扎根工程实践 护航大电网安全——记中国电科院院士孙华东

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2月25~26日,由工业和信息化部组织的国家重点研发计划项目2022年度总结会召开。会上,孙华东作为国家重点研发计划项目负责人汇报了年度创新工作。

孙华东长期从事大电网安全稳定分析与控制研究,承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金等一系列重大科技项目和重点工程任务,带领团队攻克了跨区交直流协同控制等关键技术难题。今年,他当选中国电科院院士。

孙华东主导研究的成果广泛应用于我国电网规划和调度运行领域,为保障我国电网安全运行发挥了重要作用,先后获得国家科技进步奖一等奖1项、省部级一等奖7项。

2002年,孙华东来到中国电力科学研究院攻读博士,师从中国科学院院士周孝信。“在周老师的指导下,我选定了大电网安全稳定作为研究方向。”孙华东说。

博士毕业后,孙华东选择留在中国电力科学研究院有限公司从事电力系统安全稳定分析与控制方面的研究。“科技工作者要不断到现场学习、实验,才能知道电网最迫切的需求是什么,才能明确探索的方向,掌握最前沿的技术。”从技术员到国家电网有限公司首席专家,再到中国电科院院士,孙华东坚持扎根工程一线,解决影响大电网安全稳定运行的技术难题。

2010年以来,我国电网进入特高压交直流混联电网的快速发展期,电网跨区互济能力不断增强。但随着跨区输电功率不断提高,电网运行的安全风险也在增加。

针对特高压交直流混联电网发展过程中的安全稳定分析与控制防御问题,孙华东和团队查阅相关资料,仔细研究各种理论方法,提出了跨区交直流功率波动建模及计算方法,突破了输电限额与功率冲击耦合的限制,提升了交直流混联电网的安全稳定运行裕度。他和团队成员研发了世界上规模最大、协调控制能力最强的跨区交直流协调控制系统,攻克了考虑多级断面约束的大电网安全稳定协调控制技术,建成了可控制9回直流的跨区交直流协调控制系统示范工程,降低了大规模功率波动冲击引发关键断面崩溃的风险,提升了交直流断面输电能力和电网安全水平。

目前,我国已建成以特高压为主的交直流混联大电网,千万千瓦级新能源基地数量也不断增加,电网中新能源装机占比持续提高,电网结构更加复杂,电力电子设备大量接入电力系统,电网安全运行面临新的挑战。

针对高比例电力电子大电网支撑强度量化评估和提升难题,孙华东带领团队开展攻关,提出了电源侧、负荷侧新能源集群等值建模方法,为系统稳定特性认知打下基础;提出了大电网电压支撑强度量化评估方法,依托具有自主知识产权的仿真平台研发了新能源接入规模量化评估软件;提出了大电网频率支撑强度量化评估方法,实现惯量约束下的频率稳定在线分析。

“重大工程的技术攻关成果不是一个人和一个团队的功劳,作为广大电力工作者中的一员,参与其中我深感荣幸。”孙华东说,“我深信任何事情想要干好,都得有一份热爱,搞科研更是如此。”

2020年12月30日,世界上首个专为消纳清洁能源而建设的特高压直流工程800千伏青海河南特高压直流输电工程竣工投运。同年,世界首个柔性直流电网工程张北柔性直流电网示范工程四端带电组网,张北地区的新能源电力成功送入北京电网。

在青豫特高压直流工程、张北柔直工程建设中,孙华东带领团队针对大规模新能源弱支撑电源基地直流外送的安全稳定性分析与控制展开研究,搭建了国内规模最大的新能源并入特高压直流全电磁仿真模型,完成了直流特性分析,掌握了新能源经特高压直流送出的技术特点,攻克了大规模新能源弱支撑电源基地直流外送的安全稳定性特性和稳定控制技术,扩大了新能源并网规模,提升了直流工程输电能力。

肩负着实现技术突破的责任,团队每位成员都全力以赴。“我们摸着石头过河,经常因为技术分歧讨论到深夜。”孙华东说。

在构建新型电力系统的背景下,孙华东认为,要在更大的时间尺度和空间范围内重新构建源、荷、储三者参与的非完全实时电力电量平衡模式,确保电力可靠供应和高比例新能源发电消纳是必须解决的核心问题之一。为此,他先后牵头主持了“高比例电力电子型电源接入对电力系统稳定性影响机理及控制措施研究”“超高占比新能源电网发电控制系统与运行控制策略研究”等重大科技项目,专注于新型电力系统仿真建模、分析方法和控制技术领域的研究。

目前,孙华东带领团队初步建立了适用于分析新型电力系统安全稳定性的电力电子设备集群动态等值模型,揭示了新能源与直流接入受限的稳定限制原因,提出稳定性判别、量化评估及优化控制技术,开发出大电网惯量在线监控预警系统和新能源接入规模量化评估软件,还开展了碳中和目标下能源格局和电网发展方式等研究,服务公司制订碳达峰碳中和行动方案、构建新型电力系统行动方案等,为电网安全运行和能源转型发展提供了技术支撑。

“新型电力系统与传统电力系统在电源结构和电网形态方面存在巨大差异。我们将根据电网安全稳定特性的不断演化,提升基础理论方法和技术的工程实用性和准确性,为保障大电网安全稳定高效运行作出新的贡献。”孙华东说。

随着电网不断发展,电力系统“双高”“双峰”特征凸显,电网安全稳定标准体系研究与制定工作愈加重要。

“电网安全稳定计算分析是研判电网安全稳定特性和制定风险防御措施的重要技术手段,而计算原则规范和指标要求是相关工作的指引和遵循。”孙华东介绍,从2018年起,针对大容量特高压直流和大规模新能源集中接入带来的问题,他牵头开展专项技术攻关,还同时开展国家标准研究工作。

在电网运行方式仿真计算中,电力电子设备模型的详细程度、仿真软件的时间尺度等都会影响分析结果。孙华东和团队成员细致剖析了新能源发电、直流输电等设备不同模型的动态响应区别,研究了针对功角稳定、电压稳定、频率稳定等多个方面的仿真技术手段和判定原则,在原有行业标准基础上发展完善了仿真计算的标准化要求。为提升新能源大规模外送地区电压稳定性,经过长时间仿真计算积累和理论解析研究,团队首次提出可综合反映新能源稳定运行水平及系统强度的新能源多场站短路比的定义和指标体系,对于我国新能源电力安全高效利用具有重要意义。2021年10月,由孙华东带领团队研究制定的GB/T 40581-2021《电力系统安全稳定计算规范》正式发布。

特高压技术已成为我国走向世界的一张亮丽名片。2019年,孙华东牵头制定了我国首个特高压交流输变电领域系统级的IEC标准TS 63042-101:2019《特高压交流输电系统 电压调节与绝缘设计》。在该标准制定过程中,孙华东带领团队梳理总结了国家标准中的相关内容,并融合了日本、印度、德国等国家的共性要求,保证标准的适用性。该标准的发布为世界各国开展特高压交流输电系统规划运行提供了技术指导。

多年来,孙华东与团队参与制定或修订16项国家标准、2项国际标准,推动了我国大电网安全稳定标准体系的发展与完善。目。


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