文章來源：科技日報 發(fā)布時間：2020-09-04
世界首個直流電網(wǎng)——張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程，在經(jīng)過了168小時調(diào)試和試運行之后，6月29日正式投運張。北地區(qū)富集的可再生能源成功接入首都電網(wǎng)，2022年北京冬奧會所有場館實現(xiàn)奧運史上首次100%清潔能源供電有了保障，北京全市用電負荷的1/10也就此實現(xiàn)清潔化。
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張北柔直工程鳥瞰
“有史以來所有的電網(wǎng)都是交流電網(wǎng)。”國家電網(wǎng)有限公司表示，由于交、直流輸電本身技術(shù)特性所限，直流輸電主要用于點對點、遠距離、大容量電源外送，而不能組網(wǎng)；交流輸電則可以滿足常規(guī)電源送出和電網(wǎng)互聯(lián)需求，且成本低。
以風電、光伏發(fā)電為代表的“隨機性、波動性、間歇性可再生能源的大規(guī)模接入，對傳統(tǒng)輸電方式提出了巨大挑戰(zhàn)”，按國網(wǎng)公司特高壓部主任王紹武的說法，可再生能源接入電網(wǎng)，“遇到原理性障礙”。
對此，國網(wǎng)經(jīng)研院直流中心主任樂波解釋，交流電網(wǎng)需要同時關(guān)注有功和無功平衡，功率流向是靠電網(wǎng)的自然阻抗特性分布，可控性差，不靈活；而直流輸電能夠平抑隨機波動的功率，保證負荷平穩(wěn)供電，更適合大規(guī)模可再生能源接入，但由于“直流電流沒有過零點，直流斷路器、大容量換流閥等設(shè)備研發(fā)難度大，控制系統(tǒng)復雜”，在柔性直流技術(shù)成熟之前，“直流組網(wǎng)很難實現(xiàn)”。
柔性直流(flexible）是20世紀90年代興起的以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術(shù)。國網(wǎng)冀北電力建設(shè)部主任田生林用“一個完全可控的水泵”來比喻，它能夠精準控制水流的方向、速度和流量，從水源地準確地供水給用戶；某個水管壞了，可借助其他水管繼續(xù)供水，“這在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)是不可想象的”。
田生林分析，這一“柔性”、靈活特征，緣于它采用最先進的電壓源型換流器（VSC）和類似集成電路的全控器件（IGBT），與傳統(tǒng)直流采用類似開關(guān)的半控型晶閘管器件相比，“可控能力強、功率調(diào)節(jié)速度快、運行方式靈活”，能夠有效抑制交流電壓波動，減少功率波動對受端電網(wǎng)影響。所以是破解新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納難題的“金鑰匙”。
配制出這把“金鑰匙”，卻不是一件容易的事情。王紹武指出，柔直技術(shù)在大規(guī)模可再生能源送出等場景的工業(yè)化應用，面臨三大世界級技術(shù)難題，極具挑戰(zhàn)性：
一是組網(wǎng)技術(shù)空白。只能點對點或一次設(shè)定的多點輸電，不具備靈活擴建、拓展為直流電網(wǎng)的能力。新能源不同于常規(guī)電源，能量密度低、占地面積大。不能自由組網(wǎng)限制了多能互補、時空互補和源網(wǎng)荷協(xié)同的空間，難以平抑新能源波動性，支撐大規(guī)模開發(fā)。
二是輸電能力受限。受IGBT器件技術(shù)水平限制，單換流器容量在100萬千瓦上下，多數(shù)工程的容量處于幾萬到幾十萬千瓦區(qū)間，而常規(guī)高壓直流輸電的單換流器容量都大于150萬千瓦，最大已達到300萬千瓦。輸電容量偏低限制了柔直輸電的應用。
三是運行可靠性低。受IGBT器件技術(shù)原理約束，相同輸電容量下，單換流器單元的串并聯(lián)半導體“芯片”數(shù)量為常規(guī)直流的100多倍，控制指令頻度為常規(guī)直流的200多倍，大幅提高了保證可靠性、穩(wěn)定性的難度。
張北柔直工程總投資125億元，新建張北、康保、豐寧和北京4座換流站，額定電壓±500千伏，額定輸電能力450萬千瓦，輸電線路長度666千米。張北、康保換流站為送電端，接入新能源，豐寧站為調(diào)解端，接入抽水蓄能，北京站為接收端，接入首都負荷中心。工程于2017年12月獲國家發(fā)改委核準，2018年2月開工建設(shè)。
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±500千伏康保換流站施工現(xiàn)場，施工人員正在吊裝橋臂電抗器。
工程采用我國原創(chuàng)、領(lǐng)先世界的柔性直流電網(wǎng)新技術(shù)，創(chuàng)造了12項世界第一，在上述三大世界級挑戰(zhàn)上均取得突破。
一是提出并攻克柔性直流組網(wǎng)技術(shù)。建成世界首個真正具有網(wǎng)絡特性的直流電網(wǎng)，能夠可靠隔離故障，非故障元件不退出，直流電網(wǎng)不停運。王紹武介紹，本期為四端網(wǎng)絡，示范連接了風、光、儲和交流電網(wǎng)，可根據(jù)發(fā)展需要，靈活擴展為復雜多端網(wǎng)絡。自主開發(fā)的±500千伏直流斷路器具備在3毫秒內(nèi)開斷25千安直流電流的能力，“標定了國際最高水平”。
二是將柔性直流的輸電容量提升至常規(guī)直流水平。單換流器容量達150萬千瓦，比國外紀錄超出50%，首次達到了±500千伏常規(guī)直流的水平。立足國內(nèi)，自主研發(fā)4.5千伏?、3千安大功率IGBT器件并批量用于工程，攻克了制約我國柔性直流發(fā)展的核心技術(shù)問題。
三是將柔性直流的可靠性提升至常規(guī)直流水平。王紹武透露，成果在渝鄂背靠背工程中初步經(jīng)受了運行檢驗，與早期柔直工程比，IGBT組件年失效率由6％降至2‰，單換流器強迫停運率由平均每月超過一次降至每年一次，使柔性直流輸電的大規(guī)模工業(yè)化應用成為可能。
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國網(wǎng)方面表示，張北柔直工程采用全新的柔性直流電網(wǎng)技術(shù)，獲得了超越新能源特性和常規(guī)輸電技術(shù)的高可控性，從根本上提高了電網(wǎng)對可再生能源的駕馭能力。大規(guī)模清潔能源可不依賴交流電網(wǎng)的有無和強弱，不需要傳統(tǒng)能源發(fā)電的支撐，直接孤島接入柔直電網(wǎng)。以柔直電網(wǎng)為中心，“多點匯集”，“多能互補”，“時空互補”，“源網(wǎng)荷協(xié)同”，實現(xiàn)可再生能源側(cè)自由“波動”發(fā)電和負荷側(cè)可控“穩(wěn)定”供電，解決“純”清潔能源大規(guī)模消納難題。
國家能源局介紹，全世界大量待開發(fā)的可再生能源能源都處于電網(wǎng)薄弱地區(qū)，張北的問題具有典型性。張北柔直工程的創(chuàng)新實踐，開拓了可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用和友好消納的新道路。國家能源局副局長劉寶華表示，“未來我們還要建設(shè)更多、更高水平的柔性直流工程”。（記 者 ?瞿 劍）
【責任編輯：語謙】
