特高压输电:以无数全球之最铺就电力“高速公路”

2021-06-24 14:13  来源:科技日报  浏览:  

2007年10月9日,特高压直流试验基地7200千伏冲击电压发生器输出电压创世界纪录。国家电网供图

500千伏输电系统有力支撑了我国近30年的经济社会发展,但我国能源资源与需求呈逆向分布,70%以上的能源需求集中在中东部,可用能源资源却远离需求中心,所以要在全国范围内优化能源资源配置,打造电力“高速公路”。

6月21日,雅中—江西±800千伏特高压直流工程正式投运,这是“十四五”期间我国首个建成投运的特高压直流输电工程。

至此,国家电网已累计建成“13交13直”特高压工程,在运在建特高压工程线路长度达到4.1万公里,变电(换流)容量超过4.4亿千伏安(千瓦),累计送电超过1.8万亿千瓦时,国家电网经营区跨区跨省输电能力超过2.6亿千瓦。加上南方电网公司建成投运4条±800千伏特高压直流工程,我国已有在运特高压工程30项,输电线路长度绕地球赤道一周有余。

拿金牌拿到“手软”:我们已不轻言“创纪录”

国家电网对于雅中—江西直流工程的技术总结,只有一句“进一步巩固了我国特高压直流输电技术的国际领先优势”,少了十几年前特高压工程上马之初比比皆是的“突破世界纪录”“创下全球之最”……不是现在不创纪录了,而是在特高压输电领域,我国拿金牌已拿到“手软”。几乎每一项特高压工程的新建、投运,都是对以往纪录的突破;而新的纪录,也都由我们自己创造。以至于,不是真正颠覆性的“黑科技”,我们已不轻言“创纪录”。

2020年12月27日建成投产的乌东德水电站送电广东、广西特高压多端柔性直流示范工程(以下简称昆柳龙直流工程),正是这样一个颠覆性工程。

该工程创造了19项“世界第一”,包括世界上第一个±800千伏特高压柔性直流输电工程,世界单站容量最大的换流站,世界首次具备架空线路故障自清除及再启动能力等。“每一个‘世界第一’都可以写一篇大文章。”中国工程院院士、南方电网公司专家委员会名誉主任委员李立浧表示。

此前,世界主流输电模式都是“直流送电、交流组网”。南方电网公司首席技术专家、南方电网科研院董事长饶宏介绍,这缘于交直流输电本身的技术特性:常规直流主要用于点对点、远距离、大容量的电源外送,并不能组网;交流输电则可以满足常规电源送出和电网互联的需求,且成本较低。但这一基本模式却面临一个“原理性障碍”,即所谓“多直流馈入”问题。他解释,大流量的常规直流汇入电网,就像一条大河流入一个水库,一旦常规直流线路“闭锁”,河水突然截停,会导致水库缺水。

柔性直流改变了这一切。

和传统“电流源型”直流相比,柔性直流对电压、频率的控制更加灵活,就像一个完全可控的水泵,能够精准控制水流的方向、速度和流量,使水库水位更加平稳,河流被截停的几率也大幅下降。

昆柳龙工程在世界上首次采用特高压多端混合直流系统,送端云南昆北是常规直流,广西柳北、广东龙门两个受端是柔性直流。“这种方案既经济又先进。”李立浧解释,把西部水电送到用电需求大的广东、广西,这种远距离、大容量的输电,最经济高效的办法就是特高压直流。常规直流并网后,因其换相失败现象难以避免等固有特性,会对受端电网系统安全带来一定冲击。“柔性直流能解决这些问题,它调控更加灵活,还能在关键时刻支持系统安全稳定地运行。”李立浧表示。

但是,柔性直流作为一种新技术,以往工程最高电压为500千伏,送电量、送电效率还不够高。昆柳龙工程将其提升到800千伏,送电量也达到全球最高的800万千瓦。浙江大学教授、国际电气电子工程师学会(IEEE)会士徐政展望道:“这是一个开路工程。此后,远距离、大容量送电工程都会首选柔性直流技术。”

紧密围绕国家重大战略需求:体现国家意志

特高压输电从最早酝酿、提出到项目研发,再到工程实践,自始至终瞄准世界电力发展趋势和技术制高点,紧密围绕国家重大战略需求,政府支持,企业主导,产学研联合,社会各方广泛参与,用科学手段和方法,以应用为目的,破解重大技术难题。

特高压输电概念最早见诸国家层面,是在1986年初,原水电部下达“关于远距离输电方式和电压等级论证”课题,研究认为21世纪初叶在中国出现交流百万伏级电压等级是可能的。此后,国务院原重大项目办公室下达了“七五”国家攻关项目“特高压输电技术前期研究”。

由此发端,直至2006年8月9日,国家发改委正式核准首个特高压输电工程。其间20年,围绕特高压输电的议题从未离开过国家相关部门的视野。特别是,特高压输电技术研究连续列入国家“七五”“八五”和“十五”科技攻关计划;特高压交流输电技术研发先后列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和“十一五”国家科技支撑计划,这些都为特高压输电技术研究积累了宝贵经验。

2006年11月4日,中国工程院提出《关于我国特高压输电研究和工程建设的咨询意见》,参加该项研究的27位院士、7位专家指出,中国有必要加快特高压输电研究和工程应用的步伐,试验示范工程方案符合“全面试验验证”要求,建议作为国产化的依托工程,纳入国家中长期科技发展规划、高技术产业计划和重大装备自主创新计划。

同月,国务院发展研究中心完成《我国能源输送方式研究》报告,对特高压输电与输煤成本进行了综合分析,提出了输电与输煤并举,当前优先发展输电的建议。

由此,2006年国务院印发《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》,要求重点研究开发大容量远距离直流输电技术和特高压交流输电技术与装备。

定位于远距离、大容量:特高压带来最安全的电网

随着经济社会快速发展,民众需求持续旺盛,中国已有的500千伏输电主网架已经面临远距离、大容量输送能力不足,走廊资源紧缺等瓶颈制约,亟待转型升级。

全球能源互联网发展合作组织主席、中国电力企业联合会理事长、国家电网原董事长刘振亚指出,世界电力工业发展的历史表明,用电需求的持续增长推动电网规模不断扩大、电压等级不断提升。

他强调,500千伏输电系统有力支撑了我国近30年的经济社会发展,但我国能源资源与需求呈逆向分布,70%以上的能源需求集中在中东部,可用能源资源却远离需求中心,76%的煤炭集中在北部和西北部、80%的水能资源集中在西南部,陆地风能和太阳能等新能源也大量分布在西北部,供需相距800—3000公里。所以,要在全国范围内优化能源资源配置,打造电力“高速公路”。

从特高压建设大幕开启至今,十余载协同创新,多达30项特高压工程投运,在大范围的能源优化配置中发挥了主导作用。特高压交直流工程分别荣获国家科学技术进步奖特等奖。中国不仅全面突破了特高压技术,构建了完善的特高压试验和研究体系,还率先建立了完整的技术标准体系,自主研制成功了全套特高压设备,实现了从“中国制造”到“中国创造”再到“中国引领”的跨越。

随着网架更坚强、供电更可靠,中国电网安全运行水平也有了惊人的飞跃。国家电网首创了以电网特性认知、运行控制和故障防御共同支撑的电力系统安全稳定运行3大技术体系,自主研发建成仿真能力最强、计算效率最高、模拟精度最准确的新一代仿真系统,构建了以《电力系统安全稳定导则》为基础的标准体系,研发了“三道防线”关键技术,构建了国际领先的大电网安全防御体系,我国电网成为世界上近20年来唯一没有发生大停电事故的特大型电网。

20年河东河西:“争气阀”扬我国威

其实,从“连换流站内草皮都要花高价打包一齐买”到世界公认的特高压输电技术“领跑者”,不过区区20多年。

20多年前,中国已经建设的8条直流输电线路中,核心设备直流换流阀全部依赖进口。据介绍,直流换流阀核心技术长期被3家跨国电工装备制造企业垄断,从1954年世界第一条高压直流输电联络线投入商业运行以来,跨国公司一直把持这项技术。一条直流工程,近一半的设备投资都要花费在直流换流阀上。还不止于此,“你要买换流阀?好,那就连换流站内草皮打包一齐买,少一分钱都别想建你的直流工程!”至于花钱买断技术,答复是:“门都没有!”

为了保守这一核心技术机密,几家互为对手的跨国公司步调竟难得一致:不在核心期刊发表相关技术文章,不发布任何产品的技术资料和细节图片,出厂的产品都要蒙上厚厚的包装,为换流阀做试验的实验室都采取极其严格的保密措施……国家电网中国电力科学研究院的魏晓光博士介绍:“在我们建成同类实验室前,世界上只有2个同类实验室,做一次试验要200万元人民币。而购买他一个产品,再加个零,要2000万元!”

中国工程院院士、全球能源互联网研究院副院长、时任中国电力科学研究院副总工程师汤广福记得,中国电力科学研究院当初建设这个实验室时,手中现成的技术资料仅仅是七页A4纸的宣传资料。因此,直流换流阀研发工程,被称为“争气阀”。而当汤广福率领团队用短短一年半时间完成“争气阀”的研发,并通过国家能源局主持、包括5位两院院士在内的16名专家组鉴定时,中国工程院院士杨奇逊发出了“扬我国威”的由衷赞许。

“争气阀”争气在哪?汤广福一一列数其相对国外产品无法比拟的优势。首先,它拥有±800千伏/4750安的电压等级和通流能力,超越了国外同类产品,“换流阀相当于一个水坝,其所承受的高电压代表了极高的蓄水高度,也就意味着能比其他换流阀在能量传输上距离更远,在相同距离上损耗更小;它所耐受的大电流,则代表了具有更大泄洪容量,也就意味着能输送更多能量。同时,由于电压、电流的提高,在整个能源流经的路径上,还能极大地节约线路走廊占地。”汤广福表示。

此外,它还减少了并联的数量,能有效将阀模块体积缩小1.5倍,使整个阀塔得到整体优化,结构更加紧凑;而它的水冷电阻一体化设计和饱和电抗器分体设计更是中国电力科学研究院的独门绝技:将水冷系统与电阻合二为一,相当于两个部件成为一个,部件数量减少了,自然结构更明了,造成安全隐患的环节减少了,从而具有更高的稳定性;而分体的饱和电抗器就相当于电脑的“双核”,能使换流阀具有更强的兼容性,不仅满足特高压需求,而且具有向下兼容能力,覆盖更多电压电流等级工程需要。

具有完全自主知识产权的“争气阀”进入市场后,在10年内整体降低国内直流输电建设、运行和维护费用超百亿元,同时也在国际市场上打破了跨国公司垄断。“扬我国威”,诚哉斯言。(记者 瞿剑)

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