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中國(guó)電科院：敢為人先勇闖直流輸電技術(shù)“無(wú)人區(qū)”
1月30日，中國(guó)電科院高壓直流輸電技術(shù)與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展±800千伏可控?fù)Q相換流閥特殊功能測(cè)試，推動(dòng)特高壓可控?fù)Q相換流閥工程應(yīng)用進(jìn)程。
中國(guó)電科院高壓直流輸電技術(shù)與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)組建于2008年，是一支深耕高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、高端裝備研制與工程化應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)。多年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)清潔能源安全、高效、遠(yuǎn)距離輸送，團(tuán)隊(duì)立足課題攻關(guān)最前沿，在國(guó)家電網(wǎng)公司首席專(zhuān)家、中國(guó)電科院副院長(zhǎng)賀之淵的帶領(lǐng)下，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，搶占科技競(jìng)爭(zhēng)和未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)，大力弘揚(yáng)科學(xué)家精神，刻苦鉆研以柔性直流輸電為代表的新一代直流輸電技術(shù)，勇闖科研“無(wú)人區(qū)”，完成了一場(chǎng)從追趕到并跑再到領(lǐng)跑的跨越。
團(tuán)隊(duì)累計(jì)獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)14項(xiàng)，入選科技部“國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”，獲評(píng)中央企業(yè)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、全國(guó)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才先進(jìn)集體、中央企業(yè)先進(jìn)集體等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。
上世紀(jì)末，全球能源轉(zhuǎn)型加速，柔性直流技術(shù)以其卓越的經(jīng)濟(jì)性與靈活性，引起歐美各國(guó)的高度重視。對(duì)于中國(guó)而言，這是一條必須搶占的賽道。
▲團(tuán)隊(duì)開(kāi)展柔性直流技術(shù)基礎(chǔ)理論攻關(guān)
面對(duì)國(guó)內(nèi)迫切需要、國(guó)外技術(shù)引進(jìn)難的雙重壓力，團(tuán)隊(duì)深刻認(rèn)識(shí)到：唯有自主創(chuàng)新，才能突破重圍。從一窮二白起步，沒(méi)有資料，團(tuán)隊(duì)就從基礎(chǔ)原理和零星文獻(xiàn)開(kāi)始重新推導(dǎo)；沒(méi)有方案，就自己搭建仿真平臺(tái)，在無(wú)數(shù)可能性中尋優(yōu)；沒(méi)有部件，便攜手國(guó)內(nèi)廠家，從零開(kāi)始設(shè)計(jì)……實(shí)驗(yàn)室的燈常常徹夜通明，陪伴他們度過(guò)一個(gè)又一個(gè)不眠夜。
歷經(jīng)10余次設(shè)計(jì)迭代、百余次專(zhuān)家評(píng)審，2010年，團(tuán)隊(duì)相繼攻克了數(shù)千功率模塊的能量精確重構(gòu)、海量復(fù)雜狀態(tài)的瞬態(tài)精準(zhǔn)控制等一系列世界級(jí)難題，開(kāi)辟出全新的模塊化多電平技術(shù)路線，并在國(guó)內(nèi)首次建立了完備的柔性直流輸電技術(shù)研究理論體系，成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)柔性直流換流閥樣機(jī)。
2011年7月，由團(tuán)隊(duì)自主建設(shè)的亞洲首條柔性直流輸電工程——上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電工程投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在該領(lǐng)域基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、工程示范等方面“從0到1”的全鏈條突破，標(biāo)志著國(guó)家電網(wǎng)公司成為全球第三家完全掌握該核心技術(shù)的企業(yè)。此后，模塊化多電平換流器拓?fù)湟仓饾u成為國(guó)內(nèi)外柔性直流輸電工程的主流技術(shù)路線。
▲柔性直流換流閥、直流斷路器在張北柔性直流電網(wǎng)示范工程中應(yīng)用
團(tuán)隊(duì)并未止步，而是向更高電壓、更大容量的巔峰持續(xù)攀登。廈門(mén)柔性直流輸電科技示范工程與渝鄂直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程在電壓等級(jí)和輸送容量上接連刷新世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的新跨越。2020年，團(tuán)隊(duì)成功攻克“直流斷路器”等組網(wǎng)核心技術(shù)，建成世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)工程——張北柔性直流電網(wǎng)示范工程，該工程不僅創(chuàng)下12項(xiàng)“世界第一”，更為新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納提供了可靠的“中國(guó)方案”，實(shí)現(xiàn)從“柔性輸電”到“柔性組網(wǎng)”的歷史性飛躍。
當(dāng)柔性直流技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到成熟應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)將目光投向了更廣闊的世界。“讓中國(guó)高端輸電技術(shù)‘走出去’，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)中國(guó)智慧，成為我們團(tuán)隊(duì)新的目標(biāo)。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人賀之淵說(shuō)。
▲團(tuán)隊(duì)對(duì)BorWin6工程使用的緊湊型柔性直流換流閥進(jìn)行型式試驗(yàn)前檢查
國(guó)際高端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，“中國(guó)技術(shù)”面臨“沒(méi)經(jīng)驗(yàn)”“不信任”的質(zhì)疑與觀望。團(tuán)隊(duì)毫不氣餒，深入研究國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與客戶(hù)需求，持續(xù)打磨方案，用實(shí)力與誠(chéng)意逐步贏得海外業(yè)主信任。
2022年，團(tuán)隊(duì)與電氣跨國(guó)巨頭ABB、西門(mén)子和GE同臺(tái)競(jìng)技，以“技術(shù)第一、商務(wù)最優(yōu)”成功中標(biāo)德國(guó)BorWin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，打破了跨國(guó)集團(tuán)對(duì)全球市場(chǎng)的長(zhǎng)期壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高端輸電技術(shù)首次進(jìn)入歐洲市場(chǎng)，標(biāo)志著我國(guó)柔性直流技術(shù)及裝備具備了國(guó)際領(lǐng)先的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
BorWin6工程是歐洲北海最后一條獨(dú)立的柔性直流工程，作為該區(qū)域海上風(fēng)電柔性直流聯(lián)網(wǎng)工程的“收官之作”和“集大成者”，該工程在系統(tǒng)可用率、平臺(tái)緊湊化設(shè)計(jì)以及新型構(gòu)網(wǎng)型控制策略等方面均提出了較以往更為嚴(yán)格的技術(shù)要求，集中體現(xiàn)了當(dāng)前柔性直流輸電領(lǐng)域的最高技術(shù)水準(zhǔn)。
團(tuán)隊(duì)扎實(shí)推進(jìn)各項(xiàng)里程碑式的工作，自主研發(fā)的裝備取得重大突破。針對(duì)海上運(yùn)輸應(yīng)用場(chǎng)景，團(tuán)隊(duì)打造了兼具輕量化與高可靠性的緊湊型柔性直流換流閥，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；面對(duì)“構(gòu)網(wǎng)控制”的新需求、新難題，團(tuán)隊(duì)提出了基于直流電壓虛擬同步的“無(wú)電流內(nèi)環(huán)”構(gòu)網(wǎng)型控制策略，研制出國(guó)際首個(gè)用于海上風(fēng)電送出的構(gòu)網(wǎng)型柔性直流控保裝備；面對(duì)跨國(guó)公司嚴(yán)密的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)新技術(shù)路線，成功自主研發(fā)混合式直流耗能裝置，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的自主突破。
2024年10月29日至11月6日，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的緊湊型柔性直流換流閥、混合式直流耗能裝置，在德國(guó)業(yè)主公司專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)的現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證下，以高于IEC標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)順利完成全部型式試驗(yàn)。同期，構(gòu)網(wǎng)型柔性直流控保裝備通過(guò)上千項(xiàng)嚴(yán)苛的廠內(nèi)試驗(yàn)，性能得到全面驗(yàn)證，標(biāo)志著該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從理論到應(yīng)用的關(guān)鍵跨越。目前，該工程所有核心設(shè)備均已通過(guò)德方驗(yàn)收，并已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段，為計(jì)劃于2027年投運(yùn)的BorWin6工程提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
如果說(shuō)柔性直流技術(shù)是為電網(wǎng)注入“柔性”智慧，那么團(tuán)隊(duì)攻克的另一項(xiàng)技術(shù)——可控?fù)Q相換流閥技術(shù)（CLCC），則是針對(duì)傳統(tǒng)直流輸電“心臟缺陷”進(jìn)行的一場(chǎng)根治手術(shù)。
在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中，作為“心臟”的換流閥依賴(lài)電網(wǎng)電壓完成換相。這一技術(shù)特性可能引發(fā)一定的風(fēng)險(xiǎn)：電網(wǎng)一旦受到擾動(dòng)引發(fā)換相失敗，將導(dǎo)致功率傳輸中斷。“破解換相失敗難題，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們責(zé)無(wú)旁貸。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)電科院直流所所長(zhǎng)高沖說(shuō)道。
2017年，為攻克這一世界級(jí)難題，團(tuán)隊(duì)對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界提出的上百種方案進(jìn)行全面梳理，發(fā)現(xiàn)它們?cè)凇皬氐捉鉀Q問(wèn)題”與“工程可行性”之間，都存在難以調(diào)和的根本矛盾。經(jīng)過(guò)深入論證，團(tuán)隊(duì)最終做出了一個(gè)關(guān)鍵決斷：放棄在原有技術(shù)框架內(nèi)進(jìn)行修補(bǔ)，轉(zhuǎn)而從電路理論的源頭出發(fā)，探索一條顛覆性的創(chuàng)新之路。
歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的潛心探索與反復(fù)推演，團(tuán)隊(duì)于2019年在換相電壓構(gòu)建機(jī)理方面取得關(guān)鍵突破。他們創(chuàng)新性地將全控型器件和半控型器件相結(jié)合，提出可控?fù)Q相換流技術(shù)（CLCC），從根本上讓直流輸電系統(tǒng)對(duì)換相失敗產(chǎn)生“免疫”。
理論突破后，更艱難的是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。2022年2月，可控?fù)Q相換流閥成功中標(biāo)我國(guó)首條±500千伏直流輸電工程——葛洲壩—南橋直流輸電改造工程。為保障可控?fù)Q相換流閥的首次可靠工程應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟吃住在實(shí)驗(yàn)室的“極限模式”，兩個(gè)月內(nèi)完成三次重大設(shè)計(jì)迭代并通過(guò)嚴(yán)苛評(píng)審，爭(zhēng)分奪秒完成全部樣機(jī)摸底試驗(yàn)。2022年10月，團(tuán)隊(duì)成功研制出±500千伏/1200安培葛南直流輸電改造工程可控?fù)Q相換流閥產(chǎn)品，并一次性順利通過(guò)全部48項(xiàng)電氣型式試驗(yàn)、226項(xiàng)控制驗(yàn)證試驗(yàn)。
2023年6月，由我國(guó)提出并自主研發(fā)的全球首套可控?fù)Q相換流閥在葛南直流輸電改造工程中實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用。同年7月，“可控?fù)Q相換流閥關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品研制”通過(guò)了由10位院士領(lǐng)銜的專(zhuān)家組鑒定，被一致認(rèn)定為“可根本解決常規(guī)直流系統(tǒng)換相失敗問(wèn)題”。
▲團(tuán)隊(duì)分析可控?fù)Q相換流閥在葛南直流輸電改造工程分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中的波形
如今，中國(guó)電科院高壓直流輸電技術(shù)與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)已成長(zhǎng)為我國(guó)直流輸電領(lǐng)域的中堅(jiān)力量。團(tuán)隊(duì)中，年輕科研人員干勁十足大膽創(chuàng)新，專(zhuān)家前輩言傳身教帶頭攻關(guān)，以實(shí)際行動(dòng)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，用智慧與汗水，為加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、推動(dòng)能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)智慧和力量。
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