文章來源：科技日報 發布時間：2021-09-04
世(shi)界首個直流電(dian)網(wang)——張北(bei)(bei)可再生(sheng)能(neng)源(yuan)柔性直流電(dian)網(wang)試(shi)驗示范工(gong)程(cheng)，在經過(guo)了168小時調(diao)試(shi)和試(shi)運行之(zhi)后，6月29日正式投運張。北(bei)(bei)地區富(fu)集的(de)可再生(sheng)能(neng)源(yuan)成功接入首都電(dian)網(wang)，2022年北(bei)(bei)京冬奧(ao)(ao)會所(suo)有場館實(shi)現奧(ao)(ao)運史上首次(ci)100%清潔能(neng)源(yuan)供電(dian)有了保障，北(bei)(bei)京全市用電(dian)負(fu)荷(he)的(de)1/10也就此實(shi)現清潔化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有史以(yi)來所有的電(dian)網(wang)都是交流(liu)電(dian)網(wang)。”國家(jia)電(dian)網(wang)有限公司表示(shi)，由于交、直(zhi)流(liu)輸電(dian)本身(shen)技術特(te)性(xing)所限，直(zhi)流(liu)輸電(dian)主要(yao)用(yong)于點(dian)對點(dian)、遠距離、大容量電(dian)源外(wai)送，而不能組(zu)網(wang)；交流(liu)輸電(dian)則可(ke)以(yi)滿足常(chang)規(gui)電(dian)源送出和電(dian)網(wang)互聯需(xu)求(qiu)，且(qie)成(cheng)本低。
以風電(dian)(dian)、光伏發電(dian)(dian)為(wei)代表的(de)“隨機性、波動(dong)性、間歇性可(ke)再(zai)生能(neng)源的(de)大規模接(jie)入(ru)，對傳(chuan)統輸(shu)電(dian)(dian)方式提出了巨大挑戰”，按國(guo)網公司(si)特高壓部主任(ren)王紹武(wu)的(de)說(shuo)法，可(ke)再(zai)生能(neng)源接(jie)入(ru)電(dian)(dian)網，“遇到原理性障礙”。
對此，國網經(jing)研院直流(liu)(liu)(liu)中心(xin)主任樂波(bo)解釋(shi)，交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)網需要同時關注有功(gong)和無功(gong)平衡(heng)，功(gong)率(lv)流(liu)(liu)(liu)向(xiang)是靠(kao)電(dian)網的(de)自(zi)然阻抗特(te)性分(fen)布(bu)，可(ke)控(kong)(kong)性差，不靈活；而直流(liu)(liu)(liu)輸電(dian)能(neng)夠(gou)平抑隨(sui)機波(bo)動(dong)的(de)功(gong)率(lv)，保(bao)證負荷平穩供電(dian)，更(geng)適(shi)合大規(gui)模可(ke)再生(sheng)能(neng)源接入，但由于(yu)“直流(liu)(liu)(liu)電(dian)流(liu)(liu)(liu)沒有過零點，直流(liu)(liu)(liu)斷(duan)路器、大容量換流(liu)(liu)(liu)閥等設備研發難度(du)大，控(kong)(kong)制系統(tong)復雜”，在柔性直流(liu)(liu)(liu)技(ji)術成熟(shu)之前，“直流(liu)(liu)(liu)組網很難實(shi)現”。
柔(rou)性直流(liu)(liu)(flexible）是20世紀90年代興起的(de)(de)以電(dian)壓源(yuan)換(huan)流(liu)(liu)器(qi)為核心的(de)(de)新一(yi)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“一(yi)個(ge)完全可控的(de)(de)水(shui)泵”來比喻，它能夠精準(zhun)控制(zhi)水(shui)流(liu)(liu)的(de)(de)方向、速度(du)和(he)流(liu)(liu)量(liang)，從水(shui)源(yuan)地準(zhun)確地供水(shui)給用戶；某個(ge)水(shui)管壞了，可借助其他水(shui)管繼續(xu)供水(shui)，“這(zhe)在傳統交流(liu)(liu)電(dian)網是不可想象的(de)(de)”。
田生林分析，這一“柔性”、靈(ling)活特(te)征，緣于它采用最先進的電(dian)壓源(yuan)型(xing)換流器（VSC）和(he)類似集成電(dian)路的全控(kong)器件（IGBT），與傳統(tong)直流采用類似開關的半控(kong)型(xing)晶閘(zha)管器件相比，“可(ke)控(kong)能力(li)強、功(gong)率調節速度(du)快、運行方(fang)式(shi)靈(ling)活”，能夠有效(xiao)抑制(zhi)交流電(dian)壓波動，減少(shao)功(gong)率波動對受端電(dian)網(wang)影響。所以是破解新能源(yuan)大規模并網(wang)消納(na)難題的“金鑰匙”。
配制出(chu)這把“金鑰匙”，卻不是一件(jian)容易的(de)事情。王紹武指出(chu)，柔直技術在大(da)規模(mo)可再生(sheng)能源(yuan)送出(chu)等場(chang)景(jing)的(de)工業化應用(yong)，面臨三大(da)世界(jie)級技術難題，極具(ju)挑(tiao)戰性：
一是(shi)組網(wang)技術空白。只能(neng)點對點或(huo)一次設定的多點輸(shu)電，不具備(bei)靈活擴建、拓展為直流電網(wang)的能(neng)力(li)。新(xin)能(neng)源不同于常(chang)規(gui)電源，能(neng)量密度低、占地面積大。不能(neng)自由組網(wang)限制了多能(neng)互補、時空互補和(he)源網(wang)荷協同的空間，難(nan)以平抑新(xin)能(neng)源波(bo)動性，支撐大規(gui)模開發。
二是輸電(dian)(dian)能力(li)受限。受IGBT器(qi)件(jian)技術水平限制(zhi)，單換流(liu)器(qi)容(rong)量(liang)在(zai)100萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)(wa)上下，多數工程的容(rong)量(liang)處于幾(ji)萬(wan)到(dao)(dao)幾(ji)十(shi)萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)(wa)區間，而常規高壓直流(liu)輸電(dian)(dian)的單換流(liu)器(qi)容(rong)量(liang)都大(da)于150萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)(wa)，最大(da)已達到(dao)(dao)300萬(wan)千(qian)瓦(wa)(wa)(wa)。輸電(dian)(dian)容(rong)量(liang)偏低限制(zhi)了柔直輸電(dian)(dian)的應用。
三(san)是運行(xing)可靠性低。受(shou)IGBT器(qi)件技(ji)術(shu)原理約束，相(xiang)同輸電容(rong)量下，單(dan)換流(liu)器(qi)單(dan)元的串并聯半(ban)導體“芯片”數量為常規直流(liu)的100多倍(bei)(bei)，控制指令頻(pin)度為常規直流(liu)的200多倍(bei)(bei)，大幅提(ti)高了(le)保證可靠性、穩定(ding)性的難度。
張(zhang)北柔直工程總(zong)投(tou)資125億元(yuan)，新建張(zhang)北、康(kang)保、豐寧和(he)北京4座換流(liu)站(zhan)(zhan)，額(e)定(ding)電壓±500千伏，額(e)定(ding)輸電能(neng)力450萬千瓦，輸電線路長度666千米。張(zhang)北、康(kang)保換流(liu)站(zhan)(zhan)為送電端(duan)(duan)，接入新能(neng)源，豐寧站(zhan)(zhan)為調解端(duan)(duan)，接入抽水蓄能(neng)，北京站(zhan)(zhan)為接收端(duan)(duan)，接入首都負荷(he)中心。工程于(yu)2017年(nian)12月獲(huo)國家(jia)發(fa)改委核準，2018年(nian)2月開(kai)工建設。
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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。
工程采用我國(guo)原創(chuang)、領先世界(jie)的柔(rou)性直流電(dian)網新技(ji)術，創(chuang)造了12項(xiang)世界(jie)第(di)一，在上述三大(da)世界(jie)級挑戰上均取得突(tu)破。
一(yi)是提出并(bing)攻(gong)克(ke)柔性直(zhi)流(liu)組網技術。建(jian)成(cheng)世界(jie)首個(ge)真正具(ju)有(you)網絡特(te)性的(de)(de)直(zhi)流(liu)電(dian)網，能(neng)夠(gou)可靠(kao)隔離故(gu)障(zhang)，非故(gu)障(zhang)元件不退出，直(zhi)流(liu)電(dian)網不停運。王紹(shao)武介紹(shao)，本期(qi)為(wei)四端網絡，示范連接了風(feng)、光、儲和交(jiao)流(liu)電(dian)網，可根據(ju)發展需要，靈活擴展為(wei)復雜多端網絡。自主開(kai)發的(de)(de)±500千伏直(zhi)流(liu)斷路(lu)器具(ju)備在(zai)3毫秒(miao)內(nei)開(kai)斷25千安(an)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)的(de)(de)能(neng)力，“標定了國際最高水(shui)平”。
二是將柔(rou)性(xing)直(zhi)流(liu)的輸電容(rong)量(liang)提(ti)升至常規直(zhi)流(liu)水平(ping)(ping)。單換流(liu)器容(rong)量(liang)達(da)150萬千(qian)瓦，比國外紀錄超出50%，首次達(da)到了±500千(qian)伏(fu)常規直(zhi)流(liu)的水平(ping)(ping)。立足國內(nei)，自主研發4.5千(qian)伏(fu)?、3千(qian)安大功率IGBT器件并批量(liang)用于工程，攻克了制約(yue)我國柔(rou)性(xing)直(zhi)流(liu)發展的核(he)心技術問題。
三是將柔性直(zhi)流的(de)可靠(kao)性提升至(zhi)常(chang)規直(zhi)流水(shui)平。王紹(shao)武(wu)透(tou)露，成果在(zai)渝鄂背靠(kao)背工(gong)(gong)程中初步經受了運行檢(jian)驗(yan)，與早期(qi)柔直(zhi)工(gong)(gong)程比，IGBT組件年失效率由(you)6％降至(zhi)2‰，單換流器強(qiang)迫停運率由(you)平均每月超過(guo)一(yi)次降至(zhi)每年一(yi)次，使柔性直(zhi)流輸電的(de)大(da)規模工(gong)(gong)業化應用成為可能。
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國網方面(mian)表示，張北柔直(zhi)工(gong)程采用全新的(de)(de)柔性(xing)直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)網技(ji)術(shu)，獲得了(le)超越新能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)特(te)性(xing)和(he)常(chang)規輸電(dian)(dian)(dian)技(ji)術(shu)的(de)(de)高可控性(xing)，從(cong)根(gen)本(ben)上提高了(le)電(dian)(dian)(dian)網對(dui)可再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)的(de)(de)駕馭能(neng)(neng)力。大規模清(qing)潔(jie)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)可不(bu)依賴交(jiao)流電(dian)(dian)(dian)網的(de)(de)有(you)無(wu)和(he)強弱，不(bu)需要傳(chuan)統能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)發(fa)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)支撐(cheng)，直(zhi)接(jie)孤島接(jie)入柔直(zhi)電(dian)(dian)(dian)網。以(yi)柔直(zhi)電(dian)(dian)(dian)網為中心(xin)，“多點匯集(ji)”，“多能(neng)(neng)互(hu)補”，“時空互(hu)補”，“源(yuan)(yuan)網荷(he)協(xie)同”，實現(xian)可再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)側(ce)自由“波動”發(fa)電(dian)(dian)(dian)和(he)負荷(he)側(ce)可控“穩定”供電(dian)(dian)(dian)，解(jie)決“純”清(qing)潔(jie)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)大規模消(xiao)納難題。
國家能源局介紹，全世界(jie)大量待開(kai)(kai)發的可再(zai)(zai)生(sheng)能源能源都處于電網薄弱(ruo)地區(qu)，張(zhang)北的問題具有典(dian)型性。張(zhang)北柔(rou)直工程(cheng)的創(chuang)新實踐(jian)，開(kai)(kai)拓(tuo)了可再(zai)(zai)生(sheng)能源大規模開(kai)(kai)發利(li)用(yong)和(he)友好消(xiao)納的新道路。國家能源局副局長劉寶華表示，“未(wei)來我們還要(yao)建設更多、更高水平的柔(rou)性直流工程(cheng)”。（記 者 ?瞿(ju) 劍）
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