张北的风点亮冬奥的灯 揭秘100%绿电供应背后的科技创新

中央纪委国家监委网站 王珍  　　

　　为确保所有冬奥会场馆使用上百分之百的绿色电能，作为北京冬奥会绿色电能输送主通道，张北柔性直流电网延庆换流站前段时间接受了全面体检。图为9月25日，国网北京市电力公司延庆换流站的员工在清洗绝缘立柱。 新华社记者 李欣 摄

　　2022北京冬奥会的脚步越来越近，“相约北京”系列测试赛和测试活动也正在紧锣密鼓地进行中。从场馆照明、冰面运维、雪道造雪，到电视转播、计时积分，再到安保安检、后勤保障等，各环节运行都离不开电力保障。

　　与往届冬奥会不同，2022北京冬奥会期间，所有场馆将全部采用“绿电”。这是奥运历史上首次实现全部场馆100%清洁能源供应，具有里程碑意义，也是中国向世界承诺低碳减排、实现绿色发展的具体行动。

　　那么，冬奥会的绿电从何而来，100%绿电供应如何安全稳定实现，突破了哪些新技术？

　　柔性直流技术，到底“柔”在哪里，领先在什么地方

　　天空湛蓝，阳光炫目，距离北京300公里左右的河北张家口，被誉为“风的故乡、光的海洋”，这里是国家规划的大型可再生能源基地。

　　冬奥“绿电”的源头，就在这里。

　　数据显示，当地风能、太阳能可开发规模高达8500万千瓦。与此同时，张家口地区电力需求小，新能源接纳能力有限，但毗邻的京津冀地区却需要强大的能源支撑。

　　2018年2月，作为2022北京冬奥会重点配套工程，张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程（以下简称“张北柔直工程”）开工建设，2020年6月竣工投产。

　　经由这一工程，张家口随机的波动的风电、光伏等清洁能源转化成稳定的电能，送入北京。

　　据介绍，张北柔直工程每年可向北京地区输送约141亿千瓦时的清洁能源，大约相当于北京市用电量的十分之一，每年可节约标准煤490万吨，减排二氧化碳1280万吨。“用张北的风点亮北京的灯”这个充满诗意的设想，变成了现实。

　　这是一个世界级工程！记者了解到，张北柔直工程总投资125亿元，新建4个换流站，额定电压±500千伏，总换流容量900万千瓦，配套建设±500千伏直流输电线路666千米，是世界上首个输送大规模风电、光伏、抽水蓄能等多种能源的四端柔性直流电网工程，也是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，核心技术和关键设备均为国际首创，创造了12项世界第一。

　　那么，何为柔性直流技术，到底“柔”在哪里，领先在什么地方？

　　柔性直流，简单来说就是灵活可控直流。以风电为例，风大时电力供应足，但需求端不一定能充分消化；风小时供应弱，但需求端或许正处于用电高峰期。即供应与需求之间难以匹配，“柔性”则意味着可控可调节。

　　通过柔性直流技术，把原本不可控、不能组网的直流线路连接起来，组成一张直流电网，分别连接张家口的风电场、光伏电厂，以及抽水蓄能电站，这样一来不仅可以把时断时续的不稳定的风电、光伏等清洁能源转换成稳定的电能，还能进行清洁能源的储存、调配、按需送电，破解了无法实现电能大规模储存、生产量与消费量之间实时平衡等难题。

　　专家介绍，与常规的交直流输电技术相比，柔性直流输电技术可控性更强、功率调节速度更快、运行方式更灵活。

　　张北柔直工程的成功运行，将张家口地区上百家风电场、数千家光伏电站连成一个有机整体，并成功“上网”，实现了绿电的全部接入、消纳和输送，直接满足北京冬奥会北京、延庆两个赛区场馆用电需求，加上张家口赛区冬奥场馆就地消纳当地绿色电力，使得北京冬奥会场馆实现奥运历史上首次100%使用绿色电力的目标。

　　新设备、新技术，让绿电并得上送得出能消纳

　　风光出张北，绿电送京畿。在张北广袤的原野上，风车林立，一排排光伏发电板在阳光下格外耀眼，清洁的风能、太阳能等源源不断地为冬奥场馆提供充足绿电。

　　中都换流站位于张北县坝上草原，是张北柔直工程的两个重要送端换流站之一，也是助力北京冬奥场馆100%清洁能源供电的重要电力工程。自2020年6月投运以来，中都换流站每天有318万千瓦时清洁绿电输送到北京。

　　绿电之所以能够并得上、送得出、能消纳，离不开新设备、新技术的支持。

　　据了解，由于风、光等新能源自身固有的随机性、波动性等特征，使得大规模新能源并网成为世界性难题。张北柔直工程采用我国原创的柔性直流电网新技术，能够有效抑制交流电压波动，减少功率波动对受端电网的影响，解决风电、光伏等间歇式能源发电并网安全问题。

　　在工程中，柔性直流换流阀堪称其“心脏”。据国网全球能源互联网研究院有关研究人员介绍，在每个传输节点必须有换流阀存在，它的主要作用是在送端将各种清洁能源整合打包变为直流电输送至受端，在受端通过它再次上演“变形记”，将直流电转换为稳定的交流电，供用户使用。

　　为何要“换流”？南瑞继保电气有限公司有关技术负责人的话给出了答案：“将交流电转化为直流电，是有效实现电力从源头输送到客户端的方法之一，直流电远距离传输的速度更快。”

　　据介绍，应用于张北柔直工程中的换流阀是世界上电压等级最高、可传输容量最大的柔性直流输电核心设备。“电压等技术参数提高，导致换流阀运行工况比两端柔性直流输电系统更为复杂，故障传播速度更快，对阀控系统提出了微秒级超高速控制保护要求。”有关科研人员表示，这正是其技术难点。

　　除了柔性直流换流阀，高压直流断路器也是张北柔直工程的骨干设备之一。

　　电力输送从点对点的线式向网络发展，需要依靠高压断路器形成能够开合的节点，从而实现电网各部分灵活地组合或分离。因此，无论是交流电网还是直流电网，高压断路器都是电力输送网络中的关键设备。

　　据有关专家介绍，断路器就相当于是确保电网安全可靠运行的“保险栓”，当某处出现重大短路故障时，它将自动切断电流，保证关键设备不被烧坏。

　　在该工程中，世界上最高电压等级、最大开断能力的500千伏直流断路器得到应用。

　　“作为电力系统中的一种全新设备，张北柔直工程500千伏高压直流断路器，突破了直流输电向更为灵活经济的直流电网方向发展的技术瓶颈。”思源电气股份有限公司有关负责人结合张北柔直工程投运近一年的情况分析认为，张北柔直工程使直流输电向直流电网发展成为现实，大幅提升了我国电力电子装备的国际影响力。

　　高电压等级、大换流容量的柔性直流换流阀，大开断能力的高压直流断路器，适应于直流电网的控制保护系统、交流耗能装置……正是诸多这样过硬的新设备、新技术，成就张北柔直工程创下12项世界第一。

　　全景感知、智慧调控，实现赛区高可靠性清洁电力供应

　　11月23日晚，张家口冬奥村（冬残奥村）成功开展首场常规用电负荷测试暨亮灯仪式，引起广泛关注。此前，在北京，冬奥会标志性场馆群也已集体亮灯。

　　对于华北电力大学电气与电子工程学院教授刘念来说，这是对冬奥赛区100%清洁电力供应高可靠性的验证，也是对课题团队近段时间工作成果的大考。

　　据了解，赛事期间，要想向全球观众呈现精彩的比赛，高可靠性的电力保障是重中之重。然而，清洁电力供应可靠与否，受多重不确定性因素影响，比如可再生电源出力、负荷波动、电网故障、重大社会活动背景等。要保障冬奥赛区电网的高可靠性供电，面临着电网安全调控和应急协同保障等方面难题。

　　为解决这些难题，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项“冬奥赛区100%清洁电力高可靠供应关键技术研究及示范项目”启动。

　　项目团队成员一起攻克了包括100%可再生能源支撑柔性直流孤岛电网稳定控制、信息物理社会交互影响的源-输-配-荷一体化高可靠供电、冬奥供电网数字孪生系统构建等一系列关键技术。

　　冬奥智慧运维保障平台是该项目重要研究成果之一，可实现设备状态智慧监控、巡视任务智慧管控、应急抢修智慧调度、保障现场智慧指挥四大功能。

　　“这是基于信息-物理-社会多维融合的电网运行可靠性技术保障体系，从电网全景感知、安全调控、综合保障3个层面保障赛事期间重要负荷不中断供电、减小电网停电时户数。”刘念告诉记者，“主要是针对配电网的运维保障。”

　　配电网，是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网，是连接用户的重要环节。

　　以张家口赛区为例。该赛区配电网在设计阶段采用了高可靠的“双环网+联络环网”供电模式，并进行了配电自动化系统升级改造。“这就是物理维度，一旦某条线路发生故障，系统便可以切换到另一条正常运行的线路，瞬间即可恢复供电，说明网架坚强可靠。”刘念告诉记者。

　　在信息维度，主要是指对电网全景信息的采集感知。也就是说，通过冬奥智慧运维保障平台，配电网在哪里、连接哪些负荷、设备运行状态等，全部一目了然。而在社会维度，则是指保电运维人员、车辆以及物资等方面的协同保障。

　　“对于保电指挥人员而言，可通过这一平台实现对保电设备全景状态的监控、任务下达以及应急抢修资源快速调配。对于一线保电人员，则可通过平台实现保电任务、应急抢修、异常及监测告警等事件的接单、处置、回复等全流程信息处理。”刘念告诉记者。依托这一系列科技创新，可确保冬奥会电力系统平稳、高效运转，助力实现冬奥会“100%绿色电力供应”和“99.999%高可靠供电”两大目标。