一、近幾十年來廣義直流輸電技術(shù)蓬勃發(fā)展
人類對電力的應(yīng)用和認(rèn)識都是從直流電開始的，到現(xiàn)在已有百余年的歷史。上個(gè)世紀(jì)50年代后，電力需求迅速增長，帶動高壓直流輸電技術(shù)取得關(guān)鍵突破。自1954年世界上第一個(gè)高壓直流輸電工程投運(yùn)以來，直流輸電在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。尤其是近20年來，隨著非化石能源消費(fèi)比例快速增加，能源生產(chǎn)和消費(fèi)區(qū)域之間的距離不斷增大，直流輸電由于在大容量、遠(yuǎn)距離輸送方面具有經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和靈活性等獨(dú)特優(yōu)勢，在歐洲、北美、中國、印度、巴西等世界主要能源生產(chǎn)和消費(fèi)區(qū)域得到了迅猛發(fā)展。以我國為例，自首個(gè)高壓直流輸電工程——±500千伏葛洲壩至上海直流工程投運(yùn)以來，20多年時(shí)間建成投運(yùn)的直流輸電工程共有29個(gè)，其中包括7個(gè)±800千伏特高壓直流輸電工程。這些直流工程將大量西部地區(qū)的能源輸送到東部負(fù)荷中心，有效解決了西部地區(qū)水電、風(fēng)能、太陽能等非化石能源開發(fā)、輸送和消費(fèi)問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
目前在全球范圍內(nèi)，廣義上的直流輸電技術(shù)主要包括基于晶閘管的傳統(tǒng)直流和基于新型電力電子器件的柔性直流兩種類型，均可用于長距離輸電、背靠背電網(wǎng)互聯(lián)、多端輸電等工程實(shí)踐。目前，傳統(tǒng)直流的電壓等級已達(dá)到±1100千伏，容量超過1000萬千瓦，輸電距離超過2000公里。而柔性直流是新一代的直流輸電技術(shù)，具備有功、無功獨(dú)立控制等技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用場景更為豐富，如新能源接入電網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)、孤島供電、多端直流、城市配電網(wǎng)等，目前單回輸送容量可達(dá)到百萬千瓦以上。隨著廣義直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛和深入，其已成為推動能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型與結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)可再生能源高效開發(fā)利用、構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐。
二、廣義直流輸電技術(shù)對電網(wǎng)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響
隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，我國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，能源供應(yīng)能力顯著增強(qiáng)；其中電網(wǎng)供應(yīng)了大約四分之一的終端能源，成為我國能源體系的重要組成部分。近幾十年來，我國電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了很大變化，從最初的局域小規(guī)模電網(wǎng)發(fā)展到區(qū)域中等規(guī)模電網(wǎng)，進(jìn)而發(fā)展到今天的跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)，技術(shù)裝備水平明顯提高。同時(shí)，我們也面臨著世界能源格局深度調(diào)整，全球應(yīng)對氣候變化行動加速，國家間技術(shù)競爭日益激烈，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，資源環(huán)境約束制約不斷強(qiáng)化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。面對能源行業(yè)發(fā)展的新形勢、新問題，2014年，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上明確提出“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源發(fā)展戰(zhàn)略思想，為我國能源發(fā)展提供了重要遵循。
發(fā)展綠色低碳能源是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)。電網(wǎng)是能源革命的重要基礎(chǔ)平臺，電網(wǎng)發(fā)展格局的深刻變革是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是支撐能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的必然選擇，這其中，廣義直流輸電技術(shù)扮演著重要角色。
第一，廣義直流輸電技術(shù)有利于將清潔能源直接送至負(fù)荷中心，將有力推動能源消費(fèi)革命。資源緊缺、環(huán)境污染和氣候變化是當(dāng)今世界面臨的三大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，今后的能源變革都將圍繞更清潔更經(jīng)濟(jì)的發(fā)電、更安全更高效的配置、更便捷更可靠的用電展開。提高電能在終端能源消費(fèi)中的比重，以電為中心轉(zhuǎn)變能源開發(fā)利用方式，已成為全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向。大容量、遠(yuǎn)距離的直流輸電能夠?qū)⑶鍧嶋娏χ苯铀椭霖?fù)荷中心，節(jié)約能源輸送走廊，大幅提高能源利用效率，促進(jìn)能源消費(fèi)方式轉(zhuǎn)變，將越來越多地成為多個(gè)國家電網(wǎng)發(fā)展的方向和選擇。以我國為例，為加強(qiáng)大氣污染防治,加快推動清潔能源替代，2014年，國家提出規(guī)劃建設(shè)12條大氣污染防治輸電通道，從西部地區(qū)向京津冀魯、長三角及珠三角地區(qū)送電，其中有8條通道是直流輸電。同時(shí)，近年來我國在城市等負(fù)荷中心發(fā)展電動汽車和各種新型用能設(shè)施，加大“以電代煤、以電代油”等電能替代，這對電網(wǎng)的供電能力和效率提出更大挑戰(zhàn)；研究認(rèn)為，直流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提升電網(wǎng)供電能力，對受端輸配電網(wǎng)發(fā)展格局具有深遠(yuǎn)影響，這個(gè)發(fā)展動向也需要我們持續(xù)關(guān)注。
第二，廣義直流輸電技術(shù)有利于匯集并大規(guī)模輸送清潔能源，將有力支撐能源供給革命。我國能源資源和負(fù)荷逆向分布，80%的能源資源在西部、北部，而70%的電力負(fù)荷在東中部。這種逆向分布的特征，決定了我國電能輸送具有跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離和大規(guī)模的特點(diǎn)，主要是西南水電、西北火電和風(fēng)電送往華北、華中、華東和南方，從而形成大規(guī)?！拔麟姈|送”“北電南送”電力流格局。預(yù)測到2020年，跨區(qū)、跨國電網(wǎng)輸送容量將達(dá)4.38億千瓦，電力輸送以直流輸電為主。未來我國能源發(fā)展將走綠色低碳道路，風(fēng)電、太陽能成為主要的可再生能源，預(yù)計(jì)到2050年，我國風(fēng)電、太陽能裝機(jī)比例將達(dá)到50%左右。而我國風(fēng)電、太陽能資源豐富地區(qū)主要分布在北部和西部，本地負(fù)荷少，更大規(guī)模的開發(fā)依賴更可靠的接入電網(wǎng)技術(shù)手段，以及更大規(guī)模的遠(yuǎn)距離大容量輸送。柔性直流輸電技術(shù)可以將風(fēng)電、光伏電源匯集并遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷地區(qū)，可有效提升高比例可再生能源接入電網(wǎng)和送出的運(yùn)行可靠性。從目前主要國家或區(qū)域電網(wǎng)在大容量、遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢判斷，為了提高能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等綜合利用效率，采用廣義直流輸電技術(shù)仍將是今后重要的發(fā)展方向，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多輪驅(qū)動、全面安全的能源供應(yīng)體系方面將起到重要作用。
第三，廣義直流輸電技術(shù)有利于提升能源技術(shù)核心競爭力，將有力推進(jìn)能源技術(shù)革命。當(dāng)前，世界主要國家均把能源技術(shù)視為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的突破口，制定各種政策措施搶占發(fā)展制高點(diǎn)，以保持科技領(lǐng)先地位、增強(qiáng)國家競爭力。特高壓直流技術(shù)和柔性直流技術(shù)是我國先進(jìn)制造領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先水平的突出代表，在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，在國際上也廣受贊譽(yù)。在傳統(tǒng)直流技術(shù)方面，2007年，我國第一個(gè)直流自主化示范工程——±500千伏貴州至廣東二回直流投運(yùn)，標(biāo)志著我國建成高壓直流輸電成套設(shè)計(jì)集成技術(shù)體系；2009年，世界首個(gè)特高壓直流輸電工程——±800千伏云南至廣東直流工程投運(yùn)，標(biāo)志著世界進(jìn)入特高壓直流時(shí)代；2014年，世界容量最大的特高壓直流工程——±800千伏哈密至鄭州直流工程投運(yùn)，容量達(dá)到800萬千瓦，標(biāo)志著特高壓直流輸電達(dá)到一個(gè)新的高度；目前我國特高壓直流輸電進(jìn)一步取得突破，額定電壓達(dá)到±1100千伏，輸送距離超過2000公里。在柔性直流技術(shù)方面，2013年，世界首個(gè)多端柔性直流工程——廣東南澳直流工程投運(yùn)；2014年，世界首個(gè)五端柔性直流工程——浙江舟山直流工程投運(yùn)；2016年投運(yùn)的云南魯西背靠背直流工程中，百萬千瓦柔性直流單元的電壓和容量均處于世界最高水平。從目前電力技術(shù)發(fā)展趨勢來看，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，在柔性直流輸配電技術(shù)、新型大容量高壓電力電子元器件技術(shù)上取得突破，并深入開展直流電網(wǎng)技術(shù)、未來電網(wǎng)電力傳輸技術(shù)的研究和試驗(yàn)示范，是推進(jìn)能源技術(shù)革命的重要內(nèi)容，對推動我國能源行業(yè)整體技術(shù)進(jìn)步、提升電力行業(yè)高端裝備的競爭力具有重要意義。
第四，廣義直流輸電技術(shù)有利于建設(shè)更大范圍資源優(yōu)化配置平臺，將有力促進(jìn)能源體制革命。當(dāng)前，我國正在以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，深入推進(jìn)電力體制改革等各項(xiàng)改革落實(shí)落地，更加強(qiáng)調(diào)發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用。直流輸電易于實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)、跨地區(qū)電網(wǎng)的智能互聯(lián)，能夠在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對水電、火電、風(fēng)電、光伏等多形態(tài)電能的高效統(tǒng)籌，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模范圍內(nèi)的電力交易。因此，直流輸電系統(tǒng)能夠有效促進(jìn)多區(qū)域電力市場在物理層面的有機(jī)融合，是區(qū)域電力市場物理基礎(chǔ)的重要組成部分。同時(shí)，利用直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)互通，對于電力市場輔助服務(wù)，具有很好的技術(shù)支撐作用。
第五，廣義直流輸電技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)跨國電網(wǎng)互聯(lián)，有力推動能源國際合作。今年5月，習(xí)近平總書記在“一帶一路”國際合作高峰論壇上發(fā)表的主旨演講中提出，要抓住新一輪能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源技術(shù)變革趨勢，建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。直流輸電保留送受兩端電網(wǎng)的相對獨(dú)立性，適用于大規(guī)?？鐕娋W(wǎng)互聯(lián)。建設(shè)跨國直流輸電系統(tǒng)，可以滿足國家之間大容量、遠(yuǎn)距離輸電或功率交換需求，提高電網(wǎng)互濟(jì)能力和安全可靠性。以南方電網(wǎng)為例，我們立足自身獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢，正在積極利用先進(jìn)的直流輸電等技術(shù)，推動實(shí)施與越南、緬甸、老撾、泰國等周邊國家的電網(wǎng)互聯(lián)互通項(xiàng)目，逐步構(gòu)建瀾湄國家、孟中印緬經(jīng)濟(jì)走廊、東盟國家以及南亞互聯(lián)電網(wǎng)，進(jìn)而形成開放包容、普惠共享的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)。
三、南方電網(wǎng)公司開展直流輸電技術(shù)實(shí)踐取得顯著成效
南方電網(wǎng)覆蓋廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區(qū)、緊密聯(lián)接港澳，并與周邊國家和地區(qū)多點(diǎn)相連，供電面積100萬平方公里，供電人口2.48億人。2016年，南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)裝機(jī)容量2.95億千瓦，全社會用電量10012億千瓦時(shí)，全社會最高負(fù)荷1.68億千瓦。近年來，南方電網(wǎng)公司立足南方區(qū)域東西部能源資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的實(shí)際，深入研究和應(yīng)用廣義直流輸電技術(shù)，推動區(qū)域能源資源優(yōu)化配置，取得了顯著成效。
我們建成了高科技含量的交直流混合電網(wǎng)，在推進(jìn)國家“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施中發(fā)揮了重要作用。南方電網(wǎng)60%的負(fù)荷在廣東，60%的水電裝機(jī)在云南，為滿足東部省區(qū)的電力需求，把西部省區(qū)的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，我們建成投運(yùn)了“八條交流、九條直流”17條西電東送大通道，送電規(guī)模超過3950萬千瓦，其中直流送電規(guī)模超過3000萬千瓦，促進(jìn)了東西部資源優(yōu)化配置和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、互利共贏。特別值得一提的是，“十三五”期間規(guī)劃建設(shè)的烏東德電站送電廣東廣西特高壓直流工程，容量達(dá)到800萬千瓦，將采用多端特高壓直流技術(shù)，其中兩個(gè)受端一個(gè)落點(diǎn)在廣西，容量300萬千瓦；一個(gè)落點(diǎn)在廣東，容量500萬千瓦，這將是我國首次采用特高壓多端直流技術(shù)。
我們推動新一代直流輸電技術(shù)的應(yīng)用，引領(lǐng)柔性直流的工程實(shí)踐。建成投運(yùn)了世界首個(gè)多端柔性直流工程——廣東南澳直流工程，標(biāo)志著我國全面掌握多端柔性直流關(guān)鍵技術(shù)，工程投產(chǎn)后南澳島的風(fēng)電送出實(shí)現(xiàn)“零棄風(fēng)”，可靠性世界領(lǐng)先。根據(jù)國家能源局發(fā)布的《南方電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃(2013—2020年)》，明確南方電網(wǎng)以直流為主、合理控制同步電網(wǎng)規(guī)模的特大型電網(wǎng)技術(shù)路線，我們于2016年建成投運(yùn)了云南魯西背靠背直流工程，實(shí)現(xiàn)了云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的柔性互聯(lián)，有效緩解了南方電網(wǎng)交直流并聯(lián)運(yùn)行存在的電網(wǎng)安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。魯西背靠背直流工程總?cè)萘?00萬千瓦，首次采用了傳統(tǒng)直流和柔性直流背靠背的混合技術(shù)方案，兩個(gè)100萬千瓦的常規(guī)直流單元和一個(gè)100萬千瓦的柔性直流單元并聯(lián)運(yùn)行；其中柔性直流單元直流電壓±350千伏，容量和直流電壓均處于當(dāng)前世界最高水平，這也是我國首次在主干網(wǎng)架中應(yīng)用高電壓、大容量柔性直流輸電技術(shù)。
我們大力實(shí)施科技創(chuàng)新，支撐直流輸電發(fā)展。近年來隨著西電東送的迅猛發(fā)展，迫切需要研究更高電壓等級的直流輸電技術(shù)。我們建立了具有南網(wǎng)特色的產(chǎn)學(xué)研用開放式技術(shù)創(chuàng)新體系，建成了特高壓技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室、實(shí)時(shí)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室、直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等一批國際一流的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，取得了一大批國際先進(jìn)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果。2006年，南方電網(wǎng)公司承擔(dān)國家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題，開展了±800千伏特高壓直流輸電技術(shù)和工程應(yīng)用攻關(guān)，并成功運(yùn)用在云廣特高壓直流中。我們在特高壓直流輸電核心技術(shù)上取得了一系列原始創(chuàng)新成果，形成了我國±800千伏特高壓直流輸電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并推動中國標(biāo)準(zhǔn)上升為國際標(biāo)準(zhǔn)。2011年，公司申報(bào)的“高壓直流輸電工程成套設(shè)計(jì)自主化技術(shù)開發(fā)與工程實(shí)踐”項(xiàng)目榮獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；今年南方電網(wǎng)公司與國家電網(wǎng)公司等單位聯(lián)合申報(bào)的“特高壓±800千伏直流輸電工程”項(xiàng)目，被初評公示為國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。
多直流饋入地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題是南方電網(wǎng)公司面臨的重大課題。廣東珠三角負(fù)荷中心有8回直流密集落點(diǎn)于200公里乘以150公里的區(qū)域，是世界上直流落點(diǎn)最密集的地區(qū)；“十三五”期間，我們還將規(guī)劃新建2回特高壓直流，珠三角負(fù)荷中心直流將增加至10回，直流輸電容量將達(dá)到廣東最大負(fù)荷的30%，電網(wǎng)駕馭難度很大。為此，我們深入研究多直流饋入關(guān)鍵技術(shù)，提出了多點(diǎn)動態(tài)無功支撐技術(shù)，并于2011年投運(yùn)世界上首個(gè)百兆乏級的靜止無功補(bǔ)償裝置(STATCOM)，有效提升了多直流饋入電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。未來我們還將規(guī)劃利用柔性互聯(lián)技術(shù)優(yōu)化多直流饋入的受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。
此外，我們牽頭研制了世界首個(gè)特高壓柔性直流換流閥，將柔性直流技術(shù)提高到±800千伏特高壓等級，容量可達(dá)500萬千瓦；未來隨著碳化硅等新器件的開發(fā)應(yīng)用，將促進(jìn)大容量柔性直流的推廣應(yīng)用，開啟直流輸電的新時(shí)代。我們認(rèn)為，未來新建的大容量直流逆變站采用柔性直流，或?qū)⒉糠謧鹘y(tǒng)直流逆變站改造為柔性直流，可以降低多直流同時(shí)換相失敗帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提升交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，這對于電網(wǎng)布局和長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。
總的來說，廣義直流輸電技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，對形成南方電網(wǎng)良好發(fā)展格局起到了積極的推動作用。南方電網(wǎng)公司大力實(shí)施國家“西電東送”戰(zhàn)略，建設(shè)交直流混聯(lián)電網(wǎng)，形成了適應(yīng)區(qū)域發(fā)展、送受端結(jié)構(gòu)清晰、定位明確的電網(wǎng)主網(wǎng)架格局。2016年，南方電網(wǎng)通過直流通道送廣東的電量比2004年提高了7倍，其中85%的電量是清潔水電，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。2016年底全網(wǎng)非化石能源裝機(jī)容量、發(fā)電量分別占比49.7%、50.7%，高于全國平均水平。
廣義直流輸電技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，是我國電力工業(yè)近二十年來發(fā)展的突出成就，在未來我國能源綠色低碳的轉(zhuǎn)型發(fā)展中，仍將扮演重要角色，繼續(xù)推動我國電網(wǎng)發(fā)展格局深刻變革。南方電網(wǎng)公司愿與各方攜手努力，共同深入研究大容量柔性直流技術(shù)、大容量多端直流技術(shù)、直流電網(wǎng)技術(shù)等前沿技術(shù)，進(jìn)一步提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平，為我國能源工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展、全面建成小康社會作出新的更大的貢獻(xiàn)!
