大国良师 | 张承慧：为我国新能源系统控制拓荒引路_新浪财经

作者 | 《中华儿女》记者华南

编辑 | 陈晰

今年6月24日上午，2023年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。山东大学讲席教授，控制科学与工程学院院长、新能源控制国家级工程研究中心主任张承慧主持完成的成果“大容量电池储能系统数智化测试与控制关键技术及产业化”荣获国家科学技术进步二等奖。

2024年6月，参加国家科学技术奖励大会获国家科技进步二等奖

这是张承慧继2016年度、2020年度以第一完成人荣获国家科学技术进步奖之后，第三次获此荣誉。

逾三十年深耕新能源控制领域，从基础理论研究到关键技术研发，再到重大工程应用，直至将人工智能与新能源融合并提出“元能源”概念，备受国内外关注；从大漠深处初建的光伏电场到此后迅猛发展的风、光等新能源场景，张承慧作为我国新能源系统控制领域的带头人和开拓者、“新能源发电系统优化控制”国家基金委创新研究群体负责人，直面新能源高可靠并网、高质量供电、高效率利用重大挑战，攻克一系列新能源系统控制基础理论和关键技术难题，亲历中国新能源系统控制体系理论与产业化发展的崭新历程。

坚守者

——“科研不是跟一时之风，而是耐得住寂寞、坐得住冷板凳”

张承慧与新能源的缘分，始于1988年。那时，他刚从山东工业大学控制科学与工程专业获得硕士学位，新能源领域在中国还属于新生事物，新能源系统控制更是鲜为人知。

“控制科学与工程是一个广义概念，作为工科，要有被控对象、应用场景才能实现学科价值。我的动手能力强，擅长学工科，我希望能够学以致用，将所学专业知识用到生产实践中；我也希望能够学有所成、业有所获，为国家建设作出贡献，为改造世界作出贡献。”张承慧说。

他关注到，能源是国家发展的核心物质基础，对一个国家的可持续发展、人民生活改善和社会长治久安至关重要。随着全球气候变化和环境恶化问题日益严重，对包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源在内的新能源开发利用必将是未来趋势。中国是世界上最大的化石能源消费国之一，以风力、光伏为代表的新能源可再生、无污染，必将是国家的未来主导能源。

因此，1988年硕士研究生毕业留校任教后，在当时控制论领域诸多的热门方向中，张承慧“弃热选冷”选择当时不被看好、以新能源控制研究为主的“电气自动化”教研组，义无反顾地开拓了新能源系统控制研究领域，并将此作为终生追求。“我认为，做好前瞻性研究和技术储备，当国家和产业实践需要时，我们的研究成果就‘管用’，是工科学者的人生价值和最大幸福。”

不同于传统火电，新能源利用自然能量发电，天生具有强随机性、波动性、间歇性，高效优质利用难度巨大。当新能源（经变换后）大量接入电网后，容易引发电网电压波动、畸变、电压跌落等电能质量问题，直接威胁电网安全稳定运行，因此早期新能源发电备受电力行业诟病，甚至被贬称为“垃圾电”。要想让“垃圾电”变成“优质电”，可靠并网、高效发电、优质供电三大公认难题亟待突破。

张承慧说，“很少有物理系统像新能源发电一样，兼备这些特征，不确定性如此之大。”新能源发电的不确定性与电网能量瞬时保持平衡的要求，是一对尖锐的矛盾。

“起步阶段很艰难。”要想控制好新能源，必须先摸透新能源的“脾气”。从基础理论入手，踏入这条鲜有人走的路。如何控制和优化能量的波动、变换，保障其稳定性，是一项异常艰巨的挑战，其中最难啃的骨头，就是新能源在电网故障时（极端工况下）要支撑电网，而不能“当逃兵”（脱网）。张承慧选择的第一个突破点正是解决新能源高可靠并网的问题。

这种技术需要建立多维度瞬态模型，能纳入更多随机的、不确定的发电工况。“新能源发电的并网控制并不简单，需要瞬间精准感知电网相位、频率和幅值，要求新能源经变换后的相位、频率与之严格同步。”张承慧说。

我国风光新能源场站建设以集中式（大容量）为主。风能、太阳能资源主要集中在远离负荷中心的地区，只有将新能源并入电网这一公共资源的配置平台，才能传得远、用得广，实现大规模开发和高效经济利用。“但我国新能源发电的生产和使用是东西部地区错位的，西部所生产的电能难以在本地区消纳，因此风光新能源大多接入高压输电系统远程输送到东部高用电量地区。”因此，张承慧需要突破的第二个点，就是研发高效功率变换单元。

“在能量通道上我们必须选择合适的功率变换器拓扑结构，即电路中各个元器件之间的连接方式，以便能够更好地实现电能转换和控制。只有高效功率变换单元的谐波小、成本低、效率高，才有市场竞争力。”在此基础上，张承慧带领团队还尝试将鲁棒控制理论应用于此。鲁棒性是指系统、模型或算法在面对输入数据、环境或参数的摄动（扰动）时，仍能保持其性能的稳定性和可靠性的能力。“利用鲁棒性，就是想要提升系统或算法对于各种变化或干扰的抵抗能力。俗话讲，就是让系统更‘抗造’。”

“实验室条件下稳定运行的新设备，在现场环境可能无法正常运行，遇到小毛病得现场调参数、换器件，遇到大问题就只能把设备拉回来，复测各方面功能，优化调控好后再拉回现场继续实验。”张承慧还记得，彼时国产元器件、工件、计算控制芯片等都尚未达到今天的品质，“有时实验要做很多次才能成功，有时还面临风险。但是，不论怎样，这都是我们的必经之路”。

而且，在很长的时间里，研究新能源发电技术都吃苦受累不讨好。经费支持很少，实验环境艰苦。张承慧不知多少次带队奔赴西北各地，在大漠黄沙中现场调研。但山东人的倔强，让他啃定了这块“难啃的骨头”。张承慧执着、细致地推演新能源并网交互模型及控制算法，带领团队自主研发适应我国国情的新能源并网装备，突破光伏并网逆变器关键技术难题，终于率先突破新能源并网非线性鲁棒控制理论及技术，突破了光伏发电大容量化和降本增效核心技术，实现了光伏系统“多发电”，受到国际学术界高度认可和产业界广泛应用。

2009年，在投身新能源系统控制领域整整20年后，张承慧入选教育部“长江学者”特聘教授、山东省“泰山学者”特聘专家。

又过8年，张承慧作为第一完成人的项目成果“高性能光伏发电系统关键控制技术与产业化应用”，荣获2016年度国家科学技术进步二等奖。

“保证自己作为一名学者的独立思考，这很重要。要保持战略定力，学会坚守和坐冷板凳。”当年的冷门行业已渐渐变热，而且演化成国家战略。面对不断涌起的研究热潮，张承慧依然冷静客观、脚踏实地。

开拓者

——“做好前瞻性研究和技术储备，当国家和产业实践需要时，我们的成果就管用”

“党的十八大以来，我国新型能源体系加快构建，能源保障基础不断夯实，为经济社会发展提供了有力支撑。同时也要看到，我国能源发展仍面临需求压力巨大、供给制约较多、绿色低碳转型任务艰巨等一系列挑战。应对这些挑战，出路就是大力发展新能源。”今年2月，习近平总书记在中共中央政治局第十二次集体学习中发表重要讲话，深刻指出了发展新能源之于国家能源安全的重要意义。

能源安全事关我国经济社会发展全局。在需求压力加大、供给制约较多、绿色低碳转型任务艰巨等一系列挑战下，建设新型能源体系，把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置，既是推动能源绿色低碳转型、实现“碳达峰、碳中和”的重要支撑，也是保障国家能源安全的必然选择。

张承慧当年提出的自我要求——“做好前瞻性研究和技术储备，当国家和产业实践需要时，我们的研究成果就‘管用’”，逐渐成为现实。

然而，飞速发展的时代和国家的迫切需求，再一次将重担压在张承慧的肩上。他介绍到，随着大量新能源电源和新型负荷接入，电力系统面临电网电压波动、波形畸变等一系列电能质量控制新的挑战。而在这个领域，国外设备曾长期垄断中国市场。为了打破这一局面，张承慧带领团队又出发了。

最终，张承慧团队及其合作企业成功研发出基于低压器件的35kV高压直挂式电能质量控制装备，一举破解难题，并成功摆脱被国外高压器件“卡脖子”困境。“如果说新能源是心脏的话，电能质量控制装备就像人的肺一样，负责消除‘污染’、净化电网。”如果没有电能质量控制装备，在工业用电越来越复杂和新能源大量入网的今天，电网将会出现崩溃。

凭借“高比例新能源电力系统电能净化关键控制技术及应用”新成果，张承慧团队及合作企业荣获2020年度国家科技进步二等奖，张承慧为第一完成人。

在“双碳”目标背景下，构建以新能源为主体的新型电力系统成为国家战略，山东正在聚力建设绿色低碳高质量发展先行区。此前，张承慧及其团队提前布局，开始深耕储能控制技术。大容量电池储能系统是新能源电网的“超级稳定器”，对平抑新能源波动、调压调峰、削峰填谷意义重大。但其内有电—化—热多能耦合，外有高压大电流瞬时即变，是工作机理复杂、安全风险最高、研制难度极大的新能源战略装备，被列为国际重大前沿挑战。

张承慧带领团队与国内多家国际行业龙头企业长期合作，协同攻关，实现电池储能系统“电池级测试—装备级制造—场站级管控”全链条创新突破，合作研制成功大容量储能及测试系统等系列新产品，完成大规模产业化应用。新产品销往全球150多个国家，支撑了国内外重大工程建设，经济社会生态效益显著。

大容量电池储能系统测试与控制新技术开创了我国领跑全球储能控制技术与产业新格局，实现中国创造和中国引领，被誉为“应对全球碳中和战略的中国方案”。这一成果获2023年度国家科学技术进步二等奖，张承慧为第一完成人。

亲历了我国新能源控制技术从“跟跑”到“并跑”，再到如今“领跑”，张承慧感慨生逢其时。“得益于国家的重大支持，为我学习和施展本领提供了广阔舞台，取得了今天的成绩。我即是见证者，也是创造者、奉献者。”

张承慧因在新能源控制领域的杰出贡献，2021年获何梁何利基金科学与技术进步奖，2022年获(中国工程院)光华工程科技奖，2023年获全国创新争先奖和山东省科学技术最高奖。

耕耘者

——“搞好本科教学是一所大学一个学院的最大良心”

身为一名科研工作者的同时，张承慧也是一名教育工作者。

自1981年9月考入山东工业大学（后与山东大学合校）电机工程系，张承慧从此再未离开。从学生到教师、控制科学与工程学院院长，他已经在山东大学躬耕43年，桃李满天下。他常称自己为“土生土长的山大土特产”，玩笑的背后是对这里的满怀深情与赤诚。

张承慧（中）指导研究生科研工作

张承慧培养人才从不拘泥传统，讲求因材施教、因地制宜。在重视专业学习的同时，他重视学生综合素质的培养，倡导并实施了“知识学习”、“能力培养”、“人格培育”由低到高三层面的培养体系，提出了“实干”、“表达”、“表现”的素质培养要求和成才之路。

身为科研工作者，他以身作则，在潜移默化中培养学生严谨治学、精益求精的科研品格，把“细节决定成败”理念贯穿于学生培养和做事做学问全过程。他总是告诫学生，要涵养“浩然正气”的科学家精神，更要常怀“青春报国”的赤子之心。

在多年的教育教学实践中，张承慧创建了“四纵三横”多元化、国际化人才培养模式，形成了“厚基深融、中西贯通、个性培养、全面发展”的教育格局，其相关成果荣获第七届、第八届国家级教学成果奖二等奖，被誉为我国自动化教育的“山大模式”。

2016年，张承慧担任山东大学控制科学与工程学院院长。他常说：“办好本科教育是一所大学一个学院最大的良心”。他大兴“严谨治学，大爱执教”教风，重视本科教育和人才培养，着力打造优质课程。仅2023年，学院便有自动控制原理、数字电子技术基础、机器视觉感知与智能识别虚拟仿真实验3门课程入选第二批国家级一流课程，新增山东省课程思政示范课程2门。

他深知教育是国之大计、党之大计，教书育人、引才育才是自己的首要任务。他精心塑造学院精神品格，营造良好的学术风气，广泛吸引优秀人才，着力培养青年科研力量。他亲力亲为，甘为人梯，奖掖后学。“现在，我们拥有国务院学位委员会第八届学科评议组成员1人，教育部‘长江学者’特聘（岗）教授、国家杰出青年基金获得者12人次，百千万工程国家级人选3人，国家特支计划领军人才1人，比当年翻三番。”张承慧不无自豪。

张承慧因在教书育人工作中的突出贡献，2020年当选全国先进工作者、国家教学名师；2022年带领的团队入选全国高校黄大年式教师团队。

目前，我国新能源开发利用规模已稳居世界第一，“十四五”规划纲要提出，加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。党的二十大报告提出，加快规划建设新型能源体系。党的二十届三中全会强调，要加快经济社会发展，全面绿色转型，推进生态优先、节约集约绿色低碳发展。

“能源互联网”是现代能源体系的核心发展方向，通过先进的信息技术实现能源物理网络深入融合，打破异质能流贯通分析壁垒，统一高效管理各类能源，有望成为破解世界能源问题的关键手段。张承慧曾撰文如是表达自己的愿景——在未来全球能源互联的时代，元宇宙和能源系统深度融合，将为解决能源危机、推进能源系统发展提供崭新模式，也将深刻地影响未来能源的开发和利用。深入探索与解决“元能源”相关科学技术问题，不但能实现能源系统各组成部分的互联互通，促进多能流管理机构间的合作，还能通过“信息和能量”通道，使数字世界和物理世界之间产生更加紧密的相互作用，从而真正构建一个“绿色、低碳、安全、高效”的能源体系，为实现“碳达峰、碳中和”目标贡献力量。

[ 本文刊于《中华儿女》杂志2024年第9期 ]