践行“双碳” 目标 特高压+柔直技术深入创新

国家电网有限公司 STATEGRID CORPORATIONOFCHINA 践行“双碳”目标特高压+柔直 技术深入创新 种芝艺 2023年3月 特高压输变电技术是中国制造引领世界的一张金色名片，2022年底，国 家电网公司已建成17交16直特高压工程，线路长4.9万公里，变电容量达4.4G千瓦，送电3万亿千瓦时。减煤13.5亿吨，减二氧化炭24.4亿吨，减二氧化硫2400万吨，减氮化物2115万吨。发挥了重要的社会经济效益。 党的二十大报告指出，要积极稳妥推进碳达峰碳中和。立足我国能源资 源票赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。 2 新能源基地的外送驱待深入研究发展特高压输电技术。一方面是要在安 全、稳定、可靠上下功夫。另一方面是要在新能源创新发展上下功夫。 近年来，我们围绕看国家和国网公司在能源、科技、产业领域的政策和战略导向，在高质量发展精神的指导下，结合特高压工程自身情况，打造了升级版特高压工程、大容量柔性直流和直流电网，开展混合级联的特高压技术取得新突破。 特高压升级版取得的技术成就 能源转型形势下特高压+柔直新技术 4 大容量、远距离、高效率输电技术是我国实施“西电东送”战略的需要。国家电网公 司以长治-南阳-荆门1000干伏特高压交流输电试验示范工程和向家坝-上海土800干伏 特高压直流示范工程为基础，持续推进技术创新 特高压直流工程的输送容量从640万逐步提升至1200万千瓦，直流电压从±800千伏 提升到±1100千伏，输送距离达到3000公里以上。 交流特高压构建了山东环网、华东双环网、华北骨干网架，有力支撑了外来大容量电 流的系统配置。 ±1100千伏、1200万千瓦 2019吉泉（3324km） ±800千伏、1000万千瓦 ±800干伏、640万千瓦 ±800千伏、720万干瓦 2012锦苏（2059km） ±800千伏、800万千瓦 2014哈郑（2192km） 2017锡泰（1620km） 2010向上（1907km） 特高压在技术创新、设备研制、系统集成等方面取得全面突破，发展形成了完备的特 高压产业体系。 标准 试验技术 装备创新 人才关键 队伍设备 系统 集成 特高压升级版·设计裕度提升 通过全面梳理存在的问题，在容量、绝缘、防火、消防等方面全面升级，打造了青像 雅江等特高压升级版工程。 过负荷水平设置三档，分别为长期过负荷1.1pu，2小时过负荷1.2pu和3秒过负荷1.3pu。长期过负荷仅在紧急状态下使用，提高额定工况的裕度。 直流侧电压耐受水平统一取可能最大值并保留一定裕度。高海拔地区外绝缘修正按照海拨高度分为三档，并取上限进行修改。按重污地区一次配置外绝缘到位 网侧套管、阀侧套管、直流穿墙套管的通流能力与已建10GW工程保持一致。滤波器小组断路器采用5轮C2级试验，提高对电气寿命要求。 新800kV/8GW工程 通流能力（A)干弧长度（m） 原800kV/8GW工程 通流能力（A）干弧长度（m） 800kV阀侧套管 62508.7 50007.65 600kV阀侧套管 62507.9 50005.8 800kV穿墙套管 625010 套管设计裕度提升技术要求 50006.7 特高压升级版·消防提升 全换流站建筑耐火能力全面提升，耐火时间达3小时以上。 换流变固定消防采用压缩空气泡沫（CAFS）喷淋、消防炮及室外消火栓灭火系统，灭 火系统的持续时间1小时以上。 站内设净容积为2×2000m3的消防水池，可以保证全站最大一次消防用水量，满足换 流变消防13小时的用水量。 常规泡沫（直径离散系数76%） 压缩空气泡沫（直径离散系数40%） 压缩空气泡沫的微观结构更均匀真型灭火试验换流变灭火系统示意图 特高压升级版·可开启BOX-IN 研究了火灭情况下可跌落、可开后的新型换流变BO-IN，采用新型降噪板（微粒吸 声板），同时采用热熔材料设计支持结构，可开启部分采用链连接，可在换流变爆 燃冲击力下向外开启，从而释放压力，增加防坠网。 消防模块-封堵板消防模块 固定卡子 高温熔断板 移动顶部钢梁 真型燃烧试验后情况 特高压升级版·阀厅封堵抗爆提升 采用不锈钢硅酸铝复合板（100mm）+龙骨（40x40mm）+不锈钢复合岩棉板 （100mm）″的封堵方案，通过了5mx5m尺寸3小时烃类升温曲线耐火试验，板材 背火面温度不超过63摄氏度，贯穿物温度不超过236摄氏度。 火灾、爆炸爆燃冲 保护、隔离阀厅 换流变故障 紧急情况 击波内设备，防止造 成巨大损失 抗爆门防火封堵 10 特高压升级版·换流变防爆 换流变防爆机理试验及防范措施研究升高座区域配置泄压装置的试点 在升高座区域，短路电流大，高能量电弧放电造 成的压力增长迅速，易发展为燃爆性故障。 在电弧发生区域安装泄压装置能够有效进行能量 泄放，防止燃爆事件发生。 试验通过有/无压力释放装置的对比试验，通过试验中获取的压力波形、压力峰值、压力降、时间特性等数据对比，压力释放装置可快速、有效的使升高座内压力降低，防止燃爆故障。 特高压升级版降噪设计 研制了低噪声电容器。电容心子与外壳间增加弹簧减振器，电容器内部增加共振吸声器 在电容器单元底盖两端增加隔声腔，吸声罩内侧面装有吸音材料：电容器单元大面对应 的两侧装配降噪装置。建立了完备的噪声试验能力和试验方法。 电容器噪声真型试验电容器噪声实时测试1/3倍频程图电容器振动测试3阶振型模型图 12 特高压升级版·高海拔换流阀 以往高海拔工程，海拔和温湿度修正裕度大，宇宙射线影响机理不明，全面研究高海拔下 晶闸管宇宙射线、短间隙放电、污闪电压、对流换热等特性变化，开展2500米真型试验 综合各因素，晶闸管串联数修正25%。 高海拔 宇宙射线强度变化晶闸管的失效率增高 换流站 修正后跨阀耐受 增加级数 青藏 800kV 100% 海南 645kV 40% 雅中 610kv 33% 空气间隙的击穿电压降低 绝缘的沿面闪络电压降低 空气密度变化 电晕起始电压降低 对流换热能力降低 以往高海拔换流阀晶闸管串联级数选择宇宙射线晶闸管失效试验高海拔短间隙真型试验 13 深入研究项目 大功率IGBT，每个子单元由数十万个通流能力为毫安级的“元胞”并联构成，参数一致性和均流的难度大，可靠压接、高效散热的工艺要求高，芯片边缘场强控制困难电流提升的技术挑战性强。需进一步提高3kA器件国产化比例，研制5kA器件。 直流电容器，电工聚内烯粒料、电工级薄膜和电容器全部依赖进口，破解低灰分原料 高场强薄膜、大容量低电感电容器技术瓶颈，实现国产化直流电容器零的突破。 发射极 数干安兆瓦级 焦耳级 1.7-6.5kV 150-600μm 晶圆芯片元胞集电极元胞结构 14 深入研究项目 材料方面：直流电容器用电工聚丙烯粒料和电工级薄膜研究，国产化直流电容器。 研制耐高温、耐磨损断路器触头材料，提高断路器寿命。研制高耐火等级阀厅封堵材料，提高耐火时间。 高海拨试验：3500米以上特高压交流、直流设备绝缘试验研究及重覆冰杆塔设计研究 电容器薄膜理化特性分析小组断路器灭弧室复合套管耐烧蚀内衬 15 一、特高压升级版取得的技术成就 能源转型形势下特高压+柔直新技术 16 能源转型 我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和，2030年风电 太阳能发电总装机容量将超过12亿千瓦以上。 特高压直流、柔性直流、特高压交流都即将或正在面对高比例可再生能源接入所带来 的输送能力受限问题和暂态稳定问题等全新的技术挑战 我国新能源储量丰富特高压大规模接入新能源17 战略惯性 我国能源总体格局保持看一定的发展惯性。资源与负荷逆向分布的基本矛盾仍然突出 大型能源基地将继迷续开发，东中部地区负荷持续、稳定增长。 特高压继续保持一定的建设强度，但工程的经济性、安全性、环境友好性、依法合规等 要求不断提高。 能源基地/负荷中心特高压工程 白鹤滩水电基地 白鹤滩室江苏白鹤滩至浙江 金沙江上游水电金上至湖北 陇东煤风光基地陇东至山东 宁夏煤风光基地宁夏至湖南哈密煤电、风电基地哈密至重庆陕西煤电基地陕北至安徽 陕西至河南 蒙西煤电基地蒙西至京津冀 甘肃风光基地甘肃至浙江 藏东南风光基地燕藏东南至粤港澳18 柔性直流新技术 交流输电的有功和无功功率按照输电线路的阻抗自然分布，自身不可控 常规（特高压）直流输电采用可控开通、不可控关断的半控型器件，只能控制有功。 柔性直流输电采用开通、关断均可控的全控型器件，可实现有功、无功独立控制，具 备高度的可控性和灵活性，因此被称为“柔性”直流（HVDCFlexible）。 常规 直流输电 柔性 直流输电 交流输电全部可控 部分可控 不可控 66年43年 1888年1954年1997年 19 柔性直流新技术 未来10年，清洁能源装机占比将提升到60%，为更好地适应间歇性、波动性新能源的接入，现有电网驱需增加更多的灵活调节能力。 柔性直流凭借其高度的可控性和灵活性，新能源接入友好，是欧洲大规模海上风电场 并网最重要的技术手段，正成为电网转型升级的重要发展方向。 85 50GW- 65 60 40GW 44.246100GW 30GW 20182019203020352050 我国清洁能源装机占比（%）基于柔性直流的新型输电网络 20 柔性直流新技术 国家电网公司立足自主创新，通过南汇、舟山、厦门科技示范工程实现了柔性直流输 电技术积累，通过渝鄂和张北工程实现了高电压、大容量柔性直流在骨干电网中应用。 换流阀容量 (MW)★白江 60003000250012001000 500 400 张北 米厦门 舟山 南汇 20 3 渝鄂 米 科技示范 骨干电网工程应用 1997201020112013201420152018201920202021 南方电网公司完成南澳（200MW）、鲁西（1000MW）、昆柳龙（3000MW 5000MW）、大湾区背靠背（3000MW）建设。 柔性直流新技术创新突破 柔性直流技术研发和工程建设过程中面临设备级的大容量高可靠性、交流侧的系统 接入和直流侧的柔性直流组网等技术挑战 大容量高可靠性系统接入柔性直流组网柔性直流 IGBT器件通流能力受限接入交流电网柔性直流组网关键设备 电磁兼容问题突出·接入新能源柔性直流组网关键技术 22 大容量IGBT研制 柔性直流输电容量主要受限于IGBT器件通流能力。IGBT器件内部结构类以于集成电路 子单元由数十万个通流能力为毫安级的“元胞”并联构成，均流难度大。 依托渝鄂、张北柔直工程，自主研制了4500V/3000A压接式IGBT器件，突破了大容 量柔性直流输电的技术瓶颈，打破了国外垄断。 VS 约12万个元胞并联IGBT芯片IGBT内部结构额定电压：3300V额定电压：4500V (21×21mm²)额定电流：1500A额定电流：3000A 换流阀容量：125万干瓦换流阀容量：150万干瓦 23 电磁兼容设计与可靠性提升 渝鄂柔直工程提出强电磁场下板卡电磁兼容设计与等效试验方法，实现了强抗干扰能力。 换流阀子模块年失效率从以往工程的3%以上降低到0.3%以下，平均能量可用率从70%以下提升到94%以上，首次将柔直输电可靠性提升到常规直流水平。 子模块 柔性直流换流阀功率模块电磁干扰耦合路径24 直流断路器 直流断路器是实现直流故障切除的装备，也是构建直流电网的关键，直流电网故障电流 无过零点、上升速度快，易导致IGBT过流闭锁，需实现毫秒级的故障隔离。 张北工程基于电流转移、能量吸收原理，攻克IGBT器件5倍电流关断等难题，成功研制世 界首批500干伏直流断路器，3毫秒开断25干安直流短路电流，突破了直流组网的瓶颈。 主支路 YYY 负载 直流断 路器 转移支路 耗能支路 无过零点 动作时间~毫秒级 直流短路电流开断直流断路器开断原理 25 混合级联直流