文(wen)章來源：科技日(ri)報 發(fa)布時間：2021-09-04
世界首個直流(liu)電網(wang)(wang)——張北(bei)(bei)(bei)可再(zai)生能(neng)源(yuan)柔性直流(liu)電網(wang)(wang)試驗(yan)示范工程，在經過(guo)了168小時調試和試運(yun)行(xing)之(zhi)后(hou)，6月29日正(zheng)式投運(yun)張。北(bei)(bei)(bei)地(di)區富集的可再(zai)生能(neng)源(yuan)成功接入首都電網(wang)(wang)，2022年北(bei)(bei)(bei)京冬(dong)奧會所有場館實(shi)現奧運(yun)史上首次100%清(qing)(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)供(gong)電有了保(bao)障，北(bei)(bei)(bei)京全(quan)市用電負荷的1/10也(ye)就(jiu)此實(shi)現清(qing)(qing)潔(jie)化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有史以來所(suo)有的(de)電(dian)(dian)網(wang)都是交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)網(wang)。”國家電(dian)(dian)網(wang)有限(xian)公司表示，由于交(jiao)、直流(liu)(liu)輸電(dian)(dian)本身技術特(te)性所(suo)限(xian)，直流(liu)(liu)輸電(dian)(dian)主要用于點(dian)對點(dian)、遠距離、大容量電(dian)(dian)源外送(song)，而不(bu)能組網(wang)；交(jiao)流(liu)(liu)輸電(dian)(dian)則可以滿足常規電(dian)(dian)源送(song)出和電(dian)(dian)網(wang)互聯需求(qiu)，且成本低。
以風電(dian)、光(guang)伏發電(dian)為代表的(de)(de)(de)“隨機性(xing)、波動(dong)性(xing)、間歇(xie)性(xing)可再生能(neng)源(yuan)的(de)(de)(de)大規(gui)模(mo)接入(ru)，對傳統輸電(dian)方式提出了巨大挑戰”，按國網(wang)公(gong)司特高(gao)壓部主任(ren)王(wang)紹武的(de)(de)(de)說法，可再生能(neng)源(yuan)接入(ru)電(dian)網(wang)，“遇到(dao)原理性(xing)障(zhang)礙”。
對此，國(guo)網經(jing)研院直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)中(zhong)心主任樂波解釋，交流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)網需要同時(shi)關注(zhu)有(you)(you)功(gong)(gong)和無功(gong)(gong)平衡(heng)，功(gong)(gong)率(lv)流(liu)(liu)(liu)向是靠電(dian)(dian)網的(de)自(zi)然阻(zu)抗特性分布，可控性差，不靈活；而直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)輸電(dian)(dian)能(neng)夠(gou)平抑(yi)隨機(ji)波動的(de)功(gong)(gong)率(lv)，保證負荷平穩供電(dian)(dian)，更適合大規(gui)模(mo)可再生能(neng)源接入，但由于“直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)沒有(you)(you)過零點，直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)斷路器、大容量換流(liu)(liu)(liu)閥等(deng)設備研發難度大，控制系統復雜”，在柔性直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)技術成熟之前，“直(zhi)(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)組網很(hen)難實現”。
柔(rou)性直流(liu)(liu)(flexible）是20世紀(ji)90年(nian)代興起的(de)以電(dian)壓源換流(liu)(liu)器為核(he)心的(de)新一代直流(liu)(liu)輸電(dian)技術。國網冀北電(dian)力建設部主任田生林用(yong)“一個(ge)完全可(ke)控的(de)水(shui)(shui)泵”來比喻，它能夠(gou)精準控制(zhi)水(shui)(shui)流(liu)(liu)的(de)方向(xiang)、速(su)度和流(liu)(liu)量，從水(shui)(shui)源地準確(que)地供水(shui)(shui)給用(yong)戶(hu)；某個(ge)水(shui)(shui)管壞(huai)了，可(ke)借(jie)助其他水(shui)(shui)管繼續(xu)供水(shui)(shui)，“這在(zai)傳(chuan)統交流(liu)(liu)電(dian)網是不(bu)可(ke)想象的(de)”。
田生(sheng)林分析，這一(yi)“柔(rou)性”、靈(ling)活特征，緣于(yu)它(ta)采(cai)用最先進的(de)(de)電壓源型換(huan)流器(qi)（VSC）和類似集成電路的(de)(de)全控(kong)器(qi)件（IGBT），與(yu)傳統直流采(cai)用類似開關(guan)的(de)(de)半控(kong)型晶(jing)閘管器(qi)件相比，“可控(kong)能(neng)(neng)力強、功率調(diao)節速度快、運行方式(shi)靈(ling)活”，能(neng)(neng)夠(gou)有效抑制交流電壓波動，減少功率波動對受端電網影響。所以是(shi)破解(jie)新(xin)能(neng)(neng)源大規模并網消納難題的(de)(de)“金(jin)鑰匙”。
配制出這(zhe)把“金鑰匙”，卻不是一件容易(yi)的事情。王紹武(wu)指出，柔(rou)直技(ji)術在(zai)大規模可再生(sheng)能源送出等場景的工業(ye)化應用，面臨(lin)三大世界級技(ji)術難(nan)題，極具挑戰性：
一是(shi)組網技術空(kong)(kong)白。只能(neng)點(dian)對(dui)點(dian)或(huo)一次設定的(de)(de)多(duo)點(dian)輸電，不(bu)(bu)(bu)具(ju)備靈活擴建、拓展為直流(liu)電網的(de)(de)能(neng)力。新能(neng)源(yuan)不(bu)(bu)(bu)同于常規(gui)電源(yuan)，能(neng)量密度低(di)、占地面積大。不(bu)(bu)(bu)能(neng)自由組網限制(zhi)了多(duo)能(neng)互補、時空(kong)(kong)互補和源(yuan)網荷(he)協同的(de)(de)空(kong)(kong)間，難以平抑新能(neng)源(yuan)波動性，支撐大規(gui)模開發。
二是(shi)輸(shu)電(dian)能力受限(xian)。受IGBT器(qi)件(jian)技術水(shui)平限(xian)制，單換(huan)流(liu)器(qi)容(rong)量(liang)(liang)在100萬(wan)千(qian)(qian)瓦(wa)上下，多數工程的(de)容(rong)量(liang)(liang)處(chu)于(yu)幾(ji)萬(wan)到(dao)幾(ji)十萬(wan)千(qian)(qian)瓦(wa)區間，而常規高(gao)壓直流(liu)輸(shu)電(dian)的(de)單換(huan)流(liu)器(qi)容(rong)量(liang)(liang)都大(da)于(yu)150萬(wan)千(qian)(qian)瓦(wa)，最大(da)已達到(dao)300萬(wan)千(qian)(qian)瓦(wa)。輸(shu)電(dian)容(rong)量(liang)(liang)偏低(di)限(xian)制了柔直輸(shu)電(dian)的(de)應用。
三(san)是運行(xing)可靠(kao)性(xing)(xing)低。受IGBT器(qi)件技術原理約束，相同輸電(dian)容(rong)量(liang)下，單換流器(qi)單元的(de)(de)串并(bing)聯(lian)半導體“芯片”數量(liang)為常規直流的(de)(de)100多倍(bei)，控(kong)制指令頻度為常規直流的(de)(de)200多倍(bei)，大幅提高了保(bao)證可靠(kao)性(xing)(xing)、穩定性(xing)(xing)的(de)(de)難度。
張北(bei)柔直工(gong)程總投資125億元，新(xin)建張北(bei)、康(kang)保、豐寧和(he)北(bei)京(jing)4座換流站，額定(ding)電壓±500千(qian)伏，額定(ding)輸電能力(li)450萬千(qian)瓦，輸電線路長度666千(qian)米。張北(bei)、康(kang)保換流站為(wei)送電端(duan)，接(jie)入(ru)新(xin)能源，豐寧站為(wei)調解端(duan)，接(jie)入(ru)抽水蓄能，北(bei)京(jing)站為(wei)接(jie)收(shou)端(duan)，接(jie)入(ru)首都負荷(he)中(zhong)心。工(gong)程于2017年(nian)(nian)12月獲國家發改委核準，2018年(nian)(nian)2月開(kai)工(gong)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(yong)我國原創(chuang)、領先世界的柔性直流電(dian)網新(xin)技(ji)術，創(chuang)造了12項世界第一，在上述三大世界級(ji)挑(tiao)戰(zhan)上均取得突破。
一是提出(chu)并攻克柔性(xing)直(zhi)(zhi)流組(zu)網(wang)技術。建成世界首(shou)個(ge)真正具有(you)網(wang)絡(luo)(luo)特性(xing)的(de)(de)直(zhi)(zhi)流電(dian)網(wang)，能夠(gou)可(ke)(ke)靠隔離故障(zhang)，非故障(zhang)元件不(bu)退出(chu)，直(zhi)(zhi)流電(dian)網(wang)不(bu)停(ting)運。王(wang)紹武介紹，本期為(wei)四端網(wang)絡(luo)(luo)，示范連接(jie)了風、光、儲和交流電(dian)網(wang)，可(ke)(ke)根據發(fa)展需要，靈活(huo)擴展為(wei)復雜多端網(wang)絡(luo)(luo)。自主開發(fa)的(de)(de)±500千伏直(zhi)(zhi)流斷路器(qi)具備在3毫秒內(nei)開斷25千安(an)直(zhi)(zhi)流電(dian)流的(de)(de)能力，“標(biao)定了國際最(zui)高水平(ping)”。
二是將柔(rou)性直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)的(de)輸電容量提升至常規直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)水平。單換流(liu)(liu)(liu)器(qi)容量達150萬千瓦，比國外(wai)紀錄超出(chu)50%，首次(ci)達到了±500千伏(fu)常規直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)的(de)水平。立足(zu)國內，自主研(yan)發4.5千伏(fu)?、3千安大功率IGBT器(qi)件(jian)并批量用于(yu)工(gong)程，攻克了制(zhi)約我國柔(rou)性直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)發展的(de)核心技術問(wen)題。
三是將柔(rou)性(xing)直流(liu)(liu)(liu)的可靠性(xing)提升至常規(gui)直流(liu)(liu)(liu)水平(ping)(ping)。王紹武透露，成果在(zai)渝(yu)鄂背靠背工程中(zhong)初步經(jing)受(shou)了運行(xing)檢驗，與(yu)早期(qi)柔(rou)直工程比，IGBT組(zu)件年失效率(lv)由6％降至2‰，單換流(liu)(liu)(liu)器強迫(po)停運率(lv)由平(ping)(ping)均每月超過一次(ci)降至每年一次(ci)，使柔(rou)性(xing)直流(liu)(liu)(liu)輸電的大規(gui)模工業化應用成為可能。
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國網(wang)方面表示，張北柔直(zhi)(zhi)工(gong)程采用全新的柔性直(zhi)(zhi)流電(dian)網(wang)技術(shu)(shu)，獲(huo)得了(le)超(chao)越新能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)特(te)性和(he)常規輸電(dian)技術(shu)(shu)的高可控性，從根本上(shang)提高了(le)電(dian)網(wang)對可再生(sheng)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)的駕馭能(neng)力。大規模清潔能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)可不(bu)依賴(lai)交流電(dian)網(wang)的有(you)無和(he)強弱，不(bu)需要傳統(tong)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)發電(dian)的支撐，直(zhi)(zhi)接(jie)孤島接(jie)入柔直(zhi)(zhi)電(dian)網(wang)。以柔直(zhi)(zhi)電(dian)網(wang)為中(zhong)心，“多點匯(hui)集”，“多能(neng)互補(bu)(bu)”，“時空(kong)互補(bu)(bu)”，“源(yuan)(yuan)(yuan)網(wang)荷(he)協(xie)同(tong)”，實現可再生(sheng)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)側自由“波動”發電(dian)和(he)負荷(he)側可控“穩定”供電(dian)，解決“純”清潔能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)大規模消(xiao)納難題。
國家(jia)能(neng)源局介(jie)紹，全世界大量待(dai)開(kai)(kai)發的可再(zai)生能(neng)源能(neng)源都處于電網薄弱(ruo)地區(qu)，張(zhang)北的問題具有典型性(xing)。張(zhang)北柔直(zhi)工程的創新(xin)(xin)實踐，開(kai)(kai)拓了可再(zai)生能(neng)源大規模開(kai)(kai)發利用和友好(hao)消(xiao)納的新(xin)(xin)道路。國家(jia)能(neng)源局副局長(chang)劉寶(bao)華表示，“未來我們還要建設更(geng)多、更(geng)高水(shui)平的柔性(xing)直(zhi)流(liu)工程”。（記 者 ?瞿 劍）
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