2015年12月17日，世界上電壓等級最高、輸送容量最大的雙極柔性直流輸電工程——廈門±320千伏/100萬千瓦柔性直流輸電科技示范工程正式投運。創(chuàng)造這項新的柔性直流輸電世界紀錄的，是一支剛毅之師，他們用近10年的堅韌和汗水鑄造了“柔性之劍”——柔性直流換流閥。作為柔性直流工程的最核心技術(shù)，廈門柔直工程換流閥及閥控系統(tǒng)，完全依靠自主研發(fā)、自主生產(chǎn)，是它催生了新的世界紀錄，實現(xiàn)我國在該領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)。
追溯我國柔性直流輸電技術(shù)成長史：
新道路誰是開路人
我國柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展要從2006年談起。
2006年5月，國家電網(wǎng)公司瞄準這一電力領(lǐng)域最前沿、最迫切、最有挑戰(zhàn)性和最具應用前景的高端技術(shù)，組織國內(nèi)權(quán)威專家在北京召開《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》研討會。會上，公司做出戰(zhàn)略性決策和部署，系統(tǒng)地提出柔性直流輸電技術(shù)研究總體規(guī)劃。該《框架》分為前期研究、基礎理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研究及樣機研制、試驗規(guī)范及試驗能力建設研究、示范工程前期研究五個部分。與會專家一致建議國內(nèi)將基于VSC技術(shù)的直流輸電統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電(HVDCFlexible)”。自此，公司柔性直流輸電重大科技專項全面啟動，我國柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的序幕正式拉開。在《框架》的指引下，由國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院副院長湯廣福牽頭，組建了柔性直流輸電技術(shù)與裝備研發(fā)團隊。
任何一件事在剛開始的時候，都會有許多可知與不可知的問題和困難。起步晚、研究難度大，跨國公司對柔性直流輸電技術(shù)嚴格保密，不發(fā)表一份圖紙、一張照片，不在刊物上發(fā)表學術(shù)文章，也不允許參觀。對于這樣的前沿科學，其攻關(guān)難度可想而知，唯有堅持自主創(chuàng)新這條路可走。
2006年6月，公司組織系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)單位及國內(nèi)知名高校，開展柔性直流輸電基礎理論和前期研究。在湯廣福的帶領(lǐng)下，團隊本著將“地基”打深、打?qū)嵉睦砟?，通過機理分析、公式推導、模型搭建與仿真驗證等方式反復求證，于2007年年底開創(chuàng)我國柔性直流輸電基本技術(shù)體系。這是國內(nèi)首次針對柔性直流輸電技術(shù)理論開展系統(tǒng)化、全面化研究。
2007年年底，時任國網(wǎng)上海市電力公司總工程師的滕樂天果斷決策，在上海南匯風電場開展柔性直流輸電技術(shù)工程示范。在堅實的理論基礎上，研發(fā)團隊著眼于工程應用，開始了適用于高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)路線的探索與嘗試。當時，只有實際工程應用的ABB公司采用的兩電平/三電平技術(shù)路線，存在運行損耗高、容量擴展困難等問題，成為制約柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展及應用的“短板”。而德國學者提出的模塊化多電平換流器拓撲在原理上能克服上述缺陷，但當時尚處于概念提出階段，技術(shù)應用在世界范圍內(nèi)一片空白，發(fā)展中國自己的柔性直流輸電技術(shù)，難度可想而知。
為此，國網(wǎng)智研院直流所所長賀之淵勇挑重擔，帶領(lǐng)年輕團隊向柔性直流輸電技術(shù)高峰挺進。他時常鼓勵大家：“磨刀不誤砍柴工，唯有選擇最佳的技術(shù)路線，才能贏得長足發(fā)展。”團隊從模塊化多電平換流器工作原理分析入手，延伸到技術(shù)難點、元器件采購、技術(shù)經(jīng)濟性等方面，論證工程應用的可行性。
2009年4月，團隊大膽提出采用模塊化多電平換流器拓撲的設想，并邀請國內(nèi)相關(guān)專家，組織召開基于MMC的柔性直流輸電技術(shù)討論會。與會專家經(jīng)過反復討論，對模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)路線給予肯定。此時，西門子和ABB等跨國公司也幾乎同時啟動了高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)的探索。從此，我國成功進入世界電力裝備高端領(lǐng)域的賽場，并與世界領(lǐng)先跨國公司站在同一起跑線上。
會后，研發(fā)團隊開始第一代樣機的研制，以驗證MMC拓撲用于柔性直流輸電的可行性。2010年4月，11電平MMC—HVDC低壓實驗平臺順利實現(xiàn)STATCOM、交流聯(lián)網(wǎng)及向無源負荷供電等功能，穩(wěn)態(tài)運行性能及動態(tài)響應特性良好，驗證了MMC技術(shù)路線的可行性。研發(fā)團隊隨即乘勝追擊，先后攻克系統(tǒng)接入分析、主電路拓撲與參數(shù)優(yōu)化、控制保護策略設計、IGBT閥與閥控設備研制等十大關(guān)鍵技術(shù)難題。
2010年7月，首個MMC換流閥子模塊樣機開始試組裝。子模塊控制器的線路空間設計十分狹小，100多根線哪怕接錯或虛接一根，都會導致試驗失敗，甚至子模塊爆炸。設計負責人呂錚自告奮勇，開始第一個子模塊控制器的接線，他有條不紊地將每根線接了一遍又一遍，直至找到最合理、最優(yōu)化、最可靠的接線方式。就這樣，首個國內(nèi)柔直換流閥子模塊誕生。10月，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的±30千伏/20兆瓦柔性直流換流閥一次性通過所有型式試驗。
同年底，上海南匯風電場柔性直流輸電工程建設正式啟動。2011年7月25日，工程正式投運，我國實現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)從無到有的突破，標志著公司成為繼ABB、西門子之后，世界上第三家完全掌握柔性直流輸電成套設備設計、試驗、調(diào)試和生產(chǎn)全系列核心技術(shù)的企業(yè)。
上海柔直工程在我國柔性直流輸電發(fā)展史上所起的作用不容小覷，它實現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術(shù)從概念到應用的跨越，為后續(xù)研究及工程建設積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。
二
探求“柔性之劍”開刃之路：
新紀錄誰是創(chuàng)造者
廈門柔性直流輸電工程的電壓等級和輸送容量雙雙創(chuàng)下國際之最，該工程在世界上首次采用雙極拓撲結(jié)構(gòu)，標志著我國真正實現(xiàn)柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的國際引領(lǐng)。工程換流閥由國網(wǎng)智研院自主研發(fā)，經(jīng)南瑞集團普瑞工程公司成果轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
設計之路披荊斬棘
國網(wǎng)智研院對±320千伏/100萬千瓦柔性直流換流閥的研制，始于2011年。當年，上海柔直工程順利投運，實現(xiàn)我國在柔性直流輸電領(lǐng)域零的突破。隨后，面向世界柔性直流技術(shù)巔峰的高壓大容量與多端柔性直流輸電技術(shù)的攻關(guān)啟動。
相較上海柔直工程，±320千伏/100萬千瓦不僅僅是數(shù)量上的提高，更是質(zhì)的改變。±320千伏/100萬千瓦柔性直流換流閥功率模塊串聯(lián)數(shù)和閥控規(guī)模大幅增加，暫穩(wěn)態(tài)電流應力提高7倍左右，達到可關(guān)斷器件的承受極限，由此對換流閥冗余設計、絕緣配合、電磁兼容、過流過壓保護、電容均壓、閥控系統(tǒng)控制能力提出前所未有的挑戰(zhàn)。研發(fā)團隊不畏困難、勇往直前，最終，高電壓、大電流、強電磁場環(huán)境下?lián)Q流閥散熱、電壓尖峰抑制、電磁兼容問題以及閥控設備低開關(guān)頻率電容平衡等問題逐個突破。
2013年1月，國網(wǎng)智研院率先研制成功世界首個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的±320千伏/100萬千瓦柔性直流換流閥及閥控設備樣機，并通過IEC62501等4項國際標準規(guī)定的全部型式試驗，及國際權(quán)威認證機構(gòu)挪威船級社(DNV)KEMA實驗室的見證。DNV在其官方網(wǎng)站上說：“這個(柔性直流換流閥)打破電壓和容量水平世界紀錄，標志著模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)取得了重大成功。換流閥型式試驗的順利通過，是超級電網(wǎng)發(fā)展歷程中一個重要里程碑。”DNV亞太首席運營官比約恩·陶恩·馬克森評價說：“國網(wǎng)智研院取得的這項國際領(lǐng)先的技術(shù)成果，對全球能源領(lǐng)域做出了重大貢獻。”該成果還通過國家能源局組織的新產(chǎn)品技術(shù)成果鑒定，鑒定委員會認為，該換流閥及閥控設備性能優(yōu)異，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品核心技術(shù)和總體技術(shù)性能處于國際領(lǐng)先水平。
縱然取得國際領(lǐng)先，團隊并沒有停下前進的腳步，他們以工程應用為目標繼續(xù)前行。賀之淵勉勵大家：“我們的換流閥唯有實現(xiàn)工程應用才能說是真正的國際領(lǐng)先，就像戰(zhàn)士的考驗是在戰(zhàn)場上完成一樣，沒有經(jīng)歷過槍林彈雨的士兵，不能稱為好士兵。”為盡快實現(xiàn)±320千伏/100萬千瓦柔性直流換流閥及閥控設備的工程應用，團隊全面開展工程化研究，并與普瑞工程公司簽署成果轉(zhuǎn)化合同。
2014年8月，普瑞工程公司中標廈門柔直工程全部換流閥供貨合同。國網(wǎng)智研院直流所隨即啟動換流閥及閥控設備的設計工作。10月，完成換流閥設計定型。2015年1月，工程換流閥及閥控設備順利通過全部型式試驗。型式試驗中，換流閥亮點頻現(xiàn)，斬獲最快旁路開關(guān)、最先進智能驅(qū)動、最高效串并聯(lián)混合式散熱系統(tǒng)、高達35千安短路耐受能力等多項技術(shù)創(chuàng)新。隨后，換流閥開始批量生產(chǎn)。
調(diào)試之路所向披靡
2015年7月4日，首批4輛運載換流閥的貨車駛進廈門柔直工程兩座換流站，標志著工程現(xiàn)場安裝工作正式啟動。國網(wǎng)智研院直流所作為換流閥安裝總指導，調(diào)派大批技術(shù)骨干前往現(xiàn)場。7月的廈門悶熱潮濕，閥廳的空調(diào)系統(tǒng)尚未啟動，溫度超過35攝氏度，濕度達80%以上。經(jīng)過4個多月艱苦奮戰(zhàn)，換流閥及閥控設備安裝完成。
2015年10月30日，工程啟動系統(tǒng)帶電聯(lián)調(diào)，國網(wǎng)智研院直流所負責換流閥及閥控設備的調(diào)試。與常規(guī)直流換流閥的均壓均流主要靠一次阻容回路實現(xiàn)不同，柔性直流換流閥需靠控制器主動控制實現(xiàn)均壓均流。子模塊控制器必須在能夠抵抗高壓大電流環(huán)境里電磁熱干擾的前提下，實現(xiàn)高速運算。為此，團隊設計了很多試驗，以驗證子模塊整體運行穩(wěn)定性。
據(jù)換流閥及閥控設備現(xiàn)場調(diào)試負責人趙巖介紹，在調(diào)試的關(guān)鍵階段，工程現(xiàn)場及國網(wǎng)智研院仿真中心、電力電子實驗室全體人員每天休息不足4小時，白天現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題，晚上分析問題，連夜在北京進行驗證，第二天現(xiàn)場修改，繼續(xù)調(diào)試。
研發(fā)團隊對科研理想的執(zhí)著追求，對現(xiàn)場調(diào)試的精益求精，對柔性直流的專業(yè)與專注，撐起了自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的可靠性。廈門柔直工程調(diào)試階段，換流閥經(jīng)受種種試驗考驗，整體運行平穩(wěn)、狀態(tài)良好。
三
描繪未來宏偉藍圖：
砥礪奮進鏗鏘前行
十年磨一劍。自2006年，國網(wǎng)智研院柔性直流研發(fā)團隊開展柔性直流基礎理論研究算起，已過去10個年頭。10年來，團隊系統(tǒng)研究了基礎理論與前期技術(shù)，全面掌握了核心技術(shù)，從樣機研制到小容量示范工程實施，再到世界最大容量換流閥設備研發(fā)及工程應用。
潛心鉆研青春無悔，厚積薄發(fā)花開有時。10年的付出換來多項可圈可點的成果：編著我國在柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的首部學術(shù)專著——《基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)》，推動成立我國主導的首個國際大電網(wǎng)組織(CIGRE)工作組，項目組成員參與起草柔性直流輸電領(lǐng)域目前所有國際電工委員會(IEC)標準，制訂形成國際標準和導則8項，CIGRE370導則將上海柔直工程列為柔性直流輸電技術(shù)在風電場并網(wǎng)應用的國際標準案例，獲得上海市科技進步一等獎、中國電力科技進步一等獎、中國專利金獎、國家創(chuàng)新團隊、海外工程承包資質(zhì)等。在中國柔性直流輸電領(lǐng)域，這個團隊扮演了探索者和引領(lǐng)者的角色，開創(chuàng)了我國柔性直流輸電的新紀元。
“雄鷹進入天空才能自由翱翔，小魚進入江河方可自在游動。電力科研的海洋，就是我們科研工作者盡情遨游的夢想初衷。”國網(wǎng)智院院長滕樂天時常勉勵大家，“堅持發(fā)展是硬道理，我們要以‘永遠在路上’的精神，把直流業(yè)務做精、做優(yōu)、做強、做大。”目前，團隊正進一步開展±500千伏、±800千伏柔性直流換流閥研制及工程關(guān)鍵技術(shù)研究，同時積極試水海外市場，實現(xiàn)走出國門、走向世界的目標。
未來，團隊將繼續(xù)以“堅持創(chuàng)造、不斷引領(lǐng)”為宗旨，以改變未來大電網(wǎng)發(fā)展格局為己任，以直流電網(wǎng)以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設為契機，探索世界直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向。
何為柔性直流?柔在何處?
柔性直流是繼交流、常規(guī)直流之后，以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術(shù)，是目前世界上可控性最高、適應性最好的輸電技術(shù)，被譽為“電力電子技術(shù)皇冠上的寶石”與“21世紀最為振奮人心的輸電技術(shù)革命”。
柔性直流輸電技術(shù)不存在換相失敗問題，可實現(xiàn)有功、無功功率的獨立控制，易于構(gòu)建多端直流網(wǎng)絡，可改善可再生能源接入性能，提高低電壓穿越能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。該技術(shù)為多端直流聯(lián)網(wǎng)、大型城市中心負荷供電提供了一個嶄新的解決方案，可向孤島、邊遠地區(qū)等比較薄弱的電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、高效地輸電，是遠海風電并網(wǎng)的最佳技術(shù)手段，是構(gòu)建智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)最具特色的技術(shù)之一，將給輸電方式和電網(wǎng)架構(gòu)帶來重要的變革。近幾年來在歐美呈井噴式發(fā)展態(tài)勢。
大事記
2006年公司組織，國網(wǎng)智研院柔性直流團隊牽頭，制定《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》，標志公司柔性直流輸電技術(shù)研究正式啟動。
2007年國網(wǎng)智研院推動成立我國主導的首個國際大電網(wǎng)組織(CIGRE)工作組——CIGREB4.48，湯廣福博士擔任工作組召集人。
2009年4月，國網(wǎng)智研院確定基于模塊化多電平電壓源換流器拓撲的柔性直流輸電技術(shù)路線。
2011年7月25日，亞洲首項柔性直流輸電示范工程——上海南匯風電場柔性直流輸電工程投入正式運行，公司成為繼ABB、西門子之后，世界第三家具備柔直成套設備研發(fā)和工程實施能力的企業(yè)。
2013年1月17日，國網(wǎng)智研院在世界上率先研制成功±320千伏/100萬千瓦柔性直流換流閥及閥控設備，并在DNVKEMA實驗室見證下通過所有型式試驗，該實驗室認為此項成果具有打破世界紀錄的電壓和容量水平。
2015年12月17日，世界上電壓等級最高、輸送容量最大的雙極柔性直流輸電工程——廈門±320千伏/100萬千瓦柔性直流輸電科技示范工程正式投運。
