文章來源：國家電網有限公司 發布時(shi)間：2022-03-22
我(wo)國風能、太(tai)陽能資源豐(feng)富，但它們卻像草原(yuan)上(shang)的(de)野馬，性情不(bu)定，難以(yi)馴服(fu)。
如(ru)何馴(xun)服(fu)風光能(neng)(neng)源(yuan)這匹(pi)野馬，讓(rang)風光綠能(neng)(neng)大顯身(shen)手，從能(neng)(neng)源(yuan)舞臺(tai)的配角變為主角，成為保障國(guo)家經濟社會健康發(fa)展(zhan)的強大支撐，這是立足新(xin)發(fa)展(zhan)階段(duan)，貫徹新(xin)發(fa)展(zhan)理念，構建新(xin)發(fa)展(zhan)格(ge)局面臨(lin)的一個重大戰略問(wen)題。
有這(zhe)樣一(yi)個(ge)團隊，短短幾年時間，他(ta)們(men)突破一(yi)個(ge)個(ge)世(shi)界(jie)級難題，創造一(yi)項項世(shi)界(jie)第(di)一(yi)。在他(ta)們(men)的(de)努力下，特高(gao)壓直流輸電成為(wei)國(guo)家戰略級技術，和高(gao)鐵、北斗一(yi)樣，成為(wei)享譽世(shi)界(jie)的(de)“中(zhong)國(guo)名(ming)片”。
他(ta)們，是國家電網(wang)經(jing)研(yan)院直流技術攻關(guan)團隊，他(ta)們，被(bei)稱作馴服風光野(ye)馬的“追風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠色、低碳是(shi)中(zhong)國(guo)能源(yuan)的發展方向，而服務新能源(yuan)大規模(mo)開發利用(yong)，正是(shi)柔性直流輸(shu)電(dian)技(ji)術的優勢所在。
國(guo)網(wang)經研院(yuan)作為(wei)國(guo)家電(dian)網(wang)的(de)技(ji)術支撐單(dan)位，多(duo)年前就意識到(dao)柔性直流(liu)輸電(dian)對新(xin)能(neng)源(yuan)匯集送出的(de)重要性。為(wei)了馴服風能(neng)、太陽能(neng)，2012年他們便開(kai)展(zhan)了大量(liang)基(ji)礎(chu)性研究。
當時(shi)我國在柔(rou)性直(zhi)流(liu)輸電技術(shu)(shu)(shu)方面沒有任(ren)何經驗，國外(wai)相關(guan)核(he)心(xin)技術(shu)(shu)(shu)又嚴加封鎖。“在接到(dao)項目任(ren)務時(shi)，攻關(guan)團隊每個人(ren)心(xin)中都惴惴不安(an)，完全沒有成功的把握，有的同(tong)志(zhi)提出(chu)以市場(chang)換技術(shu)(shu)(shu)的方式找外(wai)方搞(gao)技術(shu)(shu)(shu)引進，但(dan)幾次接觸下來，技術(shu)(shu)(shu)轉讓條(tiao)件苛刻，我們根本無法(fa)接受(shou)。”國網(wang)經研院直(zhi)流(liu)技術(shu)(shu)(shu)中心(xin)主任(ren)樂波坦言。
這支(zhi)攻關團隊太(tai)年輕了，剛組建(jian)時平均年齡還不到30歲。帶著一股開拓創新、永不服輸的拼(pin)勁，他們開始了披荊(jing)斬棘的闖關之(zhi)旅(lv)。
柔性直流系統設(she)(she)計的(de)第一步是(shi)確(que)定主接線，這是(shi)系統設(she)(she)計的(de)“綱”和(he)“領”：確(que)定系統采用哪些主要設(she)(she)備，這些設(she)(she)備怎么(me)布置(zhi)、怎么(me)配合(he)，如(ru)同家里(li)裝修(xiu)要先畫好電(dian)(dian)路圖，確(que)定開關、插座(zuo)、照明等(deng)的(de)位置(zhi)，才能保證所有電(dian)(dian)器的(de)用電(dian)(dian)安全和(he)正常工(gong)作。
舟山工程(cheng)是國家電網第一個(ge)商業化(hua)的(de)柔性直流工程(cheng)，也是世界首個(ge)五端柔性直流工程(cheng)，主接線要(yao)比國外的(de)兩(liang)端工程(cheng)復雜得多。整個(ge)工程(cheng)要(yao)用(yong)的(de)設(she)備(bei)有上(shang)(shang)百種(zhong)，每種(zhong)設(she)備(bei)又(you)有多種(zhong)型式，排列組合起來就有上(shang)(shang)千種(zhong)，許(xu)多設(she)備(bei)連見都沒見過，更別說(shuo)熟練使用(yong)和(he)布置。
接到任務后，團隊(dui)迅速分工，有(you)的(de)(de)總結以(yi)前常規工程的(de)(de)設(she)計經(jing)驗，有(you)的(de)(de)研究新設(she)備的(de)(de)功(gong)能和特點，有(you)的(de)(de)開(kai)展(zhan)理論分析，有(you)的(de)(de)搭建仿(fang)真模(mo)型。他們曾提出幾(ji)十種(zhong)方案，但經(jing)過反復仿(fang)真分析，都滿(man)足不了(le)五端直流(liu)安全穩定運行的(de)(de)要求(qiu)。
只好全部推(tui)倒(dao)，從頭再來。
經過數月的閉(bi)關修煉，世界首個五端柔性直(zhi)流(liu)工程主接線(xian)終于完(wan)成(cheng)，徹底(di)打破未來可能的外方知識產(chan)權限制，完(wan)全做到自主化設計。
舟山工程(cheng)后，他(ta)們又攻下供電可靠(kao)性(xing)(xing)要求更高的廈門工程(cheng)。“現在，外方為(wei)了(le)提高工程(cheng)可靠(kao)性(xing)(xing)，反而(er)模仿起(qi)中國方案，我們的身份(fen)也(ye)實現了(le)從(cong)學生到老師的華(hua)麗(li)轉變。”樂波說(shuo)。
在沒有任(ren)何資(zi)料(liao)可供借(jie)鑒的(de)(de)情(qing)況下，攻(gong)關團隊(dui)拿下了(le)一個又(you)一個世界難(nan)題(ti)，實現(xian)(xian)多項技(ji)術“零”的(de)(de)突破，形(xing)成(cheng)一套完整的(de)(de)柔性(xing)直(zhi)流輸電成(cheng)套設計體(ti)系，徹底(di)擺脫了(le)“洋(yang)拐(guai)棍”，實現(xian)(xian)了(le)柔性(xing)直(zhi)流輸電技(ji)術領域的(de)(de)“彎(wan)道超(chao)車”和(he)“中國引領”。
不設權威 自由發揮 鼓勵原創，創造12項世界第一
2020年(nian)(nian)6月29日，張北(bei)(bei)柔性直流電(dian)網工程竣工投產(chan)，來自草原的(de)綠色動能(neng)點亮了京(jing)城的(de)萬(wan)家燈火。張北(bei)(bei)工程不僅能(neng)夠滿(man)足冬奧會的(de)100%清潔(jie)供電(dian)需求，還將每年(nian)(nian)向北(bei)(bei)京(jing)輸送225億度清潔(jie)電(dian)力，相(xiang)當于北(bei)(bei)京(jing)年(nian)(nian)用電(dian)量的(de)十分之一(yi)。
“柔性直(zhi)流電(dian)網技(ji)術可以控(kong)(kong)制(zhi)電(dian)能(neng)(neng)靈活轉向，適(shi)應新(xin)能(neng)(neng)源的(de)波動，是目前(qian)世(shi)界(jie)上最先(xian)進(jin)的(de)輸電(dian)技(ji)術。”樂波說(shuo)，張北工(gong)程(cheng)采用(yong)我國原創、世(shi)界(jie)領先(xian)的(de)柔性直(zhi)流電(dian)網新(xin)技(ji)術，把過(guo)去不(bu)可控(kong)(kong)的(de)風(feng)能(neng)(neng)變為可控(kong)(kong)優質電(dian)能(neng)(neng)。“工(gong)程(cheng)創造了12項世(shi)界(jie)第(di)一(yi)，提出了破解新(xin)能(neng)(neng)源大規(gui)模開發利用(yong)世(shi)界(jie)級難題(ti)的(de)中國方案(an)。”
12項沉(chen)甸甸的(de)世界第一(yi)，凝聚著科研人員克服(fu)重重困難(nan)、戰勝層層挑戰所付出(chu)的(de)艱辛和努力。
靈活可靠消納新能源，首先碰到的難(nan)題是要(yao)研制確保電網(wang)安全的新設備、新技術。“直流電網(wang)設計(ji)的難(nan)點在(zai)于要(yao)應對(dui)不經常發生(sheng)的嚴重故障，解(jie)決這個問題，就必須找(zhao)到能確保電網(wang)安全的速效救(jiu)心(xin)丸。”團隊技術骨干李(li)探(tan)博士說(shuo)。
李探一畢業，就和團隊一頭扎(zha)入柔性直(zhi)流電網(wang)的(de)資料堆，從(cong)查(cha)公式、編程序開始，一晃(huang)就是5年(nian)。研(yan)發之初，由于相關技術在世界范圍內都處(chu)于完全空白狀(zhuang)態，沒有任何經驗(yan)可供(gong)借鑒，團隊只能從(cong)零開始。然而正是這張白紙，給(gei)年(nian)輕的(de)科研(yan)人員們提供(gong)了(le)從(cong)理論(lun)到(dao)實踐的(de)廣闊(kuo)舞臺。
不設權威、自由發揮、鼓勵原創(chuang)是團隊(dui)組建(jian)時(shi)確定的工(gong)作原則。從(cong)“半橋(qiao)式(shi)換流(liu)(liu)閥+直流(liu)(liu)斷路器”到(dao)“全橋(qiao)式(shi)換流(liu)(liu)閥”，他們(men)大膽(dan)假設、小心求證(zheng)，從(cong)“交流(liu)(liu)耗(hao)能裝置”到(dao)“直流(liu)(liu)耗(hao)能裝置”，他們(men)嚴謹(jin)細致、一(yi)絲不茍。經歷了(le)數月“白加黑”“5+2”的鏖(ao)戰，終于實現了(le)“首臺套(tao)”直流(liu)(liu)斷路器和交流(liu)(liu)耗(hao)能裝置的重大技術突破(po)。
張北工程的(de)聯調試驗需要依賴于新能(neng)源和柔性直流電網的(de)真實(shi)模型，這兩個(ge)高度(du)復雜的(de)系統，單獨(du)拿出來進行建模已經困難重重，進行聯合測(ce)試更是(shi)從未有過先例(li)。
400多面控制屏(ping)柜，通過上萬根線(xian)纜連接起來，將新能源和四座換流站(zhan)組(zu)合在一起，建(jian)立(li)起反映(ying)電網真(zhen)實特(te)性的超大規模仿真(zhen)系統(tong)。僅(jin)啟動一次(ci)，就要(yao)花費數小時。
“這只(zhi)是邁出了平臺構建的(de)第一步。”實驗室負責人(ren)厲璇介紹，“在資源條件有限的(de)情況下，還要準確刻(ke)畫復雜系統的(de)快速變(bian)化特性(xing)，這是更(geng)加關鍵的(de)一步。”
幾十(shi)(shi)(shi)個新(xin)能(neng)源場站，四端柔(rou)性直流電網，包含了(le)(le)數十(shi)(shi)(shi)萬元件，上(shang)萬根光纖，對(dui)系統(tong)(tong)的(de)實(shi)(shi)時(shi)運算(suan)能(neng)力提出(chu)了(le)(le)嚴峻挑戰。為了(le)(le)實(shi)(shi)現實(shi)(shi)時(shi)運算(suan)，如此龐大的(de)系統(tong)(tong)在每個毫秒都要進(jin)行幾十(shi)(shi)(shi)億次仿真計(ji)(ji)算(suan)，這儼然是一(yi)個超(chao)級計(ji)(ji)算(suan)系統(tong)(tong)，超(chao)算(suan)能(neng)力對(dui)系統(tong)(tong)配置提出(chu)了(le)(le)不可能(neng)達到的(de)要求(qiu)。
為了(le)(le)實(shi)現(xian)實(shi)時運(yun)算(suan)目標(biao)，必須(xu)另辟蹊徑(jing)。“將(jiang)系(xi)統(tong)和(he)元件進(jin)行有效簡化后，我們(men)所(suo)提出的(de)(de)多項等值(zhi)技術將(jiang)仿真速度提升了(le)(le)近60%，完全達到工程(cheng)精度。”厲璇(xuan)說。在對模型進(jin)行逐步(bu)等值(zhi)的(de)(de)過程(cheng)中，科研人員們(men)經(jing)歷(li)了(le)(le)種種坎坷(ke)和(he)失敗，一(yi)個(ge)錯(cuo)誤的(de)(de)脈沖(chong)信號，一(yi)個(ge)程(cheng)序的(de)(de)細微漏洞，一(yi)個(ge)設置(zhi)不合理(li)的(de)(de)參數，都容易導致系(xi)統(tong)報(bao)錯(cuo)或失穩奔(ben)潰。
一遍又一遍的(de)檢查設備，一次又一次的(de)核對(dui)接(jie)線是團(tuan)隊每天的(de)日常工(gong)作，一條通道調試不通就從(cong)頭(tou)再來。
在團隊齊心協力下(xia)，終于建立起世界首個大規模新能源柔直(zhi)并網硬件在環(huan)實時(shi)仿真試(shi)驗(yan)系(xi)統。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青(qing)海(hai)是我(wo)國清潔(jie)能源最豐富的省份(fen)之一，新能源發電(dian)量(liang)已經超過青(qing)海(hai)省全省用電(dian)負(fu)荷，亟需將(jiang)大(da)量(liang)富余的清潔(jie)電(dian)力送到上(shang)千公里之外(wai)的中(zhong)東(dong)部負(fu)荷中(zhong)心，變(bian)資源優勢(shi)為經濟優勢(shi)。
特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)技術(shu)(shu)(shu)成熟、成本較低，在大容量遠距(ju)離電(dian)能(neng)輸(shu)送方面具(ju)有獨特(te)優(you)勢(shi)。因(yin)此，青(qing)海的(de)新能(neng)源(yuan)必(bi)須通過特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)技術(shu)(shu)(shu)進(jin)行遠距(ju)離大規模(mo)消納。然而(er)，傳(chuan)(chuan)統特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)猶如高(gao)速(su)列車，運載量大、一站直(zhi)達，而(er)始發站的(de)太陽能(neng)、風能(neng)等(deng)清潔能(neng)源(yuan)就像自由(you)出行的(de)游客，何時出行、多少人出行均具(ju)有隨機性。因(yin)此，對傳(chuan)(chuan)統特(te)高(gao)壓(ya)技術(shu)(shu)(shu)升級改造才能(neng)更好實現(xian)對新能(neng)源(yuan)的(de)高(gao)效送出。
“能(neng)否將匯集(ji)新能(neng)源(yuan)的(de)(de)系統電壓控(kong)制(zhi)穩(wen)定是工程(cheng)設計的(de)(de)關(guan)鍵點。”項目(mu)負責人盧亞軍向記者(zhe)介(jie)紹。多年來，國網經研院(yuan)直流(liu)技(ji)(ji)術攻關(guan)團隊提(ti)出的(de)(de)“升級版(ban)”特(te)高壓技(ji)(ji)術，涵蓋(gai)了多項穩(wen)定系統電壓的(de)(de)獨門(men)絕技(ji)(ji)，這些(xie)措施(shi)在專門(men)輸送(song)新能(neng)源(yuan)的(de)(de)青海(hai)—河南(nan)（青豫）±800千(qian)伏特(te)高壓直流(liu)工程(cheng)中得到成(cheng)功應(ying)用，實現了成(cheng)果轉化，極大提(ti)升了特(te)高壓直流(liu)對(dui)新能(neng)源(yuan)送(song)出的(de)(de)適應(ying)性。
換(huan)流(liu)(liu)(liu)站連接著縱橫(heng)千里的(de)直流(liu)(liu)(liu)輸電(dian)線路(lu)，仿佛人體的(de)心臟，是直流(liu)(liu)(liu)輸電(dian)工程最重要的(de)能源轉換(huan)樞紐，交流(liu)(liu)(liu)和直流(liu)(liu)(liu)的(de)變換(huan)就(jiu)在這里完成。青海換(huan)流(liu)(liu)(liu)站海拔達(da)2900米，是世界(jie)上(shang)海拔最高(gao)的(de)特(te)高(gao)壓(ya)換(huan)流(liu)(liu)(liu)站，空氣稀薄，設(she)備(bei)也會(hui)缺氧，耐受高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)能力大幅下降(jiang)。
“我(wo)們對直(zhi)流系統的過(guo)電壓水平進行(xing)了(le)上(shang)(shang)百次(ci)迭代仿真校(xiao)核，優化了(le)高海(hai)拔(ba)下均壓電極(ji)設(she)計，有效縮短了(le)設(she)備(bei)間的空氣間隙，確保設(she)備(bei)運行(xing)萬無一失，根本(ben)上(shang)(shang)消除了(le)設(she)備(bei)的高原(yuan)(yuan)反應，保證(zheng)了(le)高原(yuan)(yuan)換流站(zhan)的運行(xing)性能與平原(yuan)(yuan)保持一致。”盧(lu)亞軍說。
考驗接踵而來。
由(you)于風光能源不(bu)穩定(ding)，功率波(bo)動大，電(dian)網對變壓(ya)(ya)器(qi)的電(dian)壓(ya)(ya)調(diao)節(jie)能力要(yao)求較(jiao)以往工(gong)程更高。分接開(kai)關(guan)是(shi)變壓(ya)(ya)器(qi)執行(xing)電(dian)壓(ya)(ya)調(diao)節(jie)功能的最核心裝備(bei)，其設計一(yi)直是(shi)制(zhi)約國產化的“卡脖子(zi)”技(ji)術難(nan)題。如何提高分接開(kai)關(guan)的運行(xing)可靠(kao)性(xing)，是(shi)擺在團隊面前必(bi)須解決的一(yi)道難(nan)題。
科研團隊(dui)深入研究(jiu)(jiu)了(le)(le)各種技(ji)術措施可能性，提(ti)(ti)出了(le)(le)幾十種技(ji)術方案，推(tui)導了(le)(le)上百頁分析算(suan)稿(gao)，經過反復研究(jiu)(jiu)論證仿真，確定了(le)(le)通過有效降(jiang)低分接開(kai)關(guan)動作(zuo)次數提(ti)(ti)高(gao)系統(tong)可靠性的(de)技(ji)術方案，最(zui)終實現(xian)分接開(kai)關(guan)動作(zuo)次數減少90%，顯著提(ti)(ti)高(gao)了(le)(le)設備使用壽命，保障了(le)(le)工程(cheng)(cheng)的(de)順利投(tou)運和安全(quan)運行。同時，研究(jiu)(jiu)成果(guo)也在所有已(yi)投(tou)運的(de)特高(gao)壓(ya)工程(cheng)(cheng)中推(tui)廣應用。
2020年(nian)12月30日，青豫(yu)工(gong)程正式(shi)投入(ru)商業運行，來自(zi)青藏高原(yuan)(yuan)的可再(zai)生能源跨越(yue)千(qian)里，點亮中原(yuan)(yuan)。
“電力天路(lu)在我們手里從規(gui)劃變成現實，成為造福(fu)人(ren)民的幸(xing)福(fu)之路(lu)、光明(ming)之路(lu)和清潔之路(lu)。”樂波說。
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