直流电和交流电历史之争「特高压直流输电与交流输电的区别」

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科技日报记者 瞿剑

世界首个直流电网——张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程，在经过了168小时调试和试运行之后，6月29日正式投运。张北地区富集的可再生能源成功接入首都电网，2022年北京冬奥会所有场馆实现奥运史上首次100%清洁能源供电有了保障，北京全市用电负荷的1/10也就此实现清洁化。

张北柔直工程鸟瞰

“有史以来所有的电网都是交流电网。”国家电网有限公司表示，由于交、直流输电本身技术特性所限，直流输电主要用于点对点、远距离、大容量电源外送，而不能组网；交流输电则可以满足常规电源送出和电网互联需求，且成本低。

以风电、光伏发电为代表的“随机性、波动性、间歇性可再生能源的大规模接入，对传统输电方式提出了巨大挑战”，按国网公司特高压部主任王绍武的说法，可再生能源接入电网，“遇到原理性障碍”。

对此，国网经研院直流中心主任乐波解释，交流电网需要同时关注有功和无功平衡，功率流向是靠电网的自然阻抗特性分布，可控性差，不灵活；而直流输电能够平抑随机波动的功率，保证负荷平稳供电，更适合大规模可再生能源接入，但由于“直流电流没有过零点，直流断路器、大容量换流阀等设备研发难度大，控制系统复杂”，在柔性直流技术成熟之前，“直流组网很难实现”。

柔性直流(flexible）是20世纪90年代兴起的以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术。国网冀北电力建设部主任田生林用“一个完全可控的水泵”来比喻，它能够精准控制水流的方向、速度和流量，从水源地准确地供水给用户；某个水管坏了，可借助其他水管继续供水，“这在传统交流电网是不可想象的”。

田生林分析，这一“柔性”、灵活特征，缘于它采用最先进的电压源型换流器（VSC）和类似集成电路的全控器件（IGBT），与传统直流采用类似开关的半控型晶闸管器件相比，“可控能力强、功率调节速度快、运行方式灵活”，能够有效抑制交流电压波动，减少功率波动对受端电网影响。所以是破解新能源大规模并网消纳难题的“金钥匙”。

配制出这把“金钥匙”，却不是一件容易的事情。王绍武指出，柔直技术在大规模可再生能源送出等场景的工业化应用，面临三大世界级技术难题，极具挑战性：

一是组网技术空白。只能点对点或一次设定的多点输电，不具备灵活扩建、拓展为直流电网的能力。新能源不同于常规电源，能量密度低、占地面积大。不能自由组网限制了多能互补、时空互补和源网荷协同的空间，难以平抑新能源波动性，支撑大规模开发。

二是输电能力受限。受IGBT器件技术水平限制，单换流器容量在100万千瓦上下，多数工程的容量处于几万到几十万千瓦区间，而常规高压直流输电的单换流器容量都大于150万千瓦，最大已达到300万千瓦。输电容量偏低限制了柔直输电的应用。

三是运行可靠性低。受IGBT器件技术原理约束，相同输电容量下，单换流器单元的串并联半导体“芯片”数量为常规直流的100多倍，控制指令频度为常规直流的200多倍，大幅提高了保证可靠性、稳定性的难度。

张北柔直工程总投资125亿元，新建张北、康保、丰宁和北京4座换流站，额定电压±500千伏，额定输电能力450万千瓦，输电线路长度666千米。张北、康保换流站为送电端，接入新能源，丰宁站为调解端，接入抽水蓄能，北京站为接收端，接入首都负荷中心。工程于2017年12月获国家发改委核准，2018年2月开工建设。

±500千伏康保换流站施工现场，施工人员正在吊装桥臂电抗器。

工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了12项世界第一，在上述三大世界级挑战上均取得突破。

一是提出并攻克柔性直流组网技术。建成世界首个真正具有网络特性的直流电网，能够可靠隔离故障，非故障元件不退出，直流电网不停运。王绍武介绍，本期为四端网络，示范连接了风、光、储和交流电网，可根据发展需要，灵活扩展为复杂多端网络。自主开发的±500千伏直流断路器具备在3毫秒内开断25千安直流电流的能力，“标定了国际最高水平”。

二是将柔性直流的输电容量提升至常规直流水平。单换流器容量达150万千瓦，比国外纪录超出50%，首次达到了±500千伏常规直流的水平。立足国内，自主研发4.5千伏 、3千安大功率IGBT器件并批量用于工程，攻克了制约我国柔性直流发展的“卡脖子”问题。

三是将柔性直流的可靠性提升至常规直流水平。王绍武透露，成果在渝鄂背靠背工程中初步经受了运行检验，与早期柔直工程比，IGBT组件年失效率由6％降至2‰，单换流器强迫停运率由平均每月超过一次降至每年一次，使柔性直流输电的大规模工业化应用成为可能。

国网方面表示，张北柔直工程采用全新的柔性直流电网技术，获得了超越新能源特性和常规输电技术的高可控性，从根本上提高了电网对可再生能源的驾驭能力。大规模清洁能源可不依赖交流电网的有无和强弱，不需要传统能源发电的支撑，直接孤岛接入柔直电网。以柔直电网为中心，“多点汇集”，“多能互补”，“时空互补”，“源网荷协同”，实现可再生能源侧自由“波动”发电和负荷侧可控“稳定”供电，解决“纯”清洁能源大规模消纳难题。

国家能源局介绍，全世界大量待开发的可再生能源能源都处于电网薄弱地区，张北的问题具有典型性。张北柔直工程的创新实践，开拓了可再生能源大规模开发利用和友好消纳的新道路。国家能源局副局长刘宝华表示，“未来我们还要建设更多、更高水平的柔性直流工程”。

编辑：张琦琪

审核：王小龙