引領(lǐng)可再生能源由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展
——專訪清華大學(xué)教授、青海大學(xué)副校長梅生偉

本刊記者 ■ 李 鵬 陳一言

21世紀(jì)以來，受到能源枯竭和環(huán)境惡化的雙重壓力，全球能源發(fā)展格局正在發(fā)生重大而深刻的變化，可再生能源逐漸取代傳統(tǒng)化石能源成為主力電源的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國的可再生能源發(fā)電已取得舉世矚目的成就。據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展報告2019》顯示，2019年，我國可再生能源發(fā)電裝機容量達到7.94億kW(其中，風(fēng)電、光伏發(fā)電首次同時突破2億kW)，占總裝機容量的39.5%；可再生能源年發(fā)電量超過2萬億kWh，繼續(xù)多年高居世界第一。然而，大規(guī)模間歇性可再生能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來了運行控制難度增大、連鎖反應(yīng)風(fēng)險加劇等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，推動我國可再生能源由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展已刻不容緩。

圖1 梅生偉(左二)為時任青海省委書記王國生(左三)等人員介紹青海大學(xué)太陽能綜合利用示范基地

清華大學(xué)教授、青海大學(xué)副校長梅生偉長期奮戰(zhàn)在教育、科研第一線。自上世紀(jì)90年代從清華大學(xué)電機系畢業(yè)留校工作以來的近20年間，梅生偉主要從事大型同步發(fā)電機抗擾控制及遠距離輸電技術(shù)的研究工作。他提出了電力系統(tǒng)非線性魯棒控制設(shè)計原理，攻克了困擾電力控制界數(shù)十年的Hamilton-Jacobi-Issacs偏微不等式解析求解的科學(xué)難題，這一工作被美國工程院Vittal院士譽為“培育了一門極具吸引力的嶄新學(xué)科”；主持研發(fā)了世界首臺大型同步發(fā)電機組非線性魯棒勵磁/調(diào)速工業(yè)控制裝置及非線性魯棒有源濾波器，并廣泛應(yīng)用于我國數(shù)百座電廠、油田；特別值得一提的是，他的相關(guān)研究使大容量遠距離輸電系統(tǒng)的極限輸送功率提高了15%，這一成果獲得了2008年國家自然科學(xué)二等獎。

2013年，梅生偉追隨王光謙院士到青海大學(xué)參加對口支援工作后，為了促進青海可再生能源的發(fā)展并服務(wù)于國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，他開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)可再生能源及儲能等相關(guān)領(lǐng)域，通過對工程博弈論、非補燃壓縮空氣儲能、交直流輸電系統(tǒng)連鎖故障等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)的攻關(guān)，引領(lǐng)可再生能源由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。憑借在可再生能源領(lǐng)域的重大貢獻，梅生偉先后獲得1項國家科技進步二等獎和4項省部級一等獎(均為第一完成人)。

在昆明參加2020年中國可再生能源學(xué)術(shù)大會期間，筆者有幸采訪了梅生偉。盡管他公務(wù)繁忙，仍于9月20日23:20結(jié)束了與云南省能源投資集團的洽談后，接受了筆者一個多小時的專訪。梅生偉淵博的學(xué)識、平易近人的作風(fēng)和娓娓道來的語言風(fēng)格，令人印象深刻。

開創(chuàng)新能源電力系統(tǒng)工程博弈論，實現(xiàn)可再生能源的協(xié)調(diào)發(fā)展

我國的可再生能源發(fā)展長期面臨 “規(guī)劃難”、“調(diào)度難”和“穩(wěn)控難”3大技術(shù)瓶頸。以光伏發(fā)電規(guī)劃為例，光伏電站的建設(shè)周期短(往往只需要數(shù)月)、投資額度小、見效快，而高壓輸電線路建設(shè)周期長(通常為幾年到十幾年不等)、投資額大，這種電站與電網(wǎng)的建設(shè)周期不匹配的問題可能導(dǎo)致光伏電站建成后長時間無法并網(wǎng)，由此產(chǎn)生大量棄光。此外，政府、電廠和電網(wǎng)對光伏電站建設(shè)的利益訴求不同。政府比較關(guān)注環(huán)保問題及可靠、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，電廠主要考慮建設(shè)投資回報，而電網(wǎng)則更為關(guān)注光伏電站并網(wǎng)引發(fā)的一系列安全穩(wěn)定問題，這種利益“拉鋸”進一步增加了光伏電站規(guī)劃的難度。高比例可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)度、穩(wěn)控也存在類似的沖突問題，比如安全、經(jīng)濟、環(huán)保等目標(biāo)之間的沖突，以及源、網(wǎng)、荷、儲等主體利益之間的沖突。這些問題與可再生能源的強隨機性及不可控性問題交織，使可再生能源的協(xié)調(diào)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。

針對可再生能源協(xié)調(diào)發(fā)展的重大科學(xué)問題，梅生偉依托教育部創(chuàng)新團隊和國家自然科學(xué)基金委員會創(chuàng)新研究群體項目開展研究，系統(tǒng)創(chuàng)立了新能源電力系統(tǒng)工程博弈論，提出了非合作/合作/演化3大工程博弈建模原理與均衡分析方法，構(gòu)建了高比例可再生能源省域電力系統(tǒng)高效綠色供電整體解決方案。主要包括：

1)創(chuàng)新性地將可再生能源規(guī)劃、調(diào)度與控制問題構(gòu)建為協(xié)商博弈、主從博弈和演化博弈模型，通過各方的博弈均衡，系統(tǒng)解決了可再生能源發(fā)展過程中場站、負荷、電網(wǎng)、政府等不同主體之間的利益沖突問題；

2)從2人零和多階段動態(tài)博弈的視角考慮可再生能源的強隨機性對電力系統(tǒng)調(diào)度與控制問題的影響，通過電力調(diào)控中心與大自然的多時間尺度虛擬博弈，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)可再生能源的最大化消納；

3)研發(fā)了基于工程博弈論的可再生能源發(fā)電規(guī)劃、調(diào)度與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了工程博弈論從理論研究到實際工程應(yīng)用的重大跨越。

上述研究成果已成功應(yīng)用于青海電力調(diào)控中心及風(fēng)光場站，成為省域清潔能源系統(tǒng)典范，并為建設(shè)青海“清潔能源示范省”乃至推動全國可再生能源的發(fā)展做出了重大貢獻；在青海新能源裝機容量占比高達54%的情況下(全國居首)，實現(xiàn)了青海風(fēng)光可再生能源消納率超過96%、光伏發(fā)電利用小時數(shù)高出全國平均水平31%。成果應(yīng)用產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益達4.21億元，減少CO2排放178萬t，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生間接效益10.8億元。研究成果還全面支撐了青海電網(wǎng)不間斷輸出全清潔能源電力168 h(綠電7日)、216 h(綠電9日)、360 h(綠電15日)的實踐，3次刷新了省域電網(wǎng)全清潔能源供電的世界紀(jì)錄，在國內(nèi)外社會各界引起了強烈反響，李克強總理批示指出“這項工作具有開創(chuàng)性”。憑借在省域可再生能源電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制方面的重大研究成果，梅生偉獲得了2018年青海省科技進步一等獎、2019年中國可再生能源學(xué)會科學(xué)技術(shù)人物獎和2020年中國可再生能源學(xué)會科學(xué)技術(shù)進步一等獎。

突破儲能技術(shù)瓶頸，彌補可再生能源的先天缺陷

儲能是高比例可再生能源電力系統(tǒng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)，可彌補風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電隨機性強與可調(diào)度性低的先天缺陷，顯著提高可再生能源的消納水平，推動實現(xiàn)主力能源由化石能源向可再生能源的更替。

儲能的方式較多，常見的包括抽水蓄能、電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能等。這些儲能方式各有特點，需要根據(jù)其技術(shù)經(jīng)濟特性，因地制宜加以利用。

從電力系統(tǒng)的應(yīng)用情況看，抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲能方式，在削峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻、調(diào)相等方面發(fā)揮了重要作用。但是抽水蓄能易受水源、地形地質(zhì)等條件制約，難以在西北地區(qū)得到應(yīng)用。電化學(xué)儲能是除抽水蓄能外裝機容量最大、發(fā)展速度最快的儲能形式，此類儲能占地少、選址布局靈活、調(diào)節(jié)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高，但也存在循環(huán)壽命短、后期回收難、運行過程不安全等隱患。雖然江蘇、河南等地的鋰電池儲能裝機容量都已達到萬kW甚至10萬kW的規(guī)模，但其安全問題不容忽視。對于青海這種氣候環(huán)境較為嚴(yán)酷的省份，晝夜溫差大、冬季極寒、風(fēng)沙大，電化學(xué)儲能在運行過程中將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

壓縮空氣儲能是一種重要的物理儲能形式。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能一般利用天然氣等燃料進行補燃，但這一方面增加了天然氣的使用量，另一方面也存在一定程度的環(huán)境污染。為了解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的補燃問題并提升能量轉(zhuǎn)換效率，梅生偉團隊創(chuàng)造性地提出了基于壓縮熱回收的非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，分析并揭示了壓力勢能和壓縮熱能的“解耦存儲”及“耦合釋能”機理，攻克了壓縮、蓄熱/換熱、儲氣、膨脹發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。基于上述研究成果，梅生偉主持建成了安徽蕪湖500 kW非補燃壓縮空氣儲能工業(yè)試驗電站(世界上首座實現(xiàn)并網(wǎng)運行的非補燃壓縮空氣儲能電站)和青海西寧100 kW復(fù)合式壓縮空氣儲能工業(yè)試驗電站(世界上首座實現(xiàn)發(fā)電的太陽能熱復(fù)合式壓縮空氣儲能電站)，循環(huán)效率國際領(lǐng)先。此外，梅生偉還擔(dān)任國家能源局壓縮空氣儲能國家示范項目“江蘇金壇60 MW/300 MWh鹽穴壓縮空氣儲能電站”的首席科學(xué)家，利用中鹽金壇公司地下鹽穴(埋深800 m，容積22萬m3)作為高壓儲氣室，實現(xiàn)電能的大規(guī)模存儲和高效轉(zhuǎn)換，此項目預(yù)計將于2020年底建成，30年壽命期內(nèi)的度電成本僅為0.22元/kWh，技術(shù)經(jīng)濟性突出。憑借在非補燃壓縮空氣儲能領(lǐng)域的開創(chuàng)性成果，梅生偉榮獲了2019年安徽省科技進步一等獎。

可再生能源制氫的儲能形式目前也廣受關(guān)注。利用富余光伏發(fā)電制氫，一方面可使單純的光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)楣夥?儲能電站，緩解光伏發(fā)電功率不穩(wěn)定對電網(wǎng)的沖擊；另一方面可以利用氫燃料電池在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量進行供熱，形成熱電一體化電站，這在工業(yè)用熱或居民供暖需求較大的地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。為了突破可再生能源制氫的關(guān)鍵技術(shù)，梅生偉團隊承接了青海省科技廳光伏制氫成果轉(zhuǎn)化重點項目，在青海大學(xué)校園建成了光伏制氫示范系統(tǒng)，可利用4.3 kWh的光伏電力制成1 m3的氫氣，制氫效率處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。此外，梅生偉團隊還與魯能新能源(集團)有限公司青海分公司等可再生能源發(fā)電企業(yè)緊密合作，計劃在格爾木建設(shè)大容量氫儲能系統(tǒng)，利用富余的可再生能源發(fā)電制備氫氣，再通過西氣東送天然氣管道摻氫等方式加以規(guī)模化利用。

攻克大電網(wǎng)連鎖故障難題，保障可再生能源安全輸送

隨著西電東送工程的穩(wěn)步推進，我國已建成世界上電壓等級和直流輸電比例最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的交直流輸電系統(tǒng)，承擔(dān)著大規(guī)模可再生能源遠距離跨區(qū)傳輸和消納的重要使命。由于可再生能源的隨機性強，電力故障行為及其發(fā)展過程復(fù)雜多變，再考慮到自然災(zāi)害頻發(fā)等因素，大電網(wǎng)連鎖故障風(fēng)險加劇，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)防御體系面臨嚴(yán)峻考驗。

為解決大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)可能引發(fā)大面積連鎖故障的難題，支撐國家西電東送戰(zhàn)略，梅生偉開創(chuàng)性地將復(fù)雜系統(tǒng)自組織臨界理論應(yīng)用于大規(guī)模可再生能源交直流輸電系統(tǒng)，在連鎖故障的誘發(fā)與傳播機理、建模與仿真方法、主動預(yù)防與連鎖故障在線阻斷等方面取得了重大突破。梅生偉根據(jù)能源轉(zhuǎn)型背景下電力系統(tǒng)的基本特性、仿真分析方法及調(diào)控模式的根本性變化，將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的3道防線發(fā)展為面向大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的“緊急控制-主動解列-自適應(yīng)減載”3道防線，實現(xiàn)了故障狀態(tài)下可再生能源交直流輸電系統(tǒng)“全局協(xié)防-化整為零-分體存活”意義下的主動阻斷。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上，梅生偉率領(lǐng)團隊進一步研發(fā)了可再生能源交直流輸電系統(tǒng)連鎖故障預(yù)演、風(fēng)險評估、安全預(yù)警與在線主動阻斷一體化平臺，實現(xiàn)了上萬節(jié)點系統(tǒng)的連鎖故障可信風(fēng)險源與路徑集的高效模擬，準(zhǔn)確率和計算速度全面超越美國橡樹嶺國家實驗室的OPA平臺，連鎖故障阻斷率達到了98.3%。此成果應(yīng)用于我國西電東送6大主要輸電通道，在保障西電東送安全、減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象等方面發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約10億元。相關(guān)成果獲得了2015年教育部高等學(xué)校自然科學(xué)一等獎和2018年國家科技進步二等獎。

投身西部教育，破解可再能源人才匱乏的困局

我國西部地區(qū)具有得天獨厚的可再生能源資源條件，西部地區(qū)可再生能源的開發(fā)利用，既是振興西部經(jīng)濟、實現(xiàn)西部大開發(fā)的關(guān)鍵措施，也是推進能源革命、實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要舉措。然而，西部地區(qū)教育資源匱乏，人才儲備不足，這從根本上限制了西部地區(qū)可再生能源事業(yè)的長遠發(fā)展。

為了破解西部地區(qū)可再能源人才匱乏的困局，2013年，梅生偉受清華大學(xué)選派，加入到“清華大學(xué)對口支援青海大學(xué)”的行列中。相較于一般援青干部的3年期限，他已“超長期服役”，在青海這片祖國西部的熱土默默耕耘了8年。由于同時肩負清華大學(xué)的科研教學(xué)工作，梅生偉每年都要在北京與青海之間進行40余次單程逾1600 km的往返飛行，但艱苦的自然條件和年復(fù)一年的奔波之苦擋不住他服務(wù)西部地區(qū)的熱情。梅生偉用實際行動，堅守著踏上青海土地之初許下的“不把青海大學(xué)的可再生能源學(xué)科建設(shè)好就不回清華”的承諾。

目前，梅生偉擔(dān)任青海省清潔能源高效利用重點實驗室主任、青海大學(xué)新能源學(xué)院院長、青海大學(xué)副校長等多個職務(wù)。在這期間，梅生偉從零開始，在青海大學(xué)可再生能源基地建設(shè)、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)、國際項目合作等方面取得了重大突破。主要包括：1)吸收了國內(nèi)外最先進的太陽能前沿技術(shù)，在青海大學(xué)建成了國內(nèi)高校中面積最大、設(shè)備最完善、功能最完備、技術(shù)最先進的太陽能綜合利用示范工程基地，在教學(xué)、科研和科普中發(fā)揮了重要作用，并承擔(dān)了青海大學(xué)的部分供電任務(wù)。自2016年以來，先后有3位黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人、59位省部級領(lǐng)導(dǎo)、61位院士和400余名專家學(xué)者到基地參觀指導(dǎo)；此外，該基地作為青海省首批科研、科普基地，接待了約6000名大、中學(xué)生，科技愛好者和社會人員。2)創(chuàng)建了青海大學(xué)新能源學(xué)院，目前招生超過300人，實現(xiàn)了青海可再生能源人才的“自我造血”。3)組建了一支覆蓋電氣、機械、計算機、熱工等6個一級學(xué)科的交叉型可再生能源創(chuàng)新團隊，并為青海大學(xué)培養(yǎng)了教育部青年長江學(xué)者1名、“青海千人計劃”入選者5名。4)主持完成了“退役飛機碳纖維材料回收”太陽能光熱項目，為青海大學(xué)帶來了第1個國際合作項目，并與波音公司反復(fù)協(xié)商，計劃將退役飛機的回收基地建在青海。

在梅生偉身上不僅體現(xiàn)了一個共產(chǎn)黨員無怨無悔、長期支援西部建設(shè)的奉獻精神，還彰顯了一個科學(xué)家孜孜以求、攀登科研高峰的創(chuàng)新精神，以及一個教育家為國家，尤其是西部地區(qū)培養(yǎng)行業(yè)緊缺人才的家國情懷。《人民日報》先后6次在“十九大特刊”和“愛國情 奮斗者”等欄目對梅生偉的先進事跡進行了專題報道；清華大學(xué)也以《在西部，堅守清華人的使命與責(zé)任》等為主題多次宣傳了他的愛國奮斗情懷(為此他2次榮獲清華大學(xué)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員稱號)，受到了社會各界人士的廣泛關(guān)注。2019年，梅生偉被評為青海省最美科技工作者，同時入選中宣部最美科技工作者100名宣傳人物，成為“到祖國最需要的地方建功立業(yè)”的杰出代表。

能源革命與能源轉(zhuǎn)型之路任重道遠。在祖國的大西部，在我國實施可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵節(jié)點，梅生偉將無問西東，一往無前，發(fā)出更加絢爛多彩的光和熱。