北極星輸配電網(wǎng) 來源：電網(wǎng)頭條作者：李婕茜
張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程、廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程、舟山±200千伏五端柔性直流輸電科技示范工程、上海南匯柔性直流輸電工程……在能源電力領(lǐng)域，這一個個具有重大科技示范意義的創(chuàng)新工程，都應(yīng)用了一項共同的先進技術(shù)——柔性直流輸電技術(shù)。
柔性直流輸電技術(shù)是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、可控性好、適應(yīng)性強、運行方式靈活、同等容量占地規(guī)模小等特點，是提升可再生能源接納能力、支撐能源轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要技術(shù)手段。
十余載攻堅克難、勇攀高峰，國家電網(wǎng)有限公司始終堅持自主創(chuàng)新，向著電力領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性和發(fā)展前景的高端技術(shù)持續(xù)發(fā)力，不斷將“卡脖子”技術(shù)清單變成攻堅項目清單，將技術(shù)“無人區(qū)”變成創(chuàng)新“新藍海”，推動我國柔性直流輸電技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用取得從無到有的創(chuàng)新突破，實現(xiàn)“中國創(chuàng)造”和“中國引領(lǐng)”，在能源科技強國建設(shè)和實現(xiàn)高水平科技自立自強中貢獻國網(wǎng)力量。
堅持自主創(chuàng)新，實現(xiàn)我國柔性直流輸電技術(shù)“零的突破”
柔性直流輸電技術(shù)是破解清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)消納難題的“金鑰匙”，是能源有效駕馭和高效轉(zhuǎn)換最關(guān)鍵的技術(shù)之一，對電網(wǎng)具有十分重要的意義。
然而，征服柔性直流輸電技術(shù)高峰卻并非易事。
由于我國的相關(guān)研究起步晚，加之國際上對柔性直流輸電技術(shù)嚴格保密，從未發(fā)表過一篇文章、一份圖紙、一張照片，相關(guān)材料極度缺乏，我國的柔性直流輸電技術(shù)研發(fā)工作一直推進緩慢，在2004年之前僅開展過一些跟蹤性研究。面對研究基礎(chǔ)薄弱、沒有可供借鑒的技術(shù)經(jīng)驗等實際情況，公司作為“大國重器”和“頂梁柱”，組織骨干研發(fā)團隊，毅然破冰啟航、迎難而上，開啟了我國柔性直流輸電技術(shù)的系統(tǒng)性研發(fā)工作。
2006年5月，公司組織電力領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者召開《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》研討會，系統(tǒng)提出了柔性直流輸電技術(shù)研究總體規(guī)劃，全面啟動了柔性直流輸電重大科技專項。我國柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的序曲正式奏響。同一年，在公司的支持下，時任中國電力科學(xué)研究院電力電子所所長、輸配電工程中心副主任湯廣福帶領(lǐng)的柔性直流技術(shù)研發(fā)團隊制訂了柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架，確定了“基礎(chǔ)理論—關(guān)鍵技術(shù)—設(shè)備研制—工程示范”的總體技術(shù)路線。
依托一系列科技項目，基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究逐步深化。研發(fā)團隊通過機理分析、公式推導(dǎo)、模型搭建與仿真驗證等方式反復(fù)求證，成功發(fā)現(xiàn)了交直流變換過程中的電能轉(zhuǎn)移規(guī)律，創(chuàng)造了系列仿真和試驗研發(fā)手段，掌握了系列關(guān)鍵技術(shù)方法，在國內(nèi)首次建立起柔性直流輸電技術(shù)研究的基礎(chǔ)理論體系。
2007年年底，公司在上海南匯風(fēng)電場開展柔性直流輸電技術(shù)工程示范，開始了適用于高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)路線的探索與嘗試。當時，國外企業(yè)采用的技術(shù)路線存在運行損耗大、容量擴展困難等問題。公司創(chuàng)新提出采用模塊化多電平換流器拓撲的設(shè)想。而西門子、ABB等知名跨國公司也幾乎同時啟動了高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)研究。
一路摸爬滾打、創(chuàng)新實踐，公司研發(fā)人員頂著壓力開展數(shù)百次實驗研制換流閥樣機、攻關(guān)數(shù)字電路在高電位場合的高耐壓能力和高抗電磁干擾難題、連續(xù)開展10多次設(shè)計迭代和50余次專家技術(shù)評審會……在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心設(shè)備研制、試驗?zāi)芰ㄔO(shè)和工程系統(tǒng)集成等方面取得全面突破后，2011年7月，公司在上海南匯建成亞洲首個柔性直流輸電工程，實現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域“零的突破”。該工程成為風(fēng)電場并網(wǎng)典型案例，被列入國際大電網(wǎng)會議組織（CIGRE）370導(dǎo)則。公司也成為繼ABB、西門子之后，第三家完全掌握柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計、試驗、調(diào)試和生產(chǎn)全系列核心技術(shù)的企業(yè)，與世界知名跨國企業(yè)同場競技。
至此，公司柔性直流輸電技術(shù)研究開始不斷向著大容量、多端、雙極、背靠背等方向邁進。公司持續(xù)開展探索和創(chuàng)新實踐，全力推進關(guān)鍵成果應(yīng)用，力爭在更高電壓等級、更大輸送容量、更高技術(shù)水平上取得新突破，努力把競爭和發(fā)展的主動權(quán)牢牢掌握在自己手中。
持續(xù)攻堅克難，推動裝備技術(shù)和工程示范邁上新臺階
“地基”逐步打牢、打深，我國柔性直流輸電技術(shù)實現(xiàn)了從基礎(chǔ)理論研究到高壓大容量成套設(shè)備研制的巨大飛躍。公司持續(xù)攻關(guān)更高參數(shù)等級的柔性直流輸電裝備，緊鑼密鼓加快工程示范步伐，推動更多創(chuàng)新工程落地。
浙江舟山，1300多個島嶼星羅棋布。2014年7月4日，世界首個五端柔性直流輸電工程——浙江舟山±200千伏五端柔性直流輸電科技示范工程投運。這是公司具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的重大科技示范工程。工程投運兩年后，公司自主研發(fā)的全球首個200千伏高壓直流斷路器及快速恢復(fù)裝置成功應(yīng)用其中。該斷路器可在3毫秒內(nèi)斷開一條200千伏高壓直流輸電線路產(chǎn)生的高達15000安的故障電流，速度比人眨眼還要快100倍。這標志著高壓直流電難以快速斷開的世界級技術(shù)難題被攻克，直流輸電核心裝備研發(fā)和制造取得了重大突破，我國柔性直流輸電裝備和技術(shù)邁上新的臺階，走在世界前列。
在舟山柔直系統(tǒng)直流斷路器和阻尼恢復(fù)技術(shù)示范工程投運現(xiàn)場，中國工程院院士鄭健超興奮地說：“直流斷路器研制成功并通過所有試驗投入工程化應(yīng)用，為未來更高電壓等級的直流電網(wǎng)發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。”
今年，舟山柔直工程又有了新突破。4月10日，舟山柔直輸電系統(tǒng)舟泗換流站滿功率運行超過24小時，標志著工程大功率試驗全面取得成功，具備五站滿功率運行條件，將實現(xiàn)海上風(fēng)電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等新能源全額消納。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的大背景下，柔直系統(tǒng)設(shè)備和線路承載力進一步增強，為新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)做好了準備。
距離舟山900多千米的廈門，世界首個采用真雙極接線方案的柔性直流輸電工程——廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程正在實施可靠性提升改造工程，進一步提升系統(tǒng)能量可利用率。該工程于2015年12月17日投運，標志著我國全面掌握了高壓大容量柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)和工程成套能力。
“如果把工程比作橫跨廈門島的一座橋，把輸送的電能比作車流，那真雙極的設(shè)計就相當于在常規(guī)雙向車道中又增加了一個雙向備用車道。如果任一車道出現(xiàn)故障，我們就可以啟用備用通道來保障電流正常通過。即使任一方向的車道全部堵塞，備用通道也可保障一半的電能順利通過。”時任國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司柔直換流站負責(zé)人鄭國順解釋說。
作為直流電和交流電相互轉(zhuǎn)換的橋梁，換流閥是柔性直流項目中技術(shù)含量最高、挑戰(zhàn)最大的主設(shè)備之一。應(yīng)用于廈門柔直工程的±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流閥及閥控設(shè)備由公司自主研發(fā)，曾被周孝信、鄭健超、潘垣、沈國榮、雷清泉、王天然、余貽鑫7位院士評價為“性能優(yōu)異，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品核心技術(shù)和總體技術(shù)性能處于國際領(lǐng)先水平”。該項技術(shù)成果后續(xù)又推廣應(yīng)用于世界首個投入商業(yè)運行、電壓等級最高、容量最大的柔性直流背靠背工程——渝鄂背靠背柔性直流工程，有力保障了區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
厚積薄發(fā)，蓄力前行。隨著柔性直流系統(tǒng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)、千兆瓦級柔性直流核心裝備設(shè)計技術(shù)、柔性直流電網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)等難題被攻克，柔性直流技術(shù)開始更加廣泛地應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)等場景，真正成為大規(guī)模可再生能源廣域協(xié)調(diào)互補和可靠送出的解決方案。
實現(xiàn)“中國引領(lǐng)”，加快技術(shù)、標準、裝備一體化“走出去”
壩上張北草深林密，天藍水清。清涼的風(fēng)從草原拂過，牽動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)，化為清潔電能。
2020年6月29日，張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程投運。張北地區(qū)的清潔電能沿著這條“綠色高速路”匯入北京電網(wǎng)，每年約140億千瓦時的綠電通過該工程送至京津冀地區(qū)——北京冬奧會場館實現(xiàn)了奧運史上首次100%清潔能源供電。
張北柔直工程不僅是實現(xiàn)清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)、推動能源革命、踐行綠色冬奧理念的標志性工程，也是世界首個實現(xiàn)直流電網(wǎng)構(gòu)建的重大科技試驗示范工程。工程核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備均為國際首創(chuàng)，創(chuàng)造了12項世界第一，在加速送端地區(qū)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化、推動我國電工裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級等方面具有十分顯著的綜合效益。
作為世界首個柔性直流電網(wǎng)工程，張北柔直工程可借鑒的經(jīng)驗少，原始創(chuàng)新難度極大。從方案論證到生產(chǎn)準備、從控制保護聯(lián)調(diào)到現(xiàn)場試驗的各個環(huán)節(jié)，公司科研人員始終堅持在消化吸收的基礎(chǔ)上創(chuàng)新突破，最終成功將柔性直流輸電電壓提升至±500千伏、單換流器額定容量提升到150萬千瓦，實現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)與新型裝備技術(shù)的融合，解決了新能源大規(guī)模并網(wǎng)難、遠距離傳輸難、源網(wǎng)荷平衡難等問題，進一步推動我國柔性直流輸電技術(shù)和直流電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展，帶動電網(wǎng)技術(shù)和裝備制造產(chǎn)業(yè)升級，為直流技術(shù)和重大裝備“走出去”創(chuàng)造了有利條件。
從“追趕”走向“引領(lǐng)”，從自力更生“摸著石頭過河”到全方位“走出去”參與國際競爭，國家電網(wǎng)人一路攻堅克難、砥礪奮進，不斷攀登柔性直流技術(shù)高峰。如今，我國已全面完成了柔性直流輸電技術(shù)從追趕到引領(lǐng)的跨越式發(fā)展。公司也用實力在國際市場上樹立了柔性直流輸電技術(shù)的金字招牌。
德國當?shù)貢r間3月10日，由中國國家電網(wǎng)公司所屬國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司、南瑞集團中電普瑞電力工程有限公司和美國McDermott公司組成的聯(lián)合體與歐洲輸電網(wǎng)運營商TenneT公司在德國簽署B(yǎng)orWin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程換流站合同。
多年來，公司積極布局開展海上風(fēng)電柔性直流技術(shù)研究，在系統(tǒng)接入、直流裝備定制化開發(fā)、工程成套設(shè)計等方面取得了深厚的技術(shù)積累。從2017年起，國網(wǎng)智研院與歐洲電網(wǎng)企業(yè)開展技術(shù)合作和業(yè)務(wù)洽談，在歐洲先后參與并中標多個柔性直流工程的技術(shù)論證和初步設(shè)計項目。本次簽約標志著公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔性直流輸電技術(shù)和直流換流閥等高端電氣設(shè)備具備了國際領(lǐng)先的核心競爭力，是公司推動技術(shù)、標準、裝備一體化“走出去”的重要成果，對高質(zhì)量共建“一帶一路”、深化中歐綠色能源合作具有重要意義。
如今，在共建“一帶一路”倡議下，柔性直流輸電技術(shù)穿針引線，既推動了我國電力裝備技術(shù)深度參與國際競爭，也助力我國電網(wǎng)企業(yè)順利贏得海外市場，為我國電力工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來了新的歷史機遇。
