世界首個直流電網——張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程，在經過了168小時調試和試運行之后，6月29日正式投運張。北地區富集的可再生能源成功接入首都電網，2022年北京冬奧會所有場館實現奧運史上首次100%清潔能源供電有了保障，北京全市用電負荷的1/10也就此實現清潔化。

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張北柔直工程鳥瞰

“有史以來所有的電網都是交流電網。”國家電網有限公司表示，由于交、直流輸電本身技術特性所限，直流輸電主要用于點對點、遠距離、大容量電源外送，而不能組網；交流輸電則可以滿足常規電源送出和電網互聯需求，且成本低。

以風電、光伏發電為代表的“隨機性、波動性、間歇性可再生能源的大規模接入，對傳統輸電方式提出了巨大挑戰”，按國網公司特高壓部主任王紹武的說法，可再生能源接入電網，“遇到原理性障礙”。

對此，國網經研院直流中心主任樂波解釋，交流電網需要同時關注有功和無功平衡，功率流向是靠電網的自然阻抗特性分布，可控性差，不靈活；而直流輸電能夠平抑隨機波動的功率，保證負荷平穩供電，更適合大規模可再生能源接入，但由于“直流電流沒有過零點，直流斷路器、大容量換流閥等設備研發難度大，控制系統復雜”，在柔性直流技術成熟之前，“直流組網很難實現”。

柔性直流(flexible）是20世紀90年代興起的以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術。國網冀北電力建設部主任田生林用“一個完全可控的水泵”來比喻，它能夠精準控制水流的方向、速度和流量，從水源地準確地供水給用戶；某個水管壞了，可借助其他水管繼續供水，“這在傳統交流電網是不可想象的”。

田生林分析，這一“柔性”、靈活特征，緣于它采用最先進的電壓源型換流器（VSC）和類似集成電路的全控器件（IGBT），與傳統直流采用類似開關的半控型晶閘管器件相比，“可控能力強、功率調節速度快、運行方式靈活”，能夠有效抑制交流電壓波動，減少功率波動對受端電網影響。所以是破解新能源大規模并網消納難題的“金鑰匙”。

配制出這把“金鑰匙”，卻不是一件容易的事情。王紹武指出，柔直技術在大規模可再生能源送出等場景的工業化應用，面臨三大世界級技術難題，極具挑戰性：

一是組網技術空白。只能點對點或一次設定的多點輸電，不具備靈活擴建、拓展為直流電網的能力。新能源不同于常規電源，能量密度低、占地面積大。不能自由組網限制了多能互補、時空互補和源網荷協同的空間，難以平抑新能源波動性，支撐大規模開發。

二是輸電能力受限。受IGBT器件技術水平限制，單換流器容量在100萬千瓦上下，多數工程的容量處于幾萬到幾十萬千瓦區間，而常規高壓直流輸電的單換流器容量都大于150萬千瓦，最大已達到300萬千瓦。輸電容量偏低限制了柔直輸電的應用。

三是運行可靠性低。受IGBT器件技術原理約束，相同輸電容量下，單換流器單元的串并聯半導體“芯片”數量為常規直流的100多倍，控制指令頻度為常規直流的200多倍，大幅提高了保證可靠性、穩定性的難度。

張北柔直工程總投資125億元，新建張北、康保、豐寧和北京4座換流站，額定電壓±500千伏，額定輸電能力450萬千瓦，輸電線路長度666千米。張北、康保換流站為送電端，接入新能源，豐寧站為調解端，接入抽水蓄能，北京站為接收端，接入首都負荷中心。工程于2017年12月獲國家發改委核準，2018年2月開工建設。

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±500千伏康保換流站施工現場，施工人員正在吊裝橋臂電抗器。

工程采用我國原創、領先世界的柔性直流電網新技術，創造了12項世界第一，在上述三大世界級挑戰上均取得突破。

一是提出并攻克柔性直流組網技術。建成世界首個真正具有網絡特性的直流電網，能夠可靠隔離故障，非故障元件不退出，直流電網不停運。王紹武介紹，本期為四端網絡，示范連接了風、光、儲和交流電網，可根據發展需要，靈活擴展為復雜多端網絡。自主開發的±500千伏直流斷路器具備在3毫秒內開斷25千安直流電流的能力，“標定了國際最高水平”。

二是將柔性直流的輸電容量提升至常規直流水平。單換流器容量達150萬千瓦，比國外紀錄超出50%，首次達到了±500千伏常規直流的水平。立足國內，自主研發4.5千伏?、3千安大功率IGBT器件并批量用于工程，攻克了制約我國柔性直流發展的核心技術問題。

三是將柔性直流的可靠性提升至常規直流水平。王紹武透露，成果在渝鄂背靠背工程中初步經受了運行檢驗，與早期柔直工程比，IGBT組件年失效率由6％降至2‰，單換流器強迫停運率由平均每月超過一次降至每年一次，使柔性直流輸電的大規模工業化應用成為可能。

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國網方面表示，張北柔直工程采用全新的柔性直流電網技術，獲得了超越新能源特性和常規輸電技術的高可控性，從根本上提高了電網對可再生能源的駕馭能力。大規模清潔能源可不依賴交流電網的有無和強弱，不需要傳統能源發電的支撐，直接孤島接入柔直電網。以柔直電網為中心，“多點匯集”，“多能互補”，“時空互補”，“源網荷協同”，實現可再生能源側自由“波動”發電和負荷側可控“穩定”供電，解決“純”清潔能源大規模消納難題。

國家能源局介紹，全世界大量待開發的可再生能源能源都處于電網薄弱地區，張北的問題具有典型性。張北柔直工程的創新實踐，開拓了可再生能源大規模開發利用和友好消納的新道路。國家能源局副局長劉寶華表示，“未來我們還要建設更多、更高水平的柔性直流工程”。（記 者 ?瞿 劍）

【責任編輯：語謙】