垣从国家重大战略需求和关键科技问题出发，对能源电力变革的关键问题展开了深入分析。潘垣表示，能源绿色化是实现“双碳”目标的必由之路，攻克构建绿色电力系统的关键技术难题，以科技创新助力新型能源体系的构建，是广大能源电力科技工作者和从业者的历史使命。

绿色电力系统与传统电力系统的本质区别

绿色电力系统与传统电力系统有何不同？

潘垣认为，在传统电力系统中，如火电、水电或核电，大都采用同步电机，具有较强的机械惯性，传统电力系统具有由旋转电机主导的机电稳态过程，强机电性、弱电磁性是传统电力系统最大的特征。这一点与绿色电力系统恰恰相反，新能源的发输配用环节引入了更多电力电子装备，电力系统向以电力电子装备的电磁暂态过程为主导转变，呈现出弱电机性、强电磁性。

基于我国以煤为主的资源禀赋，过去我国传统电力系统主要由黑色的传统电源、无色的传统电网和随机的负荷三大部分共同组成。“过去，发电侧以煤电为主，因此黑色的传统电源很好理解，但为什么说电网也不是绿色的？其原因在于电网系统中大量使用的GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）一般含六氟化硫，其温室效应高出二氧化碳四个数量级，从这个角度而言电网也不是绿色的。”潘垣解释道。另外，从负荷角度分析，电气化率是评价一个国家先进与否的重要指标之一，而我国目前的电气化率仍处于中低水平。

“何谓绿色电力系统？与传统电力系统恰恰相反，绿色电力系统将大大弱化机电特性、强化电磁特性，绿色电力系统将由绿色化电源、绿色化电网、大容量储能、高比例电气化负荷共同构成，同时呈现出智能化的新特征。”潘垣表示。绿色化电源囊括了风电、光伏、光热发电等主力电源，以及绿色化火电、水电、核电等电源；绿色化电网由变压器、变流器、输配电线路、非六氟化硫绝缘型开关/电器组成，呈现出调控能力弱的趋势；大容量储能指分布式抽水蓄能群；高比例电气化和随机性是负荷的两大特点；智能化意味着电力装备、AI芯片和物联网络都将得到广泛应用。

问题导向——实现绿色电力系统要攻克五大技术难题

上述绿色电力系统的几个特点给电力系统的运行带来了许多前所未有的问题，而且这些问题无法回避、必须在技术上逐一攻克。潘垣认为，调峰问题、稳定问题、走廊问题、电力调度与潮流调控问题、电力安全问题等是其中较为突出的关键问题。

一是调峰问题。与现有常规火电、水电或核电出力呈现一定的规律性和可控性相比，风电、光伏等新能源出力具有时间、空间上的强不确定性和不可控性。因此，绿色电力系统要在尽可能不弃风、不弃光、不弃水的条件下，确保系统有功与无功的动态功率平衡，同时确保系统稳压稳频，这是一个极大的挑战。

二是稳定问题。随着新能源在电网占比不断提高，电网电力电子化特征凸显，电网稳定形态越发复杂，其运行特性发生了深刻变化，系统安全稳定运行与控制规律面临前所未有的新挑战。尤其是电力系统频率稳定问题，大量电力电子电源替代了原有的同步发电机，导致转子提供的旋转机械惯量以及频率阻尼作用逐渐降低，新型电网成为了低惯量电网，电网频率受扰后波动更大，且更难恢复。未来如果电网突发特高压跳闸等重大事故时，我们要有能够确保系统稳定的手段，防止系统出现解列或者崩溃的情况。

三是走廊问题。为确保西部大规模新能源全额、可靠、安全地送往东部，需要有足够的输电走廊保证送出能力。由于我国地理条件复杂且特殊，从西向东的海拔仿如三个台阶。“据本人实地考察了解到的情况来看，我国西北能源输送主要依靠河西走廊，这里同时是石油、天然气、电力的输送通道，布局过于集中，一定要从防灾减灾角度做好风控和应急措施，还要将战争、自然灾害等极端特殊情况纳入考虑。”潘垣说。

四是电力调度与潮流调控问题。由风、光、水等为主体能源构成的电力系统，电源运行调度协调难度加大，亟需构建新型调度体系与实现调控技术的人工智能化。

五是电力安全问题。为保证新型电力系统的电力能源安全，我们要稳步推进建设以分布式抽水蓄能为主力的多种储能系统、基于天然气的备用燃气轮机发电机组、基于氢能的燃料电池电站和零排放性质的备用燃煤电站。

潘垣表示，除了要解决上述五个突出问题，还要持续研发大型风电场、光伏电场、光热电场的智能化运维技术、减灾技术、生态环境补偿技术，乃至磁约束核聚变发电等满足长远需求的科学技术，以助力能源绿色低碳发展和“双碳”目标的实现。

破题——保障能源绿色转型与安全发展的关键技术

在院士专家论坛上，潘垣重点探讨和分享了构建绿色电力系统的关键技术：

第一项关键技术是分布式山顶抽水蓄能电站。关键词“分布式”意味着多而分散，这既能满足储能需求，又能为系统补充和提供同步电网所需的转动惯量。

以分布式山顶抽水蓄能电站为例，它具有以下六大优势：同时解决大规模储能问题与提供转动惯量；效率高，一般可达80%，采用变速恒频/恒压技术后，效率将更高；选址布置灵活，接入系统便利；关键词“山顶”意味着淹没损失少，移民少，对生态环境友好；机组形式多样，建设周期较短；建设开发模式多样化。该技术目前已有两项示范工程，即湖北钟祥北山抽水蓄能电站装机容量20万千瓦，其中一台10万千瓦拟采用有刷双馈电机，具有可变速机组，如此其转子具有大的转动惯量（可视其为隐性飞轮）；北京密云水库抽水蓄能电站改造项目，重新设计安装一台13兆瓦机组，拟采用无刷双馈电机可变速方案。

第二项关键技术是快速响应容量，具体来说，快速响应容量由双馈调相机、高惯量飞轮和低频励磁调节器共同构成，平时起到同步调相机和反馈控制稳频作用，紧急需求时可用作脉冲发电机。因此，该技术具有储能、调相、稳频、脉冲发电的功能，既能助力新能源外送，又可提高系统转动惯量，保障电网安全稳定运行。其中，选择飞轮储能的原因是该技术具有功率密度高、寿命长、响应速度快、绿色环保等优势。

第三项关键技术是针对西电东送输电走廊严重缺乏问题。能源输送走廊严重不足这一问题早已得到了业内的广泛关注，但如何解决至今仍未形成统一共识。潘垣对此提出了一个新的思路：“目前，我国高压直流电缆已达到了500千伏的规格，能否继续提高难以判断。为了满足直流特高压绝缘要求，可在直流500千伏电缆外表再套加强绝缘，然后再予管道化。面对我国西电东送走廊资源的极为稀缺以及电力工程建设的紧迫性，必须凭借我国被誉为‘基建狂魔’的基础设施建设能力，不妨尝试将传统架空输电线路改为隧道化输电线路。但需要注意的是，由于洛伦兹力效应的存在，通过同一隧道的多路电缆不得相互影响，故同回正极性电缆与负极性电缆必须捆在一起，以消除各回路间的电磁力效应，对此可称之为‘管道化电缆集束’，这是一种介于纯管道和纯电缆两者之间的新方法，如此一来，电缆与管道间的绝缘气体无需用六氟化硫，改用压缩空气即可。另外，还可采用3D打印电缆头，省材料、精度高、周期短且高效。”

第四项关键技术是智能化调度。这一议题也备受行业关注，潘垣提出以下新思路：以人工智能、源网荷储一体化、能源互联网等技术为硬核支撑，推动电力智能化调度技术达到国际领先水平，当前应着力研发专用的AI电力芯片；高效聚合多类型电源和灵活性资源，形成协同、联动、有序的发展格局，提升多能优化布局；彻底改善能源结构，提高整个功能系统的综合效益，全面提升电网安全经济运行水平。但要注意，西方国家与中国的用能特征不同，所以他们建设智能电网的经验对中国未必完全适用，切忌照搬照抄，需要结合我国实际推进。

第五项关键技术是能源消费端实现“全方位综合高效电气化+”，此举着重应用于耗能大户如钢铁、水泥、半导体、玻璃与陶瓷、水上运输、农业机械等领域。特别是要尽快实现北方冬季供暖的电气化，其中广大民用散煤取暖的治理更是重中之重。

实施“新型举国体制”集中力量办大事

潘垣建议筹建产、学、研联盟的“绿色电力创新研发中心”，集合全国优势高校和核心龙头企业、高校和研究院所，通过整合全国绿色电力相关领域的人才和技术资源，瞄准“绿色电力的发电、输电、储能、控制、负荷”五大方向，开展全产业链的绿色技术与装备研究和成果转化，服务于国家和地方新能源发展战略。

潘垣认为，此举正是我国电气工程界贯彻落实党的二十大报告中特别强调的实施“新型举国体制”，发扬“两弹一星”精神的社会主义集中力量办大事的优良传统。

“总之，能源绿色化是‘双碳’目标实现的必由之路，实现新型电力系统需要攻克上述几大技术问题，分布式山顶抽水蓄能电站、快速响应容量、长距离输电走廊、智能化调度、‘全方位综合高效电气化+’等是构建绿色电力系统的关键技术，未来要加强全国绿色电力相关领域的人才和技术资源的整合，开展全产业链的绿色电力技术与装备研究和成果转化，服务于国家与地方新能源发展战略。”潘垣说。