特高壓輸電： 以無數全球之最鋪就電力“高速公路”

500千伏輸電系統(tǒng)有力支撐了我國近30年的經濟社會發(fā)展，但我國能源資源與需求呈逆向分布，70%以上的能源需求集中在中東部，可用能源資源卻遠離需求中心，所以要在全國范圍內優(yōu)化能源資源配置，打造電力“高速公路”。

6月21日，雅中—江西±800千伏特高壓直流工程正式投運，這是“十四五”期間我國首個建成投運的特高壓直流輸電工程。

至此，國家電網已累計建成“13交13直”特高壓工程，在運在建特高壓工程線路長度達到4.1萬公里，變電（換流）容量超過4.4億千伏安（千瓦），累計送電超過1.8萬億千瓦時，國家電網經營區(qū)跨區(qū)跨省輸電能力超過2.6億千瓦。加上南方電網公司建成投運4條±800千伏特高壓直流工程，我國已有在運特高壓工程30項，輸電線路長度繞地球赤道一周有余。

拿金牌拿到“手軟”：我們已不輕言“創(chuàng)紀錄”

國家電網對于雅中—江西直流工程的技術總結，只有一句“進一步鞏固了我國特高壓直流輸電技術的國際領先優(yōu)勢”，少了十幾年前特高壓工程上馬之初比比皆是的“突破世界紀錄”“創(chuàng)下全球之最”……不是現在不創(chuàng)紀錄了，而是在特高壓輸電領域，我國拿金牌已拿到“手軟”。幾乎每一項特高壓工程的新建、投運，都是對以往紀錄的突破；而新的紀錄，也都由我們自己創(chuàng)造。以至于，不是真正顛覆性的“黑科技”，我們已不輕言“創(chuàng)紀錄”。

2020年12月27日建成投產的烏東德水電站送電廣東、廣西特高壓多端柔性直流示范工程（以下簡稱昆柳龍直流工程），正是這樣一個顛覆性工程。

該工程創(chuàng)造了19項“世界第一”，包括世界上第一個±800千伏特高壓柔性直流輸電工程，世界單站容量最大的換流站，世界首次具備架空線路故障自清除及再啟動能力等。“每一個‘世界第一’都可以寫一篇大文章。”中國工程院院士、南方電網公司專家委員會名譽主任委員李立浧表示。

此前，世界主流輸電模式都是“直流送電、交流組網”。南方電網公司首席技術專家、南方電網科研院董事長饒宏介紹，這緣于交直流輸電本身的技術特性：常規(guī)直流主要用于點對點、遠距離、大容量的電源外送，并不能組網；交流輸電則可以滿足常規(guī)電源送出和電網互聯的需求，且成本較低。但這一基本模式卻面臨一個“原理性障礙”，即所謂“多直流饋入”問題。他解釋，大流量的常規(guī)直流匯入電網，就像一條大河流入一個水庫，一旦常規(guī)直流線路“閉鎖”，河水突然截停，會導致水庫缺水。

柔性直流改變了這一切。

和傳統(tǒng)“電流源型”直流相比，柔性直流對電壓、頻率的控制更加靈活，就像一個完全可控的水泵，能夠精準控制水流的方向、速度和流量，使水庫水位更加平穩(wěn)，河流被截停的幾率也大幅下降。

昆柳龍工程在世界上首次采用特高壓多端混合直流系統(tǒng)，送端云南昆北是常規(guī)直流，廣西柳北、廣東龍門兩個受端是柔性直流。“這種方案既經濟又先進。”李立浧解釋，把西部水電送到用電需求大的廣東、廣西，這種遠距離、大容量的輸電，最經濟高效的辦法就是特高壓直流。常規(guī)直流并網后，因其換相失敗現象難以避免等固有特性，會對受端電網系統(tǒng)安全帶來一定沖擊。“柔性直流能解決這些問題，它調控更加靈活，還能在關鍵時刻支持系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。”李立浧表示。

但是，柔性直流作為一種新技術，以往工程最高電壓為500千伏，送電量、送電效率還不夠高。昆柳龍工程將其提升到800千伏，送電量也達到全球最高的800萬千瓦。浙江大學教授、國際電氣電子工程師學會（IEEE）會士徐政展望道：“這是一個開路工程。此后，遠距離、大容量送電工程都會首選柔性直流技術。”

緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求：體現國家意志

特高壓輸電從最早醞釀、提出到項目研發(fā)，再到工程實踐，自始至終瞄準世界電力發(fā)展趨勢和技術制高點，緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，政府支持，企業(yè)主導，產學研聯合，社會各方廣泛參與，用科學手段和方法，以應用為目的，破解重大技術難題。

特高壓輸電概念最早見諸國家層面，是在1986年初，原水電部下達“關于遠距離輸電方式和電壓等級論證”課題，研究認為21世紀初葉在中國出現交流百萬伏級電壓等級是可能的。此后，國務院原重大項目辦公室下達了“七五”國家攻關項目“特高壓輸電技術前期研究”。

由此發(fā)端，直至2006年8月9日，國家發(fā)改委正式核準首個特高壓輸電工程。其間20年，圍繞特高壓輸電的議題從未離開過國家相關部門的視野。特別是，特高壓輸電技術研究連續(xù)列入國家“七五”“八五”和“十五”科技攻關計劃；特高壓交流輸電技術研發(fā)先后列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》和“十一五”國家科技支撐計劃，這些都為特高壓輸電技術研究積累了寶貴經驗。

2006年11月4日，中國工程院提出《關于我國特高壓輸電研究和工程建設的咨詢意見》，參加該項研究的27位院士、7位專家指出，中國有必要加快特高壓輸電研究和工程應用的步伐，試驗示范工程方案符合“全面試驗驗證”要求，建議作為國產化的依托工程，納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃、高技術產業(yè)計劃和重大裝備自主創(chuàng)新計劃。

同月，國務院發(fā)展研究中心完成《我國能源輸送方式研究》報告，對特高壓輸電與輸煤成本進行了綜合分析，提出了輸電與輸煤并舉，當前優(yōu)先發(fā)展輸電的建議。

由此，2006年國務院印發(fā)《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，要求重點研究開發(fā)大容量遠距離直流輸電技術和特高壓交流輸電技術與裝備。

定位于遠距離、大容量：特高壓帶來最安全的電網

隨著經濟社會快速發(fā)展，民眾需求持續(xù)旺盛，中國已有的500千伏輸電主網架已經面臨遠距離、大容量輸送能力不足，走廊資源緊缺等瓶頸制約，亟待轉型升級。

全球能源互聯網發(fā)展合作組織主席、中國電力企業(yè)聯合會理事長、國家電網原董事長劉振亞指出，世界電力工業(yè)發(fā)展的歷史表明，用電需求的持續(xù)增長推動電網規(guī)模不斷擴大、電壓等級不斷提升。

他強調，500千伏輸電系統(tǒng)有力支撐了我國近30年的經濟社會發(fā)展，但我國能源資源與需求呈逆向分布，70%以上的能源需求集中在中東部，可用能源資源卻遠離需求中心，76%的煤炭集中在北部和西北部、80%的水能資源集中在西南部，陸地風能和太陽能等新能源也大量分布在西北部，供需相距800—3000公里。所以，要在全國范圍內優(yōu)化能源資源配置，打造電力“高速公路”。

從特高壓建設大幕開啟至今，十余載協同創(chuàng)新，多達30項特高壓工程投運，在大范圍的能源優(yōu)化配置中發(fā)揮了主導作用。特高壓交直流工程分別榮獲國家科學技術進步獎特等獎。中國不僅全面突破了特高壓技術，構建了完善的特高壓試驗和研究體系，還率先建立了完整的技術標準體系，自主研制成功了全套特高壓設備，實現了從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”再到“中國引領”的跨越。

隨著網架更堅強、供電更可靠，中國電網安全運行水平也有了驚人的飛躍。國家電網首創(chuàng)了以電網特性認知、運行控制和故障防御共同支撐的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行3大技術體系，自主研發(fā)建成仿真能力最強、計算效率最高、模擬精度最準確的新一代仿真系統(tǒng)，構建了以《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》為基礎的標準體系，研發(fā)了“三道防線”關鍵技術，構建了國際領先的大電網安全防御體系，我國電網成為世界上近20年來唯一沒有發(fā)生大停電事故的特大型電網。

20年河東河西：“爭氣閥”揚我國威

其實，從“連換流站內草皮都要花高價打包一齊買”到世界公認的特高壓輸電技術“領跑者”，不過區(qū)區(qū)20多年。

20多年前，中國已經建設的8條直流輸電線路中，核心設備直流換流閥全部依賴進口。據介紹，直流換流閥核心技術長期被3家跨國電工裝備制造企業(yè)壟斷，從1954年世界第一條高壓直流輸電聯絡線投入商業(yè)運行以來，跨國公司一直把持這項技術。一條直流工程，近一半的設備投資都要花費在直流換流閥上。還不止于此，“你要買換流閥？好，那就連換流站內草皮打包一齊買，少一分錢都別想建你的直流工程！”至于花錢買斷技術，答復是：“門都沒有！”

為了保守這一核心技術機密，幾家互為對手的跨國公司步調竟難得一致：不在核心期刊發(fā)表相關技術文章，不發(fā)布任何產品的技術資料和細節(jié)圖片，出廠的產品都要蒙上厚厚的包裝，為換流閥做試驗的實驗室都采取極其嚴格的保密措施……國家電網中國電力科學研究院的魏曉光博士介紹：“在我們建成同類實驗室前，世界上只有2個同類實驗室，做一次試驗要200萬元人民幣。而購買他一個產品，再加個零，要2000萬元！”

中國工程院院士、全球能源互聯網研究院副院長、時任中國電力科學研究院副總工程師湯廣福記得，中國電力科學研究院當初建設這個實驗室時，手中現成的技術資料僅僅是七頁A4紙的宣傳資料。因此，直流換流閥研發(fā)工程，被稱為“爭氣閥”。而當湯廣福率領團隊用短短一年半時間完成“爭氣閥”的研發(fā)，并通過國家能源局主持、包括5位兩院院士在內的16名專家組鑒定時，中國工程院院士楊奇遜發(fā)出了“揚我國威”的由衷贊許。

“爭氣閥”爭氣在哪？湯廣福一一列數其相對國外產品無法比擬的優(yōu)勢。首先，它擁有±800千伏/4750安的電壓等級和通流能力，超越了國外同類產品，“換流閥相當于一個水壩，其所承受的高電壓代表了極高的蓄水高度，也就意味著能比其他換流閥在能量傳輸上距離更遠，在相同距離上損耗更??；它所耐受的大電流，則代表了具有更大泄洪容量，也就意味著能輸送更多能量。同時，由于電壓、電流的提高，在整個能源流經的路徑上，還能極大地節(jié)約線路走廊占地。”湯廣福表示。

此外，它還減少了并聯的數量，能有效將閥模塊體積縮小1.5倍，使整個閥塔得到整體優(yōu)化，結構更加緊湊；而它的水冷電阻一體化設計和飽和電抗器分體設計更是中國電力科學研究院的獨門絕技：將水冷系統(tǒng)與電阻合二為一，相當于兩個部件成為一個，部件數量減少了，自然結構更明了，造成安全隱患的環(huán)節(jié)減少了，從而具有更高的穩(wěn)定性；而分體的飽和電抗器就相當于電腦的“雙核”，能使換流閥具有更強的兼容性，不僅滿足特高壓需求，而且具有向下兼容能力，覆蓋更多電壓電流等級工程需要。

具有完全自主知識產權的“爭氣閥”進入市場后，在10年內整體降低國內直流輸電建設、運行和維護費用超百億元，同時也在國際市場上打破了跨國公司壟斷。“揚我國威”，誠哉斯言。