文章來(lái)源：國(guó)家電網(wǎng)有限公司 發(fā)布時(shí)間：2021-03-22
我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，但它們卻像草原上的野馬，性情不定，難以馴服。
如何馴服風(fēng)光能源這匹野馬，讓風(fēng)光綠能大顯身手，從能源舞臺(tái)的配角變?yōu)橹鹘牵蔀楸Ｕ蠂?guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的強(qiáng)大支撐，這是立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局面臨的一個(gè)重大戰(zhàn)略問(wèn)題。
有這樣一個(gè)團(tuán)隊(duì)，短短幾年時(shí)間，他們突破一個(gè)個(gè)世界級(jí)難題，創(chuàng)造一項(xiàng)項(xiàng)世界第一。在他們的努力下，特高壓直流輸電成為國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)技術(shù)，和高鐵、北斗一樣，成為享譽(yù)世界的“中國(guó)名片”。
他們，是國(guó)家電網(wǎng)經(jīng)研院直流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，他們，被稱作馴服風(fēng)光野馬的“追風(fēng)人”。
攻下一個(gè)個(gè)世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠色、低碳是中國(guó)能源的發(fā)展方向，而服務(wù)新能源大規(guī)模開發(fā)利用，正是柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。
國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院作為國(guó)家電網(wǎng)的技術(shù)支撐單位，多年前就意識(shí)到柔性直流輸電對(duì)新能源匯集送出的重要性。為了馴服風(fēng)能、太陽(yáng)能，2012年他們便開展了大量基礎(chǔ)性研究。
當(dāng)時(shí)我國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)方面沒有任何經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外相關(guān)核心技術(shù)又嚴(yán)加封鎖。“在接到項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)每個(gè)人心中都惴惴不安，完全沒有成功的把握，有的同志提出以市場(chǎng)換技術(shù)的方式找外方搞技術(shù)引進(jìn)，但幾次接觸下來(lái)，技術(shù)轉(zhuǎn)讓條件苛刻，我們根本無(wú)法接受。”國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院直流技術(shù)中心主任樂波坦言。
這支攻關(guān)團(tuán)隊(duì)太年輕了，剛組建時(shí)平均年齡還不到30歲。帶著一股開拓創(chuàng)新、永不服輸?shù)钠磩牛麄冮_始了披荊斬棘的闖關(guān)之旅。
柔性直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是確定主接線，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“綱”和“領(lǐng)”：確定系統(tǒng)采用哪些主要設(shè)備，這些設(shè)備怎么布置、怎么配合，如同家里裝修要先畫好電路圖，確定開關(guān)、插座、照明等的位置，才能保證所有電器的用電安全和正常工作。
舟山工程是國(guó)家電網(wǎng)第一個(gè)商業(yè)化的柔性直流工程，也是世界首個(gè)五端柔性直流工程，主接線要比國(guó)外的兩端工程復(fù)雜得多。整個(gè)工程要用的設(shè)備有上百種，每種設(shè)備又有多種型式，排列組合起來(lái)就有上千種，許多設(shè)備連見都沒見過(guò)，更別說(shuō)熟練使用和布置。
接到任務(wù)后，團(tuán)隊(duì)迅速分工，有的總結(jié)以前常規(guī)工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有的研究新設(shè)備的功能和特點(diǎn)，有的開展理論分析，有的搭建仿真模型。他們?cè)岢鰩资N方案，但經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真分析，都滿足不了五端直流安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。
只好全部推倒，從頭再來(lái)。
經(jīng)過(guò)數(shù)月的閉關(guān)修煉，世界首個(gè)五端柔性直流工程主接線終于完成，徹底打破未來(lái)可能的外方知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制，完全做到自主化設(shè)計(jì)。
舟山工程后，他們又攻下供電可靠性要求更高的廈門工程。“現(xiàn)在，外方為了提高工程可靠性，反而模仿起中國(guó)方案，我們的身份也實(shí)現(xiàn)了從學(xué)生到老師的華麗轉(zhuǎn)變。”樂波說(shuō)。
在沒有任何資料可供借鑒的情況下，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)拿下了一個(gè)又一個(gè)世界難題，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)“零”的突破，形成一套完整的柔性直流輸電成套設(shè)計(jì)體系，徹底擺脫了“洋拐棍”，實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的“彎道超車”和“中國(guó)引領(lǐng)”。
不設(shè)權(quán)威 自由發(fā)揮 鼓勵(lì)原創(chuàng)，創(chuàng)造12項(xiàng)世界第一
2020年6月29日，張北柔性直流電網(wǎng)工程竣工投產(chǎn)，來(lái)自草原的綠色動(dòng)能點(diǎn)亮了京城的萬(wàn)家燈火。張北工程不僅能夠滿足冬奧會(huì)的100%清潔供電需求，還將每年向北京輸送225億度清潔電力，相當(dāng)于北京年用電量的十分之一。
“柔性直流電網(wǎng)技術(shù)可以控制電能靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)新能源的波動(dòng)，是目前世界上最先進(jìn)的輸電技術(shù)。”樂波說(shuō)，張北工程采用我國(guó)原創(chuàng)、世界領(lǐng)先的柔性直流電網(wǎng)新技術(shù)，把過(guò)去不可控的風(fēng)能變?yōu)榭煽貎?yōu)質(zhì)電能。“工程創(chuàng)造了12項(xiàng)世界第一，提出了破解新能源大規(guī)模開發(fā)利用世界級(jí)難題的中國(guó)方案。”
12項(xiàng)沉甸甸的世界第一，凝聚著科研人員克服重重困難、戰(zhàn)勝層層挑戰(zhàn)所付出的艱辛和努力。
靈活可靠消納新能源，首先碰到的難題是要研制確保電網(wǎng)安全的新設(shè)備、新技術(shù)。“直流電網(wǎng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于要應(yīng)對(duì)不經(jīng)常發(fā)生的嚴(yán)重故障，解決這個(gè)問(wèn)題，就必須找到能確保電網(wǎng)安全的速效救心丸。”團(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干李探博士說(shuō)。
李探一畢業(yè)，就和團(tuán)隊(duì)一頭扎入柔性直流電網(wǎng)的資料堆，從查公式、編程序開始，一晃就是5年。研發(fā)之初，由于相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)都處于完全空白狀態(tài)，沒有任何經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，團(tuán)隊(duì)只能從零開始。然而正是這張白紙，給年輕的科研人員們提供了從理論到實(shí)踐的廣闊舞臺(tái)。
不設(shè)權(quán)威、自由發(fā)揮、鼓勵(lì)原創(chuàng)是團(tuán)隊(duì)組建時(shí)確定的工作原則。從“半橋式換流閥+直流斷路器”到“全橋式換流閥”，他們大膽假設(shè)、小心求證，從“交流耗能裝置”到“直流耗能裝置”，他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍。經(jīng)歷了數(shù)月“白加黑”“5+2”的鏖戰(zhàn)，終于實(shí)現(xiàn)了“首臺(tái)套”直流斷路器和交流耗能裝置的重大技術(shù)突破。
張北工程的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)需要依賴于新能源和柔性直流電網(wǎng)的真實(shí)模型，這兩個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行建模已經(jīng)困難重重，進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試更是從未有過(guò)先例。
400多面控制屏柜，通過(guò)上萬(wàn)根線纜連接起來(lái)，將新能源和四座換流站組合在一起，建立起反映電網(wǎng)真實(shí)特性的超大規(guī)模仿真系統(tǒng)。僅啟動(dòng)一次，就要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。
“這只是邁出了平臺(tái)構(gòu)建的第一步。”實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人厲璇介紹，“在資源條件有限的情況下，還要準(zhǔn)確刻畫復(fù)雜系統(tǒng)的快速變化特性，這是更加關(guān)鍵的一步。”
幾十個(gè)新能源場(chǎng)站，四端柔性直流電網(wǎng)，包含了數(shù)十萬(wàn)元件，上萬(wàn)根光纖，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算，如此龐大的系統(tǒng)在每個(gè)毫秒都要進(jìn)行幾十億次仿真計(jì)算，這儼然是一個(gè)超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)，超算能力對(duì)系統(tǒng)配置提出了不可能達(dá)到的要求。
為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算目標(biāo)，必須另辟蹊徑。“將系統(tǒng)和元件進(jìn)行有效簡(jiǎn)化后，我們所提出的多項(xiàng)等值技術(shù)將仿真速度提升了近60%，完全達(dá)到工程精度。”厲璇說(shuō)。在對(duì)模型進(jìn)行逐步等值的過(guò)程中，科研人員們經(jīng)歷了種種坎坷和失敗，一個(gè)錯(cuò)誤的脈沖信號(hào)，一個(gè)程序的細(xì)微漏洞，一個(gè)設(shè)置不合理的參數(shù)，都容易導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)或失穩(wěn)奔潰。
一遍又一遍的檢查設(shè)備，一次又一次的核對(duì)接線是團(tuán)隊(duì)每天的日常工作，一條通道調(diào)試不通就從頭再來(lái)。
在團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力下，終于建立起世界首個(gè)大規(guī)模新能源柔直并網(wǎng)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。
跨越千里，電力天路從規(guī)劃變成現(xiàn)實(shí)
青海是我國(guó)清潔能源最豐富的省份之一，新能源發(fā)電量已經(jīng)超過(guò)青海省全省用電負(fù)荷，亟需將大量富余的清潔電力送到上千公里之外的中東部負(fù)荷中心，變資源優(yōu)勢(shì)為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
特高壓直流技術(shù)成熟、成本較低，在大容量遠(yuǎn)距離電能輸送方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，青海的新能源必須通過(guò)特高壓直流技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離大規(guī)模消納。然而，傳統(tǒng)特高壓直流猶如高速列車，運(yùn)載量大、一站直達(dá)，而始發(fā)站的太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源就像自由出行的游客，何時(shí)出行、多少人出行均具有隨機(jī)性。因此，對(duì)傳統(tǒng)特高壓技術(shù)升級(jí)改造才能更好實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源的高效送出。
“能否將匯集新能源的系統(tǒng)電壓控制穩(wěn)定是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人盧亞軍向記者介紹。多年來(lái)，國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院直流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出的“升級(jí)版”特高壓技術(shù)，涵蓋了多項(xiàng)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的獨(dú)門絕技，這些措施在專門輸送新能源的青海—河南（青豫）±800千伏特高壓直流工程中得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，極大提升了特高壓直流對(duì)新能源送出的適應(yīng)性。
換流站連接著縱橫千里的直流輸電線路，仿佛人體的心臟，是直流輸電工程最重要的能源轉(zhuǎn)換樞紐，交流和直流的變換就在這里完成。青海換流站海拔達(dá)2900米，是世界上海拔最高的特高壓換流站，空氣稀薄，設(shè)備也會(huì)缺氧，耐受高電壓的能力大幅下降。
“我們對(duì)直流系統(tǒng)的過(guò)電壓水平進(jìn)行了上百次迭代仿真校核，優(yōu)化了高海拔下均壓電極設(shè)計(jì)，有效縮短了設(shè)備間的空氣間隙，確保設(shè)備運(yùn)行萬(wàn)無(wú)一失，根本上消除了設(shè)備的高原反應(yīng)，保證了高原換流站的運(yùn)行性能與平原保持一致。”盧亞軍說(shuō)。
考驗(yàn)接踵而來(lái)。
由于風(fēng)光能源不穩(wěn)定，功率波動(dòng)大，電網(wǎng)對(duì)變壓器的電壓調(diào)節(jié)能力要求較以往工程更高。分接開關(guān)是變壓器執(zhí)行電壓調(diào)節(jié)功能的最核心裝備，其設(shè)計(jì)一直是制約國(guó)產(chǎn)化的“卡脖子”技術(shù)難題。如何提高分接開關(guān)的運(yùn)行可靠性，是擺在團(tuán)隊(duì)面前必須解決的一道難題。
科研團(tuán)隊(duì)深入研究了各種技術(shù)措施可能性，提出了幾十種技術(shù)方案，推導(dǎo)了上百頁(yè)分析算稿，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究論證仿真，確定了通過(guò)有效降低分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)方案，最終實(shí)現(xiàn)分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)減少90%，顯著提高了設(shè)備使用壽命，保障了工程的順利投運(yùn)和安全運(yùn)行。同時(shí)，研究成果也在所有已投運(yùn)的特高壓工程中推廣應(yīng)用。
2020年12月30日，青豫工程正式投入商業(yè)運(yùn)行，來(lái)自青藏高原的可再生能源跨越千里，點(diǎn)亮中原。
“電力天路在我們手里從規(guī)劃變成現(xiàn)實(shí)，成為造福人民的幸福之路、光明之路和清潔之路。”樂波說(shuō)。
【責(zé)任編輯：家正】