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技术攻关 勇攀高峰——记2020年度国家科学技术奖国网成果

日前,国家科学技术奖励大会在北京隆重举行,国家电网公司共6个项目获2020年度国家科学技术奖。

 

近年来,国家电网公司认真贯彻落实党中央、国务院关于科技创新的系列决策部署,着力加强核心技术攻关,优化科研机制体制,构建良好创新生态,在特高压、智能电网、新能源并网、大电网安全等领域取得了一批国家级重大原创性成果,为加快构建新型电力系统、建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业提供强大科技支撑。

 

国家技术发明奖二等奖项目:

复杂电网差动保护关键技术及应用

由南瑞集团(国网电科院)牵头完成。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、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。

 

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▲复杂电网差动保护装备应用于扎鲁特±800千伏换流站。

 

针对上述问题和挑战,在国家科技攻关计划、自然科学基金等多个项目的支持下,南瑞集团成功突破输电线路、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。

 

目前,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。

 

国家科学技术进步奖二等奖项目:

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

由国网浙江省电力有限公司牵头完成。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,分散式负荷单体容量小、数量庞大,广域负荷与高比例新能源双重强不确定性叠加等瓶颈。

 

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▲分布式新能源及灵活负荷分层协调调控示意图。

 

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,国网浙江电力联合浙江大学、源牌科技、清华大学等产学研用团队历时7年完成“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”科技攻关。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、上海等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。

 

国家科学技术进步奖二等奖项目:

±800kV换流变压器自主化研制与应用

由中国电力科学研究院牵头完成。±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。

 

中国电科院联合国内顶尖制造企业、高校,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。

 

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▲巴西美丽山二期特高压工程换流变压器安装现场。

 

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。

 

国家科学技术进步奖二等奖项目:

网源友好型风电机组关键技术及规模化应用

由中国电力科学研究院牵头完成。项目联合金风科技、运达风电、华北电力大学等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,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。

 

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▲网源友好型风电场。

 

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。

 

国家科学技术进步奖二等奖项目:

有载调容配电变压器关键技术、系列装备及规模化应用

由中国电力科学研究院牵头完成。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,建立配电变压器调容暂态模型和有载调容切换关键参数配置方法,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,攻克了自适应协调控制关键技术,研制出调容定值优化配置方法和综合控制装置。该项成果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。

 

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▲有载调容配电变压器结构组成。

 

目前,项目成果已广泛应用于北京、河南电网等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。

 

国家科学技术进步奖二等奖项目:

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

由全球能源互联网研究院参与完成。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,我国多个特高压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。

 

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▲超低损耗取向硅钢产品。

 

在重大需求牵引下,国网联研院与宝山钢铁股份有限公司、东北大学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。