世界首个多端柔性直流输电工程建成
发布时间：2013-12-26 09:19 来源：华电国威
国际上尚无多端柔性直流输电工程实践经验。该工程是我国继±800kV特高压直流输电工程之后，在国际直流输电领域取得的又一重大创新成果，为远距离大容量输电、大规模间歇性清洁电源接入、多直流馈入、海上或偏远地区孤岛系统供电、构建直流输电网络等提供安全高效的解决方案，推动国际直流输电技术实现了新突破
攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，使我国在世界上率先掌握了多端柔性直流输电成套设计、建设、调试和运行全系列核心技术，站在了世界输电技术的最前沿
该项国家863计划项目展示与示范了柔性直流输电在风电接入方面的技术优势，能至少提高风电利用率5%-10%。工程所有核心设备以及控制保护系统均为国内首次研发，具有100%自主知识产权，对推动我国电力工业和装备制造业发展，保障电力安全可靠供应具有重要意义。
广东汕头南澳岛上200多台耸立的大风车正迎风转动，南方电网公司全力推进的世界第一个多端柔性直流输电示范工程——南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程就坐落在风车脚下的青澳湾。
12月25日，随着南澳多端柔性直流输电工程现场总指挥一声令下，南澳岛上青澳、金牛两个换流站与汕头澄海区的塑城换流站完成了三端投产启动，这标志着南方电网攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，成为世界第一个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全系列核心技术的企业，建成了世界上第一个多端柔性直流输电工程，在中国乃至世界电力发展史上具有划时代的重要意义。
柔性直流宝石闪耀世界
“这意味着我国成为世界第一个将多端柔性直流输电技术投入工程化应用的国家。” 南方电网专家委员会主任委员李立浧院士告诉记者，“多端柔性直流输电系统模块化多电平(MMC)技术，可灵活接入多个站点的风能、太阳能、地热能、小水电等清洁能源，通过一个大容量、长距离的电力传输通道，到达多个城市的负荷中心。这为新能源并网、大型城市供电以及孤岛供电等场合提供了一种有效的解决方案。”
“柔性”是相对于常规直流输电技术而言，采用了先进的大功率电力电子器件组成的电压源换流器(VSC)，可以依据电网需要，可以灵活快捷地改变电能输送的大小和方向，并提供更优质的电能质量。我们采用了模块化多电平技术(MMC)，规模、容量、电压等级等关键工程参数都可以依据工程需求与电能传输距离量身定制，灵活实现。
南澳多端柔性直流输电工程项目技术负责人饶宏告诉记者，“风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍就是其间歇性和不确定性，而柔性直流输电技术就像在电网接入了一个阀门和电源，可以有效地控制其上面通过的电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。”
目前，世界各国充分认识到柔性直流输电在可再生能源和智能电网建设中的重要作用，柔性直流输电工程应用开始呈现快速增长。但全球已投运的柔性直流输电工程均为点对点两端系统，尚无多端柔性直流输电工程投入商业运行。
“多端”则是相对于“两端”而言，指两端以上的柔性直流输电工程。南澳多端柔性直流输电工程项目工程师许树楷介绍说：“两端直流输电系统无法实现对多个电源点(如风电场、分散式小水电等)的接入或多个负荷点的同时供电，多端系统可以将多个海上风电场、孤立海岛与大陆连接起来，构成直流网络，在节省投资与减少海域资源占用的情况下，既满足海岛电力需求的同时还能将富余电能送往大陆。”
我国首条柔性直流输电示范工程为上海南汇风电场两端柔性直流输电工程，于2011年投入正式运行。该工程输送容量为2万千瓦，直流电压等级±30千伏。
落户广东汕头南澳岛的三端柔性直流输电工程设计容量为20万千瓦，直流电压等级±160千伏，是世界首例多端柔性直流输电工程。
南澳多端柔性直流输电工程目前分别在南澳岛上的青澳、金牛各建设一座换流站，在大陆澄海区建设一座换流站，三个站容量分别为5万千瓦、10万千瓦和20万千瓦，建设直流电缆混合输电线路40.7公里。未来岛上还将建设一座接纳近海上风电的换流站。该工程项目成果具有完全自主知识产权，将提高我国电网的整体科技含量，提升我国高端输变电产业的国际竞争力。
缘起自主创新、100%自主知识产权
“十八大”传递出来的“美丽中国”讯号再一次召唤清洁能源的开发利用，但是受接入技术条件限制，电网多年来一直无法承载大规模风电的接入。现有运行经验表明，交流系统电压波动是 “弃风”的主要原因之一。
一直以来，南方电网致力于高压直流输电技术、特高压直流输电技术、交直流并联大电网运行技术，积累了大型工程成套设计、设备规范制定、控制保护功能设计和测试、设备监造等方面积累了丰富的工程经验。近年来，又在电力电子在电网中的应用方面取得了显著突破，比如STATCOM技术、柔性直流输电技术等。
为攻克多端柔性直流输电这一世界难题，大力发展清洁能源，国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发” 课题列入国家863科技计划重大专项，把南澳多端柔性直流输电工程作为我国第一个自主化示范工程，突破大型风电采用柔性多端直流输电接入电网的关键技术问题，提升我国柔性直流输电领域的核心装备研发和制造水平，实现成套设计的全面自主化目标。
汕头(南澳)风力发电有限公司总工程师高斌说，“就好比一个小水池，倒一杯水可能也会溅起水花，更不要说一场大雨了。”柔性直流输电技术却有“化干戈为玉帛”的神功，被誉为“风电知音”，是国际上公认的风电场并网的最佳技术方案。
“柔性直流技术能通过对风电进行全方位控制，使风力发电的间歇性特点不会扰乱电网，这就像是给小水池装了一个拦水坝，能减少水的波动。”高斌介绍说，“该技术的灵活性很强，对冲击负荷的承受能力更大，用电质量与可靠性更明显。如一台正在运行的电器，常规交流或常规直流在消纳间歇性能源并网或应对冲击性负荷时，往往会因为电压不稳带来隐患，而柔性直流技术在消纳时则较为平稳，设备受损的概率明显降低。”
由于柔性直流是最为先进的电力技术之一，一直受到世界主要发达国家的重视，相关技术资料鲜有公开，且多端柔性直流比两端更要复杂得多。
“关键技术研究必须全部立足于自主科研。”广州、北京两地，一个由南方电网牵头组织、来自高校、研究机构、设计和制造企业、超过100人的产学研联合技术攻关团队悄无声息地组建。攻关团队每天工作超过15小时，历经无数次的论证、计算、试验，攻克了世界第一个多端柔性直流输电工程的“心脏”难题——控制保护系统，形成了包括多端柔性直流工程控制保护系统研究技术等10个“世界第一”。
“控制保护系统是整个工程的‘神经中枢’，南澳柔性直流输电示范工程作为世界第一个多端柔性直流输电系统，其‘多端’功能完全依靠复杂而灵活的控制保护系统来实现。”许树楷解释道。
“就像一个有着多个入口(电源接入端)与多个出口(负荷供电端)的水管，要保证水管水压稳定，则入水与出水流量要时时刻刻基本保持平衡。但由于入水量与出水量是各个端口依据各自情况而随时变化的，如何实时平衡这种变化难度极大。而当一个入水口或出水口堵塞了，其它入口、出口如何快速调整自身的入水、出水量，甚至是入水、出水方式之间发生切换，来维持整个系统的再平衡，及技术含量就更高。”
“多端”之难正在于此。
许树楷告诉记者：“此次南澳工程的自主创新不但体现在科研团队攻坚克难的决心，更为重要的是，我们走在了世界直流输电技术的前列。”
南澳多端柔性直流输电工程将已基本成型的两端柔性直流系统扩展到多端，每一端的接口与设备都选用了不同型号，来自于包括央企、民营企业在内的国内不同厂商的设备，让国内尽可能多的设备研发制造企业参与到这个开创性的工程中来，培育起一个良性竞争的市场环境。
攻坚克难创造世界工程奇迹
工程招标现场，设备厂商都姓“中”。南澳柔性直流输电工程设计总工程师陈冰说，“此项工程是集大型风电场接入、柔性多端直流输电、海底直流电缆等多项创新技术于一体的世界首例多端柔性直流输电工程开拓之作。由我们自主研发核心技术，设备制造厂商全都是国内厂家。”
事实上，从系统研究、成套设计，到工程设计、设备制造，再到现场施工、运行调试，南澳柔直工程都选择了“产、学、研、用”一体的攻关方式，集研究机构、高校、设计、制造企业合力，共同攻克多端柔性直流输电技术难题。
工程从今年3月开工，共经历了12次台风，大雨到暴雨天气共117天。施工团队在克服了无相关工程建设经验、无标准、无现成生产能力设备厂家，以及复杂海域和气象条件等种种困难后，终于进入了海缆敷设阶段，眼看工程胜利在望。
此时，一个关键的技术瓶颈又出现在项目团队的面前。“海缆及附件无现成可用的产品。”南澳柔性直流工程海缆攻关组组长郭小龙告诉记者，“海底直流电缆的质量控制是影响整个柔性直流工程可靠性的关键一环，换流站内的技术、设计即使大功告成，没有海缆将海岛与大陆相连，也无法实现技术的落地。”
高压直流电缆及其附件是当今世界电缆制造的技术制高点，国内各研发和制造单位都没有能力生产符合条件的海缆。美国和日本等公司具备海底高压直流电缆的研发技术，但他们开出的条件是3-4年研发与供货周期，并捆绑了一系列经济和技术限制条件。
创新的脚步从未停下，项目组团队再次迎难而上。
集全国电缆行业的技术和智慧，南澳柔性直流输电技术攻关团队广发英雄帖，与上海交大、电缆制造厂家等单位的技术专家组成了联合研发的重兵集团，集中进行±160千伏直流电缆的研发和试验。
围绕电场分布不均匀这个核心问题，研发团队经过3个月的努力，逐渐攻克空间电荷的抑制、绝缘厚度配置等一系列技术难关，终于迎来了胜利成果，国内第一批±160千伏直流电缆(陆缆+海缆)及附件(终端+接头)的样品通过了国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验，意味着我国掌握了高压直流电缆研发技术，在高压直流电缆领域打破了国外技术封锁。
工程项目副经理吕文胜有着27个年头的工程建设经验，他告诉记者，常规的柔性直流输电工程的工期一般是18个月。“这还是在各项技术、设备都成熟的前提下的工期时间。”南澳多端柔性直流输电工程仅仅用了8个月，就吹响了实现世界第一的号角。
风电利用率提高5%-10%
工程的投运，标志着南方电网实现了世界首例多端柔性直流输电技术的工程化应用，实现多端柔性直流输电技术成套设计的全面自主化，开创了世界直流输电技术的新时代。饶宏介绍，南澳多端柔性直流输电工程的所有核心设备均为国内首次研发，实现100%自主国产化。
此外，柔性直流输电技术本身还具有较强的经济性，饶宏给记者算了一笔账。“较之常规直流输电，在容量为1万至100万千瓦的部分场合下，尤其是对于离岸较远的海上风电场内部互联来说，柔性直流输电技术可节约投资10%以上。”而交流输电需要三相线路，柔性直流只需正负两极线路，交流线路无论以架空线或电缆方式建设，在造价和占地上都大幅高于柔性直流。
柔性直流输电技术是改变电网发展格局的战略性选择，它可以提高现有输配电网的安全稳定水平，促进可再生能源低成本模块化开发利用，促进电力产业结构升级与优化，解决我国能源领域节能环保等重大问题。
同时，在分布式发电接入、孤岛供电、城市电网供电等方面具有广阔的市场应用前景。据初步预测，在未来十年内，世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。
“率先实现多端柔性直流输电技术的工程化应用有利于我们在类似工程上积累经验，在未来电网发展中掌握主导权，成为行业标准制定者。”饶宏说到。
南澳柔性直流输电工程建设，有效解决了南澳岛风电开发的送出问题，很好地展示与示范了柔性直流在风电接入方面的技术优势。中国工程院院士、清华大学教授韩英铎告诉记者：“柔性直流输电技术至少能从两个方面提高风电利用率，一是提高风电机组抵御电网故障扰动的能力，减少风电机组停机率;二是能提高风电机组对风速的适应能力，能够在更大风速范围内保持发电运行。这将至少提高风电利用率5%-10%。”以2012年全国风电发电量1008亿千瓦时测算，该技术能增加风电发电量约50-100亿千瓦时。
