特高壓輸電：以無(wú)數全球之最鋪就電力“高速公路”

 

 

      500千伏輸電系統有力支撐了我國近30年的經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，但我國能源資源與需求呈逆向分布，70%以上的能源需求集中在中東部，可用能源資源卻遠離需求中心，所以要在全國范圍內優(yōu)化能源資源配置，打造電力“高速公路”.

 

 

      6月21日，雅中-江西±800千伏特高壓直流工程正式投運，這是“十四五”期間我國首個(gè)建成投運的特高壓直流輸電工程。

 

 

      至此，國家電網(wǎng)已累計建成“13交13直”特高壓工程，在運在建特高壓工程線(xiàn)路長(cháng)度達到4.1萬(wàn)公里，變電（換流）容量超過(guò)4.4億千伏安（千瓦），累計送電超過(guò)1.8萬(wàn)億千瓦時(shí)，國家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區跨區跨省輸電能力超過(guò)2.6億千瓦。加上南方電網(wǎng)公司建成投運4條±800千伏特高壓直流工程，我國已有在運特高壓工程30項，輸電線(xiàn)路長(cháng)度繞地球赤道一周有余。

 

 

      拿金牌拿到“手軟”:我們已不輕言“創(chuàng )紀錄”

 

 

      國家電網(wǎng)對于雅中-江西直流工程的技術(shù)總結，只有一句“進(jìn)一步鞏固了我國特高壓直流輸電技術(shù)的國際領(lǐng)先優(yōu)勢”,少了十幾年前特高壓工程上馬之初比比皆是的“突破世界紀錄”“創(chuàng )下全球之最”……不是現在不創(chuàng )紀錄了，而是在特高壓輸電領(lǐng)域，我國拿金牌已拿到“手軟”.幾乎每一項特高壓工程的新建、投運，都是對以往紀錄的突破；而新的紀錄，也都由我們自己創(chuàng )造。以至于，不是真正顛覆性的“黑科技”,我們已不輕言“創(chuàng )紀錄”.

 

 

      2020年12月27日建成投產(chǎn)的烏東德水電站送電廣東、廣西特高壓多端柔性直流示范工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)昆柳龍直流工程），正是這樣一個(gè)顛覆性工程。

 

 

      該工程創(chuàng )造了19項“世界第一”,包括世界上第一個(gè)±800千伏特高壓柔性直流輸電工程，世界單站容量最大的換流站，世界首次具備架空線(xiàn)路故障自清除及再啟動(dòng)能力等。“每一個(gè)‘世界第一’都可以寫(xiě)一篇大文章。”中國工程院院士、南方電網(wǎng)公司專(zhuān)家委員會(huì )名譽(yù)主任委員李立浧表示。

 

 

      此前，世界主流輸電模式都是“直流送電、交流組網(wǎng)”.南方電網(wǎng)公司首席技術(shù)專(zhuān)家、南方電網(wǎng)科研院董事長(cháng)饒宏介紹，這緣于交直流輸電本身的技術(shù)特性：常規直流主要用于點(diǎn)對點(diǎn)、遠距離、大容量的電源外送，并不能組網(wǎng)；交流輸電則可以滿(mǎn)足常規電源送出和電網(wǎng)互聯(lián)的需求，且成本較低。但這一基本模式卻面臨一個(gè)“原理性障礙”,即所謂“多直流饋入”問(wèn)題。他解釋?zhuān)罅髁康某Ｒ幹绷鲄R入電網(wǎng)，就像一條大河流入一個(gè)水庫，一旦常規直流線(xiàn)路“閉鎖”,河水突然截停，會(huì )導致水庫缺水。

 

 

      柔性直流改變了這一切。

 

 

      和傳統“電流源型”直流相比，柔性直流對電壓、頻率的控制更加靈活，就像一個(gè)完全可控的水泵，能夠精準控制水流的方向、速度和流量，使水庫水位更加平穩，河流被截停的幾率也大幅下降。

 

 

      昆柳龍工程在世界上首次采用特高壓多端混合直流系統，送端云南昆北是常規直流，廣西柳北、廣東龍門(mén)兩個(gè)受端是柔性直流。“這種方案既經(jīng)濟又先進(jìn)。”李立浧解釋?zhuān)盐鞑克娝偷接秒娦枨蟠蟮膹V東、廣西，這種遠距離、大容量的輸電，最經(jīng)濟高效的辦法就是特高壓直流。常規直流并網(wǎng)后，因其換相失敗現象難以避免等固有特性，會(huì )對受端電網(wǎng)系統安全帶來(lái)一定沖擊。“柔性直流能解決這些問(wèn)題，它調控更加靈活，還能在關(guān)鍵時(shí)刻支持系統安全穩定地運行。”李立浧表示。

 

 

      但是，柔性直流作為一種新技術(shù)，以往工程最高電壓為500千伏，送電量、送電效率還不夠高。昆柳龍工程將其提升到800千伏，送電量也達到全球最高的800萬(wàn)千瓦。浙江大學(xué)教授、國際電氣電子工程師學(xué)會(huì )（IEEE）會(huì )士徐政展望道：“這是一個(gè)開(kāi)路工程。此后，遠距離、大容量送電工程都會(huì )首選柔性直流技術(shù)。”

 

 

      緊密?chē)@國家重大戰略需求：體現國家意志

 

 

      特高壓輸電從最早醞釀、提出到項目研發(fā)，再到工程實(shí)踐，自始至終瞄準世界電力發(fā)展趨勢和技術(shù)制高點(diǎn)，緊密?chē)@國家重大戰略需求，政府支持，企業(yè)主導，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，社會(huì )各方廣泛參與，用科學(xué)手段和方法，以應用為目的，破解重大技術(shù)難題。

 

 

      特高壓輸電概念最早見(jiàn)諸國家層面，是在1986年初，原水電部下達“關(guān)于遠距離輸電方式和電壓等級論證”課題，研究認為21世紀初葉在中國出現交流百萬(wàn)伏級電壓等級是可能的。此后，國務(wù)院原重大項目辦公室下達了“七五”國家攻關(guān)項目“特高壓輸電技術(shù)前期研究”.

 

 

      由此發(fā)端，直至2006年8月9日，國家發(fā)改委正式核準首個(gè)特高壓輸電工程。其間20年，圍繞特高壓輸電的議題從未離開(kāi)過(guò)國家相關(guān)部門(mén)的視野。特別是，特高壓輸電技術(shù)研究連續列入國家“七五”“八五”和“十五”科技攻關(guān)計劃；特高壓交流輸電技術(shù)研發(fā)先后列入《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要》和“十一五”國家科技支撐計劃，這些都為特高壓輸電技術(shù)研究積累了寶貴經(jīng)驗。

 

 

      2006年11月4日，中國工程院提出《關(guān)于我國特高壓輸電研究和工程建設的咨詢(xún)意見(jiàn)》，參加該項研究的27位院士、7位專(zhuān)家指出，中國有必要加快特高壓輸電研究和工程應用的步伐，試驗示范工程方案符合“全面試驗驗證”要求，建議作為國產(chǎn)化的依托工程，納入國家中長(cháng)期科技發(fā)展規劃、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)計劃和重大裝備自主創(chuàng )新計劃。

 

 

      同月，國務(wù)院發(fā)展研究中心完成《我國能源輸送方式研究》報告，對特高壓輸電與輸煤成本進(jìn)行了綜合分析，提出了輸電與輸煤并舉，當前優(yōu)先發(fā)展輸電的建議。

 

 

      由此，2006年國務(wù)院印發(fā)《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要（2006-2020）》，要求重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)大容量遠距離直流輸電技術(shù)和特高壓交流輸電技術(shù)與裝備。

 

 

      定位于遠距離、大容量：特高壓帶來(lái)最安全的電網(wǎng)

 

 

      隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )快速發(fā)展，民眾需求持續旺盛，中國已有的500千伏輸電主網(wǎng)架已經(jīng)面臨遠距離、大容量輸送能力不足，走廊資源緊缺等瓶頸制約，亟待轉型升級。

 

 

      全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織主席、中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )理事長(cháng)、國家電網(wǎng)原董事長(cháng)劉振亞指出，世界電力工業(yè)發(fā)展的歷史表明，用電需求的持續增長(cháng)推動(dòng)電網(wǎng)規模不斷擴大、電壓等級不斷提升。

 

 

      他強調，500千伏輸電系統有力支撐了我國近30年的經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，但我國能源資源與需求呈逆向分布，70%以上的能源需求集中在中東部，可用能源資源卻遠離需求中心，76%的煤炭集中在北部和西北部、80%的水能資源集中在西南部，陸地風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源也大量分布在西北部，供需相距800-3000公里。所以，要在全國范圍內優(yōu)化能源資源配置，打造電力“高速公路”.

 

 

      從特高壓建設大幕開(kāi)啟至今，十余載協(xié)同創(chuàng )新，多達30項特高壓工程投運，在大范圍的能源優(yōu)化配置中發(fā)揮了主導作用。特高壓交直流工程分別榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎。中國不僅全面突破了特高壓技術(shù)，構建了完善的特高壓試驗和研究體系，還率先建立了完整的技術(shù)標準體系，自主研制成功了全套特高壓設備，實(shí)現了從“中國制造”到“中國創(chuàng )造”再到“中國引領(lǐng)”的跨越。

 

 

      隨著(zhù)網(wǎng)架更堅強、供電更可靠，中國電網(wǎng)安全運行水平也有了驚人的飛躍。國家電網(wǎng)首創(chuàng )了以電網(wǎng)特性認知、運行控制和故障防御共同支撐的電力系統安全穩定運行3大技術(shù)體系，自主研發(fā)建成仿真能力最強、計算效率最高、模擬精度最準確的新一代仿真系統，構建了以《電力系統安全穩定導則》為基礎的標準體系，研發(fā)了“三道防線(xiàn)”關(guān)鍵技術(shù)，構建了國際領(lǐng)先的大電網(wǎng)安全防御體系，我國電網(wǎng)成為世界上近20年來(lái)唯一沒(méi)有發(fā)生大停電事故的特大型電網(wǎng)。

 

 

      20年河東河西：“爭氣閥”揚我國威

 

 

      其實(shí)，從“連換流站內草皮都要花高價(jià)打包一齊買(mǎi)”到世界公認的特高壓輸電技術(shù)“領(lǐng)跑者”,不過(guò)區區20多年。

 

 

      20多年前，中國已經(jīng)建設的8條直流輸電線(xiàn)路中，核心設備直流換流閥全部依賴(lài)進(jìn)口。據介紹，直流換流閥核心技術(shù)長(cháng)期被3家跨國電工裝備制造企業(yè)壟斷，從1954年世界第一條高壓直流輸電聯(lián)絡(luò )線(xiàn)投入商業(yè)運行以來(lái)，跨國公司一直把持這項技術(shù)。一條直流工程，近一半的設備投資都要花費在直流換流閥上。還不止于此，“你要買(mǎi)換流閥？好，那就連換流站內草皮打包一齊買(mǎi)，少一分錢(qián)都別想建你的直流工程！”至于花錢(qián)買(mǎi)斷技術(shù)，答復是：“門(mén)都沒(méi)有！”

 

 

      為了保守這一核心技術(shù)機密，幾家互為對手的跨國公司步調竟難得一致：不在核心期刊發(fā)表相關(guān)技術(shù)文章，不發(fā)布任何產(chǎn)品的技術(shù)資料和細節圖片，出廠(chǎng)的產(chǎn)品都要蒙上厚厚的包裝，為換流閥做試驗的實(shí)驗室都采取極其嚴格的保密措施……國家電網(wǎng)中國電力科學(xué)研究院的魏曉光博士介紹：“在我們建成同類(lèi)實(shí)驗室前，世界上只有2個(gè)同類(lèi)實(shí)驗室，做一次試驗要200萬(wàn)元人民幣。而購買(mǎi)他一個(gè)產(chǎn)品，再加個(gè)零，要2000萬(wàn)元！”

 

 

      中國工程院院士、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院副院長(cháng)、時(shí)任中國電力科學(xué)研究院副總工程師湯廣福記得，中國電力科學(xué)研究院當初建設這個(gè)實(shí)驗室時(shí)，手中現成的技術(shù)資料僅僅是七頁(yè)A4紙的宣傳資料。因此，直流換流閥研發(fā)工程，被稱(chēng)為“爭氣閥”.而當湯廣福率領(lǐng)團隊用短短一年半時(shí)間完成“爭氣閥”的研發(fā)，并通過(guò)國家能源局主持、包括5位兩院院士在內的16名專(zhuān)家組鑒定時(shí)，中國工程院院士楊奇遜發(fā)出了“揚我國威”的由衷贊許。

 

 

      “爭氣閥”爭氣在哪？湯廣福一一列數其相對國外產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)勢。首先，它擁有±800千伏/4750安的電壓等級和通流能力，超越了國外同類(lèi)產(chǎn)品，“換流閥相當于一個(gè)水壩，其所承受的高電壓代表了極高的蓄水高度，也就意味著(zhù)能比其他換流閥在能量傳輸上距離更遠，在相同距離上損耗更??；它所耐受的大電流，則代表了具有更大泄洪容量，也就意味著(zhù)能輸送更多能量。同時(shí)，由于電壓、電流的提高，在整個(gè)能源流經(jīng)的路徑上，還能極大地節約線(xiàn)路走廊占地。”湯廣福表示。

 

 

      此外，它還減少了并聯(lián)的數量，能有效將閥模塊體積縮小1.5倍，使整個(gè)閥塔得到整體優(yōu)化，結構更加緊湊；而它的水冷電阻一體化設計和飽和電抗器分體設計更是中國電力科學(xué)研究院的獨門(mén)絕技：將水冷系統與電阻合二為一，相當于兩個(gè)部件成為一個(gè)，部件數量減少了，自然結構更明了，造成安全隱患的環(huán)節減少了，從而具有更高的穩定性；而分體的飽和電抗器就相當于電腦的“雙核”,能使換流閥具有更強的兼容性，不僅滿(mǎn)足特高壓需求，而且具有向下兼容能力，覆蓋更多電壓電流等級工程需要。

 

 

      具有完全自主知識產(chǎn)權的“爭氣閥”進(jìn)入市場(chǎng)后，在10年內整體降低國內直流輸電建設、運行和維護費用超百億元，同時(shí)也在國際市場(chǎng)上打破了跨國公司壟斷。“揚我國威”,誠哉斯言。（記者 瞿劍）