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穆钢:牧风者
——记2017年度国家科技进步奖二等奖获得者、东北电力大学教授穆钢

作者:本刊记者 蔡巧玉  来源:科学中国人  发布时间:2018-04-18

导读:  从1978年踏入校园的那一天起,至今已整整40年过去,东北电力大学和穆钢在时代的发展中互相见证了彼此的成长。一次次拒绝中心城市工作机会的邀约,对于穆钢而言,尽管地处边陲,但东北电力大学就是他工作、生活、教学、研究和团队的根系所在。

——记2017年度国家科技进步奖二等奖获得者、东北电力大学教授穆钢


  本刊记者  蔡巧玉

 

  
  太阳辐射使地表受热不均引起空气流动的动能称为风能,是一种重要的可再生能源。风能储量巨大,理论上仅1%的风能就能满足人类全部能源需求。
  人类利用风能已有数千年的历史。我国是最旱使用帆船和风车的国家之一,至少在3000年前的商代就出现了帆船。14世纪初叶郑和七下西洋,庞大的风帆船队展示了风能的威力。明代以后,风车在提水灌溉、排水造田、磨面舂米等方面获得广泛应用。中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法,一直延续到20世纪50年代,仅在江苏沿海利用风力提水的设备曾达20万台。在第一次工业革命之前,风力机械是动力机械的一大支柱。
  展望世界,在几千年前埃及的风帆船就在尼罗河上航行。16世纪,荷兰人利用风车排水、与海争地,在低洼的海滩地上建国立业,成就了一个经济发达的国家。
  1891年,丹麦建成了世界第一座风力发电站,开启了风能利用的新篇章。20世纪30年代初,丹麦、瑞典等国等利用航空工业的旋翼技术,研制出一些小型风力发电装置,发电功率较小,大都在5千瓦以下。20世纪70年代以后,随着技术进步,风力发电进入了一个蓬勃发展的阶段。如今,风力发电是风能利用的最重要形式。
  我国规模化风力发电起于20世纪80年代,经过近年来的快速发展,我国风电装机容量已连续6年居世界首位,2017年末联网的风电装机容量1.64亿千瓦(占9.2%),风电发电量3057亿千瓦时(占4.8%),是规模最大的非水电可再生能源,成为能源结构调整的一支重要力量。
  为了推动风电的快速发展,改变高排放的能源结构,我国在本世纪初规划了8个千万千瓦级风电基地,形成了我国特有的“规模化开发、集中外送”风电开发模式。大规模风电快速发展也带来源网协调的难题,是导致颇受诟病的“弃风问题”的原因之一。
  东北电力大学教授穆钢长期从事电力系统理论与工程应用的研究,在电力系统安全稳定评价方面,开展了电力系统暂态稳定、动态稳定以及电力系统稳态分析等多方面的研究,提出了具有原创性的定量评价方法。在本世纪初,他率领研究团队及时调整研究方向,关注并研究大规模风电基地联网带来的系列难题,经过十余年的努力,在大风电场群高渗透率联网的规划与运行方面研发了多项关键技术;研究成果应用于我国东北、西北主要风电基地和多个电网调度中心,取得显著的经济效益,为推动我国能源低碳发展和电力系统安全运行做出了重要贡献。
  2018年1月8日,由穆钢带领科研团队完成的“大规模风电联网高效规划与脱网防御关键技术及应用”项目荣获2017年度国家科技进步奖二等奖,这是他继2008年后又一次获得的国家科学技术奖励。该项目紧密结合国家能源战略重大需求,历时11年,通过产学研用协同攻关,自主创新,攻克了风电联网高效输电规划方法、扩展调节能力的储能优化规划方法、机群大面积脱网防御等关键技术,破解了大规模风电联网规划与安全防御技术难题,项目成果应用于大型风电基地联网工程,经济效益和社会效益显著,在推动风电联网技术进步,促进我国风电健康发展、推动能源转型和应对气候变化方面发挥了重要作用。
  

破解大风电场群联网的难题


  1986年,我国第一座风电场——马兰风电场在山东荣成并网发电,安装了3台20世纪80年代技术最为成熟的丹麦维斯塔斯公司的V15-55/11kW型风电机组,成为我国风电史上的里程碑,揭开了中国以发电的方式大规模利用风能的序幕。
  世纪之交,随着环境和能源问题的日益凸显,可再生能源的开发,尤其是风力发电技术越来越被世界各国政府所重视。1996年,我国政府就制订了《乘风计划》,旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率。大力发展风电已成为实现我国能源低碳供给的重要举措,同时也是治理雾霾和应对气候变化的国家重大需求。我国风电装机连续6年居世界首位,到目前为止,已规划8个千万千瓦级风电基地建设已取得重大突破,已建成多个超千万甚至超2000万千瓦的大型风电基地,形成了特有的“规模化开发、集中外送”风电发展模式。
  前所未有的风电规模和前所未有的开发模式也面临新的挑战。风电在部分地区的集中高速发展带来电网建设和运行的新问题,导致严重的弃风,一些大型风电基地弃风达30%以上。2016年,全国弃风电量497亿千瓦时,超过风电发电总量的20%。大量严重弃风阻碍了风电的健康发展,引发政府和社会的广泛关注。多措并举破解风电联网难题,对推进能源低碳化、治理环境污染具有重要意义。
  在穆钢看来,大风电场群多时空尺度功率波动的复杂性及其给电网规划和运行带来的不利影响是挑战的核心,需从规划、调度和安全分析等层面入手解决大风电场群高渗透率联网的突出问题。为此,从2006年起,他就带领团队潜心探索,不断创新,依托国家自然科学基金重点项目、国家“863”计划项目和国家电网公司科技项目,从大规模风电外送输电规划、电网调节能力扩展和机群脱网防御三方面开展系统研究,取得了多项创新成果和关键技术突破。
  大规模风电与传统大电源基地一样依赖输电通道联网,外送通道输电能力不足是导致大量弃风的主要原因之一。因为风电功率自身具有波动性和低密度特性,沿用传统电源基地外送输电规划方法将造成输电投资的巨大浪费,而降低输电容量又面临着弃风的风险。急需研究一种适用于大规模风电基地外送通道的输电规划方法。
  为此,穆钢研究揭示了风电场群长期功率波动的“汇聚效应”及其时空演变规律,建立了定量描述和预测方法;创建了基于风电汇聚效应优化源网综合收益的大风电场群联网输电规划新方法,开发了风电联网输电规划平台。新规划方法在满足风电送出的条件下,比传统规划方法显著降低输电投资,提高输电资产的收益和利用率。应用于我国主要风电基地的吉林、宁夏大风电场群联网规划,节省超高压输电线路938千米,降低输电投资54亿元,输电资产全周期收益由45.2亿元提高到98.9亿元(增119%),输电资产利用率提高44%。该成果获吉林省科技进步奖一等奖。
  与此同时,他还创建了储能规划关键技术,揭示了弃风与电网调节能力不足的定量关系,构建了旨在降低弃风的一体化调节能力扩展规划方法。他首次提出了风电运行可行域识别及风电超限事件定量表征方法,创建了以减少弃风损失为目标的一体化储能扩展规划方法,通过储能的整体规划实现了对弃风损失的最大缩减;提出储能系统尽限利用策略,显著提升储能的利用效能/储能规划系统应用于辽宁电网,规划建设的4座储能电站已投入运行,实现了储能总量扩展和空间布局的优化,近3年减少弃风9.7亿千瓦时,减少弃风损失63%。
  不仅如此,针对风电机群大面积脱网问题,穆钢带领团队通过不懈探索也取得了巨大突破。近年来,我国双馈风电机群大面积脱网事件时有发生,不仅导致风电中断,还给电力系统带来冲击。以往国内外研究主要聚焦在电网低/高电压扰动引发的机群大面积脱网(同时脱网),提出了基于低电压穿越改造的脱网防御措施,取得了一定成效。但电网低/高电压扰动掩盖了机组发电功率对机群脱网的影响,使得机组经低电压穿越改造后仍有一些全场脱网事件发生,已有的分析方法无法解释,该如何解决?
  在大量的分类论证过后,穆钢带领团队首次揭示了近满载工况下风电机群非低电压连锁脱网机理,创建了时序离散化的连锁脱网过程反演方法,填补了风电机群脱网机理与计算方法的空白;提出了风电机群脱网分类方法,丰富了脱网分析理论体系;构建了连锁脱网防范策略,研发了多级无功电压协调控制系统,解决了风电机群大面积脱网防御的难题,成果应用于72个风电场,杜绝了脱网事故及其停电损失,降低了电力系统的运行风险。
  “大规模风电联网高效规划与脱网防御关键技术及应用”项目成果有力推动了风电联网领域的科学技术进步,经中国电机学会鉴定:整体成果达到国际领先水平。
  

为电力系统安全运行保驾护航


  一百多年前,德国人西门子制成了世界上第一个发电机,之后,电灯、电车、电话等一系列电器产品相继问世,第二次工业革命开始蓬勃兴起,人类进入了“电气时代”。第二次工业革命的兴盛极大地推动了社会生产力的发展,对人类社会的经济、政治、文化、军事、科技和生产力均产生了深远的影响。到今天为止,人类早已离不开电器产品的供应,电力工业也成为了国民经济发展最重要的基础行业。然而,也正因如此,电力系统一旦发生故障,造成的后果可能超出人们想象。
  2003年8月14日,北美发生了历史上最严重的停电事故,停电时间超过30小时,波及美国8州和加拿大,受灾人数5000万,每天造成的经济损失多达300亿美元;2012年7月30日,印度北方邦境内的一座超高压变电站出现问题,最终导致北部电网崩溃,全国近一半地区的供电出现中断,影响约6亿人口用电
  与人类生产生活息息相关的电力工业,名副其实“牵一发而动全身”。从踏入这一行业开始,30多年来,穆钢一直密切关注着这一关键课题,尤其注重将自己的研究成果与电力生产实践结合起来,以期确保电力系统的安全运行,为国民经济健康发展做出保障。
  在暂态稳定分析方法方面,传统的暂态稳定分析主要依赖于数值仿真,虽能获得系统的受扰轨迹,但不能定量评价稳定裕度,会导致保守的运行方式安排;直接法虽可评价稳定裕度,但依赖于临界能量,临界能量的计算依赖于模型、算法复杂,有保守性。为此,在深入研究了大扰动激励下电力系统动态轨迹的动力学特征后,穆钢创建了不依赖于临界能量、只根据轨迹定量评价暂态稳定性的轨迹分析法,所建立的稳定指标优于美国电力系统著名专家Fouad提出的指标。根据轨迹分析法开发的应用系统PSSA2.0,应用于东北电网等4个区域/省级电网调度中心,实现了准确快速的稳定校核,减少了运行方式安排的保守性,年经济效益9957万元,研究成果“大规模电力系统暂态稳定定量评价理论与应用”也获得了2008年度国家科技进步奖二等奖。
  并且,穆钢还提出了基于PMU的潮流方程直接(非迭代)求解算法和相应的PMU最优配置算法,实现了非线性代数方程组的非迭代求解;建立了PMU量测改善SCADA状态估计精度的评估模型,为构成高精度的WAMS(PMU)和SCADA混合量测系统提供理论依据。电力系统潮流直接求解算法的应用,避免了迭代运算,计算速度提高20倍以上,为在线安全评估争取了宝贵的时间。研究成果应用于东北电网公司在线安全评估系统,提高了在线安全分析的效率,成果“运用同步相量测量技术构建电力系统在线安全评估系统的研究”获2008年吉林省科技进步奖二等奖。
  还有电力负荷预报方法。传统的电力负荷预报研究主要聚焦于预报方法,事实上,负荷的规律性对预报准确度有支配性影响。穆钢首先提出并研究了这一课题,建立了基于最小建模误差统计特性的负荷规律性评价方法。负荷规律性的研究为确定具体负荷可及的最高预报精度和评价改进预报精度的潜力提供了清晰的理论指导。据此研发的预报系统应用于东北电网等大区、省、市电网,长期运行的负荷预报准确率处于国内先进水平。研究成果“吉林地区电力负荷预报规律性及气象因素影响分析”获得了2003年吉林省科技进步奖二等奖。
  潜心钻研、不断创新的科研特质在穆钢身上展现得淋漓尽致。这些年来,他几乎从未有过一刻停止向前的状态。时代在发展,他研究的电力分析方法也在随之不断更新变化,每一个阶段都凝聚着他智慧的结晶。
  早在20世纪90年代开始,穆钢就关注到了网损(研究电能输送过程中以热能形式散发的功率损失)问题,为此,他提出了新的输电系统网损分析的概率评估法,构建了基于运行数据的网损功率概率密度模型,清晰刻画了网损的长期变化规律。他和团队开发的“电力系统一次网损分析计算系统”实现了区域电网的网损计算、跨省转运电力交易附加网损计算、降损决策及效益评估等功能,在东北电网、黑龙江电网、吉林电网应用,年效益970万元。
  于穆钢而言,科研就是一个不断攀登的过程,而他的目标只有一个——让电力更好、更安全地运行。
  

搭建电力人才森林


  正所谓:“独行快,众行远。”穆钢深知,对于涵盖范围甚广的电力系统研究而言,单靠一个人的力量是绝对不可行的。因此,在30多年工作生涯中,穆钢所做的不仅是贡献于自己的终身事业,同时还致力于培养更多青年人才,努力建设人才梯队。
  自1984年留校任教后,穆钢就一直扎根东北电力大学,30余年不动摇。在这里,他潜心于教学、科研一线,不仅自身在科研领域取得多项创新性成果,独树一帜,在教师的岗位同样兢兢业业,“遍地开花”。
  这些年来,尽管身兼数职,穆钢仍然坚持为本科生、研究生上课,先后为他们开出了多门主干课程,主持的《电力系统分析》是国家级精品课和国家级精品资源共享课,作为负责人的教学团队被评为国家级教学团队,并已指导培养毕业博士13名、硕士105名。
  “师者,所以传道授业解惑也。”在穆钢看来,大学四年老师同样肩负重担:要赋予学生能干事的基础——实践能力;敢干事的胆识——创新意识;干成事的意志和本领——创业精神。“要努力使我们的学生成为懂工程、精技术、善管理的一线人才。”穆钢曾这样说道。为此,他一直注重科研与教学结合培养工程人才。由他主持完成的“突出‘一实两创’特色的高素质应用型人才培养模式的研究与实践”荣获2005年第五届全国高等教育国家级教学成果奖二等奖,“面向工程强化实践的《电力系统分析》课程改革与实践”也获得了2009年第六届全国高等教育国家级教学成果奖二等奖。
  学生们都说,“穆钢教授的课,有吸引力”。为了这一节课几十分钟的“吸引力”,穆钢背后所付出的心血实在鲜为人知。在教学过程中,他始终坚持锐意求新,既注重专业基础理论、技能和方法的讲授,又结合本学科发展前沿,不断注入新的理念。
  早在20世纪90年代刚工作不久,他就清醒地意识到,培养创造性人才是高等学校人才培养目标的一个根本定位。为此,从1996年担任东北电力学院副院长伊始,他就力排众议,积极倡导并参与教学改革的研究与实践。由他组织创办的“因材施教”教改实验班自1997年招生以来一直延续至今,培养出了一批综合素质高的毕业生,产生了良好的社会效果。他主持研究的原国家教委面向21世纪教学改革项目——“一般工科院校人才培养模式整体改革的研究与实践”,在适应新形势要求的人才培养模式的改革与实践方面进行了深入的研究和成功的探索,荣获2000年吉林省优秀教学成果奖一等奖。
  希望和未来永远在年轻人手中。在穆钢的团队,每周六上午的课题组集体研讨已经成了多年的惯例。在这里,老师和研究生一起集思广益,归纳梳理,查遗补缺,研究解决科研中的问题,确定下一段的工作任务。通过不断地交流与讨论,学生与青年教师迅速成长起来。
  “在现代社会中,经济的竞争,就是科技的竞争,而科技的竞争,就是人才的竞争,这一切归根结底取决于教育的竞争。”穆钢这样说道。在他看来,高等学校必须在促进教育与科技创新、经济建设、文化繁荣和社会进步的紧密结合方面做出自己的贡献。从这个意义上讲,任重而道远。
  

丹心写春秋


  考入东北电力学院(今东北电力大学)前,穆钢也曾作为知识青年在农村生活工作了3年。1977年,国家决定恢复完全基于考试的高等学校招生制度,穆钢在农村参加了高考,被录取成为东北电力学院的文革后的首批本科生。那段特殊的经历让他万分珍惜得来不易的学习机会,77级大学生在校期间近乎痴狂地学习也成为一段佳话。
  电力工业攸关国计民生,从进入大学的那一刻起,穆钢就矢志为我国的电力科学奋斗一生。在东北电力学院接连读完本科、硕士并留校任教后,穆钢仍然时刻不忘钻研专业知识。初做教师的那段时间,通过参加学术会议,穆钢与清华大学电机系的老师们有了接触。作为我国电机工业的摇篮,清华大学电机系可以说是所有电机专业学子梦想的天堂。因此,在清华大学电机系老师热情地鼓励下,穆钢通过紧张的备考于1987年9月终于成功考入清华大学,师从我国电机界著名专家黄眉先生。清华大学自由民主的学术氛围无疑给他留下了深刻印象,导师的言传身教,学校氛围的耳濡目染,进一步激发了他做好科研的动力;一个个课题的深入研究,导师的点拨指引,不仅提高了他解决科学技术难题的能力,更重要的是使他学会了从纷繁复杂的工程场景中发现问题、提出问题。
  作为新中国第一所电力工科高校,东北电力学院着实经历了一段崎岖坎坷的历程:1949年,学院前身——长春电机高级职业学校成立;1955年,学校由长春迁至吉林;1958年9月升格为电力类大学,改名为吉林电力学院;1978年又更名为东北电力学院,隶属于国家电力公司。2000年1月,在高校管理体制调整后,学院实行中央与地方共建,以吉林省管理为主的管理模式。也正是在这一年,穆钢正式接任东北电力学院院长,满打满算也才不到43岁的年纪。怀着满腔的激情和热血,他开始带领这座与新中国同龄的电力高校共同迈步向前。任期内,穆钢积极主动地配合党委工作,抢抓机遇,乘势而上,集中精力解决了制约学校发展的关键性问题,尤其在规模扩展、教育教学改革、学科建设、师资队伍建设、人才培养特色等方面取得了长足发展,2005年学校成功更名为“东北电力大学”,实现了办学层次的新跨越。
  从隶属于东北电网到隶属于吉林省教育厅,从东北电力学院再到东北电力大学在院长/校长职位上任职11年的穆钢,随同这所古老又充满生命力的学院一起几经沉浮。就像曾经与他共事的人所言,“这其中经历了多少心酸,只有经历过的人才知道。学校师资队伍建设、科研成果的获得都依靠他。新校区的建成、体育场的落成、科研楼的竣工,这些都和他不无关系。11年,是人生不短的年华,但对东北电力大学的历史而言,只是短短的一瞬,是承前启后的一段记忆,穆钢教授为东北电力大学的发展做出了重要贡献”!
  从1978年踏入校园的那一天起,至今已整整40年过去,东北电力大学和穆钢在时代的发展中互相见证了彼此的成长。一次次拒绝中心城市工作机会的邀约,对于穆钢而言,尽管地处边陲,但东北电力大学就是他工作、生活、教学、研究和团队的根系所在。从教师、管理者再到教师,无论工作如何改变,教师的职责始终不变,研究的韧劲始终不变,创新的激情始终不变,科研报国的理想同样始终不变!
   
  
专家简介:
  
  穆钢,1957年3月生,东北电力大学教授,电力系统仿真控制与绿色电能新技术吉林省重点实验室主任,曾任东北电力大学校长。他长期从事电力系统暂态稳定分析和大规模风电联网的研究,研究成果应用于我国东北、西北主要风电基地和多个电网调度中心,取得显著的经济效益,为推动我国能源低碳发展和电力系统安全运行做出了重要贡献。作为项目负责人,先后主持过2项国家自然科学基金重点项目、主持国家“973”项目课题、“863”项目课题多项,获国家科技进步奖二等奖2项,省部级一等奖3项。获授权发明专利31件、软件著作权6项。发表论文188篇。先后获首批万人计划领军人才(2014)、全国杰出专业技术人才(2009)、国家有突出贡献的中青年专家(1996)、全国优秀科技工作者(2010)、国家教学名师(2009)、享受国务院特殊津贴专家(1995)和吉林省特等劳动模范(2009)等称号。

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