开拓创新　推进新能源领域基础研究——新能源电力系统国家重点实验室

2014-07-25

为适应当前我国大规模发展新能源发电及接入电力系统的重大需求，华北电力大学以“电力系统保护与动态安全监控”教育部重点实验室为基础，整合学校其他优势科技资源，组建了新能源电力系统国家重点实验室，依托电力系统及其自动化、热能工程国家重点学科以及7个省部级重点学科，以多学科交叉为基础，开展创新性研究。现任实验室主任为刘吉臻教授，学术委员会主任为黄其励院士。

　　一、科技创新满足电力系统发展需求

为适应当前我国大规模发展新能源发电及接入电力系统的重大需求，针对主要涉及的科学问题，结合本实验室的研究特色和优势，实验室形成以下重点研究方向和主要研究内容：

　　1．新能源电力系统特性及多尺度模拟。主要研究新能源发电过程特性与复合建模、新能源电力系统建模与仿真。通过研究，建立大型火力发电机组基于机理模型和实时数据的数学模型，揭示机组在含有规模化新能源接入条件下的动力学特性。发展典型新能源的多尺度、跨尺度数学模型，为新能源发电优化设计、仿真及运行奠定理论基础。提出随机性复杂电力系统分析方法，揭示容纳规模化新能源的复杂电网的动态特性，为复杂大电网系统的安全、经济运行分析提供基础理论。

　　2．规模化新能源电力变换与传输。主要研究电力变换与电能质量保障、先进输电技术及其电磁基础。通过研究，研发新能源发电、并网、输电和用电四个环节中电力变换与电能质量保障的关键技术，优化新能源电力输出特性；建立特高压与柔性交直流输电等先进输电的电磁模型和分析方法；提出复杂电场作用下绝缘材料的击穿模型；实现关键设备的电磁与绝缘结构优化设计和故障诊断，达到规模化新能源电力的高效变换与传输的目的。

　　3．新能源电力系统控制与优化。主要研究新能源电力系统发电过程状态监测与优化控制、新能源电力系统多目标自趋优运行控制、基于多元广域信息的复杂大电网保护。通过研究，提出新能源电力系统发电过程状态监测、协调控制与运行优化理论与方法；建立多目标、多级协调的自趋优新能源电力系统调控理论与技术体系；提出基于广域多元信息的复杂电网保护框架体系与安全控制新理论。一方面从源头上减少随机波动性新能源电力对电网的影响，并最大程度地提高新能源转化与利用效率，另一方面，有效提高规模化新能源电力接入大电网后系统的安全性与经济性。

　　二、打造高水平实验平台服务科学研究

紧密围绕凝练的研究方向，实验室建成了一批特色鲜明、水平较高的实验系统及实验平台。所有平台及仪器设备均对外开放，为实验室的科学研究、人才培养和学术交流提供了公共平台。

1．源网协调联合仿真与控制实验平台。装备了电力系统实时数字仿真装置RTDS。构建了交直流互联电网实时仿真平台，并与具有自主知识产权的变电站综合自动化系统和广域同步相量监测系统构成闭环实验平台。研制了通用的广域控制与本地保护控制实验研究平台，为开展复杂电网保护与安全控制创造了绝佳的实验条件。通过自主研发组建了RTDS-EMS-WAMS综合试验研究平台，可通过RTDS实时仿真系统数字量输出和实际系统历史数据库模拟仿真两种方式，为一体化协调调控体系相关理论研究提供必要的实时和历史数据支持。

2．新能源电力变换实验平台。装备了30kW双馈风机模拟平台、10kW直驱风电实验平台、10kV线路模型模拟实验系统、10kW太阳能组件及并网逆变器系统，研制了240kW/400V通用换流器和通用控制器实验平台。研制了100kVar/400V可控电压质量扰动发生装置、可控负荷用电品质扰动发生装置、复合电压质量调节装置和电流质量调节装置等电能质量研究平台。研制了交流系统1000V电压等级下采用模块化多电平换流器结构的13电平统一电能质量控制器，该设备能够对多种电能质量问题进行同时补偿。装备了120kW光伏发电系统、50kW锂离子电池储能系统、60kW双向功率变流器以及36.9kVA模拟负载系统，构建了由分布式发电系统、储能系统、模拟负载、通信系统等部分组成的实验平台。此外还构建了电动汽车充放电实验平台，该平台后期计划接入新能源电力变换实验平台，作为电力变换实验平台中的新型储能及电子负载开展相关研究工作。

3．新能源发电过程模拟、仿真及实验平台。装备了包括风光储在内的新能源发电并网及分布式发电微网供能实验系统平台，拥有30kW双馈风机模拟平台、10kW直驱风电实验平台、太阳能组件及并网逆变器系统，可以进行风电、光伏发电及储能装置并网运行的模拟实验及协调控制研究。还装备了单回路闭口低速风洞、太阳电池I-V测试系统、高速动态影像分析仪、红外热成像仪等，以及用于风轮、风场CFD分析与优化设计的Windfarmer、WASD、FINE等一系列软件，可以研究风电机组、光伏发电系统、太阳热发电系统的建模和特性等基础和应用基础研究。

4．发电过程监测与优化控制实验平台。装备了电站监控信息系统、发电机组全激励仿真系统。拥有长期保存并不断更新的典型火电机组、风电机组实时／历史运行数据库，亚临界、超（超）临界火电机组、大型风电场全工况分布参数机理模型、简化非线性模型及与现场配置完全一致的虚拟DCS及整套控制逻辑，可进行数据挖掘、过程建模、性能分析与诊断、状态监测与重构、运行优化等方面的研究工作。该平台采用灵活的数据检索方式，提供方便实用的数据分析工具，具有远方数据接口，可通过Web远方登陆访问，为国内外学者提供数据资源。

5．电磁与高压绝缘实验平台。构建了设施一流的研究环境，包括3米法紧凑型电磁波暗室、10米法电磁波开阔实验场、户外和户内传输线型电磁脉冲模拟器、特高压交直流混合输电线路缩尺实验线路、900平方米实验接地网、252kV气体绝缘管道缺陷模拟试验平台、150kV交／100kV直流复合电压下油纸绝缘试验平台、110kV变压器局部放电定位试验平台、110kV高压电缆缺陷模拟试验平台、110kV低温高湿气候模拟室、热刺激电流／表面电荷／空间电荷测量平台、纳米功能材料制备平台、变压器油性能测试平台、超导电力实验系统、覆盖100kHz～3GHz的发射／接收天线以及信号源／功率放大器／接收机组成的辐射电磁场产生和测试系统、满足IEC-61000系列电磁兼容标准的传导电磁干扰产生和测试系统、覆盖DC～100MHz的稳态和瞬态电场与磁场测量系统以及电压与电流传感系统等，可以开展特高压与柔性输变电的基础和应用基础研究。

　　三、组建高水平研究队伍保障实验室发展

实验室现有固定人员92名，其中研究人员82人。拥有中国工程院院士1名、国家杰出青年基金获得者3人、973首席科学家3名、国家“千人计划“入选者3人、国家“青年千人计划“入选者1人、国家百千万人才工程人选6人、中科院百人计划3人、国家教育系统创新团队3个、“111”学科创新引智基地3个。实验室固定研究人员中，74名固定研究人员拥有博士学位，45岁以下的中青年教师有55人，有47 名固定研究人员具有海外留学经历。实验室形成了以院士、973计划首席科学家和国家杰出青年基金获得者为带头人、优秀青年博士为骨干的知识年龄结构合理的科研团队。

研究生和博士后是科学研究的主力军，其培养质量是实验室水平的重要体现之一。本实验室研究生培养思路是利用实验室在电力系统、高电压、控制、新能源发电等领域的交叉学科平台，为研究生和博士后从事面向国家重大需求和科技前沿的科研实践活动提供广阔天地和肥沃土壤，锻炼研究生发现、分析和解决问题的能力，同时实现科研创新。近五年来，实验室共培养出硕士1502人、博士147人，累计出站博士后9人；目前在读硕士研究生1002人、博士研究生228人，在站博士后16人。

　　四、积极开展对外合作交流

实验室一贯重视对外开放与合作交流，积极活跃实验室学术气氛、提高实验室学术水平、提升实验室知名度、充分利用实验室仪器设备资源，并积极探索构建创新型的开放合作机制。经过几年的探索，并与国内外重点实验室交流，实验室在注重自主科技创新的同时，面向国家和区域科技发展需求，致力于开放合作体制与机制的探索和思考，建立了良好的实验室开放机制。

实验室被认定为国家国际科技合作基地，被评为北京市国际科技合作基地，被中国电机工程学会评为“电力科普教育基地”，被中关村国家自主创新示范区挂牌为中关村开放实验室。