葛南改造，突破西電東送換流瓶頸——全球首套可控?fù)Q相換流閥研發(fā)紀(jì)實(shí)

在常住人口超2000萬的特大城市上海，千家萬戶的用電安全與葛洲壩—南橋（以下簡稱“葛南”）直流輸電工程直接關(guān)聯(lián)。

從湖北葛洲壩水電站發(fā)出的電能，跨越上千公里，在位于上海奉賢區(qū)南橋鎮(zhèn)的±500千伏南橋換流站，經(jīng)高壓直流換流閥，由直流電轉(zhuǎn)為交流電。每年有50多億度電經(jīng)此輸入上海，點(diǎn)亮萬家燈火。正因如此，高壓直流換流閥被譽(yù)為直流輸電工程的“心臟”。

這個(gè)夏天，南橋換流站又一次通過迎峰度夏“大考”。與往年不同的是，通過葛南直流輸電改造工程，南橋換流站剛剛經(jīng)歷一次成功的換“心”手術(shù)。

9月18日，承擔(dān)換流閥改造任務(wù)的國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司（以下簡稱“智研院”）技術(shù)骨干楊俊向科技日報(bào)記者介紹說，改造工程使用了世界首創(chuàng)的可控?fù)Q相換流閥。為了這個(gè)世界首創(chuàng)，團(tuán)隊(duì)努力了十幾年。

換相失敗成“頑疾”

地處長江入?？诘纳虾Ｊ俏覈?jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，對電力的旺盛需求不言而喻。

沿著長江溯流而上，我國獨(dú)特的三級階梯式地形，造就西部地區(qū)豐富的水電資源，由此孕育的西電東送工程，編織出史無前例的龐大電網(wǎng)。

葛南直流輸電工程就是這張網(wǎng)中的重要一環(huán)。

1983年，隨著我國長江干流上第一座大型水利樞紐葛洲壩水電站發(fā)電機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，作為跨區(qū)電網(wǎng)示范工程的葛南直流輸電工程開始動工興建。1989年，工程投運(yùn)，成為我國首條±500千伏超高壓直流輸電線路。

該工程好比輸電高速公路——三峽的水從湖北宜昌出發(fā)，至上海約需16天，而三峽的水電至上海僅需0.0038秒，成為外電入滬的重要通道。

隨著年限增長，換流閥等設(shè)備嚴(yán)重老化，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性面臨風(fēng)險(xiǎn)。對葛南直流輸電工程的改造被國家電網(wǎng)有限公司提上日程。換用什么樣的高壓直流輸電換流閥，成為重中之重。

葛南直流輸電工程建設(shè)之初，我國電力工業(yè)還比較落后，只能從國外引進(jìn)傳統(tǒng)高壓直流輸電換流閥。該換流閥采用晶閘管開關(guān)元件，但晶閘管具有固有“半控”特性，只能控制開通，不能控制關(guān)斷，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)輸送功率大額缺失，甚至跌落至零，這一現(xiàn)象被稱為“換相失敗”。自1954年高壓直流輸電技術(shù)誕生以來，這一“娘胎”里帶來的“頑疾”便一直困擾著學(xué)術(shù)界及工程界。

而對上海來說，徹底解決換相失敗問題的需求尤為迫切。當(dāng)時(shí)上海已在有限區(qū)域內(nèi)建設(shè)了4座直流換流站，多直流同時(shí)換相失敗問題突出，傳統(tǒng)裝備已無法滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。

“換相失敗問題，已經(jīng)成為制約更大規(guī)模能源向我國華東等用電負(fù)荷中心輸送的首要因素。”智研院可控?fù)Q相技術(shù)帶頭人賀之淵博士總結(jié)道。

另辟蹊徑解難題

2012年，我國直流輸電尚未形成規(guī)模，落點(diǎn)的密集程度不高，換相失敗帶來的問題并不凸顯，但團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人湯廣福（2017年增選為中國工程院院士）卻敏銳地作出判斷：隨著西電東送工程的深入推進(jìn)，換相失敗將成為制約我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的瓶頸。

就在這一年，團(tuán)隊(duì)開始探索換相失敗問題的解決方案，然而歷時(shí)5年提出的系列技術(shù)只能抵御70%的換相失敗。

此時(shí)，團(tuán)隊(duì)中出現(xiàn)了不同聲音。有人認(rèn)為這種固有“頑疾”，根本沒法解決；也有人認(rèn)為，再研究是浪費(fèi)精力。

2017年3月，團(tuán)隊(duì)通過召開座談會、組織技術(shù)討論會等方式，對換相失敗問題解決思路進(jìn)行充分論證總結(jié)，并對當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界提出的方案進(jìn)行了分析調(diào)研，在研究了百余種電路拓?fù)浜笠恢抡J(rèn)定，只有從電路拓?fù)浣嵌热胧?，才能從根本上解決問題。

“對換流閥進(jìn)行電路拓?fù)鋵用娴膭?chuàng)新，好比是在造一顆全新的心臟，既要考慮原有身體的適應(yīng)性，還要保證心臟在任何情況下都不能出現(xiàn)‘驟停’問題。”賀之淵介紹，團(tuán)隊(duì)提出的新拓?fù)洌枰獜氐捉沂久芗s束下的電路拓?fù)溲葑円?guī)律。

循著這個(gè)思路，2019年，團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了換相電壓的構(gòu)建機(jī)理，通過全控型器件和半控型器件相結(jié)合，巧妙地將故障電流進(jìn)行轉(zhuǎn)移關(guān)斷并同時(shí)構(gòu)建換相電壓，創(chuàng)新性提出可控?fù)Q相換流技術(shù)（CLCC），從根本上讓直流輸電系統(tǒng)對換相失敗產(chǎn)生“免疫”。

成功邁向工程化

2021年10月，首套±800千伏/5000安培換流閥模塊原理樣機(jī)研制成功。

時(shí)值葛南直流輸電改造工程技術(shù)路線論證階段，為了抓住千載難逢的示范應(yīng)用良機(jī)，團(tuán)隊(duì)先后三次邀請專家參加評審論證并對上海南橋換流站進(jìn)行實(shí)地考察交流，共開展了四次設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化工作，獲得工程管理單位一致認(rèn)可，將可控?fù)Q相換流技術(shù)列為改造方案。

2022年2月，可控?fù)Q相換流閥成功中標(biāo)±500千伏葛南直流輸電改造工程。為保證換流閥產(chǎn)品質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)決定在產(chǎn)品最終定型前，研制一套驗(yàn)證性換流閥樣機(jī)并進(jìn)行全方位的試驗(yàn)摸底。

工程實(shí)施在即，必須與時(shí)間賽跑！團(tuán)隊(duì)所有成員自覺放棄了節(jié)假日，甚至一度吃住在實(shí)驗(yàn)室，終于在2022年5月底完成了驗(yàn)證性換流閥樣機(jī)的所有摸底試驗(yàn)，向工程化邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

2022年10月，團(tuán)隊(duì)成功研制出±500千伏/1200安培葛南直流輸電改造工程可控?fù)Q相換流閥產(chǎn)品，并一次性順利通過48項(xiàng)電氣型式試驗(yàn)、226項(xiàng)控制驗(yàn)證試驗(yàn)。

2023年6月11日，葛南直流輸電改造工程開展了人工交流短路試驗(yàn)。為使該試驗(yàn)更具有說服力，改造工程工作組組長張民專門設(shè)計(jì)了對比試驗(yàn)，分別對常規(guī)模式及CLCC模式下兩種工況進(jìn)行人工短路故障模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，CLCC模式下可成功解決換相失敗問題。

2023年6月18日，由我國提出并自主研發(fā)的全球首套可控?fù)Q相換流閥正式投入工程運(yùn)行。7月，“可控?fù)Q相換流閥關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品研制”通過了由10名院士領(lǐng)銜的專家組鑒定，被認(rèn)為“可根本解決常規(guī)直流系統(tǒng)換相失敗問題”。

作為優(yōu)化電力資源配置、促進(jìn)東西部協(xié)調(diào)發(fā)展的國家戰(zhàn)略，西電東送在延續(xù)歷史責(zé)任的基礎(chǔ)上被賦予新的使命，成為能源低碳轉(zhuǎn)型的中堅(jiān)力量。

“建設(shè)新型電力系統(tǒng)，智研院責(zé)無旁貸?！敝茄性簣?zhí)行董事（院長）、黨委書記葛俊向記者表示，“未來，我們將著力加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，為我國能源低碳轉(zhuǎn)型提供更加強(qiáng)大的科技支撐！”