绿电技术高峰“攀登者”

王碧清

“目前，在粤港澳大湾区的广东，每3度电就有 1度电来自西部的清洁水电。”南方电网公司特高压柔性直流输电技术研发团队介绍。

多年来，该团队承担起多项直流输电领域国家重大科研项目、重大工程，为我国直流输电技术实现从跟随到引领作出突出贡献。当下，在南方区域，已形成“8条交流、11条直流”共19条500千伏及以上西电东送大通道，送电规模超5800万千瓦。其中，乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程（简称“昆柳龙柔性直流工程”）则是团队攻坚克难、勇于攀登的又一座高峰。

今年1月19日上午，“国家工程师奖”表彰大会在北京人民大会堂举行。由中国工程院院士、南方电网公司专家委员会名誉主任委员李立浧，中国工程院院士、南方电网公司首席科学家饶宏领衔的南方电网公司特高压柔性直流输电技术研发团队荣获“国家卓越工程师团队”称号。

艰难困苦，玉汝于成。李立浧表示，正是因为团队始终胸怀“国之大者”，在国家战略需求中找准定位，勇立时代潮头，脚踏实地、勤恳投入、不懈努力做好每一件事，才能步步攀登，攀向科研更高峰。

自主创新，启幕世界特高压直流输电时代

在云广特高压直流工程之前，李立浧先后主持参加天广直流、贵广直流、贵广第二回直流等多项±500千伏超高压直流输电工程的建设。探索并实现±800千伏特高压直流输电，则是全新考验。李立浧记得，当时提出这个想法时，国内外质疑声不绝，因为在国际上，特高压直流工程尚属空白。李立浧等团队主要负责人非常坚定：“不能因为国外没有我们就不做，我们一定要有信心，想方设法取得成功。”

从±500千伏到±800千伏，直流输电电压提高了1.6倍，技术难度随之陡增——绝缘理论、电磁环境、设备研制、试验技术等一系列世界级难题横亘在团队面前。

进入21世纪，西南水电持续开发，大型水电站陆续投产，将西部水电跨越重重阻碍远调至东部地区，亟需提高电压等级。如此远距离、大容量的电力输送，迫切需要特高压直流输电技术，多年跋涉于高压直流输电技术领域的李立浧再清楚不过。

众多难题之一，是国内当时还没有能满足特高压直流设备试验的条件。为此，李立浧带领团队远赴瑞典STRI高压实验室。那里的设备试验电压等级当时全球最高，能达到1500千伏。不过，对方还从未进行过如此高等级的电压试验。于是，李立浧带领团队进行试验设计，并提出空间布置的改进和优化意见，得到瑞典实验室同行的支持。

那时，国内已生产出长串的特高压绝缘子，它的长度超过10米，还需要完成全尺寸、全电压的污秽试验。这项试验，世界上还没有人做过，但对于团队至关重要，“不仅是设备制造需求，同时也能验证特高压的理论问题”。

绝缘子污秽试验是通过污秽材料的使用，在运行电压下，通过记录各类数据，如气候条件、积污情况等情况，测试绝缘子的耐污性能。而该项试验要用我国的污秽材料高岭土来做才有实际意义。为此，团队通过海关申报，辗转将总共约一吨的高岭土和待检验的绝缘子一起运往欧洲。

经过双方实验室人员共同协作，试验圆满成功。团队成员记得：“STRI实验室的工程师们也很兴奋，他们觉得用自己的设备在世界上第一次完成特高压800千伏的工程实验，十分有成就感。”基于此绝缘验证试验，团队掌握了特高压的基本绝缘理论，摸清了它的变化规律。

这次跨国合作试验让李立浧意识到——一定要建设自己的实验室。2009年9月，特高压工程技术（昆明）国家工程实验室作为全国首批组建的6个国家工程实验室之一，投入运行。“我们实验室最高冲击电压可以达到世界上目前电压等级最高的2700千伏。”团队成员自豪地说道。

“每一个特高压设备的研发过程里都有很多故事，都有我们的技术人员没日没夜和制造企业的工程师、工人师傅一起攻坚克难留下的汗水，我们遇到一个问题就解决一个问题。正是这种吃苦耐劳和兢兢业业的精神才能真正把事情做成，实现前所未有的突破。”李立浧说。

2009年12月28日，由南方电网公司建设运营的云南至广东±800千伏特高压直流输电工程（简称“云广直流工程”）单极投产，2010年6月18日全部建成。这项工程是世界首条±800千伏特高压直流示范工程，标志着我国进入特高压直流输电时代。

攻克柔性直流输电技术，再创“世界首例”

特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低、占地省等优势，但缺乏对电网本身运行安全稳定性的支持。随着西电东送规模不断扩大，广东成为世界上直流落点最多的区域电网之一，这使得电网面临多回直流同时换相失败带来的安全稳定风险，这也是当时公认的世界级直流输电难题。

研究柔性直流输电技术，以及后来的特高压柔性直流输电技术，为解决这一世界公认难题提供了关键方案。团队形容：“如果将电流比作河流，柔性直流输电技术就像在川流不息的江河上建造一个水库，既能接收上游河道的来水，又可以从容地控制下游水流量。灵活地控制电流使得柔性直流输电对于电网的安全稳定运行能够提供支持。”

此外，常见的直流输电工程多为两端直流系统，控制相对简单，而多端直流输电系统的控制则要复杂得多。团队主要成员在《南澳多端柔性直流输电示范工程系统集成设计方案》中，明确总结出其多方面优势，比如“由多个能源基地输送电能到多個负荷中心；可以利用直流输电工程实现电网的非同期联络”。

始终坚持瞄准国家电力需求、发展趋势、技术制高点，团队在研发特高压直流的同时，就已经紧跟柔性直流输电技术研究前沿，开展系统性研发。团队成员赵晓斌加入南方电网公司后，就投入到广东汕头南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程的科研当中。这也是世界上第一个多端柔性直流输电工程。

赵晓斌负责的主要任务之一是过电压与绝缘配合方面的技术攻关。过电压与绝缘配合是直流输电的关键技术之一，对于柔性直流输电设备和系统安全至关重要。“然而，在当时的技术背景下，我们对多端柔性直流输电系统，特别是模块化多电平（MMC）技术，知之甚少。”

就是在这样充满未知的挑战中，团队成员迎难而上，大胆创新，从技术路线分析开始，逐步研究可行的拓扑结构。以其中的避雷器配置为例，在过去传统的直流系统当中，科研人员主要从过电压水平的角度去考虑问题，而对于柔直系统来说，因为核心器件属于全控型器件，其过流能力弱，能耐受幅值和时间都比传统直流用的晶闸管小了一个数量级，这就导致在过电压与过电流之间的平衡困难。

团队成员通过电磁暂态仿真软件对数百种故障工况下的过电压进行计算分析，得到换流站各设备特别是换流阀最大过电压幅值、放电电流与避雷器安装位置和参数的关系，最终采用差异化配置方式，设计出站内避雷器的安装方案，解决换流阀经避雷器的放电电流控制与设备绝缘水平控制之间的平衡问题。“现在看来，这个方案比较简单，以此为基础，我们在后续工程中柔直过电压绝缘配合方面的技术，能做到心中有数。”赵晓斌回忆。

“过电压与绝缘配合”是众多技术攻关难点之一。在技术方案的不断迭代中，团队深挖传统直流和柔性直流的暂态机理，逐步取得新进展和突破。不同专业方向的成员共同分析、试验、优化，不断拉近“从原理可行，到工程可用之间的距离”。

在广东省南澳岛这项集大型风电场接入、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中，团队创新实现了电力供应的稳定可靠、适应风电功率的剧烈波动、清洁能源的全额消纳。柔性直流输电，以其“柔”之特性，成为高压直流输电领域的新技术支撑。

领先世界的技术，带动我国同行业共同跃升

2016年，南方电网公司首次提出特高压柔性直流技术的方案。团队成员再度肩负重任，从分析论证特高压柔直技术可行性开始，通过调研、论证、调试，搭建完成了第一个特高压混合多端直流输电电磁暂态仿真模型，这为昆柳龙柔性直流工程的技术攻关打下坚实基础。

昆柳龙柔性直流工程于2018年12月开工建设、2020年12月底提前半年实现昆北-柳北-龙门三端投产，总投资242.49亿元。柔性直流作为一种新技术，以往工程最高电压为500千伏，而该工程一跃至±800千伏特高压三端混合直流系统进行设计施工，直流线路全长1452千米，送电量也达到全球最高的800万千瓦。这意味着技术规范、成套设计和成套设备等都需要研发攻关。

作为团队中飞速成长的青年先锋力量，黄伟煌2014年博士研究生毕业后入职南方电网，工作初期就投身到鲁西背靠背直流工程的控制系统技术攻关。至2017年，他开始专注于昆柳龙柔性直流工程的控制保护系统研究工作。

控制保护系统，可谓工程“大脑”，对设备启停、功率升降、执行保护等方面发挥关键作用。“为实现800千伏的特高电压，我们如同堆积木，采用将两个400千伏的阀组叠在一起的结构，难点在于还要时时刻刻保障它们的稳定。”因此，黄伟煌做的一项重要工作就是解决柔性直流串联阀组的均衡问题。

“每个阀组由上千个模块构成，这些模块如同大积木里的小积木，这几千个小积木每秒内的开关动作可能达上百万次。在这种情况下，我们要保障它们所有的步调一致，电压电流都是均衡的，传输的功率也是平均的。”黄伟煌介绍。与此同时，还要保障两个串联阀组中，若其中一个阀组出现故障，另一个阀组依然可以稳定运行，并且故障阀组可实现在不停机情况下的退出、检修、再度投运。

另一项控制保护系统中的重要工作则是“直流架空线路故障清除”。在国际上，柔性直流输电主要用于短距离输电，所以通常采用电缆来传输，这样可有效防止雷击等外界扰动因素，但每千米的电缆投入价格昂贵，在昆柳龙柔直工程上千米的直流线路中，采用架空线路才更加经济实用。因此，这对团队在控制系统设计中处理故障方面提出更高要求。

黄伟煌和研究团队一起研究探索，提出一种新型拓扑结构，能够自动识别故障并在100毫秒内，也就是一眨眼间修理清除、迅速恢复送电。这种拓扑结构得到国内外专家广泛认可。在团队成员日夜不懈努力下，他们成功在世界上首次验证并实现了直流故障自清除技术，为后续关键设备的设计研发奠定重要基础。

“我们结合工程的成套设计，从系统分析、参数选择再到设备规范、控制策略的论证提出，给出了一套完整的技术方案，实现了从0到1的原始创新。在这项工程中，我们首次将柔性直流提高到±800kV/5GW特高压等级，首创了一种混合直流输电系统，引领全球特高压技术进入了柔性直流时代。”饶宏说。

在核心技术攻关领域，昆柳龙柔性直流工程创下19项世界第一，主要设备自主化率100%。值得一提的是，特高压直流输电技术不仅成为我国领先世界的技术，也带动了我国输变电技术装备的跃升。在世界上，首次研制出±800kV柔性直流换流阀、±800kV桥臂电抗器、480MVA柔性直流变压器、±800kV穿墙套管等特高压柔性直流成套设备，提升了我国电工装备水平，打造了高端电力装备产业链。

同心协力，以标准化成果促进特高压技术高质量发展应用

“我们在发展特高压技术过程中，始终坚持以技术标准化支撑科技研发高质量发展的技术路线，形成了将特高压技术研究和技术标准研制深度融合的技术标准体系建设机制，以标准化成果促进特高压技术高质量发展和应用。”李立浧回忆，我国常规直流技术从1989年葛上±500千伏超高壓直流投产到2009年云广±800千伏特高压直流投产，历经20年，这期间经历了对直流输电技术的引进、吸收和转化，我国直流技术标准长期采用IEC等国际标准，没有完全形成自己的技术标准体系。特高压直流技术的研发和应用，打破了国外对直流输电技术的垄断，开始了我国直流输电技术从引进吸收转化到创新输出、从跟随到引领的转变。

在特高压直流技术发展初期，团队就确立了建设覆盖全场景、全设备和全过程的技术标准体系路线，在技术研究和工程应用全过程中，及时梳理总结关键技术要点，将特高压技术相关的研究设计方法、设备研发、工程建设要点逐一进行技术标准化，逐步建立起较为完备的特高压直流输电技术标准体系，有力支撑了我国后续特高压直流工程的规划和建设。

“我国柔性直流技术从2013年南澳柔直投产到2020年昆柳龙特高压柔直投产，仅用了7年时间。”李立浧介绍，这7年间，团队坚持快速将直流技术最新研究成果转化为技术标准，仅国家标准方面就研制了20余项柔性直流相关标准，在昆柳龙特高压柔直工程投产后，立项及预研特高压柔性直流相关技术标准达30余项。这些技术标准的研究，结合当前构建以新能源为主体的新型电力系统战略目标，为后续大量新能源基地的集中送出起到良好推动和支撑作用。

如今，这支团队已汇聚起电力、材料、装备、控制、计算机等领域的多学科人才。依托南方电网师带徒传统、专家晋升体系、青年人才专项等机制，团队创新活力不断被激活。团队成员说，“这里信任年轻人、敢于给年轻人压担子”“南方电网对年轻人很呵护”“这里对技术有着开放包容的氛围”。

团队成员间常常为了寻找最优解而热烈讨论，彼此从各自专业角度提出见解。他们坦言，最大的合作感受就是“同心协力”。“我们提出相关的技术路线、策略可能有争议，但大家的目标都是一致的，就是要保证我们研发的整个系统运行安全稳定可靠。”这样的讨论不局限于会议室、办公桌，一次碰面，就常有观点的碰撞和交锋。

“可以说，求真务实、敢于创新是我们团队的特点。”作为南网科研院直流输电与电力电子技术研究所技术总监、南方电网公司战略级高级专业技术专家，赵晓斌对团队的创新意识和氛围深有感受。“想要做出成绩确实很难，这需要我们有平常心，需要我们能经受住科研周期性的考验。而颠覆性的技术革新，离不开材料、器件等各领域的共同进步。电力工业技术方面大的突破和迭代，需要电力科研人持续努力，引领、推动行业发展，我们也是一直这样做的。”赵晓斌说。

胸怀“国之大者”，加快推动构建新型电力系统和新型能源体系

《中华儿女》：多年来，团队承担起多项直流输电领域国家重大科研项目、重大工程。您认为，团队可以取得多项世界级技术突破，这当中有怎样的必然？

李立浧：首先是始终胸怀“国之大者”，在国家战略需求中找准定位。我们坚持切实做到党中央和国家关心什么、强调什么，我们就集中精力落实什么，真正把国之所需、企之所能、己之所长结合起来。

其次是始终坚持“勇攀高峰”，勇立时代潮头。我们始终坚持创新是第一动力，勇于闯入技术“无人区”，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，主动承担重大科技创新项目，把握趋势和需求、直面问题和痛点，推进重大技术创新攻关，解决关键核心技术“卡脖子”问题，多出高水平的原创技术成果，打造原创技术策源地。

再者是始终奉行“脚踏实地”，以踏实的精神、勤恳的投入、不懈的努力去做好每一件事。既顶天、也立地，注重将理论成果实践应用，关注研发落地过程中的每一个细节。细节决定成败，只有落实好、解决好每一个细节问题，才能收获最后总体的成功。每一次取得阶段性成果后，我们也会注意总结经验、吸取教训，让自己不断实现突破，追求卓越。

《中華儿女》：柔性直流作为一种新技术，将会成为未来远距离、大容量送电工程的首选技术。这当中，会存在哪些新挑战？

李立浧：未来，柔性直流技术将主要用于解决我国西北、西南沙漠戈壁荒漠地区新能源基地和东部南部沿海深远海风电基地大规模新能源送出问题。首先，沙戈荒地区人烟稀少、几乎没有常规发电机组，电网非常薄弱，柔性直流和风电、光伏逆变器构成的全电力电子系统组网，目前属于技术“无人区”。柔性直流与新能源电网拓扑结构的研究，以及如何组合、控制是我们面临的重要挑战。

我们国家沙戈荒地区新能源规模巨大，单回直流通道达千万千瓦级，输电距离2000-3500公里，输电距离远、容量大、走廊窄，柔性直流系统设计是第二大挑战。此外，我们知道光伏、风机发出来的电具有间歇性、波动性、随机性的特点，自然界的光和风是不受人为控制的，如果多回新能源经直流通道密集接入电网，我们现在的电网能不能承受住冲击？这是我们要面临的第三大挑战。我国西南沙戈荒地区“三高”高海拔高寒高地震烈度，东部南部深远海“三高”高温高湿高盐等恶劣环境条件，也对柔性直流装备的设计、制造提出了新挑战。

随着新型能源体系和新型电力系统的建设，对电力的安全和保障供应要求越来越高，柔性直流输电在新型电力系统建设中的地位越来越重要。我们在广东电网已建设了两座柔性直流背靠背换流站，使广东电网形成异同步格局，提高了广东电网运行可靠性。我们在总结经验的基础上，如何进一步发挥柔性直流输电对大电网的支撑作用是一个新的技术挑战。

《中华儿女》：当下，团队关切的技术难题和技术发展方向是怎样的？

李立浧：我们团队始终紧盯国家重大需求。习近平总书记在中共中央政治局第十二次集体学习时指出，“能源安全事关经济社会发展全局”，“应对这些挑战，出路就是大力发展新能源”。目前我们国家正在加快推进西北沙戈荒、西南地区等大型清洁能源基地建设，“如何实现大规模新能源经直流送出”是我们团队最为关切的技术难题。围绕这一重大难题，我们系统梳理了关键科学问题，目前团队主要技术方向是：直流输电与新能源组网机理及构建方法、新能源多直流复杂电网运行控制，以及直流输电基础理论与核心装备、直流输电与新型电力系统的智能化技术研发。

团队针对沙戈荒千万千瓦级新能源基地无常规电源支撑问题，初步形成了千万千瓦级新能源基地经特高压柔性直流送出的整体解决思路。目标就是要让沙戈荒大型新能源基地的清洁能源能够送得出、落得下，让人民用上更多清洁绿电。团队针对大规模新能源并网及送出的运行管理问题，正有序研发数字化、信息化、智能化技术与直流输电和电力系统的融合，以期实现传统电力工程的智能化革新，实现新型电力系统的透明化运行管理。

现在，我们正在加快技术攻关，支撑我国新能源资源更大规模的开发利用，支撑电力安全稳定供应和绿色低碳转型，推动加快构建新型电力系统和新型能源体系。

责任编辑 陈晰