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国家电网全力推进柔性直流输电技术研发与工程应用

北极星智能电网在线  来源:电网头条  作者:李婕茜  2022/5/27 14:56:43  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程、厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程、舟山±200千伏五端柔性直流输电科技示范工程、上海南汇柔性直流输电工程……在能源电力领域,这一个个具有重大科技示范意义的创新工程,都应用了一项共同的先进技术——柔性直流输电技术

柔性直流输电技术是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术,具有响应速度快、可控性好、适应性强、运行方式灵活、同等容量占地规模小等特点,是提升可再生能源接纳能力、支撑能源转型和新型电力系统构建的重要技术手段。

十余载攻坚克难、勇攀高峰,国家电网有限公司始终坚持自主创新,向着电力领域极具挑战性和发展前景的高端技术持续发力,不断将“卡脖子”技术清单变成攻坚项目清单,将技术“无人区”变成创新“新蓝海”,推动我国柔性直流输电技术研发和工程应用取得从无到有的创新突破,实现“中国创造”和“中国引领”,在能源科技强国建设和实现高水平科技自立自强中贡献国网力量。

坚持自主创新,实现我国柔性直流输电技术“零的突破”

柔性直流输电技术是破解清洁能源大规模并网消纳难题的“金钥匙”,是能源有效驾驭和高效转换最关键的技术之一,对电网具有十分重要的意义。

然而,征服柔性直流输电技术高峰却并非易事。

由于我国的相关研究起步晚,加之国际上对柔性直流输电技术严格保密,从未发表过一篇文章、一份图纸、一张照片,相关材料极度缺乏,我国的柔性直流输电技术研发工作一直推进缓慢,在2004年之前仅开展过一些跟踪性研究。面对研究基础薄弱、没有可供借鉴的技术经验等实际情况,公司作为“大国重器”和“顶梁柱”,组织骨干研发团队,毅然破冰启航、迎难而上,开启了我国柔性直流输电技术的系统性研发工作。

2006年5月,公司组织电力领域专家学者召开《柔性直流输电系统关键技术研究框架》研讨会,系统提出了柔性直流输电技术研究总体规划,全面启动了柔性直流输电重大科技专项。我国柔性直流输电技术发展的序曲正式奏响。同一年,在公司的支持下,时任中国电力科学研究院电力电子所所长、输配电工程中心副主任汤广福带领的柔性直流技术研发团队制订了柔性直流输电系统关键技术研究框架,确定了“基础理论—关键技术—设备研制—工程示范”的总体技术路线。

依托一系列科技项目,基础理论和关键技术研究逐步深化。研发团队通过机理分析、公式推导、模型搭建与仿真验证等方式反复求证,成功发现了交直流变换过程中的电能转移规律,创造了系列仿真和试验研发手段,掌握了系列关键技术方法,在国内首次建立起柔性直流输电技术研究的基础理论体系。

2007年年底,公司在上海南汇风电场开展柔性直流输电技术工程示范,开始了适用于高压大容量柔性直流输电技术路线的探索与尝试。当时,国外企业采用的技术路线存在运行损耗大、容量扩展困难等问题。公司创新提出采用模块化多电平换流器拓扑的设想。而西门子、ABB等知名跨国公司也几乎同时启动了高压大容量柔性直流输电技术研究。

一路摸爬滚打、创新实践,公司研发人员顶着压力开展数百次实验研制换流阀样机、攻关数字电路在高电位场合的高耐压能力和高抗电磁干扰难题、连续开展10多次设计迭代和50余次专家技术评审会……在基础理论研究、关键技术攻关、核心设备研制、试验能力建设和工程系统集成等方面取得全面突破后,2011年7月,公司在上海南汇建成亚洲首个柔性直流输电工程,实现了我国柔性直流输电技术领域“零的突破”。该工程成为风电场并网典型案例,被列入国际大电网会议组织(CIGRE)370导则。公司也成为继ABB、西门子之后,第三家完全掌握柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和生产全系列核心技术的企业,与世界知名跨国企业同场竞技。

至此,公司柔性直流输电技术研究开始不断向着大容量、多端、双极、背靠背等方向迈进。公司持续开展探索和创新实践,全力推进关键成果应用,力争在更高电压等级、更大输送容量、更高技术水平上取得新突破,努力把竞争和发展的主动权牢牢掌握在自己手中。

持续攻坚克难,推动装备技术和工程示范迈上新台阶

“地基”逐步打牢、打深,我国柔性直流输电技术实现了从基础理论研究到高压大容量成套设备研制的巨大飞跃。公司持续攻关更高参数等级的柔性直流输电装备,紧锣密鼓加快工程示范步伐,推动更多创新工程落地。

浙江舟山,1300多个岛屿星罗棋布。2014年7月4日,世界首个五端柔性直流输电工程——浙江舟山±200千伏五端柔性直流输电科技示范工程投运。这是公司具有完全自主知识产权的重大科技示范工程。工程投运两年后,公司自主研发的全球首个200千伏高压直流断路器及快速恢复装置成功应用其中。该断路器可在3毫秒内断开一条200千伏高压直流输电线路产生的高达15000安的故障电流,速度比人眨眼还要快100倍。这标志着高压直流电难以快速断开的世界级技术难题被攻克,直流输电核心装备研发和制造取得了重大突破,我国柔性直流输电装备和技术迈上新的台阶,走在世界前列。

在舟山柔直系统直流断路器和阻尼恢复技术示范工程投运现场,中国工程院院士郑健超兴奋地说:“直流断路器研制成功并通过所有试验投入工程化应用,为未来更高电压等级的直流电网发展提供了关键技术支撑。”

今年,舟山柔直工程又有了新突破。4月10日,舟山柔直输电系统舟泗换流站满功率运行超过24小时,标志着工程大功率试验全面取得成功,具备五站满功率运行条件,将实现海上风电、光伏发电、潮汐发电等新能源全额消纳。在构建新型电力系统的大背景下,柔直系统设备和线路承载力进一步增强,为新能源大规模接入电网做好了准备。

距离舟山900多千米的厦门,世界首个采用真双极接线方案的柔性直流输电工程——厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程正在实施可靠性提升改造工程,进一步提升系统能量可利用率。该工程于2015年12月17日投运,标志着我国全面掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力。

“如果把工程比作横跨厦门岛的一座桥,把输送的电能比作车流,那真双极的设计就相当于在常规双向车道中又增加了一个双向备用车道。如果任一车道出现故障,我们就可以启用备用通道来保障电流正常通过。即使任一方向的车道全部堵塞,备用通道也可保障一半的电能顺利通过。”时任国网福建省电力有限公司检修分公司柔直换流站负责人郑国顺解释说。

作为直流电和交流电相互转换的桥梁,换流阀是柔性直流项目中技术含量最高、挑战最大的主设备之一。应用于厦门柔直工程的±320千伏/1000兆瓦柔性直流换流阀及阀控设备由公司自主研发,曾被周孝信、郑健超、潘垣、沈国荣、雷清泉、王天然、余贻鑫7位院士评价为“性能优异,具有完全自主知识产权,产品核心技术和总体技术性能处于国际领先水平”。该项技术成果后续又推广应用于世界首个投入商业运行、电压等级最高、容量最大的柔性直流背靠背工程——渝鄂背靠背柔性直流工程,有力保障了区域电网安全稳定运行。

厚积薄发,蓄力前行。随着柔性直流系统与电网协调控制技术、千兆瓦级柔性直流核心装备设计技术、柔性直流电网构建技术等难题被攻克,柔性直流技术开始更加广泛地应用于风电并网、电网互联等场景,真正成为大规模可再生能源广域协调互补和可靠送出的解决方案。

实现“中国引领”,加快技术、标准、装备一体化“走出去”

坝上张北草深林密,天蓝水清。清凉的风从草原拂过,牵动风机叶片旋转,化为清洁电能。

2020年6月29日,张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程投运。张北地区的清洁电能沿着这条“绿色高速路”汇入北京电网,每年约140亿千瓦时的绿电通过该工程送至京津冀地区——北京冬奥会场馆实现了奥运史上首次100%清洁能源供电。

张北柔直工程不仅是实现清洁能源大规模并网、推动能源革命、践行绿色冬奥理念的标志性工程,也是世界首个实现直流电网构建的重大科技试验示范工程。工程核心技术和关键设备均为国际首创,创造了12项世界第一,在加速送端地区资源优势转化、推动我国电工装备制造业转型升级等方面具有十分显著的综合效益。

作为世界首个柔性直流电网工程,张北柔直工程可借鉴的经验少,原始创新难度极大。从方案论证到生产准备、从控制保护联调到现场试验的各个环节,公司科研人员始终坚持在消化吸收的基础上创新突破,最终成功将柔性直流输电电压提升至±500千伏、单换流器额定容量提升到150万千瓦,实现了柔性直流输电技术与新型装备技术的融合,解决了新能源大规模并网难、远距离传输难、源网荷平衡难等问题,进一步推动我国柔性直流输电技术和直流电网创新发展,带动电网技术和装备制造产业升级,为直流技术和重大装备“走出去”创造了有利条件。

从“追赶”走向“引领”,从自力更生“摸着石头过河”到全方位“走出去”参与国际竞争,国家电网人一路攻坚克难、砥砺奋进,不断攀登柔性直流技术高峰。如今,我国已全面完成了柔性直流输电技术从追赶到引领的跨越式发展。公司也用实力在国际市场上树立了柔性直流输电技术的金字招牌。

德国当地时间3月10日,由中国国家电网公司所属国网智能电网研究院有限公司、南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司和美国McDermott公司组成的联合体与欧洲输电网运营商TenneT公司在德国签署BorWin6海上风电柔性直流输电工程换流站合同。

多年来,公司积极布局开展海上风电柔性直流技术研究,在系统接入、直流装备定制化开发、工程成套设计等方面取得了深厚的技术积累。从2017年起,国网智研院与欧洲电网企业开展技术合作和业务洽谈,在欧洲先后参与并中标多个柔性直流工程的技术论证和初步设计项目。本次签约标志着公司具有自主知识产权的柔性直流输电技术和直流换流阀等高端电气设备具备了国际领先的核心竞争力,是公司推动技术、标准、装备一体化“走出去”的重要成果,对高质量共建“一带一路”、深化中欧绿色能源合作具有重要意义。

如今,在共建“一带一路”倡议下,柔性直流输电技术穿针引线,既推动了我国电力装备技术深度参与国际竞争,也助力我国电网企业顺利赢得海外市场,为我国电力工业高质量发展带来了新的历史机遇。


原标题:国家电网有限公司全力推进柔性直流输电技术研发与工程应用

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