【儀表網 產業報道】亞洲首個柔性直流工程、世界首個千兆瓦級柔性直流工程、世界首個柔性直流電網工程……這些在能源電力領域具有重大科技示范意義的創新工程，都應用了一項先進技術——柔性直流輸電技術。
 

　　2004年，國家電網有限公司組織研發團隊開展柔性直流輸電技術原創性攻關研究。歷經二十載攻堅克難，研發團隊破解了柔性直流輸電技術換流機理、換流器多物理場復雜應力調控、海量復雜狀態高速精準控制保護等多項世界難題，突破了柔性直流高壓大容量發展的技術瓶頸，推動柔性直流換流器關鍵技術發展和廣泛應用，并成功將技術帶入了歐洲市場，實現了我國柔性直流輸電技術的“從無到有”和“換道超車”。6月24日，由國網智能電網研究院有限公司牽頭完成的“柔性直流換流器關鍵技術及應用”榮獲2023年度國家科學技術獎。
 

張北柔性直流電網試驗示范工程換流站閥廳
 

　　攻堅克難 拓荒柔直輸電技術領域
 

　　柔性直流輸電技術是20世紀90年代發展起來的一種新型直流輸電技術。該技術是破解清潔能源大規模并網消納難題的“金鑰匙”，是能源有效駕馭和高效轉換最關鍵的技術之一，對電網具有十分重要的意義。
 

　　然而，攀登柔性直流輸電技術高峰卻并非易事。
 

　　2004年，時任中國電科院輸配電國家工程中心副主任的湯廣福帶領研發團隊，在國家973計劃及國家電網公司重大科技項目的支持下，開啟了新一代直流輸電技術探索。2006年，公司組織召開《全控(輕型)直流輸電系統關鍵技術研究框架》研討會，明確了總體科研規劃，制訂了關鍵技術研究框架。該技術被正式命名為“柔性直流輸電技術”，并被列入了國標(GB/T 40865)和中國電力百科全書。
 

　　彼時，跨國公司ABB將低壓兩電平電路通過大量器件的串聯應用到高壓輸電中，命名為輕型直流輸電(HVDC Light)。不同于常規直流輸電的部分可控，輕型直流輸電不依賴電網電壓換相，控制更靈活，有望解決大規模新能源電源并網接入難題。然而，該技術受限于大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件串聯級數，存在電壓低、容量小等問題，無法滿足千兆瓦級跨區域輸電需求。
 

國網智研院電力系統電力電子實驗室
 

　　如何破解輕型直流技術升壓難、容量低的技術瓶頸？研發團隊經過大量技術調研和實踐探索，率先開展模塊化多電平換流器技術路線攻關。“當時模塊化多電平技術路線僅是一個概念，電氣實現、機械結構、仿真驗證、試驗方法等均無先例可循，全靠自己摸索。”國網智研院總工程師賀之淵回憶道。
 

　　模塊化多電平換流器由數百甚至數千個模塊構成，每個模塊就是一個小電源，各個模塊獨立地投入切出控制，既要維持自身的能量吞吐平衡，還要實現整體的交直流變換功能。面對研究基礎薄弱、沒有可供借鑒的技術經驗等實際情況，研究團隊一路摸爬滾打、創新實踐，全方位開展柔性直流技術研究。
 

　　經過10余次設計迭代、70余次專家評審，研發團隊首次建立了完備的柔性直流輸電技術研究理論體系，攻克了數字電路在高電位場合的高耐壓能力和高抗電磁干擾難題，成功研制出柔性直流換流閥工程樣機。
 

上海南匯柔性直流輸電工程南風換流站閥廳
 

　　2011年7月，亞洲首條柔性直流輸電工程在上海南匯建成，實現了我國柔性直流輸電技術領域零的突破，國家電網公司成為繼ABB、西門子之后，第三家完全掌握柔性直流輸電成套設備設計、試驗、調試和生產全系列核心技術的企業，與世界知名跨國企業同場競技。
 

　　勇攀高峰取得多項重大突破
 

　　隨著研究的逐步深入，我國柔性直流輸電技術實現了從基礎理論研究到高壓大容量成套設備研制的巨大飛躍。國家電網公司持續攻關更高參數等級的柔性直流輸電裝備，繼續朝著千兆瓦級容量的目標進發。伴隨電壓等級和容量的提升，換流器的運行復雜程度和技術難度不斷增大，團隊經過多年技術攻關，取得了多項重大技術創新——
 

　　揭示了換流器換流機理，實現了全工況下數千功率模塊電壓動態平衡，不均衡系數低于5%，破解了功率模塊數量大幅提升的難題，在世界上首次實現了千兆瓦級的跨越。
 

　　提出了動態多物理場綜合調控方法，揭示了換流器電-磁-熱-力多物理場交互作用規律，突破了換流器向高電壓發展的瓶頸，功率密度提升至12兆瓦/立方米。
 

　　發明了換流器高速精準控制保護技術，提出的復合權限配置控制保護架構，被列入國際標準，提出了換流器的精準控制保護方法，獲中國專利金獎。
 

±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流閥在廈門雙極柔直工程應用。
 

　　2013年，團隊研制出世界首個±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流器，破解了柔性直流向千兆瓦級以上容量發展的技術瓶頸，被國際權威機構DNV KEMA實驗室評價為“打破世界紀錄”。2015年，該產品在廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程中成功應用，實現了柔性直流輸電技術領域的國際引領，為大型城市可靠供電開辟了新途徑。
 

　　厚積薄發，蓄力前行。隨后，國家電網公司緊鑼密鼓加快工程示范步伐，推動更多創新工程落地。2018年，建成±420千伏/4×1250兆瓦渝鄂背靠背聯網工程，實現華東和華中兩大電網異步互聯和廣域互濟。2020年，建成世界首個±500千伏/3000兆瓦張北柔性直流電網試驗示范工程，為北京冬奧會場館提供100%清潔能源，為破解新能源大規模開發利用的世界級難題提供了“中國方案”。
 

　　“海上風起綠電來”“張北的風點亮北京的燈”……如今，柔性直流技術廣泛應用于跨區大電網異步互聯、新能源并網主動支撐、孤島供電等場景，真正成為大規模清潔能源廣域協調互補和可靠送出的解決方案。
 

　　創新引領拉動千億級產業集群發展
 

　　從自力更生“摸著石頭過河”到突破技術封鎖，再到全方位“走出去”參與國際競爭，公司一路攻堅克難、砥礪奮進，在國際市場上樹立起柔性直流輸電技術的金字招牌。
 

國網智研院科研人員在大功率電力電子器件實驗室對IGBT芯片進行監測。
 

　　在全球化的大背景下，讓中國柔性直流技術走向世界是團隊成員的共同夢想。公司研發團隊積極投身國際學術交流和合作，逐步提高知名度，打響技術品牌，為海外市場開拓奠定了堅實基礎。2014年，團隊率先獲得歐洲柔性直流投標資質，拿到了國際市場的“入場券”。
 

　　“出海”之路并非坦途。2018年，團隊首次參與海外EPC工程投標。由于國內外工程在執行條件、管理模式、運行狀態方面有較大差異，加上受文化差異、國際形勢影響，團隊連續投標7個工程均以失敗告終。
 

　　2022年，團隊重整旗鼓，與ABB、西門子和GE同臺競爭±320千伏/1030兆瓦德國BorWin6海上風電柔性直流工程。
 

　　BorWin6海上風電柔性直流輸電工程海上風電場位于德國北海海域，是該區域目前裝機容量最大的風電并網配套工程。為滿足工程在系統可用率、平臺重量、新型控制策略等方面的嚴苛要求，團隊成員攻堅克難，先后完成了高可靠性低損耗系統設計、構網型策略研發、緊湊適海型換流閥研制等突破。最終，在價格高于競爭對手的情況下，由國網智研院、普瑞工程、美國McDermott公司組成的聯合體靠最高技術評分脫穎而出，成功中標。目前，工程已完成項目啟動、概念設計和基礎設計等階段的全部工作，并順利通過業主審核，計劃于2027年年底投運。
 

　　這是我國承擔的第一個海外EPC柔性直流輸電工程，實現了我國高端輸電技術首次進入歐洲市場，標志著公司具有自主知識產權的柔性直流技術及柔性直流換流閥等高端電氣設備具備了國際領先的核心競爭力。
 

BorWin6海上風電柔性直流工程換流閥
 

　　從小微起，終成大器。經過20年的積累，我國已全面完成了柔性直流輸電技術從追趕到引領的跨越式發展。截至目前，國家電網公司柔性直流輸電技術成果獲得國家技術發明二等獎1項、省部級一等獎6項、中國專利金獎1項，并成功入選國家能源局公布的第一批能源領域首臺(套)重大技術裝備(項目)名單。
 

　　能源技術革命步履鏗鏘，新質生產力加快形成。如今，柔性直流輸電技術和直流電網的創新發展，帶動裝備制造產業升級，推動IGBT器件、電容器等多個行業提升設計、制造、檢驗水平，拉動千億級柔性直流產業集群發展。
 

　　公司研發團隊聚焦“沙戈荒”、藏東南、東部深遠海等地區大規模新能源高效送出和新型電力系統構建需求，大力開展±800千伏特高壓柔性直流關鍵技術研究，攻克了新能源高效匯集與多端直流送出拓撲方案構建、換流變壓器有載調壓開關、換流閥過電壓機理與抑制策略等技術難題，為服務國家能源結構調整、構建清潔低碳安全高效的能源體系提供了有力支撐。