±800kV特高壓直流輸電換流閥研制及應(yīng)用

    我國煤炭資源近80%集中在西部、北部地區(qū)，而約75%的煤電裝機分布在東中部，大規(guī)模、遠距離向東中部輸煤在運、儲環(huán)節(jié)會造成嚴重的大氣污染。特高壓直流輸電正是滿足我國超大容量、超遠距離輸電，實施西電東送戰(zhàn)略的重大技術(shù)，能有效解決清潔能源并網(wǎng)，減少大氣污染，帶動基建、電力裝備等產(chǎn)業(yè)聯(lián)動，是保增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、促消費、治霧霾的重要舉措。

    特高壓換流閥作為特高壓直流輸電的核心裝備，是交直流電能轉(zhuǎn)換的核心單元，多組換流閥按照程序觸發(fā)可實現(xiàn)換流器電壓、電流及功率的控制與調(diào)節(jié)。本項目屬于電氣工程科學領(lǐng)域，涉及電力電子、電力系統(tǒng)、輸配電工程、自動控制等十多個專業(yè)，技術(shù)難度巨大。立項前只有±600kV及以下直流輸電工程，核心技術(shù)被三大跨國公司壟斷，±800kV特高壓直流工程尚處于前期論證階段。

    項目依托科技支撐計劃、國家973課題、北京市以及國家電網(wǎng)公司等十余個重大科研項目，中電普瑞電力工程有限公司（以下簡稱“普瑞工程公司”）歷時十年產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)，解決了理論研究和研發(fā)手段開發(fā)、設(shè)備研制、試驗方法研究、標準規(guī)范制訂、工程實施及推廣應(yīng)用等系列關(guān)鍵問題，打破了跨國公司四十多年的技術(shù)壟斷，特高壓換流閥核心參數(shù)達到世界領(lǐng)先水平。

    項目創(chuàng)新點 普瑞工程公司主研成功世界首個±800kV/4750A特高壓換流閥。項目在寬頻建模及分布參數(shù)提取、非線性組件協(xié)調(diào)配合、多物理場建模及數(shù)值分析、晶閘管規(guī)?；山M電氣均衡設(shè)計、智能化觸發(fā)監(jiān)控以及多源復(fù)合試驗技術(shù)等方面取得了系列自主創(chuàng)新成果。項目成果主要技術(shù)指標居世界第一：額定電流5000A，過負荷電流6000A，耐受故障電流60kA。2010年8月15日，國家能源局主持的成果鑒定認為“±800kV/4750A特高壓直流換流閥產(chǎn)品總體技術(shù)性能達到國際先進水平，核心部件整體技術(shù)指標處于國際領(lǐng)先地位”。當年普瑞工程公司自主知識產(chǎn)權(quán)換流閥裝備被正式命名為A5000型換流閥。經(jīng)過近5年工程歷練和技術(shù)迭代，2015年3月11日，由中國電機工程學會主持的“±800kV/5000A特高壓直流換流閥關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品研制及工程應(yīng)用”技術(shù)成果鑒定會上，以周孝信等六位院士組成的15人鑒定委員會一致認為：“±800kV/5000A特高壓直流換流閥關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品研制及工程應(yīng)用的研究成果，打破了跨國公司的技術(shù)壟斷，全面提升了我國直流輸電換流閥自主設(shè)計和研發(fā)水平，研發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠性特高壓大容量直流換流閥，其綜合技術(shù)水平國際領(lǐng)先。”

    1.解決了晶閘管規(guī)?；山M電氣均衡、高電位分布熱源冷卻、多點懸吊大型閥塔結(jié)構(gòu)抗震等難題，首次研制了混合復(fù)用無局放一體化電阻、分體式飽和電抗器和環(huán)保阻燃絕緣槽梁等系列關(guān)鍵零部件。

    2.提出了換流閥分布參數(shù)提取方法和強非線性數(shù)值仿真方法，建立了換流閥多物理場模型和電磁暫態(tài)仿真模型，解決了換流閥寬頻暫穩(wěn)態(tài)應(yīng)力精確數(shù)學解析難題。

    3.提出了多級高電位復(fù)合取能和保護閥值自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，構(gòu)建了雙冗余控制系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了強電磁干擾下多信息量測控與故障診斷，首次實現(xiàn)了換相失敗的智能化預(yù)測，研制了智能化換流閥觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。

    4.提出多源復(fù)合運行試驗方法和分頻復(fù)用網(wǎng)絡(luò)絕緣試驗方法，解決了高電壓、大電流及強熱場聯(lián)合作用下的換流閥微秒級開通和關(guān)斷應(yīng)力等效的難題，研制了國內(nèi)首個特高壓換流閥成套型式試驗裝置，改變了漂洋過海試驗的歷史。

    5.自主研制的換流閥在世界首個7200MW錦屏—蘇南、首個8000MW哈密南—鄭州±800kV直流工程中應(yīng)用，制訂了換流閥主設(shè)備、工程設(shè)計、試驗、調(diào)試及運維規(guī)程和規(guī)范。

    項目受理專利285項，其中授權(quán)發(fā)明專利69項（含國際6項），發(fā)表論文52篇，制訂國家標準5項，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準1項。

    工程應(yīng)用及效益 歷時10年，普瑞工程公司完成了特高壓換流閥基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備研制、試驗方法和技術(shù)標準等研究工作，掌握了特高壓換流閥的核心技術(shù)，實現(xiàn)了自主化特高壓換流閥技術(shù)的工程應(yīng)用及推廣。

    項目研究成果投入市場后，成功應(yīng)用于世界首個7200MW錦屏—蘇南和8000MW哈密南—鄭州、溪洛渡—浙西直流工程，正在8000MW靈州—紹興直流工程中推廣。

    2012年7月12日，A5000型換流閥一次性無故障通過系統(tǒng)試驗，實現(xiàn)“零”異常報文，在錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程中正式投運，實現(xiàn)年輸電容量630億千瓦時。兩年來，自主知識產(chǎn)權(quán)換流閥運行狀態(tài)良好，與一同投運的其他技術(shù)路線比較，是唯一未發(fā)生非計劃事故停運的產(chǎn)品，投運當年即解決了蘇州十年來限電的困局，每年可減少煙塵、二氧化硫排放30多萬噸。

    哈密南—鄭州特高壓直流工程已于2014年1月成功投運，成為連接西部邊疆與中原地區(qū)的“電力絲綢之路”，促進了我國能源基地的開發(fā)利用，緩解了中東部地區(qū)的缺電局面。溪洛渡—浙西特高壓直流工程也順利于2014年7月雙極投運。它是連接我國西南水電基地和東部負荷中心的能源大通道，建成后每年可向浙江地區(qū)輸送清潔水電約400億千瓦時，相當于節(jié)省標煤1228萬噸，減排二氧化碳超過3400萬噸，是國家實施“西電東送”戰(zhàn)略的重點工程。

    憑借出色的產(chǎn)品性能與工程實施能力，2014年12月，普瑞工程公司成功中標靈州—紹興±800kV特高壓直流輸電工程靈州站全部換流閥及閥控、水冷系統(tǒng)設(shè)備供貨。以高端裝備工程推廣應(yīng)用落實國務(wù)院大氣污染防治行動計劃，促進西電東送，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電安全可靠。

    此外，依托本項目成果“特高壓換流閥成套型式試驗?zāi)芰Α?，首次在歐洲大陸以外完成直流換流閥型式試驗，復(fù)合運行試驗裝置最高電壓80kV、最大電流7500A，直流耐壓試驗裝置最高電壓2400kV。已先后為三滬Ⅱ回，±660kV寧東至山東，以及±800kV錦屏—蘇南、哈密南—鄭州、溪洛渡—浙西等8項重大直流工程換流閥提供了型式試驗服務(wù)，包含了國內(nèi)外全部4種技術(shù)路線，結(jié)束了我國直流換流閥“國內(nèi)組裝，國外試驗”的歷史，提高了工程建設(shè)效率，縮短了建設(shè)周期，節(jié)約了數(shù)億的外匯支出。

    普瑞工程公司研發(fā)的自主知識產(chǎn)權(quán)A5000型特高壓換流閥產(chǎn)品因突出的技術(shù)和成本優(yōu)勢，在國內(nèi)市場的占有率正穩(wěn)步提高，四年來累計實現(xiàn)銷售收入近20億元。隨著西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)的全面實施，特高壓換流閥有著更加廣闊的市場應(yīng)用前景。