文章來源：國家電網有限公(gong)司 發布時間：2022-03-22
我國風(feng)能、太陽能資源豐富，但它(ta)們卻像草原上的野(ye)馬，性(xing)情不(bu)定，難以馴服(fu)。
如何馴(xun)服風光能源這匹野馬，讓(rang)風光綠(lv)能大(da)顯身手，從能源舞臺的配角變為(wei)主角，成為(wei)保障國家經濟社會健康發展(zhan)的強(qiang)大(da)支(zhi)撐，這是立(li)足(zu)新(xin)發展(zhan)階段(duan)，貫徹(che)新(xin)發展(zhan)理念，構建新(xin)發展(zhan)格局面(mian)臨的一個重大(da)戰略問(wen)題。
有這樣一(yi)個(ge)團(tuan)隊，短短幾年時間，他們突破一(yi)個(ge)個(ge)世(shi)界級(ji)難題，創造(zao)一(yi)項項世(shi)界第一(yi)。在他們的努(nu)力下，特高壓(ya)直流輸電成(cheng)為(wei)國家戰略級(ji)技(ji)術，和高鐵、北斗(dou)一(yi)樣，成(cheng)為(wei)享(xiang)譽世(shi)界的“中國名片”。
他(ta)們，是國家電網經研院直(zhi)流技術攻關團隊(dui)，他(ta)們，被稱(cheng)作馴服風光野馬的“追風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠(lv)色、低碳是中(zhong)國能源的(de)發(fa)展方向，而服務新能源大規模(mo)開發(fa)利用，正是柔性直流輸電技術的(de)優(you)勢所在。
國網(wang)經研院作(zuo)為(wei)國家電網(wang)的技術支撐單位，多年前就意識到柔性(xing)直(zhi)流輸電對新能(neng)源(yuan)匯(hui)集送出的重(zhong)要性(xing)。為(wei)了(le)馴服風(feng)能(neng)、太陽能(neng)，2012年他們便開展了(le)大量基礎性(xing)研究。
當(dang)時我國(guo)在(zai)柔性(xing)直流輸電技術方面沒(mei)有任(ren)何經驗，國(guo)外(wai)相關(guan)核心(xin)技術又嚴加封(feng)鎖。“在(zai)接(jie)到項目任(ren)務時，攻關(guan)團隊(dui)每個人心(xin)中都惴(zhui)惴(zhui)不安(an)，完全(quan)沒(mei)有成功的(de)把握(wo)，有的(de)同志提出以市場(chang)換技術的(de)方式找外(wai)方搞技術引(yin)進(jin)，但幾次接(jie)觸下來，技術轉(zhuan)讓條件苛刻，我們根本無法接(jie)受。”國(guo)網經研院直流技術中心(xin)主任(ren)樂波坦言(yan)。
這支(zhi)攻關團(tuan)隊(dui)太年輕了(le)，剛組建時平均年齡(ling)還不到(dao)30歲。帶著一股開拓創新、永不服輸(shu)的拼(pin)勁，他們開始了(le)披荊斬棘(ji)的闖關之旅(lv)。
柔性(xing)直流系(xi)統設計(ji)的(de)第一(yi)步是確定(ding)主接線，這是系(xi)統設計(ji)的(de)“綱(gang)”和“領”：確定(ding)系(xi)統采用哪些主要(yao)設備(bei)，這些設備(bei)怎(zen)么布置(zhi)、怎(zen)么配合，如同(tong)家里裝修要(yao)先(xian)畫(hua)好電(dian)(dian)路圖(tu)，確定(ding)開關、插座、照(zhao)明等的(de)位置(zhi)，才能保證所有電(dian)(dian)器的(de)用電(dian)(dian)安(an)全和正(zheng)常工作。
舟山工程(cheng)是(shi)國(guo)家電網(wang)第一個商業化(hua)的柔性直(zhi)流工程(cheng)，也是(shi)世界首個五(wu)端(duan)柔性直(zhi)流工程(cheng)，主接線要比國(guo)外的兩(liang)端(duan)工程(cheng)復(fu)雜得多(duo)(duo)。整個工程(cheng)要用的設(she)備(bei)有上(shang)百(bai)種(zhong)，每種(zhong)設(she)備(bei)又有多(duo)(duo)種(zhong)型(xing)式，排列組(zu)合(he)起來就有上(shang)千種(zhong)，許(xu)多(duo)(duo)設(she)備(bei)連見都沒見過，更別說熟練使用和布置。
接到任(ren)務后，團隊迅速分(fen)(fen)工，有(you)的(de)總結以(yi)前(qian)常規(gui)工程的(de)設計(ji)經驗，有(you)的(de)研(yan)究新設備的(de)功能和(he)特點(dian)，有(you)的(de)開(kai)展(zhan)理論分(fen)(fen)析(xi)，有(you)的(de)搭建仿(fang)真模型(xing)。他們(men)曾(ceng)提(ti)出(chu)幾十(shi)種方案(an)，但(dan)經過反復(fu)仿(fang)真分(fen)(fen)析(xi)，都滿(man)足不(bu)了五端直流安全穩定(ding)運行的(de)要(yao)求。
只好(hao)全(quan)部推倒，從頭再來。
經過數月的閉關修(xiu)煉，世(shi)界首個(ge)五端(duan)柔性(xing)直流工程主接線(xian)終于(yu)完成，徹底打破未(wei)來可能的外方知識產權限(xian)制，完全做到自主化設計。
舟山工(gong)(gong)程后，他們又攻下供電可靠性(xing)要求更高的(de)廈(sha)門工(gong)(gong)程。“現在，外(wai)方為了提高工(gong)(gong)程可靠性(xing)，反而模仿起中國方案，我們的(de)身(shen)份也實現了從學生到老師的(de)華麗(li)轉(zhuan)變。”樂波(bo)說。
在沒有任何資料(liao)可供借(jie)鑒的(de)情況下(xia)，攻(gong)關團(tuan)隊拿(na)下(xia)了一(yi)個又一(yi)個世界難題(ti)，實(shi)(shi)現多項(xiang)技術“零”的(de)突破，形成一(yi)套(tao)完(wan)整的(de)柔性直流輸電(dian)成套(tao)設(she)計體系，徹底擺(bai)脫了“洋拐棍(gun)”，實(shi)(shi)現了柔性直流輸電(dian)技術領域的(de)“彎道超車”和“中(zhong)國(guo)引領”。
不設權威 自由發揮 鼓勵原創，創造12項世界第一
2020年6月(yue)29日，張北(bei)柔性直流電(dian)網工(gong)(gong)程(cheng)竣工(gong)(gong)投產(chan)，來自(zi)草原的(de)(de)綠(lv)色動能點亮了(le)京(jing)城的(de)(de)萬(wan)家燈火。張北(bei)工(gong)(gong)程(cheng)不僅能夠(gou)滿足(zu)冬奧(ao)會(hui)的(de)(de)100%清潔供(gong)電(dian)需(xu)求，還(huan)將每(mei)年向北(bei)京(jing)輸送225億度清潔電(dian)力，相當于北(bei)京(jing)年用電(dian)量(liang)的(de)(de)十分之一。
“柔性(xing)直(zhi)流電(dian)(dian)網技術(shu)可以控(kong)制電(dian)(dian)能(neng)靈活轉向，適應新能(neng)源(yuan)的(de)波(bo)動，是(shi)目前世(shi)界(jie)上最(zui)先進(jin)的(de)輸電(dian)(dian)技術(shu)。”樂波(bo)說，張(zhang)北工(gong)程采用我國原創、世(shi)界(jie)領先的(de)柔性(xing)直(zhi)流電(dian)(dian)網新技術(shu)，把過去不可控(kong)的(de)風能(neng)變為可控(kong)優質電(dian)(dian)能(neng)。“工(gong)程創造了12項(xiang)世(shi)界(jie)第一(yi)，提(ti)出了破解新能(neng)源(yuan)大(da)規(gui)模開發利用世(shi)界(jie)級(ji)難題的(de)中國方(fang)案。”
12項沉甸甸的世界第一，凝(ning)聚著科研人員克服重(zhong)重(zhong)困難、戰(zhan)勝層(ceng)層(ceng)挑戰(zhan)所付出(chu)的艱辛和(he)努力。
靈活可靠消納新(xin)能(neng)源，首先碰(peng)到(dao)的(de)難題(ti)是要(yao)研制確保電網(wang)安全的(de)新(xin)設備、新(xin)技術。“直(zhi)流(liu)電網(wang)設計的(de)難點在于要(yao)應對(dui)不經常(chang)發(fa)生的(de)嚴重故障，解決這個(ge)問題(ti)，就必須找到(dao)能(neng)確保電網(wang)安全的(de)速效救心(xin)丸。”團隊(dui)技術骨干李探博士說。
李探一畢(bi)業，就和團(tuan)隊一頭扎入柔性直流(liu)電網的(de)資料堆，從(cong)查公式、編程序開始，一晃就是5年(nian)。研發之初(chu)，由于(yu)相關(guan)技術在(zai)世界范圍內都處于(yu)完全空白狀態(tai)，沒有任何經驗可供借鑒(jian)，團(tuan)隊只(zhi)能從(cong)零(ling)開始。然(ran)而正(zheng)是這(zhe)張(zhang)白紙，給年(nian)輕(qing)的(de)科研人員(yuan)們提供了從(cong)理論到實踐(jian)的(de)廣闊舞臺。
不設(she)權(quan)威、自由發揮、鼓勵原(yuan)創是團隊組建時確定的(de)工作原(yuan)則。從“半(ban)橋(qiao)(qiao)式換流(liu)閥+直流(liu)斷路器(qi)”到“全橋(qiao)(qiao)式換流(liu)閥”，他們大(da)膽假設(she)、小心求證，從“交流(liu)耗(hao)能裝置(zhi)”到“直流(liu)耗(hao)能裝置(zhi)”，他們嚴謹(jin)細致、一(yi)絲不茍。經歷了(le)數月“白加黑”“5+2”的(de)鏖(ao)戰，終于實現了(le)“首臺套”直流(liu)斷路器(qi)和交流(liu)耗(hao)能裝置(zhi)的(de)重大(da)技術突(tu)破。
張北工(gong)程的(de)聯調試驗需要依賴于新能(neng)源和柔(rou)性直(zhi)流電網的(de)真實(shi)模(mo)型，這兩(liang)個高度復雜的(de)系統，單(dan)獨拿出來進(jin)行建模(mo)已經困難重重，進(jin)行聯合測試更是從未有過先例。
400多(duo)面控制屏柜(ju)，通過上萬根線纜連接起來，將(jiang)新能源和(he)四(si)座換流站組合(he)在一(yi)起，建立起反映電網真實特性(xing)的超大(da)規模(mo)仿真系統。僅啟動一(yi)次，就要花費數小時。
“這(zhe)只是邁出了平(ping)臺構建(jian)的(de)第一(yi)步(bu)。”實驗室負責(ze)人厲璇介(jie)紹，“在資源條件(jian)有限的(de)情(qing)況下，還要(yao)準(zhun)確刻(ke)畫復雜系統的(de)快(kuai)速(su)變化特性，這(zhe)是更加關鍵的(de)一(yi)步(bu)。”
幾(ji)十(shi)個(ge)新能源(yuan)場站(zhan)，四端柔性(xing)直(zhi)流電網(wang)，包(bao)含了(le)(le)數十(shi)萬元件，上萬根(gen)光纖，對系(xi)(xi)統(tong)的(de)實(shi)(shi)(shi)時運算(suan)(suan)能力提出(chu)了(le)(le)嚴峻挑戰。為(wei)了(le)(le)實(shi)(shi)(shi)現實(shi)(shi)(shi)時運算(suan)(suan)，如此龐大(da)的(de)系(xi)(xi)統(tong)在每(mei)個(ge)毫秒都要(yao)進行幾(ji)十(shi)億(yi)次仿真(zhen)計算(suan)(suan)，這儼(yan)然是(shi)一個(ge)超(chao)級計算(suan)(suan)系(xi)(xi)統(tong)，超(chao)算(suan)(suan)能力對系(xi)(xi)統(tong)配置提出(chu)了(le)(le)不可能達到的(de)要(yao)求。
為了(le)實(shi)現實(shi)時運算目標(biao)，必(bi)須另辟蹊徑。“將系(xi)統和元(yuan)件(jian)進行有(you)效簡化(hua)后(hou)，我(wo)們所提出的(de)多項等值(zhi)技術(shu)將仿(fang)真(zhen)速(su)度提升了(le)近60%，完(wan)全達到工程(cheng)精度。”厲璇(xuan)說(shuo)。在對模型進行逐步等值(zhi)的(de)過程(cheng)中，科研人員們經(jing)歷了(le)種種坎坷和失敗，一個錯誤的(de)脈沖信號(hao)，一個程(cheng)序(xu)的(de)細微漏洞，一個設置不合理的(de)參數，都容(rong)易(yi)導致系(xi)統報錯或失穩奔潰。
一(yi)遍又一(yi)遍的(de)檢查設(she)備，一(yi)次又一(yi)次的(de)核對接線(xian)是(shi)團(tuan)隊每天的(de)日(ri)常工(gong)作，一(yi)條通道調試(shi)不通就從頭再(zai)來。
在團(tuan)隊(dui)齊(qi)心(xin)協力下，終于(yu)建立(li)起世界首個大規模新能源柔直(zhi)并網硬件在環實時(shi)仿(fang)真試驗(yan)系統(tong)。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青(qing)海是我國(guo)清(qing)潔能(neng)源(yuan)最(zui)豐富的(de)省(sheng)份之一，新能(neng)源(yuan)發(fa)電(dian)量已經(jing)(jing)超過青(qing)海省(sheng)全(quan)省(sheng)用(yong)電(dian)負荷(he)，亟需(xu)將大量富余的(de)清(qing)潔電(dian)力送到上千(qian)公里之外的(de)中東部負荷(he)中心，變(bian)資(zi)源(yuan)優勢為經(jing)(jing)濟優勢。
特(te)高(gao)壓直(zhi)流技術(shu)成(cheng)(cheng)熟、成(cheng)(cheng)本較低，在大(da)容量(liang)遠距離電(dian)能(neng)(neng)輸(shu)送方面具有(you)獨特(te)優勢。因(yin)此，青海的新能(neng)(neng)源必須通過特(te)高(gao)壓直(zhi)流技術(shu)進行遠距離大(da)規(gui)模消納。然而，傳統特(te)高(gao)壓直(zhi)流猶如高(gao)速列(lie)車，運(yun)載量(liang)大(da)、一站直(zhi)達，而始發站的太(tai)陽能(neng)(neng)、風(feng)能(neng)(neng)等清(qing)潔(jie)能(neng)(neng)源就(jiu)像(xiang)自由出行的游客，何時出行、多(duo)少(shao)人(ren)出行均具有(you)隨(sui)機性。因(yin)此，對(dui)(dui)傳統特(te)高(gao)壓技術(shu)升級改造才能(neng)(neng)更好(hao)實現對(dui)(dui)新能(neng)(neng)源的高(gao)效送出。
“能否將(jiang)匯集新(xin)(xin)能源(yuan)的(de)系(xi)統電壓(ya)(ya)控制穩(wen)(wen)定(ding)是工程設(she)計的(de)關鍵(jian)點。”項(xiang)(xiang)目(mu)負責人盧亞軍向記(ji)者介(jie)紹。多年來，國網經研院(yuan)直(zhi)流技(ji)(ji)術攻關團隊提出(chu)的(de)“升級版”特高(gao)壓(ya)(ya)技(ji)(ji)術，涵(han)蓋了(le)多項(xiang)(xiang)穩(wen)(wen)定(ding)系(xi)統電壓(ya)(ya)的(de)獨門(men)絕技(ji)(ji)，這些措施在專門(men)輸送(song)新(xin)(xin)能源(yuan)的(de)青海(hai)—河(he)南（青豫）±800千伏特高(gao)壓(ya)(ya)直(zhi)流工程中得到成功應用(yong)，實現了(le)成果轉化，極大(da)提升了(le)特高(gao)壓(ya)(ya)直(zhi)流對(dui)新(xin)(xin)能源(yuan)送(song)出(chu)的(de)適應性(xing)。
換(huan)(huan)(huan)(huan)流(liu)站(zhan)連接著(zhu)縱橫千里的(de)直(zhi)流(liu)輸(shu)電線(xian)路(lu)，仿佛人體的(de)心臟，是直(zhi)流(liu)輸(shu)電工程(cheng)最重要的(de)能源轉換(huan)(huan)(huan)(huan)樞紐，交(jiao)流(liu)和直(zhi)流(liu)的(de)變換(huan)(huan)(huan)(huan)就在(zai)這里完成。青海換(huan)(huan)(huan)(huan)流(liu)站(zhan)海拔(ba)達2900米，是世界上海拔(ba)最高(gao)的(de)特高(gao)壓(ya)換(huan)(huan)(huan)(huan)流(liu)站(zhan)，空氣稀薄，設備也會缺(que)氧，耐受高(gao)電壓(ya)的(de)能力大(da)幅下(xia)降(jiang)。
“我們(men)對直流系統(tong)的過電(dian)壓(ya)水平(ping)進行了上百次迭代仿真校核，優(you)化了高海拔下(xia)均(jun)壓(ya)電(dian)極設(she)計，有效縮短了設(she)備間(jian)的空(kong)氣間(jian)隙，確保設(she)備運行萬無(wu)一失，根本上消除(chu)了設(she)備的高原反應，保證(zheng)了高原換(huan)流站的運行性能與平(ping)原保持(chi)一致(zhi)。”盧(lu)亞(ya)軍說。
考驗接踵而來。
由于風光能源不(bu)穩定，功率波動大，電(dian)網(wang)對變壓器的(de)電(dian)壓調(diao)節能力要求較以往工(gong)程更高。分(fen)接開關(guan)是變壓器執行電(dian)壓調(diao)節功能的(de)最核心裝(zhuang)備，其設計一直(zhi)是制(zhi)約國(guo)產化的(de)“卡脖子(zi)”技(ji)術難題(ti)。如何提高分(fen)接開關(guan)的(de)運(yun)行可靠性，是擺在團隊面前(qian)必須(xu)解決的(de)一道難題(ti)。
科(ke)研(yan)團隊深入研(yan)究了(le)(le)各種(zhong)(zhong)技術措(cuo)施可能性(xing)，提出了(le)(le)幾(ji)十種(zhong)(zhong)技術方案(an)，推導(dao)了(le)(le)上百頁(ye)分(fen)析算稿，經(jing)過(guo)反復研(yan)究論證仿真，確定了(le)(le)通過(guo)有(you)效(xiao)降低分(fen)接開關(guan)動作(zuo)次(ci)數(shu)提高(gao)系統可靠性(xing)的(de)技術方案(an)，最終實現(xian)分(fen)接開關(guan)動作(zuo)次(ci)數(shu)減少90%，顯(xian)著提高(gao)了(le)(le)設備使(shi)用壽命，保障(zhang)了(le)(le)工程的(de)順利投運和安全運行。同時，研(yan)究成果也在所有(you)已投運的(de)特高(gao)壓(ya)工程中推廣應用。
2020年12月30日，青豫工程(cheng)正式投入商(shang)業運行，來自青藏高原的可再生能源跨越(yue)千(qian)里(li)，點亮中原。
“電力天(tian)路(lu)在(zai)我們手里從規劃變(bian)成現實，成為造(zao)福人民的幸(xing)福之(zhi)路(lu)、光明之(zhi)路(lu)和清(qing)潔之(zhi)路(lu)。”樂(le)波說(shuo)。
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