文章來源(yuan)：國(guo)家(jia)電(dian)網(wang)有限公司 發布時間：2022-03-22
我國風能、太陽能資源(yuan)豐富，但它們卻像草原上的野馬，性(xing)情不定，難以馴(xun)服。
如何馴服風光(guang)能源這(zhe)匹野馬(ma)，讓(rang)風光(guang)綠能大顯身手(shou)，從(cong)能源舞臺(tai)的(de)配角(jiao)變為(wei)主角(jiao)，成為(wei)保(bao)障國家(jia)經濟(ji)社會健(jian)康發展的(de)強(qiang)大支撐，這(zhe)是立足新(xin)發展階段，貫徹新(xin)發展理念，構建新(xin)發展格局面臨的(de)一個(ge)重大戰(zhan)略問(wen)題。
有這樣(yang)一(yi)個(ge)(ge)團隊，短短幾年時(shi)間，他們突破一(yi)個(ge)(ge)個(ge)(ge)世(shi)界級難題，創造一(yi)項項世(shi)界第一(yi)。在他們的(de)努力下，特高(gao)壓直流(liu)輸電成(cheng)為(wei)(wei)國家戰(zhan)略級技術，和高(gao)鐵、北斗一(yi)樣(yang)，成(cheng)為(wei)(wei)享譽(yu)世(shi)界的(de)“中國名片”。
他(ta)們，是國家電網經研院直(zhi)流技術攻關(guan)團隊，他(ta)們，被稱作(zuo)馴服風光野(ye)馬的“追(zhui)風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠色、低碳是中國能源(yuan)的發展方向，而服務新(xin)能源(yuan)大規(gui)模開發利用，正是柔性直流輸電技術的優勢所在。
國網經研(yan)院作為國家電網的(de)技術支撐單位，多年前就意識到(dao)柔性直流輸電對新能源匯集(ji)送出的(de)重要(yao)性。為了(le)馴(xun)服風能、太(tai)陽能，2012年他(ta)們便開展(zhan)了(le)大量基礎性研(yan)究(jiu)。
當(dang)時我國在柔性直流(liu)輸電(dian)技術(shu)(shu)方(fang)(fang)面沒有任(ren)何經驗(yan)，國外相關(guan)(guan)核(he)心技術(shu)(shu)又(you)嚴加封鎖。“在接到項目任(ren)務時，攻(gong)關(guan)(guan)團隊每個(ge)人心中都惴(zhui)惴(zhui)不(bu)安，完(wan)全沒有成功的把握，有的同志(zhi)提出(chu)以市場換技術(shu)(shu)的方(fang)(fang)式找外方(fang)(fang)搞技術(shu)(shu)引進，但幾(ji)次接觸下(xia)來，技術(shu)(shu)轉讓(rang)條(tiao)件(jian)苛刻，我們根本無法(fa)接受。”國網經研院直流(liu)技術(shu)(shu)中心主(zhu)任(ren)樂波(bo)坦言。
這支攻關團隊(dui)太年輕了，剛(gang)組(zu)建時平均(jun)年齡還不到30歲(sui)。帶著一股(gu)開拓創新、永不服輸(shu)的(de)(de)拼(pin)勁，他們開始(shi)了披(pi)荊斬棘的(de)(de)闖關之旅。
柔性直流系(xi)統(tong)設計的(de)第一(yi)步是確定主(zhu)接線，這是系(xi)統(tong)設計的(de)“綱”和(he)“領”：確定系(xi)統(tong)采用(yong)哪些主(zhu)要設備(bei)，這些設備(bei)怎么布置、怎么配合(he)，如同家里裝修要先畫好電(dian)路圖，確定開關、插座、照(zhao)明等的(de)位置，才能保證所有電(dian)器的(de)用(yong)電(dian)安全和(he)正常工作(zuo)。
舟山工(gong)(gong)(gong)程(cheng)是(shi)國(guo)家電網第一(yi)個商業化(hua)的柔(rou)性直(zhi)流(liu)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)，也(ye)是(shi)世界首個五(wu)端(duan)柔(rou)性直(zhi)流(liu)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)，主接線要比國(guo)外的兩端(duan)工(gong)(gong)(gong)程(cheng)復雜(za)得多。整個工(gong)(gong)(gong)程(cheng)要用(yong)的設(she)備(bei)有(you)(you)上(shang)百種，每種設(she)備(bei)又有(you)(you)多種型式(shi)，排列組合起來就有(you)(you)上(shang)千(qian)種，許多設(she)備(bei)連見都沒見過，更別(bie)說熟練使用(yong)和布(bu)置。
接到任務后，團隊迅速(su)分(fen)工(gong)，有(you)的(de)(de)總結以前常規工(gong)程(cheng)的(de)(de)設計(ji)經驗，有(you)的(de)(de)研(yan)究(jiu)新設備(bei)的(de)(de)功(gong)能和(he)特點，有(you)的(de)(de)開(kai)展理論分(fen)析(xi)，有(you)的(de)(de)搭建仿(fang)真模型。他們曾(ceng)提出幾十種方案，但經過(guo)反復仿(fang)真分(fen)析(xi)，都滿足(zu)不了五端直流安(an)全穩定運行的(de)(de)要求。
只(zhi)好(hao)全部(bu)推倒，從頭再來。
經過數月的閉關修煉，世(shi)界首個(ge)五端柔性直(zhi)流工(gong)程(cheng)主(zhu)接線終于完成，徹底打破未來可能的外方知識產權(quan)限制(zhi)，完全做到(dao)自主(zhu)化設計。
舟山工(gong)程(cheng)后(hou)，他們又攻下供電可靠性要(yao)求更高的廈(sha)門工(gong)程(cheng)。“現在，外方(fang)為了提高工(gong)程(cheng)可靠性，反而模(mo)仿起(qi)中(zhong)國方(fang)案，我們的身(shen)份(fen)也實現了從學生到老師的華麗轉(zhuan)變。”樂波說。
在沒有任(ren)何資料可供借鑒的(de)(de)情(qing)況下(xia)，攻關團(tuan)隊拿下(xia)了一個(ge)又一個(ge)世界難題，實現多項技(ji)術(shu)“零”的(de)(de)突破，形成一套完整(zheng)的(de)(de)柔性直流輸電成套設計體系，徹(che)底(di)擺脫(tuo)了“洋拐(guai)棍(gun)”，實現了柔性直流輸電技(ji)術(shu)領域的(de)(de)“彎(wan)道超車”和(he)“中(zhong)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)6月29日(ri)，張北(bei)(bei)柔性直流電(dian)網(wang)工(gong)程(cheng)竣工(gong)投產，來自(zi)草原的(de)綠色動能(neng)點亮了京(jing)城(cheng)的(de)萬家燈火(huo)。張北(bei)(bei)工(gong)程(cheng)不僅能(neng)夠(gou)滿足冬奧會(hui)的(de)100%清(qing)潔供(gong)電(dian)需求，還將每年(nian)向北(bei)(bei)京(jing)輸送225億度清(qing)潔電(dian)力，相(xiang)當(dang)于北(bei)(bei)京(jing)年(nian)用電(dian)量的(de)十分之一(yi)。
“柔(rou)性(xing)直流電(dian)(dian)網(wang)技術可以控制(zhi)電(dian)(dian)能(neng)靈活轉向(xiang)，適應新(xin)(xin)(xin)能(neng)源的波動，是目(mu)前世(shi)界上最先進的輸電(dian)(dian)技術。”樂波說，張北工程(cheng)采(cai)用(yong)我國原(yuan)創、世(shi)界領先的柔(rou)性(xing)直流電(dian)(dian)網(wang)新(xin)(xin)(xin)技術，把過去不(bu)可控的風能(neng)變為可控優質電(dian)(dian)能(neng)。“工程(cheng)創造了12項世(shi)界第一(yi)，提(ti)出了破解新(xin)(xin)(xin)能(neng)源大規模(mo)開(kai)發利用(yong)世(shi)界級難題的中國方案。”
12項沉甸甸的世界第一，凝聚(ju)著科研(yan)人員(yuan)克服(fu)重重困難(nan)、戰(zhan)勝層層挑戰(zhan)所付出的艱辛和努力。
靈(ling)活可靠消納新(xin)能源，首先碰到(dao)的難(nan)題(ti)是(shi)要研制確保(bao)電(dian)網(wang)安全(quan)的新(xin)設備、新(xin)技術。“直流電(dian)網(wang)設計的難(nan)點在于要應對不經常(chang)發生(sheng)的嚴重故(gu)障，解決這(zhe)個問題(ti)，就(jiu)必須找到(dao)能確保(bao)電(dian)網(wang)安全(quan)的速效救心丸。”團(tuan)隊技術骨(gu)干(gan)李探(tan)博士說。
李探一(yi)畢業，就(jiu)和團隊(dui)一(yi)頭扎入柔性直流電網的(de)資料堆，從(cong)查(cha)公式、編程序(xu)開(kai)(kai)始(shi)，一(yi)晃(huang)就(jiu)是5年。研(yan)發之(zhi)初，由于相關技術在世界(jie)范圍(wei)內都處于完(wan)全空(kong)白狀態，沒有任(ren)何經驗可供(gong)借(jie)鑒，團隊(dui)只能從(cong)零開(kai)(kai)始(shi)。然而(er)正是這張白紙，給年輕(qing)的(de)科研(yan)人(ren)員們提供(gong)了從(cong)理(li)論到實(shi)踐的(de)廣闊舞臺。
不設權威、自由發揮、鼓(gu)勵(li)原(yuan)創是團隊組建時確定的工作原(yuan)則。從“半橋式換流(liu)(liu)閥+直流(liu)(liu)斷路(lu)器”到(dao)“全橋式換流(liu)(liu)閥”，他們大(da)膽假設、小心(xin)求證，從“交流(liu)(liu)耗能裝置(zhi)”到(dao)“直流(liu)(liu)耗能裝置(zhi)”，他們嚴謹細致、一(yi)絲不茍。經(jing)歷了數月“白加(jia)黑”“5+2”的鏖(ao)戰，終(zhong)于實(shi)現了“首臺套”直流(liu)(liu)斷路(lu)器和交流(liu)(liu)耗能裝置(zhi)的重(zhong)大(da)技術突破。
張北工程的(de)(de)聯調試(shi)驗需要(yao)依(yi)賴于新(xin)能源(yuan)和柔性(xing)直流電網的(de)(de)真實(shi)模型，這兩個(ge)高度復雜的(de)(de)系統，單(dan)獨拿出來進行建(jian)模已經困難重重，進行聯合(he)測試(shi)更是(shi)從未有過(guo)先例。
400多(duo)面控制屏柜，通(tong)過上(shang)萬根線(xian)纜連接起(qi)來，將新能源和四座換流(liu)站組合在一起(qi)，建立起(qi)反映電網真實(shi)特性(xing)的(de)超大規模仿真系統。僅啟動一次，就要(yao)花費(fei)數小時。
“這只是邁出了平臺構建的第一(yi)步(bu)。”實驗室負責人厲璇(xuan)介紹，“在資源條(tiao)件有限的情況下，還要準確刻畫(hua)復雜系(xi)統的快速變(bian)化特性，這是更加關鍵的一(yi)步(bu)。”
幾十(shi)個(ge)新能(neng)源場站，四端(duan)柔性(xing)直流電網(wang)，包含了(le)數十(shi)萬元件，上萬根光纖，對(dui)系統(tong)(tong)的(de)(de)實時運算能(neng)力提出(chu)了(le)嚴峻挑戰。為(wei)了(le)實現實時運算，如此龐大(da)的(de)(de)系統(tong)(tong)在每個(ge)毫秒(miao)都(dou)要(yao)進(jin)行幾十(shi)億次仿真計算，這儼然是一(yi)個(ge)超級(ji)計算系統(tong)(tong)，超算能(neng)力對(dui)系統(tong)(tong)配置提出(chu)了(le)不可能(neng)達到(dao)的(de)(de)要(yao)求。
為(wei)了(le)實現實時運算目標(biao)，必須另辟蹊徑。“將系統(tong)和(he)(he)元件進(jin)行有效簡化后，我們所提(ti)出的多(duo)項(xiang)等(deng)值技(ji)術將仿真(zhen)速度提(ti)升(sheng)了(le)近60%，完全達(da)到(dao)工程(cheng)精(jing)度。”厲璇說。在(zai)對模型(xing)進(jin)行逐(zhu)步等(deng)值的過程(cheng)中，科(ke)研人員們經歷了(le)種(zhong)種(zhong)坎坷和(he)(he)失敗，一(yi)個(ge)錯誤的脈沖信號(hao)，一(yi)個(ge)程(cheng)序的細微漏洞(dong)，一(yi)個(ge)設置(zhi)不(bu)合(he)理(li)的參(can)數，都容易(yi)導致系統(tong)報錯或失穩奔潰。
一遍又一遍的檢查設(she)備，一次又一次的核對(dui)接線是(shi)團隊每天(tian)的日常(chang)工作，一條通道調試(shi)不通就從頭再來。
在團隊(dui)齊心協力(li)下，終于建立起(qi)世界首(shou)個大規模新能源柔直并網硬件在環實(shi)時(shi)仿真試(shi)驗系統。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青海是我(wo)國清潔能(neng)源(yuan)最(zui)豐富的省(sheng)(sheng)份(fen)之(zhi)一，新能(neng)源(yuan)發電(dian)量已(yi)經(jing)超過青海省(sheng)(sheng)全省(sheng)(sheng)用電(dian)負(fu)荷，亟(ji)需將大量富余的清潔電(dian)力送(song)到上(shang)千公里之(zhi)外(wai)的中東部負(fu)荷中心，變資源(yuan)優勢為經(jing)濟優勢。
特(te)高(gao)壓直流技術(shu)成熟、成本較(jiao)低，在大(da)容(rong)量遠距離電能(neng)輸送(song)方面(mian)具(ju)有(you)獨特(te)優勢(shi)。因(yin)此，青海的新能(neng)源必須通過特(te)高(gao)壓直流技術(shu)進行遠距離大(da)規模消(xiao)納。然而，傳統(tong)(tong)特(te)高(gao)壓直流猶如(ru)高(gao)速列車，運載量大(da)、一站(zhan)直達，而始(shi)發站(zhan)的太(tai)陽能(neng)、風(feng)能(neng)等清潔能(neng)源就像自(zi)由(you)出(chu)(chu)行的游客(ke)，何(he)時出(chu)(chu)行、多少人出(chu)(chu)行均具(ju)有(you)隨機性(xing)。因(yin)此，對傳統(tong)(tong)特(te)高(gao)壓技術(shu)升(sheng)級改造才能(neng)更好實現對新能(neng)源的高(gao)效送(song)出(chu)(chu)。
“能(neng)否將(jiang)匯集(ji)新能(neng)源(yuan)的系(xi)統(tong)電(dian)壓(ya)控(kong)制穩定是工程(cheng)設計(ji)的關鍵點(dian)。”項(xiang)目負責(ze)人盧亞軍向(xiang)記者介紹(shao)。多年來，國網經研(yan)院直(zhi)流技(ji)術攻關團(tuan)隊提(ti)(ti)出(chu)的“升(sheng)級版”特(te)高(gao)壓(ya)技(ji)術，涵(han)蓋了多項(xiang)穩定系(xi)統(tong)電(dian)壓(ya)的獨門絕技(ji)，這(zhe)些措施在專門輸送(song)新能(neng)源(yuan)的青(qing)海(hai)—河(he)南(nan)（青(qing)豫）±800千伏特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流工程(cheng)中得(de)到成(cheng)功(gong)應用(yong)，實現了成(cheng)果轉(zhuan)化(hua)，極大(da)提(ti)(ti)升(sheng)了特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流對新能(neng)源(yuan)送(song)出(chu)的適(shi)應性。
換(huan)(huan)流站連(lian)接(jie)著縱橫千里(li)的(de)(de)(de)直(zhi)流輸電(dian)線路，仿(fang)佛人體的(de)(de)(de)心臟，是直(zhi)流輸電(dian)工程最(zui)重要的(de)(de)(de)能(neng)源轉(zhuan)換(huan)(huan)樞(shu)紐，交流和直(zhi)流的(de)(de)(de)變換(huan)(huan)就在這里(li)完(wan)成。青海(hai)換(huan)(huan)流站海(hai)拔(ba)達2900米(mi)，是世界上(shang)海(hai)拔(ba)最(zui)高的(de)(de)(de)特高壓(ya)換(huan)(huan)流站，空氣稀薄，設備也會缺氧，耐受高電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)能(neng)力(li)大幅下降。
“我(wo)們(men)對直流系(xi)統的(de)過電(dian)壓水平(ping)進行了上百次迭代仿(fang)真校核，優化了高海拔(ba)下均壓電(dian)極(ji)設(she)(she)計(ji)，有效(xiao)縮短了設(she)(she)備間的(de)空氣間隙，確保(bao)設(she)(she)備運(yun)行萬無一(yi)失，根本上消除了設(she)(she)備的(de)高原(yuan)(yuan)反應(ying)，保(bao)證(zheng)了高原(yuan)(yuan)換(huan)流站的(de)運(yun)行性能與平(ping)原(yuan)(yuan)保(bao)持一(yi)致。”盧亞軍說。
考驗接踵而來。
由于風光能源不穩定，功率波動大，電網對變壓(ya)器(qi)的(de)(de)(de)電壓(ya)調節(jie)能力要(yao)求(qiu)較以往工程更(geng)高。分(fen)接開(kai)關是變壓(ya)器(qi)執行電壓(ya)調節(jie)功能的(de)(de)(de)最(zui)核心(xin)裝備，其設(she)計一直是制約國(guo)產化的(de)(de)(de)“卡脖子”技(ji)術難(nan)題。如何提(ti)高分(fen)接開(kai)關的(de)(de)(de)運行可靠性，是擺在團隊面前(qian)必須解決(jue)的(de)(de)(de)一道難(nan)題。
科研(yan)團隊深入研(yan)究(jiu)了各種技(ji)術措施可能性，提(ti)出了幾十種技(ji)術方(fang)案(an)，推導了上百頁分(fen)析(xi)算稿，經過反復研(yan)究(jiu)論(lun)證仿真(zhen)，確定了通過有效降低分(fen)接(jie)開關(guan)動作次(ci)數提(ti)高(gao)(gao)系統可靠性的技(ji)術方(fang)案(an)，最(zui)終實現分(fen)接(jie)開關(guan)動作次(ci)數減(jian)少90%，顯(xian)著提(ti)高(gao)(gao)了設備使用壽命，保障了工程的順(shun)利投運(yun)和(he)安(an)全運(yun)行。同(tong)時，研(yan)究(jiu)成(cheng)果也在所有已(yi)投運(yun)的特高(gao)(gao)壓工程中推廣應用。
2020年12月30日(ri)，青(qing)豫工程正(zheng)式(shi)投(tou)入商業(ye)運行，來(lai)自青(qing)藏(zang)高原的可再(zai)生能源跨越千里(li)，點亮中原。
“電(dian)力天路在我們手里從規劃變成現實，成為(wei)造(zao)福人民的(de)幸福之(zhi)路、光(guang)明之(zhi)路和清潔之(zhi)路。”樂波(bo)說。
【責任編輯：家正】