文章來(lai)源：科技(ji)日報 發布時間(jian)：2021-09-04
世界首(shou)個直流(liu)電(dian)(dian)網——張北(bei)(bei)可再生能源柔性直流(liu)電(dian)(dian)網試(shi)驗(yan)示范工程，在(zai)經過了168小時調(diao)試(shi)和試(shi)運(yun)(yun)行之后，6月29日正式投運(yun)(yun)張。北(bei)(bei)地區富(fu)集(ji)的可再生能源成功接入首(shou)都電(dian)(dian)網，2022年(nian)北(bei)(bei)京(jing)(jing)冬奧會所(suo)有場館實現奧運(yun)(yun)史上首(shou)次(ci)100%清(qing)潔能源供電(dian)(dian)有了保障，北(bei)(bei)京(jing)(jing)全市用電(dian)(dian)負荷的1/10也就此實現清(qing)潔化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有(you)史以(yi)(yi)來所(suo)有(you)的電(dian)網都是交流電(dian)網。”國家電(dian)網有(you)限(xian)公(gong)司表示(shi)，由于交、直流輸電(dian)本身技術特(te)性所(suo)限(xian)，直流輸電(dian)主(zhu)要用于點對點、遠距(ju)離、大容量(liang)電(dian)源(yuan)外送，而(er)不能組網；交流輸電(dian)則(ze)可以(yi)(yi)滿足常(chang)規電(dian)源(yuan)送出和電(dian)網互(hu)聯(lian)需求，且成(cheng)本低。
以風電、光伏(fu)發電為(wei)代表的“隨(sui)機(ji)性(xing)、波動性(xing)、間歇性(xing)可再(zai)生能(neng)源(yuan)的大規模(mo)接入，對傳(chuan)統輸電方式提(ti)出了巨大挑(tiao)戰”，按國網公司特高壓(ya)部主任(ren)王紹武的說法，可再(zai)生能(neng)源(yuan)接入電網，“遇到原理(li)性(xing)障礙”。
對此，國網經研院直(zhi)(zhi)流(liu)中心主任樂波(bo)解釋(shi)，交(jiao)流(liu)電網需要同時關注有功(gong)和無(wu)功(gong)平衡，功(gong)率流(liu)向是靠(kao)電網的(de)自然阻抗特性分布，可(ke)控(kong)(kong)性差，不靈活；而(er)直(zhi)(zhi)流(liu)輸電能夠平抑(yi)隨機波(bo)動的(de)功(gong)率，保證負荷平穩供電，更適合大(da)規模可(ke)再生能源接入，但由于“直(zhi)(zhi)流(liu)電流(liu)沒有過零(ling)點，直(zhi)(zhi)流(liu)斷路(lu)器、大(da)容量換流(liu)閥等(deng)設備研發難度大(da)，控(kong)(kong)制系統復(fu)雜”，在(zai)柔性直(zhi)(zhi)流(liu)技術成熟之前，“直(zhi)(zhi)流(liu)組(zu)網很(hen)難實現”。
柔性直流(liu)(flexible）是20世紀90年代興(xing)起的以電壓源換流(liu)器為核(he)心的新一代直流(liu)輸電技術。國(guo)網(wang)冀北電力建設部主任田生林用(yong)“一個(ge)完全可(ke)控(kong)的水泵”來(lai)比喻，它能夠(gou)精準控(kong)制水流(liu)的方向、速(su)度和流(liu)量，從水源地準確地供水給用(yong)戶(hu)；某個(ge)水管壞了，可(ke)借助其他水管繼續供水，“這在傳統交流(liu)電網(wang)是不可(ke)想象的”。
田生林分(fen)析，這一“柔性(xing)”、靈活特征，緣(yuan)于(yu)它采(cai)(cai)用最先進的電(dian)壓源(yuan)型(xing)換流(liu)(liu)器(qi)（VSC）和(he)類似集成電(dian)路(lu)的全控器(qi)件(jian)（IGBT），與傳統直流(liu)(liu)采(cai)(cai)用類似開關的半控型(xing)晶閘管器(qi)件(jian)相比，“可(ke)控能(neng)力(li)強、功(gong)率調節速度快、運行方式靈活”，能(neng)夠(gou)有效抑(yi)制(zhi)交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)壓波動，減少功(gong)率波動對受(shou)端電(dian)網影響。所以是破(po)解新(xin)能(neng)源(yuan)大規模并網消納難題的“金鑰匙”。
配(pei)制出(chu)這把“金(jin)鑰匙”，卻不是一件容易的事情。王紹武指出(chu)，柔(rou)直技(ji)術(shu)(shu)在大(da)規模可再生能源送出(chu)等場景的工業化應用，面(mian)臨(lin)三大(da)世界級技(ji)術(shu)(shu)難題，極具(ju)挑(tiao)戰性：
一是(shi)組(zu)網技術空白。只能點(dian)對點(dian)或一次設(she)定的(de)(de)多點(dian)輸(shu)電(dian)，不具備靈活擴建、拓展為直流電(dian)網的(de)(de)能力。新(xin)能源不同于(yu)常(chang)規電(dian)源，能量密(mi)度(du)低、占地(di)面積大。不能自由組(zu)網限制了多能互(hu)補(bu)、時(shi)空互(hu)補(bu)和源網荷協同的(de)(de)空間，難以平抑新(xin)能源波(bo)動性，支撐大規模開發。
二是輸(shu)電(dian)(dian)(dian)能力受限。受IGBT器件(jian)技術水平限制，單(dan)換(huan)(huan)流器容量(liang)在100萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)上下，多(duo)數工程的(de)容量(liang)處(chu)于幾(ji)萬(wan)到(dao)幾(ji)十萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)區間，而(er)常規高壓直(zhi)流輸(shu)電(dian)(dian)(dian)的(de)單(dan)換(huan)(huan)流器容量(liang)都大于150萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)，最大已達(da)到(dao)300萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)。輸(shu)電(dian)(dian)(dian)容量(liang)偏低限制了柔直(zhi)輸(shu)電(dian)(dian)(dian)的(de)應用。
三是運行(xing)可(ke)靠性低。受IGBT器(qi)件技術原理約(yue)束，相同(tong)輸電容量(liang)下，單(dan)換流(liu)(liu)器(qi)單(dan)元的(de)串并(bing)聯半導體“芯片(pian)”數量(liang)為(wei)(wei)常(chang)規直(zhi)流(liu)(liu)的(de)100多倍，控(kong)制指令頻度為(wei)(wei)常(chang)規直(zhi)流(liu)(liu)的(de)200多倍，大(da)幅(fu)提高了保證可(ke)靠性、穩定(ding)性的(de)難度。
張北(bei)(bei)柔直工程總(zong)投資125億元，新建(jian)(jian)張北(bei)(bei)、康保(bao)、豐寧和北(bei)(bei)京(jing)4座(zuo)換(huan)流站，額(e)定(ding)電壓±500千(qian)伏，額(e)定(ding)輸電能力450萬千(qian)瓦，輸電線路長度666千(qian)米。張北(bei)(bei)、康保(bao)換(huan)流站為送電端，接入(ru)新能源，豐寧站為調解端，接入(ru)抽水蓄能，北(bei)(bei)京(jing)站為接收端，接入(ru)首都負荷(he)中心。工程于2017年12月(yue)獲國家發改委核準，2018年2月(yue)開工建(jian)(jian)設。
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±500千伏康保換流站施工現場，施工人員正在吊裝橋臂電抗器。
工程(cheng)采用我國原創、領(ling)先世(shi)界(jie)(jie)的(de)柔性(xing)直流電網新技術，創造(zao)了(le)12項(xiang)世(shi)界(jie)(jie)第一(yi)，在上(shang)述(shu)三大世(shi)界(jie)(jie)級挑戰上(shang)均(jun)取得(de)突(tu)破。
一(yi)是提出(chu)并攻(gong)克柔性(xing)直(zhi)流(liu)(liu)組網技術。建成世(shi)界首個(ge)真正(zheng)具有網絡特性(xing)的(de)直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)網，能夠可靠隔離故障，非故障元件(jian)不退出(chu)，直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)網不停運。王紹武(wu)介紹，本期為四端網絡，示范連接了風(feng)、光、儲(chu)和交流(liu)(liu)電(dian)網，可根據發(fa)(fa)展需要，靈活(huo)擴展為復雜多(duo)端網絡。自主開(kai)發(fa)(fa)的(de)±500千伏直(zhi)流(liu)(liu)斷路(lu)器具備在3毫(hao)秒內開(kai)斷25千安直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)流(liu)(liu)的(de)能力(li)，“標定(ding)了國(guo)際最高水平”。
二是將(jiang)柔性直(zhi)流(liu)(liu)(liu)的(de)輸(shu)電容量(liang)提升至(zhi)常(chang)規(gui)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)水(shui)平。單換流(liu)(liu)(liu)器容量(liang)達150萬千瓦，比國外(wai)紀錄超出(chu)50%，首次達到了±500千伏常(chang)規(gui)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)的(de)水(shui)平。立足國內，自主研(yan)發4.5千伏?、3千安大功率IGBT器件(jian)并批量(liang)用于工程，攻克了制(zhi)約我國柔性直(zhi)流(liu)(liu)(liu)發展的(de)核(he)心技術問題。
三是(shi)將柔性直流(liu)的可靠(kao)(kao)性提升至(zhi)常(chang)規(gui)直流(liu)水(shui)平。王紹武(wu)透露(lu)，成果(guo)在渝鄂背靠(kao)(kao)背工(gong)程中初步經受了運(yun)行檢驗，與早期(qi)柔直工(gong)程比，IGBT組件(jian)年失效(xiao)率(lv)由(you)6％降(jiang)至(zhi)2‰，單換流(liu)器強迫停運(yun)率(lv)由(you)平均每(mei)月超過一次降(jiang)至(zhi)每(mei)年一次，使柔性直流(liu)輸電(dian)的大規(gui)模(mo)工(gong)業(ye)化應用成為可能。
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國網(wang)方面表示，張北柔直(zhi)工程采用全(quan)新的(de)柔性(xing)直(zhi)流電(dian)(dian)網(wang)技(ji)術(shu)，獲(huo)得了超越(yue)新能(neng)源(yuan)特性(xing)和常(chang)規(gui)(gui)輸電(dian)(dian)技(ji)術(shu)的(de)高可(ke)控性(xing)，從根本(ben)上提高了電(dian)(dian)網(wang)對可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)駕馭能(neng)力。大(da)規(gui)(gui)模清潔能(neng)源(yuan)可(ke)不依賴(lai)交流電(dian)(dian)網(wang)的(de)有無和強弱，不需(xu)要傳統能(neng)源(yuan)發電(dian)(dian)的(de)支撐，直(zhi)接孤島(dao)接入柔直(zhi)電(dian)(dian)網(wang)。以柔直(zhi)電(dian)(dian)網(wang)為中心，“多(duo)點匯集(ji)”，“多(duo)能(neng)互(hu)補(bu)”，“時空互(hu)補(bu)”，“源(yuan)網(wang)荷協同”，實現可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)側自(zi)由(you)“波動”發電(dian)(dian)和負荷側可(ke)控“穩定(ding)”供電(dian)(dian)，解(jie)決“純(chun)”清潔能(neng)源(yuan)大(da)規(gui)(gui)模消(xiao)納難(nan)題(ti)。
國(guo)家(jia)能源(yuan)局(ju)(ju)介紹，全(quan)世界大(da)量待開(kai)發的(de)(de)可再(zai)生能源(yuan)能源(yuan)都處(chu)于電網薄(bo)弱地區，張(zhang)北的(de)(de)問題(ti)具有典型性(xing)(xing)。張(zhang)北柔直(zhi)工程的(de)(de)創新(xin)實(shi)踐(jian)，開(kai)拓了(le)可再(zai)生能源(yuan)大(da)規(gui)模(mo)開(kai)發利用和友好消納(na)的(de)(de)新(xin)道(dao)路。國(guo)家(jia)能源(yuan)局(ju)(ju)副局(ju)(ju)長劉寶華表示，“未(wei)來(lai)我們還要建設更多(duo)、更高水平的(de)(de)柔性(xing)(xing)直(zhi)流工程”。（記(ji) 者 ?瞿 劍）
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