電網(wǎng)科技的兩大科學難題和一項關(guān)鍵技術(shù)

中國電力科學研究院有限公司（以下簡稱中國電科院）是國家電網(wǎng)公司直屬科研單位，成立于1951年，重點開展電網(wǎng)共性和基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、試驗檢測和技術(shù)標準制定，并為國家電網(wǎng)公司提供全面的技術(shù)支撐。建院以來，中國電科院承擔各類國家科技計劃項目近400項，逐步形成了世界上功能最完整、試驗?zāi)芰ψ顝?、技術(shù)水平最高的特高壓、大電網(wǎng)試驗研究體系，在特高壓交直流輸變電、大電網(wǎng)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域取得一批創(chuàng)新成果。2012年獲得國家科技進步特等獎，2016年獲得國家科技進步一等獎1項、二等獎3項。

黨的十九大提出，要瞄準世界科技前沿，強化基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破；加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究，拓展實施國家重大科技項目，突出關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。國家電網(wǎng)公司著眼黨和國家工作大局，深入推進科技發(fā)展戰(zhàn)略，建設(shè)“一強三優(yōu)”現(xiàn)代公司。按照國家電網(wǎng)公司要求，中國電科院確定了“全面落實‘兩個轉(zhuǎn)變’新要求，聚焦重點發(fā)展方向，全面提升科技創(chuàng)新能力和支撐服務(wù)能力，加快創(chuàng)建‘兩個中心’”的奮斗目標。

在公司科技創(chuàng)新戰(zhàn)略引領(lǐng)下，中國電科院提出一系列創(chuàng)新管理舉措，科技研發(fā)效率進一步提升。一是強化科研頂層設(shè)計，使創(chuàng)新資源更加集中。初步形成“頂層設(shè)計先行、指南申報落地、戰(zhàn)略規(guī)劃兼容”的研發(fā)策劃模式，依托頂層設(shè)計凝練聚焦技術(shù)新方向，培育未來業(yè)務(wù)增長點，并在重大戰(zhàn)略方向的遴選上支撐頂層設(shè)計，促進科技資源進一步向核心技術(shù)方向聚集，在資源有限的情況下，增強了科研投入的系統(tǒng)性、全局性和協(xié)同性。通過科研頂層設(shè)計，凝練出了47個重點研究方向、376項關(guān)鍵技術(shù)、38項核心技術(shù)、8個中長期戰(zhàn)略性科研方向，基本確立了中國電科院未來若干年的核心重點技術(shù)方向。二是實施研發(fā)組織優(yōu)化，使綜合優(yōu)勢更加凸顯。初步建立“總體設(shè)計、集中攻關(guān)、分散實施”的跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)機制，形成院內(nèi)單位互為補充、相互促進、互通有無的協(xié)同攻關(guān)體系。探索試行項目負責人制，強化項目負責人在人員、資源方面的支配、考核權(quán)，調(diào)動和激發(fā)了科研人員創(chuàng)新積極性。通過優(yōu)化研發(fā)組織模式，五年來先后攻克了電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真、特高壓變電設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)、配電網(wǎng)自愈控制、規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)集成等一大批關(guān)鍵技術(shù)難題。

隨著國家科技計劃改革方案逐步實施，國家有關(guān)部門于2016年首次采用國家重點研發(fā)計劃專項形式組織項目申報。在國資委、國家電網(wǎng)公司的大力支持和有序組織下，中國電科院積極參與各相關(guān)專項申報，在2016年和2017年共計參與8個專項、47個項目的申報，其中31個項目（8項牽頭、23項配合）獲批立項，連續(xù)兩年成為智能電網(wǎng)領(lǐng)域中承擔項目最多的單位。

【實現(xiàn)高端絕緣材料國產(chǎn)化提升電氣設(shè)備可靠性——特高壓電氣設(shè)備用納米復(fù)合絕緣材料與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)】

環(huán)氧復(fù)合材料是特高壓電氣裝備的關(guān)鍵絕緣材料，用量大，且不可替代。在我國特高壓工程建設(shè)過程中，特高壓電氣設(shè)備的關(guān)鍵件——環(huán)氧絕緣件和飽和電抗器都遇到了絕緣材料性能與國外存在差距的問題。

關(guān)鍵絕緣材料國產(chǎn)化

特高壓工程建設(shè)之初，盆式絕緣子材料大部分以進口為主，國外如ABB、三菱、東芝、日立等均掌握特高壓盆式絕緣子材料關(guān)鍵技術(shù)，其中東芝特高壓盆式絕緣子材料具備高耐熱、高韌性等特點，玻璃化溫度達到130℃，拉伸強度達到80MPa，在特高壓工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛。國內(nèi)開關(guān)制造企業(yè)如平高、西開、新東北電氣等在環(huán)氧澆注配方、設(shè)計結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)方面均存在較大差距，材料強度均在75MPa以下，玻璃化溫度為120℃左右。

特高壓盆式絕緣子在澆注成型過程中需要解決應(yīng)力控制、缺陷控制、溫度場控制等多項控制難題，深入到絕緣子用環(huán)氧樹脂澆注料層面，則需要從澆注料固化產(chǎn)物的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多層次微觀結(jié)構(gòu)、有機—無機界面相容性、納米粒子分散與改性等方面對澆注料的配方進行優(yōu)化。國家重點研發(fā)計劃項目“特高壓電氣設(shè)備用納米復(fù)合絕緣材料與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”將從環(huán)氧樹脂及其固化劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬、納米粒子的合成與表面調(diào)控及分散、無機填料的表面改性、環(huán)氧復(fù)合絕緣材料澆注料的配方研制及批量化生產(chǎn)，多個層面開展系統(tǒng)研究，全面掌握環(huán)氧復(fù)合絕緣材料的配方和批量化生產(chǎn)技術(shù)。

對于換流閥用飽和電抗器，中空線圈匝與匝之間需采用樹脂進行固定，其導熱性將直接影響電抗器內(nèi)部的溫度分布。據(jù)報道，電抗器用樹脂絕緣材料的熱導率(0.7—0.8W/(m˙K))和耐熱等級(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度90℃—100℃)偏低。如果可以將其熱導率提高1倍甚至更高，達到1.5W/(m˙K)以上，將極大改善鐵芯的散熱效果，大幅度降低鐵芯溫度，提高絕緣材料的使用壽命，同時能有效控制電抗器絕緣設(shè)計的難度和制造成本，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

項目將對直流換流閥飽和電抗器用高導熱絕緣封裝材料關(guān)鍵技術(shù)展開研究，攻克目前提高絕緣封裝材料熱導率的瓶頸問題，有效降低現(xiàn)有閥電抗器鐵芯的工作溫度，使其在設(shè)計溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定安全可靠運行。研究成果將為生產(chǎn)廠家對電抗器封裝材料的配方技術(shù)、制備工藝等方面進行有針對性地改進提供方向，提升我國在電抗器領(lǐng)域的技術(shù)和生產(chǎn)能力，為完全擺脫國外公司在高壓直流輸電裝備中的制約奠定基礎(chǔ)。

提升設(shè)備可靠性

近年來，采用進口環(huán)氧樹脂，國內(nèi)研制出特高壓盆式絕緣子等環(huán)氧絕緣件，已廣泛用于特高壓交流工程，然而不管是進口材料的國產(chǎn)化絕緣件還是進口絕緣件，其絕緣失效一直是特高壓電氣設(shè)備故障的主要原因。另外，由于我國是國際上完整掌握特高壓輸電技術(shù)的國家，并且也是世界上唯一有特高壓工程商業(yè)化運行經(jīng)驗的國家。用國外進口的環(huán)氧復(fù)合材料生產(chǎn)的特高壓盆式絕緣子也發(fā)生過多次閃絡(luò)問題，尚不能很好地滿足運行要求。環(huán)氧絕緣件的故障中，氣固界面的閃絡(luò)問題占環(huán)氧絕緣件故障的80%以上，并且難以預(yù)測。環(huán)氧絕緣件閃絡(luò)已成為制約特高壓電氣設(shè)備可靠性進一步提升的瓶頸。為了解決這類問題，除了前文提到的加強對于基礎(chǔ)材料本身性能的研究，還要從設(shè)計、制造與運維診斷等方面加以系統(tǒng)解決。

本項目研究制備工藝、納米添加對氣固界面特性的影響，掌握氣固界面場強耐受特性與電場設(shè)計準則;通過建立環(huán)氧復(fù)合絕緣系統(tǒng)多場耦合仿真模型，研究多場協(xié)同設(shè)計方法。結(jié)合絕緣件表面狀態(tài)調(diào)控，提高氣固界面耐受場強。

以現(xiàn)在的檢測手段，很多絕緣件內(nèi)部或沿面的微小缺陷難以發(fā)現(xiàn)，因此項目研究脈沖電流局放檢測和特高頻局放檢測優(yōu)化方法，以及X射線絕緣缺陷激勵技術(shù)、新型光纖超聲局放檢測技術(shù)、陡波沖擊試驗技術(shù)，并研制金屬封閉式陡波沖擊電壓發(fā)生器，來提高絕緣件微缺陷檢測技術(shù)的靈敏度。

同時，研究多場耦合條件下絕緣件表面缺陷發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，掌握絕緣件絕緣失效原理，提出多源信息融合的絕緣件缺陷檢測技術(shù),從而實現(xiàn)對缺陷的早期診斷，建立運行中絕緣件缺陷危害狀態(tài)評估方法與運維策略。降低絕緣件的故障率，提升設(shè)備運行的可靠性。

本項目的實施，將使我國在關(guān)鍵材料、設(shè)計制造和運維診斷等方面達到國際先進水平，形成特高壓電氣設(shè)備用國產(chǎn)化環(huán)氧納米復(fù)合材料配方體系，可在超、特高壓方面全面替代進口。同時將培養(yǎng)一批從事特高壓電氣設(shè)備關(guān)鍵材料與應(yīng)用和檢測相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新人才，推動國內(nèi)特高壓電氣行業(yè)的技術(shù)進步，為特高壓電氣設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用提供堅實的技術(shù)、裝備及人才保障。

項目研制的環(huán)保氣體全球變暖系數(shù)值僅為SF6的5%，可帶動氣體絕緣設(shè)備環(huán)保化升級換代。

研發(fā)新型絕緣氣體，給電力設(shè)備輸送新鮮血液，與環(huán)境友好相處，給電力工作者提出了巨大的挑戰(zhàn)。

世界難題

國際上各大電力裝備巨頭都在積極研發(fā)新型環(huán)保氣體，美國3M公司、GE公司和ABB公司都取得了突破，正在逐漸形成技術(shù)壟斷優(yōu)勢。面對國外公司強勁的領(lǐng)跑優(yōu)勢，國內(nèi)幾代電力人嘔心瀝血，但仍主要停留在實驗室研究階段，“我國替代六氟化硫的環(huán)保氣體研究仍處于探索階段，與國外同類技術(shù)相比差距較大，相關(guān)研究亟待提速和深入?！眹抑攸c研發(fā)計劃項目“環(huán)保型管道輸電關(guān)鍵技術(shù)”負責人、中國電力科學研究院副院長高克利這樣介紹。

當輸電線路遇到高落差、過江河等特殊地理環(huán)境條件時，采用氣體絕緣管道輸電近年來逐漸成為了架空線路的重要補充，中國電力科學研究院組織平高集團、西開電氣等單位率先研制出六氟化硫絕緣的特高壓(1000kV)輸電管道，在淮南—南京—上海特高壓交流工程中3個變電站成功應(yīng)用;同時，國家電網(wǎng)公司自主研發(fā)的六氟化硫混合氣體特高壓輸電管道樣機在武漢特高壓交流試驗基地帶電考核。國內(nèi)積累多年豐富的特高壓開關(guān)類設(shè)備研發(fā)和制造經(jīng)驗，為研制采用新環(huán)保氣體的輸電管道打下了堅實的基礎(chǔ)。

目前，GE公司將新環(huán)保氣體用于420kV輸電管道并取得了工程應(yīng)用，宣稱了新環(huán)保氣體應(yīng)用于輸電管道的可行性。但1000kV環(huán)保輸電管道電壓等級高，環(huán)保和絕緣要求嚴，設(shè)計、制造和運行需要考慮的因素多，國內(nèi)外均無相關(guān)技術(shù)?！叭魧⑿滦铜h(huán)保絕緣氣體應(yīng)用于特高壓1000kV電壓等級，需解決‘三飽和、一突破’的難題，隨電壓等級升高，間隙絕緣、沿面絕緣和通流能力趨于飽和，機械強度難以突破?！表椖控撠熑烁呖死f。

技術(shù)挑戰(zhàn)

項目在1000kV六氟化硫輸電管道研發(fā)基礎(chǔ)上，借鑒420kV新環(huán)保氣體輸電管道的研制經(jīng)驗，攻克環(huán)保管道輸電關(guān)鍵技術(shù)，研制出1000kV環(huán)保輸電管道用新環(huán)保氣體、支撐絕緣子及輸電管道樣機?！绊椖啃杞鉀Q新氣體絕緣性與環(huán)保性的矛盾和基于新氣體的氣固絕緣系統(tǒng)設(shè)計難題，重點突破環(huán)保絕緣氣體中氣固絕緣體系的放電規(guī)律和氣固相容性、1000kV輸電管道用三支柱絕緣子設(shè)計和制造關(guān)鍵技術(shù)，及環(huán)保輸電管道運維檢修技術(shù)?！闭n題負責人周文俊介紹。

國內(nèi)外僅對少量潛在六氟化硫替代氣體及混合氣體開展了氣固絕緣體系放電特性研究，我國尚未掌握新環(huán)?；旌蠚怏w絕緣技術(shù)，需開展放電物性參數(shù)、絕緣特性及介質(zhì)恢復(fù)特性研究。氣固材料相容性是保障輸電管道可靠性的前提，需掌握新環(huán)保氣體及其分解氣體與固體材料的相互作用規(guī)律，提出氣固相容調(diào)控方法。

輸電管道運行時需承受電、熱和力等多應(yīng)力作用，新環(huán)保氣體特性使得環(huán)保輸電管道及支撐絕緣子的絕緣、通流和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計等方面存在較大的難度;1000kV輸電管道用三支柱絕緣子的制造工藝控制、絕緣子表面形態(tài)調(diào)控和輸電管道內(nèi)部金屬微粒抑制等面臨較大的挑戰(zhàn)。需攻克1000kV新環(huán)保氣體輸電管道三支柱絕緣子設(shè)計和制造技術(shù)，為輸電管道單元樣機研制提供關(guān)鍵部件。

新環(huán)保氣體的混合制備、性能檢測、儲存運輸，及輸電管道的故障檢測與定位、運行狀態(tài)監(jiān)測和評價等技術(shù)，均與現(xiàn)有的六氟化硫及其設(shè)備運維技術(shù)存在較大的差異，有必要開展新環(huán)保氣體的運維監(jiān)測技術(shù)研究，為環(huán)保型輸電管道可靠運行提供充分的保障。

圍繞上述三方面的科學和關(guān)鍵技術(shù)難題，項目開展環(huán)保絕緣氣體介質(zhì)放電的物性參數(shù)及絕緣特性研究、環(huán)保氣體中氣固材料相容性和界面絕緣性能研究、1000kV輸電管道用支撐絕緣子設(shè)計制造技術(shù)、1000kV環(huán)保管道輸電系統(tǒng)研制與運維技術(shù)等方面的研究。

項目預(yù)期研制出1000kV環(huán)保輸電管道用環(huán)保絕緣氣體、盆式絕緣子和三支柱絕緣子及長18m的輸電管道標準單元樣機。采用的環(huán)保氣體相同壓力下氣體絕緣性能達到六氟化硫的80%，液化溫度不高于-15℃。項目的研究成果將為解決特高壓、遠距離、復(fù)雜地理環(huán)境下的輸電瓶頸提供強力支撐，并可推廣應(yīng)用于其他電力設(shè)備，持續(xù)引領(lǐng)設(shè)備環(huán)境友好性升級，具有顯著的經(jīng)濟社會效益。

為我國特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)安上智慧大腦——大電網(wǎng)智能調(diào)度與安全預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

調(diào)度是控制電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的大腦，是維系電力生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)，是保障智能電網(wǎng)運行和發(fā)展的重要手段。相比于國外，我國電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展迅速，很多技術(shù)已達到世界領(lǐng)先水平。其中，2008年國家電網(wǎng)公司組織研發(fā)的智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)(D5000)，基于一體化平臺集成了實時監(jiān)控與預(yù)警等4大類應(yīng)用，獲得國家科技進步二等獎，目前已推廣至國網(wǎng)運營范圍內(nèi)全部省級以上及眾多地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)。

電網(wǎng)調(diào)度控制面臨新挑戰(zhàn)

當前，我國特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)運行特性發(fā)生深刻改變，電網(wǎng)調(diào)度控制也面臨了新的更大的挑戰(zhàn)。一方面，特高壓長距離、大功率輸電，跨越多個氣候區(qū)，運行環(huán)境復(fù)雜多變，亟須各級調(diào)度同步掌控電網(wǎng)運行態(tài)勢;另一方面，特高壓電網(wǎng)送受端、交直流強耦合，存在局部故障影響全局的安全風險，需要在全網(wǎng)層面實時進行跨區(qū)一體化安全預(yù)警和風險防控;此外，大范圍源—網(wǎng)—荷資源的優(yōu)化配置，亟須提升市場條件下全網(wǎng)范圍精益化調(diào)控的決策支撐能力。

新架構(gòu)、新技術(shù)，為大電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行保駕護航

據(jù)國家重點研發(fā)計劃項目“大電網(wǎng)智能調(diào)度與安全預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”負責人、國家電力調(diào)度控制中心許洪強副主任介紹：“現(xiàn)有調(diào)度控制系統(tǒng)沿襲了電網(wǎng)弱互聯(lián)階段的體系架構(gòu)，難以支撐大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)調(diào)度運行的需求。迫切需要開展大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)一體化智能調(diào)度與安全預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建基于云計算理念的‘物理分布、邏輯統(tǒng)一’的智能調(diào)控平臺，實現(xiàn)大電網(wǎng)整體協(xié)調(diào)控制，提升大電網(wǎng)運行安全預(yù)警能力。”

項目圍繞特高壓大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)調(diào)度運行控制重大需求設(shè)置了五個課題，即智能調(diào)控平臺體系架構(gòu)和實時透明訪問技術(shù)，調(diào)控系統(tǒng)按需建模與廣域數(shù)據(jù)分布式處理技術(shù)，計及源荷雙側(cè)不確定性的大電網(wǎng)智能調(diào)度控制技術(shù)，大電網(wǎng)一體化在線安全風險防控和智能決策技術(shù)，以及面向大電網(wǎng)的一體化運行智能調(diào)控平臺開發(fā)和應(yīng)用。

智能調(diào)控平臺體系架構(gòu)和實時透明訪問技術(shù)面向大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)的一體化調(diào)度運行的監(jiān)視、控制和決策的業(yè)務(wù)需求，以云計算、網(wǎng)絡(luò)科學、信息物理融合等理論為指導，提出支持“物理分布、邏輯統(tǒng)一”的分布式異地多活智能調(diào)控平臺體系架構(gòu);以數(shù)據(jù)資源的網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化為基礎(chǔ)，按權(quán)限和需求對任意位置的電網(wǎng)信息透明訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的需則可用,為后續(xù)課題提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

調(diào)控系統(tǒng)按需建模與廣域數(shù)據(jù)分布式處理技術(shù)著重解決大電網(wǎng)模型的靈活定義、圖模多版本管理、分布式源端維護與按需共享，提出數(shù)據(jù)流式處理方法，實現(xiàn)廣域數(shù)據(jù)需則可用及高速并行處理、數(shù)據(jù)分布式存儲和高效訪問技術(shù)，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的主子站廣域協(xié)同處理和故障診斷，為后續(xù)課題提供模型、數(shù)據(jù)支撐。

計及源荷雙側(cè)不確定性的大電網(wǎng)智能調(diào)度控制技術(shù)通過研究異質(zhì)電源與柔性負荷響應(yīng)不確定性統(tǒng)一模型和電力系統(tǒng)大規(guī)模分析及優(yōu)化的計算方法，采用計及置信區(qū)間的多周期多目標調(diào)度計劃生成電網(wǎng)經(jīng)濟運行域，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和智能學習技術(shù)對大電網(wǎng)運行狀態(tài)進行多維度實時評估，從而得到電網(wǎng)最優(yōu)運行點，并指導和實施分區(qū)電網(wǎng)源荷協(xié)同優(yōu)化控制。

電網(wǎng)一體化在線安全風險防控和智能決策技術(shù)提出計及源荷雙側(cè)不確定性的大電網(wǎng)安全風險評估方法，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對大電網(wǎng)進行多時間尺度快速安全風險前瞻預(yù)警，對高風險預(yù)警場景進行大電網(wǎng)安全風險預(yù)防控制策略優(yōu)化，并跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)對三道防線和系統(tǒng)保護進行協(xié)同校核，實現(xiàn)大電網(wǎng)一體化安全風險防控和智能決策。

項目預(yù)期將研發(fā)高可擴展性和高性能的智能調(diào)控平臺并實現(xiàn)示范應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)負荷峰谷差降低5%、新能源消納能力提高3%。項目的實施，將改變調(diào)控中心各自孤立進行分析決策的現(xiàn)狀，為我國特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)安上智慧的大腦，實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的精益化調(diào)控決策，顯著提升大電網(wǎng)調(diào)度“預(yù)想、預(yù)判、預(yù)控”能力和智能化水平，實現(xiàn)電網(wǎng)優(yōu)化運行的“自動巡航”和安全風險防控的“智能決策”。在節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本、降低電網(wǎng)負荷峰谷差、提高新能源消納水平、避免重大停電事故等方面可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。

【攻克送端系統(tǒng)穩(wěn)定控制促進可再生能源跨區(qū)消納——可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制技術(shù)】

大力發(fā)展可再生能源是我國保障能源安全、應(yīng)對氣候變化的重要舉措，風力發(fā)電和光伏發(fā)電是我國可再生能源利用的主要方式。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年我國風、光發(fā)電裝機容量將達到3.2億千瓦，其中2億千瓦位于“三北”地區(qū)。為解決“三北”地區(qū)可再生能源消納問題，已建、在建和規(guī)劃建設(shè)特高壓直流外送通道有8條，目前和將來一段時間，大基地、直流送出將是我國可再生能源開發(fā)利用的主導形式。

高比例電力電子裝備接入安全穩(wěn)定問題突出

與以同步發(fā)電機為主導的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)最大的特征在于高比例的電力電子裝備接入，主要包括風光發(fā)電、動態(tài)無功補償、直流輸電等。以新疆哈密天中直流送端系統(tǒng)為例，風光發(fā)電容量超過10GW，動態(tài)無功補償容量超過2GW，直流輸電容量8GW，而同步發(fā)電機容量僅為5GW，電力電子裝備容量遠大于同步發(fā)電機容量。

在電力電子裝備控制特性的主導作用下，可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的動態(tài)特性與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)差異巨大，系統(tǒng)的穩(wěn)定分析和控制面臨嚴峻挑戰(zhàn)。目前已開始凸顯的問題主要有兩個方面：正常工況下振蕩事故頻發(fā)，新疆哈密—鄭州直流送端電網(wǎng)已發(fā)生次/超同步振蕩100余次，曾導致3臺直流配套火電機組同時跳機;交、直流故障下連鎖脫網(wǎng)事故風險加大，初步計算表明，甘肅酒泉—湖南直流送出功率將因此受到限制。

兩大科學難題和一項關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)國家重點研發(fā)計劃項目“可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制技術(shù)”負責人康勇教授介紹，本項目以解決目前系統(tǒng)存在的上述兩大問題為主線，攻克兩大科學難題和一項關(guān)鍵技術(shù)：

1.多樣化裝備動態(tài)相互作用及寬頻帶振蕩機理

可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)中，電力電子發(fā)電裝備數(shù)量巨大，控制復(fù)雜且存在多時間尺度耦合，基地間及其與直流輸電的動態(tài)相互作用加劇，導致寬頻帶振蕩機理不明，建模與分析面臨極大挑戰(zhàn)。

2.多機多時間尺度暫態(tài)過程耦合機理及系統(tǒng)暫態(tài)行為演化規(guī)律

復(fù)雜控制作用下，多樣化裝備間呈現(xiàn)多時間尺度的電壓功角耦合，可再生能源發(fā)電裝備動態(tài)特性與同步發(fā)電機迥異，交/直流故障時控制存在非線性切換現(xiàn)象，導致系統(tǒng)暫態(tài)行為演化規(guī)律更為復(fù)雜，亟須探索新條件下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定機理。

3.寬頻帶振蕩抑制與暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

由于系統(tǒng)穩(wěn)定機理不清、動態(tài)相互作用復(fù)雜，目前缺乏有效的寬頻帶振蕩抑制方法、弱同步電網(wǎng)下基地暫態(tài)穩(wěn)定控制困難，制約了可再生能源的跨區(qū)消納，亟待突破寬頻帶振蕩抑制與暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)。

項目牽頭單位中國電力科學研究院是我國電力行業(yè)最具實力的多學科、綜合性科研機構(gòu)。團隊成員包括我國5個電氣工程一級學科國家重點學科所在高校，擁有包含6個國家重點實驗室在內(nèi)的16個國家級研發(fā)平臺。項目負責人康勇教授長期從事電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面的科研工作，現(xiàn)任強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室常務(wù)副主任。

項目將提出弱同步電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定控制理論與方法，形成包括論文、發(fā)明專利、國家/行業(yè)標準等一系列自主知識產(chǎn)權(quán);研制35kV/1MVA寬頻帶阻抗測量裝備，研發(fā)35kV/5MW級含風/光發(fā)電、同步發(fā)電機和直流輸電的動態(tài)模擬平臺，驗證短路比小于2條件下控制方法的有效性;項目成果直接應(yīng)用于新疆、甘肅千萬千瓦可再生能源基地，解決寬頻帶振蕩和直流功率受限問題，并推廣應(yīng)用，提升我國大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)消納水平，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

【助推能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革促進分布式能源靈活高效消納——基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術(shù)】

近年來我國分布式可再生能源增長迅速，大規(guī)模分布式可再生能源接入電網(wǎng)，對系統(tǒng)的靈活接入和有效管控提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。

新技術(shù)應(yīng)對新挑戰(zhàn)

目前可再生能源接入技術(shù)交直流變換環(huán)節(jié)較多，降低了效率、影響了接入的便捷性。另外配電網(wǎng)互聯(lián)互濟和柔性調(diào)控能力不足，也限制了分布式可再生能源的充分消納和高效利用。利用雙向多端口電力電子變壓器構(gòu)建交直流混合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)靈活組網(wǎng)，在多個交直流電壓等級集成分布式可再生能源，實現(xiàn)靈活安全接入;并減少變換環(huán)節(jié)，提高能源利用效率，增強系統(tǒng)控制能力，在更大范圍實現(xiàn)互聯(lián)互補，充分消納可再生能源。

中國科學院電工研究所原所長、國家重點研發(fā)計劃項目“基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術(shù)研究”負責人孔力研究員介紹說：“基于電力電子變壓器等構(gòu)建的交直流混合系統(tǒng)，可為未來大量可再生能源的靈活接入、優(yōu)化配置和安全運行控制提供有效技術(shù)手段，是未來重要發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣闊?！?/p> 產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關(guān)

由國網(wǎng)江蘇省電力公司、中國科學院電工研究所、中國電力科學研究院和浙江大學等單位組成了這一項目的產(chǎn)、學、研、用攻關(guān)團隊。團隊擁有新能源與儲能運行控制、新能源電力系統(tǒng)等5個國家重點實驗室，電力電子應(yīng)用技術(shù)、電力電子技術(shù)與裝備研發(fā)等5個國家工程研究中心。項目團隊近年來主持了相關(guān)領(lǐng)域30余項國家級項目，并已研制成功1MVA電力電子變壓器樣機并掛網(wǎng)運行，同時是IEC“大容量可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)”技術(shù)分委會發(fā)起單位，多個國家標準及IEC國際標準的牽頭單位，研發(fā)團隊在本領(lǐng)域具有很強的科研水平，支撐條件完善，確保項目的順利完成。

針對交直流混合分布式可再生能源系統(tǒng)的靈活接入、互補優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究團隊從“系統(tǒng)分析、優(yōu)化配置、設(shè)備研制、運行控制、集成示范”五個方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

在系統(tǒng)分析方面，針對電力電子變壓器等關(guān)鍵設(shè)備交直流耦合帶來的運行多樣性及動態(tài)復(fù)雜性，重點攻關(guān)基于電力電子變壓器等關(guān)鍵設(shè)備的交直流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性分析方法等，解決強耦合、非線性交直流混合系統(tǒng)動態(tài)分析方法問題。

在優(yōu)化配置方面，考慮交直流混合系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式的復(fù)雜性和靈活性對規(guī)劃帶來的復(fù)雜多維度難題，攻關(guān)交直流混合分布式可再生能源互補優(yōu)化配置多層規(guī)劃方法，并提出適合交直流系統(tǒng)的能效評估方法。

在設(shè)備研制方面，針對多端口電力電子變壓器，重點攻關(guān)高效高可靠性電路拓撲及其寬載荷范圍效率優(yōu)化控制技術(shù)，使其效率達到96%;針對故障電流控制器，重點攻關(guān)集限流、分斷與線路電壓調(diào)節(jié)于一體的電力電子限流器拓撲結(jié)構(gòu)和快速響應(yīng)控制，對直流故障電流進行快速限流和分斷，并增強系統(tǒng)電壓控制能力。

在運行控制方面，充分利用電力電子變壓器量測信息和柔性控制能力，重點攻關(guān)交直流混合可再生能源系統(tǒng)時序遞進優(yōu)化調(diào)度方法，解決多維度、強非線性的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化和控制問題，發(fā)揮電力電子變壓器靈活組網(wǎng)和柔性控制能力，提升可再生能源接入和消納能力，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

在集成示范方面，針對交直流分布式可再生能源的多設(shè)備、多參數(shù)集成問題，重點攻關(guān)關(guān)鍵設(shè)備集成、系統(tǒng)信息交互集成等技術(shù)，并研究系統(tǒng)測試驗證技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的測試平臺并完成示范。

項目預(yù)期成果包括3MW雙向四端口電力電子變壓器、1.2MW/±750Vdc直流故障電流控制器、優(yōu)化運行控制系統(tǒng)、規(guī)劃設(shè)計軟件等。項目成果將在國際能源變革論壇永久會址蘇州同里開展示范驗證，示范驗證結(jié)合區(qū)內(nèi)高占比的可再生能源，將其接入電力電子變壓器不同電壓等級端口，向國際能源變革論壇永久會址等重要直流負荷供電，有效提升能源利用效率和消納能力，同時保證能源供給可靠性。

項目的實施將推動交直流分布式可再生能源的技術(shù)發(fā)展，為提升我國分布式可再生能源接入和消納水平、提高系統(tǒng)安全運行控制能力提供核心技術(shù)和實證經(jīng)驗。