10月14日,在中国电机工程学会成立90周年暨2024年年会主题活动——2024年中国电机工程学会女工程师论坛上,电网头条记者就中国特高压技术进步助力“双碳”目标实现相关内容采访了国家电网有限公司特高压建设分公司党委书记、副总经理种芝艺。
▲电网头条特派记者采访种芝艺。
电网头条:目前,我国在特高压电网工程建设创新上取得了哪些成就?
种芝艺:特高压技术是输变电技术的“金字塔”,是中国制造引领世界的一张“金色名片”。截至2023年年底,我国已建成39个特高压工程。特高压技术以高效、可靠、经济的方式实现了区域大电网互联,建成了“西电东送、北电南供、水火互济、风光互补”的能源运输“主动脉”,保障了资源广域优化配置和可再生能源集约开发消纳,助力实现“双碳”目标,构建了新型电力系统的骨干网架。
随着一大批特高压交直流工程的陆续建成及稳定运行,我国实现了特高压技术“从0到1”的突破,实现了输变电技术创新从跟跑到领跑的跨越。特高压电网工程建设,在里程碑工程、成套设计、科技创新、设备制造、试验能力、国际国内标准、全产业链专业队伍、海外工程及标准化工作等方面均取得全面突破。
在里程碑工程方面,我国已建成“19交20直”特高压工程体系,其中包括世界首个特高压交流工程——1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程、世界首个特高压直流工程——±800千伏云南—广东特高压直流输电工程,以及±800千伏向家坝—上海特高压直流输电工程。2019年9月投运的±1100千伏昌吉—古泉特高压直流输电工程,是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。2020年12月投运的乌东德水电站送电广东广西特高压多端直流示范工程(昆柳龙直流工程),是我国首个特高压多端直流示范工程、世界首个“特高压+柔性”混合直流工程。2022年6月投运的±800千伏白鹤滩—江苏特高压直流输电工程则首次将“常规直流+柔性直流”的混合级联技术应用于实践,是世界首个混合级联特高压直流工程,其送端采用常规直流,受端低端3个柔直换流器并联再与高端串联。
在成套设计及工程设计方面,我国实现了自主化突破,通过自主研发特高压直流成套设计平台与大规模直流输电实时仿真系统,掌握了系统分析、主参数确定、设备技术规范编制、实时仿真等关键技术,实现了主回路方案在安全性、可靠性、先进性与经济性方面的有机统一。
在科技创新方面,特高压直流输电电压跃升至±1100千伏,实现了电压与容量的全新跨越。我们成功解决了电压提升带来的诸多技术难题,如过电压抑制、绝缘耐受、电磁环境控制及电流变大导致的发热问题等,并开展了更高标准的设备研制与系统故障承受能力研究。
在关键设备研制方面,成功研制出±800千伏、±1100千伏等世界最高电压等级、最大容量的换流变压器与直流穿墙套管,攻克了换流变压器在电、磁、热、机械受力等方面的设计制造难题;成功研制出直流场平波电抗器、金属回线转换开关(MRTB)、直流电流互感器(CT)等直流场设备,显著提高了绝缘耐受水平。依托特高压工程,我们建立了从原材料到关键组部件和成套产品的完整国产化特高压设备产业链,形成了批量生产能力。
在试验检测方面,我们的能力大幅提升,为特高压发展与电力科技持续创新提供了坚实的技术支撑。我们积极参与国际标准制定工作,推动国际电工委员会(IEC)成立了高压直流输电技术委员会(TC115)和特高压交流输电技术委员会(TC122),并由中国担任秘书国和主席国。目前,我国已从IEC成员国上升为常任理事国,主导制定了20多项国际标准。
在人才队伍建设方面,我们培养了覆盖全产业链的专业人才队伍,为特高压事业的持续发展提供了坚实的人才保障。
在海外工程方面,成功建设运营了一系列特高压工程国际项目,如巴西美丽山二期工程等。中国标准在国际上得到了广泛认可与应用。
在标准化工作方面,我们深入推进标准化进程,如2024年1月21日召开的“±800kV/8GW特高压直流工程标准化成果”评审会等,许多成果都是应对当前大规模高质量建设特高压工程的有力举措。
特高压技术这一成果不仅实现了全国范围内的资源优化配置,更为电力保供、能源转型和经济社会发展作出了巨大贡献。
电网头条:“双碳”目标对特高压工程建设提出了哪些新要求?在新型电力系统建设中,特高压工程发挥了怎样的作用?
种芝艺:以服务“双碳”目标为战略导向,新型电力系统正面临着新能源高比例接入与电力电子设备广泛应用的双重考验。为有效应对这一挑战,电力系统亟须强化骨干网架的柔韧性和灵活性,以确保新能源能够高效接入电网并实现远距离输送与消纳。在技术革新、地域差异、施工难度这“三大无人区”的严峻挑战下,推进大规模、高强度、高质量的特高压工程建设,对科技创新、装备研发及管理模式的革新提出了更为迫切的需求。
我国已明确规划了七大陆上新能源基地、五大海上风电基地及两大水风光一体化基地。面对这些大型清洁能源基地的建设需求,构建新型电力系统的关键在于加快特高压骨干网架的建设步伐。我国独特的资源分布条件将特高压发展推向了技术、地理、环境三个“无人区”,特别是西北、西南及“沙戈荒”等地区的风电、光伏及水资源富集区,迫切需要通过特高压工程实现能源的高效外送。
当前,国家电力规划中的“三交九直”特高压工程正在稳步推进,海外还有四项直流工程正在实施。此外,后续规划的“十二交九直”特高压项目也已进入前期研究阶段。为应对高海拔及“沙戈荒”等特殊环境带来的新挑战,我们需持续开展科技攻关、装备研发及数字化平台建设,以破解这些复杂环境下的技术难题。
在高海拔、“沙戈荒”等极端自然环境下,电磁环境、空气间隙与绝缘配合、复合材料绝缘性能等电气物理特性均受到严重影响。因此,我们必须研究出适应这些特殊环境的设计、施工关键技术,以保障“沙戈荒”地区的风电、光伏电,以及西南水电等清洁能源的外送。且随着特高压工程沿线海拔的不断攀升,如向上直流(2010年)最高海拔达1600米,锦苏直流(2012年)最高海拔达3700米,青豫直流(2020年)最高海拔达4300米,在建的金上直流更是创造了4900米的特高压工程最高海拔纪录,这要求我们在空气间隙、外绝缘、电磁环境等方面持续开展试验研究,不断突破高海拔对特高压工程的限制。
“特高压+柔直”技术的应用也带来了新的挑战。±800千伏甘肃—浙江特高压直流输电工程,作为全球首个在送、受两端均采用柔性直流输电技术的跨区特高压直流输电工程,首次研发并应用了4500伏、5000安级的电力半导体器件等设备。藏东南地区则计划采用大容量特高压柔直多端技术方案,以充分利用水电和光伏资源互补的优势。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是柔性直流输电换流阀的核心器件。目前,我国已自主研发出4500伏/3000安压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT),打破了国外技术壁垒,并成功应用于张北、白江等工程。大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)的研发仍在继续,目前通流能力达到5000安培~6000安培的样机已研制成功。同时,系统谐振作为柔直工程的难点,也已通过张北、渝粤、白江等工程实现了软件抑制、硬件改变系统阻抗的突破,但仍需进一步深入研究。
在特高压关键组部件和新材料的规模化生产应用及良品率提升方面,我们面临着基础理论薄弱等挑战。应用科研需致力于实现设备制造中的材料替代,如绝缘件、纸板、电工聚丙烯粒料、电工级薄膜等原材料的国产化,并破解低灰分原料、高场强、大容量低电感电容器等技术难题。同时,我们需实现设备关键部件,如分接开关、高压侧AC/DC套管、高质量电阻片、直流电容器的国产化批量生产,并提高良品率。此外,我们还需加强深层次理论基础研究及算法自主化,对关键技术指标、容量裕度、寿命等进行深入研究。
在数字化智能化方面,“特高压+数字化”新技术为行业带来了前所未有的机遇与挑战。采用三维可视化手段进行正向设计,可以显著提高设计质量,避免重大设计变更。“智慧工地”的应用则推动了基建领域的数字化转型和精细管控,提升了安全质量管控水平。机械化替代和装配式的发展进一步促进了减人增效,降低了施工作业的安全风险。