能源安全新战略｜大国重器⑧：柔性直流换流器关键技术及应用
- 2024/6/26 16:12:55 5629
- 来源：国家电网有限公司
【仪表网 产业报道】亚洲首个柔性直流工程、世界首个千兆瓦级柔性直流工程、世界首个柔性直流电网工程……这些在能源电力领域具有重大科技示范意义的创新工程，都应用了一项先进技术——柔性直流输电技术。
2004年，国家电网有限公司组织研发团队开展柔性直流输电技术原创性攻关研究。历经二十载攻坚克难，研发团队破解了柔性直流输电技术换流机理、换流器多物理场复杂应力调控、海量复杂状态高速精准控制保护等多项世界难题，突破了柔性直流高压大容量发展的技术瓶颈，推动柔性直流换流器关键技术发展和广泛应用，并成功将技术带入了欧洲市场，实现了我国柔性直流输电技术的“从无到有”和“换道超车”。6月24日，由国网智能电网研究院有限公司牵头完成的“柔性直流换流器关键技术及应用”荣获2023年度国家科学技术奖。
张北柔性直流电网试验示范工程换流站阀厅
攻坚克难 拓荒柔直输电技术领域
柔性直流输电技术是20世纪90年代发展起来的一种新型直流输电技术。该技术是破解清洁能源大规模并网消纳难题的“金钥匙”，是能源有效驾驭和高效转换最关键的技术之一，对电网具有十分重要的意义。
然而，攀登柔性直流输电技术高峰却并非易事。
2004年，时任中国电科院输配电国家工程中心副主任的汤广福带领研发团队，在国家973计划及国家电网公司重大科技项目的支持下，开启了新一代直流输电技术探索。2006年，公司组织召开《全控(轻型)直流输电系统关键技术研究框架》研讨会，明确了总体科研规划，制订了关键技术研究框架。该技术被正式命名为“柔性直流输电技术”，并被列入了国标(GB/T 40865)和中国电力百科全书。
彼时，跨国公司ABB将低压两电平电路通过大量器件的串联应用到高压输电中，命名为轻型直流输电(HVDC Light)。不同于常规直流输电的部分可控，轻型直流输电不依赖电网电压换相，控制更灵活，有望解决大规模新能源电源并网接入难题。然而，该技术受限于大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件串联级数，存在电压低、容量小等问题，无法满足千兆瓦级跨区域输电需求。
国网智研院电力系统电力电子实验室
如何破解轻型直流技术升压难、容量低的技术瓶颈？研发团队经过大量技术调研和实践探索，率先开展模块化多电平换流器技术路线攻关。“当时模块化多电平技术路线仅是一个概念，电气实现、机械结构、仿真验证、试验方法等均无先例可循，全靠自己摸索。”国网智研院总工程师贺之渊回忆道。
模块化多电平换流器由数百甚至数千个模块构成，每个模块就是一个小电源，各个模块独立地投入切出控制，既要维持自身的能量吞吐平衡，还要实现整体的交直流变换功能。面对研究基础薄弱、没有可供借鉴的技术经验等实际情况，研究团队一路摸爬滚打、创新实践，全方位开展柔性直流技术研究。
经过10余次设计迭代、70余次专家评审，研发团队首次建立了完备的柔性直流输电技术研究理论体系，攻克了数字电路在高电位场合的高耐压能力和高抗电磁干扰难题，成功研制出柔性直流换流阀工程样机。
上海南汇柔性直流输电工程南风换流站阀厅
2011年7月，亚洲首条柔性直流输电工程在上海南汇建成，实现了我国柔性直流输电技术领域零的突破，国家电网公司成为继ABB、西门子之后，第三家完全掌握柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和生产全系列核心技术的企业，与世界知名跨国企业同场竞技。
勇攀高峰取得多项重大突破
随着研究的逐步深入，我国柔性直流输电技术实现了从基础理论研究到高压大容量成套设备研制的巨大飞跃。国家电网公司持续攻关更高参数等级的柔性直流输电装备，继续朝着千兆瓦级容量的目标进发。伴随电压等级和容量的提升，换流器的运行复杂程度和技术难度不断增大，团队经过多年技术攻关，取得了多项重大技术创新——
揭示了换流器换流机理，实现了全工况下数千功率模块电压动态平衡，不均衡系数低于5%，破解了功率模块数量大幅提升的难题，在世界上首次实现了千兆瓦级的跨越。
提出了动态多物理场综合调控方法，揭示了换流器电-磁-热-力多物理场交互作用规律，突破了换流器向高电压发展的瓶颈，功率密度提升至12兆瓦/立方米。
发明了换流器高速精准控制保护技术，提出的复合权限配置控制保护架构，被列入国际标准，提出了换流器的精准控制保护方法，获中国专利金奖。
±320千伏/1000兆瓦柔性直流换流阀在厦门双极柔直工程应用。
2013年，团队研制出世界首个±320千伏/1000兆瓦柔性直流换流器，破解了柔性直流向千兆瓦级以上容量发展的技术瓶颈，被国际权威机构DNV KEMA实验室评价为“打破世界纪录”。2015年，该产品在厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程中成功应用，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领，为大型城市可靠供电开辟了新途径。
厚积薄发，蓄力前行。随后，国家电网公司紧锣密鼓加快工程示范步伐，推动更多创新工程落地。2018年，建成±420千伏/4×1250兆瓦渝鄂背靠背联网工程，实现华东和华中两大电网异步互联和广域互济。2020年，建成世界首个±500千伏/3000兆瓦张北柔性直流电网试验示范工程，为北京冬奥会场馆提供100%清洁能源，为破解新能源大规模开发利用的世界级难题提供了“中国方案”。
“海上风起绿电来”“张北的风点亮北京的灯”……如今，柔性直流技术广泛应用于跨区大电网异步互联、新能源并网主动支撑、孤岛供电等场景，真正成为大规模清洁能源广域协调互补和可靠送出的解决方案。
创新引领拉动千亿级产业集群发展
从自力更生“摸着石头过河”到突破技术封锁，再到全方位“走出去”参与国际竞争，公司一路攻坚克难、砥砺奋进，在国际市场上树立起柔性直流输电技术的金字招牌。
国网智研院科研人员在大功率电力电子器件实验室对IGBT芯片进行监测。
在全球化的大背景下，让中国柔性直流技术走向世界是团队成员的共同梦想。公司研发团队积极投身国际学术交流和合作，逐步提高知名度，打响技术品牌，为海外市场开拓奠定了坚实基础。2014年，团队率先获得欧洲柔性直流投标资质，拿到了国际市场的“入场券”。
“出海”之路并非坦途。2018年，团队首次参与海外EPC工程投标。由于国内外工程在执行条件、管理模式、运行状态方面有较大差异，加上受文化差异、国际形势影响，团队连续投标7个工程均以失败告终。
2022年，团队重整旗鼓，与ABB、西门子和GE同台竞争±320千伏/1030兆瓦德国BorWin6海上风电柔性直流工程。
BorWin6海上风电柔性直流输电工程海上风电场位于德国北海海域，是该区域目前装机容量最大的风电并网配套工程。为满足工程在系统可用率、平台重量、新型控制策略等方面的严苛要求，团队成员攻坚克难，先后完成了高可靠性低损耗系统设计、构网型策略研发、紧凑适海型换流阀研制等突破。最终，在价格高于竞争对手的情况下，由国网智研院、普瑞工程、美国McDermott公司组成的联合体靠最高技术评分脱颖而出，成功中标。目前，工程已完成项目启动、概念设计和基础设计等阶段的全部工作，并顺利通过业主审核，计划于2027年年底投运。
这是我国承担的第一个海外EPC柔性直流输电工程，实现了我国高端输电技术首次进入欧洲市场，标志着公司具有自主知识产权的柔性直流技术及柔性直流换流阀等高端电气设备具备了国际领先的核心竞争力。
BorWin6海上风电柔性直流工程换流阀
从小微起，终成大器。经过20年的积累，我国已全面完成了柔性直流输电技术从追赶到引领的跨越式发展。截至目前，国家电网公司柔性直流输电技术成果获得国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖6项、中国专利金奖1项，并成功入选国家能源局公布的第一批能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单。
能源技术革命步履铿锵，新质生产力加快形成。如今，柔性直流输电技术和直流电网的创新发展，带动装备制造产业升级，推动IGBT器件、电容器等多个行业提升设计、制造、检验水平，拉动千亿级柔性直流产业集群发展。
公司研发团队聚焦“沙戈荒”、藏东南、东部深远海等地区大规模新能源高效送出和新型电力系统构建需求，大力开展±800千伏特高压柔性直流关键技术研究，攻克了新能源高效汇集与多端直流送出拓扑方案构建、换流变压器有载调压开关、换流阀过电压机理与抑制策略等技术难题，为服务国家能源结构调整、构建清洁低碳安全高效的能源体系提供了有力支撑。
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