在龍門換流站的閥廳網(wǎng)架施工過程中，廣東電網(wǎng)能源發(fā)展公司首次對閥廳網(wǎng)架通過計算機(jī)仿真模擬,將重達(dá)700多噸的閥廳網(wǎng)架實現(xiàn)整體同步提升。 楊惠平 攝
柳州換流站極1低端閥廳建設(shè)現(xiàn)場。 劉志東 攝
今年12月15日，柳北換流站工作人員檢查極1高端閥廳穿墻套管六氟化硫壓力數(shù)值?！∧暇W(wǎng)傳媒全媒體記者 李志杰 攝
“這個工程形成了特高壓常規(guī)直流與柔性直流混合研究設(shè)計方案并落地，對我國乃至世界電網(wǎng)發(fā)展都具有引領(lǐng)示范作用，是世界電網(wǎng)發(fā)展史上的一座里程碑。”中國工程院院士、南方電網(wǎng)公司專家委員會主任委員李立浧表示。
昆柳龍直流工程是世界上首個特高壓多端混合直流工程，創(chuàng)造了19項世界第一——包括世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸電距離最長的柔性直流工程，首個具備架空線路直流故障自清除能力的柔性直流輸電工程等，技術(shù)難度、工程復(fù)雜性均為當(dāng)前輸變電領(lǐng)域之最。
南方電網(wǎng)公司加強(qiáng)科技攻關(guān)，高質(zhì)量建成工程并掌握全套核心技術(shù)、形成知識產(chǎn)權(quán)體系。同時，積極帶動國內(nèi)輸變電設(shè)備研發(fā)和制造升級換代，破解產(chǎn)業(yè)發(fā)展“卡脖子”問題，為我國搶占世界特高壓多端直流、柔性直流輸電技術(shù)制高點作出貢獻(xiàn)，持續(xù)擦亮了“特高壓”國家名片。
最為關(guān)鍵的核心設(shè)備經(jīng)受住考驗
“就像一輛新車，剛落地就開足馬力連續(xù)不停跑了76天，這對設(shè)備性能的要求是非常高的?！惫こ倘嶂睋Q流閥攻關(guān)組組長、南方電網(wǎng)超高壓公司基建部總經(jīng)理任成林介紹，工程于7月31日第一階段投產(chǎn)后就連續(xù)滿負(fù)荷送電76天，刷新國內(nèi)新建直流工程紀(jì)錄，柔直換流閥、柔直變壓器、橋臂電抗器等首臺(套)設(shè)備成功經(jīng)受了考驗?！斑@進(jìn)一步堅定了我們繼續(xù)攻堅三端投產(chǎn)的信心和決心。”
信心源自于科技創(chuàng)新的實力。要同時在特高壓、多端、柔性直流等3個世界電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展最尖端、最前沿領(lǐng)域取得工程實踐的成功，科技攻關(guān)必不可少。為此，南方電網(wǎng)公司組建了柔直換流閥、直流控制保護(hù)系統(tǒng)、柔直變壓器及電抗器、直流開關(guān)與穿墻套管等4支攻關(guān)團(tuán)隊，推進(jìn)并確定工程整體技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)路線。
其中，柔性直流的“心臟”——柔直換流閥是最為關(guān)鍵的核心設(shè)備，承擔(dān)著將特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量清潔水電轉(zhuǎn)換為日常使用交流電的重任?！盀榱俗屵@顆強(qiáng)大的‘心臟’跳動起來，我們組織南網(wǎng)科研院和設(shè)備廠家，圍繞柔直閥功率模塊高可靠性旁路技術(shù)、特高壓柔直閥閥控技術(shù)、混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、國產(chǎn)功率器件應(yīng)用等8個攻關(guān)方向開展攻關(guān)。”任成林說。
從概念到具體方案，再從研究設(shè)計到實施，歷經(jīng)50多次專題技術(shù)交流會，30余次現(xiàn)場試驗見證，8次攻關(guān)組大會，攻關(guān)團(tuán)隊攻克一個又一個技術(shù)堡壘，解決了特高壓柔直換流閥參數(shù)確定、設(shè)計、生產(chǎn)、試驗等40余項關(guān)鍵問題。特別是成功做到了不因單一模塊故障影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，大幅提升了系統(tǒng)可靠性。目前，柔直換流閥關(guān)鍵性能指標(biāo)領(lǐng)先國內(nèi)同行一代，該方案也將被國外同行所借鑒。
實現(xiàn)從0到1的跨越
如果說柔直換流閥是工程的“心臟”，那么特高壓多端混合直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)就是工程的“大腦”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。它功能多、系統(tǒng)復(fù)雜，性能要求高，對設(shè)備啟停、功率升降、站間協(xié)調(diào)、執(zhí)行保護(hù)等均起到關(guān)鍵作用。
柔性直流與常規(guī)直流的技術(shù)特性、控制方式各不相同，工程把這兩項技術(shù)疊加在一起，這在世界上沒有任何先例可循。為此，攻關(guān)團(tuán)隊發(fā)揮各方技術(shù)優(yōu)勢開展聯(lián)合集中攻關(guān)，給出了一套完整的技術(shù)方案，并在實際工程中應(yīng)用，解決了系統(tǒng)制造、試驗過程中遇到的47項重大技術(shù)問題，實現(xiàn)了特高壓多端混合直流工程技術(shù)從0到1的跨越。
針對工程多端運行的特點，在控制保護(hù)策略設(shè)計之初，團(tuán)隊就提出了優(yōu)化工程運行方式的解決思路，借鑒公司多個直流工程的優(yōu)化方案，與相關(guān)單位反復(fù)討論，并完成了上千項試驗驗證，歷時一年將幾百種運行方式簡化為108種常用運行方式，大大降低了現(xiàn)場的運行難度。
更難的是解決柔性直流工程架空線路故障自清除問題。“架空線路跨越上千公里，沿途遭遇雷擊、山火等自然災(zāi)害極為常見，發(fā)生故障的概率較大?！惫リP(guān)團(tuán)隊成員、南網(wǎng)科研院黃偉煌博士介紹，經(jīng)過多次仿真研究和樣機(jī)試驗，工程采用直流故障電流主動控制技術(shù)，配合“全橋+半橋”的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，造價更低、損耗更小，運行可靠性更高。一旦千里之外的架空線路發(fā)生故障，控制保護(hù)系統(tǒng)能在百毫秒內(nèi)實現(xiàn)自動清除——這以前教科書上都認(rèn)為難以突破的技術(shù)，已在工程中變?yōu)楝F(xiàn)實。
推動關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化
在高質(zhì)量建成工程的基礎(chǔ)上，南方電網(wǎng)公司還牽頭解決“卡脖子”問題，推動柔直關(guān)鍵設(shè)備和器件國產(chǎn)化，提升我國特高壓產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力，為加快構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局貢獻(xiàn)力量。
其中，IGBT器件是柔性直流換流閥功率模塊的核心器件，被稱為柔性直流中的“CPU”。高電壓等級的IGBT器件在產(chǎn)品設(shè)計、芯片制造、封裝測試和產(chǎn)品穩(wěn)定性方面難度大，目前主要被國外少數(shù)廠家壟斷，價格高昂，供貨周期長，是特高壓柔性直流工程“卡脖子”關(guān)鍵器件。
南方電網(wǎng)公司高度重視國產(chǎn)化IGBT器件的研發(fā)應(yīng)用，組織國內(nèi)多家柔直閥供應(yīng)商、器件廠家，開展多項器件性能測試和試驗，推進(jìn)國產(chǎn)IGBT器件設(shè)計及制造工藝改進(jìn)。經(jīng)過一年半的艱苦努力，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。目前，國產(chǎn)IGBT器件已在龍門換流站、柳北換流站投入使用，設(shè)備運行正常，為國產(chǎn)IGBT器件逐步替代進(jìn)口器件打下了堅實基礎(chǔ)。在南方電網(wǎng)公司正在建設(shè)的中南通道柔直背靠背工程中，該器件的使用率將達(dá)到50%，使用數(shù)量等于所有國外品牌IGBT器件的總和。
特高壓柔性直流穿墻套管，則是另一項“卡脖子”的關(guān)鍵核心設(shè)備。
“別小看這支穿墻套管，它是連接直流工程換流站閥廳內(nèi)外部的唯一電力貫通設(shè)備，技術(shù)復(fù)雜、可靠性要求高?！惫こ添椖坎扛笨偨?jīng)理胡雨龍說：“穿墻套管制造技術(shù)長期被國外廠家壟斷，不僅技術(shù)上受到嚴(yán)格封鎖，而且技術(shù)支持滯后，采購成本居高不下，一直是我國高壓直流技術(shù)的一個‘痛點’”。
南方電網(wǎng)公司決心破解痛點，牽頭成立國產(chǎn)化項目組，聯(lián)合國內(nèi)套管廠家和相關(guān)科研院所協(xié)同攻關(guān)、深入調(diào)研，提出了±800千伏柔性直流穿墻套管自主化關(guān)鍵技術(shù)研究的內(nèi)容，優(yōu)化了絕緣、載流、機(jī)械結(jié)構(gòu)，突破柔性直流穿墻套管設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)。明年初，通過全套型式試驗和產(chǎn)品鑒定后的特高壓柔性直流穿墻套管將在柳北換流站掛網(wǎng)運行，國產(chǎn)替代邁出重要一步。
“作為世界上首個特高壓多端柔性直流工程，工程投產(chǎn)標(biāo)志著我國直流輸電工程技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。”南方電網(wǎng)公司首席技術(shù)專家饒宏表示，這是中國科研人員勇于創(chuàng)新、勇于實踐的結(jié)果，他們在直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的“無人區(qū)”奮力鏖戰(zhàn)，把不可能變成可能。
“工程投產(chǎn)實現(xiàn)了柔性直流技術(shù)的跨越式發(fā)展，引領(lǐng)世界特高壓技術(shù)邁進(jìn)柔性直流新時代。”攻關(guān)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、南方電網(wǎng)公司基建部副總經(jīng)理蔡希鵬分析，我國明確要在2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和，非化石能源發(fā)展迎來重大利好。“依托這項技術(shù)，未來我們可以把雅江等邊陲地區(qū)龐大的清潔能源遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心地區(qū)。另一方面，還能解決大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電面臨的送出難題，甚至催生‘海上電網(wǎng)’等世界電網(wǎng)發(fā)展新業(yè)態(tài)，助力南方電網(wǎng)公司建成世界上最綠色高效的現(xiàn)代化大電網(wǎng)，為貫徹落實‘四個革命、一個合作’能源安全新戰(zhàn)略作出更大貢獻(xiàn)?！?/p>
南網(wǎng)傳媒全媒體記者 陳細(xì)英 通訊員 王淳 辛鎮(zhèn)瀚 周慧
十九項世界第一
1 世界上第一個±800千伏特高壓柔性直流輸電工程
2 世界上容量最大的柔性直流輸電工程(800萬千瓦)
3 世界上容量最大的多端直流輸電工程(換流容量1600萬千瓦)
4 世界上單站容量最大的柔性直流輸電工程(500萬千瓦)，具備世界上最大的電網(wǎng)黑啟動能力
5 世界上輸電距離最長的柔性直流輸電工程(1452公里)
6 世界上第一個采用柔性直流換流站與常規(guī)直流換流站混合運行模式的多端直流輸電工程
7 世界上第一個采用全橋+半橋混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流工程(全橋比例70%，半橋比例30%)
8 世界上第一個高端閥組、低端閥組串聯(lián)的特高壓柔性直流輸電工程，并首次實現(xiàn)特高壓混合直流系統(tǒng)單閥組、單站在線投退
9 世界上第一個具備架空線路直流故障自清除能力的柔性直流輸電工程
10 世界上第一個具有自適應(yīng)諧振抑制功能的柔性直流輸電工程
11 世界上首次實現(xiàn)柔直換流閥單一功率模塊所有嚴(yán)重故障下均能自動安全隔離并長期可靠運行，模塊抗浪涌電流能力達(dá)1000千安級
12 世界上第一套800千伏特高壓柔直換流閥，單極功率模塊數(shù)量最多(2592個)，數(shù)據(jù)處理量最大(FPGA芯片實時處理電氣量達(dá)數(shù)百萬個)
13 世界上第一套特高壓混合多端直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了常規(guī)直流送端和2個柔性直流受端的協(xié)調(diào)控制
14 世界上第一臺800千伏柔性直流連接變壓器
15 世界上第一臺800千伏橋臂電抗器
16 世界上第一支800千伏柔性直流穿墻套管
17 世界上首次應(yīng)用800千伏純光學(xué)式高速電流測量裝置(采樣頻率100千赫茲)
18 世界上首次實現(xiàn)受端交流故障時，多端混合直流的無閉鎖全穿越
19 世界上跨度最大的柔性直流換流閥閥廳(長89米×寬86.5米×高43.75米)
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