在2008年度国家自然科学奖的获奖名单中,一个来自清华工科院系的项目在34项获奖项目中颇为引人注意:这就是由清华大学电机系卢强院士领导的科研团队所完成的项目——《电力大系统非线性控制学》。
卢强院士发言
该项目创立了电力大系统非线性控制学科体系,解决了电力大系统中长期存在的非线性最优控制和非线性鲁棒控制的理论难题,提出了我国电气工程若干重大技术科学问题的控制方法。基于该理论突破的、具有自主知识产权的大型发电机组非线性励磁控制器和水轮机调速非线性控制器也随即问世,该类设备可提高功率输送极限15%以上,既提高了系统的安全性,也具有显著的经济效益。由于其成果显著的原始创新性和开拓性,使得该项目在国家自然科学奖评审时从众多来自数理科学的科研成果中脱颖而出,获此殊荣。
该项目的带领者卢强院士在电力系统非线性控制领域的杰出工作,使他成为国际上公认的该领域的开拓者和奠基人。2003年,由于他在最优控制领域的杰出贡献,卢强当选为IEEEFellow,这是国际电气与电子工程界的最高荣誉之一。2006年,更由于他在“非线性控制领域的显著贡献和非凡的世界影响”,卢强当选瑞典皇家工程科学院外籍院士。
长达二十余年的研究历程、二十余名清华师生的不懈追求——来之不易的奖励的背后,不仅是对该课题重大科学意义和杰出学术水平的肯定,更是对研究者孜孜以求的科学精神的鼓励和褒扬。
“顶天立地”的奋进目标
自1831年法拉第发现电磁感应定律、次年皮克西制造出世界上第一台发电机以来,人类试图驾驭电力系统的努力就从来没有停止过。随着现代科技的进步,人类对电力系统的依赖程度也达到了惊人的程度——频率的一个闪动会在工厂里造成废品,一次短暂停电造成的损失甚至不亚于一场大地震。如何保障电力系统的安全运行,成为现代社会面临的一大科技问题。
2003年8月14日,美国、加拿大互联电网发生大规模停电。数据显示,“8·14”停电对美国和加拿大国内生产总值造成的损失估计在每天250亿到300亿美元之间。
2004年,卢强院士在接受《科技日报》采访时说:“决不让美、加大停电事故在我国重演。”
卢强认为,这次特大事故的发生固然有其调度体制上的原因,但从科技角度看,则是美、加互联电网本身缺乏防范灾难性事故的实时自动调度控制系统所致。深究其原因,则是电力大系统的控制和调度方面的一系列重大科学问题至今尚未解决——由于电力系统内部和外部环境具有的复杂性、多样性和诸多难以预料的因素,电力大系统天然就是高维复杂的非线性系统,这使得该系统的控制问题成为世界性难题。
另外一方面,我国电网能耗较大,降低能耗势在必行——如能在先进的优化运行理论指导下,仅将网损降低两个百分点,则每年可节电400亿度,约相当于年节煤2000万吨并大大降低了相应的污染。
为此,卢强带领的科研团队始终将实现电力大系统的安全与经济综合优化运行作为科研目标,着力探究电力大系统的控制理论。
改革开放以来,在实现电力大系统的最优控制这一主旋律下,团队的科研重点可分为三个阶段:电力系统线性最优控制、考虑诸多复杂因素的非线性最优控制以及考虑外界干扰和内部不确定性的非线性鲁棒控制。这三个阶段在难度和高度上呈现层层递进的关系,标识出研究者不懈攀登的足迹。
纵观团队的科研思路,呈现出典型的“顶天立地”的特征:首先深入基层,了解电力工程界存在的问题,将关键性的工程问题进行科学抽象,提炼出理论问题,建立起相应的数学模型,然后采用严格的数学方法进行分析、求解。卢强从不把所取得的理论成果看成研究的终点,而是将其视为另一个起点——理论的结果最终还要“立地”,要研制出装备,创造出效益。
“顶天立地”的科研目标产生的,是新的学科理论及其向现实生产力转化的成果。卢强带领科研团队在《电力大系统非线性控制学》的科研攻关中,出版专著3部(含1部英文专著),发表的SCI收录论文他引200余次,其中不乏该领域内的开创性代表作;中文核心期刊他引2500余次。传统工程学科领域的科研能够取得如此突出的学术成就的,并不多见。
同时,该项目的成果在实际应用中也展现出美好的前景:根据所创立理论并在国内电力企业的大力支持下,研制成功了大型发电机组非线性励磁控制工业装置,以及面向三峡电站的大型水轮发电机组水门开度非线性控制器样机和超导储能非线性控制实验装置。其中非线性励磁控制装置已正式投入东北白山电厂30万千瓦机组运行,验证了理论的正确性并取得了显著安全和经济效益,突破了美国通用电气公司的常规励磁控制对我国发电行业的长期垄断。
在卢强的带领下,科研团队践行着“用最新、最先进的理论和方法来解决人类需要但尚未解决的问题”的科研准则。
严谨求真的科学