文章來源：科技日(ri)報(bao) 發布時(shi)間：2021-09-04
世界首個直流電(dian)網(wang)——張北(bei)可再生(sheng)能源柔性直流電(dian)網(wang)試(shi)驗示范工(gong)程，在經過了168小(xiao)時調試(shi)和試(shi)運行(xing)之后，6月29日正式投運張。北(bei)地區(qu)富(fu)集的可再生(sheng)能源成功接入首都電(dian)網(wang)，2022年北(bei)京冬奧(ao)會(hui)所(suo)有場館(guan)實現奧(ao)運史上(shang)首次100%清潔能源供電(dian)有了保障，北(bei)京全市用電(dian)負(fu)荷的1/10也(ye)就(jiu)此實現清潔化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有(you)史以來所有(you)的電網(wang)都是交(jiao)流(liu)電網(wang)。”國家電網(wang)有(you)限公司表(biao)示，由于交(jiao)、直(zhi)流(liu)輸電本身(shen)技術特(te)性所限，直(zhi)流(liu)輸電主要用于點(dian)對點(dian)、遠(yuan)距(ju)離(li)、大(da)容(rong)量電源外送，而不能組網(wang)；交(jiao)流(liu)輸電則可以滿(man)足常規(gui)電源送出和電網(wang)互聯需求，且(qie)成(cheng)本低。
以風電、光伏發(fa)電為代表(biao)的(de)“隨機性(xing)、波動性(xing)、間歇(xie)性(xing)可再(zai)生能(neng)源的(de)大規模接(jie)入，對(dui)傳統輸(shu)電方式(shi)提出了巨大挑戰(zhan)”，按國網(wang)公司特高壓(ya)部主(zhu)任王紹武的(de)說法，可再(zai)生能(neng)源接(jie)入電網(wang)，“遇到原(yuan)理(li)性(xing)障(zhang)礙(ai)”。
對此(ci)，國網(wang)經研院直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)中心主任樂波解釋，交流(liu)(liu)電網(wang)需(xu)要同時關注有(you)功和無功平(ping)衡，功率(lv)流(liu)(liu)向是靠(kao)電網(wang)的(de)自然阻抗(kang)特性(xing)(xing)分布，可控性(xing)(xing)差，不靈(ling)活(huo)；而直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)輸(shu)電能(neng)夠(gou)平(ping)抑(yi)隨(sui)機波動的(de)功率(lv)，保證負(fu)荷平(ping)穩供電，更適合大規模可再(zai)生(sheng)能(neng)源接入，但由于“直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電流(liu)(liu)沒(mei)有(you)過零點，直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)斷路器、大容(rong)量換流(liu)(liu)閥等設備研發難度大，控制系統復雜(za)”，在柔性(xing)(xing)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)技(ji)術成(cheng)熟之前，“直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)組網(wang)很難實現”。
柔性直(zhi)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)(flexible）是(shi)20世紀90年代(dai)興起的(de)(de)以(yi)電壓源(yuan)換流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)器(qi)為核心的(de)(de)新一代(dai)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)輸電技術。國網冀北電力建設(she)部主(zhu)任(ren)田生(sheng)林用“一個完全可控的(de)(de)水(shui)泵”來比喻(yu)，它(ta)能夠精(jing)準控制(zhi)水(shui)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)(de)方向、速度(du)和流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)量，從水(shui)源(yuan)地準確地供水(shui)給用戶；某個水(shui)管壞了，可借助其他(ta)水(shui)管繼續(xu)供水(shui)，“這在傳統(tong)交流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)電網是(shi)不可想象的(de)(de)”。
田生林分(fen)析，這一(yi)“柔性(xing)”、靈活特征，緣(yuan)于它采用最先進的電(dian)壓(ya)源(yuan)型(xing)換流(liu)器(qi)（VSC）和類(lei)似(si)集成電(dian)路的全(quan)控器(qi)件(jian)（IGBT），與(yu)傳統直(zhi)流(liu)采用類(lei)似(si)開(kai)關(guan)的半(ban)控型(xing)晶閘管器(qi)件(jian)相(xiang)比，“可控能力強、功率調節(jie)速度快、運行(xing)方式靈活”，能夠(gou)有效抑制交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)波動，減少(shao)功率波動對受端電(dian)網影響。所以是(shi)破(po)解新能源(yuan)大規模(mo)并網消(xiao)納難題的“金鑰匙”。
配制出這(zhe)把“金鑰匙”，卻不是一(yi)件容易(yi)的事情。王(wang)紹武指出，柔直技術在(zai)大規模可再(zai)生能源送出等場景的工業化應用，面臨三大世界級技術難(nan)題，極具(ju)挑(tiao)戰性：
一是組網技術空(kong)白(bai)。只能(neng)點(dian)對點(dian)或一次設定的(de)多點(dian)輸電(dian)，不具備靈活(huo)擴(kuo)建(jian)、拓展(zhan)為直流(liu)電(dian)網的(de)能(neng)力(li)。新能(neng)源(yuan)不同于常規(gui)電(dian)源(yuan)，能(neng)量密度低、占地(di)面積大。不能(neng)自由組網限制了多能(neng)互(hu)補、時空(kong)互(hu)補和(he)源(yuan)網荷協同的(de)空(kong)間，難以平抑(yi)新能(neng)源(yuan)波動性，支撐大規(gui)模開(kai)發。
二是輸(shu)電(dian)能力受(shou)限(xian)。受(shou)IGBT器件技術水平(ping)限(xian)制，單(dan)換(huan)流(liu)器容(rong)量在(zai)100萬(wan)千(qian)瓦上下，多數工程的(de)(de)容(rong)量處于幾(ji)萬(wan)到(dao)(dao)幾(ji)十萬(wan)千(qian)瓦區間(jian)，而常(chang)規高(gao)壓直流(liu)輸(shu)電(dian)的(de)(de)單(dan)換(huan)流(liu)器容(rong)量都(dou)大于150萬(wan)千(qian)瓦，最大已達到(dao)(dao)300萬(wan)千(qian)瓦。輸(shu)電(dian)容(rong)量偏低限(xian)制了柔直輸(shu)電(dian)的(de)(de)應用。
三(san)是運行可靠性(xing)低。受IGBT器(qi)件(jian)技(ji)術(shu)原理約束(shu)，相同(tong)輸電容量下，單換流器(qi)單元的串并聯(lian)半導(dao)體“芯片”數量為(wei)常(chang)規直(zhi)(zhi)流的100多(duo)倍，控制指令(ling)頻度(du)為(wei)常(chang)規直(zhi)(zhi)流的200多(duo)倍，大幅(fu)提高了保證可靠性(xing)、穩定性(xing)的難(nan)度(du)。
張(zhang)(zhang)(zhang)北柔直工(gong)程總投資125億元，新(xin)建張(zhang)(zhang)(zhang)北、康(kang)保、豐寧和北京(jing)4座換流(liu)站，額(e)定(ding)電壓±500千(qian)伏，額(e)定(ding)輸(shu)電能(neng)(neng)力450萬千(qian)瓦(wa)，輸(shu)電線路長度666千(qian)米(mi)。張(zhang)(zhang)(zhang)北、康(kang)保換流(liu)站為(wei)送電端(duan)，接入新(xin)能(neng)(neng)源，豐寧站為(wei)調(diao)解(jie)端(duan)，接入抽水蓄能(neng)(neng)，北京(jing)站為(wei)接收端(duan)，接入首都(dou)負荷中心。工(gong)程于2017年12月(yue)獲國(guo)家(jia)發改委核(he)準(zhun)，2018年2月(yue)開工(gong)建設(she)。
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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、領先世界(jie)的柔性直流電網(wang)新技術，創造了12項世界(jie)第(di)一，在(zai)上述三大世界(jie)級(ji)挑戰(zhan)上均取得突破。
一是提出并攻克柔(rou)性直流組網(wang)技(ji)術。建成世界首個真正(zheng)具(ju)有網(wang)絡(luo)(luo)(luo)特性的直流電(dian)網(wang)，能(neng)夠(gou)可靠(kao)隔離故障(zhang)，非故障(zhang)元件不(bu)退出，直流電(dian)網(wang)不(bu)停運。王紹武介紹，本期為四(si)端(duan)網(wang)絡(luo)(luo)(luo)，示范(fan)連接了風(feng)、光(guang)、儲和交流電(dian)網(wang)，可根據發(fa)展需(xu)要(yao)，靈(ling)活擴展為復雜(za)多端(duan)網(wang)絡(luo)(luo)(luo)。自主開(kai)發(fa)的±500千(qian)(qian)伏直流斷(duan)路(lu)器具(ju)備在3毫(hao)秒內開(kai)斷(duan)25千(qian)(qian)安直流電(dian)流的能(neng)力，“標定了國際最高水平(ping)”。
二(er)是將柔性直(zhi)流(liu)(liu)(liu)的輸電容量提升(sheng)至常(chang)(chang)規直(zhi)流(liu)(liu)(liu)水平。單換流(liu)(liu)(liu)器容量達(da)150萬(wan)千(qian)瓦，比國(guo)外紀(ji)錄超(chao)出50%，首次達(da)到(dao)了(le)±500千(qian)伏常(chang)(chang)規直(zhi)流(liu)(liu)(liu)的水平。立足國(guo)內，自主研發(fa)4.5千(qian)伏?、3千(qian)安大功率IGBT器件(jian)并批量用于工程，攻克了(le)制約我(wo)國(guo)柔性直(zhi)流(liu)(liu)(liu)發(fa)展的核心技(ji)術問題。
三是(shi)將柔(rou)性(xing)直(zhi)(zhi)流的(de)(de)可靠(kao)性(xing)提升(sheng)至(zhi)(zhi)常規(gui)直(zhi)(zhi)流水(shui)平。王紹武(wu)透露，成果在(zai)渝鄂背靠(kao)背工程中初步(bu)經受了運(yun)行檢驗，與早期(qi)柔(rou)直(zhi)(zhi)工程比(bi)，IGBT組件年失效(xiao)率由6％降至(zhi)(zhi)2‰，單換流器強迫停(ting)運(yun)率由平均每月超過一(yi)次(ci)降至(zhi)(zhi)每年一(yi)次(ci)，使(shi)柔(rou)性(xing)直(zhi)(zhi)流輸電的(de)(de)大規(gui)模工業化應用成為可能(neng)。
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國網方面表示，張北柔(rou)直(zhi)工程采用(yong)全新(xin)的(de)(de)柔(rou)性直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)網技術，獲(huo)得了(le)超越新(xin)能源特性和常規輸電(dian)(dian)(dian)(dian)技術的(de)(de)高(gao)可(ke)控(kong)性，從根(gen)本上提高(gao)了(le)電(dian)(dian)(dian)(dian)網對可(ke)再生能源的(de)(de)駕(jia)馭能力。大(da)規模清潔(jie)能源可(ke)不(bu)依賴交流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)網的(de)(de)有無和強弱，不(bu)需(xu)要(yao)傳統(tong)能源發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)支撐，直(zhi)接孤島接入柔(rou)直(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)網。以柔(rou)直(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)網為中心，“多(duo)點匯集(ji)”，“多(duo)能互(hu)(hu)補(bu)”，“時(shi)空(kong)互(hu)(hu)補(bu)”，“源網荷(he)協同(tong)”，實現(xian)可(ke)再生能源側(ce)自由“波動”發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)和負荷(he)側(ce)可(ke)控(kong)“穩(wen)定(ding)”供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，解決(jue)“純”清潔(jie)能源大(da)規模消納難題。
國(guo)家能(neng)(neng)源局介紹，全(quan)世界(jie)大(da)量待開發(fa)的(de)(de)(de)可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源能(neng)(neng)源都處于電網(wang)薄弱地區，張北(bei)的(de)(de)(de)問題具有典型性(xing)。張北(bei)柔直工程(cheng)的(de)(de)(de)創新實踐，開拓了可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源大(da)規模(mo)開發(fa)利(li)用(yong)和友好消納(na)的(de)(de)(de)新道路。國(guo)家能(neng)(neng)源局副(fu)局長(chang)劉寶華表示(shi)，“未來我們(men)還要建設更多(duo)、更高水平的(de)(de)(de)柔性(xing)直流工程(cheng)”。（記 者 ?瞿 劍(jian)）
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