能源安全新战略｜大国重器⑦：张北柔性直流电网试验示范工程
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发布时间：2024-06-20 01:40:41
张北柔性直流电网试验示范工程（以下简称“张北柔直工程”）是国家电网有限公司贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略、践行绿色冬奥理念的重大标志性工程。该工程是集大规模可再次生产的能源友好接入、多种形态能源互补和灵活消纳、直流电网构建等于一体的重大科学技术试验示范工程，也是世界首个真正具有网络特性的直流电网工程，突破了柔性直流组网、容量提升与可靠性提升等三大技术难题，创造了12项“世界第一”。
张北柔直工程新建中都、康巴诺尔、阜康和延庆4座换流站及±500千伏直流输电线路，将张北新能源基地、丰宁储能基地与北京负荷中心相连，明显提升了张北地区新能源外送能力，全方面提高了京津冀地区绿色电能比例，为破解新能源大规模开发和消纳的世界级难题提供了“中国方案”。2023年，张北柔直工程荣获中国工业领域最高奖项——第七届中国工业大奖。
张北地处河北省西北部、内蒙古高原南缘，辽阔的地域、特殊的天气特征情况，使这里拥有优质的风能、太阳能资源，但当地新能源就地消纳能力有限。而毗邻张家口市的北京具备新能源大规模应用的场景。
坝上新能源大规模外送，为何要组建柔性直流电网？风起风止，日升日落，新能源的随机性、波动性特征使得其大规模并网消纳成为世界级难题。柔性直流输电技术是能源有效驾驭和高效转换最关键的技术之一。
2018年2月，张北柔直工程开工，经过2年多建设竣工投运。工程通过“多点汇集、多能互补、时空互补、源网荷协同”将张北新能源基地、承德丰宁储能基地等与北京负荷中心相连，连接起坝上上百家风电场、数千家光伏电站，为推动能源转型、保障能源安全提供了全新技术方法，明显提升了张家口新能源外送能力。
依靠自主创新，工程解决了绿电随机性、间歇性、波动性等问题，突破了组网技术空白、输电能力受限、运行可靠性低三大世界级技术难题，创造了“世界上第一个真正具有网络特性的直流电网”“世界上第一个实现风、光和储能多能互补的直流电网”等12项“世界第一”，变成全球首个输送大规模风能、太阳能、抽水蓄能等多种形态能源的四端环形柔性直流电网。
多项技术“零”的突破，源于多年的创新攻关。国家电网公司于2006年提出柔性直流输电技术总体设计，真正开始启动柔性直流输电重大科学技术专项，组建柔性直流技术攻关团队开展系统化研究。
从“点对点”的柔性直流输电到柔性多端联网，再到柔性直流电网；从±30千伏，到±200千伏、±320千伏、±420千伏，再到±500千伏……多年来，公司在柔性直流技术领域不断取得创新突破，实现了该技术领域的跟跑到领跑，为破解新能源大规模开发利用世界难题提供了“中国方案”。
依托张北柔直工程，公司通过产学研用大规模协同攻关，在推进重大装备国产化方面也取得重要成果，设备性能与制造水平占据了国际制高点——
自主研制了世界上首批最高电压等级的直流断路器，攻克了“大功率直流电流开断”这一世界性难题；
研制了世界上最高功率的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件，填补了国内先进功率半导体器件的空白……
工程还建成了涵盖柔直工程建设全过程的技术标准体系，建立了世界一流的柔直试验基地，打造了国际一流的专家团队，带动了我国电网技术和装备制造产业升级，巩固和扩大了我国在世界直流输电领域的技术领先优势。
“准备加压，请远离阀塔，保持安全距离。”随着现场工作负责人指令发出，中都换流站主控室内的监控电脑屏幕中132个换流阀后台子模块逐一变绿。6月3日，中都换流站完成全国首次换流阀整塔加压定量测量，实现了对单台换流阀132个子模块的一次性加压测量，定量得出准确数据用于判断设备健康状态。
▲国网冀北超高压公司员工在中都换流站年度检修现场进行换流阀阀塔整塔加压试验
张北柔直工程投运以来，核心技术突破的脚步从未停歇。针对柔性直流电网技术的特殊性，公司探索应用构网型开环控制策略，有效平抑新能源大规模并入柔性直流电网给系统带来的影响，减少系统运行故障的发生，大幅度提高柔性直流电网的调节能力和灵活性，提升绿电输送能力30%以上，助力张北柔直工程实现450万千瓦满功率运行。
“柔性直流电网电力电子装置占比高，控制难度很大。构网型技术能使电力电子装置模拟传统发电机特性，提供稳定的频率和电压支持，使电网运作时的状态不再随新能源的波动而波动。”国网冀北电科院电网技术中心副主任黄天啸介绍，构网型控制策略的创新研究和试验成功，为新能源高比例接入直流输电系统提供了有力支撑，对新能源基地高效外送具备极其重大示范意义。
2022年北京冬奥会载入史册，冬奥场馆历史性地实现100%绿电供应。“张北的风点亮北京的灯”，这一诗意畅想变为美好现实。北京冬奥会期间，张北柔直工程整体运作情况良好，首个柔性直流电网系统的稳定性、全套自主化核心装备的可靠性均得到了充分验证，累计输送新能源电量3.26亿千瓦时，输电功率最高超过北京全市用电负荷的八分之一，在世界舞台上全面展示了中国“能源生产和消费革命”的新模式。
为保障北京冬奥期间绿电可靠供应，张北柔直工程建立了换流站数字孪生系统，实现全站的全景监视、智能巡检和风险预警。国网冀北电力有限公司应用数字孪生技术实时监测换流站设备正常运行状况，与人工巡检互相配合，提高了巡检质量，保障了冬奥会场馆供电万无一失。
国网冀北电力积极开展数字换流站建设，打造三维立体的张北柔直数字换流站模型，依托数字孪生系统，搭建关键设备仿真平台，实现了全站设备在线年底，张北柔直数字换流站启动试运行；2023年底，数字换流站全部搭建完成，并实现安全稳定运行。
为确保张北绿电持续稳定供应，张北柔直工程运维团队持续创新运维手段，在换流站阀厅内部署无人机巡检平台，实现超强电磁场等复杂环境下的柔直换流阀、高压直流断路器等设备全景无死角监控。平台还具备可见光、红外检测等特色应用功能，可辅助完成无人化飞行、常态化巡检和数字化决策。
张北绿电跨越666千米落地北京，“空天地一体化”运维手段保障了绿电大通道畅通。图像在线监测、卫星监测等全景感知技术方法已覆盖张北柔直工程输电通道，人工示教、激光点云变航线等技术也为线路设备自主巡检、远程监控提供了技术支撑。
张北柔直工程投运以来，从应用数字孪生技术到建成数字换流站，从可视化设备到阀厅内无人机巡检再到“空天地一体化”巡检，一项项创新突破助力绿电进京。截至6月11日，张北柔直工程已安全运维1443天，累计向京津冀地区输送绿电超300亿千瓦时，为推动新能源高水平质量的发展、助力新型能源体系建设、赋能京津冀协同发展战略走深走实贡献力量。
