你瞭解用風點亮燈的故事嗎？
你能想象遠在青海的陽光能為中原“充電”嗎？
我國風能、太陽能資源豐富，但它們卻像草原上的“野馬”，性情不定，難以馴服。
如何馴服風光能源這匹“野馬”，讓風光綠能大顯身手，從能源舞台的配角變為主角，成為保障國家經濟社會健康發展的強大支撐，這是立足新發展階段，貫徹新發展理念，構建新發展格局面臨的一個重大戰略問題。
有這樣一個團隊，短短几年時間，他們突破一個個世界級難題，創造一項項世界第一。在他們的努力下，特高壓直流輸電成為國家戰略級技術，和高鐵、北斗一樣，成為享譽世界的“中國名片”。
他們，是國家電網經研院直流技術攻關團隊，他們被稱作馴服風光野馬的“追風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脱“洋枴棍”
綠色、低碳是中國能源的發展方向，而服務新能源大規模開發利用，正是柔性直流輸電技術的優勢所在。
國網經研院作為國家電網的技術支撐單位，多年前就意識到柔性直流輸電對新能源彙集送出的重要性。為了“馴服”風能、太陽能，2012年他們便開展了大量基礎性研究。
當時我國在柔性直流輸電技術方面沒有任何經驗，國外相關核心技術又嚴加封鎖。“在接到項目任務時，攻關團隊每個人心中都惴惴不安，完全沒有成功的把握，有的同志提出以市場換技術的方式找外方搞技術引進，但幾次接觸下來，技術轉讓條件苛刻，我們根本無法接受。”國網經研院直流技術中心主任樂波坦言。
這支攻關團隊太年輕了，剛組建時平均年齡還不到30歲。帶着一股開拓創新、永不服輸的拼勁，他們開始了披荊斬棘的闖關之旅。
柔性直流系統設計的第一步是確定主接線，這是系統設計的“綱”和“領”：就是確定系統採用哪些主要設備，這些設備怎麼佈置、怎麼配合，如同家裏裝修要先畫好電路圖，確定開關、插座、照明等的位置，才能保證所有電器的用電安全和正常工作。
舟山工程是國家電網第一個商業化的柔性直流工程，也是世界首個五端柔性直流工程，主接線要比國外的兩端工程複雜得多。整個工程要用的設備有上百種，每種設備又有多種型式，排列組合起來就有上千種，許多設備連見都沒見過，更別説熟練使用和佈置。
接到任務後，團隊迅速分工，有的總結以前常規工程的設計經驗，有的研究新設備的功能和特點，有的開展理論分析，有的搭建仿真模型。期間，他們提出了幾十種方案，但經過反覆仿真分析，都滿足不了五端直流安全穩定運行的要求。
只好全部推倒，從頭再來。
又經過數月的“閉關修煉”，世界首個五端柔性直流工程主接線終於完成，徹底打破了未來可能的外方知識產權限制，完全做到了自主化設計。
舟山工程後，他們又“攻下”了供電可靠性要求更高的廈門工程。“現在，外方為了提高工程可靠性，反而模仿起‘中國方案’，我們的身份也實現了從‘學生’到‘老師’的華麗轉變。”樂波驕傲地説。
在沒有任何資料可供借鑑的情況下，攻關團隊拿下了一個又一個世界難題，實現多項技術“零”的突破，形成一套完整的柔性直流輸電成套設計體系，徹底擺脱了“洋枴棍”，實現了柔性直流輸電技術領域的“彎道超車”和“中國引領”。
不設權威自由發揮鼓勵原創，創造12項世界第一
2020年6月29日，張北柔性直流電網工程竣工投產，來自草原的綠色動能點亮了京城的萬家燈火。張北工程不僅能夠滿足冬奧會的100%清潔供電需求，還將每年向北京輸送225億度清潔電力，相當於北京年用電量的十分之一。
“柔性直流電網技術可以控制電能靈活轉向，適應新能源的波動，是目前世界上最先進的輸電技術。”樂波説，張北工程採用了我國原創、世界領先的柔性直流電網新技術，把過去不可控的風能變為可控優質電能。“工程創造了12項世界第一，提出了破解新能源大規模開發利用世界級難題的中國方案。”
12項沉甸甸的世界第一，凝聚着科研人員克服重重困難、戰勝層層挑戰所付出的艱辛和努力。
靈活可靠消納新能源，首先碰到的難題是要研製確保電網安全的新設備、新技術。“直流電網設計的難點在於要應對不經常發生的嚴重故障，解決這個問題，就必須找到能確保電網安全的‘速效救心丸’。”團隊技術骨幹李探博士説。
李探一畢業，就和團隊一頭扎入柔性直流電網的資料堆，從查公式、編程序開始，一晃就是5年時間。研發之初，由於相關技術在世界範圍內都處於完全空白狀態，沒有任何經驗可供借鑑，團隊只能從零開始。然而正是這張“白紙”，給年輕的科研人員們提供了從理論到實踐的廣闊舞台。
不設權威、自由發揮、鼓勵原創是團隊組建時就確定的工作原則。從“半橋式換流閥+直流斷路器”到“全橋式換流閥”，他們大膽假設、小心求證，從“交流耗能裝置”到“直流耗能裝置”，他們嚴謹細緻、一絲不苟，經歷了數月“白加黑”、“5+2”的鏖戰和麪紅耳赤的爭論，終於實現了“首台套”直流斷路器和交流耗能裝置的重大技術突破。
張北工程的聯調試驗需要依賴於“新能源”和“柔性直流電網”的真實模型，這兩個高度複雜的系統，單獨拿出來進行建模已經困難重重，進行聯合測試更是從未有過先例。
四百多面控制屏櫃，通過上萬根線纜連接起來，將新能源和四座換流站組合在一起，建立起反映電網真實特性的超大規模仿真系統。僅啓動一次，就要花費數小時。
“這只是邁出了平台構建的第一步。”實驗室負責人厲璇介紹，“在資源條件有限的情況下，還要準確刻畫複雜系統的快速變化特性，這是更加關鍵的一步。”
幾十個新能源場站，四端柔性直流電網，包含了數十萬元件，上萬根光纖，對系統的實時運算能力提出了嚴峻挑戰。為了實現實時運算，如此龐大的系統在每個毫秒都要進行幾十億次仿真計算，這儼然是一個超級計算系統，超算能力對系統配置提出了不可能達到的要求。
為了實現實時運算目標，必須另闢蹊徑。“將系統和元件進行有效簡化後，我們所提出的多項等值技術將仿真速度提升了近60%，完全達到工程精度。”厲璇説。在對模型進行逐步等值的過程中，科研人員們經歷了種種坎坷和失敗，一個錯誤的脈衝信號，一個程序的細微漏洞，或一個設置不合理的參數，都容易導致系統報錯或失穩奔潰。
一遍又一遍的檢查設備，一次又一次的核對接線是團隊每天的日常工作，一條通道調試不通就從頭再來。
在團隊齊心協力下，終於建立起世界首個大規模新能源柔直併網硬件在環實時仿真試驗系統。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青海是我國清潔能源最豐富的省份之一，新能源發電量已經超過青海省全省用電負荷，亟需將大量富餘的清潔電力送到上千公里之外的中東部負荷中心，變資源優勢為經濟優勢。
特高壓直流技術成熟、成本較低，在大容量遠距離電能輸送方面具有獨特優勢。因此，青海的新能源必須通過特高壓直流技術進行遠距離大規模消納。然而，傳統特高壓直流猶如高速列車，運載量大、一站直達，而“始發站”的太陽能、風能等清潔能源就像自由出行的遊客，何時出行、多少人出行均具有隨機性。因此，對傳統特高壓技術升級改造才能更好實現對新能源的高效送出。
“能否將彙集新能源的系統電壓控制穩定是工程設計的關鍵點。”項目負責人盧亞軍向記者介紹。多年來，國網經研院直流技術攻關團隊提出的“升級版”特高壓技術，涵蓋了多項穩定系統電壓的“獨門絕技”，這些措施在專門輸送新能源的青海—河南（青豫）±800千伏特高壓直流工程中得到成功應用，實現了成果轉化，極大提升了特高壓直流對新能源送出的適應性。
換流站連接着縱橫千里的直流輸電線路，彷彿人體的心臟，是直流輸電工程最重要的能源轉換樞紐，交流和直流的變換就在這裏完成。青海換流站海拔達2900米，是世界上海拔最高的特高壓換流站，空氣稀薄，設備也會“缺氧”，耐受高電壓的能力大幅下降。
“我們對直流系統的過電壓水平進行了上百次迭代仿真校核，優化了高海拔下均壓電極設計，有效縮短了設備間的空氣間隙，確保設備運行萬無一失，根本上消除了設備的‘高原反應’，保證了高原換流站的運行性能與平原保持一致。”盧亞軍説。
考驗接踵而來。
由於風光能源不穩定，功率波動大，電網對變壓器的電壓調節能力要求較以往工程更高。分接開關是變壓器執行電壓調節功能的最核心裝備，其設計一直是制約國產化的“卡脖子”技術難題。如何提高分接開關的運行可靠性，是擺在團隊面前必須解決的一道難題。
科研團隊深入研究了各種技術措施可能性，提出了幾十種技術方案，推導了上百頁分析算稿，經過反覆研究論證仿真，確定了通過有效降低分接開關動作次數提高系統可靠性的技術方案，最終實現了分接開關動作次數減少90%，顯著提高了設備使用壽命，保障了工程的順利投運和安全運行。同時，研究成果也在所有已投運的特高壓工程中推廣應用。
2020年12月30日，青豫工程正式投入商業運行，來自青藏高原的可再生能源跨越千里，點亮中原。
“電力天路在我們手裏從規劃變成現實，成為了造福人民的幸福之路、光明之路和清潔之路。”樂波自豪地説。
從陸上風電到遠海風電直流送出建立中國標準
2020年8月6日，我國首個遠海風電經直流送出項目——江蘇如東海上風電柔性直流輸電工程的成套設計順利通過業主組織的專家評審。
如東工程是柔性直流輸電技術在我國遠海風電送出領域的首次應用，也是目前世界範圍內在建的電壓等級最高、容量最大的海上風電柔直送出工程，是我國乃至世界海上風電發展的重要里程碑。
“遠海風電開發送出，我們沒有任何經驗可供借鑑，技術也被嚴格封鎖，但我們要敢為人先！”樂波説，“憑藉豐富的柔性直流工程經驗，我們一定能獨立啃下這塊‘硬骨頭’，核心技術掌握在自己手裏才能保障能源安全。不僅要掌握核心技術，還要建立中國標準，帶動國產化裝備走出去。”
如東工程建設週期短，業主要求團隊必須在不足半年的時間內完成全部設計工作。工期緊、任務重是擺在設計團隊面前的嚴峻現實。
海上換流站是建設在遠離陸地、大海深處的風能彙集與轉換平台，建設費用高，緊湊化、輕型化設計要求與大規模風電集中送出互相矛盾。“設計方案需要在保證風電安全可靠送出的前提下儘量減少海上換流站的設備重量和數量。”項目負責人趙崢介紹。經過多輪技術方案比選，攻關團隊決定先對主接線“動手術”，砍掉一般換流站“標配”的限流裝置等大型設備，讓同類設備“身兼多職”，儘量壓縮海上設備數量。
與張北工程類似，如東工程也需要使用耗能裝置。為使海上平台有效“瘦身”，團隊挖掘設備潛力，提出採用“直流”耗能裝置這一新型設備，把原本安裝在海上換流站的耗能裝置移植到陸上換流站，使得海上平台面積大大縮小。設備首次使用，沒有任何設計、設備生產和運行經驗，難度極大，只能將難點化整為零，各個擊破。“面對新的技術方案，我們要心懷敬畏，任何一個小的疏忽都可能導致億萬投資打了水漂。”樂波説，“任何一處改動，我們都要反覆計算、迭代仿真，絕不含糊。”經過一年的集中攻關，團隊提出了三種典型的設計方案，其中，‘集中式耗能’方案成功應用於如東工程，實現了成果轉化。”
由於出海成本高、時間長，為運行維護帶來了諸多不便，高可靠性成為工程設計必須考慮的因素。“我們為海上換流站的關鍵設備配置了一定數量的‘替身’和‘備份’，可以自動切換，設備運行壓力小了不少。”趙崢説，“例如變壓器就採用兩台並聯運行的設計方案，當一台變壓器故障時，另一台變壓器可以暫時輸送海上風電場發出的所有電能，從而避免能量損失。”
根據設計方案選擇設備似乎是水到渠成的事，然而對於海上風電工程來説，並沒有那麼簡單。設備不僅要適應惡劣的海洋環境，還要滿足緊湊輕型化、運維遠程無人化、高可靠性等特殊要求，但緊湊化佈置不利於設備現場試驗的開展和後期運維檢修。團隊到廠家開展多次交流調研，並親自出海赴離岸50多公里的交流升壓站實地調研，獲得了大量第一手資料，並進行了有針對性的研究比選工作，最終提出了滿足海上換流站建設、試驗和運維要求的全部設備方案。“我們一直在做基礎研究和技術方案升級，如何優化設備結構型式和佈置方案，參數能否滿足系統要求，能否在有限的空間內開展現場試驗，這些都是我們要特殊考慮的。”趙崢説，“每一步都需要‘小心’，才能讓業主‘安心’”。
大國工匠，精益求精。
在國內尚無任何工程應用經驗可借鑑的條件下，國網經研院直流技術攻關團隊從一幅幅拓撲接線、一頁頁公式推導開始，一步一個腳印開展技術攻關和研發，積累了一屋子的中間過程資料。每一份報告都見證了技術創新難度之大和挑戰之巨，每一項成果都凝聚着團隊成員的智慧與汗水。憑着這股創新精神和敢為人先的勇氣，團隊獨立攻克了海上風電柔性直流送出多項重大技術難題，形成了完整的柔性直流輸電成套設計技術體系，徹底打破了國外技術封鎖。
“從柔性直流到升級版特高壓直流，從陸上風電接入到遠海風電直流送出，這些創新技術有力提升了我國在該領域的引領地位，為服務國家新能源開發戰略提供了有力支撐。” 國網經研院董事長潘爾生説。
（光明日報全媒體記者 蔡侗辰）