直流输电技术全国重点实验室 攻克“卡脖子”难题 努力开创世界先例

直流输电技术全国重点实验室围绕“双碳”目标实现和新型能源体系建设，聚焦国家重大战略需求，提出直流输电与新能源主动构网新概念、广域电力电子设备构网系统新原理、高比例新能源多直流复杂电网结构形态与运行控制新方法，突破关键核心技术，为实现重大工程应用、保障国家能源安全提供科技支撑。

实验室连续承担了从“十五”至“十四五”直流输电领域国家重大科技攻关任务，近5年累计承担科研项目475项，其中国家级科研项目39项。

成果

实验室团队发表SCI/EI等高水平学术论文286篇，获发明授权专利1013项，牵头发起成立国际大电网会议工作组2项，主持/参与编写各类标准136项(已发布)，其中国际标准10项、国家标准50项、行业标准36项；共获得国家科技进步特等奖1项、一等奖2项、二等奖1项，省部级科技奖励106项(其中一等奖29项)，中国专利金奖1项、银奖2项、优秀奖4项，中国标准创新贡献奖二等奖1项。

傍晚6时许，夜幕下的柔性直流换流站静谧而美丽。科技感十足的换流立方，在电流涌动间完美诠释着粤港澳大湾区的活力。这里是广州市增城区永宁街，世界上容量最大、首次在电网负荷中心实现分区互联的柔性直流背靠背电网工程——粤港澳大湾区直流背靠背电网工程(广州工程)坐落于此。

与此同时，17公里外的直流输电技术全国重点实验室，在20摄氏度恒温下，青洲海上风电柔直送出工程换流阀阀控全链路试验正在开展，9面柔直阀控屏柜通过3000对通信光纤与功率模块特性模拟装置实现一对一连接，正以实时仿真模拟的方式，验证在各种现场典型故障工况下，柔直阀控系统各项控制保护功能的正确性，提前发现并消除技术缺陷及风险隐患。

首创±800千伏特高压直流输电技术，攻克我国自主化直流输电成套设计技术，设计建成包括世界首个特高压多端混合柔性直流工程在内的共计12回直流重大工程……直流输电技术全国重点实验室为我国西电东送直流输电大规模建设提供了重要支撑。

“双碳”目标下，能源科技创新领域面临新挑战。到2030年，我国规划风电、太阳能发电总装机容量达12亿千瓦以上，并积极推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设。大规模新能源基地超远距离柔性直流送出技术，是直流输电技术全国重点实验室研究的新方向之一。

持续探索引领大电网创新性建设和安全稳定运行革新技术研究，把攻克“卡脖子”技术难题放在创新驱动的突破方向……超级工程的澎湃动力，正在实验室无数次的设计、仿真、试验、优化迭代中悄然孕育。

从“跟跑”到“领跑”

打造直流输电中国名片

“在决定建设±800千伏特高压直流输电工程时，我们刚刚建成国内第一个自主设计的±500千伏高压直流输电项目，许多技术都还不成熟。而在国际上，相关技术领域也还是一片空白，甚至有外方专家认为我们不可能建成这样的工程。但我们并没有犹豫，因为我们心里都清楚，国家需要我们去做这件事。”中国工程院院士、直流输电技术全国重点实验室主任、南方电网公司首席科学家饶宏曾在一次采访中表示。

几年后，随着世界首个±800千伏特高压直流输电工程——云广特高压直流工程的投产，特高压直流输电技术实现从±500千伏到±800千伏的进步，也给了科研人员更多一往无前的勇气。

直流输电技术全国重点实验室系统研究部研究员黄伟煌向记者讲述试验过程中一次惊心动魄的经历。

2016年4月的一个傍晚，处于调试阶段的鲁西背靠背换流站出现了直流电压异常升高的现象，情况十分紧急。

这是南方电网公司建设的首个背靠背换流站。“此前，我们从来没有碰到过这类问题，就连行业内资深的外国专家也无法给出解决方案。”是回路接线异常或是测量系统偏差？还是保护装置误动？通过不断地分析和研究波形，黄伟煌和同事预想的几种可能都被一一排除了。48个小时不眠不休，疲惫、焦急、冷静、大开脑洞，他们最终将问题的症结找了出来。

当时还是“科研小白”的黄伟煌忘不了科研探索过程中的迷茫以及解题后的喜悦。后来他又陆续经历了昆柳龙直流工程、粤港澳大湾区直流背靠背电网工程的系统研究和成套设计工作。“在试验过程中，经常会发现一些前所未有的难题，通过研究，把这些问题解决了，这让人很兴奋。”

勇挑重担

基础研究不停步

“你看，这是我们实验室的宝贝。”3月10日下午，直流输电技术全国重点实验室直流技术研究部研究员熊岩热情地向记者介绍。作为90后，熊岩从事直流技术研究及工程实践已近6年时间，曾参与过昆柳龙直流工程、粤港澳大湾区直流背靠背电网工程(广州工程)等多项重大工程和“高压大容量柔性直流输电关键技术研究与工程示范应用”等国家级项目。

熊岩所说的“宝贝”，就是实验室研制的柔性直流阀控全链路闭环仿真测试平台——如同开头那一幕，将虚拟的数字实时仿真与真实阀控测试相结合，解决了阀控脉冲分配环节、冗余链路、功率模块高电位控制保护功能测试缺失难题，支撑了直流工程的稳定可靠运行。

数字实时仿真是研究电力电子等新型电力系统动态特性的有效手段与基础性工具。高性能电力电子仿真技术及实时仿真平台严重依赖进口，技术“卡脖子”风险大、工程定制化开发响应不及时、新技术产业链整合程度不足。

目前，实验室自主研发了跨平台仿真开发环境，初步实现了部分仿真软件和仿真器国产化。然而这条路还很长，实验室正在加快关键核心技术攻关，希望早日实现高性能电力电子仿真技术及实时仿真平台自主可控。

IGBT，是柔性直流输电换流阀的“开关”。在实验室另一端，一个跟电脑主机一般大小的设备上，白色陶瓷状的“芯片”嵌入其中。这个“芯片”是实验室2015年联合国内IGBT器件头部制造企业共同研发的成果，拉开了国内外竞相研发柔性直流输电用3000安培级压接式高压大功率IGBT器件的序幕。目前，4500伏/3000安培压接式IGBT已经在昆柳龙直流工程和粤港澳大湾区直流背靠背电网工程(广州工程)大规模应用。

“实验室团队现在正在研究将压接式IGBT器件提升到更高电压电流等级，例如6500伏、5000安培，如果能成功应用，将进一步提升特高压柔性直流的输送容量和技术经济性，这对大规模深远海风电和‘沙戈荒’新能源基地开发送出具有重要意义。”直流输电技术全国重点实验室直流技术研究部研究员周月宾介绍。

聚焦国家重大战略需求

让安全可靠的电力从远方来、从身边来

如何让柔性直流在未来的电网中发挥更大的作用？这是当前摆在南网科研青年面前的一道难题。

目前，千万千瓦级、广域多电压等级的高比例电力电子化电网构建在世界上没有先例，在稳定机理、组网规划、运行控制等方面面临全新挑战。

“随着我国新型能源体系建设持续展开，柔性直流将成为关键的新能源电力输送设备和电网构建支撑设备。搞清楚怎么充分运用柔性直流的能力来构建高比例新能源电网，怎么让这些高度依赖控制设计及协同的设备之间和谐共处、运转有序，对‘沙戈荒’地区新能源开发，以及负荷中心区域受端电网的新能源承载消纳具有重要意义。”直流输电技术全国重点实验室系统研究部研究员李诗旸介绍。

“不止是‘沙戈荒’，向远洋深海挺进，也是我们接下来的重点研究方向。”南网科研院直流输电与电力电子技术研究所所长，直流输电技术全国重点实验室直流技术研究部经理袁智勇介绍，“比如降低整个系统尤其是电缆的造价，提高电缆输送容量并降低输电损耗，对未来风电平价上网具有积极意义。还有千万千瓦级风电基地汇集送出，这将大大提高新能源消纳水平，对输电走廊绝对是有利的。但如何避免一个故障影响多端电网，让电网安全稳定运行，这都是我们未来要解决的难题。”

袁智勇表示，随着新能源的快速发展，直流输电在电网中的角色可能慢慢也会发生变化。“让直流去支撑电网，成为构建电网的主要力量，它会有新的定义、新的功能，还是有很大发展空间的。”

“始终面向国家重大需求和世界科技前沿，致力于解决新型电力系统建设过程中，直流输电面临的新挑战，攻克重大工程技术难题，为实现‘双碳’目标、保障国家能源安全贡献应有的力量，南网科研人身负重任。”袁智勇说。

统筹：南网报记者 刘杰

采写：南网报记者 黄雅熙