【儀表網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)報(bào)道】亞洲首個(gè)柔性直流工程、世界首個(gè)千兆瓦級(jí)柔性直流工程、世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)工程……這些在能源電力領(lǐng)域具有重大科技示范意義的創(chuàng)新工程，都應(yīng)用了一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)——柔性直流輸電技術(shù)。
 

　　2004年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展柔性直流輸電技術(shù)原創(chuàng)性攻關(guān)研究。歷經(jīng)二十載攻堅(jiān)克難，研發(fā)團(tuán)隊(duì)破解了柔性直流輸電技術(shù)換流機(jī)理、換流器多物理場(chǎng)復(fù)雜應(yīng)力調(diào)控、海量復(fù)雜狀態(tài)高速精準(zhǔn)控制保護(hù)等多項(xiàng)世界難題，突破了柔性直流高壓大容量發(fā)展的技術(shù)瓶頸，推動(dòng)柔性直流換流器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并成功將技術(shù)帶入了歐洲市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的“從無(wú)到有”和“換道超車(chē)”。6月24日，由國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司牽頭完成的“柔性直流換流器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”榮獲2023年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
 

張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程換流站閥廳
 

　　攻堅(jiān)克難 拓荒柔直輸電技術(shù)領(lǐng)域
 

　　柔性直流輸電技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型直流輸電技術(shù)。該技術(shù)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(zhuǎn)換最關(guān)鍵的技術(shù)之一，對(duì)電網(wǎng)具有十分重要的意義。
 

　　然而，攀登柔性直流輸電技術(shù)高峰卻并非易事。
 

　　2004年，時(shí)任中國(guó)電科院輸配電國(guó)家工程中心副主任的湯廣福帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在國(guó)家973計(jì)劃及國(guó)家電網(wǎng)公司重大科技項(xiàng)目的支持下，開(kāi)啟了新一代直流輸電技術(shù)探索。2006年，公司組織召開(kāi)《全控(輕型)直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》研討會(huì)，明確了總體科研規(guī)劃，制訂了關(guān)鍵技術(shù)研究框架。該技術(shù)被正式命名為“柔性直流輸電技術(shù)”，并被列入了國(guó)標(biāo)(GB/T 40865)和中國(guó)電力百科全書(shū)。
 

　　彼時(shí)，跨國(guó)公司ABB將低壓兩電平電路通過(guò)大量器件的串聯(lián)應(yīng)用到高壓輸電中，命名為輕型直流輸電(HVDC Light)。不同于常規(guī)直流輸電的部分可控，輕型直流輸電不依賴(lài)電網(wǎng)電壓換相，控制更靈活，有望解決大規(guī)模新能源電源并網(wǎng)接入難題。然而，該技術(shù)受限于大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件串聯(lián)級(jí)數(shù)，存在電壓低、容量小等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足千兆瓦級(jí)跨區(qū)域輸電需求。
 

國(guó)網(wǎng)智研院電力系統(tǒng)電力電子實(shí)驗(yàn)室
 

　　如何破解輕型直流技術(shù)升壓難、容量低的技術(shù)瓶頸？研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量技術(shù)調(diào)研和實(shí)踐探索，率先開(kāi)展模塊化多電平換流器技術(shù)路線(xiàn)攻關(guān)。“當(dāng)時(shí)模塊化多電平技術(shù)路線(xiàn)僅是一個(gè)概念，電氣實(shí)現(xiàn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、仿真驗(yàn)證、試驗(yàn)方法等均無(wú)先例可循，全靠自己摸索。”國(guó)網(wǎng)智研院總工程師賀之淵回憶道。
 

　　模塊化多電平換流器由數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊就是一個(gè)小電源，各個(gè)模塊獨(dú)立地投入切出控制，既要維持自身的能量吞吐平衡，還要實(shí)現(xiàn)整體的交直流變換功能。面對(duì)研究基礎(chǔ)薄弱、沒(méi)有可供借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際情況，研究團(tuán)隊(duì)一路摸爬滾打、創(chuàng)新實(shí)踐，全方位開(kāi)展柔性直流技術(shù)研究。
 

　　經(jīng)過(guò)10余次設(shè)計(jì)迭代、70余次專(zhuān)家評(píng)審，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次建立了完備的柔性直流輸電技術(shù)研究理論體系，攻克了數(shù)字電路在高電位場(chǎng)合的高耐壓能力和高抗電磁干擾難題，成功研制出柔性直流換流閥工程樣機(jī)。
 

上海南匯柔性直流輸電工程南風(fēng)換流站閥廳
 

　　2011年7月，亞洲首條柔性直流輸電工程在上海南匯建成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域零的突破，國(guó)家電網(wǎng)公司成為繼ABB、西門(mén)子之后，第三家完全掌握柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、調(diào)試和生產(chǎn)全系列核心技術(shù)的企業(yè)，與世界知名跨國(guó)企業(yè)同場(chǎng)競(jìng)技。
 

　　勇攀高峰取得多項(xiàng)重大突破
 

　　隨著研究的逐步深入，我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)理論研究到高壓大容量成套設(shè)備研制的巨大飛躍。國(guó)家電網(wǎng)公司持續(xù)攻關(guān)更高參數(shù)等級(jí)的柔性直流輸電裝備，繼續(xù)朝著千兆瓦級(jí)容量的目標(biāo)進(jìn)發(fā)。伴隨電壓等級(jí)和容量的提升，換流器的運(yùn)行復(fù)雜程度和技術(shù)難度不斷增大，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)，取得了多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新——
 

　　揭示了換流器換流機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了全工況下數(shù)千功率模塊電壓動(dòng)態(tài)平衡，不均衡系數(shù)低于5%，破解了功率模塊數(shù)量大幅提升的難題，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了千兆瓦級(jí)的跨越。
 

　　提出了動(dòng)態(tài)多物理場(chǎng)綜合調(diào)控方法，揭示了換流器電-磁-熱-力多物理場(chǎng)交互作用規(guī)律，突破了換流器向高電壓發(fā)展的瓶頸，功率密度提升至12兆瓦/立方米。
 

　　發(fā)明了換流器高速精準(zhǔn)控制保護(hù)技術(shù)，提出的復(fù)合權(quán)限配置控制保護(hù)架構(gòu)，被列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提出了換流器的精準(zhǔn)控制保護(hù)方法，獲中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。
 

±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流閥在廈門(mén)雙極柔直工程應(yīng)用。
 

　　2013年，團(tuán)隊(duì)研制出世界首個(gè)±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流器，破解了柔性直流向千兆瓦級(jí)以上容量發(fā)展的技術(shù)瓶頸，被國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)DNV KEMA實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)為“打破世界紀(jì)錄”。2015年，該產(chǎn)品在廈門(mén)±320千伏柔性直流輸電科技示范工程中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際引領(lǐng)，為大型城市可靠供電開(kāi)辟了新途徑。
 

　　厚積薄發(fā)，蓄力前行。隨后，國(guó)家電網(wǎng)公司緊鑼密鼓加快工程示范步伐，推動(dòng)更多創(chuàng)新工程落地。2018年，建成±420千伏/4×1250兆瓦渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程，實(shí)現(xiàn)華東和華中兩大電網(wǎng)異步互聯(lián)和廣域互濟(jì)。2020年，建成世界首個(gè)±500千伏/3000兆瓦張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，為北京冬奧會(huì)場(chǎng)館提供100%清潔能源，為破解新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的世界級(jí)難題提供了“中國(guó)方案”。
 

　　“海上風(fēng)起綠電來(lái)”“張北的風(fēng)點(diǎn)亮北京的燈”……如今，柔性直流技術(shù)廣泛應(yīng)用于跨區(qū)大電網(wǎng)異步互聯(lián)、新能源并網(wǎng)主動(dòng)支撐、孤島供電等場(chǎng)景，真正成為大規(guī)模清潔能源廣域協(xié)調(diào)互補(bǔ)和可靠送出的解決方案。
 

　　創(chuàng)新引領(lǐng)拉動(dòng)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展
 

　　從自力更生“摸著石頭過(guò)河”到突破技術(shù)封鎖，再到全方位“走出去”參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，公司一路攻堅(jiān)克難、砥礪奮進(jìn)，在國(guó)際市場(chǎng)上樹(shù)立起柔性直流輸電技術(shù)的金字招牌。
 

國(guó)網(wǎng)智研院科研人員在大功率電力電子器件實(shí)驗(yàn)室對(duì)IGBT芯片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
 

　　在全球化的大背景下，讓中國(guó)柔性直流技術(shù)走向世界是團(tuán)隊(duì)成員的共同夢(mèng)想。公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)積極投身國(guó)際學(xué)術(shù)交流和合作，逐步提高知名度，打響技術(shù)品牌，為海外市場(chǎng)開(kāi)拓奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2014年，團(tuán)隊(duì)率先獲得歐洲柔性直流投標(biāo)資質(zhì)，拿到了國(guó)際市場(chǎng)的“入場(chǎng)券”。
 

　　“出海”之路并非坦途。2018年，團(tuán)隊(duì)首次參與海外EPC工程投標(biāo)。由于國(guó)內(nèi)外工程在執(zhí)行條件、管理模式、運(yùn)行狀態(tài)方面有較大差異，加上受文化差異、國(guó)際形勢(shì)影響，團(tuán)隊(duì)連續(xù)投標(biāo)7個(gè)工程均以失敗告終。
 

　　2022年，團(tuán)隊(duì)重整旗鼓，與ABB、西門(mén)子和GE同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)±320千伏/1030兆瓦德國(guó)BorWin6海上風(fēng)電柔性直流工程。
 

　　BorWin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程海上風(fēng)電場(chǎng)位于德國(guó)北海海域，是該區(qū)域目前裝機(jī)容量最大的風(fēng)電并網(wǎng)配套工程。為滿(mǎn)足工程在系統(tǒng)可用率、平臺(tái)重量、新型控制策略等方面的嚴(yán)苛要求，團(tuán)隊(duì)成員攻堅(jiān)克難，先后完成了高可靠性低損耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)網(wǎng)型策略研發(fā)、緊湊適海型換流閥研制等突破。最終，在價(jià)格高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況下，由國(guó)網(wǎng)智研院、普瑞工程、美國(guó)McDermott公司組成的聯(lián)合體靠最高技術(shù)評(píng)分脫穎而出，成功中標(biāo)。目前，工程已完成項(xiàng)目啟動(dòng)、概念設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等階段的全部工作，并順利通過(guò)業(yè)主審核，計(jì)劃于2027年年底投運(yùn)。
 

　　這是我國(guó)承擔(dān)的第一個(gè)海外EPC柔性直流輸電工程，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高端輸電技術(shù)首次進(jìn)入歐洲市場(chǎng)，標(biāo)志著公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔性直流技術(shù)及柔性直流換流閥等高端電氣設(shè)備具備了國(guó)際領(lǐng)先的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
 

BorWin6海上風(fēng)電柔性直流工程換流閥
 

　　從小微起，終成大器。經(jīng)過(guò)20年的積累，我國(guó)已全面完成了柔性直流輸電技術(shù)從追趕到引領(lǐng)的跨越式發(fā)展。截至目前，國(guó)家電網(wǎng)公司柔性直流輸電技術(shù)成果獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)6項(xiàng)、中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)1項(xiàng)，并成功入選國(guó)家能源局公布的第一批能源領(lǐng)域首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備(項(xiàng)目)名單。
 

　　能源技術(shù)革命步履鏗鏘，新質(zhì)生產(chǎn)力加快形成。如今，柔性直流輸電技術(shù)和直流電網(wǎng)的創(chuàng)新發(fā)展，帶動(dòng)裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)IGBT器件、電容器等多個(gè)行業(yè)提升設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)水平，拉動(dòng)千億級(jí)柔性直流產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。
 

　　公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦“沙戈荒”、藏東南、東部深遠(yuǎn)海等地區(qū)大規(guī)模新能源高效送出和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需求，大力開(kāi)展±800千伏特高壓柔性直流關(guān)鍵技術(shù)研究，攻克了新能源高效匯集與多端直流送出拓?fù)浞桨笜?gòu)建、換流變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)、換流閥過(guò)電壓機(jī)理與抑制策略等技術(shù)難題，為服務(wù)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系提供了有力支撐。