一道世界难题，一次国内电网发展“产学研用”模式的典型示范，一次国际直流输电技术的全新突破……被誉为广东海上明珠的汕头南澳岛，迎来了世界电网最前沿技术的探索和实践，令业界瞩目。
我国在国际直流输电领域的又一重大创新成果;攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，使我国站在了世界输电技术的最前沿;提高风电利用率至少5%-10%;所有核心设备以及控制保护系统均为国内首次研发，100%自主知识产权。
2013年11月4日上午，广东最东端的汕头南澳岛莱芜码头岸上，小风微凉。吕文胜像往常一样，把车停在售票大厅的一侧，等候1小时一趟的渡轮。他此程的目的地，是正在进行进站道路铺设的青澳换流站。从去年4月算起，19个月来，他大半时间穿梭在南澳岛上。再过一个多月，这座岛上将屹立起世界电力史上的一座丰碑。作为建设者和见证人，他期待着这一天，既平静，又兴奋。
12月25日，国家科学技术部863计划重大专项课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”示范工程——南澳±160千伏多端柔性直流示范工程(以下简称南澳多端柔直工程)正式投产。
一道世界难题的解决：新能源接入电网的最好方式
今年9月，吕文胜十分焦虑。
整个项目常规物资不到5000万，占比不到一成，没有样品的占到了大多数;线路架设涉及海陆空领域，其中架空线路的57座塔基，90%以上都要实施爆破;放完直流海底电缆的负极后，惊闻年度最强台风“天兔”即将来袭……尽管在工程建设领域摸爬滚打了27年，吕文胜还是碰到了自己平生的许多第一次。
吕文胜是南澳多端柔性直流示范工程的项目副经理，作为世上首个多端柔性直流工程，从核心技术、设备到施工建设，都需要面对零的突破。
为攻克多端柔性直流输电这一世界难题，大力发展清洁能源，国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”课题列入国家863科技计划重大专项，把南澳多端柔性直流输电工程作为我国第一个自主化示范工程，以突破大型风电采用柔性多端直流输电接入电网的关键技术问题，提升我国柔性直流输电领域的核心装备研发和制造水平，实现成套设计的全面自主化。
“多端指的是两端以上的柔性直流工程，技术更加复杂。”南澳多端柔直工程项目工程师许树楷介绍说，“两端直流输电系统无法实现对多个电源点(如风电场、分散式小水电等)的接入或多个负荷点的同时供电，多端系统可以将多个海上风电场、孤立海岛与大陆连接起来，构成直流网络，在节省投资与减少海域资源占用的情况下，既满足海岛电力需求的同时，还能将富余电能送往大陆。”
一次技术封锁的破冰：“产、学、研、用”多智结晶
从系统研究、成套设计，到工程设计、设备制造，再到现场施工、运行调试，南澳柔直工程都选择了“产、学、研、用”一体的攻关方式，研究机构、设计、制造企业合力，共同攻克多端柔性直流输电技术难题。
“控制保护系统是整个工程的‘神经中枢’，南澳多端柔直工程作为世界第一个多端柔性直流输电系统，其‘多端’功能完全依靠复杂而灵活的控制保护系统来实现。”许树楷解释道。
“就像一个有着多个入口(电源接入端)与多个出口(负荷供电端)的水管，要保证水管水压稳定，则入水与出水流量要时刻保持基本平衡。但由于入水量与出水量是各端口依据各自情况而随时变化的，如何实时平衡这种变化难度极大。而当一个入水口或出水口堵塞了，其它入口、出口如何快速调整自身的入水、出水量，甚至是入水、出水方式之间发生切换，来维持整个系统的再平衡，其技术含量就更高。”
“多端”之难正在于此。
而据许树楷告诉记者：“此次南澳工程的自主创新，我们走在了世界直流输电技术的前列。”在站与站的系统控制、协调上，如何打破串行格局、实现设备的性能兼容，成为南方电网公司必须攻克的难关。光是将换流器级控制和换流站级控制切开，该怎样切的问题，就开了无数次的会。因为到了2013年6月，仍然没有一个厂家愿意开放规约。
要敞开的，是企业视为生命的核心技术;待攻破的，是产业发展最前沿的壁垒。“我们必须各方联手，而非单兵作战。”以南方电网公司副总经理王良友为组长、中国工程院李立浧等3名院士为专家顾问的攻关小组，辗转在全国各地与学界专家、厂商代表联合攻关。在多方权衡后，最终，国内厂家全部开放规约，合力探寻破解办法。
短短六个月，南网组件的攻关研发团队从零开始，完成了多端柔直的控制保护设备研发、完成各类试验共1267项，组织完成了直流控制保护规范书制定、控制保护策略研究、软硬件设计、设备制造、测试系统搭建、通讯系统联调、工厂试验、型式试验及FPT/DPT试验等多项工作，开发出具有完全自主知识产权的多端柔性直流控制保护系统。
南澳多端柔直工程将已基本成型的两端柔性直流系统扩展到多端，每端的接口与设备都选用了不同型号、来自包括央企、民企等国内不同厂商的设备，让尽可能多的设备研发制造企业参与到这个工程中来，培育起一个良性竞争的市场环境。
一次工程奇迹的诞生：比类似工程缩短10个月
海底直流电缆的质量控制，是影响整个柔性直流工程可靠性的关键一环，高压直流电缆及其附件也是当今世界电缆制造的技术制高点。近年来，为了抢占新能源领域这块蛋糕，虽然众多国内研发和制造单位已经在资金、技术上投入了大手笔，但国内还没有应用案例，没有海缆成品，也没有专门的海缆试验基地。
“开始都以为做海底直流电缆不难，因为交流电缆在国内做了四五十年了，国外做得出来的东西，国内也肯定行的。”电缆攻关组专家周华敏的另一个身份是全国架空线路标准化委员会委员，他说，国外ABB和日本住友等公司提出的研发与供货周期是三到四年，并捆绑了一系列经济和技术条件。
2012年12月，南澳柔直工程海缆攻关组组长郭小龙带队来到湖南一家电缆厂的生产车间，现场看到刚刚生产的两条电缆直接崩断。事实上，从这年年初开始，国内7家具备直流电缆生产条件的厂家都在进行着反复试验，然而一年过去了，所有厂家研制开发出的±160千伏、±200千伏、±320千伏多种直流电缆在型式试验时，无一例成功。
“山上没有路，大家就只能一起去探路。”2012年底，广东电网与上海电缆研究所(国家电线电缆检测中心)组建研究团队，把国内有生产能力的厂商聚在一起，对失败的各种原因进行分析探讨，从结构尺寸、技术线路到试验方法，集中进行±160千伏直流电缆的研发和试验。
2013年1月23日，国内生产出的第一批±160千伏直流电缆及附件的样品，通过了国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验。至3月10日，国内已有5家厂商的产品成功通过型式试验。
一波初平，一波又起。由于海缆产品的研发、生产、招标、试验等一系列程序，到货时已进入秋季，施工面临着南澳海域“无风三层浪”的恶劣海况，运输、施工成为工程建设的又一大障碍。
“敷设海底电缆的最佳时段，是没有台风发生的台风季节。”吕文胜说，海上施工条件苛刻：风力不能超过七级、轻浪、海面不能有雾。在9月中旬敷设好海缆负极后，正极铺设已不具备天气条件。
9月26日，“天兔”掠过之后的第四天，终于迎来了施工的最好时机，海缆敷设船从长山尾处的海缆终端站沿着原有35千伏海缆通道敷设，直至莱芜侧新建接头工井。至此，南澳岛上原有的35千伏南澳线交流电缆全部换成了世界首条±160千伏直流海底电缆。
“错过这几天的话，正极的敷设只能等到明年。”说到这里，吕文胜激动不已。
从3月施工到工程投产，南澳多端柔直工程建设历经12次台风、117天雨水天气，但南方电网公司仅仅用了8个月，就干成了常规需要18个月工期的类似工程，创造了柔性直流工程的又一个世界奇迹。
■数字
经济账
据初步预测，未来十年内，世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。
柔性直流输电技术具有较强的经济性。较之常规直流输电，在容量为1万至100万千瓦的部分场合下，尤其是对于离岸较远的海上风电场内部互联来说，柔性直流输电技术可节约投资10%以上。
南澳多端柔性直流输电工程所有核心设备均为国内首次研发，实现100%自主国产化，打破了国外的技术和价格垄断。据初步估算，国产柔性直流输电设备的造价不足国外企业的1/2，以国际上价格约为4亿人民币/10万千瓦，按“十二五” 期间投产300万千瓦计算，可节约投资60亿元人民币。
环境账
据专家测算，南澳多端柔性直流输电工程每年能输送风电5.6亿千瓦时，以国家能源局公布的最新6000千瓦及以上供电标准煤耗率(326克/千瓦时)计算，相当于节约了18.25万吨标准煤，减少了48.55万吨二氧化碳。
科技账
世界第一个多端柔性直流输电工程，完成多端(3端)柔性直流的系统研究，制定设备规范、试验标准，形成总体设计技术方案;
国内第一次采用±160千伏XLPE直流陆缆、海缆及其附件，使用架空线与直流海缆、陆缆混合接线技术，成功研发国内最高电压等级的直流海缆。
焦点释疑：为何是南澳?
世界首个多端柔性直流工程，为何不落户北上广深大城市，而青睐电网较小的汕头南澳岛?
●该技术适用于电压等级不高的地区，南澳适其“脾胃”。
据汕头供电局副总工程师吕文胜介绍，此前，南澳主网通过2回110千伏交流线路与汕头电网相联，最高电压等级为110千伏，去年最高负荷为1.56万千瓦，2013年最高用电负荷约为1.61万千瓦。
●柔性直流输电技术适合在岛礁间穿梭，南澳正中“下怀”。
南澳多端柔直工程设计总工程师陈冰分析认为，南澳岛地处粤东海面，位于高雄-厦门-香港三大港口的中心点，濒临西太平洋国际主航线，由37个大小岛屿所组成，在国防、旅游、海岛经济发展上具有重大示范作用。
●该技术被誉为间歇性能源、特别是风电的“知音”，南澳翘首以盼。
自1989年第一台风力机发电至今，24年来，共有国内外十多家公司通过独资、国内融资、中外合资及股份制合作的形式参与南澳风电场的建设。南澳是广东省唯一的海岛县，东南季风长，风力资源十分丰富。据近年风况实测和20年风速资料整理表明，南澳风电场年平均风速达8.5-10.5米/秒，有效风能密度达1101瓦/平方米，年有效利用时数超3000小时，国内外风能专家考察南澳岛时认为，南澳风电场风况属世界最佳之列，目前装机总容量仅16.903万千瓦，还有成倍的发展空间。
●柔直技术是未来智能电网发展的引领，南澳承载梦想。
广东电网公司副总经理张文峰在接受记者采访时表示，广东电网作为南方电网最大的受端电网和技术最高的省级电网，在节能调度、经济运行、电网可靠性、新能源接入等方面均走在前列，但是在短路电流、系统调峰、地区性电源支撑等方面遇到诸多问题，制约了其下一步发展。而处于广东电网末端的汕头电网，本地电网特别是南澳岛电网薄弱，现有交流通道已无法满足后续大规模风电送出，柔性直流输电方案成为解决南澳近区海上风电送出问题的迫切需要。
南澳岛目前已建成牛头岭风电场、云澳风电场以及青澳风电场，未来还将建设塔屿风电场，各个风电场在岛上相对分散，采用多端柔性直流技术，可以很好地解决分散风电场接入问题，同时也可方便地实施多端柔性直流技术的探索和示范。
专家声音：柔性直流是电网发展的战略选择
近年来，柔性电子概念赚足了资本市场眼球，凡是与柔性沾边的领域，都会受到投资者关注并引起无限遐想。那么，被誉为风电知音的柔性直流输电技术有什么特点?其柔性主要体现在什么地方，有何“特异”功能，应用前景如何?就此，记者采访了国内直流输电领域的权威专家。
柔性的核心是灵活可控
问：柔性直流技术的神秘之处在哪里，有何显著特点?
答：柔性直流输电又称“电压源换流器型高压直流输电”，是基于电压源换流器技术的直流输电。它以可关断器件和脉冲宽度调制技术为基础，可在较大范围内，对输送的有功、无功功率分别进行独立控制，快速对交直流电压、有功、无功和交流频率进行调节。
柔性直流输电的“柔”主要体现在系统的可控性上，该系统可快速跟踪交直流电网各类参数的变化并根据指定的控制策略迅速做出相应的调整。这种调整不仅迅速，而且平滑，对系统的影响较小。
柔性直流输电系统可监测其连接的受端交流电网的电压，并实现快速追踪，使其输出电压的波形与交流电压波形基本相同。同时它不仅不需要交流电网提供无功补偿，本身还能起到静止同步补偿器的作用，可以动态补偿交流系统的无功功率，稳定交流母线电压，提高所连接系统的电压稳定性。——南方电网专家委员会主任委员、中国工程院院士李立浧
市场应用前景广阔
问：相比传统交流，柔性直流输电技术的优势和市场应用前景如何?
答：除了有消纳新能源方面的特长外，柔性直流技术的优势主要体现在长距离供电上。如电能供给不充足的岛屿，需要外部的电能传输过来，岛屿间电力联网主要通过海底电缆的方式，而在长距离电缆线路输电中，交流电缆越长，电能损耗越高，输送的有效电能越少。这就像用管子往外送开水，管子越长，水温越低，末端用户可能就用不上了;而柔性直流电缆相当于一根保温管，从锅炉到末端用户，水温都是恒定的。
——南澳多端柔性直流输电工程项目技术负责人、南网科研院院长饶宏
柔性直流输电技术至少能从两个方面提高风电利用率，一是提高风电机组抵御电网故障扰动的能力，减少风电机组停机率;二是提高风电机组对风速的适应能力，能在更大风速范围内保持发电运行。这将至少提高风电利用率5%-10%。
——中国工程院院士、清华大学教授韩英铎
多端柔直代表了智能电网发展的方向
问：国外投运的柔性直流工程均为两端，那么，南澳为何要采用多端技术?
答：常规的两端直流仅能实现点对点的直流功率传送，无法实现对多个电源点(如风电场)的接入或多个负荷点的同时供电。
对于海上风电或海岛供电而言，多端送(供电)是非常现实的需求，如果每个海上风电场及孤立海岛都依靠与大陆的点对点直流来连接，无论工程造价，还是海域面积占用，都是巨大的。多端系统可有效解决这个问题，将临近的海上风电场，临近的孤立海岛连接起来，构成直流网络，再与大陆连接，既节省投资与海域资源占用，同时也可实现运行方式的灵活多样。
——南澳多端柔直工程设计总工程师陈冰
柔性直流输电技术是改变电网发展格局的战略性选择，它可以提高现有输配电网的安全稳定水平，促进可再生能源低成本模块化开发利用，促进电力产业结构升级与优化，解决我国能源领域节能环保等重大问题。同时，在分布式发电接入、孤岛供电、城市电网供电等方面具有广阔的市场应用前景。据初步预测，在未来十年内，世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。
