“我们的目标是实现‘一大四高’。”近日，中国科学院电工所研究员王一波团队牵头的“陆上风电场群全直流发电系统及协同控制技术”项目通过验收。验收会上，面对专家组询问，王一波的回答底气十足。

“一大四高”指可再生能源全直流发电系统的大功率、高电压、高效率、高变压比、高功率密度五个关键特性。虽然美国普渡大学、ＧＥ公司等机构一直在刷新“一大四高”记录，但从公开报道来看，王一波团队仍保持着其中四项世界纪录。

“风、光发电由于并网稳定性差、集电系统复杂等问题而饱受诟病。”王一波告诉《中国科学报》，“具备‘一大四高’特性的全直流系统有可能成为解决这些问题的关键。”

新疆达坂城风电全直流示范电场。本文图片均由电工所提供

挑战全直流发电世界级难题

“理论上，直流系统的原理更简洁，但同时实现‘一大四高’的难度极大，而且相关产业链缺失让工程实现难上加难。”王一波说。

电力系统技术研究和应用联系紧密，任何创新离开配套技术、设备、产业链的支撑都举步维艰。在理论体系不完善、产业链基本空白的情况下，实现“一大四高”全直流发电系统已成为名副其实的世界级挑战。

相较于交流系统，全直流发电系统有四大优势。一是没有“无功功率”（不输出但必须损耗的功），在相同电压、功率条件下，集电和输电距离更远，覆盖半径提升30％；二是系统稳定性强，没有功角、频率和电压失稳问题，且宽频振荡风险低；三是设备用量更少，节省了集电线路、逆变器、无功补偿装置等电气设备１/3以上；四是能量传输效率更高，省去交直流变换和无功补偿等环节，降低损耗，提升了电气系统效率。

在新疆达坂城风电场，该团队研制的±30kV/5MW风电机组中压直流变换器，最大转换效率98.67%，功率密度达到116.55kW/m³。在此基础上，他们建成世界首个±30kV/5MW陆上风电全直流发电示范系统，为风电全直流发电系统高效、稳定运行奠定了基础。

“不仅如此，我们还打通了光伏和风电的直流变换器技术路径，用同一种设备解决了过去风电、光伏集电设备不同的问题。”王一波说。

“直流电压达到±30kV，就能用一个系统实现半径约30公里大范围集电。”项目负责人、电工所副研究员王环说，“我们研发的全直流发电系统不但将电气系统效率提升五至八个百分点，还成功解决了大面积、高效率集电以及大功率安全稳定并网难题。”

专家在示范电场检查。

从无到有突破直流变换器核心技术

陆上风力全直流系统及装备关键技术是王一波团队在“可再生能源直流变换器及全直流系统”研究方向的一项重要研究内容。

为解决风能、光伏全直流发电系统及核心装备技术难题，从2012年开始，王一波团队用13年时间不断攻坚，尝试了硅基、碳化硅基、氮化镓基的不同直流变换器技术路线，把直流电压等级从2千伏提高到±30千伏，转换效率从最初硅基直流变换器95%提高到碳化硅基直流变换器99.6%，多次刷新直流变换器技术的世界纪录。

实现“一大四高”的直流变换器，核心关键之一是频率高达5000赫兹以上的高频电力变压器。但是我国电网工频是50赫兹，绝大部分厂家甚至无法想象5000赫兹高频变压器是什么样子。产业空白让研究团队只能从零起步，自主研发该核心部件

2018年初，团队完成多版高频变压器设计方案后，广邀国内业内顶尖企业参与联合研制。最初，有五六家企业表达出合作意向。但当频率5000赫兹以上、电压100千瓦级、功率密度大于10千伏等严苛技术指标公布后，两家企业率先选择退出。

尽管剩余3家企业均表示有研发能力，但王一波思虑再三，还是提出了新要求：竞标厂家必须做两台样机“打擂”，谁做出两台性能参数相同或基本一致的样机谁就胜出。

“这么高的频率从未尝试过，不知道最终能做成什么样子。”王一波解释说，“厂家不计成本也许能做出一台样机，但要做出两台参数高度一致的样机，没有过硬的技术绝不可能，而且一台直流变换器需要20多台性能高度一致的高频变压器，必须验证其性能稳定才能使用。”

“尽管工频变压技术非常成熟，高频段却没有技术标准，甚至很多基本理论依然不明。”王环说，“我们研制高频变压器，必须从设计理念、核心材料、加工工艺从头研究，就连线圈的绕制方式，都需要反复试验。”

为协助合作厂家尽快造出高频变压器，王一波团队在电工所搭建实验平台，用“搭积木”方式设计方案、分析数据、测试材料。经过大半年模拟、优化性能，团队终于研制出两台参数基本一致的样机。

调试设备。

攻坚克难显担当，“科学院人不一样”

达坂城风电场地处天山山脉风口，七八级大风都是“家常便饭”。2025年12月，风电全直流发电系统调试进入关键阶段，一场寒潮不期而至，当地温度骤降至零下20多度，调试现场风雪交加，狂风甚至吹坏一扇集装箱铁门。但攻坚任务紧迫，团队成员依然冒雪坚守现场调试。

“身上裹着厚厚的棉衣、皮袄，寒风仍然像刀子一样往骨头里钻。”回忆起当时的场景，王一波感慨，那一刻总让他想起“林教头风雪山神庙”的画面，艰苦却又充满坚持的力量。

“达坂城的条件还算好的，那里后勤保障相对完善，蔬果供应充足。”王环说，从事可再生能源研究，科研阵地大多在西藏、青海、新疆、云南等偏远地区，艰苦是工作的常态。

在示范电场，科研人员多次遭遇高原反应、缺氧失眠、耳鸣心慌、蚊虫叮咬、补给不足等诸多困难，但没有人选择退缩，经常在现场一驻守就是一个多月。

“科学院的人确实不一样。”在团队实施的多项重大科研任务中，合作伙伴多次称赞，“你们确实能吃苦、能战斗、凝聚力超强。”

团队骨干和专家在示范电场。

全链条突破，助力实现“用电自由”

2024年底，一个“小问题”险些让团队崩溃。

硅堆是整流环节的关键部件，在云南光伏电站已稳定运行多年。应用到风达坂城风电场后，为提升散热效果，团队将硅堆的风冷系统改为水冷。这看似简单的技术调整，却让风电场调试始终无法正常进行。

在此后的几个月里，研究人员先后修改七八款样机，开展了无数次仿真实验，就是找不到问题所在。在厂家都“干崩溃”的情况下，科研人员仍在一个管子、一个管子地排查。

最后，他们才发现散热方式改动会影响系统分布参数，随之触发“连锁反应”导致硅堆烧毁。找到问题后，团队重新建模并提出技术方案，并创造性地设计出“动态均压技术”解决了这一难题。

“现在回头看，当时的攻坚过程确实艰难。”王环说，“一个重要原因是产业链基本空白，我们得从器件开始，包括部件、设备、系统全链开发。”

“电力系统技术研究，不是有个想法、验证理论可行就万事大吉。真正走到工程化实现阶段，会发现实际情况和理想情况，往往存在巨大差异。”王一波补充说。

十几年摸爬滚打，不仅让团队攻克了一项项技术难题，也带动了合作企业的快速成长。

“我们研发的全直流发电系统，技术水平国际领先，不仅推动了直流变换器技术发展，也带动整个产业链的发展。”王一波说。

从技术引领到产业赋能，团队走出了一条独具特色的创新之路。

目前，该团队已在直流系统领域申请了几十项国际专利和国内发明专利，同时正着手行业标准的制定。未来，团队将继续深挖直流系统基础科学问题，聚焦大功率风电机组中压直流变换技术的实用化、规模化，进一步提高功率密度、缩小系统体积，推动全直流系统的应用场景持续拓展，从陆地可再生能源发电基地，到深远海风电、绿电直供，甚至延伸到太空能源系统等重大应用场景，用可再生能源助力我们的“用电自由”。