创造12项世界第一 全球首个直流电网正式投运

世界首个直流电网——张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程，在经过了168小时调试和试运行之后，于6月29日正式投运。张北地区富集的可再生能源成功接入首都电网，2022年北京冬奥会所有场馆实现奥运史上首次100%清洁能源供电有了保障，北京全市用电负荷的1/10也就此实现清洁化。

“此前所有的电网都是交流电网。”国家电网有限公司有关负责人表示，由于受交、直流输电本身技术特性所限，直流输电主要用于点对点、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。

以风电、光伏发电为代表的“随机性、波动性、间歇性可再生能源的大规模接入，对传统输电方式提出了巨大挑战”，按国网公司特高压部主任王绍武的说法，可再生能源接入电网，“遇到原理性障碍”。

对此，国网经研院直流中心主任乐波解释，交流电网需要同时关注有功和无功平衡，功率流向是靠电网的自然阻抗特性分布，可控性差，不灵活；而直流输电能够平抑随机波动的功率，保证负荷平稳供电，更适合大规模可再生能源接入，但由于“直流电流没有过零点，直流断路器、大容量换流阀等设备研发难度大，控制系统复杂”，在柔性直流技术成熟之前，“直流组网很难实现”。

柔性直流(flexible)是20世纪90年代兴起的以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术。国网冀北电力建设部主任田生林用“一个完全可控的水泵”来比喻，它能够精准控制水流的方向、速度和流量，从水源地准确地供水给用户；某个水管坏了，可借助其他水管继续供水，“这在传统交流电网是不可想象的”。

田生林分析，这一“柔性”、灵活特征，缘于它采用最先进的电压源型换流器(VSC)和类似集成电路的全控器件(IGBT)，与传统直流采用类似开关的半控型晶闸管器件相比，“可控能力强、功率调节速度快、运行方式灵活”，能够有效抑制交流电压波动，减少功率波动对受端电网的影响，所以是破解新能源大规模并网消纳难题的“金钥匙”。

配制出这把“金钥匙”，却不是一件容易的事情。王绍武指出，柔直技术在大规模可再生能源送出等场景的工业化应用，面临组网技术空白、输电能力受限、运行可靠性低等三大世界级技术难题，都极具挑战性。

张北柔直工程总投资125亿元，新建张北、康保、丰宁和北京4座换流站，额定电压±500千伏，额定输电能力450万千瓦，输电线路长度666千米。张北、康保换流站为送电端，接入新能源，丰宁站为调解端，接入抽水蓄能，北京站为接收端，接入首都负荷中心。工程于2017年12月获国家发改委核准，2018年2月开工建设。

工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了12项世界第一，在上述三大世界级挑战上均取得突破：提出并攻克柔性直流组网技术，建成世界首个真正具有网络特性的直流电网；将柔性直流的输电容量提升至常规直流水平，攻克了制约我国柔性直流发展的关键核心问题；将柔性直流的可靠性提升至常规直流水平，使柔性直流输电的大规模工业化应用成为可能。

国网方面表示，张北柔直工程采用全新的柔性直流电网技术，获得了超越新能源特性和常规输电技术的高可控性，从根本上提高了电网对可再生能源的驾驭能力。大规模清洁能源可不依赖交流电网的有无和强弱，不需要传统能源发电的支撑，直接孤岛接入柔直电网。以柔直电网为中心，“多点汇集”，“多能互补”，“时空互补”，“源网荷协同”，实现可再生能源侧自由“波动”发电和负荷侧可控“稳定”供电，解决“纯”清洁能源大规模消纳难题。

国家能源局介绍，全世界大量待开发的可再生能源都处于电网薄弱地区，张北的问题具有典型性。张北柔直工程的创新实践，开拓了可再生能源大规模开发利用和友好消纳的新道路。国家能源局副局长刘宝华表示，“未来我们还要建设更多、更高水平的柔性直流工程”。

科技日报记者 瞿剑