習近平總書記在中國(guó)科學(xué)院第十九次院士大會、中國(guó)工程院第十四次院士大會上發(fā)表重要講話，站在黨和國(guó)家事(shì)業發(fā)展的戰略全局，高度概括黨的十八大以來我國(guó)科技事(shì)業的曆史性變革與成(chéng)就，準确把握科技創新與發(fā)展大勢，深刻分析我國(guó)科技發(fā)展面(miàn)臨的形勢與任務，對(duì)實現建設世界科技強國(guó)的目标作出了重點部署、提出了明确要求。習近平總書記的重要講話對(duì)推動北京創新發(fā)展、高質量發(fā)展，建設具有全球影響力的全國(guó)科技創新中心具有重大指導意義。

加強基礎研究和原始創新，超前布局前沿技術，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成(chéng)果的重大突破，是北京落實城市戰略定位，服務創新型國(guó)家和世界科技強國(guó)建設的時代要求。爲此，北京市堅持首善标準，立足高點定位，進(jìn)一步突出“三城一區”主平台作用。據北京市科委黨組書記、主任許強介紹，按照以習近平總書記爲核心的黨中央的戰略部署，北京正在加快建設具有全球影響力的全國(guó)科技創新中心，通過(guò)“三城一區”規劃，促進(jìn)“三城一區”進(jìn)入加速發(fā)展期，以一流的要求規劃科技創新中心長(cháng)遠發(fā)展。未來，中關村科學(xué)城將(jiāng)建設具有全球影響力的科技創新策源地和自主創新主陣地，懷柔科學(xué)城將(jiāng)建設世界級原始創新承載區，未來科學(xué)城將(jiāng)打造全球領先的技術創新高地。同時，北京經(jīng)濟技術開(kāi)發(fā)區將(jiāng)一步升級，成(chéng)爲高精尖産業主陣地。

在 2017年度的北京市科學(xué)技術獎獲獎成(chéng)果中，由“三城一區”單位完成(chéng)的成(chéng)果達129項，占比66.2%，今天我們帶來的兩(liǎng)個代表性成(chéng)果，就是中關村科學(xué)城加快建成(chéng)具有全球影響力的科技創新策源地，以及未來科學(xué)城打造全球領先的技術創新高地的縮影。

未來科技革命的“主料”

半個多世紀以來，以矽材料爲基礎的微電子技術廣泛應用，給人們生活帶來了翻天覆地的變化。然而，随着半導體工藝的飛速發(fā)展，矽集成(chéng)電路的器件尺寸日益逼近其物理極限，傳統微電子技術面(miàn)臨着重大的技術瓶頸，開(kāi)發(fā)新型電子材料顯得尤爲迫切和重要。以碳納米管和石墨烯爲代表的低維納米碳材料因其獨特的結構和極其優異的性質引起(qǐ)了廣泛關注，有望成(chéng)爲矽材料的繼任者，被認爲是主導未來高科技競争的電子材料之一。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機固體實驗室劉雲圻院士帶領的研究團隊經(jīng)過(guò)十餘年的系統研究，針對(duì)困擾低維納米碳材料發(fā)展和影響其邁向(xiàng)産業化的關鍵科學(xué)問題，在材料的可控制備和性能(néng)研究方面(miàn)取得系列引領性和原創性的突破，2017年該團隊“低維納米碳材料的可控生長(cháng)及其電學(xué)性能(néng)研究”項目獲得北京市科學(xué)技術獎一等獎。

碳納米，冉冉升起(qǐ)的電子産業新星

近半個世紀以來，以矽材料爲基礎的微電子産業獲得飛速發(fā)展，集成(chéng)電路的集成(chéng)度不斷提高，每隔18 個月至兩(liǎng)年集成(chéng)電路上的元器件數目便會增加一倍，性能(néng)也將(jiāng)提升一倍。但是，矽集成(chéng)電路的器件尺寸日益逼近其物理極限，突破該瓶頸亟需發(fā)展新型的材料體系。

而以石墨烯、碳納米管爲代表的低維碳納米材料因其獨特的結構和優異的性能(néng)，被認爲是最有可能(néng)替代矽材料的下一代電子器件材料。其中，被譽爲“材料之王”的石墨烯，是人類已知的厚度最薄、強度最高、導電能(néng)力最強的新型材料，爲創造超薄、運算速度超快的新一代電子元件和計算機提供了一種(zhǒng)新的可能(néng)性。

碳納米材料，這(zhè)顆冉冉升起(qǐ)的電子産業新星，未來有望參與材料科學(xué)、微電子技術和信息技術的變革，成(chéng)爲主導高科技産業競争的戰略材料，掀起(qǐ)新一輪的産業技術革命。

控生長(cháng)、調性能(néng)、轉襯底，助力碳納米走向(xiàng)産業化

然而，要實現碳納米材料的大規模産業化應用，還(hái)有許多基礎科學(xué)問題需要解決。如何實現碳納米材料的可控生長(cháng)？如何對(duì)石墨烯電學(xué)性能(néng)進(jìn)行有效調控，獲得高性能(néng)電子器件？如何在絕緣襯底上生長(cháng)高質量石墨烯，實現與傳統矽電子學(xué)的加工工藝相兼容？早在十年前，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機固體實驗室的研究人員就已經(jīng)針對(duì)這(zhè)些問題開(kāi)展了研究。

控生長(cháng)，奠定碳納米産業化的基礎。化學(xué)氣相沉積（CVD）被認爲是制備大面(miàn)積、高質量石墨烯的最佳選擇，然而制備過(guò)程中往往需要使用固态金屬催化劑，石墨烯由于受到固态催化劑表面(miàn)不均勻性的影響，晶界較多，質量不高，極大地限制了石墨烯的大規模生産應用。爲此，研究團隊另辟蹊徑，首次提出了液态銅催化劑生長(cháng)石墨烯的概念,利用液态銅表面(miàn)的均質性，有效控制了石墨烯生長(cháng)的成(chéng)核過(guò)程，制備出了高質量的單晶石墨烯片和單層石墨烯薄膜，奠定了石墨烯在電學(xué)器件中大規模應用的基礎。

調性能(néng)，打破碳納米的應用限制。要實現石墨烯在微電子器件中的應用，還(hái)需打開(kāi)帶隙和實現載流子極性的調控，摻雜是實現該目标的最有效手段之一。課題組在實驗上首次生長(cháng)了氮摻雜的石墨烯，顯著地調控了石墨烯的電學(xué)性能(néng)，提高場效應晶體管器件的開(kāi)關比和改變載流子傳輸類型，爲開(kāi)發(fā)新穎的電子及磁學(xué)器件提供了科學(xué)基礎。

轉襯底，加速碳納米的應用進(jìn)程。要滿足光電器件的應用要求，還(hái)需要把石墨烯轉移到絕緣襯底上。但新的難題随之而來，轉移過(guò)程中會産生褶皺、破損，降低電學(xué)性能(néng)。研究團隊開(kāi)展了絕緣襯底上無催化生長(cháng)石墨烯的開(kāi)拓性工作，使得石墨烯不需要轉移可直接用于器件的制備和組裝，簡化了器件的制備過(guò)程，避免了由于轉移造成(chéng)石墨烯的破損、褶皺、污染以及材料浪費等難題。該工藝與目前矽電子學(xué)的加工工藝兼容，爲石墨烯器件的直接構築奠定了基礎。

在過(guò)去的十幾年裡(lǐ)，研究團隊逐步成(chéng)爲國(guó)際上有重要影響的團隊之一，他們在石墨烯的可控制備和性能(néng)研究方面(miàn)取得系列原創性突破，對(duì)石墨烯未來在電子産業中的應用有深遠的意義，爲我國(guó)在新材料領域的前瞻性戰略布局提供了基礎理論支撐。

直流電的翻盤，“柔中帶剛”的電網新技術

一百年前，電力行業的“交直流之争”以交流戰勝直流的結果落下帷幕。此後(hòu)，交流輸電成(chéng)爲主要的輸送方式。

如今，世界範圍内正在推動新一輪的能(néng)源變革，電網發(fā)展也迎來了巨大機遇和挑戰。随着能(néng)源結構的調整和電網規模的擴大，交流電自身的局限性暴露了出來，如輸送範圍受限，輸電走廊占用大，對(duì)可再生能(néng)源的接入能(néng)力非常有限等。

在這(zhè)種(zhǒng)情況下，直流輸電技術得到了飛速的發(fā)展。其中，柔性直流輸電技術采用電壓源換流器進(jìn)行交直流電能(néng)變換，可以實現有功無功靈活控制、潮流快速可控反轉、無源電網黑啓動等功能(néng)，是目前世界上可控性最高、适應性最好(hǎo)、運行最靈活的輸電技術，也是利用大規模可再生能(néng)源的重要手段，如果將(jiāng)傳統輸電方式比作一架需要超長(cháng)的跑道(dào)才能(néng)起(qǐ)飛的大型客機，那麼(me)柔性直流輸電技術就是在保證高輸送容量的前提下還(hái)具備靈活快速“垂直起(qǐ)降”功能(néng)的客機。

作爲國(guó)内首家專業從事(shì)全球能(néng)源互聯網關鍵技術和設備開(kāi)發(fā)的研發(fā)機構，全球能(néng)源互聯網研究院在新一代電壓源直流換流器的核心技術上取得一系列原創突破和創新，促使我國(guó)直流輸電技術實現從“跟蹤”到“引領”的巨大轉變。湯廣福院士主持完成(chéng)的“新一代電壓源高壓直流換流器關鍵技術及應用”也獲得了2017年北京市科學(xué)技術獎一等獎。

挑戰傳統，直流輸電“柔”中能(néng)帶“剛”

基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術最早出現于20 世紀90 年代，是繼交流、常規直流之後(hòu)的一種(zhǒng)新型輸電技術，高效、靈活、環保的特性使其在大規模新能(néng)源并網、孤島送電、城市電網增容擴建等方面(miàn)具有很強的技術優勢。

柔性直流輸電技術將(jiāng)傳統直流輸電使用的半控型電力電子器件升級爲全控型電力電子器件。因此可實現有功、無功功率輸出的獨立控制且無需無功補償裝置。就像淋浴時調節水溫及水量時改變冷水、熱水的比例及流量，與傳統輸電技術相比反應時間可縮短數十甚至上百倍。大幅提高電網的穩定性及輸送能(néng)力，因此它的“柔”主要體現在具有響應速度快、可控性好(hǎo)、運行方式靈活等技術特點。而随着柔性直流輸電技術向(xiàng)着高電壓、大容量方向(xiàng)的發(fā)展，此項技術在兼顧“柔”的技術特性的同時也逐漸具備了“剛”的輸送能(néng)力。

掌握核心技術，打破國(guó)外壟斷

電壓源換流器是柔性直流輸電的“心髒”，是實現電力變換和傳輸的核心裝備。之前，柔性直流輸電技術被跨國(guó)公司ABB獨家壟斷，并在小規模風電并網等應用中展現出了獨特優勢。但工程容量有限，運行損耗高、電磁幹擾嚴重等問題一緻制約着柔性直流輸電技術的進(jìn)一步發(fā)展和應用。爲此，世界各國(guó)機構和企業都(dōu)瞄準了新一代電壓源換流器開(kāi)展技術攻關。

本項目研究團隊提出了換流器多層級電力變換調控方法，發(fā)明了換流器非周期時變應力均衡技術，開(kāi)發(fā)了規模化功率單元超高速觸發(fā)與保護技術，取得了一系列原創性發(fā)明成(chéng)果，形成(chéng)了完整的專利保護體系，實現了新一代電壓源直流換流器的整體技術突破，有力促進(jìn)了柔性直流輸電技術的工程應用及推廣。

改善性能(néng)，將(jiāng)新能(néng)源編織成(chéng)網

衆所周知，風電、光伏發(fā)電等可再生能(néng)源存在間歇性，由于獨特的技術特點，柔性直流輸電可以改善可再生能(néng)源的接入性能(néng)，極大提高低電壓穿越能(néng)力和系統穩定性。同時，由于易于構建多端直流電網，基于柔性直流輸電技術的直流電網可攜帶多個風電場、光伏電站的清潔能(néng)源，通過(guò)遠距離、大容量的輸電線路同時爲多個負荷中心送電。

爲保證張北地區的新能(néng)源接入以及2022 年冬奧會的供電需求，目前我國(guó)正在建設的基于柔性直流輸電技術的多端直流電網工程——“張北可再生能(néng)源示範工程”便是基于柔性直流輸電技術的多端直流電網工程。建成(chéng)後(hòu)每年可向(xiàng)京津冀地區提供清潔電能(néng)240 億度，爲超過(guò)三百萬戶居民輸送綠色環保的可再生能(néng)源。可減少燃煤5250 萬噸，減少二氧化碳排放12960 萬噸，減少二氧化硫排放390 萬噸。

突破限制，爲孤島送去光明

爲海上風電場、孤島、海上平台等特殊應用場景傳輸電能(néng)時，如果應用傳統交流輸電手段，交流電纜越長(cháng)，電能(néng)損耗越高，輸送的有效電能(néng)越少，經(jīng)濟性較差, 就像冬季供暖時，由于管道(dào)輸送過(guò)程中熱量的損失，造成(chéng)末端用戶的溫度始終很低。如果應用常規直流輸電技術則需要依賴受端電網具備相應的啓動設備，不能(néng)向(xiàng)沒(méi)有電源點的電網送電，就像沒(méi)有港口時大型船舶無法靠岸，也無法解決孤島送電問題。

目前孤島用電通常采用柴油發(fā)電機供電，不僅會造成(chéng)環境污染，同時由于燃料運輸受到天氣等因素的影響，供電可靠性也無法保證。采用柔性直流輸電技術，就好(hǎo)像在沒(méi)有港口的島嶼之間使用了直升飛機，可實現電能(néng)靈活、便捷的雙向(xiàng)輸送，直接向(xiàng)無電源電網供電，同時也能(néng)夠將(jiāng)離岸較遠的海上風電場産生的電能(néng)及時聯網送出。

例如，廈門島内缺乏修建大型電廠的基礎條件、沒(méi)有大型電源，随着廈門島内負荷的持續增長(cháng)，現有進(jìn)島線路已經(jīng)無法滿足供電需求。但是，在廈門地區很難找到新的線路走廊，且架設跨海線路施工難度和投資都(dōu)很大。該技術成(chéng)果應用于廈門工程，采用柔性直流技術及直流電纜，利用現有的行車隧道(dào)，工程占地面(miàn)積小，非常适合寸土寸金的廈門，并極大的提高了廈門島電網在台風等惡劣天氣情況下的供電可靠性。

提升國(guó)際話語權

項目成(chéng)果推動成(chéng)立了我國(guó)主導的首個國(guó)際大電網組織（CIGRE）工作組，團隊成(chéng)員參與編制了目前柔性直流輸電領域所有的國(guó)際電工委員會（IEC）标準，大幅度提高了我國(guó)電力領域的國(guó)際影響力和話語權。

十餘年的時間裡(lǐ)，全球能(néng)源互聯網研究院的研究團隊在新一代電壓源直流換流器的基礎理論、關鍵技術、設備研發(fā)、工程應用等方面(miàn)取得了豐碩的成(chéng)果，開(kāi)辟了一條新的柔性直流輸電技術路線，爲中國(guó)乃至世界電力領域的創新變革提供了戰略選擇，也對(duì)全球能(néng)源和電力發(fā)展格局産生了深刻的影響。

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