2020 电工技术前沿问题学术论坛 主题报告回顾（上篇）

　　2020年8月26—28日，由中国电工技术学会和西安交通大合主办的“2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛”（FAFEE 2020）在西安盛大举行，其主题为“智能融合电气 创新引领发展”。

　　为与读者分享FAFEE 2020的成果，本文特采撷了主题大会4位院士及12位专家报告的主要观点，希望读者能从中有所裨益。

　　储能型聚光集热发电技术是一种有序、可调度的类常规可再生能源技术。目前，储能型聚光集热研究重点：聚光、集热过程中如何构建更加高效率、低成本的新型塔式太阳能光热系统，如何准确表征系统实时动态光学特性并揭示吸热器非均匀能流时空特性；储热过程中纳米复合储热材料性能的强化研究，多孔介质在相变热器中填充结构的优化，单罐填充床储热器的开发及设计。

　　当前储热系统面临的“瓶颈”问题：太阳能热发电过程中，储热系统是解决太阳能间歇性和波动性、调节供需不匹配问题的关键环节。储热系统领域将探索适用于高温熔盐双罐储热技术、开发潜热储热新技术、使用粒子储热技术等新技术。未来新型储热技术将重点探索分子式太阳能储热系统、光控相变储热材料、超高温储热。

　　为进一步提高效率、降低成本，下一代光热技术将朝着更高温度发展；采用超临界二氧化碳布雷顿循环替代现有水蒸气朗肯循环。高温给下一代聚光太阳能热发电技术（CSP）带来了新的挑战，吸热和储热子系统在高温下会出现性能急剧降低和材料快速退化的问题，现有超临界二氧化碳循环形式不能完全满足CSP需求，且与之相关的关键设备还远不成熟。

　　当前，电力系统向透明电网演进的过程中，已发展成为结构复杂、设备繁多、技术庞杂的巨维系统。传统的单纯依靠物理建模分析的方法已经难以应对多物理场耦合系统的运行分析要求。因此，建立基于数字数据的电力系统的科学技术方法，人工智能对具体数学模型依赖程度低，并善于从数据中自学习和对源域的迁移学习，为突破上述技术“瓶颈”提供了有效解决途径。

　　智能电网发展迈向高级阶段，成为电气强联系与信息强联系并举的新一代透明电网。透明电网将实现自由数据采集、自由数据存储、自由数据获取、自由智能分析，在规则的允许下，人人可以获取数据、使用数据。

　　首先，以小微智能传感器替代传统的互感器，逐步完善设备的智能化；其次，软件系统逐渐构建数字数据的关系；最后，逐渐形成透明电网。因此，未来还需要开展许多相关工作，如安装足够的传感器，具备安装传感器的条件，保证传感器数据的准确；如透明电网的数字数据依靠小微智能传感器以满足上述条件；如智能设备和设备智能化也可以提供数字数据；如数字数据之间的关系需要强大的软件系统。

　　电磁声变换技术在海洋水下通讯与探测应用的难题：大功率声波的频率降低，其磁辐射位移面积增加100倍，才能达到现在的分贝级；对装备来说，从1000Hz到100Hz的声波，其装备体积需增加1000倍，体积、位移难以突破；水下实现200dB~220dB，甚至230dB将极具挑战性等。

　　为实现高质量、高效的电磁声转换技术，需要对大功率放大器、电磁声换能器、水质信号处理系统进行全方位的研究（从产生、基本原理、监测到试验等），如电压与频率可调的放大器拓补结构、高频率功率以及变频调制技术来实现放大器的大功率宽频的高可靠输出；建立大功率放大器器件损耗模型，研究高频率器件和开关技术以降低损耗；大功率放大器宽频带与换能器的可靠匹配等。

　　电磁变换技术与装备在国民经济生产及制造业领域有着非常广泛的应用，也是国防核心领域的技术与装备；电磁声变换技术与装备属于海洋开发技术的制高点，也是国际研究的前沿技术；电磁变化技术与装备将迎来新的发展机遇，期待其为新型基础设施建设及海洋开发贡献有力力量。

　　氦资源是核磁共振的“血液”，其中磁共振成像在氦使用量上占比最多（达到22%），1.5~3T磁共振系统市场占比最大，1.5T超导磁共振需要大约1500~2000L液氦，价格大概是40万（人民币）。

　　目前，全球80%以上的液氦来自美国，而2007年美国已将氦核定为战略资源而限制氦产量，全球液氦价格迅速上涨，医疗成本急剧增加，各国都在积极研究开发无液氦磁共振成像(MRI)技术。

　　磁共振的核心部件是超导磁体，那么如何发展超导磁体以满足核磁共振的需要，是我国工业部门面临的一个挑战。超导磁体技术20世纪60年代第II类超导体的发现，到70年代超导线材成熟。

　　目前，低温超导磁体已经实现了产业化规模，满足了科学研究、工业加工、医学成像和大科学工程的需要，其发展还在继续。未来，随着液氦资源的缺乏，无液氦超导磁体技术将成为未来世界的主流技术。目前，规模化应用的产业主要有医疗、科学、大科学工程。超导磁体技术是磁共振技术实现的惟一选择，而超高磁场强度则是永无止境的追求。

　　在超导MRI领域，我国已经从低端向中高端发展并进步迅速，国产1.5T及3T系统开始进入市场；在永磁共振方面，MRI公司自产设备占国内25%~35%（自销10%）；在低端永磁共振发展领域，国内丰富的资源推动了永磁型MRI发展。

　　相较于世界能源科技强国和现代电工装备智能化发展目标，我国在自主工业设计软件领域还存在诸多挑战。例如，基于数据驱动的设计原理亟待突破，符合服役条件的材料特性测量方法和材料性能数据库亟待建立，多物理场多时空尺度的全真建模方法与装备可靠性统一设计理论亟待构建，我国基于云计算和人工智能方法的自主创新软件理论和设计方法还亟待挖掘。

　　为解决我国高端工业设计软件的“瓶颈”问题，并实现弯道超车，推动我国现代电工装备智能制造水平的跨越式发展。现代电工装备制造业应全面考虑材料服役条件，基于电工材料特性先进测量方法，建立材料特性数据库；结合材料特性数据库，充分考虑电工装备真实工况，建立装备系统的全真耦合模型；综合考虑可靠性影响因素、装备预测寿命，利用优化模型函数关联全真耦合模型与可靠性模型，形成电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论；基于人工智能、云计算等先进方法实现电工装备电磁综合性能与可靠性统一设计理论，为现代电工装备数字孪生技术奠定坚实基础。

　　绝缘问题是高压设备核心问题之一，电压等级越高越显著。当前，设备绝缘电场分布极不均匀，局部场强达到平均值数倍，这带来了一系列设计、制造难题，甚至已发展成为技术“瓶颈”。

　　在高压交直流电缆领域，面临着电缆终端电场分布极不均匀、难于控制的问题，存在复杂的电场、温度场、空间电荷的耦合问题，电缆附件故障导致高压电缆事故频发的问题。而特高压直流套管面临着电容均压结构所带来的电场分布极度不均，难于控制的问题，还有内部散热的问题，即内外温差加剧了电场不均匀性等挑战。

　　电场自适应调控的复合材料电学参数与电场强度可形成调控闭环，均匀电场效果好使得其结构相对简单，而绝缘尺寸的缩小进一步解决了其散热问题。

　　其制备过程如下：配料-球磨-烘干造粒（控制填料形状）-烧结（温度控制填料晶界尺寸）-过筛（控制填料粒径）-与复合物混合（控制填料体积分数与基体种类）-硫化-获得ZnO复合物样品。由于ZnO复合物介电非线性的测量范围受其电导非线性的制约，这里通过ZnO复合物电导非线性来说明渗流特性对ZnO复合物非线性特性的影响。

　　新能源汇集地区频带复杂，对基频相量影响大，为防止频率混叠，需用较高阶数的数字滤波器提取测量频带，但这会导致时间的延长。因此，团队提出了基于分级数字滤波器的测量频带提取方法，可在较短时延条件下，消除会引起频谱泄漏与频率混叠的间谐波等干扰分量。其存在的难点是静态相量模型难以表征多扰动类型信号，多场景差异比较大。

　　其创新思路是建立动态相量模型，自适应构建多种场景下的时间窗长，同时兼顾测量精度与响应速度的算法。基于此，团队研制了新能源侧同步测量装置（SMR）、负荷侧同步测量装置（SML）、控制类同步测量装置（SMC）、测试校准系统（SMD-CAL），在重点实验室建设了数据中心；随着越来越多同步测量装置的安装与运行，源网全景同步测量系统将成为新能源电力系统特性研究与分析的一个开放性平台。

　　当前，规模储能的实现还需要解决诸多问题，如安全（本质安全，在突发系统事故和运输、安装、滥用时不存在起火爆炸问题），长寿命（使用年限大于20年，循环次数过万次），高效率（能量转换效率高于90%），低成本大规模（实现GW·h级储能电站，度电成本低于0.2元，满足主要应用市场经济需求），长时间尺度（单次能量存储和释放可以大于6h），可持续发展（不存在资源压力，可梯次利用、可回收，形成绿色循环经济）。

　　未来，大规模储能技术总体发展目标如下：重点发展长时、中短时、高功率三类规模储能技术；降低度电使用成本至0.2元/kW·h以下；延长储能器件寿命至15~30年；发展模块化、标准化、智能化关键技术；发展梯级利用，全寿命周期、可持续发展的关键技术；发展高度安全、高度可靠、高水平规模化制造的关键技术。