導(dǎo)讀  國(guó)際上尚無(wú)多端柔性直流輸電工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該工程是我國(guó)繼±800kV特高壓直流輸電工程之后，在國(guó)際直流輸電領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果，為遠(yuǎn)距離大容量輸電、大規(guī)模間歇性清潔電源接入、多直流饋入、海上或偏遠(yuǎn)地區(qū)孤島系統(tǒng)供電、構(gòu)建直流輸電網(wǎng)絡(luò)等提供安全高效的解決方案，推動(dòng)國(guó)際直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新突破。

攻克了多端柔性直流輸電控制保護(hù)這一世界難題，使我國(guó)在世界上率先掌握了多端柔性直流輸電成套設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試和運(yùn)行全系列核心技術(shù)，站在了世界輸電技術(shù)的最前沿。

該項(xiàng)國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目展示與示范了柔性直流輸電在風(fēng)電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能至少提高風(fēng)電利用率5%-10%。工程所有核心設(shè)備以及控制保護(hù)系統(tǒng)均為國(guó)內(nèi)首次研發(fā)，具有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)電力工業(yè)和裝備制造業(yè)發(fā)展，保障電力安全可靠供應(yīng)具有重要意義。

廣東汕頭南澳島上200多臺(tái)聳立的大風(fēng)車(chē)正迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)，南方電網(wǎng)公司全力推進(jìn)的世界第一個(gè)多端柔性直流輸電示范工程——南澳±160千伏多端柔性直流輸電示范工程就坐落在風(fēng)車(chē)腳下的青澳灣。

12月25日，隨著南澳多端柔性直流輸電工程現(xiàn)場(chǎng)總指揮一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個(gè)換流站與汕頭澄海區(qū)的塑城換流站完成了三端投產(chǎn)啟動(dòng)，這標(biāo)志著南方電網(wǎng)攻克了多端柔性直流輸電控制保護(hù)這一世界難題，成為世界第一個(gè)完全掌握多端柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、調(diào)試和運(yùn)行全系列核心技術(shù)的企業(yè)，建成了世界上第一個(gè)多端柔性直流輸電工程，在中國(guó)乃至世界電力發(fā)展史上具有劃時(shí)代的重要意義。

柔性直流寶石閃耀世界

“這意味著我國(guó)成為世界第一個(gè)將多端柔性直流輸電技術(shù)投入工程化應(yīng)用的國(guó)家。” 南方電網(wǎng)專(zhuān)家委員會(huì)主任委員李立浧院士告訴記者，“多端柔性直流輸電系統(tǒng)模塊化多電平(MMC)技術(shù)，可靈活接入多個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⑿∷姷惹鍧嵞茉?，通過(guò)一個(gè)大容量、長(zhǎng)距離的電力傳輸通道，到達(dá)多個(gè)城市的負(fù)荷中心。這為新能源并網(wǎng)、大型城市供電以及孤島供電等場(chǎng)合提供了一種有效的解決方案。”

“柔性”是相對(duì)于常規(guī)直流輸電技術(shù)而言，采用了先進(jìn)的大功率電力電子器件組成的電壓源換流器(VSC)，可以依據(jù)電網(wǎng)需要，可以靈活快捷地改變電能輸送的大小和方向，并提供更優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量。我們采用了模塊化多電平技術(shù)(MMC)，規(guī)模、容量、電壓等級(jí)等關(guān)鍵工程參數(shù)都可以依據(jù)工程需求與電能傳輸距離量身定制，靈活實(shí)現(xiàn)。

南澳多端柔性直流輸電工程項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人饒宏告訴記者，“風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源接入電網(wǎng)的最大障礙就是其間歇性和不確定性，而柔性直流輸電技術(shù)就像在電網(wǎng)接入了一個(gè)閥門(mén)和電源，可以有效地控制其上面通過(guò)的電能，隔離電網(wǎng)故障的擴(kuò)散，而且還能根據(jù)電網(wǎng)需求，快速、靈活、可調(diào)地發(fā)出或者吸收一部分能量，從而優(yōu)化電網(wǎng)的潮流分布、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、提升電網(wǎng)的智能化和可控性。”

目前，世界各國(guó)充分認(rèn)識(shí)到柔性直流輸電在可再生能源和智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要作用，柔性直流輸電工程應(yīng)用開(kāi)始呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)。但全球已投運(yùn)的柔性直流輸電工程均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩端系統(tǒng)，尚無(wú)多端柔性直流輸電工程投入商業(yè)運(yùn)行。

“多端”則是相對(duì)于“兩端”而言，指兩端以上的柔性直流輸電工程。南澳多端柔性直流輸電工程項(xiàng)目工程師許樹(shù)楷介紹說(shuō)：“兩端直流輸電系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電源點(diǎn)(如風(fēng)電場(chǎng)、分散式小水電等)的接入或多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的同時(shí)供電，多端系統(tǒng)可以將多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)、孤立海島與大陸連接起來(lái)，構(gòu)成直流網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)省投資與減少海域資源占用的情況下，既滿(mǎn)足海島電力需求的同時(shí)還能將富余電能送往大陸。”

我國(guó)首條柔性直流輸電示范工程為上海南匯風(fēng)電場(chǎng)兩端柔性直流輸電工程，于2011年投入正式運(yùn)行。該工程輸送容量為2萬(wàn)千瓦，直流電壓等級(jí)±30千伏。

落戶(hù)廣東汕頭南澳島的三端柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)容量為20萬(wàn)千瓦，直流電壓等級(jí)±160千伏，是世界首例多端柔性直流輸電工程。

南澳多端柔性直流輸電工程目前分別在南澳島上的青澳、金牛各建設(shè)一座換流站，在大陸澄海區(qū)建設(shè)一座換流站，三個(gè)站容量分別為5萬(wàn)千瓦、10萬(wàn)千瓦和20萬(wàn)千瓦，建設(shè)直流電纜混合輸電線路40.7公里。未來(lái)島上還將建設(shè)一座接納近海上風(fēng)電的換流站。該工程項(xiàng)目成果具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將提高我國(guó)電網(wǎng)的整體科技含量，提升我國(guó)高端輸變電產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

緣起自主創(chuàng)新、100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

“十八大”傳遞出來(lái)的“美麗中國(guó)”訊號(hào)再一次召喚清潔能源的開(kāi)發(fā)利用，但是受接入技術(shù)條件限制，電網(wǎng)多年來(lái)一直無(wú)法承載大規(guī)模風(fēng)電的接入。現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)是 “棄風(fēng)”的主要原因之一。

一直以來(lái)，南方電網(wǎng)致力于高壓直流輸電技術(shù)、特高壓直流輸電技術(shù)、交直流并聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)，積累了大型工程成套設(shè)計(jì)、設(shè)備規(guī)范制定、控制保護(hù)功能設(shè)計(jì)和測(cè)試、設(shè)備監(jiān)造等方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，又在電力電子在電網(wǎng)中的應(yīng)用方面取得了顯著突破，比如STATCOM技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)等。

為攻克多端柔性直流輸電這一世界難題，大力發(fā)展清潔能源，國(guó)家科技部2011年將“大型風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)” 課題列入國(guó)家863科技計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)，把南澳多端柔性直流輸電工程作為我國(guó)第一個(gè)自主化示范工程，突破大型風(fēng)電采用柔性多端直流輸電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提升我國(guó)柔性直流輸電領(lǐng)域的核心裝備研發(fā)和制造水平，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)計(jì)的全面自主化目標(biāo)。

汕頭(南澳)風(fēng)力發(fā)電有限公司總工程師高斌說(shuō)，“就好比一個(gè)小水池，倒一杯水可能也會(huì)濺起水花，更不要說(shuō)一場(chǎng)大雨了。”柔性直流輸電技術(shù)卻有“化干戈為玉帛”的神功，被譽(yù)為“風(fēng)電知音”，是國(guó)際上公認(rèn)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的最佳技術(shù)方案。

“柔性直流技術(shù)能通過(guò)對(duì)風(fēng)電進(jìn)行全方位控制，使風(fēng)力發(fā)電的間歇性特點(diǎn)不會(huì)擾亂電網(wǎng)，這就像是給小水池裝了一個(gè)攔水壩，能減少水的波動(dòng)。”高斌介紹說(shuō)，“該技術(shù)的靈活性很強(qiáng)，對(duì)沖擊負(fù)荷的承受能力更大，用電質(zhì)量與可靠性更明顯。如一臺(tái)正在運(yùn)行的電器，常規(guī)交流或常規(guī)直流在消納間歇性能源并網(wǎng)或應(yīng)對(duì)沖擊性負(fù)荷時(shí)，往往會(huì)因?yàn)殡妷翰环€(wěn)帶來(lái)隱患，而柔性直流技術(shù)在消納時(shí)則較為平穩(wěn)，設(shè)備受損的概率明顯降低。”

由于柔性直流是最為先進(jìn)的電力技術(shù)之一，一直受到世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，相關(guān)技術(shù)資料鮮有公開(kāi)，且多端柔性直流比兩端更要復(fù)雜得多。

“關(guān)鍵技術(shù)研究必須全部立足于自主科研。”廣州、北京兩地，一個(gè)由南方電網(wǎng)牽頭組織、來(lái)自高校、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)和制造企業(yè)、超過(guò)100人的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)悄無(wú)聲息地組建。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)每天工作超過(guò)15小時(shí)，歷經(jīng)無(wú)數(shù)次的論證、計(jì)算、試驗(yàn)，攻克了世界第一個(gè)多端柔性直流輸電工程的“心臟”難題——控制保護(hù)系統(tǒng)，形成了包括多端柔性直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)研究技術(shù)等10個(gè)“世界第一”。

“控制保護(hù)系統(tǒng)是整個(gè)工程的‘神經(jīng)中樞’，南澳柔性直流輸電示范工程作為世界第一個(gè)多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其‘多端’功能完全依靠復(fù)雜而靈活的控制保護(hù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。”許樹(shù)楷解釋道。

“就像一個(gè)有著多個(gè)入口(電源接入端)與多個(gè)出口(負(fù)荷供電端)的水管，要保證水管水壓穩(wěn)定，則入水與出水流量要時(shí)時(shí)刻刻基本保持平衡。但由于入水量與出水量是各個(gè)端口依據(jù)各自情況而隨時(shí)變化的，如何實(shí)時(shí)平衡這種變化難度極大。而當(dāng)一個(gè)入水口或出水口堵塞了，其它入口、出口如何快速調(diào)整自身的入水、出水量，甚至是入水、出水方式之間發(fā)生切換，來(lái)維持整個(gè)系統(tǒng)的再平衡，及技術(shù)含量就更高。”

“多端”之難正在于此。

許樹(shù)楷告訴記者：“此次南澳工程的自主創(chuàng)新不但體現(xiàn)在科研團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難的決心，更為重要的是，我們走在了世界直流輸電技術(shù)的前列。”

南澳多端柔性直流輸電工程將已基本成型的兩端柔性直流系統(tǒng)擴(kuò)展到多端，每一端的接口與設(shè)備都選用了不同型號(hào)，來(lái)自于包括央企、民營(yíng)企業(yè)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)不同廠商的設(shè)備，讓國(guó)內(nèi)盡可能多的設(shè)備研發(fā)制造企業(yè)參與到這個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的工程中來(lái)，培育起一個(gè)良性競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境。

攻堅(jiān)克難創(chuàng)造世界工程奇跡

工程招標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備廠商都姓“中”。南澳柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)總工程師陳冰說(shuō)，“此項(xiàng)工程是集大型風(fēng)電場(chǎng)接入、柔性多端直流輸電、海底直流電纜等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)于一體的世界首例多端柔性直流輸電工程開(kāi)拓之作。由我們自主研發(fā)核心技術(shù)，設(shè)備制造廠商全都是國(guó)內(nèi)廠家。”

事實(shí)上，從系統(tǒng)研究、成套設(shè)計(jì)，到工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造，再到現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)行調(diào)試，南澳柔直工程都選擇了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體的攻關(guān)方式，集研究機(jī)構(gòu)、高校、設(shè)計(jì)、制造企業(yè)合力，共同攻克多端柔性直流輸電技術(shù)難題。

工程從今年3月開(kāi)工，共經(jīng)歷了12次臺(tái)風(fēng)，大雨到暴雨天氣共117天。施工團(tuán)隊(duì)在克服了無(wú)相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)現(xiàn)成生產(chǎn)能力設(shè)備廠家，以及復(fù)雜海域和氣象條件等種種困難后，終于進(jìn)入了海纜敷設(shè)階段，眼看工程勝利在望。

此時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸又出現(xiàn)在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的面前。“海纜及附件無(wú)現(xiàn)成可用的產(chǎn)品。”南澳柔性直流工程海纜攻關(guān)組組長(zhǎng)郭小龍告訴記者，“海底直流電纜的質(zhì)量控制是影響整個(gè)柔性直流工程可靠性的關(guān)鍵一環(huán)，換流站內(nèi)的技術(shù)、設(shè)計(jì)即使大功告成，沒(méi)有海纜將海島與大陸相連，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)的落地。”

高壓直流電纜及其附件是當(dāng)今世界電纜制造的技術(shù)制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)各研發(fā)和制造單位都沒(méi)有能力生產(chǎn)符合條件的海纜。美國(guó)和日本等公司具備海底高壓直流電纜的研發(fā)技術(shù)，但他們開(kāi)出的條件是3-4年研發(fā)與供貨周期，并捆綁了一系列經(jīng)濟(jì)和技術(shù)限制條件。

創(chuàng)新的腳步從未停下，項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)再次迎難而上。

集全國(guó)電纜行業(yè)的技術(shù)和智慧，南澳柔性直流輸電技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)廣發(fā)英雄帖，與上海交大、電纜制造廠家等單位的技術(shù)專(zhuān)家組成了聯(lián)合研發(fā)的重兵集團(tuán)，集中進(jìn)行±160千伏直流電纜的研發(fā)和試驗(yàn)。

圍繞電場(chǎng)分布不均勻這個(gè)核心問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)3個(gè)月的努力，逐漸攻克空間電荷的抑制、絕緣厚度配置等一系列技術(shù)難關(guān)，終于迎來(lái)了勝利成果，國(guó)內(nèi)第一批±160千伏直流電纜(陸纜+海纜)及附件(終端+接頭)的樣品通過(guò)了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，意味著我國(guó)掌握了高壓直流電纜研發(fā)技術(shù)，在高壓直流電纜領(lǐng)域打破了國(guó)外技術(shù)封鎖。

工程項(xiàng)目副經(jīng)理呂文勝有著27個(gè)年頭的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，他告訴記者，常規(guī)的柔性直流輸電工程的工期一般是18個(gè)月。“這還是在各項(xiàng)技術(shù)、設(shè)備都成熟的前提下的工期時(shí)間。”南澳多端柔性直流輸電工程僅僅用了8個(gè)月，就吹響了實(shí)現(xiàn)世界第一的號(hào)角。

風(fēng)電利用率提高5%-10%

工程的投運(yùn)，標(biāo)志著南方電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了世界首例多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)成套設(shè)計(jì)的全面自主化，開(kāi)創(chuàng)了世界直流輸電技術(shù)的新時(shí)代。饒宏介紹，南澳多端柔性直流輸電工程的所有核心設(shè)備均為國(guó)內(nèi)首次研發(fā)，實(shí)現(xiàn)100%自主國(guó)產(chǎn)化。

此外，柔性直流輸電技術(shù)本身還具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，饒宏給記者算了一筆賬。“較之常規(guī)直流輸電，在容量為1萬(wàn)至100萬(wàn)千瓦的部分場(chǎng)合下，尤其是對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部互聯(lián)來(lái)說(shuō)，柔性直流輸電技術(shù)可節(jié)約投資10%以上。”而交流輸電需要三相線路，柔性直流只需正負(fù)兩極線路，交流線路無(wú)論以架空線或電纜方式建設(shè)，在造價(jià)和占地上都大幅高于柔性直流。

柔性直流輸電技術(shù)是改變電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略性選擇，它可以提高現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，促進(jìn)可再生能源低成本模塊化開(kāi)發(fā)利用，促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)與優(yōu)化，解決我國(guó)能源領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保等重大問(wèn)題。

同時(shí)，在分布式發(fā)電接入、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等方面具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。據(jù)初步預(yù)測(cè)，在未來(lái)十年內(nèi)，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電市場(chǎng)規(guī)模將在1000億元以上。

“率先實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應(yīng)用有利于我們?cè)陬?lèi)似工程上積累經(jīng)驗(yàn)，在未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展中掌握主導(dǎo)權(quán)，成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者。”饒宏說(shuō)到。

南澳柔性直流輸電工程建設(shè)，有效解決了南澳島風(fēng)電開(kāi)發(fā)的送出問(wèn)題，很好地展示與示范了柔性直流在風(fēng)電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授韓英鐸告訴記者：“柔性直流輸電技術(shù)至少能從兩個(gè)方面提高風(fēng)電利用率，一是提高風(fēng)電機(jī)組抵御電網(wǎng)故障擾動(dòng)的能力，減少風(fēng)電機(jī)組停機(jī)率;二是能提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)速的適應(yīng)能力，能夠在更大風(fēng)速范圍內(nèi)保持發(fā)電運(yùn)行。這將至少提高風(fēng)電利用率5%-10%。”以2012年全國(guó)風(fēng)電發(fā)電量1008億千瓦時(shí)測(cè)算，該技術(shù)能增加風(fēng)電發(fā)電量約50-100億千瓦時(shí)。