物流百科 > 今日头条 > 厉害了,“追风人” !>发布时间:2021-02-20 12:51

  你了解用风点亮灯的故事吗?

  你能想象远在青海的阳光能为中原“充电”吗?

  我国风能、太阳能资源丰富,但它们却像草原上的“野马”,性情不定,难以驯服。

  如何驯服风光能源这匹“野马”,让风光绿能大显身手,从能源舞台的配角变为主角,成为保障国家经济社会健康发展的强大支撑,这是立足新发展阶段,贯彻新发展理念,构建新发展格局面临的一个重大战略问题。

  有这样一个团队,短短几年时间,他们突破一个个世界级难题,创造一项项世界第一。在他们的努力下,特高压直流输电成为国家战略级技术,和高铁、北斗一样,成为享誉世界的“中国名片”。

  他们,是国家电网经研院直流技术攻关团队,他们被称作驯服风光野马的“追风人”。

  攻下一个个世界难题,彻底摆脱“洋拐棍”

  绿色、低碳是中国能源的发展方向,而服务新能源大规模开发利用,正是柔性直流输电技术的优势所在。

  国网经研院作为国家电网的技术支撑单位,多年前就意识到柔性直流输电对新能源汇集送出的重要性。为了“驯服”风能、太阳能,2012年他们便开展了大量基础性研究。

  当时我国在柔性直流输电技术方面没有任何经验,国外相关核心技术又严加封锁。“在接到项目任务时,攻关团队每个人心中都惴惴不安,完全没有成功的把握,有的同志提出以市场换技术的方式找外方搞技术引进,但几次接触下来,技术转让条件苛刻,我们根本无法接受。”国网经研院直流技术中心主任乐波坦言。

  这支攻关团队太年轻了,刚组建时平均年龄还不到30岁。带着一股开拓创新、永不服输的拼劲,他们开始了披荆斩棘的闯关之旅。

  柔性直流系统设计的第一步是确定主接线,这是系统设计的“纲”和“领”:就是确定系统采用哪些主要设备,这些设备怎么布置、怎么配合,如同家里装修要先画好电路图,确定开关、插座、照明等的位置,才能保证所有电器的用电安全和正常工作。

  舟山工程是国家电网第一个商业化的柔性直流工程,也是世界首个五端柔性直流工程,主接线要比国外的两端工程复杂得多。整个工程要用的设备有上百种,每种设备又有多种型式,排列组合起来就有上千种,许多设备连见都没见过,更别说熟练使用和布置。

  接到任务后,团队迅速分工,有的总结以前常规工程的设计经验,有的研究新设备的功能和特点,有的开展理论分析,有的搭建仿真模型。期间,他们提出了几十种方案,但经过反复仿真分析,都满足不了五端直流安全稳定运行的要求。

  只好全部推倒,从头再来。

  又经过数月的“闭关修炼”,世界首个五端柔性直流工程主接线终于完成,彻底打破了未来可能的外方知识产权限制,完全做到了自主化设计。

  舟山工程后,他们又“攻下”了供电可靠性要求更高的厦门工程。“现在,外方为了提高工程可靠性,反而模仿起‘中国方案’,我们的身份也实现了从‘学生’到‘老师’的华丽转变。”乐波骄傲地说。

  在没有任何资料可供借鉴的情况下,攻关团队拿下了一个又一个世界难题,实现多项技术“零”的突破,形成一套完整的柔性直流输电成套设计体系,彻底摆脱了“洋拐棍”,实现了柔性直流输电技术领域的“弯道超车”和“中国引领”。

  不设权威自由发挥鼓励原创,创造12项世界第一

  2020年6月29日,张北柔性直流电网工程竣工投产,来自草原的绿色动能点亮了京城的万家灯火。张北工程不仅能够满足冬奥会的100%清洁供电需求,还将每年向北京输送225亿度清洁电力,相当于北京年用电量的十分之一。

  “柔性直流电网技术可以控制电能灵活转向,适应新能源的波动,是目前世界上最先进的输电技术。”乐波说,张北工程采用了我国原创、世界领先的柔性直流电网新技术,把过去不可控的风能变为可控优质电能。“工程创造了12项世界第一,提出了破解新能源大规模开发利用世界级难题的中国方案。”

  12项沉甸甸的世界第一,凝聚着科研人员克服重重困难、战胜层层挑战所付出的艰辛和努力。

  灵活可靠消纳新能源,首先碰到的难题是要研制确保电网安全的新设备、新技术。“直流电网设计的难点在于要应对不经常发生的严重故障,解决这个问题,就必须找到能确保电网安全的‘速效救心丸’。”团队技术骨干李探博士说。

  李探一毕业,就和团队一头扎入柔性直流电网的资料堆,从查公式、编程序开始,一晃就是5年时间。研发之初,由于相关技术在世界范围内都处于完全空白状态,没有任何经验可供借鉴,团队只能从零开始。然而正是这张“白纸”,给年轻的科研人员们提供了从理论到实践的广阔舞台。

  不设权威、自由发挥、鼓励原创是团队组建时就确定的工作原则。从“半桥式换流阀 直流断路器”到“全桥式换流阀”,他们大胆假设、小心求证,从“交流耗能装置”到“直流耗能装置”,他们严谨细致、一丝不苟,经历了数月“白加黑”、“5 2”的鏖战和面红耳赤的争论,终于实现了“首台套”直流断路器和交流耗能装置的重大技术突破。

  张北工程的联调试验需要依赖于“新能源”和“柔性直流电网”的真实模型,这两个高度复杂的系统,单独拿出来进行建模已经困难重重,进行联合测试更是从未有过先例。

  四百多面控制屏柜,通过上万根线缆连接起来,将新能源和四座换流站组合在一起,建立起反映电网真实特性的超大规模仿真系统。仅启动一次,就要花费数小时。

  “这只是迈出了平台构建的第一步。”实验室负责人厉璇介绍,“在资源条件有限的情况下,还要准确刻画复杂系统的快速变化特性,这是更加关键的一步。”

  几十个新能源场站,四端柔性直流电网,包含了数十万元件,上万根光纤,对系统的实时运算能力提出了严峻挑战。为了实现实时运算,如此庞大的系统在每个毫秒都要进行几十亿次仿真计算,这俨然是一个超级计算系统,超算能力对系统配置提出了不可能达到的要求。

  为了实现实时运算目标,必须另辟蹊径。“将系统和元件进行有效简化后,我们所提出的多项等值技术将仿真速度提升了近60%,完全达到工程精度。”厉璇说。在对模型进行逐步等值的过程中,科研人员们经历了种种坎坷和失败,一个错误的脉冲信号,一个程序的细微漏洞,或一个设置不合理的参数,都容易导致系统报错或失稳奔溃。

  一遍又一遍的检查设备,一次又一次的核对接线是团队每天的日常工作,一条通道调试不通就从头再来。

  在团队齐心协力下,终于建立起世界首个大规模新能源柔直并网硬件在环实时仿真试验系统。

  跨越千里,电力天路从规划变成现实

  青海是我国清洁能源最丰富的省份之一,新能源发电量已经超过青海省全省用电负荷,亟需将大量富余的清洁电力送到上千公里之外的中东部负荷中心,变资源优势为经济优势。

  特高压直流技术成熟、成本较低,在大容量远距离电能输送方面具有独特优势。因此,青海的新能源必须通过特高压直流技术进行远距离大规模消纳。然而,传统特高压直流犹如高速列车,运载量大、一站直达,而“始发站”的太阳能、风能等清洁能源就像自由出行的游客,何时出行、多少人出行均具有随机性。因此,对传统特高压技术升级改造才能更好实现对新能源的高效送出。

  “能否将汇集新能源的系统电压控制稳定是工程设计的关键点。”项目负责人卢亚军向记者介绍。多年来,国网经研院直流技术攻关团队提出的“升级版”特高压技术,涵盖了多项稳定系统电压的“独门绝技”,这些措施在专门输送新能源的青海—河南(青豫)±800千伏特高压直流工程中得到成功应用,实现了成果转化,极大提升了特高压直流对新能源送出的适应性。

  换流站连接着纵横千里的直流输电线路,仿佛人体的心脏,是直流输电工程最重要的能源转换枢纽,交流和直流的变换就在这里完成。青海换流站海拔达2900米,是世界上海拔最高的特高压换流站,空气稀薄,设备也会“缺氧”,耐受高电压的能力大幅下降。

  “我们对直流系统的过电压水平进行了上百次迭代仿真校核,优化了高海拔下均压电极设计,有效缩短了设备间的空气间隙,确保设备运行万无一失,根本上消除了设备的‘高原反应’,保证了高原换流站的运行性能与平原保持一致。”卢亚军说。

  考验接踵而来。

  由于风光能源不稳定,功率波动大,电网对变压器的电压调节能力要求较以往工程更高。分接开关是变压器执行电压调节功能的最核心装备,其设计一直是制约国产化的“卡脖子”技术难题。如何提高分接开关的运行可靠性,是摆在团队面前必须解决的一道难题。

  科研团队深入研究了各种技术措施可能性,提出了几十种技术方案,推导了上百页分析算稿,经过反复研究论证仿真,确定了通过有效降低分接开关动作次数提高系统可靠性的技术方案,最终实现了分接开关动作次数减少90%,显著提高了设备使用寿命,保障了工程的顺利投运和安全运行。同时,研究成果也在所有已投运的特高压工程中推广应用。

  2020年12月30日,青豫工程正式投入商业运行,来自青藏高原的可再生能源跨越千里,点亮中原。

  “电力天路在我们手里从规划变成现实,成为了造福人民的幸福之路、光明之路和清洁之路。”乐波自豪地说。

  从陆上风电到远海风电直流送出建立中国标准

  2020年8月6日,我国首个远海风电经直流送出项目——江苏如东海上风电柔性直流输电工程的成套设计顺利通过业主组织的专家评审。

  如东工程是柔性直流输电技术在我国远海风电送出领域的首次应用,也是目前世界范围内在建的电压等级最高、容量最大的海上风电柔直送出工程,是我国乃至世界海上风电发展的重要里程碑。

  “远海风电开发送出,我们没有任何经验可供借鉴,技术也被严格封锁,但我们要敢为人先!”乐波说,“凭借丰富的柔性直流工程经验,我们一定能独立啃下这块‘硬骨头’,核心技术掌握在自己手里才能保障能源安全。不仅要掌握核心技术,还要建立中国标准,带动国产化装备走出去。”

  如东工程建设周期短,业主要求团队必须在不足半年的时间内完成全部设计工作。工期紧、任务重是摆在设计团队面前的严峻现实。

  海上换流站是建设在远离陆地、大海深处的风能汇集与转换平台,建设费用高,紧凑化、轻型化设计要求与大规模风电集中送出互相矛盾。“设计方案需要在保证风电安全可靠送出的前提下尽量减少海上换流站的设备重量和数量。”项目负责人赵峥介绍。经过多轮技术方案比选,攻关团队决定先对主接线“动手术”,砍掉一般换流站“标配”的限流装置等大型设备,让同类设备“身兼多职”,尽量压缩海上设备数量。

  与张北工程类似,如东工程也需要使用耗能装置。为使海上平台有效“瘦身”,团队挖掘设备潜力,提出采用“直流”耗能装置这一新型设备,把原本安装在海上换流站的耗能装置移植到陆上换流站,使得海上平台面积大大缩小。设备首次使用,没有任何设计、设备生产和运行经验,难度极大,只能将难点化整为零,各个击破。“面对新的技术方案,我们要心怀敬畏,任何一个小的疏忽都可能导致亿万投资打了水漂。”乐波说,“任何一处改动,我们都要反复计算、迭代仿真,绝不含糊。”经过一年的集中攻关,团队提出了三种典型的设计方案,其中,‘集中式耗能’方案成功应用于如东工程,实现了成果转化。”

  由于出海成本高、时间长,为运行维护带来了诸多不便,高可靠性成为工程设计必须考虑的因素。“我们为海上换流站的关键设备配置了一定数量的‘替身’和‘备份’,可以自动切换,设备运行压力小了不少。”赵峥说,“例如变压器就采用两台并联运行的设计方案,当一台变压器故障时,另一台变压器可以暂时输送海上风电场发出的所有电能,从而避免能量损失。”

  根据设计方案选择设备似乎是水到渠成的事,然而对于海上风电工程来说,并没有那么简单。设备不仅要适应恶劣的海洋环境,还要满足紧凑轻型化、运维远程无人化、高可靠性等特殊要求,但紧凑化布置不利于设备现场试验的开展和后期运维检修。团队到厂家开展多次交流调研,并亲自出海赴离岸50多公里的交流升压站实地调研,获得了大量第一手资料,并进行了有针对性的研究比选工作,最终提出了满足海上换流站建设、试验和运维要求的全部设备方案。“我们一直在做基础研究和技术方案升级,如何优化设备结构型式和布置方案,参数能否满足系统要求,能否在有限的空间内开展现场试验,这些都是我们要特殊考虑的。”赵峥说,“每一步都需要‘小心’,才能让业主‘安心’”。

  大国工匠,精益求精。

  在国内尚无任何工程应用经验可借鉴的条件下,国网经研院直流技术攻关团队从一幅幅拓扑接线、一页页公式推导开始,一步一个脚印开展技术攻关和研发,积累了一屋子的中间过程资料。每一份报告都见证了技术创新难度之大和挑战之巨,每一项成果都凝聚着团队成员的智慧与汗水。凭着这股创新精神和敢为人先的勇气,团队独立攻克了海上风电柔性直流送出多项重大技术难题,形成了完整的柔性直流输电成套设计技术体系,彻底打破了国外技术封锁。

  “从柔性直流到升级版特高压直流,从陆上风电接入到远海风电直流送出,这些创新技术有力提升了我国在该领域的引领地位,为服务国家新能源开发战略提供了有力支撑。” 国网经研院董事长潘尔生说。

  (光明日报全媒体记者 蔡侗辰)

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