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第690期(总第690期) 2021年3月22日   本期四版  上一期  下一期  更多期次  
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绿色冬奥的华中大力量



作者:记者团 王之玉 本报记者 汪泉


“北京冬奥会场馆将实现 100%‘绿电’,这在奥运史上,也是‘零的突破’。”“两会”期间,全国政协委员、北京 2022 年冬奥会组委会规划建设部副部长沈瑾在接受记者采访时表示。

在实现 100%“绿电”的过程中,我国在多个领域实现了全新的技术突破。

作为国网冀北电力服务绿色冬奥的“涉奥六大工程之一”,张北柔性直流电网试验示范工程采用我国原创的柔性直流电网新技术,在满足 100%绿电供应的同时,也使北京全市用电负荷的 1/10 实现了清洁化。该技术更是为破解新能源大规模开发利用的世界级难题提供了中国方案。

华中科技大学电气学院潘垣院士团队研发的世界首台 500kV 电压等级工程化应用的机械式直流断路器,为张北柔直工程作出了重要贡献。

柔性直流是20世纪90年代兴起的以电压源型换流器为核心的新一代直流输电技术,是大容量远距离可靠输电、异步电网互联、风光等新能源并网送出、构建直流电网等的优选技术路线。

近年来,电气学院团队针对柔性直流技术深入研究、自主研发,多项研究成果成功投运。


直流断路器:赋能“绿色冬奥”

作为“风的故乡,光的海洋”,张北拥有丰富的风能、太阳能资源,是张家口市新能源开发的重点区域。2020年6月29日,世界首个实现直流电网构建的重大科技示范工程——张北柔直工程正式投运,四端带电组网成功,绿色电能源源不断进入北京电网。据了解,张北柔直工程每年可接纳清洁电能225 亿度,大约相当于北京市年用电量的 1/10,折合标煤780万吨,可减少二氧化碳排放2040 万吨,氮氧化物排放 5800 吨,将大幅提升北京地区清洁能源消费的比重,形成京张两地优势互补共享共赢的格局。

随着工程完工投产,历时三年研制的500kV 机械式直流断路器也正式投入运行。而这正是我校电气学院潘垣院士、何俊佳教授牵头,袁召、陈立学、李黎团队联合思源电气共同研制的成果。

这是世界首台 500kV 电压等级工程化应用的机械式直流断路器,以“人工过零”开断原理为基础,具有运行损耗低、开断速度快、控制简单可靠、经济性好的特点,解决了传统直流断路器直流开断后故障清除时间长的问题。

设备的成功投运离不开团队长期的技术积累。2014年,针对柔性直流输电技术快速发展对高压直流断路器提出的迫切需求,潘垣、何俊佳领衔的高压开关团队开始高压直流断路器的研究。2015年,团队提出具有自主知识产权的高压直流断路器创新拓扑方案。2016 年 12 月,团队与上海思源电气公司组成联合体,中标中国南方电网有限公司南澳多端柔性直流输电系统 160kV 直流断路器研制任务。团队采用自主首创的先进拓扑,克服设备性能要求高、工况复杂多样、样机及试验方法缺乏参考等困难,攻克了传统机械式直流断路器高压预储能、高压快速触发、快速分断等技术难题,研制形成160kV机械式直流断路器,并于2017年12月挂网投运,将快速开断高压直流大电流的百年梦想变成现实。2017年,团队与思源电气针对张北柔直电网直流断路器关键需求启动技术预研和产品开发。团队在高压直流断路器创新拓扑、斥力机构优化设计及系统仿真等方面,为项目提供了扎实的理论基础和坚强的技术保障。数年来,联合团队牺牲节假日,不辞辛劳,方得正果。

对于目前取得的研究成果,团队成员袁召表示:“现阶段虽然已经解决了直流开断中的一些难题,但实际上我们参与的越多,发现的问题也越多。我们还会做更底层部件性能的改进的基础研究,进一步扩大机械式直流开断的优势,促进直流断路器及柔直电网的大规模推广。”


换流阀:助力国家重大工程

2020 年 12 月 27 日,由南方电网投资建设的国家西电东送重点工程——乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称“昆柳龙直流工程”)并网投运,为保障南方电网冬季电力供应注入“强心剂”,促进能源体系向绿色低碳转型。

昆柳龙直流工程额定电压±800kV、额定输送容量 800 万 kW,新建昆北、柳北与龙门三座换流站,横跨云南、贵州、广西、广东四省区,全长 1452 公里,总投资 242.6 亿元,创造 19 项电力技术的世界第一。工程投产后,将新增800万kW的通道送电能力,每年可输送云南清洁水电约330亿kW·h到粤港澳大湾区和广西负荷中心,相当于减少标煤消耗约1000 万吨,减排二氧化碳2660 万吨,减排效益明显。

昆柳龙直流工程依托南方电网科学研究院有限责任公司牵头的国家重点研发计划项目“高压大容量柔性直流输电关键技术研究与工程示范应用”,其中由我校电气学院思构实验室负责人文劲宇教授承担课题“特高压大容量远距离架空线柔性直流输电”,负责为工程破解柔性直流线路短路故障难题提供解决方案。

思构实验室直流输电研究团队在直流输电领域已辛勤耕耘 22 年。文劲宇教授1998 年至 2002 年在河南许昌继电器研究所从事博士后研究工作期间,主持研制了我国首套双极海缆直流输电微机站控系统,并投入上海-嵊泗±50kV直流输电工程运行,填补了当时国内空白。回校工作后,他带领林卫星、向往等团队核心成员,先后发明了VSC plus、直流自耦变压器、自阻型子模块等多种新型直流输电设备,并创新性提出了全桥-半桥子模块串联型换流阀(FaHS)拓扑及其主动限流控制技术。2016 年 12 月 21日,他们与特变电工新疆新能源股份有限公司柔直总工林卫星博士合作开发出世界首套±10kV/5MWFaHS换流阀样机;2017年5月 25 日 ,研 制 成 功 世 界 首 套 ± 800kV/5000MW 特高压 FaHS 换流阀阀塔,为工程拓扑选择提供详实实验数据,最终被工程采纳并应用于柳北站和龙门站。

“换流阀是柔性直流输电工程的‘心脏’,FaHS 换流阀可使‘心脏’更加强健、实现自我保护。”团队成员向往介绍。由于柔性直流换流阀故障自清除技术路线在世界上没有工程先例可循,攻关团队克服工期紧、任务重、缺乏参考等困难,联合集中攻关,多次开展交流会,解决了系统制造、试验过程中遇到的重大技术问题,实现了特高压多端混合直流工程技术从“0到1”的跨越。

2020 年 11 月 24 日,在国家重点研发计划课题绩效评价会上,该成果被专家组评价为“为柔性直流架空输电线路短路故障快速清除提供了全新技术方案”,对于中国实现2030 年碳达峰、2060 年碳中和世界承诺、推动低碳社会转型具有重要意义。


柔性直流技术是未来电网发展的新趋势,在研究取得进展的同时,若干关键技术难题仍待突破,这对于科研团队来说是机遇也是挑战。

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