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特高壓輸電：以無數(shù)全球之最鋪就電力“高速公路”

發(fā)布時間：2021-06-24

來源：科技日報

責(zé)任編輯：科普網(wǎng)

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◎本報記者瞿劍

2007年10月9日，特高壓直流試驗基地7200千伏沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓創(chuàng)世界紀(jì)錄。國家電網(wǎng)供圖

500千伏輸電系統(tǒng)有力支撐了我國近30年的經(jīng)濟社會發(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(yuǎn)離需求中心，所以要在全國范圍內(nèi)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路長度達(dá)到4.1萬公里，變電（換流）容量超過4.4億千伏安（千瓦），累計送電超過1.8萬億千瓦時，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)跨區(qū)跨省輸電能力超過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，輸電線路長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(jì)錄”

國家電網(wǎng)對于雅中—江西直流工程的技術(shù)總結(jié)，只有一句“進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(jì)錄”“創(chuàng)下全球之最”……不是現(xiàn)在不創(chuàng)紀(jì)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(jì)錄的突破；而新的紀(jì)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(jì)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（以下簡稱昆柳龍直流工程），正是這樣一個顛覆性工程。

該工程創(chuàng)造了19項“世界第一”，包括世界上第一個±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路故障自清除及再啟動能力等。“每一個‘世界第一’都可以寫一篇大文章。”中國工程院院士、南方電網(wǎng)公司專家委員會名譽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)專家、南方電網(wǎng)科研院董事長饒宏介紹，這緣于交直流輸電本身的技術(shù)特性：常規(guī)直流主要用于點對點、遠(yuǎn)距離、大容量的電源外送，并不能組網(wǎng)；交流輸電則可以滿足常規(guī)電源送出和電網(wǎng)互聯(lián)的需求，且成本較低。但這一基本模式卻面臨一個“原理性障礙”，即所謂“多直流饋入”問題。他解釋，大流量的常規(guī)直流匯入電網(wǎng)，就像一條大河流入一個水庫，一旦常規(guī)直流線路“閉鎖”，河水突然截停，會導(dǎo)致水庫缺水。

柔性直流改變了這一切。

和傳統(tǒng)“電流源型”直流相比，柔性直流對電壓、頻率的控制更加靈活，就像一個完全可控的水泵，能夠精準(zhǔn)控制水流的方向、速度和流量，使水庫水位更加平穩(wěn)，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(tǒng)，送端云南昆北是常規(guī)直流，廣西柳北、廣東龍門兩個受端是柔性直流。“這種方案既經(jīng)濟又先進。”李立浧解釋，把西部水電送到用電需求大的廣東、廣西，這種遠(yuǎn)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(guī)直流并網(wǎng)后，因其換相失敗現(xiàn)象難以避免等固有特性，會對受端電網(wǎng)系統(tǒng)安全帶來一定沖擊。“柔性直流能解決這些問題，它調(diào)控更加靈活，還能在關(guān)鍵時刻支持系統(tǒng)安全穩(wěn)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(dá)到全球最高的800萬千瓦。浙江大學(xué)教授、國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）會士徐政展望道：“這是一個開路工程。此后，遠(yuǎn)距離、大容量送電工程都會首選柔性直流技術(shù)。”

緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求：體現(xiàn)國家意志

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

特高壓輸電概念最早見諸國家層面，是在1986年初，原水電部下達(dá)“關(guān)于遠(yuǎn)距離輸電方式和電壓等級論證”課題，研究認(rèn)為21世紀(jì)初葉在中國出現(xiàn)交流百萬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(dá)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(zhǔn)首個特高壓輸電工程。其間20年，圍繞特高壓輸電的議題從未離開過國家相關(guān)部門的視野。特別是，特高壓輸電技術(shù)研究連續(xù)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《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)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(shè)的咨詢意見》，參加該項研究的27位院士、7位專家指出，中國有必要加快特高壓輸電研究和工程應(yīng)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，納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)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行了綜合分析，提出了輸電與輸煤并舉，當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展輸電的建議。

由此，2006年國務(wù)院印發(fā)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，要求重點研究開發(fā)大容量遠(yuǎn)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(yuǎn)距離、大容量：特高壓帶來最安全的電網(wǎng)

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，民眾需求持續(xù)旺盛，中國已有的500千伏輸電主網(wǎng)架已經(jīng)面臨遠(yuǎn)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(zhuǎn)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)合會理事長、國家電網(wǎng)原董事長劉振亞指出，世界電力工業(yè)發(fā)展的歷史表明，用電需求的持續(xù)增長推動電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大、電壓等級不斷提升。

他強調(diào)，500千伏輸電系統(tǒng)有力支撐了我國近30年的經(jīng)濟社會發(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(yuǎn)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(nèi)優(yōu)化能源資源配置，打造電力“高速公路”。

從特高壓建設(shè)大幕開啟至今，十余載協(xié)同創(chuàng)新，多達(dá)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(dǎo)作用。特高壓交直流工程分別榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎特等獎。中國不僅全面突破了特高壓技術(shù)，構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)體系，自主研制成功了全套特高壓設(shè)備，實現(xiàn)了從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”再到“中國引領(lǐng)”的跨越。

隨著網(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(rèn)知、運行控制和故障防御共同支撐的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(zhǔn)確的新一代仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了以《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)了“三道防線”關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)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年來唯一沒有發(fā)生大停電事故的特大型電網(wǎng)。

20年河?xùn)|河西：“爭氣閥”揚我國威

其實，從“連換流站內(nèi)草皮都要花高價打包一齊買”到世界公認(rèn)的特高壓輸電技術(shù)“領(lǐng)跑者”，不過區(qū)區(qū)20多年。

20多年前，中國已經(jīng)建設(shè)的8條直流輸電線路中，核心設(shè)備直流換流閥全部依賴進口。據(jù)介紹，直流換流閥核心技術(shù)長期被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)線投入商業(yè)運行以來，跨國公司一直把持這項技術(shù)。一條直流工程，近一半的設(shè)備投資都要花費在直流換流閥上。還不止于此，“你要買換流閥？好，那就連換流站內(nèi)草皮打包一齊買，少一分錢都別想建你的直流工程！”至于花錢買斷技術(shù)，答復(fù)是：“門都沒有！”

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(diào)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(xì)節(jié)圖片，出廠的產(chǎn)品都要蒙上厚厚的包裝，為換流閥做試驗的實驗室都采取極其嚴(yán)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：“在我們建成同類實驗室前，世界上只有2個同類實驗室，做一次試驗要200萬元人民幣。而購買他一個產(chǎn)品，再加個零，要2000萬元！”

中國工程院院士、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院副院長、時任中國電力科學(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(dāng)初建設(shè)這個實驗室時，手中現(xiàn)成的技術(shù)資料僅僅是七頁A4紙的宣傳資料。因此，直流換流閥研發(fā)工程，被稱為“爭氣閥”。而當(dāng)湯廣福率領(lǐng)團隊用短短一年半時間完成“爭氣閥”的研發(fā)，并通過國家能源局主持、包括5位兩院院士在內(nèi)的16名專家組鑒定時，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(shù)其相對國外產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢。首先，它擁有±800千伏/4750安的電壓等級和通流能力，超越了國外同類產(chǎn)品，“換流閥相當(dāng)于一個水壩，其所承受的高電壓代表了極高的蓄水高度，也就意味著能比其他換流閥在能量傳輸上距離更遠(yuǎn)，在相同距離上損耗更小；它所耐受的大電流，則代表了具有更大泄洪容量，也就意味著能輸送更多能量。同時，由于電壓、電流的提高，在整個能源流經(jīng)的路徑上，還能極大地節(jié)約線路走廊占地。”湯廣福表示。

此外，它還減少了并聯(lián)的數(shù)量，能有效將閥模塊體積縮小1.5倍，使整個閥塔得到整體優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更加緊湊；而它的水冷電阻一體化設(shè)計和飽和電抗器分體設(shè)計更是中國電力科學(xué)研究院的獨門絕技：將水冷系統(tǒng)與電阻合二為一，相當(dāng)于兩個部件成為一個，部件數(shù)量減少了，自然結(jié)構(gòu)更明了，造成安全隱患的環(huán)節(jié)減少了，從而具有更高的穩(wěn)定性；而分體的飽和電抗器就相當(dāng)于電腦的“雙核”，能使換流閥具有更強的兼容性，不僅滿足特高壓需求，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(quán)的“爭氣閥”進入市場后，在10年內(nèi)整體降低國內(nèi)直流輸電建設(shè)、運行和維護費用超百億元，同時也在國際市場上打破了跨國公司壟斷。“揚我國威”，誠哉斯言。

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