核心提示：7月27日，張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程（以下簡稱“張北柔直示范工程”）成套設(shè)計和初步設(shè)計方案通過專家評審。該工程由國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院承擔(dān)設(shè)計、國網(wǎng)冀北電力有限公司主導(dǎo)建設(shè)，將落地在國務(wù)院確定的張家口可再生能源示范區(qū)。該地區(qū)也是國家電網(wǎng)公司確定的全球能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)，到2020年，預(yù)計新能源裝機(jī)容量達(dá)到2000萬千瓦。以建設(shè)張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)工程為契機(jī)，國家電網(wǎng)公司正著力打造“柔性直流”新能源輸送示范工程。
開辟新能源：大規(guī)模送出新路徑
我國清潔能源開發(fā)重點(diǎn)集中在西部、北部地區(qū)、多處于電網(wǎng)末端，甚至電網(wǎng)空白區(qū)域，交流電網(wǎng)難以支撐大規(guī)模常規(guī)直流安全穩(wěn)定運(yùn)行。為解決這一難題，國家電網(wǎng)公司積極探索，規(guī)劃于2018年建成投產(chǎn)張北可再生能源四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)示范工程。
張北工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)最復(fù)雜的柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界首個直流電網(wǎng)和首個應(yīng)用柔直技術(shù)進(jìn)行陸地新能源大規(guī)模并網(wǎng)的示范工程。該工程由四座柔性直流換流站和四條直流架空線路組成，其中分別在張家口市康保縣、張北縣建設(shè)兩座±500千伏送端柔性直流換流站，承德市豐寧縣建設(shè)一座±500千伏調(diào)節(jié)換流站，在北京建設(shè)一座±500千伏受端柔性直流換流站，四條直流架空線路分別為張北—康保、康保—豐寧、豐寧—北京和北京—張北±500千伏直流架空線路，總長654.2千米，構(gòu)建起輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、抽水蓄能等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)。
國網(wǎng)冀北電力嚴(yán)格落實(shí)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，積極履行“一保兩服務(wù)”職責(zé)使命，全力推進(jìn)以建設(shè)柔性直流輸電技術(shù)為核心的張北柔性直流電網(wǎng)示范工程。工程投運(yùn)后，既可對張家口地區(qū)新能源進(jìn)行可靠送出與消納，有力支撐低碳綠色冬奧，更可實(shí)現(xiàn)并示范在送端弱交流系統(tǒng)條件下大規(guī)模清潔能源外送的模式，對探索我國西部、北部地區(qū)新能源開發(fā)和利用模式具有重要示范意義。未來，在我國采用柔性直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔能源發(fā)電并網(wǎng)和輸送，將具有廣闊的應(yīng)用前景。
實(shí)現(xiàn)新能源 友好接入電網(wǎng)
冀北地區(qū)新能源資源豐富，擁有風(fēng)電、光伏、抽水蓄能等多種典型能源要素，具備良好的多能互補(bǔ)建設(shè)條件。由于新能源本身的波動性，多種新能源的大規(guī)模集中并網(wǎng)，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的隱患，如何實(shí)現(xiàn)新能源與電網(wǎng)的共同長遠(yuǎn)發(fā)展，成為擺在張北工程建設(shè)面前的一道難題。
針對該問題，張北柔直示范工程將構(gòu)建輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、抽蓄等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)，將有效解決新能源友好并網(wǎng)的難題。該示范工程通過充分發(fā)揮柔性直流輸電在新能源開發(fā)、利用上的技術(shù)優(yōu)勢，大幅提高新能源并網(wǎng)的可靠性，若發(fā)生故障，可實(shí)現(xiàn)故障后的潮流轉(zhuǎn)移。該示范工程還具有良好的靈活性，可實(shí)現(xiàn)多種能源靈活交互，提升新能源利用效率。
此外，張北柔直示范工程具有良好的擴(kuò)展性，易于在送、受端擴(kuò)展新落點(diǎn)。通過在張北構(gòu)建柔性直流環(huán)形電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏、風(fēng)能的晝夜互補(bǔ)，以及新能源與儲能電源的靈活能量交互，形成穩(wěn)定可控的電源送至受端電網(wǎng)，解決大規(guī)模新能源接入后的系統(tǒng)調(diào)峰問題。位于河北省承德市的豐寧抽水蓄能電站一期、二期工程均已獲得國家核準(zhǔn)，投產(chǎn)后，將作為京津及冀北電網(wǎng)主要調(diào)峰電站之一。該示范工程將以張北、康保為新能源送端，以豐寧為調(diào)節(jié)端，以北京為受端，實(shí)現(xiàn)新能源和抽水蓄能互補(bǔ)，減小間歇性能源對交流電網(wǎng)的擾動沖擊，實(shí)現(xiàn)新能源的“友好接入”。
通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)成套設(shè)計
目前，國際上圍繞可再生能源匯集、消納開展了大量研究，其中柔性直流輸電是被重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。柔性直流輸電送、受端均可與弱電網(wǎng)或無源電網(wǎng)聯(lián)系，可對有功功率和無功功率進(jìn)行獨(dú)立快速控制，實(shí)現(xiàn)輸電功率動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，運(yùn)行方式靈活，具備構(gòu)建直流電網(wǎng)的條件，可以大規(guī)模匯集和送出新能源。
成套設(shè)計作為張北柔直示范工程的頂層設(shè)計和核心技術(shù)方案，貫穿于工程全過程，面臨眾多技術(shù)難題和理論創(chuàng)新。國網(wǎng)經(jīng)研院作為成套設(shè)計承擔(dān)單位，首次完成柔性直流電網(wǎng)的成套設(shè)計，其創(chuàng)新引領(lǐng)和科技示范作用重大。
大規(guī)模新能源孤島接入柔性直流電網(wǎng)的功率盈余問題是工程成套設(shè)計中的一大突出技術(shù)難題。新能源孤島接入后，由于新能源功率不可控制，容易引起柔直電網(wǎng)功率盈余等問題，甚至大面積停運(yùn)。面對這一公認(rèn)技術(shù)難題，國網(wǎng)經(jīng)研院柔直技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊攻堅克難，針對新能源電場和柔直電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性開展了大量的理論研究和軟、硬件建模仿真，深入研究了風(fēng)電、光伏、抽蓄及交直流系統(tǒng)的相互影響，最終首次提出解決功率盈余問題的完整技術(shù)方案。這一技術(shù)創(chuàng)新，有效避免了柔直電網(wǎng)因單一元件故障而導(dǎo)致大面積停運(yùn)，從根本上解決了大規(guī)模新能源孤島接入柔直電網(wǎng)的功率盈余問題，為風(fēng)電、光伏等可再生能源大規(guī)模可靠并網(wǎng)提供了解決方案。
高壓大容量柔性直流電網(wǎng)故障發(fā)展速度快、換流閥等核心設(shè)備難以同時滿足高安全裕度要求和故障穿越要求是張北柔直示范工程成套設(shè)計面臨的另一大技術(shù)難題。國網(wǎng)經(jīng)研院在無任何國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，潛心鉆研，開展了大量的理論分析、仿真計算和測試驗(yàn)證工作，利用電流解析的方法完成了柔性直流電網(wǎng)暫態(tài)電流計算，在此基礎(chǔ)上提出了限流電抗器全局最優(yōu)配置方案及關(guān)鍵設(shè)備暫態(tài)電流應(yīng)力抑制方法，極大地降低了高壓大容量柔直電網(wǎng)的故障發(fā)展速度，在滿足故障穿越要求的前提下將換流閥等核心設(shè)備的安全裕度提高了近40%，保證了張北柔直電網(wǎng)長期安全可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術(shù)的創(chuàng)新和引領(lǐng)。
為負(fù)荷中心輸送更多清潔電能
京津及冀北電網(wǎng)為典型的多方向、多通道、多落點(diǎn)的受端電網(wǎng)，預(yù)計2018年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷將達(dá)到69650兆瓦，2020年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷將達(dá)到78990兆瓦，“十三五”期間增速約7.8%。
為滿足北京用電需求，提高非化石能源消費(fèi)比例，根據(jù)國家能源局《關(guān)于貫徹落實(shí)北京市大氣污染防治工作座談會會議精神有關(guān)工作安排》，張北柔直示范工程已列入增加北京外來電能力“七大通道”工程。
近年來，冀北地區(qū)新能源發(fā)展迅猛，但新能源資源富集的張家口地區(qū)電能消費(fèi)總量小，新能源就地消納能力受限。目前，張家口地區(qū)新能源主要由500千伏“三站四線”工程和沽源、萬全兩個500千伏變電站匯集送出，現(xiàn)有的新能源送出通道已不能滿足外送需求。預(yù)計張北柔直示范工程建成后,到2020年可以滿足4900兆瓦新能源的送出需求，遠(yuǎn)期可以滿足7600兆瓦新能源的送出需求，實(shí)現(xiàn)了張家口新能源直送入華北地區(qū)負(fù)荷中心，滿足了新能源送出需要，也為首都注入更多綠色能源。
張北柔直示范工程還利用柔性直流環(huán)形電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了新能源的“友好接入”，有利于滿足張家口可再生能源示范區(qū)新能源送出需求和滿足首都重要負(fù)荷中心用電需求，將大力促進(jìn)張家口地區(qū)新能源的有序開發(fā)、高效送出、靈活消納，并對探索未來電網(wǎng)形態(tài)、推動能源革命起到科技引領(lǐng)示范作用。