文(wen)章來源：科技(ji)日報 發布(bu)時間：2021-09-04
世界首個直流(liu)電(dian)網(wang)——張北(bei)可(ke)再(zai)生能源柔性(xing)直流(liu)電(dian)網(wang)試驗(yan)示范工程，在經過了168小(xiao)時調試和試運行之后，6月29日正式投運張。北(bei)地(di)區富集(ji)的可(ke)再(zai)生能源成功(gong)接(jie)入首都電(dian)網(wang)，2022年(nian)北(bei)京(jing)(jing)冬奧會所有場館(guan)實現奧運史上首次100%清(qing)潔(jie)能源供電(dian)有了保(bao)障，北(bei)京(jing)(jing)全市(shi)用電(dian)負荷(he)的1/10也就此(ci)實現清(qing)潔(jie)化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有史以(yi)來所有的電(dian)網(wang)都是交(jiao)流(liu)電(dian)網(wang)。”國家電(dian)網(wang)有限公(gong)司表示，由于(yu)交(jiao)、直流(liu)輸電(dian)本身技術特性所限，直流(liu)輸電(dian)主(zhu)要用于(yu)點(dian)對點(dian)、遠(yuan)距離、大容量(liang)電(dian)源外送，而(er)不能(neng)組網(wang)；交(jiao)流(liu)輸電(dian)則可以(yi)滿足常規(gui)電(dian)源送出(chu)和電(dian)網(wang)互聯需(xu)求，且成本低。
以風電(dian)、光伏發電(dian)為(wei)代表的“隨機性(xing)、波動性(xing)、間歇性(xing)可再生能源(yuan)的大規(gui)模接入(ru)，對傳(chuan)統(tong)輸電(dian)方式提出了(le)巨大挑戰”，按(an)國網公司特高壓部(bu)主(zhu)任王紹武的說法，可再生能源(yuan)接入(ru)電(dian)網，“遇到(dao)原理性(xing)障礙”。
對(dui)此，國網經(jing)研院直(zhi)流(liu)中心(xin)主任(ren)樂波解釋，交流(liu)電網需要(yao)同時關注有功(gong)(gong)和(he)無功(gong)(gong)平(ping)(ping)衡(heng)，功(gong)(gong)率(lv)流(liu)向是靠電網的自(zi)然阻抗特性(xing)分布，可控性(xing)差(cha)，不靈活；而直(zhi)流(liu)輸電能(neng)夠(gou)平(ping)(ping)抑(yi)隨機(ji)波動的功(gong)(gong)率(lv)，保證(zheng)負(fu)荷(he)平(ping)(ping)穩(wen)供電，更適合大規(gui)模可再生能(neng)源(yuan)接入(ru)，但由于“直(zhi)流(liu)電流(liu)沒有過零點，直(zhi)流(liu)斷(duan)路器、大容量換流(liu)閥等設備(bei)研發難度大，控制系統復雜”，在(zai)柔性(xing)直(zhi)流(liu)技術(shu)成熟之前，“直(zhi)流(liu)組網很難實現”。
柔性直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(flexible）是20世紀90年代(dai)興(xing)起(qi)的(de)以電(dian)壓源換流(liu)(liu)器(qi)為核(he)心的(de)新一代(dai)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)輸電(dian)技術。國網冀北電(dian)力(li)建設部主任田生林用(yong)“一個完(wan)全可(ke)控(kong)的(de)水(shui)(shui)泵”來比喻(yu)，它能夠精準控(kong)制水(shui)(shui)流(liu)(liu)的(de)方向、速度和流(liu)(liu)量，從水(shui)(shui)源地(di)準確地(di)供水(shui)(shui)給用(yong)戶；某個水(shui)(shui)管(guan)壞(huai)了(le)，可(ke)借(jie)助其(qi)他水(shui)(shui)管(guan)繼續供水(shui)(shui)，“這在傳統交流(liu)(liu)電(dian)網是不可(ke)想象的(de)”。
田生林分析(xi)，這一(yi)“柔性”、靈活特征，緣于它采(cai)用最先進的(de)電(dian)壓(ya)源型換流器(qi)(qi)（VSC）和類似集成電(dian)路的(de)全控(kong)(kong)器(qi)(qi)件（IGBT），與(yu)傳統直流采(cai)用類似開關的(de)半控(kong)(kong)型晶閘管(guan)器(qi)(qi)件相比，“可(ke)控(kong)(kong)能力強(qiang)、功率(lv)調節速度快、運行方式靈活”，能夠有效(xiao)抑制交流電(dian)壓(ya)波動，減少(shao)功率(lv)波動對受端電(dian)網(wang)(wang)影響。所以(yi)是破解(jie)新能源大規(gui)模并(bing)網(wang)(wang)消納難題的(de)“金鑰匙”。
配制出(chu)這把“金(jin)鑰(yao)匙(chi)”，卻(que)不是一(yi)件容易(yi)的事情。王(wang)紹武指出(chu)，柔直技(ji)術在大規模可再生能(neng)源送(song)出(chu)等(deng)場景的工業化應(ying)用(yong)，面臨(lin)三(san)大世界級技(ji)術難(nan)題，極具挑(tiao)戰性(xing)：
一是組(zu)網技術空(kong)白(bai)。只能(neng)(neng)(neng)(neng)點(dian)對點(dian)或一次設(she)定的多點(dian)輸(shu)電(dian)，不(bu)具備靈(ling)活擴建、拓展(zhan)為(wei)直流電(dian)網的能(neng)(neng)(neng)(neng)力。新能(neng)(neng)(neng)(neng)源不(bu)同于常規(gui)電(dian)源，能(neng)(neng)(neng)(neng)量密度低、占地面積大(da)。不(bu)能(neng)(neng)(neng)(neng)自由組(zu)網限制了(le)多能(neng)(neng)(neng)(neng)互(hu)(hu)補、時空(kong)互(hu)(hu)補和源網荷協同的空(kong)間，難以平抑新能(neng)(neng)(neng)(neng)源波動性，支(zhi)撐大(da)規(gui)模開發。
二是輸電(dian)(dian)能力受限。受IGBT器件技術水(shui)平限制，單換流器容量(liang)在100萬(wan)(wan)千瓦(wa)上下，多數工程的(de)(de)容量(liang)處(chu)于幾(ji)萬(wan)(wan)到幾(ji)十萬(wan)(wan)千瓦(wa)區間(jian)，而常規(gui)高壓直(zhi)流輸電(dian)(dian)的(de)(de)單換流器容量(liang)都大于150萬(wan)(wan)千瓦(wa)，最大已達到300萬(wan)(wan)千瓦(wa)。輸電(dian)(dian)容量(liang)偏(pian)低限制了柔直(zhi)輸電(dian)(dian)的(de)(de)應用。
三(san)是運行可靠性(xing)低。受IGBT器件技術原(yuan)理約束，相同輸(shu)電(dian)容量(liang)下，單換流(liu)器單元的(de)串并聯半導體“芯(xin)片”數(shu)量(liang)為常規直流(liu)的(de)100多倍，控(kong)制(zhi)指令頻度為常規直流(liu)的(de)200多倍，大幅提高了(le)保證可靠性(xing)、穩定(ding)性(xing)的(de)難度。
張(zhang)(zhang)北(bei)柔(rou)直工程總投資125億(yi)元，新(xin)建張(zhang)(zhang)北(bei)、康保、豐(feng)寧(ning)和北(bei)京4座換(huan)(huan)流站(zhan)，額(e)定(ding)(ding)電(dian)壓±500千伏(fu)，額(e)定(ding)(ding)輸電(dian)能力450萬(wan)千瓦，輸電(dian)線(xian)路長度666千米。張(zhang)(zhang)北(bei)、康保換(huan)(huan)流站(zhan)為送(song)電(dian)端，接入新(xin)能源，豐(feng)寧(ning)站(zhan)為調解(jie)端，接入抽水蓄能，北(bei)京站(zhan)為接收端，接入首都負荷中心(xin)。工程于2017年12月獲國(guo)家發改委核(he)準，2018年2月開工建設。
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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。
工程采用我國原創、領先世(shi)界的(de)柔性(xing)直流電網新技(ji)術，創造了12項世(shi)界第一，在上(shang)(shang)述(shu)三大世(shi)界級挑戰上(shang)(shang)均(jun)取得突破。
一是(shi)提(ti)出(chu)并(bing)攻克(ke)柔性直(zhi)流(liu)(liu)組(zu)網(wang)(wang)(wang)技術。建成世界首個真(zhen)正(zheng)具有網(wang)(wang)(wang)絡特性的直(zhi)流(liu)(liu)電網(wang)(wang)(wang)，能夠可(ke)靠(kao)隔離(li)故(gu)(gu)障(zhang)，非(fei)故(gu)(gu)障(zhang)元件不(bu)退出(chu)，直(zhi)流(liu)(liu)電網(wang)(wang)(wang)不(bu)停運(yun)。王紹武(wu)介紹，本期為四(si)端(duan)網(wang)(wang)(wang)絡，示范連接了(le)風、光、儲(chu)和交流(liu)(liu)電網(wang)(wang)(wang)，可(ke)根(gen)據發(fa)展需要，靈活擴展為復雜多端(duan)網(wang)(wang)(wang)絡。自主(zhu)開(kai)發(fa)的±500千伏(fu)直(zhi)流(liu)(liu)斷路(lu)器(qi)具備在3毫秒內開(kai)斷25千安直(zhi)流(liu)(liu)電流(liu)(liu)的能力，“標定了(le)國際最高水平”。
二是將(jiang)柔性直(zhi)流的(de)輸電容(rong)量提(ti)升至(zhi)常規直(zhi)流水(shui)平(ping)。單換流器容(rong)量達150萬千瓦，比國(guo)外紀錄超出50%，首次達到(dao)了±500千伏常規直(zhi)流的(de)水(shui)平(ping)。立足國(guo)內，自主研發4.5千伏?、3千安大(da)功率IGBT器件并批量用于(yu)工程，攻克(ke)了制約我國(guo)柔性直(zhi)流發展(zhan)的(de)核心技(ji)術問題。
三是將柔(rou)性直(zhi)流(liu)的(de)可靠性提升(sheng)至常規(gui)直(zhi)流(liu)水平。王紹武透露，成(cheng)果在渝鄂背靠背工(gong)程中初步經受了運行檢驗，與(yu)早期柔(rou)直(zhi)工(gong)程比，IGBT組件年失效率(lv)由6％降(jiang)至2‰，單(dan)換流(liu)器強迫停運率(lv)由平均每月超過(guo)一(yi)次降(jiang)至每年一(yi)次，使柔(rou)性直(zhi)流(liu)輸電的(de)大規(gui)模工(gong)業化應用成(cheng)為可能。
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國網(wang)(wang)方面(mian)表示，張北柔直(zhi)工程采用(yong)全新(xin)的(de)柔性直(zhi)流電(dian)(dian)網(wang)(wang)技(ji)術(shu)，獲得了超越新(xin)能(neng)源特性和(he)常(chang)規輸(shu)電(dian)(dian)技(ji)術(shu)的(de)高(gao)可控性，從根本(ben)上提高(gao)了電(dian)(dian)網(wang)(wang)對可再生(sheng)(sheng)能(neng)源的(de)駕馭能(neng)力。大(da)規模(mo)清(qing)潔(jie)能(neng)源可不依賴交流電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)有無(wu)和(he)強弱，不需要傳統能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)的(de)支撐，直(zhi)接(jie)孤島接(jie)入(ru)柔直(zhi)電(dian)(dian)網(wang)(wang)。以(yi)柔直(zhi)電(dian)(dian)網(wang)(wang)為中(zhong)心，“多點匯集”，“多能(neng)互補”，“時空互補”，“源網(wang)(wang)荷協同”，實現可再生(sheng)(sheng)能(neng)源側自由“波(bo)動”發(fa)電(dian)(dian)和(he)負(fu)荷側可控“穩定”供電(dian)(dian)，解決“純”清(qing)潔(jie)能(neng)源大(da)規模(mo)消納難題。
國家能(neng)(neng)源(yuan)局(ju)介紹，全世界大量待開(kai)發的可(ke)再生能(neng)(neng)源(yuan)能(neng)(neng)源(yuan)都處于電網薄弱(ruo)地區，張北(bei)的問(wen)題具有典型性。張北(bei)柔直工程的創新實踐(jian)，開(kai)拓了(le)可(ke)再生能(neng)(neng)源(yuan)大規模開(kai)發利用和友好(hao)消納(na)的新道路。國家能(neng)(neng)源(yuan)局(ju)副局(ju)長劉寶華表示，“未(wei)來我們(men)還要建設更(geng)多、更(geng)高(gao)水平的柔性直流工程”。（記 者 ?瞿 劍(jian)）
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