日前，國家科學技術獎勵大會在北京隆重舉行，國家電網有限公司共6個項目獲2020年度國家科學技術獎。這些項目分別由國網電科院、國網浙江電力、中國電科院以及聯(lián)研院牽頭或參與完成。本文集納上述項目的技術亮點和應用成效，以饗讀者。
國網電科院牽頭
復雜電網差動保護 關鍵技術及應用
復雜電網差動保護裝備應用于扎魯特 ±800千伏換流站新一代調相機組工程。 國網電科院供圖
隨著“西電東送”戰(zhàn)略實施、清潔能源大規(guī)模開發(fā)和外送，我國逐步建成世界上電壓等級最高、輸送距離最遠、交直流混聯(lián)的特大型復雜電網。在這種形勢下，我國復雜電網“故障全局化”的特征逐步凸顯。
作為電網安全第一道防線中的主保護，差動保護設備擔負著第一時間快速切除故障的重任，是電網和各類電氣設備的“貼身保鏢”。
隨著電網電壓等級不斷提升、規(guī)模和復雜度持續(xù)加大，線路分布電容電流成倍增長、大容量變壓器勵磁涌流與故障電流波形更趨相似、故障暫態(tài)電流幅值大衰減慢等特征逐步呈現，多次造成差動保護誤動或慢動，導致電網事故擴大和設備損壞，差動保護精準快速辨識故障難度愈加凸顯，面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
針對上述問題和挑戰(zhàn)，項目組由國網電科院牽頭，在國家科技攻關計劃、自然科學基金等多個項目的支持下，歷時13年科研攻關，成功突破輸電線路、大容量變壓器、發(fā)電機、母線等成套保護裝置關鍵核心技術，大幅提升故障識別能力，縮短動作時間，提升動作可靠性，推動我國電網完成以差動保護為主保護的升級換代。
項目構建了復雜電網差動保護技術體系，自適應于不同保護對象、不同應用場景、不同故障演化過程，解決了差動保護快速性、靈敏性、可靠性難以兼顧的難題。
基于上述成果，項目組研制的系列繼電保護裝置通過德國技術檢驗協(xié)會（TUV）等5家權威機構檢測認證，獲國家授權發(fā)明專利59項，出版專著4部，發(fā)表被SCI/EI收錄的論文97篇，牽頭制訂《1000kV電力系統(tǒng)繼電保護技術導則》等國家標準。多位院士專家組成的鑒定委員會一致認為，項目成果整體技術處于國際領先水平。
項目成果已廣泛應用于我國220千伏～1000千伏各電壓等級電網，涵蓋新一代調相機組工程、海上風電工程以及川藏聯(lián)網工程等重要工程，對不滿足我國復雜電網要求的進口保護進行了批量替換，帶動我國高壓電網新投運設備100%配置國產差動保護。產品還出口至數十個國家和地區(qū)。
國網浙江電力牽頭
含高比例新能源的電力系統(tǒng) 需求側負荷調控關鍵技術及工程應用
電力需求側調控是實現新能源高效就近消納、保障電網安全經濟運行的重要途徑，但長期以來還存在一些瓶頸：側重保生產的負荷固有運行模式與提能效、保消納的電網調控目標失配，傳統(tǒng)直接切除式負荷控制無法跟隨新能源波動；分散式負荷單體容量小、數量龐大，大規(guī)模協(xié)調控制極其困難，調峰能力弱；廣域負荷與高比例新能源雙重強不確定性疊加，加劇了系統(tǒng)運行風險。
“含高比例新能源的電力系統(tǒng)需求側負荷調控關鍵技術及工程應用”項目由國網浙江電力聯(lián)合浙江大學、源牌科技、清華大學、中國電科院等產學研用團隊歷時7年完成技術攻關。針對新能源高效消納和高比例新能源電力系統(tǒng)安全運行這一國家重大能源戰(zhàn)略需求，該成果解決了集中式負荷消納新能源、分散式負荷聚合調峰、源荷互動防控風險三大技術難題，首創(chuàng)了大容量集中式負荷跟隨新能源的平滑調控技術，突破了海量分散式負荷穩(wěn)定調峰的聚合控制技術，構建了源荷多重不確定性條件下的電網運行風險控制體系。
成果在國際上首次實現了吉瓦級集中工業(yè)冶煉負荷秒級平滑控制參與調頻，吉瓦級分散商業(yè)空調負荷集群持續(xù)小時級穩(wěn)定調峰。成果應用在分布式光伏發(fā)展迅猛的浙江電網，保障了新能源電量100%就地消納下的電網安全運行。成果現已規(guī)模化應用至浙江、河北、上海、重慶等11個省（直轄市），覆蓋中國尊、浦東機場等657棟大型建筑及上海世博園等48個園區(qū)，并推廣至吉隆坡、迪拜等地的海外工程中，取得了顯著的經濟和社會效益。
中國電科院牽頭
網源友好型風電機組關鍵技術及規(guī)模化應用
“網源友好型風電機組關鍵技術及規(guī)?；瘧谩表椖坑芍袊娍圃盒履茉囱芯恐行臓款^，聯(lián)合金風科技、運達風電、合肥工業(yè)大學和華北電力大學組成產學研聯(lián)合攻關團隊，針對大規(guī)模風電電網友好型主動支撐能力不足造成的高比例風電系統(tǒng)并網安全穩(wěn)定問題展開攻關。項目組在國家自然科學基金、科技支撐計劃等項目的支持下，從風電電源側入手，產學研協(xié)同攻關，歷時8年，突破了風電機組故障穿越與暫態(tài)支撐、主動調頻調壓、諧波諧振主動抑制、復雜工況載荷優(yōu)化等網源友好關鍵技術，首次研發(fā)了網源友好型風電機組，實現風電由“被動適應”到“主動支撐”的跨越式升級。這是我國風電裝備實現自主化、大型化后的又一重大突破。項目獲國際發(fā)明專利授權6項、中國發(fā)明專利授權62項、軟件著作權37項，發(fā)表被SCI/EI收錄的論文102篇，出版專著2部，牽頭制修訂風電并網國家/行業(yè)標準14項。
項目成果廣泛應用于我國主流風電整機廠商，在29個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）安裝超過2.6萬臺，占近三年風電新增裝機的83%。網源友好型風電機組出口到美國、德國、澳大利亞等30余個國家。核心技術與成果推廣應用于我國“三北”地區(qū)400余座風電場的網源協(xié)調技術改造中，總容量超過3500萬千瓦，助力這些風電場年利用小時數共增加300小時以上，年多發(fā)電量總計超100億千瓦時，保障高比例風電系統(tǒng)的并網安全穩(wěn)定運行。
項目成果有望為新型電力系統(tǒng)提供電網構建型風電技術與裝備支撐，對助力實現“雙碳”目標、構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)意義重大。
聯(lián)研院參與
特高壓高能效輸變電裝備用 超低損耗取向硅鋼開發(fā)與應用
超低損耗取向硅鋼是制造特高壓高能效變壓器及電抗器“心臟”的核心材料，對支撐“西電東送”和節(jié)能減排具有重大意義。立項初期，我國向家壩—上海等6個±800千伏直流工程、晉東南—南陽—荊門等2個1000千伏交流工程中的變壓器用取向硅鋼材料全部依賴進口，價值數十億元，技術受制于人，且對我國限量供應。
在重大需求牽引下，聯(lián)研院與寶山鋼鐵股份有限公司、東北大學、保定天威保變電氣股份有限公司等單位共同組建了產學研用聯(lián)合攻關團隊，開展超低損耗取向硅鋼開發(fā)與應用技術攻關。其中，聯(lián)研院電工材料研究所自主開發(fā)了特高壓復雜工況取向硅鋼及鐵心服役應用評價體系，建立了取向硅鋼產品對標及數據庫系統(tǒng)，主持制訂了特高壓直流換流變壓器鐵心材料專用標準，推動了超低損耗取向硅鋼在特高壓變壓器中的規(guī)?；瘧茫壳霸摦a品國產化率達100%。
項目共獲國家授權發(fā)明專利37項、實用新型專利授權15項，軟件著作權1項，發(fā)表論文29篇，核心技術秘密235件，整體達到國際領先水平。超低損耗取向硅鋼產品應用于±800千伏巴西美麗山等13項特高壓直流工程，近三年國內市場占有率達98.7%，實現了我國取向硅鋼技術全球引領，徹底解決了我國在相關技術領域“卡脖子”問題。
中國電科院牽頭
±800kV換流變壓器自主化研制與應用
±800千伏換流變壓器是特高壓直流輸電系統(tǒng)的“樞紐”，長期處于交直流電場等復雜應力作用下，運行工況苛刻，是難度最大、價值最高的核心設備。其技術長期被國外壟斷，迫切需要開展自主化研制。
±800千伏換流變壓器需解決高電壓、有限空間、多種復雜應力、材料非線性下的電磁熱力綜合協(xié)調設計，設計制造難度大。2014年以前，全世界僅ABB、西門子掌握±800千伏換流變壓器設計制造技術。研制過程中需要突破絕緣設計、出線裝置、溫升控制、制造工藝四大關鍵技術，解決絕緣受限、材料特性、精確計算、精準工藝等技術難題。
該項目由中國電科院牽頭，聯(lián)合國內頂尖制造企業(yè)、高校共同完成。項目組采用產學研用聯(lián)合攻關，歷時十年完成了關鍵技術研究及工程應用，立足于國產原材料電、磁、熱、力等基礎特性研究，解決了主絕緣結構設計、閥側出線裝置研制、溫升控制、工藝體系研發(fā)等難題。
采用本項目技術的±800千伏換流變壓器在靈州—紹興、滇西北—廣東等特高壓直流輸電工程中應用43臺。首臺套2015年投運，全部投運變壓器安全穩(wěn)定運行至今。
項目使我國成為繼瑞典、德國之后，世界上第三個掌握±800千伏換流變壓器全套知識產權的國家。我國變壓器行業(yè)硅鋼片、絕緣材料、電磁線、出線裝置等相關組部件整體水平得以提升，并形成了完整產業(yè)鏈。項目中標±800千伏巴西美麗山二期特高壓直流工程，首次實現了自主化特高壓換流變壓器裝備走出國門，對于推動我國“一帶一路”建設和電工裝備“走出去”具有重要意義。
中國電科院牽頭
有載調容配電變壓器關鍵技術、 系列裝備及規(guī)?；瘧?/strong>
中國電科院牽頭研發(fā)的有載調容變壓器是新型變壓器，可以根據臺區(qū)負荷變化自動調節(jié)變壓器容量大小、避免變壓器過載燒毀并大幅度降低電能損耗，主要適用于用電負荷峰谷差大、年平均負載率低和分布式電源并網臺區(qū)，顯著提升了我國配電網安全經濟運行水平。
2006年，有載調容變壓器研制前，相關技術國內外均無可借鑒成果，技術團隊面臨有載調容暫態(tài)建模與切換過電流抑制難、有載調容開關切換可靠滅弧難、調容過程自適應協(xié)調控制難三大難題。在國家科技支撐計劃等項目的持續(xù)支持下，團隊經過10年技術攻關，突破了有載調容配電變壓器的三大關鍵技術，研發(fā)了系列化產品。
團隊探索有載調容建模分析理論方法，建立配電變壓器調容暫態(tài)模型，提出有載調容切換關鍵參數配置方法，實現有載調容變壓器帶載切換過電流降低87.5%，變壓器空載損耗降低50%以上。團隊突破串聯(lián)多斷口分級分壓的開關安全熄弧關鍵技術和雙極對稱穩(wěn)定控制的開關快速分合閘關鍵技術，發(fā)明研制了立柱式和盤式兩種有載調容調壓一體化切換開關，實現調容切換時間小于20毫秒、體積減小30%以上，解決了有載調容開關切換過程可靠滅弧、動作穩(wěn)定可控等難題。團隊攻克了自適應協(xié)調控制關鍵技術，提出調容定值優(yōu)化配置方法，研制了綜合控制裝置，為有載調容變壓器安裝了“智能大腦”，實現自適應負荷跟蹤控制，提升了配電臺區(qū)智能化水平，降低了臺區(qū)綜合損耗。
目前，項目成果已廣泛應用于北京、河南、江蘇電網等20多個省級電網中，累計應用安裝有載調容變壓器7萬余臺，降低電能損耗20多億千瓦時，服務農村電網低電壓治理、“精準扶貧”光伏發(fā)電升壓并網等國家重大項目，保障了電網安全高效供電。同時，成果還推廣應用于石油、石化、工商企業(yè)等，并遠銷非洲及印度、印尼等國家和地區(qū)?；陧椖砍晒瑘F隊聯(lián)合相關企業(yè)研制了10千伏有載調容配電變壓器系列產品，獲授權發(fā)明專利35項（含國際專利2項）、軟件著作權5項，制訂標準15項，出版著作2部，發(fā)表論文32篇。
