9月16日，藏東南至粵港澳大灣區(qū)±800千伏特高壓直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱“藏粵直流工程”）建設(shè)動(dòng)員大會(huì)召開(kāi)。這項(xiàng)跨越2600公里、輸電容量達(dá)1000萬(wàn)千瓦的超遠(yuǎn)距離特高壓柔性直流工程，創(chuàng)下多個(gè)世界之最，卻也面臨多個(gè)技術(shù)難題。

這一次，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司與國(guó)家電網(wǎng)有限公司再度聯(lián)手，探索大規(guī)模新能源送出技術(shù)“無(wú)人區(qū)”，為藏粵直流工程建設(shè)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。在這條即將問(wèn)世的“電力天路”背后，科研團(tuán)隊(duì)的攻堅(jiān)故事格外動(dòng)人。

千百次試驗(yàn)摸清電場(chǎng)“脾氣”

2023年大年初一，云南省迪慶藏族自治州香格里拉市紅坡村，3400米的高海拔讓這里的空氣氧含量不足14%。

伴隨著空氣間隙擊穿的放電聲，一群科研工作者們正緊盯屏幕上的放電曲線和放電圖像，期待捕捉關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

高壓電力設(shè)備之間的空氣間隙在超高電壓下可能會(huì)被電流“擊穿”，形成類(lèi)似閃電的導(dǎo)電通道，影響電力設(shè)備安全。因此，為支撐藏粵直流工程建設(shè)，亟須開(kāi)展3000米以上海拔的長(zhǎng)空氣間隙放電真型試驗(yàn)，摸清楚電場(chǎng)的“脾氣”，掌握換流站中高壓設(shè)備在高海拔特高壓直流運(yùn)行電壓下的安全距離底線。

“在接到這個(gè)任務(wù)時(shí)，我們心里其實(shí)很忐忑，基礎(chǔ)條件一片空白，困難和障礙實(shí)在太多，給我的第一感覺(jué)就是‘不可能’?？墒羌热贿@個(gè)任務(wù)交給了我們，我們就要想盡一切辦法去完成?！眻F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉磊回憶道

在海拔高達(dá)3400米的云南迪慶香格里拉紅坡村，南方電網(wǎng)公司科研人員開(kāi)展放電試驗(yàn)，掌握換流站中高壓設(shè)備在高海拔特高壓直流運(yùn)行電壓下的安全距離底線

高海拔地區(qū)自然地理環(huán)境也給試驗(yàn)帶來(lái)了難以想象的困難。氧氣含量低、晝夜溫差大、紫外線強(qiáng)、風(fēng)速考驗(yàn)，加上試驗(yàn)窗口期短、數(shù)據(jù)要求高……為保證試驗(yàn)研究工作的順利進(jìn)行，南網(wǎng)科研院黨委成立南網(wǎng)科研院高海拔試驗(yàn)臨時(shí)黨支部，凝聚精干力量組織連續(xù)攻關(guān)。在臨時(shí)黨支部的領(lǐng)導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)秉著“缺氧不缺精神”的態(tài)度，累計(jì)開(kāi)展并完成棒板、球板、均壓環(huán)對(duì)地等試驗(yàn)項(xiàng)目23大類(lèi)、114組試驗(yàn)、沖擊放電3000余次，獲得了寶貴的高海拔放電硬核試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

那一天，夜里氣溫低至零下10攝氏度，但他們每一個(gè)人都熱血沸騰。抓取到有效的放電曲線和放電圖像那一刻，現(xiàn)場(chǎng)歡呼聲四起，因?yàn)檫@意味著經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的前期辛苦準(zhǔn)備，他們把不可能變成了可能，為藏粵直流工程建設(shè)積累了寶貴的數(shù)據(jù)。

三年打造一顆堅(jiān)強(qiáng)“心臟”

柔性直流換流閥堪稱柔性直流輸電系統(tǒng)的“心臟”，然而，它有時(shí)會(huì)遇到“能量爆棚”的麻煩——受端交流電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，大量盈余能量會(huì)不斷進(jìn)入換流閥功率模塊，導(dǎo)致直流系統(tǒng)因過(guò)電壓閉鎖，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。這種問(wèn)題在輸電容量達(dá)到1000萬(wàn)千瓦、輸電距離超過(guò)2600公里的藏粵直流工程中尤為明顯。

“打個(gè)比方，當(dāng)?shù)缆飞贤蝗话l(fā)生嚴(yán)重車(chē)禍時(shí)，大量車(chē)流就會(huì)瞬間擁堵，交通壓力急劇升高，導(dǎo)致交通癱瘓。這時(shí)我們就需要開(kāi)一條支路，幫助紓解這種壓力?！壁w曉斌說(shuō)。

傳統(tǒng)的柔直系統(tǒng)普遍采用集中式直流耗能裝置，雖然也能實(shí)現(xiàn)受端電網(wǎng)交流故障穿越，但存在占地面積大、成本高等問(wèn)題，不利于大規(guī)模新能源經(jīng)濟(jì)高效送出。

為適應(yīng)發(fā)展需求，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司聯(lián)合科研單位、國(guó)內(nèi)高校、設(shè)備廠商聯(lián)合攻關(guān)，共同踏上了自主研發(fā)之路。團(tuán)隊(duì)首次提出全新的能量自平衡柔性直流換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——在現(xiàn)有的換流閥功率模塊中，增加一個(gè)包含電子開(kāi)關(guān)和電阻的能量自平衡支路，為柔性直流輸電系統(tǒng)打造一顆堅(jiān)強(qiáng)“心臟”。如果系統(tǒng)故障，盈余功率導(dǎo)致功率模塊電壓抬升時(shí)，該支路開(kāi)關(guān)就會(huì)閉合，盈余功率通過(guò)電阻得到泄放，功率模塊電壓降低，保障系統(tǒng)安全。

但是，需要什么樣的開(kāi)關(guān)和電阻？“那段時(shí)間，我們就像在迷宮里找出口?！眻F(tuán)隊(duì)骨干周月賓回憶說(shuō)，“我們想出個(gè)‘笨辦法’：把上百種可能出現(xiàn)的電網(wǎng)故障情況全都輸入電腦，用仿真軟件一遍又一遍模擬?！庇袝r(shí)候仿真要跑上一整天，團(tuán)隊(duì)成員就守在電腦前，盯著屏幕上跳動(dòng)的數(shù)據(jù)，困了就輪流趴在桌上瞇一會(huì)兒。

無(wú)數(shù)次嘗試后，他們摸清了開(kāi)關(guān)和電阻的使用邊界和設(shè)計(jì)原則，提出了開(kāi)關(guān)和電阻的參數(shù)選型及投退策略，為能量自平衡換流閥裝備研制打下基礎(chǔ)。

歷時(shí)3年，團(tuán)隊(duì)攻克了特高壓超長(zhǎng)距離和新能源接入柔性直流輸電系統(tǒng)的能量快速平衡關(guān)鍵技術(shù)難題，研發(fā)出世界首套能量自平衡柔直換流閥，以更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、更安全的方式實(shí)現(xiàn)受端交流電網(wǎng)故障全穿越。

解密核心元器件的“高海拔反應(yīng)”

廣東東莞，中國(guó)散裂中子源靶站大廳。一群30歲左右的年輕科學(xué)家，正全神貫注地投入到大氣中子加速輻照實(shí)驗(yàn)中。隨著儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)，看不見(jiàn)的中子束正被加速，一場(chǎng)與微觀世界的美麗“邂逅”正在上演。

IGBT等功率器件是柔性直流換流閥實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換功能的核心所在，其性能直接關(guān)系到輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

我國(guó)西藏地區(qū)平均海拔普遍較高，宇宙射線大氣中子通量可達(dá)到平原地區(qū)的20倍以上，如果繼續(xù)采用平原地區(qū)的工作電壓，運(yùn)行中的功率器件就可能受到宇宙射線大氣中子的輻射影響發(fā)生功能失效問(wèn)題。然而，國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)卻比較匱乏。這一知識(shí)空白無(wú)疑給藏粵直流工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

為此，南網(wǎng)科研院派出科研人員多次前往東莞中國(guó)散裂中子源開(kāi)展大氣中子加速輻照試驗(yàn)。

“我們利用國(guó)家大科學(xué)裝置——散裂中子源中的大氣中子加速輻照試驗(yàn)平臺(tái)，加速模擬宇宙射線進(jìn)入大氣層后產(chǎn)生的大氣中子輻照環(huán)境，使換流閥核心功率器件在幾個(gè)小時(shí)的內(nèi)輻照到數(shù)十年的中子計(jì)量，快速模擬它們?cè)诟吆０苇h(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)?！蹦暇W(wǎng)科研院團(tuán)隊(duì)骨干楊柳說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)室中，團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)證了高海拔大氣中子導(dǎo)致的功率器件隨機(jī)失效率增加的現(xiàn)象，獲得了閥廳最低工作溫度條件下柔性直流換流閥在高海拔地區(qū)的安全工作電壓，得到最高的失效率，為藏粵直流工程中高海拔柔性直流換流閥設(shè)計(jì)提供了寶貴數(shù)據(jù)和重要指導(dǎo)。

“以前，我們的科研人員始終覺(jué)得宇宙射線對(duì)功率器件的影響是非常玄乎的事情。中子試驗(yàn)讓我們獲得了非常寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)到這種影響是客觀存在的，這對(duì)我們探索未來(lái)高海拔地區(qū)的柔性直流技術(shù)至關(guān)重要?！敝茉沦e表示。

“就好像是特高壓直流輸電技術(shù)的一座珠穆朗瑪峰?！壁w曉斌說(shuō)。

經(jīng)過(guò)不懈努力，項(xiàng)目最終成功攻克了直流設(shè)備制造、外絕緣、空氣凈距、電磁環(huán)境等領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)千瓦級(jí)超遠(yuǎn)距離多端柔性直流交直流故障穿越等多個(gè)突破，推動(dòng)大功率半導(dǎo)體器件、大容量換流閥、換流變壓器等全套特高壓核心裝備首次進(jìn)入4000多米超高海拔，進(jìn)一步擴(kuò)大我國(guó)在電力領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

科學(xué)家精神，正閃耀雪域高原之巔，照亮這條“電力天路”的前行方向。

文｜記者 董鵬程 通訊員 金南汐 黃勇華 辛鎮(zhèn)瀚