導讀 國際上尚無多端柔性直流輸電工程實踐經(jīng)驗。該工程是我國繼±800kV特高壓直流輸電工程之后，在國際直流輸電領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果，為遠距離大容量輸電、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，推動國際直流輸電技術(shù)實現(xiàn)了新突破
攻克了多端柔性直流輸電控制保護這一世界難題，使我國在世界上率先掌握了多端柔性直流輸電成套設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試和運行全系列核心技術(shù)，站在了世界輸電技術(shù)的最前沿
該項國家863計劃項目展示與示范了柔性直流輸電在風電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢，能至少提高風電利用率5%-10%。工程所有核心設(shè)備以及控制保護系統(tǒng)均為國內(nèi)首次研發(fā)，具有100%自主知識產(chǎn)權(quán)，對推動我國電力工業(yè)和裝備制造業(yè)發(fā)展，保障電力安全可靠供應具有重要意義。
廣東汕頭南澳島上200多臺聳立的大風車正迎風轉(zhuǎn)動，南方電網(wǎng)公司全力推進的世界第一個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車腳下的青澳灣。
12月25日，隨著南澳多端柔性直流輸電工程現(xiàn)場總指揮一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個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，這標志著南方電網(wǎng)攻克了多端柔性直流輸電控制保護這一世界難題，成為世界第一個完全掌握多端柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計、試驗、調(diào)試和運行全系列核心技術(shù)的企業(yè)，建成了世界上第一個多端柔性直流輸電工程，在中國乃至世界電力發(fā)展史上具有劃時代的重要意義。
柔性直流寶石閃耀世界
“這意味著我國成為世界第一個將多端柔性直流輸電技術(shù)投入工程化應用的國家。” 南方電網(wǎng)專家委員會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)，可靈活接入多個站點的風能、太陽能、地熱能、小水電等清潔能源，通過一個大容量、長距離的電力傳輸通道，到達多個城市的負荷中心。這為新能源并網(wǎng)、大型城市供電以及孤島供電等場合提供了一種有效的解決方案。”
“柔性”是相對于常規(guī)直流輸電技術(shù)而言，采用了先進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，靈活實現(xiàn)。
南澳多端柔性直流輸電工程項目技術(shù)負責人饒宏告訴記者，“風能、太陽能發(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)接入了一個閥門和電源，可以有效地控制其上面通過的電能，隔離電網(wǎng)故障的擴散，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，世界各國充分認識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用開始呈現(xiàn)快速增長。但全球已投運的柔性直流輸電工程均為點對點兩端系統(tǒng)，尚無多端柔性直流輸電工程投入商業(yè)運行。
“多端”則是相對于“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目工程師許樹楷介紹說：“兩端直流輸電系統(tǒng)無法實現(xiàn)對多個電源點(如風電場、分散式小水電等)的接入或多個負荷點的同時供電，多端系統(tǒng)可以將多個海上風電場、孤立海島與大陸連接起來，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，既滿足海島電力需求的同時還能將富余電能送往大陸。”
我國首條柔性直流輸電示范工程為上海南匯風電場兩端柔性直流輸電工程，于2011年投入正式運行。該工程輸送容量為2萬千瓦，直流電壓等級±30千伏。
落戶廣東汕頭南澳島的三端柔性直流輸電工程設(shè)計容量為20萬千瓦，直流電壓等級±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，三個站容量分別為5萬千瓦、10萬千瓦和20萬千瓦，建設(shè)直流電纜混合輸電線路40.7公里。未來島上還將建設(shè)一座接納近海上風電的換流站。該工程項目成果具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，將提高我國電網(wǎng)的整體科技含量，提升我國高端輸變電產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。
緣起自主創(chuàng)新、100%自主知識產(chǎn)權(quán)
“十八大”傳遞出來的“美麗中國”訊號再一次召喚清潔能源的開發(fā)利用，但是受接入技術(shù)條件限制，電網(wǎng)多年來一直無法承載大規(guī)模風電的接入?，F(xiàn)有運行經(jīng)驗表明，交流系統(tǒng)電壓波動是 “棄風”的主要原因之一。
一直以來，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)運行技術(shù)，積累了大型工程成套設(shè)計、設(shè)備規(guī)范制定、控制保護功能設(shè)計和測試、設(shè)備監(jiān)造等方面積累了豐富的工程經(jīng)驗。近年來，又在電力電子在電網(wǎng)中的應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，國家科技部2011年將“大型風電場柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)” 課題列入國家863科技計劃重大專項，把南澳多端柔性直流輸電工程作為我國第一個自主化示范工程，突破大型風電采用柔性多端直流輸電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，提升我國柔性直流輸電領(lǐng)域的核心裝備研發(fā)和制造水平，實現(xiàn)成套設(shè)計的全面自主化目標。
汕頭(南澳)風力發(fā)電有限公司總工程師高斌說，“就好比一個小水池，倒一杯水可能也會濺起水花，更不要說一場大雨了。”柔性直流輸電技術(shù)卻有“化干戈為玉帛”的神功，被譽為“風電知音”，是國際上公認的風電場并網(wǎng)的最佳技術(shù)方案。
“柔性直流技術(shù)能通過對風電進行全方位控制，使風力發(fā)電的間歇性特點不會擾亂電網(wǎng)，這就像是給小水池裝了一個攔水壩，能減少水的波動。”高斌介紹說，“該技術(shù)的靈活性很強，對沖擊負荷的承受能力更大，用電質(zhì)量與可靠性更明顯。如一臺正在運行的電器，常規(guī)交流或常規(guī)直流在消納間歇性能源并網(wǎng)或應對沖擊性負荷時，往往會因為電壓不穩(wěn)帶來隱患，而柔性直流技術(shù)在消納時則較為平穩(wěn)，設(shè)備受損的概率明顯降低。”
由于柔性直流是最為先進的電力技術(shù)之一，一直受到世界主要發(fā)達國家的重視，相關(guān)技術(shù)資料鮮有公開，且多端柔性直流比兩端更要復雜得多。
“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，一個由南方電網(wǎng)牽頭組織、來自高校、研究機構(gòu)、設(shè)計和制造企業(yè)、超過100人的產(chǎn)學研聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團隊悄無聲息地組建。攻關(guān)團隊每天工作超過15小時，歷經(jīng)無數(shù)次的論證、計算、試驗，攻克了世界第一個多端柔性直流輸電工程的“心臟”難題——控制保護系統(tǒng)，形成了包括多端柔性直流工程控制保護系統(tǒng)研究技術(shù)等10個“世界第一”。
“控制保護系統(tǒng)是整個工程的‘神經(jīng)中樞’，南澳柔性直流輸電示范工程作為世界第一個多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其‘多端’功能完全依靠復雜而靈活的控制保護系統(tǒng)來實現(xiàn)。”許樹楷解釋道。
“就像一個有著多個入口(電源接入端)與多個出口(負荷供電端)的水管，要保證水管水壓穩(wěn)定，則入水與出水流量要時時刻刻基本保持平衡。但由于入水量與出水量是各個端口依據(jù)各自情況而隨時變化的，如何實時平衡這種變化難度極大。而當一個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，來維持整個系統(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)在科研團隊攻堅克難的決心，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)擴展到多端，每一端的接口與設(shè)備都選用了不同型號，來自于包括央企、民營企業(yè)在內(nèi)的國內(nèi)不同廠商的設(shè)備，讓國內(nèi)盡可能多的設(shè)備研發(fā)制造企業(yè)參與到這個開創(chuàng)性的工程中來，培育起一個良性競爭的市場環(huán)境。
攻堅克難創(chuàng)造世界工程奇跡
工程招標現(xiàn)場，設(shè)備廠商都姓“中”。南澳柔性直流輸電工程設(shè)計總工程師陳冰說，“此項工程是集大型風電場接入、柔性多端直流輸電、海底直流電纜等多項創(chuàng)新技術(shù)于一體的世界首例多端柔性直流輸電工程開拓之作。由我們自主研發(fā)核心技術(shù)，設(shè)備制造廠商全都是國內(nèi)廠家。”
事實上，從系統(tǒng)研究、成套設(shè)計，到工程設(shè)計、設(shè)備制造，再到現(xiàn)場施工、運行調(diào)試，南澳柔直工程都選擇了“產(chǎn)、學、研、用”一體的攻關(guān)方式，集研究機構(gòu)、高校、設(shè)計、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月開工，共經(jīng)歷了12次臺風，大雨到暴雨天氣共117天。施工團隊在克服了無相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗、無標準、無現(xiàn)成生產(chǎn)能力設(shè)備廠家，以及復雜海域和氣象條件等種種困難后，終于進入了海纜敷設(shè)階段，眼看工程勝利在望。
此時，一個關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸又出現(xiàn)在項目團隊的面前。“海纜及附件無現(xiàn)成可用的產(chǎn)品。”南澳柔性直流工程海纜攻關(guān)組組長郭小龍告訴記者，“海底直流電纜的質(zhì)量控制是影響整個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)計即使大功告成，沒有海纜將海島與大陸相連，也無法實現(xiàn)技術(shù)的落地。”
高壓直流電纜及其附件是當今世界電纜制造的技術(shù)制高點，國內(nèi)各研發(fā)和制造單位都沒有能力生產(chǎn)符合條件的海纜。美國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)濟和技術(shù)限制條件。
創(chuàng)新的腳步從未停下，項目組團隊再次迎難而上。
集全國電纜行業(yè)的技術(shù)和智慧，南澳柔性直流輸電技術(shù)攻關(guān)團隊廣發(fā)英雄帖，與上海交大、電纜制造廠家等單位的技術(shù)專家組成了聯(lián)合研發(fā)的重兵集團，集中進行±160千伏直流電纜的研發(fā)和試驗。
圍繞電場分布不均勻這個核心問題，研發(fā)團隊經(jīng)過3個月的努力，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)，終于迎來了勝利成果，國內(nèi)第一批±160千伏直流電纜(陸纜+海纜)及附件(終端+接頭)的樣品通過了國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的型式試驗，意味著我國掌握了高壓直流電纜研發(fā)技術(shù)，在高壓直流電纜領(lǐng)域打破了國外技術(shù)封鎖。
工程項目副經(jīng)理呂文勝有著27個年頭的工程建設(shè)經(jīng)驗，他告訴記者，常規(guī)的柔性直流輸電工程的工期一般是18個月。“這還是在各項技術(shù)、設(shè)備都成熟的前提下的工期時間。”南澳多端柔性直流輸電工程僅僅用了8個月，就吹響了實現(xiàn)世界第一的號角。
風電利用率提高5%-10%
工程的投運，標志著南方電網(wǎng)實現(xiàn)了世界首例多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應用，實現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)成套設(shè)計的全面自主化，開創(chuàng)了世界直流輸電技術(shù)的新時代。饒宏介紹，南澳多端柔性直流輸電工程的所有核心設(shè)備均為國內(nèi)首次研發(fā)，實現(xiàn)100%自主國產(chǎn)化。
此外，柔性直流輸電技術(shù)本身還具有較強的經(jīng)濟性，饒宏給記者算了一筆賬。“較之常規(guī)直流輸電，在容量為1萬至100萬千瓦的部分場合下，尤其是對于離岸較遠的海上風電場內(nèi)部互聯(lián)來說，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，柔性直流只需正負兩極線路，交流線路無論以架空線或電纜方式建設(shè)，在造價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，促進可再生能源低成本模塊化開發(fā)利用，促進電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與優(yōu)化，解決我國能源領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保等重大問題。
同時，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應用前景。據(jù)初步預測，在未來十年內(nèi)，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電市場規(guī)模將在1000億元以上。
“率先實現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應用有利于我們在類似工程上積累經(jīng)驗，在未來電網(wǎng)發(fā)展中掌握主導權(quán)，成為行業(yè)標準制定者。”饒宏說到。
南澳柔性直流輸電工程建設(shè)，有效解決了南澳島風電開發(fā)的送出問題，很好地展示與示范了柔性直流在風電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢。中國工程院院士、清華大學教授韓英鐸告訴記者：“柔性直流輸電技術(shù)至少能從兩個方面提高風電利用率，一是提高風電機組抵御電網(wǎng)故障擾動的能力，減少風電機組停機率;二是能提高風電機組對風速的適應能力，能夠在更大風速范圍內(nèi)保持發(fā)電運行。這將至少提高風電利用率5%-10%。”以2012年全國風電發(fā)電量1008億千瓦時測算，該技術(shù)能增加風電發(fā)電量約50-100億千瓦時。
攻克了多端柔性直流輸電控制保護這一世界難題，使我國在世界上率先掌握了多端柔性直流輸電成套設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試和運行全系列核心技術(shù)，站在了世界輸電技術(shù)的最前沿
該項國家863計劃項目展示與示范了柔性直流輸電在風電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢，能至少提高風電利用率5%-10%。工程所有核心設(shè)備以及控制保護系統(tǒng)均為國內(nèi)首次研發(fā)，具有100%自主知識產(chǎn)權(quán)，對推動我國電力工業(yè)和裝備制造業(yè)發(fā)展，保障電力安全可靠供應具有重要意義。
廣東汕頭南澳島上200多臺聳立的大風車正迎風轉(zhuǎn)動，南方電網(wǎng)公司全力推進的世界第一個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車腳下的青澳灣。
12月25日，隨著南澳多端柔性直流輸電工程現(xiàn)場總指揮一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個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，這標志著南方電網(wǎng)攻克了多端柔性直流輸電控制保護這一世界難題，成為世界第一個完全掌握多端柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計、試驗、調(diào)試和運行全系列核心技術(shù)的企業(yè)，建成了世界上第一個多端柔性直流輸電工程，在中國乃至世界電力發(fā)展史上具有劃時代的重要意義。
柔性直流寶石閃耀世界
“這意味著我國成為世界第一個將多端柔性直流輸電技術(shù)投入工程化應用的國家。” 南方電網(wǎng)專家委員會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)，可靈活接入多個站點的風能、太陽能、地熱能、小水電等清潔能源，通過一個大容量、長距離的電力傳輸通道，到達多個城市的負荷中心。這為新能源并網(wǎng)、大型城市供電以及孤島供電等場合提供了一種有效的解決方案。”
“柔性”是相對于常規(guī)直流輸電技術(shù)而言，采用了先進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，靈活實現(xiàn)。
南澳多端柔性直流輸電工程項目技術(shù)負責人饒宏告訴記者，“風能、太陽能發(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)接入了一個閥門和電源，可以有效地控制其上面通過的電能，隔離電網(wǎng)故障的擴散，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，世界各國充分認識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用開始呈現(xiàn)快速增長。但全球已投運的柔性直流輸電工程均為點對點兩端系統(tǒng)，尚無多端柔性直流輸電工程投入商業(yè)運行。
“多端”則是相對于“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目工程師許樹楷介紹說：“兩端直流輸電系統(tǒng)無法實現(xiàn)對多個電源點(如風電場、分散式小水電等)的接入或多個負荷點的同時供電，多端系統(tǒng)可以將多個海上風電場、孤立海島與大陸連接起來，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，既滿足海島電力需求的同時還能將富余電能送往大陸。”
我國首條柔性直流輸電示范工程為上海南匯風電場兩端柔性直流輸電工程，于2011年投入正式運行。該工程輸送容量為2萬千瓦，直流電壓等級±30千伏。
落戶廣東汕頭南澳島的三端柔性直流輸電工程設(shè)計容量為20萬千瓦，直流電壓等級±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，三個站容量分別為5萬千瓦、10萬千瓦和20萬千瓦，建設(shè)直流電纜混合輸電線路40.7公里。未來島上還將建設(shè)一座接納近海上風電的換流站。該工程項目成果具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，將提高我國電網(wǎng)的整體科技含量，提升我國高端輸變電產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。
緣起自主創(chuàng)新、100%自主知識產(chǎn)權(quán)
“十八大”傳遞出來的“美麗中國”訊號再一次召喚清潔能源的開發(fā)利用，但是受接入技術(shù)條件限制，電網(wǎng)多年來一直無法承載大規(guī)模風電的接入?，F(xiàn)有運行經(jīng)驗表明，交流系統(tǒng)電壓波動是 “棄風”的主要原因之一。
一直以來，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)運行技術(shù)，積累了大型工程成套設(shè)計、設(shè)備規(guī)范制定、控制保護功能設(shè)計和測試、設(shè)備監(jiān)造等方面積累了豐富的工程經(jīng)驗。近年來，又在電力電子在電網(wǎng)中的應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，國家科技部2011年將“大型風電場柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)” 課題列入國家863科技計劃重大專項，把南澳多端柔性直流輸電工程作為我國第一個自主化示范工程，突破大型風電采用柔性多端直流輸電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，提升我國柔性直流輸電領(lǐng)域的核心裝備研發(fā)和制造水平，實現(xiàn)成套設(shè)計的全面自主化目標。
汕頭(南澳)風力發(fā)電有限公司總工程師高斌說，“就好比一個小水池，倒一杯水可能也會濺起水花，更不要說一場大雨了。”柔性直流輸電技術(shù)卻有“化干戈為玉帛”的神功，被譽為“風電知音”，是國際上公認的風電場并網(wǎng)的最佳技術(shù)方案。
“柔性直流技術(shù)能通過對風電進行全方位控制，使風力發(fā)電的間歇性特點不會擾亂電網(wǎng)，這就像是給小水池裝了一個攔水壩，能減少水的波動。”高斌介紹說，“該技術(shù)的靈活性很強，對沖擊負荷的承受能力更大，用電質(zhì)量與可靠性更明顯。如一臺正在運行的電器，常規(guī)交流或常規(guī)直流在消納間歇性能源并網(wǎng)或應對沖擊性負荷時，往往會因為電壓不穩(wěn)帶來隱患，而柔性直流技術(shù)在消納時則較為平穩(wěn)，設(shè)備受損的概率明顯降低。”
由于柔性直流是最為先進的電力技術(shù)之一，一直受到世界主要發(fā)達國家的重視，相關(guān)技術(shù)資料鮮有公開，且多端柔性直流比兩端更要復雜得多。
“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，一個由南方電網(wǎng)牽頭組織、來自高校、研究機構(gòu)、設(shè)計和制造企業(yè)、超過100人的產(chǎn)學研聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團隊悄無聲息地組建。攻關(guān)團隊每天工作超過15小時，歷經(jīng)無數(shù)次的論證、計算、試驗，攻克了世界第一個多端柔性直流輸電工程的“心臟”難題——控制保護系統(tǒng)，形成了包括多端柔性直流工程控制保護系統(tǒng)研究技術(shù)等10個“世界第一”。
“控制保護系統(tǒng)是整個工程的‘神經(jīng)中樞’，南澳柔性直流輸電示范工程作為世界第一個多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其‘多端’功能完全依靠復雜而靈活的控制保護系統(tǒng)來實現(xiàn)。”許樹楷解釋道。
“就像一個有著多個入口(電源接入端)與多個出口(負荷供電端)的水管，要保證水管水壓穩(wěn)定，則入水與出水流量要時時刻刻基本保持平衡。但由于入水量與出水量是各個端口依據(jù)各自情況而隨時變化的，如何實時平衡這種變化難度極大。而當一個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，來維持整個系統(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)在科研團隊攻堅克難的決心，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)擴展到多端，每一端的接口與設(shè)備都選用了不同型號，來自于包括央企、民營企業(yè)在內(nèi)的國內(nèi)不同廠商的設(shè)備，讓國內(nèi)盡可能多的設(shè)備研發(fā)制造企業(yè)參與到這個開創(chuàng)性的工程中來，培育起一個良性競爭的市場環(huán)境。
攻堅克難創(chuàng)造世界工程奇跡
工程招標現(xiàn)場，設(shè)備廠商都姓“中”。南澳柔性直流輸電工程設(shè)計總工程師陳冰說，“此項工程是集大型風電場接入、柔性多端直流輸電、海底直流電纜等多項創(chuàng)新技術(shù)于一體的世界首例多端柔性直流輸電工程開拓之作。由我們自主研發(fā)核心技術(shù)，設(shè)備制造廠商全都是國內(nèi)廠家。”
事實上，從系統(tǒng)研究、成套設(shè)計，到工程設(shè)計、設(shè)備制造，再到現(xiàn)場施工、運行調(diào)試，南澳柔直工程都選擇了“產(chǎn)、學、研、用”一體的攻關(guān)方式，集研究機構(gòu)、高校、設(shè)計、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月開工，共經(jīng)歷了12次臺風，大雨到暴雨天氣共117天。施工團隊在克服了無相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗、無標準、無現(xiàn)成生產(chǎn)能力設(shè)備廠家，以及復雜海域和氣象條件等種種困難后，終于進入了海纜敷設(shè)階段，眼看工程勝利在望。
此時，一個關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸又出現(xiàn)在項目團隊的面前。“海纜及附件無現(xiàn)成可用的產(chǎn)品。”南澳柔性直流工程海纜攻關(guān)組組長郭小龍告訴記者，“海底直流電纜的質(zhì)量控制是影響整個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)計即使大功告成，沒有海纜將海島與大陸相連，也無法實現(xiàn)技術(shù)的落地。”
高壓直流電纜及其附件是當今世界電纜制造的技術(shù)制高點，國內(nèi)各研發(fā)和制造單位都沒有能力生產(chǎn)符合條件的海纜。美國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)濟和技術(shù)限制條件。
創(chuàng)新的腳步從未停下，項目組團隊再次迎難而上。
集全國電纜行業(yè)的技術(shù)和智慧，南澳柔性直流輸電技術(shù)攻關(guān)團隊廣發(fā)英雄帖，與上海交大、電纜制造廠家等單位的技術(shù)專家組成了聯(lián)合研發(fā)的重兵集團，集中進行±160千伏直流電纜的研發(fā)和試驗。
圍繞電場分布不均勻這個核心問題，研發(fā)團隊經(jīng)過3個月的努力，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)，終于迎來了勝利成果，國內(nèi)第一批±160千伏直流電纜(陸纜+海纜)及附件(終端+接頭)的樣品通過了國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的型式試驗，意味著我國掌握了高壓直流電纜研發(fā)技術(shù)，在高壓直流電纜領(lǐng)域打破了國外技術(shù)封鎖。
工程項目副經(jīng)理呂文勝有著27個年頭的工程建設(shè)經(jīng)驗，他告訴記者，常規(guī)的柔性直流輸電工程的工期一般是18個月。“這還是在各項技術(shù)、設(shè)備都成熟的前提下的工期時間。”南澳多端柔性直流輸電工程僅僅用了8個月，就吹響了實現(xiàn)世界第一的號角。
風電利用率提高5%-10%
工程的投運，標志著南方電網(wǎng)實現(xiàn)了世界首例多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應用，實現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)成套設(shè)計的全面自主化，開創(chuàng)了世界直流輸電技術(shù)的新時代。饒宏介紹，南澳多端柔性直流輸電工程的所有核心設(shè)備均為國內(nèi)首次研發(fā)，實現(xiàn)100%自主國產(chǎn)化。
此外，柔性直流輸電技術(shù)本身還具有較強的經(jīng)濟性，饒宏給記者算了一筆賬。“較之常規(guī)直流輸電，在容量為1萬至100萬千瓦的部分場合下，尤其是對于離岸較遠的海上風電場內(nèi)部互聯(lián)來說，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，柔性直流只需正負兩極線路，交流線路無論以架空線或電纜方式建設(shè)，在造價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，促進可再生能源低成本模塊化開發(fā)利用，促進電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與優(yōu)化，解決我國能源領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保等重大問題。
同時，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應用前景。據(jù)初步預測，在未來十年內(nèi)，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電市場規(guī)模將在1000億元以上。
“率先實現(xiàn)多端柔性直流輸電技術(shù)的工程化應用有利于我們在類似工程上積累經(jīng)驗，在未來電網(wǎng)發(fā)展中掌握主導權(quán)，成為行業(yè)標準制定者。”饒宏說到。
南澳柔性直流輸電工程建設(shè)，有效解決了南澳島風電開發(fā)的送出問題，很好地展示與示范了柔性直流在風電接入方面的技術(shù)優(yōu)勢。中國工程院院士、清華大學教授韓英鐸告訴記者：“柔性直流輸電技術(shù)至少能從兩個方面提高風電利用率，一是提高風電機組抵御電網(wǎng)故障擾動的能力，減少風電機組停機率;二是能提高風電機組對風速的適應能力，能夠在更大風速范圍內(nèi)保持發(fā)電運行。這將至少提高風電利用率5%-10%。”以2012年全國風電發(fā)電量1008億千瓦時測算，該技術(shù)能增加風電發(fā)電量約50-100億千瓦時。
