文章來源：國家電網有限公司 發布時間：2021-03-22
我國風能、太陽能資源豐富，但它們卻像草原上的野馬，性情不定，難以馴服。
如何馴服風光能源這匹野馬，讓風光綠能大顯身手，從能源舞臺的配角變為主角，成為保障國家經濟社會健康發展的強大支撐，這是立足新發展階段，貫徹新發展理念，構建新發展格局面臨的一個重大戰略問題。
有這樣一個團隊，短短幾年時間，他們突破一個個世界級難題，創造一項項世界第一。在他們的努力下，特高壓直流輸電成為國家戰略級技術，和高鐵、北斗一樣，成為享譽世界的“中國名片”。
他們，是國家電網經研院直流技術攻關團隊，他們，被稱作馴服風光野馬的“追風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠色、低碳是中國能源的發展方向，而服務新能源大規模開發利用，正是柔性直流輸電技術的優勢所在。
國網經研院作為國家電網的技術支撐單位，多年前就意識到柔性直流輸電對新能源匯集送出的重要性。為了馴服風能、太陽能，2012年他們便開展了大量基礎性研究。
當時我國在柔性直流輸電技術方面沒有任何經驗，國外相關核心技術又嚴加封鎖。“在接到項目任務時，攻關團隊每個人心中都惴惴不安，完全沒有成功的把握，有的同志提出以市場換技術的方式找外方搞技術引進，但幾次接觸下來，技術轉讓條件苛刻，我們根本無法接受。”國網經研院直流技術中心主任樂波坦言。
這支攻關團隊太年輕了，剛組建時平均年齡還不到30歲。帶著一股開拓創新、永不服輸的拼勁，他們開始了披荊斬棘的闖關之旅。
柔性直流系統設計的第一步是確定主接線，這是系統設計的“綱”和“領”：確定系統采用哪些主要設備，這些設備怎么布置、怎么配合，如同家里裝修要先畫好電路圖，確定開關、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。
舟山工程是國家電網第一個商業化的柔性直流工程，也是世界首個五端柔性直流工程，主接線要比國外的兩端工程復雜得多。整個工程要用的設備有上百種，每種設備又有多種型式，排列組合起來就有上千種，許多設備連見都沒見過，更別說熟練使用和布置。
接到任務后，團隊迅速分工，有的總結以前常規工程的設計經驗，有的研究新設備的功能和特點，有的開展理論分析，有的搭建仿真模型。他們曾提出幾十種方案，但經過反復仿真分析，都滿足不了五端直流安全穩定運行的要求。
只好全部推倒，從頭再來。
經過數月的閉關修煉，世界首個五端柔性直流工程主接線終于完成，徹底打破未來可能的外方知識產權限制，完全做到自主化設計。
舟山工程后，他們又攻下供電可靠性要求更高的廈門工程。“現在，外方為了提高工程可靠性，反而模仿起中國方案，我們的身份也實現了從學生到老師的華麗轉變。”樂波說。
在沒有任何資料可供借鑒的情況下，攻關團隊拿下了一個又一個世界難題，實現多項技術“零”的突破，形成一套完整的柔性直流輸電成套設計體系，徹底擺脫了“洋拐棍”，實現了柔性直流輸電技術領域的“彎道超車”和“中國引領”。
不設權威 自由發揮 鼓勵原創，創造12項世界第一
2020年6月29日，張北柔性直流電網工程竣工投產，來自草原的綠色動能點亮了京城的萬家燈火。張北工程不僅能夠滿足冬奧會的100%清潔供電需求，還將每年向北京輸送225億度清潔電力，相當于北京年用電量的十分之一。
“柔性直流電網技術可以控制電能靈活轉向，適應新能源的波動，是目前世界上最先進的輸電技術。”樂波說，張北工程采用我國原創、世界領先的柔性直流電網新技術，把過去不可控的風能變為可控優質電能。“工程創造了12項世界第一，提出了破解新能源大規模開發利用世界級難題的中國方案。”
12項沉甸甸的世界第一，凝聚著科研人員克服重重困難、戰勝層層挑戰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安全的新設備、新技術。“直流電網設計的難點在于要應對不經常發生的嚴重故障，解決這個問題，就必須找到能確保電網安全的速效救心丸。”團隊技術骨干李探博士說。
李探一畢業，就和團隊一頭扎入柔性直流電網的資料堆，從查公式、編程序開始，一晃就是5年。研發之初，由于相關技術在世界范圍內都處于完全空白狀態，沒有任何經驗可供借鑒，團隊只能從零開始。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踐的廣闊舞臺。
不設權威、自由發揮、鼓勵原創是團隊組建時確定的工作原則。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、小心求證，從“交流耗能裝置”到“直流耗能裝置”，他們嚴謹細致、一絲不茍。經歷了數月“白加黑”“5+2”的鏖戰，終于實現了“首臺套”直流斷路器和交流耗能裝置的重大技術突破。
張北工程的聯調試驗需要依賴于新能源和柔性直流電網的真實模型，這兩個高度復雜的系統，單獨拿出來進行建模已經困難重重，進行聯合測試更是從未有過先例。
400多面控制屏柜，通過上萬根線纜連接起來，將新能源和四座換流站組合在一起，建立起反映電網真實特性的超大規模仿真系統。僅啟動一次，就要花費數小時。
“這只是邁出了平臺構建的第一步。”實驗室負責人厲璇介紹，“在資源條件有限的情況下，還要準確刻畫復雜系統的快速變化特性，這是更加關鍵的一步。”
幾十個新能源場站，四端柔性直流電網，包含了數十萬元件，上萬根光纖，對系統的實時運算能力提出了嚴峻挑戰。為了實現實時運算，如此龐大的系統在每個毫秒都要進行幾十億次仿真計算，這儼然是一個超級計算系統，超算能力對系統配置提出了不可能達到的要求。
為了實現實時運算目標，必須另辟蹊徑。“將系統和元件進行有效簡化后，我們所提出的多項等值技術將仿真速度提升了近60%，完全達到工程精度。”厲璇說。在對模型進行逐步等值的過程中，科研人員們經歷了種種坎坷和失敗，一個錯誤的脈沖信號，一個程序的細微漏洞，一個設置不合理的參數，都容易導致系統報錯或失穩奔潰。
一遍又一遍的檢查設備，一次又一次的核對接線是團隊每天的日常工作，一條通道調試不通就從頭再來。
在團隊齊心協力下，終于建立起世界首個大規模新能源柔直并網硬件在環實時仿真試驗系統。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青海是我國清潔能源最豐富的省份之一，新能源發電量已經超過青海省全省用電負荷，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荷中心，變資源優勢為經濟優勢。
特高壓直流技術成熟、成本較低，在大容量遠距離電能輸送方面具有獨特優勢。因此，青海的新能源必須通過特高壓直流技術進行遠距離大規模消納。然而，傳統特高壓直流猶如高速列車，運載量大、一站直達，而始發站的太陽能、風能等清潔能源就像自由出行的游客，何時出行、多少人出行均具有隨機性。因此，對傳統特高壓技術升級改造才能更好實現對新能源的高效送出。
“能否將匯集新能源的系統電壓控制穩定是工程設計的關鍵點。”項目負責人盧亞軍向記者介紹。多年來，國網經研院直流技術攻關團隊提出的“升級版”特高壓技術，涵蓋了多項穩定系統電壓的獨門絕技，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用，實現了成果轉化，極大提升了特高壓直流對新能源送出的適應性。
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2900米，是世界上海拔最高的特高壓換流站，空氣稀薄，設備也會缺氧，耐受高電壓的能力大幅下降。
“我們對直流系統的過電壓水平進行了上百次迭代仿真校核，優化了高海拔下均壓電極設計，有效縮短了設備間的空氣間隙，確保設備運行萬無一失，根本上消除了設備的高原反應，保證了高原換流站的運行性能與平原保持一致。”盧亞軍說。
考驗接踵而來。
由于風光能源不穩定，功率波動大，電網對變壓器的電壓調節能力要求較以往工程更高。分接開關是變壓器執行電壓調節功能的最核心裝備，其設計一直是制約國產化的“卡脖子”技術難題。如何提高分接開關的運行可靠性，是擺在團隊面前必須解決的一道難題。
科研團隊深入研究了各種技術措施可能性，提出了幾十種技術方案，推導了上百頁分析算稿，經過反復研究論證仿真，確定了通過有效降低分接開關動作次數提高系統可靠性的技術方案，最終實現分接開關動作次數減少90%，顯著提高了設備使用壽命，保障了工程的順利投運和安全運行。同時，研究成果也在所有已投運的特高壓工程中推廣應用。
2020年12月30日，青豫工程正式投入商業運行，來自青藏高原的可再生能源跨越千里，點亮中原。
“電力天路在我們手里從規劃變成現實，成為造福人民的幸福之路、光明之路和清潔之路。”樂波說。
【責任編輯：家正】