世界首個±800kV/4750A特高壓直流換流閥研發(fā)紀實
來源：平源電力科技有限公司
發(fā)布時間：2021-12-17
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山登絕頂我為峰
——世界首個±800kV/4750A特高壓直流換流閥研發(fā)紀實
6月30日，國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電力電子實驗室控制室內(nèi)，試驗員偶樂輕聲地讀數(shù)，牽動著現(xiàn)場每個人的心跳。包括中國科學院院士周孝信、中國工程院院士李立浧、楊奇遜、陳予恕、朱英浩、雷清泉、鄭健超在內(nèi)等13名專家屏息凝視在懸在半空中的一座10余米高的巨型設(shè)備，這是中國電科院研發(fā)的世界首個±800千伏/4750安特高壓直流換流閥正在進行關(guān)鍵的型式試驗——單閥非周期觸發(fā)試驗。
4天前，該閥已在國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電力電子實驗室順利通過全部型式試驗，通流能力和電壓等級均創(chuàng)造了世界之，并通過世界權(quán)威電力試驗認證機構(gòu)KEMA(荷蘭電力試驗所)的認證。此次重復試驗，將有力證明創(chuàng)新的換流閥不但具有不輸于國外同類產(chǎn)品的品質(zhì)，而且具有同樣高的穩(wěn)定性和可靠性。
“波頭峰值1714千伏，波頭時間259微秒，波尾時間2498微秒，多重閥操作沖擊試驗勝利完成!”試驗員的聲音不高，卻引發(fā)了實驗室里一片沸騰。這個試驗的再次成功，標志著中國電科院已掌握了世界上尖端的輸電技術(shù)，用行動踐行了李榮融在2010年中央企業(yè)科技工作會議上提出的“中央企業(yè)必須在提升創(chuàng)新能力方面發(fā)揮表率示范作用;必須在加快提升創(chuàng)新能力中發(fā)揮引領(lǐng)帶動作用;必須在加快提升創(chuàng)新能力中發(fā)揮骨干中堅作用”。
鄭健超院士指出，“型式試驗的圓滿完成，標志著我國對于±800千伏/4750安直流換流閥技術(shù)的研發(fā)已獲成功，我國再一次占領(lǐng)了世界電力電子高端技術(shù)領(lǐng)域的制高點，從此打破了跨國公司的技術(shù)壟斷。”
“爭氣閥”的來歷
相較于交流輸電，直流輸電在遠距離輸電方面受到同步運行穩(wěn)定性的限制更少，十分有利于大電網(wǎng)的安全。而直流輸電關(guān)鍵的設(shè)備就是直流換流閥。什么是直流換流閥?眾所周知，發(fā)電廠送出交流電，百姓生產(chǎn)生活用的也是交流電。而要輸送直流電，就要先把交流電轉(zhuǎn)換成為直流電，在進入千家萬戶前，再把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。實現(xiàn)這一功能的設(shè)備，就是直流換流閥。它位于直流輸電工程的兩端，堪稱直流輸電的“心臟”，沒有它，直流輸電就無從談起。
20年前，當我國條直流線路系統(tǒng)調(diào)試時，設(shè)備上的國外品牌，深深刺痛了當時奮戰(zhàn)在調(diào)試現(xiàn)場的中國電科院高電壓領(lǐng)域眾多專家的自尊心——作為國內(nèi)業(yè)界歷史悠久，權(quán)威的研究機構(gòu)，新中國成立以來，中國電科院承擔了我國電力工業(yè)史上每一項標志性工程的調(diào)試任務(wù)和大量科研項目，可是當時，卻不得不低頭承認這一現(xiàn)實——在直流輸電領(lǐng)域，我們技不如人!自1954年世界上條高壓直流輸電線路投入商業(yè)運行以來，西方國家經(jīng)過了幾十年的經(jīng)驗積累，可是我國的高壓直流輸電技術(shù)研究還處于初級階段。
也就是從那時起，掌握這項技術(shù)的跨國公司一直把持著這項技術(shù)賺取超額利潤。一條直流工程，設(shè)備投資的近一半都要花在直流換流閥上。還不止于此，“你要買換流閥?好，就連換流站內(nèi)地磚、草皮都要打包一塊買”。那么技術(shù)引進，我們花錢買技術(shù)可以么?答復是：“NO”!直流換流閥技術(shù)是他們手中王牌中的王牌，是一只會下金蛋的雞。出售核心技術(shù)，無異于殺雞取卵。
為了保護這項技術(shù)，幾家互為競爭對手的跨國公司步調(diào)竟難得一致：不在核心期刊發(fā)表相關(guān)技術(shù)文章;不發(fā)布任何產(chǎn)品的技術(shù)資料和細節(jié)圖片;出廠的產(chǎn)品都要蒙上厚厚的包裝;甚至為換流閥做試驗的實驗室，都被采取了嚴格的保密措施。
“在我們的實驗室建成前，世界上只有兩個同類實驗室可以做換流閥的型式試驗，做一次試驗?zāi)阒酪嗌馘X?”中國電科院的魏博士笑著伸出兩個手指：“200萬?”這已經(jīng)是記者認定的限價格。魏博士笑著擺了擺手：“你們少猜了一個零，是2000萬人民幣!”
“摧鋒于正銳，挽瀾于危”。一定要攻克這道直流輸電技術(shù)難題，為中國人爭這口氣。這就是研發(fā)的直流換流閥的別名——“爭氣閥”的來歷。
強大引擎開動
作為一項集電力系統(tǒng)分析、大功率電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、機械工程、熱學等十多個學科為一體工程技術(shù)，直流輸電技術(shù)的綜合性強，復雜程度。而基于特高壓大功率晶閘管串聯(lián)技術(shù)的特高壓直流換流閥技術(shù)，又是其中難跨越的一道深壑。
一代又一代電力科研人員為了攻克這一難題，漚心瀝血，廢寢忘食。“如果中國電科院不能研發(fā)，國內(nèi)就再沒有誰能做了。”中國電科院副總工程師湯廣福自豪地說。
作為我國電力行業(yè)多學科、綜合性的科研企業(yè)，中國電科院的研究范圍涵蓋電力科學及其相關(guān)領(lǐng)域的各個方面，擁有11個研究所、12個產(chǎn)業(yè)公司、9個部級質(zhì)量檢驗測試中心、1個研究生部、1個博士后流動站、1個博士后工作站，輔以39個主要實驗室。擁有如此強大的科研產(chǎn)業(yè)實力，要解決直流換流閥的這道世界性難題，確實是舍我其誰。
那么，下一個問題就是，引進技術(shù)還是研發(fā)呢?“我們一開始也想分步走，走引進消化吸收的技術(shù)路線，嘗試著和三個跨國公司都接觸過。兩家產(chǎn)品已進入中國市場的公司十分忌憚與中國電科院合作，因為他們了解我們的研發(fā)實力，生怕他們的拳頭技術(shù)被我們學走!”湯廣福苦笑著說，“另一家公司同意與我們合作，但合同執(zhí)行了一半就沒有下文了，技術(shù)圖紙一張也沒給過我們。那么，我們干脆甩開他們，做自己的核心技術(shù)!”
實踐證明，這條路走得正確。在過去的20年中，通過中外合資的方式，國內(nèi)某些行業(yè)將90%的市場拱手相讓，但絕大部分合資企業(yè)卻并沒有真正研發(fā)出屬于自己的核心技術(shù)，而且花費了巨額資金。
“我們換來的不是技術(shù)，而是進入成熟期、衰退期，甚至馬上就要淘汰的技術(shù)。”科技部的一位專家一語道破天機。要想贏得先機、占領(lǐng)制高點，創(chuàng)新是擺在中國電科院人面前的唯一選擇。
“我們中國電科院，要干就要干好的!”從年青的科研團隊身上，我們看到了老一輩科研人員一脈相承的倔強氣質(zhì)。此時，中國電科院全院員工都信念堅定，要盡快搶占特高壓直流換流閥這個輸電工程關(guān)鍵技術(shù)、重大設(shè)備研發(fā)的制高點。只有登上這座高峰，我國才能打破國外的技術(shù)封鎖，展現(xiàn)一片廣闊的新天地。
一臺中國電力科學界為強勁的引擎發(fā)出了隆隆轟鳴，向著世界電力峰發(fā)起了沖擊。
終點即是起點
憑借多年在電力系統(tǒng)和高電壓領(lǐng)域的深厚積淀，憑借著國內(nèi)唯一擁有研發(fā)、制造知識產(chǎn)權(quán)可控串補等大功率電力電子產(chǎn)品的寶貴經(jīng)驗，短短的一年半時間內(nèi)，中國電科院順利完成了“爭氣閥”的研發(fā)。
“大家沒有周末，甚至沒有黑白天。領(lǐng)導身先士卒，誰還能夠躲在后面拖后腿!我們搶出的是別人吃飯睡覺的時間!”就是憑著這一股子勁頭，年輕的科研團隊完成了令人瞠目的壯舉。
“爭氣閥”的研發(fā)團隊領(lǐng)軍人物、中國電科院副院長邱宇峰以及副總工程師湯廣福卻有著更深的感受，“豈止是一年半?創(chuàng)新，是在中國電科院幾十年的科研功力和經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上完成的，不是一蹴而就，更不是平地起樓。”中國電科院是國內(nèi)早從事直流輸電技術(shù)研究與開發(fā)的科研單位之一，在直流輸電系統(tǒng)分析、設(shè)計、仿真與調(diào)試等方面積累了豐富的經(jīng)驗，同時在柔性交流輸電技術(shù)的國產(chǎn)化和應(yīng)用推廣進程中，在高壓串聯(lián)晶閘管閥的研究、分析、設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及試驗等一系列核心技術(shù)方面也取得重大突破，此外還擁有完整的人才隊伍，負責建設(shè)和運維特高壓直流試驗基地和具有世界水平的大功率電力電子試驗室。這一切，都為直流輸電換流閥研制和示范項目的成功實施打下了良好的基礎(chǔ)。
在“爭氣閥”的研發(fā)過程中，研發(fā)團隊全面建設(shè)直流輸電換流閥基礎(chǔ)理論、成套設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和關(guān)鍵設(shè)備研制、集成技術(shù)、試驗技術(shù)等研究與開發(fā)平臺，掌握了直流輸電換流閥的一系列核心技術(shù)，實現(xiàn)了直流輸電核心技術(shù)瓶頸的重點突破。
“爭氣閥”在技術(shù)上擁有國外產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢。一位核心科研人員向我們一一例舉。首先，它擁±800千伏/4750安的電壓等級和通流能力，超越了國外同類產(chǎn)品。“換流閥就相當于一座水壩，能承受的電壓大小決定了水壩的蓄水高度，耐受的電流大小則與水壩的泄洪量密切相關(guān)。其所承受的高電壓代表其的蓄水高度，也就意味著比其他換流閥在能量傳輸上距離更遠，在相同距離上損耗更小。它所耐受的大電流，則代表其具有更大泄洪容量，也就意味著能輸送更多能量。同時，由于電壓、電流的提高，在整個能源流經(jīng)的路徑上，還能地節(jié)約線路走廊資源。”
其次，特高壓直流換流閥擁有9級壓裝式TCA(晶閘管壓裝集成)，一般來說，常規(guī)TCA壓裝是6級，也就是一個TCA由6個晶閘管壓裝而成。與傳統(tǒng)相比，9級壓裝式TCA將減少并聯(lián)的數(shù)量，能有效將閥模塊體積縮小50%，使整個閥塔得到整體優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更加緊湊、占地更少，并且可靠性更高。
再次，它的水冷電阻一體化設(shè)計和飽和電抗器分體設(shè)計更是中國電科院的獨門絕技：將水冷系統(tǒng)與電阻合二為一，使換流閥結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性更高，性能更。這相當于把兩個部件合成為一個，部件數(shù)量減少了，自然結(jié)構(gòu)更明了，造成安全隱患的環(huán)節(jié)減少了，從而具有更高的穩(wěn)定性。而分體的飽和電抗器就相當于電腦的“雙核”，能使換流閥具有更大的兼容性，不僅能滿足特高壓的工程需求，而且具有向下兼容能力，能覆蓋更多電壓、電流等級工程需要。一位設(shè)計人員解釋說，換流閥是高精尖的產(chǎn)品，生產(chǎn)成本較高，為了不造成浪費，科研人員在設(shè)計之初就對兼容問題進行了考慮，不僅提高產(chǎn)品利用率，而且使整個閥模塊更加勻稱美觀。
而“爭氣閥”可靠性更是無人能出其右。按照行業(yè)規(guī)定，特高壓直流換流閥的使用壽命是35年，按照大電網(wǎng)規(guī)定，兩年才能單閉鎖一次，十年才能雙閉鎖一次。試驗證明，“爭氣閥”的穩(wěn)定性經(jīng)得起現(xiàn)場惡劣環(huán)境的檢驗。
“爭氣閥”進入市場后，預計將在十年內(nèi)整體降低我國直流輸電建設(shè)、運行和維護費用百億元，不但為直流輸電技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用鋪平了道路，而且將會打破跨國公司的壟斷地位，為中國人爭得輸電領(lǐng)域高端市場贏得一席之地。
資料：國內(nèi)外換流閥的發(fā)展
汞弧閥換流時期
1901年 發(fā)明汞弧整流管，但只能用于整流，而不能進行逆變。
1928年 具有柵控制能力的汞弧閥研制成功，不但可用于整流，也解決了逆變問題，它的問世使直流輸電成為現(xiàn)實。
1954年 世界個工業(yè)性直流工程——果特蘭島直流工程在瑞典投入運行。
1977年 后一個采用汞弧閥換流的直流工程投入運行。這個時期被稱為汞弧換流時期。
汞弧閥制造技術(shù)復雜、價格昂貴、逆弧故障率高，可靠性較低、運行維護不便，使直流輸電的發(fā)展受到限制。
晶閘管閥換流時期
上世紀70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓大功率晶閘管問世，晶閘管換流閥和微機控制技術(shù)在直流工程中的應(yīng)用，有效地改善了直流輸電的運行性能和可靠性，促進了直流輸電技術(shù)的發(fā)展。晶閘管換流閥取代了汞弧閥，在此期間，微機控制和保護、光電傳輸技術(shù)、水冷技術(shù)、氧化鋅避雷器等新技術(shù)，在直流輸電工程中也得到了廣泛應(yīng)用，促使直流輸電技術(shù)進一步的發(fā)展。
1970年 瑞典首先在果特蘭島直流擴建中試驗采用晶閘管換流閥。
1972年 世界上個采用晶閘管換流的伊爾河背靠背直流工程在加拿大投入運行。
換流閥技術(shù)在中國
中國的直流輸電是在1985年考慮長江三峽水利資源開發(fā)以及三峽電站的電力外送問題時提出的。
1963年 中國電科院便建成1000伏/5安的直流輸電物理模擬裝置，并利用該裝置開始了對直流輸電換流技術(shù)及控制保護系統(tǒng)進行初步的研究。
上世紀70年代以后，中國電科院用晶閘管替換原來的閘流管并采用了數(shù)字式的控制保護系統(tǒng)。雖然起步較晚，但中國直流輸電跨越了汞弧閥換流時代，直接從晶閘管換流閥開始，并同時對直流輸電的其他設(shè)備也進行了試制。
1989年 我國條直流工程——葛滬工程正式投運，全部設(shè)備外包。由瑞士BBC作為總承包，德國西門子提供南橋站全部一次設(shè)備。
2004年 我國個背靠背直流工程，同時又是一個直流設(shè)備國產(chǎn)化示范工程——靈寶背靠背直流工程順利建成，標志著中國已經(jīng)逐漸成為世界上運行直流工程數(shù)量、容量、線路長的直流輸電大國。靈寶工程的換流閥由中國電科院生產(chǎn)制造，目前各項性能良好。
2010年 寧東-山東±660千伏直流項目換流閥由中國電科院制成，攻關(guān)團隊僅用68天完成世界首個±660kV直流換流閥全部型式試驗。
2010年 中國電科院研制的世界上電壓等級、通流能力的±800千伏/4750安特高直流換流閥順利完成全部型式試驗。
