2021年11月09日 | 聚力攻关核心技术 助推构建新型电力系统

日前，国家科学技术奖励大会在北京隆重举行，国家电网有限公司共6个项目获2020年度国家科学技术奖。这些项目分别由国网电科院、国网浙江电力、中国电科院以及联研院牵头或参与完成。本文集纳上述项目的技术亮点和应用成效，以飨读者。

国网电科院牵头

复杂电网差动保护 关键技术及应用

复杂电网差动保护装备应用于扎鲁特 ±800千伏换流站新一代调相机组工程。  国网电科院供图

随着“西电东送”战略实施、清洁能源大规模开发和外送，我国逐步建成世界上电压等级最高、输送距离最远、交直流混联的特大型复杂电网。在这种形势下，我国复杂电网“故障全局化”的特征逐步凸显。

作为电网安全第一道防线中的主保护，差动保护设备担负着第一时间快速切除故障的重任，是电网和各类电气设备的“贴身保镖”。

随着电网电压等级不断提升、规模和复杂度持续加大，线路分布电容电流成倍增长、大容量变压器励磁涌流与故障电流波形更趋相似、故障暂态电流幅值大衰减慢等特征逐步呈现，多次造成差动保护误动或慢动，导致电网事故扩大和设备损坏，差动保护精准快速辨识故障难度愈加凸显，面临严峻挑战。

针对上述问题和挑战，项目组由国网电科院牵头，在国家科技攻关计划、自然科学基金等多个项目的支持下，历时13年科研攻关，成功突破输电线路、大容量变压器、发电机、母线等成套保护装置关键核心技术，大幅提升故障识别能力，缩短动作时间，提升动作可靠性，推动我国电网完成以差动保护为主保护的升级换代。

项目构建了复杂电网差动保护技术体系，自适应于不同保护对象、不同应用场景、不同故障演化过程，解决了差动保护快速性、灵敏性、可靠性难以兼顾的难题。

基于上述成果，项目组研制的系列继电保护装置通过德国技术检验协会（TUV）等5家权威机构检测认证，获国家授权发明专利59项，出版专著4部，发表被SCI/EI收录的论文97篇，牵头制订《1000kV电力系统继电保护技术导则》等国家标准。多位院士专家组成的鉴定委员会一致认为，项目成果整体技术处于国际领先水平。

项目成果已广泛应用于我国220千伏～1000千伏各电压等级电网，涵盖新一代调相机组工程、海上风电工程以及川藏联网工程等重要工程，对不满足我国复杂电网要求的进口保护进行了批量替换，带动我国高压电网新投运设备100%配置国产差动保护。产品还出口至数十个国家和地区。

国网浙江电力牵头

含高比例新能源的电力系统 需求侧负荷调控关键技术及工程应用

电力需求侧调控是实现新能源高效就近消纳、保障电网安全经济运行的重要途径，但长期以来还存在一些瓶颈：侧重保生产的负荷固有运行模式与提能效、保消纳的电网调控目标失配，传统直接切除式负荷控制无法跟随新能源波动；分散式负荷单体容量小、数量庞大，大规模协调控制极其困难，调峰能力弱；广域负荷与高比例新能源双重强不确定性叠加，加剧了系统运行风险。

“含高比例新能源的电力系统需求侧负荷调控关键技术及工程应用”项目由国网浙江电力联合浙江大学、源牌科技、清华大学、中国电科院等产学研用团队历时7年完成技术攻关。针对新能源高效消纳和高比例新能源电力系统安全运行这一国家重大能源战略需求，该成果解决了集中式负荷消纳新能源、分散式负荷聚合调峰、源荷互动防控风险三大技术难题，首创了大容量集中式负荷跟随新能源的平滑调控技术，突破了海量分散式负荷稳定调峰的聚合控制技术，构建了源荷多重不确定性条件下的电网运行风险控制体系。

成果在国际上首次实现了吉瓦级集中工业冶炼负荷秒级平滑控制参与调频，吉瓦级分散商业空调负荷集群持续小时级稳定调峰。成果应用在分布式光伏发展迅猛的浙江电网，保障了新能源电量100%就地消纳下的电网安全运行。成果现已规模化应用至浙江、河北、上海、重庆等11个省（直辖市），覆盖中国尊、浦东机场等657栋大型建筑及上海世博园等48个园区，并推广至吉隆坡、迪拜等地的海外工程中，取得了显著的经济和社会效益。

中国电科院牵头

网源友好型风电机组关键技术及规模化应用

“网源友好型风电机组关键技术及规模化应用”项目由中国电科院新能源研究中心牵头，联合金风科技、运达风电、合肥工业大学和华北电力大学组成产学研联合攻关团队，针对大规模风电电网友好型主动支撑能力不足造成的高比例风电系统并网安全稳定问题展开攻关。项目组在国家自然科学基金、科技支撑计划等项目的支持下，从风电电源侧入手，产学研协同攻关，历时8年，突破了风电机组故障穿越与暂态支撑、主动调频调压、谐波谐振主动抑制、复杂工况载荷优化等网源友好关键技术，首次研发了网源友好型风电机组，实现风电由“被动适应”到“主动支撑”的跨越式升级。这是我国风电装备实现自主化、大型化后的又一重大突破。项目获国际发明专利授权6项、中国发明专利授权62项、软件著作权37项，发表被SCI/EI收录的论文102篇，出版专著2部，牵头制修订风电并网国家/行业标准14项。

项目成果广泛应用于我国主流风电整机厂商，在29个省（自治区、直辖市）安装超过2.6万台，占近三年风电新增装机的83%。网源友好型风电机组出口到美国、德国、澳大利亚等30余个国家。核心技术与成果推广应用于我国“三北”地区400余座风电场的网源协调技术改造中，总容量超过3500万千瓦，助力这些风电场年利用小时数共增加300小时以上，年多发电量总计超100亿千瓦时，保障高比例风电系统的并网安全稳定运行。

项目成果有望为新型电力系统提供电网构建型风电技术与装备支撑，对助力实现“双碳”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统意义重大。

联研院参与

特高压高能效输变电装备用 超低损耗取向硅钢开发与应用

超低损耗取向硅钢是制造特高压高能效变压器及电抗器“心脏”的核心材料，对支撑“西电东送”和节能减排具有重大意义。立项初期，我国向家坝—上海等6个±800千伏直流工程、晋东南—南阳—荆门等2个1000千伏交流工程中的变压器用取向硅钢材料全部依赖进口，价值数十亿元，技术受制于人，且对我国限量供应。

在重大需求牵引下，联研院与宝山钢铁股份有限公司、东北大学、保定天威保变电气股份有限公司等单位共同组建了产学研用联合攻关团队，开展超低损耗取向硅钢开发与应用技术攻关。其中，联研院电工材料研究所自主开发了特高压复杂工况取向硅钢及铁心服役应用评价体系，建立了取向硅钢产品对标及数据库系统，主持制订了特高压直流换流变压器铁心材料专用标准，推动了超低损耗取向硅钢在特高压变压器中的规模化应用，目前该产品国产化率达100%。

项目共获国家授权发明专利37项、实用新型专利授权15项，软件著作权1项，发表论文29篇，核心技术秘密235件，整体达到国际领先水平。超低损耗取向硅钢产品应用于±800千伏巴西美丽山等13项特高压直流工程，近三年国内市场占有率达98.7%，实现了我国取向硅钢技术全球引领，彻底解决了我国在相关技术领域“卡脖子”问题。

中国电科院牵头

±800kV换流变压器自主化研制与应用

±800千伏换流变压器是特高压直流输电系统的“枢纽”，长期处于交直流电场等复杂应力作用下，运行工况苛刻，是难度最大、价值最高的核心设备。其技术长期被国外垄断，迫切需要开展自主化研制。

±800千伏换流变压器需解决高电压、有限空间、多种复杂应力、材料非线性下的电磁热力综合协调设计，设计制造难度大。2014年以前，全世界仅ABB、西门子掌握±800千伏换流变压器设计制造技术。研制过程中需要突破绝缘设计、出线装置、温升控制、制造工艺四大关键技术，解决绝缘受限、材料特性、精确计算、精准工艺等技术难题。

该项目由中国电科院牵头，联合国内顶尖制造企业、高校共同完成。项目组采用产学研用联合攻关，历时十年完成了关键技术研究及工程应用，立足于国产原材料电、磁、热、力等基础特性研究，解决了主绝缘结构设计、阀侧出线装置研制、温升控制、工艺体系研发等难题。

采用本项目技术的±800千伏换流变压器在灵州—绍兴、滇西北—广东等特高压直流输电工程中应用43台。首台套2015年投运，全部投运变压器安全稳定运行至今。

项目使我国成为继瑞典、德国之后，世界上第三个掌握±800千伏换流变压器全套知识产权的国家。我国变压器行业硅钢片、绝缘材料、电磁线、出线装置等相关组部件整体水平得以提升，并形成了完整产业链。项目中标±800千伏巴西美丽山二期特高压直流工程，首次实现了自主化特高压换流变压器装备走出国门，对于推动我国“一带一路”建设和电工装备“走出去”具有重要意义。

中国电科院牵头

有载调容配电变压器关键技术、 系列装备及规模化应用

中国电科院牵头研发的有载调容变压器是新型变压器，可以根据台区负荷变化自动调节变压器容量大小、避免变压器过载烧毁并大幅度降低电能损耗，主要适用于用电负荷峰谷差大、年平均负载率低和分布式电源并网台区，显著提升了我国配电网安全经济运行水平。

2006年，有载调容变压器研制前，相关技术国内外均无可借鉴成果，技术团队面临有载调容暂态建模与切换过电流抑制难、有载调容开关切换可靠灭弧难、调容过程自适应协调控制难三大难题。在国家科技支撑计划等项目的持续支持下，团队经过10年技术攻关，突破了有载调容配电变压器的三大关键技术，研发了系列化产品。

团队探索有载调容建模分析理论方法，建立配电变压器调容暂态模型，提出有载调容切换关键参数配置方法，实现有载调容变压器带载切换过电流降低87.5%，变压器空载损耗降低50%以上。团队突破串联多断口分级分压的开关安全熄弧关键技术和双极对称稳定控制的开关快速分合闸关键技术，发明研制了立柱式和盘式两种有载调容调压一体化切换开关，实现调容切换时间小于20毫秒、体积减小30%以上，解决了有载调容开关切换过程可靠灭弧、动作稳定可控等难题。团队攻克了自适应协调控制关键技术，提出调容定值优化配置方法，研制了综合控制装置，为有载调容变压器安装了“智能大脑”，实现自适应负荷跟踪控制，提升了配电台区智能化水平，降低了台区综合损耗。

目前，项目成果已广泛应用于北京、河南、江苏电网等20多个省级电网中，累计应用安装有载调容变压器7万余台，降低电能损耗20多亿千瓦时，服务农村电网低电压治理、“精准扶贫”光伏发电升压并网等国家重大项目，保障了电网安全高效供电。同时，成果还推广应用于石油、石化、工商企业等，并远销非洲及印度、印尼等国家和地区。基于项目成果，团队联合相关企业研制了10千伏有载调容配电变压器系列产品，获授权发明专利35项（含国际专利2项）、软件著作权5项，制订标准15项，出版著作2部，发表论文32篇。