綠電技術高峰“攀登者”

王碧清

“目前，在粵港澳大灣區(qū)的廣東，每3度電就有 1度電來自西部的清潔水電?！蹦戏诫娋W公司特高壓柔性直流輸電技術研發(fā)團隊介紹。

多年來，該團隊承擔起多項直流輸電領域國家重大科研項目、重大工程，為我國直流輸電技術實現從跟隨到引領作出突出貢獻。當下，在南方區(qū)域，已形成“8條交流、11條直流”共19條500千伏及以上西電東送大通道，送電規(guī)模超5800萬千瓦。其中，烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端柔性直流示范工程（簡稱“昆柳龍柔性直流工程”）則是團隊攻堅克難、勇于攀登的又一座高峰。

今年1月19日上午，“國家工程師獎”表彰大會在北京人民大會堂舉行。由中國工程院院士、南方電網公司專家委員會名譽主任委員李立浧，中國工程院院士、南方電網公司首席科學家饒宏領銜的南方電網公司特高壓柔性直流輸電技術研發(fā)團隊榮獲“國家卓越工程師團隊”稱號。

艱難困苦，玉汝于成。李立浧表示，正是因為團隊始終胸懷“國之大者”，在國家戰(zhàn)略需求中找準定位，勇立時代潮頭，腳踏實地、勤懇投入、不懈努力做好每一件事，才能步步攀登，攀向科研更高峰。

自主創(chuàng)新，啟幕世界特高壓直流輸電時代

在云廣特高壓直流工程之前，李立浧先后主持參加天廣直流、貴廣直流、貴廣第二回直流等多項±500千伏超高壓直流輸電工程的建設。探索并實現±800千伏特高壓直流輸電，則是全新考驗。李立浧記得，當時提出這個想法時，國內外質疑聲不絕，因為在國際上，特高壓直流工程尚屬空白。李立浧等團隊主要負責人非常堅定：“不能因為國外沒有我們就不做，我們一定要有信心，想方設法取得成功?！?/p>

從±500千伏到±800千伏，直流輸電電壓提高了1.6倍，技術難度隨之陡增——絕緣理論、電磁環(huán)境、設備研制、試驗技術等一系列世界級難題橫亙在團隊面前。

進入21世紀，西南水電持續(xù)開發(fā)，大型水電站陸續(xù)投產，將西部水電跨越重重阻礙遠調至東部地區(qū)，亟需提高電壓等級。如此遠距離、大容量的電力輸送，迫切需要特高壓直流輸電技術，多年跋涉于高壓直流輸電技術領域的李立浧再清楚不過。

眾多難題之一，是國內當時還沒有能滿足特高壓直流設備試驗的條件。為此，李立浧帶領團隊遠赴瑞典STRI高壓實驗室。那里的設備試驗電壓等級當時全球最高，能達到1500千伏。不過，對方還從未進行過如此高等級的電壓試驗。于是，李立浧帶領團隊進行試驗設計，并提出空間布置的改進和優(yōu)化意見，得到瑞典實驗室同行的支持。

那時，國內已生產出長串的特高壓絕緣子，它的長度超過10米，還需要完成全尺寸、全電壓的污穢試驗。這項試驗，世界上還沒有人做過，但對于團隊至關重要，“不僅是設備制造需求，同時也能驗證特高壓的理論問題”。

絕緣子污穢試驗是通過污穢材料的使用，在運行電壓下，通過記錄各類數據，如氣候條件、積污情況等情況，測試絕緣子的耐污性能。而該項試驗要用我國的污穢材料高嶺土來做才有實際意義。為此，團隊通過海關申報，輾轉將總共約一噸的高嶺土和待檢驗的絕緣子一起運往歐洲。

經過雙方實驗室人員共同協(xié)作，試驗圓滿成功。團隊成員記得：“STRI實驗室的工程師們也很興奮，他們覺得用自己的設備在世界上第一次完成特高壓800千伏的工程實驗，十分有成就感。”基于此絕緣驗證試驗，團隊掌握了特高壓的基本絕緣理論，摸清了它的變化規(guī)律。

這次跨國合作試驗讓李立浧意識到——一定要建設自己的實驗室。2009年9月，特高壓工程技術（昆明）國家工程實驗室作為全國首批組建的6個國家工程實驗室之一，投入運行。“我們實驗室最高沖擊電壓可以達到世界上目前電壓等級最高的2700千伏。”團隊成員自豪地說道。

“每一個特高壓設備的研發(fā)過程里都有很多故事，都有我們的技術人員沒日沒夜和制造企業(yè)的工程師、工人師傅一起攻堅克難留下的汗水，我們遇到一個問題就解決一個問題。正是這種吃苦耐勞和兢兢業(yè)業(yè)的精神才能真正把事情做成，實現前所未有的突破。”李立浧說。

2009年12月28日，由南方電網公司建設運營的云南至廣東±800千伏特高壓直流輸電工程（簡稱“云廣直流工程”）單極投產，2010年6月18日全部建成。這項工程是世界首條±800千伏特高壓直流示范工程，標志著我國進入特高壓直流輸電時代。

攻克柔性直流輸電技術，再創(chuàng)“世界首例”

特高壓直流輸電具有輸送距離遠、輸送容量大、損耗低、占地省等優(yōu)勢，但缺乏對電網本身運行安全穩(wěn)定性的支持。隨著西電東送規(guī)模不斷擴大，廣東成為世界上直流落點最多的區(qū)域電網之一，這使得電網面臨多回直流同時換相失敗帶來的安全穩(wěn)定風險，這也是當時公認的世界級直流輸電難題。

研究柔性直流輸電技術，以及后來的特高壓柔性直流輸電技術，為解決這一世界公認難題提供了關鍵方案。團隊形容：“如果將電流比作河流，柔性直流輸電技術就像在川流不息的江河上建造一個水庫，既能接收上游河道的來水，又可以從容地控制下游水流量。靈活地控制電流使得柔性直流輸電對于電網的安全穩(wěn)定運行能夠提供支持?！?/p>

此外，常見的直流輸電工程多為兩端直流系統(tǒng)，控制相對簡單，而多端直流輸電系統(tǒng)的控制則要復雜得多。團隊主要成員在《南澳多端柔性直流輸電示范工程系統(tǒng)集成設計方案》中，明確總結出其多方面優(yōu)勢，比如“由多個能源基地輸送電能到多個負荷中心；可以利用直流輸電工程實現電網的非同期聯(lián)絡”。

始終堅持瞄準國家電力需求、發(fā)展趨勢、技術制高點，團隊在研發(fā)特高壓直流的同時，就已經緊跟柔性直流輸電技術研究前沿，開展系統(tǒng)性研發(fā)。團隊成員趙曉斌加入南方電網公司后，就投入到廣東汕頭南澳±160千伏多端柔性直流輸電示范工程的科研當中。這也是世界上第一個多端柔性直流輸電工程。

趙曉斌負責的主要任務之一是過電壓與絕緣配合方面的技術攻關。過電壓與絕緣配合是直流輸電的關鍵技術之一，對于柔性直流輸電設備和系統(tǒng)安全至關重要。“然而，在當時的技術背景下，我們對多端柔性直流輸電系統(tǒng)，特別是模塊化多電平（MMC）技術，知之甚少。”

就是在這樣充滿未知的挑戰(zhàn)中，團隊成員迎難而上，大膽創(chuàng)新，從技術路線分析開始，逐步研究可行的拓撲結構。以其中的避雷器配置為例，在過去傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)當中，科研人員主要從過電壓水平的角度去考慮問題，而對于柔直系統(tǒng)來說，因為核心器件屬于全控型器件，其過流能力弱，能耐受幅值和時間都比傳統(tǒng)直流用的晶閘管小了一個數量級，這就導致在過電壓與過電流之間的平衡困難。

團隊成員通過電磁暫態(tài)仿真軟件對數百種故障工況下的過電壓進行計算分析，得到換流站各設備特別是換流閥最大過電壓幅值、放電電流與避雷器安裝位置和參數的關系，最終采用差異化配置方式，設計出站內避雷器的安裝方案，解決換流閥經避雷器的放電電流控制與設備絕緣水平控制之間的平衡問題?！艾F在看來，這個方案比較簡單，以此為基礎，我們在后續(xù)工程中柔直過電壓絕緣配合方面的技術，能做到心中有數。”趙曉斌回憶。

“過電壓與絕緣配合”是眾多技術攻關難點之一。在技術方案的不斷迭代中，團隊深挖傳統(tǒng)直流和柔性直流的暫態(tài)機理，逐步取得新進展和突破。不同專業(yè)方向的成員共同分析、試驗、優(yōu)化，不斷拉近“從原理可行，到工程可用之間的距離”。

在廣東省南澳島這項集大型風電場接入、柔性多端直流輸電、海底直流電纜等多項創(chuàng)新技術于一體的世界首例多端柔性直流輸電工程中，團隊創(chuàng)新實現了電力供應的穩(wěn)定可靠、適應風電功率的劇烈波動、清潔能源的全額消納。柔性直流輸電，以其“柔”之特性，成為高壓直流輸電領域的新技術支撐。

領先世界的技術，帶動我國同行業(yè)共同躍升

2016年，南方電網公司首次提出特高壓柔性直流技術的方案。團隊成員再度肩負重任，從分析論證特高壓柔直技術可行性開始，通過調研、論證、調試，搭建完成了第一個特高壓混合多端直流輸電電磁暫態(tài)仿真模型，這為昆柳龍柔性直流工程的技術攻關打下堅實基礎。

昆柳龍柔性直流工程于2018年12月開工建設、2020年12月底提前半年實現昆北-柳北-龍門三端投產，總投資242.49億元。柔性直流作為一種新技術，以往工程最高電壓為500千伏，而該工程一躍至±800千伏特高壓三端混合直流系統(tǒng)進行設計施工，直流線路全長1452千米，送電量也達到全球最高的800萬千瓦。這意味著技術規(guī)范、成套設計和成套設備等都需要研發(fā)攻關。

作為團隊中飛速成長的青年先鋒力量，黃偉煌2014年博士研究生畢業(yè)后入職南方電網，工作初期就投身到魯西背靠背直流工程的控制系統(tǒng)技術攻關。至2017年，他開始專注于昆柳龍柔性直流工程的控制保護系統(tǒng)研究工作。

控制保護系統(tǒng)，可謂工程“大腦”，對設備啟停、功率升降、執(zhí)行保護等方面發(fā)揮關鍵作用?！盀閷崿F800千伏的特高電壓，我們如同堆積木，采用將兩個400千伏的閥組疊在一起的結構，難點在于還要時時刻刻保障它們的穩(wěn)定。”因此，黃偉煌做的一項重要工作就是解決柔性直流串聯(lián)閥組的均衡問題。

“每個閥組由上千個模塊構成，這些模塊如同大積木里的小積木，這幾千個小積木每秒內的開關動作可能達上百萬次。在這種情況下，我們要保障它們所有的步調一致，電壓電流都是均衡的，傳輸的功率也是平均的?！秉S偉煌介紹。與此同時，還要保障兩個串聯(lián)閥組中，若其中一個閥組出現故障，另一個閥組依然可以穩(wěn)定運行，并且故障閥組可實現在不停機情況下的退出、檢修、再度投運。

另一項控制保護系統(tǒng)中的重要工作則是“直流架空線路故障清除”。在國際上，柔性直流輸電主要用于短距離輸電，所以通常采用電纜來傳輸，這樣可有效防止雷擊等外界擾動因素，但每千米的電纜投入價格昂貴，在昆柳龍柔直工程上千米的直流線路中，采用架空線路才更加經濟實用。因此，這對團隊在控制系統(tǒng)設計中處理故障方面提出更高要求。

黃偉煌和研究團隊一起研究探索，提出一種新型拓撲結構，能夠自動識別故障并在100毫秒內，也就是一眨眼間修理清除、迅速恢復送電。這種拓撲結構得到國內外專家廣泛認可。在團隊成員日夜不懈努力下，他們成功在世界上首次驗證并實現了直流故障自清除技術，為后續(xù)關鍵設備的設計研發(fā)奠定重要基礎。

“我們結合工程的成套設計，從系統(tǒng)分析、參數選擇再到設備規(guī)范、控制策略的論證提出，給出了一套完整的技術方案，實現了從0到1的原始創(chuàng)新。在這項工程中，我們首次將柔性直流提高到±800kV/5GW特高壓等級，首創(chuàng)了一種混合直流輸電系統(tǒng)，引領全球特高壓技術進入了柔性直流時代。”饒宏說。

在核心技術攻關領域，昆柳龍柔性直流工程創(chuàng)下19項世界第一，主要設備自主化率100%。值得一提的是，特高壓直流輸電技術不僅成為我國領先世界的技術，也帶動了我國輸變電技術裝備的躍升。在世界上，首次研制出±800kV柔性直流換流閥、±800kV橋臂電抗器、480MVA柔性直流變壓器、±800kV穿墻套管等特高壓柔性直流成套設備，提升了我國電工裝備水平，打造了高端電力裝備產業(yè)鏈。

同心協(xié)力，以標準化成果促進特高壓技術高質量發(fā)展應用

“我們在發(fā)展特高壓技術過程中，始終堅持以技術標準化支撐科技研發(fā)高質量發(fā)展的技術路線，形成了將特高壓技術研究和技術標準研制深度融合的技術標準體系建設機制，以標準化成果促進特高壓技術高質量發(fā)展和應用?！崩盍苹貞洠覈Ｒ?guī)直流技術從1989年葛上±500千伏超高壓直流投產到2009年云廣±800千伏特高壓直流投產，歷經20年，這期間經歷了對直流輸電技術的引進、吸收和轉化，我國直流技術標準長期采用IEC等國際標準，沒有完全形成自己的技術標準體系。特高壓直流技術的研發(fā)和應用，打破了國外對直流輸電技術的壟斷，開始了我國直流輸電技術從引進吸收轉化到創(chuàng)新輸出、從跟隨到引領的轉變。

在特高壓直流技術發(fā)展初期，團隊就確立了建設覆蓋全場景、全設備和全過程的技術標準體系路線，在技術研究和工程應用全過程中，及時梳理總結關鍵技術要點，將特高壓技術相關的研究設計方法、設備研發(fā)、工程建設要點逐一進行技術標準化，逐步建立起較為完備的特高壓直流輸電技術標準體系，有力支撐了我國后續(xù)特高壓直流工程的規(guī)劃和建設。

“我國柔性直流技術從2013年南澳柔直投產到2020年昆柳龍?zhí)馗邏喝嶂蓖懂a，僅用了7年時間?！崩盍平榻B，這7年間，團隊堅持快速將直流技術最新研究成果轉化為技術標準，僅國家標準方面就研制了20余項柔性直流相關標準，在昆柳龍?zhí)馗邏喝嶂惫こ掏懂a后，立項及預研特高壓柔性直流相關技術標準達30余項。這些技術標準的研究，結合當前構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略目標，為后續(xù)大量新能源基地的集中送出起到良好推動和支撐作用。

如今，這支團隊已匯聚起電力、材料、裝備、控制、計算機等領域的多學科人才。依托南方電網師帶徒傳統(tǒng)、專家晉升體系、青年人才專項等機制，團隊創(chuàng)新活力不斷被激活。團隊成員說，“這里信任年輕人、敢于給年輕人壓擔子”“南方電網對年輕人很呵護”“這里對技術有著開放包容的氛圍”。

團隊成員間常常為了尋找最優(yōu)解而熱烈討論，彼此從各自專業(yè)角度提出見解。他們坦言，最大的合作感受就是“同心協(xié)力”?！拔覀兲岢鱿嚓P的技術路線、策略可能有爭議，但大家的目標都是一致的，就是要保證我們研發(fā)的整個系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定可靠?！边@樣的討論不局限于會議室、辦公桌，一次碰面，就常有觀點的碰撞和交鋒。

“可以說，求真務實、敢于創(chuàng)新是我們團隊的特點。”作為南網科研院直流輸電與電力電子技術研究所技術總監(jiān)、南方電網公司戰(zhàn)略級高級專業(yè)技術專家，趙曉斌對團隊的創(chuàng)新意識和氛圍深有感受。“想要做出成績確實很難，這需要我們有平常心，需要我們能經受住科研周期性的考驗。而顛覆性的技術革新，離不開材料、器件等各領域的共同進步。電力工業(yè)技術方面大的突破和迭代，需要電力科研人持續(xù)努力，引領、推動行業(yè)發(fā)展，我們也是一直這樣做的?！壁w曉斌說。

胸懷“國之大者”，加快推動構建新型電力系統(tǒng)和新型能源體系

《中華兒女》：多年來，團隊承擔起多項直流輸電領域國家重大科研項目、重大工程。您認為，團隊可以取得多項世界級技術突破，這當中有怎樣的必然？

李立浧：首先是始終胸懷“國之大者”，在國家戰(zhàn)略需求中找準定位。我們堅持切實做到黨中央和國家關心什么、強調什么，我們就集中精力落實什么，真正把國之所需、企之所能、己之所長結合起來。

其次是始終堅持“勇攀高峰”，勇立時代潮頭。我們始終堅持創(chuàng)新是第一動力，勇于闖入技術“無人區(qū)”，集聚力量進行原創(chuàng)性引領性科技攻關，主動承擔重大科技創(chuàng)新項目，把握趨勢和需求、直面問題和痛點，推進重大技術創(chuàng)新攻關，解決關鍵核心技術“卡脖子”問題，多出高水平的原創(chuàng)技術成果，打造原創(chuàng)技術策源地。

再者是始終奉行“腳踏實地”，以踏實的精神、勤懇的投入、不懈的努力去做好每一件事。既頂天、也立地，注重將理論成果實踐應用，關注研發(fā)落地過程中的每一個細節(jié)。細節(jié)決定成敗，只有落實好、解決好每一個細節(jié)問題，才能收獲最后總體的成功。每一次取得階段性成果后，我們也會注意總結經驗、吸取教訓，讓自己不斷實現突破，追求卓越。

《中華兒女》：柔性直流作為一種新技術，將會成為未來遠距離、大容量送電工程的首選技術。這當中，會存在哪些新挑戰(zhàn)？

李立浧：未來，柔性直流技術將主要用于解決我國西北、西南沙漠戈壁荒漠地區(qū)新能源基地和東部南部沿海深遠海風電基地大規(guī)模新能源送出問題。首先，沙戈荒地區(qū)人煙稀少、幾乎沒有常規(guī)發(fā)電機組，電網非常薄弱，柔性直流和風電、光伏逆變器構成的全電力電子系統(tǒng)組網，目前屬于技術“無人區(qū)”。柔性直流與新能源電網拓撲結構的研究，以及如何組合、控制是我們面臨的重要挑戰(zhàn)。

我們國家沙戈荒地區(qū)新能源規(guī)模巨大，單回直流通道達千萬千瓦級，輸電距離2000-3500公里，輸電距離遠、容量大、走廊窄，柔性直流系統(tǒng)設計是第二大挑戰(zhàn)。此外，我們知道光伏、風機發(fā)出來的電具有間歇性、波動性、隨機性的特點，自然界的光和風是不受人為控制的，如果多回新能源經直流通道密集接入電網，我們現在的電網能不能承受住沖擊？這是我們要面臨的第三大挑戰(zhàn)。我國西南沙戈荒地區(qū)“三高”高海拔高寒高地震烈度，東部南部深遠海“三高”高溫高濕高鹽等惡劣環(huán)境條件，也對柔性直流裝備的設計、制造提出了新挑戰(zhàn)。

隨著新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的建設，對電力的安全和保障供應要求越來越高，柔性直流輸電在新型電力系統(tǒng)建設中的地位越來越重要。我們在廣東電網已建設了兩座柔性直流背靠背換流站，使廣東電網形成異同步格局，提高了廣東電網運行可靠性。我們在總結經驗的基礎上，如何進一步發(fā)揮柔性直流輸電對大電網的支撐作用是一個新的技術挑戰(zhàn)。

《中華兒女》：當下，團隊關切的技術難題和技術發(fā)展方向是怎樣的？

李立浧：我們團隊始終緊盯國家重大需求。習近平總書記在中共中央政治局第十二次集體學習時指出，“能源安全事關經濟社會發(fā)展全局”，“應對這些挑戰(zhàn)，出路就是大力發(fā)展新能源”。目前我們國家正在加快推進西北沙戈荒、西南地區(qū)等大型清潔能源基地建設，“如何實現大規(guī)模新能源經直流送出”是我們團隊最為關切的技術難題。圍繞這一重大難題，我們系統(tǒng)梳理了關鍵科學問題，目前團隊主要技術方向是：直流輸電與新能源組網機理及構建方法、新能源多直流復雜電網運行控制，以及直流輸電基礎理論與核心裝備、直流輸電與新型電力系統(tǒng)的智能化技術研發(fā)。

團隊針對沙戈荒千萬千瓦級新能源基地無常規(guī)電源支撐問題，初步形成了千萬千瓦級新能源基地經特高壓柔性直流送出的整體解決思路。目標就是要讓沙戈荒大型新能源基地的清潔能源能夠送得出、落得下，讓人民用上更多清潔綠電。團隊針對大規(guī)模新能源并網及送出的運行管理問題，正有序研發(fā)數字化、信息化、智能化技術與直流輸電和電力系統(tǒng)的融合，以期實現傳統(tǒng)電力工程的智能化革新，實現新型電力系統(tǒng)的透明化運行管理。

現在，我們正在加快技術攻關，支撐我國新能源資源更大規(guī)模的開發(fā)利用，支撐電力安全穩(wěn)定供應和綠色低碳轉型，推動加快構建新型電力系統(tǒng)和新型能源體系。

責任編輯 陳晰