張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程、廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程、舟山±200千伏五端柔性直流輸電科技示范工程、上海南匯柔性直流輸電工程……在能源電力領域，這一個個具有重大科技示范意義的創(chuàng)新工程，都應用了一項共同的先進技術——柔性直流輸電技術。
柔性直流輸電技術是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術，具有響應速度快、可控性好、適應性強、運行方式靈活、同等容量占地規(guī)模小等特點，是提升可再生能源接納能力、支撐能源轉型和新型電力系統(tǒng)構建的重要技術手段。
十余載攻堅克難、勇攀高峰，國家電網(wǎng)有限公司始終堅持自主創(chuàng)新，向著電力領域極具挑戰(zhàn)性和發(fā)展前景的高端技術持續(xù)發(fā)力，不斷將“卡脖子”技術清單變成攻堅項目清單，將技術“無人區(qū)”變成創(chuàng)新“新藍海”，推動我國柔性直流輸電技術研發(fā)和工程應用取得從無到有的創(chuàng)新突破，實現(xiàn)“中國創(chuàng)造”和“中國引領”，在能源科技強國建設和實現(xiàn)高水平科技自立自強中貢獻國網(wǎng)力量。
堅持自主創(chuàng)新，實現(xiàn)我國柔性直流輸電技術“零的突破”
柔性直流輸電技術是破解清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)消納難題的“金鑰匙”，是能源有效駕馭和高效轉換最關鍵的技術之一，對電網(wǎng)具有十分重要的意義。
然而，征服柔性直流輸電技術高峰卻并非易事。
由于我國的相關研究起步晚，加之國際上對柔性直流輸電技術嚴格保密，從未發(fā)表過一篇文章、一份圖紙、一張照片，相關材料極度缺乏，我國的柔性直流輸電技術研發(fā)工作一直推進緩慢，在2004年之前僅開展過一些跟蹤性研究。面對研究基礎薄弱、沒有可供借鑒的技術經(jīng)驗等實際情況，公司作為“大國重器”和“頂梁柱”，組織骨干研發(fā)團隊，毅然破冰啟航、迎難而上，開啟了我國柔性直流輸電技術的系統(tǒng)性研發(fā)工作。
2006年5月，公司組織電力領域專家學者召開《柔性直流輸電系統(tǒng)關鍵技術研究框架》研討會，系統(tǒng)提出了柔性直流輸電技術研究總體規(guī)劃，全面啟動了柔性直流輸電重大科技專項。我國柔性直流輸電技術發(fā)展的序曲正式奏響。同一年，在公司的支持下，時任中國電力科學研究院電力電子所所長、輸配電工程中心副主任湯廣福帶領的柔性直流技術研發(fā)團隊制訂了柔性直流輸電系統(tǒng)關鍵技術研究框架，確定了“基礎理論—關鍵技術—設備研制—工程示范”的總體技術路線。
依托一系列科技項目，基礎理論和關鍵技術研究逐步深化。研發(fā)團隊通過機理分析、公式推導、模型搭建與仿真驗證等方式反復求證，成功發(fā)現(xiàn)了交直流變換過程中的電能轉移規(guī)律，創(chuàng)造了系列仿真和試驗研發(fā)手段，掌握了系列關鍵技術方法，在國內首次建立起柔性直流輸電技術研究的基礎理論體系。
2007年年底，公司在上海南匯風電場開展柔性直流輸電技術工程示范，開始了適用于高壓大容量柔性直流輸電技術路線的探索與嘗試。當時，國外企業(yè)采用的技術路線存在運行損耗大、容量擴展困難等問題。公司創(chuàng)新提出采用模塊化多電平換流器拓撲的設想。而西門子、ABB等知名跨國公司也幾乎同時啟動了高壓大容量柔性直流輸電技術研究。
一路摸爬滾打、創(chuàng)新實踐，公司研發(fā)人員頂著壓力開展數(shù)百次實驗研制換流閥樣機、攻關數(shù)字電路在高電位場合的高耐壓能力和高抗電磁干擾難題、連續(xù)開展10多次設計迭代和50余次專家技術評審會……在基礎理論研究、關鍵技術攻關、核心設備研制、試驗能力建設和工程系統(tǒng)集成等方面取得全面突破后，2011年7月，公司在上海南匯建成亞洲首個柔性直流輸電工程，實現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術領域“零的突破”。該工程成為風電場并網(wǎng)典型案例，被列入國際大電網(wǎng)會議組織（CIGRE）370導則。公司也成為繼ABB、西門子之后，第三家完全掌握柔性直流輸電成套設備設計、試驗、調試和生產(chǎn)全系列核心技術的企業(yè)，與世界知名跨國企業(yè)同場競技。
至此，公司柔性直流輸電技術研究開始不斷向著大容量、多端、雙極、背靠背等方向邁進。公司持續(xù)開展探索和創(chuàng)新實踐，全力推進關鍵成果應用，力爭在更高電壓等級、更大輸送容量、更高技術水平上取得新突破，努力把競爭和發(fā)展的主動權牢牢掌握在自己手中。
持續(xù)攻堅克難，推動裝備技術和工程示范邁上新臺階
“地基”逐步打牢、打深，我國柔性直流輸電技術實現(xiàn)了從基礎理論研究到高壓大容量成套設備研制的巨大飛躍。公司持續(xù)攻關更高參數(shù)等級的柔性直流輸電裝備，緊鑼密鼓加快工程示范步伐，推動更多創(chuàng)新工程落地。
浙江舟山，1300多個島嶼星羅棋布。2014年7月4日，世界首個五端柔性直流輸電工程——浙江舟山±200千伏五端柔性直流輸電科技示范工程投運。這是公司具有完全自主知識產(chǎn)權的重大科技示范工程。工程投運兩年后，公司自主研發(fā)的全球首個200千伏高壓直流斷路器及快速恢復裝置成功應用其中。該斷路器可在3毫秒內斷開一條200千伏高壓直流輸電線路產(chǎn)生的高達15000安的故障電流，速度比人眨眼還要快100倍。這標志著高壓直流電難以快速斷開的世界級技術難題被攻克，直流輸電核心裝備研發(fā)和制造取得了重大突破，我國柔性直流輸電裝備和技術邁上新的臺階，走在世界前列。
在舟山柔直系統(tǒng)直流斷路器和阻尼恢復技術示范工程投運現(xiàn)場，中國工程院院士鄭健超興奮地說：“直流斷路器研制成功并通過所有試驗投入工程化應用，為未來更高電壓等級的直流電網(wǎng)發(fā)展提供了關鍵技術支撐。”
今年，舟山柔直工程又有了新突破。4月10日，舟山柔直輸電系統(tǒng)舟泗換流站滿功率運行超過24小時，標志著工程大功率試驗全面取得成功，具備五站滿功率運行條件，將實現(xiàn)海上風電、光伏發(fā)電、潮汐發(fā)電等新能源全額消納。在構建新型電力系統(tǒng)的大背景下，柔直系統(tǒng)設備和線路承載力進一步增強，為新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)做好了準備。
距離舟山900多千米的廈門，世界首個采用真雙極接線方案的柔性直流輸電工程——廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程正在實施可靠性提升改造工程，進一步提升系統(tǒng)能量可利用率。該工程于2015年12月17日投運，標志著我國全面掌握了高壓大容量柔性直流輸電關鍵技術和工程成套能力。
“如果把工程比作橫跨廈門島的一座橋，把輸送的電能比作車流，那真雙極的設計就相當于在常規(guī)雙向車道中又增加了一個雙向備用車道。如果任一車道出現(xiàn)故障，我們就可以啟用備用通道來保障電流正常通過。即使任一方向的車道全部堵塞，備用通道也可保障一半的電能順利通過。”時任國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司柔直換流站負責人鄭國順解釋說。
作為直流電和交流電相互轉換的橋梁，換流閥是柔性直流項目中技術含量最高、挑戰(zhàn)最大的主設備之一。應用于廈門柔直工程的±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流閥及閥控設備由公司自主研發(fā)，曾被周孝信、鄭健超、潘垣、沈國榮、雷清泉、王天然、余貽鑫7位院士評價為“性能優(yōu)異，具有完全自主知識產(chǎn)權，產(chǎn)品核心技術和總體技術性能處于國際領先水平”。該項技術成果后續(xù)又推廣應用于世界首個投入商業(yè)運行、電壓等級最高、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，有力保障了區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
厚積薄發(fā)，蓄力前行。隨著柔性直流系統(tǒng)與電網(wǎng)協(xié)調控制技術、千兆瓦級柔性直流核心裝備設計技術、柔性直流電網(wǎng)構建技術等難題被攻克，柔性直流技術開始更加廣泛地應用于風電并網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)等場景，真正成為大規(guī)?？稍偕茉磸V域協(xié)調互補和可靠送出的解決方案。
實現(xiàn)“中國引領”，加快技術、標準、裝備一體化“走出去”
壩上張北草深林密，天藍水清。清涼的風從草原拂過，牽動風機葉片旋轉，化為清潔電能。
2020年6月29日，張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程投運。張北地區(qū)的清潔電能沿著這條“綠色高速路”匯入北京電網(wǎng)，每年約140億千瓦時的綠電通過該工程送至京津冀地區(qū)——北京冬奧會場館實現(xiàn)了奧運史上首次100%清潔能源供電。
張北柔直工程不僅是實現(xiàn)清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)、推動能源革命、踐行綠色冬奧理念的標志性工程，也是世界首個實現(xiàn)直流電網(wǎng)構建的重大科技試驗示范工程。工程核心技術和關鍵設備均為國際首創(chuàng)，創(chuàng)造了12項世界第一，在加速送端地區(qū)資源優(yōu)勢轉化、推動我國電工裝備制造業(yè)轉型升級等方面具有十分顯著的綜合效益。
作為世界首個柔性直流電網(wǎng)工程，張北柔直工程可借鑒的經(jīng)驗少，原始創(chuàng)新難度極大。從方案論證到生產(chǎn)準備、從控制保護聯(lián)調到現(xiàn)場試驗的各個環(huán)節(jié)，公司科研人員始終堅持在消化吸收的基礎上創(chuàng)新突破，最終成功將柔性直流輸電電壓提升至±500千伏、單換流器額定容量提升到150萬千瓦，實現(xiàn)了柔性直流輸電技術與新型裝備技術的融合，解決了新能源大規(guī)模并網(wǎng)難、遠距離傳輸難、源網(wǎng)荷平衡難等問題，進一步推動我國柔性直流輸電技術和直流電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展，帶動電網(wǎng)技術和裝備制造產(chǎn)業(yè)升級，為直流技術和重大裝備“走出去”創(chuàng)造了有利條件。
從“追趕”走向“引領”，從自力更生“摸著石頭過河”到全方位“走出去”參與國際競爭，國家電網(wǎng)人一路攻堅克難、砥礪奮進，不斷攀登柔性直流技術高峰。如今，我國已全面完成了柔性直流輸電技術從追趕到引領的跨越式發(fā)展。公司也用實力在國際市場上樹立了柔性直流輸電技術的金字招牌。
德國當?shù)貢r間3月10日，由中國國家電網(wǎng)公司所屬國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司、南瑞集團中電普瑞電力工程有限公司和美國McDermott公司組成的聯(lián)合體與歐洲輸電網(wǎng)運營商TenneT公司在德國簽署B(yǎng)orWin6海上風電柔性直流輸電工程換流站合同。
多年來，公司積極布局開展海上風電柔性直流技術研究，在系統(tǒng)接入、直流裝備定制化開發(fā)、工程成套設計等方面取得了深厚的技術積累。從2017年起，國網(wǎng)智研院與歐洲電網(wǎng)企業(yè)開展技術合作和業(yè)務洽談，在歐洲先后參與并中標多個柔性直流工程的技術論證和初步設計項目。本次簽約標志著公司具有自主知識產(chǎn)權的柔性直流輸電技術和直流換流閥等高端電氣設備具備了國際領先的核心競爭力，是公司推動技術、標準、裝備一體化“走出去”的重要成果，對高質量共建“一帶一路”、深化中歐綠色能源合作具有重要意義。
如今，在共建“一帶一路”倡議下，柔性直流輸電技術穿針引線，既推動了我國電力裝備技術深度參與國際競爭，也助力我國電網(wǎng)企業(yè)順利贏得海外市場，為我國電力工業(yè)高質量發(fā)展帶來了新的歷史機遇。
