張承慧 為我國新能源系統(tǒng)控制拓荒引路

編者按：2023年9月9日，習近平總書記在致全國優(yōu)秀教師代表的信中指出：“教師群體中涌現(xiàn)出一批教育家和優(yōu)秀教師，他們具有心有大我、至誠報國的理想信念，言為士則、行為世范的道德情操，啟智潤心、因材施教的育人智慧，勤學篤行、求是創(chuàng)新的躬耕態(tài)度，樂教愛生、甘于奉獻的仁愛之心，胸懷天下、以文化人的弘道追求，展現(xiàn)了中國特有的教育家精神”，為新時代加強教師隊伍建設(shè)提供了根本遵循，賦予了新時代人民教師崇高使命。

為繼續(xù)深入學習貫徹教育家精神，在第40個教師節(jié)到來之際，本刊“大國良師”欄目特別推出“踐行教育家”專題，展現(xiàn)在強國建設(shè)、民族復(fù)興的新征程上，優(yōu)秀教師認真貫徹黨的教育方針，教書育人、培根鑄魂的生動事跡，大力弘揚教育家精神，引領(lǐng)廣大教育工作者牢記為黨育人、為國育才的初心使命，樹立“躬耕教壇、強國有我”的志向和抱負，自信自強、踔厲奮發(fā)，為強國建設(shè)、民族復(fù)興偉業(yè)作出新的更大貢獻。

今年6月24日上午，2023年度國家科學技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開。山東大學講席教授，控制科學與工程學院院長、新能源控制國家級工程研究中心主任張承慧主持完成的成果“大容量電池儲能系統(tǒng)數(shù)智化測試與控制關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”榮獲國家科學技術(shù)進步二等獎。

這是張承慧繼2016年度、2020年度以第一完成人榮獲國家科學技術(shù)進步獎之后，第三次獲此榮譽。

逾三十年深耕新能源控制領(lǐng)域，從基礎(chǔ)理論研究到關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，再到重大工程應(yīng)用，直至將人工智能與新能源融合并提出“元能源”概念，備受國內(nèi)外關(guān)注；從大漠深處初建的光伏電場到此后迅猛發(fā)展的風、光等新能源場景，張承慧作為我國新能源系統(tǒng)控制領(lǐng)域的帶頭人和開拓者、“新能源發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化控制”國家基金委創(chuàng)新研究群體負責人，直面新能源高可靠并網(wǎng)、高質(zhì)量供電、高效率利用重大挑戰(zhàn)，攻克一系列新能源系統(tǒng)控制基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)難題，親歷中國新能源系統(tǒng)控制體系理論與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的嶄新歷程。

堅守者

——“科研不是跟一時之風，而是耐得住寂寞、坐得住冷板凳”

張承慧與新能源的緣分，始于1988年。那時，他剛從山東工業(yè)大學控制科學與工程專業(yè)獲得碩士學位，新能源領(lǐng)域在中國還屬于新生事物，新能源系統(tǒng)控制更是鮮為人知。

“控制科學與工程是一個廣義概念，作為工科，要有被控對象、應(yīng)用場景才能實現(xiàn)學科價值。我的動手能力強，擅長學工科，我希望能夠?qū)W以致用，將所學專業(yè)知識用到生產(chǎn)實踐中；我也希望能夠?qū)W有所成、業(yè)有所獲，為國家建設(shè)作出貢獻，為改造世界作出貢獻?！睆埑谢壅f。

他關(guān)注到，能源是國家發(fā)展的核心物質(zhì)基礎(chǔ)，對一個國家的可持續(xù)發(fā)展、人民生活改善和社會長治久安至關(guān)重要。隨著全球氣候變化和環(huán)境惡化問題日益嚴重，對包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等非化石能源在內(nèi)的新能源開發(fā)利用必將是未來趨勢。中國是世界上最大的化石能源消費國之一，以風力、光伏為代表的新能源可再生、無污染，必將是國家的未來主導(dǎo)能源。

因此，1988年碩士研究生畢業(yè)留校任教后，在當時控制論領(lǐng)域諸多的熱門方向中，張承慧“棄熱選冷”選擇當時不被看好、以新能源控制研究為主的“電氣自動化”教研組，義無反顧地開拓了新能源系統(tǒng)控制研究領(lǐng)域，并將此作為終生追求?！拔艺J為，做好前瞻性研究和技術(shù)儲備，當國家和產(chǎn)業(yè)實踐需要時，我們的研究成果就‘管用’，是工科學者的人生價值和最大幸福?！?/p>

不同于傳統(tǒng)火電，新能源利用自然能量發(fā)電，天生具有強隨機性、波動性、間歇性，高效優(yōu)質(zhì)利用難度巨大。當新能源（經(jīng)變換后）大量接入電網(wǎng)后，容易引發(fā)電網(wǎng)電壓波動、畸變、電壓跌落等電能質(zhì)量問題，直接威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，因此早期新能源發(fā)電備受電力行業(yè)詬病，甚至被貶稱為“垃圾電”。要想讓“垃圾電”變成“優(yōu)質(zhì)電”，可靠并網(wǎng)、高效發(fā)電、優(yōu)質(zhì)供電三大公認難題亟待突破。

張承慧說，“很少有物理系統(tǒng)像新能源發(fā)電一樣，兼?zhèn)溥@些特征，不確定性如此之大?！毙履茉窗l(fā)電的不確定性與電網(wǎng)能量瞬時保持平衡的要求，是一對尖銳的矛盾。

“起步階段很艱難?！币肟刂坪眯履茉矗仨毾让感履茉吹摹捌狻?。從基礎(chǔ)理論入手，踏入這條鮮有人走的路。如何控制和優(yōu)化能量的波動、變換，保障其穩(wěn)定性，是一項異常艱巨的挑戰(zhàn)，其中最難啃的骨頭，就是新能源在電網(wǎng)故障時（極端工況下）要支撐電網(wǎng)，而不能“當逃兵”（脫網(wǎng)）。張承慧選擇的第一個突破點正是解決新能源高可靠并網(wǎng)的問題。

這種技術(shù)需要建立多維度瞬態(tài)模型，能納入更多隨機的、不確定的發(fā)電工況?！靶履茉窗l(fā)電的并網(wǎng)控制并不簡單，需要瞬間精準感知電網(wǎng)相位、頻率和幅值，要求新能源經(jīng)變換后的相位、頻率與之嚴格同步?！睆埑谢壅f。

我國風光新能源場站建設(shè)以集中式（大容量）為主。風能、太陽能資源主要集中在遠離負荷中心的地區(qū)，只有將新能源并入電網(wǎng)這一公共資源的配置平臺，才能傳得遠、用得廣，實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)和高效經(jīng)濟利用?！暗覈履茉窗l(fā)電的生產(chǎn)和使用是東西部地區(qū)錯位的，西部所生產(chǎn)的電能難以在本地區(qū)消納，因此風光新能源大多接入高壓輸電系統(tǒng)遠程輸送到東部高用電量地區(qū)?！币虼耍瑥埑谢坌枰黄频牡诙€點，就是研發(fā)高效功率變換單元。

“在能量通道上我們必須選擇合適的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，即電路中各個元器件之間的連接方式，以便能夠更好地實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制。只有高效功率變換單元的諧波小、成本低、效率高，才有市場競爭力?！痹诖嘶A(chǔ)上，張承慧帶領(lǐng)團隊還嘗試將魯棒控制理論應(yīng)用于此。魯棒性是指系統(tǒng)、模型或算法在面對輸入數(shù)據(jù)、環(huán)境或參數(shù)的攝動（擾動）時，仍能保持其性能的穩(wěn)定性和可靠性的能力?！袄敏敯粜?，就是想要提升系統(tǒng)或算法對于各種變化或干擾的抵抗能力。俗話講，就是讓系統(tǒng)更‘抗造’。”

“實驗室條件下穩(wěn)定運行的新設(shè)備，在現(xiàn)場環(huán)境可能無法正常運行，遇到小毛病得現(xiàn)場調(diào)參數(shù)、換器件，遇到大問題就只能把設(shè)備拉回來，復(fù)測各方面功能，優(yōu)化調(diào)控好后再拉回現(xiàn)場繼續(xù)實驗?！睆埑谢圻€記得，彼時國產(chǎn)元器件、工件、計算控制芯片等都尚未達到今天的品質(zhì)，“有時實驗要做很多次才能成功，有時還面臨風險。但是，不論怎樣，這都是我們的必經(jīng)之路”。

而且，在很長的時間里，研究新能源發(fā)電技術(shù)都吃苦受累不討好。經(jīng)費支持很少，實驗環(huán)境艱苦。張承慧不知多少次帶隊奔赴西北各地，在大漠黃沙中現(xiàn)場調(diào)研。但山東人的倔強，讓他啃定了這塊“難啃的骨頭”。張承慧執(zhí)著、細致地推演新能源并網(wǎng)交互模型及控制算法，帶領(lǐng)團隊自主研發(fā)適應(yīng)我國國情的新能源并網(wǎng)裝備，突破光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)難題，終于率先突破新能源并網(wǎng)非線性魯棒控制理論及技術(shù)，突破了光伏發(fā)電大容量化和降本增效核心技術(shù)，實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)“多發(fā)電”，受到國際學術(shù)界高度認可和產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用。

2009年，在投身新能源系統(tǒng)控制領(lǐng)域整整20年后，張承慧入選教育部“長江學者”特聘教授、山東省“泰山學者”特聘專家。

又過8年，張承慧作為第一完成人的項目成果“高性能光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵控制技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，榮獲2016年度國家科學技術(shù)進步二等獎。

“保證自己作為一名學者的獨立思考，這很重要。要保持戰(zhàn)略定力，學會堅守和坐冷板凳?！碑斈甑睦溟T行業(yè)已漸漸變熱，而且演化成國家戰(zhàn)略。面對不斷涌起的研究熱潮，張承慧依然冷靜客觀、腳踏實地。

開拓者

——“做好前瞻性研究和技術(shù)儲備，當國家和產(chǎn)業(yè)實踐需要時，我們的成果就管用”

“黨的十八大以來，我國新型能源體系加快構(gòu)建，能源保障基礎(chǔ)不斷夯實，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了有力支撐。同時也要看到，我國能源發(fā)展仍面臨需求壓力巨大、供給制約較多、綠色低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨等一系列挑戰(zhàn)。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，出路就是大力發(fā)展新能源。”今年2月，習近平總書記在中共中央政治局第十二次集體學習中發(fā)表重要講話，深刻指出了發(fā)展新能源之于國家能源安全的重要意義。

能源安全事關(guān)我國經(jīng)濟社會發(fā)展全局。在需求壓力加大、供給制約較多、綠色低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨等一系列挑戰(zhàn)下，建設(shè)新型能源體系，把促進新能源和清潔能源發(fā)展放在更加突出的位置，既是推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要支撐，也是保障國家能源安全的必然選擇。

張承慧當年提出的自我要求——“做好前瞻性研究和技術(shù)儲備，當國家和產(chǎn)業(yè)實踐需要時，我們的研究成果就‘管用’”，逐漸成為現(xiàn)實。

然而，飛速發(fā)展的時代和國家的迫切需求，再一次將重擔壓在張承慧的肩上。他介紹到，隨著大量新能源電源和新型負荷接入，電力系統(tǒng)面臨電網(wǎng)電壓波動、波形畸變等一系列電能質(zhì)量控制新的挑戰(zhàn)。而在這個領(lǐng)域，國外設(shè)備曾長期壟斷中國市場。為了打破這一局面，張承慧帶領(lǐng)團隊又出發(fā)了。

最終，張承慧團隊及其合作企業(yè)成功研發(fā)出基于低壓器件的35kV高壓直掛式電能質(zhì)量控制裝備，一舉破解難題，并成功擺脫被國外高壓器件“卡脖子”困境。“如果說新能源是心臟的話，電能質(zhì)量控制裝備就像人的肺一樣，負責消除‘污染’、凈化電網(wǎng)?！比绻麤]有電能質(zhì)量控制裝備，在工業(yè)用電越來越復(fù)雜和新能源大量入網(wǎng)的今天，電網(wǎng)將會出現(xiàn)崩潰。

憑借“高比例新能源電力系統(tǒng)電能凈化關(guān)鍵控制技術(shù)及應(yīng)用”新成果，張承慧團隊及合作企業(yè)榮獲2020年度國家科技進步二等獎，張承慧為第一完成人。

在“雙碳”目標背景下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為國家戰(zhàn)略，山東正在聚力建設(shè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)。此前，張承慧及其團隊提前布局，開始深耕儲能控制技術(shù)。大容量電池儲能系統(tǒng)是新能源電網(wǎng)的“超級穩(wěn)定器”，對平抑新能源波動、調(diào)壓調(diào)峰、削峰填谷意義重大。但其內(nèi)有電—化—熱多能耦合，外有高壓大電流瞬時即變，是工作機理復(fù)雜、安全風險最高、研制難度極大的新能源戰(zhàn)略裝備，被列為國際重大前沿挑戰(zhàn)。

張承慧帶領(lǐng)團隊與國內(nèi)多家國際行業(yè)龍頭企業(yè)長期合作，協(xié)同攻關(guān)，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)“電池級測試—裝備級制造—場站級管控”全鏈條創(chuàng)新突破，合作研制成功大容量儲能及測試系統(tǒng)等系列新產(chǎn)品，完成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。新產(chǎn)品銷往全球150多個國家，支撐了國內(nèi)外重大工程建設(shè)，經(jīng)濟社會生態(tài)效益顯著。

大容量電池儲能系統(tǒng)測試與控制新技術(shù)開創(chuàng)了我國領(lǐng)跑全球儲能控制技術(shù)與產(chǎn)業(yè)新格局，實現(xiàn)中國創(chuàng)造和中國引領(lǐng)，被譽為“應(yīng)對全球碳中和戰(zhàn)略的中國方案”。這一成果獲2023年度國家科學技術(shù)進步二等獎，張承慧為第一完成人。

親歷了我國新能源控制技術(shù)從“跟跑”到“并跑”，再到如今“領(lǐng)跑”，張承慧感慨生逢其時?！暗靡嬗趪业闹卮笾С?，為我學習和施展本領(lǐng)提供了廣闊舞臺，取得了今天的成績。我即是見證者，也是創(chuàng)造者、奉獻者?！?/p>

張承慧因在新能源控制領(lǐng)域的杰出貢獻，2021年獲何梁何利基金科學與技術(shù)進步獎，2022年獲（中國工程院）光華工程科技獎，2023年獲全國創(chuàng)新爭先獎和山東省科學技術(shù)最高獎。

耕耘者

——“搞好本科教學是一所大學一個學院的最大良心”

身為一名科研工作者的同時，張承慧也是一名教育工作者。

自1981年9月考入山東工業(yè)大學（后與山東大學合校）電機工程系，張承慧從此再未離開。從學生到教師、控制科學與工程學院院長，他已經(jīng)在山東大學躬耕43年，桃李滿天下。他常稱自己為“土生土長的山大土特產(chǎn)”，玩笑的背后是對這里的滿懷深情與赤誠。

張承慧培養(yǎng)人才從不拘泥傳統(tǒng)，講求因材施教、因地制宜。在重視專業(yè)學習的同時，他重視學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，倡導(dǎo)并實施了“知識學習”、“能力培養(yǎng)”、“人格培育”由低到高三層面的培養(yǎng)體系，提出了“實干”、“表達”、“表現(xiàn)”的素質(zhì)培養(yǎng)要求和成才之路。

身為科研工作者，他以身作則，在潛移默化中培養(yǎng)學生嚴謹治學、精益求精的科研品格，把“細節(jié)決定成敗”理念貫穿于學生培養(yǎng)和做事做學問全過程。他總是告誡學生，要涵養(yǎng)“浩然正氣”的科學家精神，更要常懷“青春報國”的赤子之心。

在多年的教育教學實踐中，張承慧創(chuàng)建了“四縱三橫”多元化、國際化人才培養(yǎng)模式，形成了“厚基深融、中西貫通、個性培養(yǎng)、全面發(fā)展”的教育格局，其相關(guān)成果榮獲第七屆、第八屆國家級教學成果獎二等獎，被譽為我國自動化教育的“山大模式”。

2016年，張承慧擔任山東大學控制科學與工程學院院長。他常說：“辦好本科教育是一所大學一個學院最大的良心”。他大興“嚴謹治學，大愛執(zhí)教”教風，重視本科教育和人才培養(yǎng)，著力打造優(yōu)質(zhì)課程。僅2023年，學院便有自動控制原理、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、機器視覺感知與智能識別虛擬仿真實驗3門課程入選第二批國家級一流課程，新增山東省課程思政示范課程2門。

他深知教育是國之大計、黨之大計，教書育人、引才育才是自己的首要任務(wù)。他精心塑造學院精神品格，營造良好的學術(shù)風氣，廣泛吸引優(yōu)秀人才，著力培養(yǎng)青年科研力量。他親力親為，甘為人梯，獎掖后學?！艾F(xiàn)在，我們擁有國務(wù)院學位委員會第八屆學科評議組成員1人，教育部‘長江學者’特聘（崗）教授、國家杰出青年基金獲得者12人次，百千萬工程國家級人選3人，國家特支計劃領(lǐng)軍人才1人，比當年翻三番。”張承慧不無自豪。

張承慧因在教書育人工作中的突出貢獻，2020年當選全國先進工作者、國家教學名師；2022年帶領(lǐng)的團隊入選全國高校黃大年式教師團隊。

目前，我國新能源開發(fā)利用規(guī)模已穩(wěn)居世界第一，“十四五”規(guī)劃綱要提出，加快發(fā)展非化石能源，堅持集中式和分布式并舉，大力提升風電、光伏發(fā)電規(guī)模，非化石能源占能源消費總量比重提高到20%左右。黨的二十大報告提出，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系。黨的二十屆三中全會強調(diào)，要加快經(jīng)濟社會發(fā)展，全面綠色轉(zhuǎn)型，推進生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約綠色低碳發(fā)展。

“能源互聯(lián)網(wǎng)”是現(xiàn)代能源體系的核心發(fā)展方向，通過先進的信息技術(shù)實現(xiàn)能源物理網(wǎng)絡(luò)深入融合，打破異質(zhì)能流貫通分析壁壘，統(tǒng)一高效管理各類能源，有望成為破解世界能源問題的關(guān)鍵手段。張承慧曾撰文如是表達自己的愿景——在未來全球能源互聯(lián)的時代，元宇宙和能源系統(tǒng)深度融合，將為解決能源危機、推進能源系統(tǒng)發(fā)展提供嶄新模式，也將深刻地影響未來能源的開發(fā)和利用。深入探索與解決“元能源”相關(guān)科學技術(shù)問題，不但能實現(xiàn)能源系統(tǒng)各組成部分的互聯(lián)互通，促進多能流管理機構(gòu)間的合作，還能通過“信息和能量”通道，使數(shù)字世界和物理世界之間產(chǎn)生更加緊密的相互作用，從而真正構(gòu)建一個“綠色、低碳、安全、高效”的能源體系，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標貢獻力量。

責任編輯 陳晰