“合闸，执行！”6月29日上午10时，随着运行人员一声令下，张北换流站阀厅内的刀闸和4座直流断路器顺利合闸，主控室监控大屏上的光伏功率曲线开始逐步上升，总投资亿元的张北可再生能源柔性直流电网示范工程正式投运一个多月中，源自张家口的绿色电力已经为北京电网源源不断地供应着新生力量。
冀北电力建设部主任田生林兴奋地对记者说：“张北柔性直流电网试验示范工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了12项世界第一，是破解新能源大规模开发利用世界级难题的中国方案。通过一个多月的运行，我们认为这一集成技术，已经取得成功经验。可以在全国复制推广。”
一线架起互联通道
北京延庆，长城脚下，走进张北柔性直流工程北京换流站，只见大屏幕醒目的一道红线标志着来自张家口张北地区的电流正源源不断地流入北京换流站。作为张北柔性直流示范工程的唯一接收站，这里将吸收来自张家口张北地区的风能、太阳能、生物质能等发电形成的清洁能源。
据田生林介绍，柔性直流技术，是一种以电压源换流器为核心的新型直流输电技术，它的主要作用是在送端将各种清洁能源整合打包变为直流电输送至受端，在受端再将直流电转变为稳定的交流电送给用户。该技术具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点，适用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电等。我国将此技术命名为柔性直流技术。
我们之所以在河北张家口地区建设这项创新工程，这是因为该地为可再生能源资源富集区，拥有风、光、储能等多种典型要素，堪称“风的故乡、光的海洋”，风能、太阳能可开发规模高达万千瓦，具备良好的多能互补建设条件。同时，张家口地区电力需求小，新能源接纳能力有限，但毗邻京津冀电力负荷中心，是典型的大规模新能源开发与外送系统场景。
由于张家口电网位于华北千伏交流主网末端，电网结构薄弱，存在新能源安全并网、电力送出和消纳等问题。预计到今年底，张家口新能源装机规模将达到万千瓦以上，现有及规划的交流外送通道无法满足新能源送出需求，亟需新建输电通道，并探索新能源送出及消纳的新模式。
同时，张家口地区目前还有至少3/4的潜力未被开发，其中很重要一部分就在张北。“为什么没开发？就是因为此前的输送能力有限。”田生林表示，通过张北柔直工程，一下就把河北张家口承德地区，上百家风电场，数千家光伏电站连成了一个有机整体，构建了一个全要素物联、全空间展示、全信息监控、全场景模拟、全智库指导、全过程分析、全生命管理的“七全”管控系统。给基建管理者装上洞察一切的“全知之眼”，这对推动新能源开发外送，并促进送端地区资源优势转化为发展优势将起决定性作用。国家电网公司通过这样一些示范工程，就能将河北坝上地区万千瓦绿色电力将为北京西北部电网直接供电，就近解决燃气电厂替代问题，改善环境质量。
一网形成互补优势
“工程可控性高、适应性好，可以充分利用张家口地区大规模风、光互补特性，以及直流电网与丰宁抽水蓄能电站的调峰能力，有效平抑新能源间隙性、波动性对电网的冲击，解决张家口地区千万千瓦级清洁能源送出难题，创造了12项世界第一。”说起张北柔性直流工程的创新成果，参与了该工程建设的各路专家均是兴奋异常。
“柔性直流输电技术是世界上最先进的输电技术，相当于在电力系统中接入一个完全可控的‘水泵’，能够精准控制水流的方向、速度和流量，弥补了常规直流输电只能控制方向的局限性。可以大规模接纳清洁电能。”中南院北京换流站设计总工杨明告诉记者。为了让整个电网化柔为钢，保障电力平稳输出，通过智能调节，保证输出调节非常关键，而风光都得大自然的赐予，他们风电和水电可以均衡发电，为了把这种不以人们意志为转移的电力输出平衡好，我们在张北建立了世界上最大的风光储输一体化装置，能储蓄电力5万千瓦，在丰宁建设了世界上最大的抽水蓄能电站，总装机容量达到万千瓦，使之在整个电站中产生蓄水池作用，当电力富裕充沛之时，用它们储能，当电力紧缺时，让他们及时补充电网，这就使得电网的柔性能力加大，而刚性的电力保障也有了相应的基础。
然而，在众多的世界第一的背后，也带来了设计上的诸多挑战，对设计人员的理论功底、学习能力、创新思维提出了更高要求。
已因为此，项目主设备研发聚集了国内外一流技术创新和装备制造单位，设计输入资料随时都在调整，国家电网全球能源互联网研究院、中电工程中南院、西南院，浙江院等设计团队积极主动与厂家沟通、配合，多次相互迭代，确保工程集成最新柔直技术。
这当中，湖南院承担了张北柔性直流工程导地线选型的专题研究。导线担负着传输电能的重任，结合以往设计经验，湖南院共敲定6种常规导线组合方案、5种新型导线组合方案，金属回流线选择了10种导线组合方案，通过对电气性能、机械性能和全寿命周期费用等各方面进行技术经济比较，最终确定选型，保证线路运行安全可靠。
这当中，国家电网全球能源互联网研究院承担了电压等级世界最高，传输容量世界最大的柔性直流换流阀研发。据该院直流所副所长、科研带头人庞辉告诉记者。柔性直流换流阀是整个范工程的“心脏”在每个传输节点必须有换流阀存在，它的主要作用是在送端将各种清洁能源整合打包变为直流电输送至受端，在受端通过它再将直流电转变为稳定的交流电送给用户。电压等技术参数提高，导致换流阀运行工况比两端柔性直流输电系统更为复杂，故障传播速度更快，对阀控系统提出了微秒级超高速控制保护要求。年，我们启动了“高压大容量柔性直流电网关键技术研究与示范”项目，经过一年多的集中研发，柔性直流换流阀研制成功，并通过全部型式试验。年底，张北柔直示范工程北京换流站开始调试，在整个团队的共同努力下，系统调试圆满完成。今年4月，新能源并网接入系统调试获得成功。
就是通过这样一些创新项目的聚合，使得张北柔直工程得以完成。它作为世界首个真正具有网络特性的直流电网工程，在世界上率先开展了四端柔性直流环形电网的建设，并把柔性直流输电电压提升至了±千伏，单换流器额定容量提升到了万千瓦，还首次研制并应用了直流断流器、换流阀、控制保护等直流电网关键设备，整个核心技术和关键设备均实现国际首创。所以，创新引领和示范意义十分重大。”国网冀北工程管理公司张北换流站业主项目经理郭良做出了这样的总结。
一通获得互促效益
盛夏七月，火热的太阳炙烤着大地，位于崇礼区太子城镇的张家口奥运村内，无数建设者头顶烈日激战正酣。“作为年北京冬奥会运动员及随队人员住宿休息的地方，这里的建设和生活用电已经全部采用‘绿电’，实现了与绿色办奥理念相契合，而这部分绿电的使用，与‘张北柔直工程’息息相关。”现场相关负责人对记者说。
据国网冀北电力建设部项目管理高级主管刘中华介绍“张北柔直工程为汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的四端柔性直流电网。工程正式投运后，实现工程最大输送能力万千瓦、总换流容量万千瓦，大幅提升张家口清洁能源的输送能力，助力当地可再生能源的大功率输出，并有效化解张北地区困扰已久的能源消纳难题。”
更为重要的是，张北柔直工程的建设投运，将促成张北新能源基地、丰宁储能电源与北京负荷中心的隔空“牵手”，推动多种形态能源的互补和灵活消纳，对于我国在新能源富集地区探索新能源大规模开发利用新模式，具有重要示范意义。
“作为第24届冬季奥林匹克运动会的重点配套工程之一，张北柔直工程可谓‘绿色奥运’、‘低碳奥运’理念的最好实践。”刘中华表示，张北柔直工程投运后，每年可向北京地区输送清洁电量约亿千瓦时，大约相当于北京市年用电量的十分之一，折合每年节约标煤万吨、减排二氧化碳万吨。值得一提的是，得益于张北柔直工程输送的大规模清洁电量，冬奥会场馆有望实现%全清洁电力供应。不仅能够满足冬奥会的绿电需求，更将大幅提升北京地区新能源电力消费比例，为助力首都能源高质量发展做出重要贡献。
而与之同时，张北柔直工程还将有效促进张家口地区扶贫电站的新能源消纳。据统计，工程将惠及座光伏扶贫电站和户群众，总容量达.兆瓦。这样一来，就实现了高储能地区的电力开发，高用能地区的电力使用两个方面的互促互进，推进了整个区域经济的高质量发展。