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    光明日报 2021年03月18日 星期四

    千里“追风人”

    ——记国家电网经研院直流技术攻关团队

    作者:本报记者 蔡侗辰 《光明日报》( 2021年03月18日 01版)

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        你了解用风点亮灯的故事吗?

        你能想象远在青海的阳光能为中原充电吗?

        我国风能、太阳能资源丰富,但它们却像草原上的野马,性情不定,难以驯服。

        如何驯服风光能源这匹野马,让风光绿能大显身手,从能源舞台的配角变为主角,成为保障国家经济社会健康发展的强大支撑,这是立足新发展阶段,贯彻新发展理念,构建新发展格局面临的一个重大战略问题。

        有这样一个团队,短短几年时间,他们突破一个个世界级难题,创造一项项世界第一。在他们的努力下,特高压直流输电成为国家战略级技术,和高铁、北斗一样,成为享誉世界的“中国名片”。

        他们,是国家电网经研院直流技术攻关团队,他们,被称作驯服风光野马的“追风人”。

    攻下一个个世界难题,彻底摆脱“洋拐棍”

        绿色、低碳是中国能源的发展方向,而服务新能源大规模开发利用,正是柔性直流输电技术的优势所在。

        国网经研院作为国家电网的技术支撑单位,多年前就意识到柔性直流输电对新能源汇集送出的重要性。为了驯服风能、太阳能,2012年他们便开展了大量基础性研究。

        当时我国在柔性直流输电技术方面没有任何经验,国外相关核心技术又严加封锁。“在接到项目任务时,攻关团队每个人心中都惴惴不安,完全没有成功的把握,有的同志提出以市场换技术的方式找外方搞技术引进,但几次接触下来,技术转让条件苛刻,我们根本无法接受。”国网经研院直流技术中心主任乐波坦言。

        这支攻关团队太年轻了,刚组建时平均年龄还不到30岁。带着一股开拓创新、永不服输的拼劲,他们开始了披荆斩棘的闯关之旅。

        柔性直流系统设计的第一步是确定主接线,这是系统设计的“纲”和“领”:确定系统采用哪些主要设备,这些设备怎么布置、怎么配合,如同家里装修要先画好电路图,确定开关、插座、照明等的位置,才能保证所有电器的用电安全和正常工作。

        舟山工程是国家电网第一个商业化的柔性直流工程,也是世界首个五端柔性直流工程,主接线要比国外的两端工程复杂得多。整个工程要用的设备有上百种,每种设备又有多种型式,排列组合起来就有上千种,许多设备连见都没见过,更别说熟练使用和布置。

        接到任务后,团队迅速分工,有的总结以前常规工程的设计经验,有的研究新设备的功能和特点,有的开展理论分析,有的搭建仿真模型。他们曾提出几十种方案,但经过反复仿真分析,都满足不了五端直流安全稳定运行的要求。

        只好全部推倒,从头再来。

        经过数月的闭关修炼,世界首个五端柔性直流工程主接线终于完成,彻底打破未来可能的外方知识产权限制,完全做到自主化设计。

        舟山工程后,他们又攻下供电可靠性要求更高的厦门工程。“现在,外方为了提高工程可靠性,反而模仿起中国方案,我们的身份也实现了从学生到老师的华丽转变。”乐波说。

        在没有任何资料可供借鉴的情况下,攻关团队拿下了一个又一个世界难题,实现多项技术“零”的突破,形成一套完整的柔性直流输电成套设计体系,彻底摆脱了“洋拐棍”,实现了柔性直流输电技术领域的“弯道超车”和“中国引领”。

    不设权威自由发挥鼓励原创,创造12项世界第一

        2020年6月29日,张北柔性直流电网工程竣工投产,来自草原的绿色动能点亮了京城的万家灯火。张北工程不仅能够满足冬奥会的100%清洁供电需求,还将每年向北京输送225亿度清洁电力,相当于北京年用电量的十分之一。

        “柔性直流电网技术可以控制电能灵活转向,适应新能源的波动,是目前世界上最先进的输电技术。”乐波说,张北工程采用我国原创、世界领先的柔性直流电网新技术,把过去不可控的风能变为可控优质电能。“工程创造了12项世界第一,提出了破解新能源大规模开发利用世界级难题的中国方案。”

        12项沉甸甸的世界第一,凝聚着科研人员克服重重困难、战胜层层挑战所付出的艰辛和努力。

        灵活可靠消纳新能源,首先碰到的难题是要研制确保电网安全的新设备、新技术。“直流电网设计的难点在于要应对不经常发生的严重故障,解决这个问题,就必须找到能确保电网安全的速效救心丸。”团队技术骨干李探博士说。

        李探一毕业,就和团队一头扎入柔性直流电网的资料堆,从查公式、编程序开始,一晃就是5年。研发之初,由于相关技术在世界范围内都处于完全空白状态,没有任何经验可供借鉴,团队只能从零开始。然而正是这张白纸,给年轻的科研人员们提供了从理论到实践的广阔舞台。

        不设权威、自由发挥、鼓励原创是团队组建时确定的工作原则。从“半桥式换流阀+直流断路器”到“全桥式换流阀”,他们大胆假设、小心求证,从“交流耗能装置”到“直流耗能装置”,他们严谨细致、一丝不苟。经历了数月“白加黑”“5+2”的鏖战,终于实现了“首台套”直流断路器和交流耗能装置的重大技术突破。  

        张北工程的联调试验需要依赖于新能源和柔性直流电网的真实模型,这两个高度复杂的系统,单独拿出来进行建模已经困难重重,进行联合测试更是从未有过先例。

        400多面控制屏柜,通过上万根线缆连接起来,将新能源和四座换流站组合在一起,建立起反映电网真实特性的超大规模仿真系统。仅启动一次,就要花费数小时。

        “这只是迈出了平台构建的第一步。”实验室负责人厉璇介绍,“在资源条件有限的情况下,还要准确刻画复杂系统的快速变化特性,这是更加关键的一步。”

        几十个新能源场站,四端柔性直流电网,包含了数十万元件,上万根光纤,对系统的实时运算能力提出了严峻挑战。为了实现实时运算,如此庞大的系统在每个毫秒都要进行几十亿次仿真计算,这俨然是一个超级计算系统,超算能力对系统配置提出了不可能达到的要求。

        为了实现实时运算目标,必须另辟蹊径。“将系统和元件进行有效简化后,我们所提出的多项等值技术将仿真速度提升了近60%,完全达到工程精度。”厉璇说。在对模型进行逐步等值的过程中,科研人员们经历了种种坎坷和失败,一个错误的脉冲信号,一个程序的细微漏洞,一个设置不合理的参数,都容易导致系统报错或失稳奔溃。

        一遍又一遍的检查设备,一次又一次的核对接线是团队每天的日常工作,一条通道调试不通就从头再来。

        在团队齐心协力下,终于建立起世界首个大规模新能源柔直并网硬件在环实时仿真试验系统。

    跨越千里,电力天路从规划变成现实

        青海是我国清洁能源最丰富的省份之一,新能源发电量已经超过青海省全省用电负荷,亟需将大量富余的清洁电力送到上千公里之外的中东部负荷中心,变资源优势为经济优势。

        特高压直流技术成熟、成本较低,在大容量远距离电能输送方面具有独特优势。因此,青海的新能源必须通过特高压直流技术进行远距离大规模消纳。然而,传统特高压直流犹如高速列车,运载量大、一站直达,而始发站的太阳能、风能等清洁能源就像自由出行的游客,何时出行、多少人出行均具有随机性。因此,对传统特高压技术升级改造才能更好实现对新能源的高效送出。

        “能否将汇集新能源的系统电压控制稳定是工程设计的关键点。”项目负责人卢亚军向记者介绍。多年来,国网经研院直流技术攻关团队提出的“升级版”特高压技术,涵盖了多项稳定系统电压的独门绝技,这些措施在专门输送新能源的青海—河南(青豫)±800千伏特高压直流工程中得到成功应用,实现了成果转化,极大提升了特高压直流对新能源送出的适应性。

        换流站连接着纵横千里的直流输电线路,仿佛人体的心脏,是直流输电工程最重要的能源转换枢纽,交流和直流的变换就在这里完成。青海换流站海拔达2900米,是世界上海拔最高的特高压换流站,空气稀薄,设备也会缺氧,耐受高电压的能力大幅下降。

        “我们对直流系统的过电压水平进行了上百次迭代仿真校核,优化了高海拔下均压电极设计,有效缩短了设备间的空气间隙,确保设备运行万无一失,根本上消除了设备的高原反应,保证了高原换流站的运行性能与平原保持一致。”卢亚军说。

        考验接踵而来。

        由于风光能源不稳定,功率波动大,电网对变压器的电压调节能力要求较以往工程更高。分接开关是变压器执行电压调节功能的最核心装备,其设计一直是制约国产化的“卡脖子”技术难题。如何提高分接开关的运行可靠性,是摆在团队面前必须解决的一道难题。

        科研团队深入研究了各种技术措施可能性,提出了几十种技术方案,推导了上百页分析算稿,经过反复研究论证仿真,确定了通过有效降低分接开关动作次数提高系统可靠性的技术方案,最终实现分接开关动作次数减少90%,显著提高了设备使用寿命,保障了工程的顺利投运和安全运行。同时,研究成果也在所有已投运的特高压工程中推广应用。

        2020年12月30日,青豫工程正式投入商业运行,来自青藏高原的可再生能源跨越千里,点亮中原。

        “电力天路在我们手里从规划变成现实,成为造福人民的幸福之路、光明之路和清洁之路。”乐波说。

        (本报记者 蔡侗辰)

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