特高压输电技术进入柔性直流时代

2020年12月27日10时许，随着国家能源局局长章建华下达启动投产指令，国家西电东送重点工程——乌东德水电站送电广东、广西特高压多端柔性直流示范工程正式建成投产。

作为世界上第一条±800千伏特高压多端柔性直流输电工程，其建成投产几乎登上了年度能源新闻排行榜前列，被认为“我国在世界上率先系统掌握了特高压多端混合柔性直流技术体系”，并“引领世界特高压技术进入柔性直流新时代”。

输送清洁能源的超级工程

“作为乌东德水电站电力送出的‘主动脉’，该工程额定输送容量约占其总装机容量的80%。”南方电网公司总经理曹志安介绍，工程总投资242.49亿元，线路起于云南昆北换流站，落点在广西柳北换流站和广东龙门换流站，全长1452公里，简称昆柳龙直流工程；工程于2018年3月29日由国家发改委核准，采用±800千伏特高压三端混合直流系统，输送容量800万千瓦。

工程把世界第七大水电站——乌东德电站丰沛的水电源源不断送抵粤港澳大湾区和广西负荷中心，预计每年送电330亿千瓦时，相当于海南省一年的全社会用电量；可每年减少煤炭消耗950万吨、减排二氧化碳2500万吨，将使粤港澳大湾区天更蓝、地更绿、水更清，为我国力争在2030年前二氧化碳排放达峰、2060年前实现碳中和出一份力。

这样一个定位于清洁能源输送的超级工程，还将使云南水能利用率从2017年的88%提升至2020年的99%以上，基本实现全额消纳，同时对风、光等新能源的大规模开发利用起到推动作用。

采用特高压多端混合直流系统

“这是一个领跑世界的超级工程，它标志着我国特高压直流输电技术提升到空前水平，开创出新的输电模式。”中国工程院院士、南方电网公司专家委员会主任委员李立浧表示。

此前，世界主流输电模式都是“直流送电、交流组网”。南方电网公司首席技术专家、南网科研院董事长饶宏介绍，这缘于交直流输电本身的技术特性：常规直流主要用于点对点、远距离、大容量电源外送，而不能组网；交流输电则可以满足常规电源送出和电网互联需求，且成本低。但这一基本模式却面临一个“原理性障碍”，即所谓“多直流馈入”问题。他解释，大流量的常规直流汇入电网，就像一条大河流入一个水库，一旦常规直流线路“闭锁”，就像河水突然截停，会导致水库缺水。

然而柔性直流改变了这一切。柔性直流(flexible）是20世纪90年代兴起的新一代“电压源型”直流输电技术。和传统“电流源型”直流相比，它对电压、频率的控制更加灵活，就像“一个完全可控的水泵”，能够精准控制水流的方向、速度和流量，使水库更加平稳，河流被截停的几率也大幅下降。“这就是其柔性的主要体现。”饶宏表示。

昆柳龙工程在世界上首次采用特高压多端混合直流系统，送端云南昆北是常规直流，广西柳北、广东龙门两个受端是柔性直流。“这种方案既经济，技术上又先进。”李立浧解释，把西部水电送到用电需求大的广东、广西，距离近1500公里，远距离大容量输电用特高压直流最经济高效；但常规直流并网后，因其换相失败现象难以避免等固有特性，会对受端电网系统安全稳定带来一定冲击。“柔性直流能解决这些问题，它调控更加灵活，还能在关键时刻支持系统安全稳定运行。”

工程的已有实践，也印证了这一结论：自7月底云南至广东柔性直流双极低端阶段性投产以来，没有出现过一起“闭锁”。

但是柔性直流作为一种新技术，以往工程最高电压做到500千伏，送电量、送电效率还不够高。此次则提升到800千伏，送电量也达到全球最高的800万千瓦。浙江大学教授、国际电气电子工程师学会（IEEE）会士徐政展望：“这是一个开路工程。此后，远距离、大容量送电工程，都会首选柔性直流技术。”

19项第一解决了一批世界性难题

作为世界级工程，昆柳龙工程创造了19项世界第一，包括世界上第一个±800千伏特高压柔性直流输电工程，世界单站容量最大的换流站，世界首次具备架空线路故障自清除及再启动能力等。“每项世界第一都可以写一篇大文章。”李立浧如是说。

采用混合直流技术，大大增加了研发和建设难度；而创造19项世界第一，每一项都是输电技术领域“无人区”的重要突破。“我们并非为了世界第一而第一。”饶宏表示，柔性直流技术对电网运行可控性的提高经过了充分论证，柔直技术让复杂的电网变得更加可靠，支持西电东送直流输电持续实施。

李立浧表示，中国人实现了柔性直流技术在多端、特高压、柔直电网等工程中的应用，中国发展柔性直流技术将大有可为。南方电网公司通过在主电网应用、掌握特高压多端柔性直流技术，推动了柔性直流技术的进步，终将在未来电网技术发展中起到核心作用。

19项世界第一的背后，是成套设备从无到有研制出来，大量前所未有运行方式从0到1逐一破解。在输电技术领域“无人区”，南方电网公司牵头，整合国内科研、高校、设计、制造等单位，围绕特高压柔性直流拓扑结构、控制保护系统以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、柔性直流变压器等关键设备和核心技术，展开了为时数年的大攻关，解决了“单一模块故障导致系统闭锁”、系统运行方式优化等一批世界级难题。

柔性直流换流阀这一关键设备被称为工程的“心脏”，如今世界首个能承受±800千伏特高压的国产“心脏”已在龙门换流站稳定“跳动”。其中一些先进技术将被应用到即将建设的海上柔性直流项目，并将被国外厂家借鉴；IGBT关键芯片更是打破了国外少数厂家的垄断。