从落后到领先,特高压技术如今已逆袭!一文回顾特高压发展路上的辛酸与泪水
在很多人眼里,高铁和5G是中国最闪亮的名片,她们既代表了我国交通和信息这两个基础产业所取得的巨大成就,也是我国技术创新的典范。但我国特高压建设的成就和意义,并不输于高铁和5G,甚至从全球范围看,堪称独步天下,无一敌手。
同时,相比高铁和5G,特高压的发展历程也十分坎坷,甚至在国内,反对声音一直非常大,所遇到的困难也非常多。而中国之前,没有一个国家在特高压方面取得产业性的成功,所以我们没有成功经验可以参照,可以说是真正的“摸着石头过河”。但我们终究还是克服重重困难,在特高压领域取得了无与伦比的成就,并且让中国标准毫无争议的成为了世界标准。
“弃水”、“弃风”,超高压输变电技术是关键
在我国西部、北部和西南部等地区,有着全国80%以上的煤炭、水能和太阳能等资源,但这些地区,由于经济不是很发达,人口密度也小,所以对能源的需求,包括对电力的需求并不大。与之相比,我国东部沿海和中部地区,因为经济发展较快,对能源的需求占到了全国70%以上,但这些地方偏偏又十分缺少能源,包括电力,经常拉闸限电。
当然,这个现象不是2000年后才出现的,而是新中国成立以来就一直存在的问题。从五十年代起,中国就开始大力搞基建,全国各地都兴建水库电站,一为灌溉,二为发电,但对输变电方面却不够重视,结果导致中国发电量增长很快,但输变电能力却跟不上,东西部能源资源不平衡的情况也越来越严重。
改革开放之后,我国也开始重视这个问题,并在80年代引进了电压等级为500千伏的超高压输变电技术,在一定程度上缓解了资源能源和用电需求不匹配带来的矛盾。但进入21世纪后,随着中国经济快速发展,500千伏的超高压输变电技术也变得不顶用了。
那时候,东部地区因为电力不够用,又缺少风能、水能和太阳能等清洁能源,只好大量建设火电厂,但是当地煤炭资源也缺乏,于是就去西部、北部购买煤炭,运回来进行发电。这么一来,每年占用了大量铁路运力,发电成本非常高不说,东部地区的污染问题变得越来越严重,尤其由于大量烧煤炭,加重了空气污染,雾霾天变得越来越频繁。
与此同时,西部地区却完全是另外一种情况,因为大力发展水电、风电和太阳能,结果当地根本消化不了,又没有能力输送到东部地区,于是导致大量的“弃水”、“弃风”等现象。比如在上世纪90年代,为了解决重庆和四川地区缺电的问题,我国在四川攀枝花境内雅砻江干流下游开工建设二滩水电站,计划在建成后,三分之二电量输送重庆,三分之一电量输送四川。
到了2000年,二滩水电站终于完工投产,并成为了我国当时最大的水电站。结果那时候,重庆已经变成直辖市,新的连接成渝地区的电网还没有建成,四川输往重庆的电量大大减少,同时除了二滩水电站外,四川地区还有多个水电站也都建成运营,导致当地电力由短缺变成了富余,电价也直线下降。于是二滩水电站发出来的电,定价高了没人买,定价低了,多卖电就多亏钱。
而二滩水电站的建设资金,大部分都是从国内银行乃至世界银行贷款来的,所以偿债压力非常大。当时发改委一位分管能源工作的领导还特意过去帮二滩水电站“卖电还债”,眼看四川当地都不要二滩水电站的电,他就去找电力部一位副部长帮忙,希望将二滩水电站的电力输送到外地去。结果对方告诉它,一条500千伏的交流线路只能输送90多万千瓦的电力,这对于二滩水电站170亿千瓦时的平均发电量来说,无异于杯水车薪。所以,把电卖往外地的计划也不可行,最终二滩水电站为了避免亏损越来越严重,只好减少发电量。这就是著名的二滩水电站“弃水事件”。
这个事件,让越来越多人认识到超高压输变电技术的局限性,所以希望国家能发展特高压输变电技术。
从“离场”到出海,中国特高压电力技术逆袭
在国家电网公司正式提出要发展特高压后,发改委等有关部门召集专家进行论证时,却出现了大量反对的声音。有人认为特高压不安全,会对人体造成伤害;还有人则认为特高压输电网容易在战争中遭受破坏,比如在科索沃战争中,美国频繁使用的石墨炸弹就会造成特高压大规模断电。不过这些质疑声不算是最大的,并且还可以通过严格的科学计算和模拟计算来证伪,当时最大的反对声,还是认为以中国的实力,包括科技水平,是不可能把特高压搞成功的。
当时不少人都认为,中国的输变电技术在世界上,一直属于那种跟跑的角色,从低压到高压再到超高压,都落后西方国家很多,尤其超高压技术,更是比西方落后了整整二十年,而现在要搞特高压,那等于是一个孩子刚学会走路就想跑,实在有些不现实。
因此,在发展初期,西电东送直流输电工程建设完全依赖外国技术专家。2000年天广直流工程建成投产,工程全套引进德国产品,甚至洗手间马桶也由外国公司提供,工程自主化率几乎为零。“那时,在天广直流工程通电调试现场,德国技术人员说了句‘无关人员请离场’,刺痛了每个中国技术人员的心”,饶宏感慨说,“真正的核心技术是要不来、买不来、讨不来的”。
深受刺激的中国科研团队开始加快核心技术攻关,并创造了一连串“第一”。2005年,贵州至广东第二回±500千伏直流工程开工。为走出特高压直流输电技术受制于人的困境,南方电网专门组建技术研究中心,解决重大直流工程中的自主化问题,最终该工程实现了70%的综合自主化率。
随后,中国开始探索世界首个特高压直流输电技术,启动云南—广东±800千伏特高压直流输电工程科研和论证工作。从500千伏到800千伏,看似变化不大,背后却有电磁环境、设备研制、试验技术等一系列世界级技术难题待解。在此情况下,特高压工程技术国家工程实验室应运而生。一支平均年龄只有30多岁、基本全部由硕士和博士组成的科研团队,开始在没有成功先例可遵循的情况下展开技术攻关。
实验室工作人员表示:“我们的工作时间虽然不至于‘996’(朝九晚九,一周工作六天),但为了满足特定风速、气温的要求,免不了晚上甚至通宵做实验,24小时轮班倒。”经过努力,2010年云广特高压直流工程建成投产,这是全球第一个±800千伏特高压直流输电工程,工程成套设备综合国产化率超过62%。
2017年,世界首个采用高压大容量柔性直流输电技术的工程——鲁西背靠背直流异步联网工程建成投产,工程综合自主化率达100%。该工程创造了20项世界第一,形成国际、国家、行业标准共11项。
在当前内外环境生变情况下,中国在关键性、基础性领域技术攻关的步伐将进一步提速。
南方电网科研院副总经济师蔡宗远坦言,目前特高压输变电领域还有不少“卡脖子的难题”,如直流电缆设备、基础绝缘材料仍然依赖进口等。针对这些技术难题,实验室正在开展高电压计算工程学等一系列前瞻基础性科学研究,以期促进自主创新能力提高,带动行业整体技术进步。
一骑绝尘,领跑世界特高压电网建设
在正式攻克了特高压输变电技术后,中国基建迎来了爆发期,在西电东送等大规模基建项目的刺激下,中国特高压输电技术获得了巨大发展,如今中国已经可以建造1150千伏特高压输电线路,相比于国际上主流的500千伏输电线路,1150千伏输电线路只需要三分之一的输电塔和二分之一的导线,就可以输送相同能量,整体造价也比500千伏输电线路低了15%之多。
前几年,中国更是正式牵头制定了国际范围内的特高压输电技术标准,标志着中国成为了特高压输电领域内的规则制定者,这意味着其他国家就算是开发出了国产的特高压输电技术,如果想将成果拿到国际市场上变现,也必须遵守中国的标准,否则就无法得到其他国家的认可,难怪就连美国专家也感叹,中国的地位已经无法撼动了。
如今,我国的特高压输电已经从单一的技术路线转向了以UHV(超高压)技术为核心的多元化发展,实现了峰谷调节、智能化控制等功能的完善。在技术研发领域,实现“自主创新”是关键。在特高压输电领域,我国针对组合信号控制、直流输电技术、开关设备技术等多方面开展自主创新,打破了多项国际垄断,提升了特高压输电的技术水平。
除了自主创新,采用国际先进技术也是特高压技术逆袭的关键。UHV直流输电技术,是特高压输电的重要组成部分。而这项技术最初是由外国先进国家研究并应用的。在采用国际先进技术方面,我国应对对口竞争、并购重组,以及技术交流,不断引进先进技术,虚心向外国同行学习先进经验和管理方式,整合用户资源和开发知识产权。如今,在特高压输电领域,我国已经深入了解了世界上的现有技术,并适应了自己的国情和环境,将经验转化为本土化的技术实践。
目前,在中国政府的大力支持下,中国特高压技术已经走向了全球,迎来了广泛的应用和布局。中国特高压技术以其长距离、大容量、高效率等特点成为新兴市场的首选。中国电力工程咨询集团、南方电网等国内企业在国际市场上积极推进中国特高压技术的布局。南南基金秉持着南南合作理念,通过整合中国特高压技术生产企业和国际市场需求,积极推进中国特高压技术“走出去”。截至2019年底,南南基金在10个国家(地区)共有38个合作项目,合作总额超过72亿美元。
在特高压建设全面展开的同时,我国也已经制定了全球首个具有完全自主知识产权的特高压技术标准体系,形成了特高压交直流工程的全套技术标准和规范。这个标准,也是现在的世界标准,因为全世界就只有中国建成了特高压输变电网。
特高压的建设,不但促进了我国风电、水电和太阳能的发展,推动了我国的电力革命,也实现了我国能源电力发展方式的重大转变。在未来,随着我国特高压建设全面展开,将加快构建我国乃至全球能源互联网,促进“能源、交通、信息”三大领域的融合发展,助力实现我国的碳达峰、碳中和目标,推动人类社会可持续发展。
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