高压直流输电装备核心技术研发

高压直流输电装备核心技术研发

朱东松卢双秀

（国网江西省电力公司赣州供电分公司）

摘要：为推动大范围电力资源的优化配置，促进我国可再生能源的高效开发利用，提高电网运行的经济性和灵活性，实现坚强智能化的电网建设，需要大量的高端电力装备作为支撑。因此积极开展高压直流输电装备核心技术的自主研发及其工程化应用，是提升我国电力装备制造水平、实现我国电网协调发展的重要手段。介绍了多个高压直流输电核心装备的技术开发及其工程化应用相关成果，其中高压/特高压直流换流阀是形成坚强电网骨干网架的核心装备，柔性直流输电系统是构建智能电网的重要保障，换流阀试验技术是保证高压直流输电核心装备和电网安全可靠运行的前提。研发所取得的显著成果及其示范应用，为构建坚强智能电网，提供了有力的技术和工程手段。对提高我国电力行业的整体技术水平，也具有显著的促进作用。

关键词：特高压直流输电；柔性直流；电力电子；试验

引言

长期以来，特高压直流输电和柔性直流输电的核心技术及其相应的试验方法，都掌握在极少数跨国公司手中，核心装备国产化水平较低。这对我国电网建设的经济性、安全性和可持续发展都产生了极大的阻碍。鉴于这种情况，中国电力科学研究院在国家电网公司的统一组织下开展了高压/特高压直流换流阀、柔性直流输电成套装备的自主研发与工程化应用研究，以及相应试验方法的研究和试验装置研制。

1高压直流输电装备的需求

到2020年我国跨区、跨国电网输送容量将达到373GW以上，使得对大规模、远距离、高效率电力输送技术的需求更加迫切。特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低、占地省的特点，特别是对于远距离大容量的电力输送，具有显著的技术经济优势。柔性直流输电是目前国际上公认的最具技术优势的风电接入方式，适用于任何形式的风电场并网。尤其是对于百兆瓦以上的远距离海上风电场来说，采用柔性直流输电方式进行风电并网，通常是唯一的技术手段。此外，柔性直流输电还非常适用于弱电网间互联。高压直流换流阀试验技术，是实现自主创新和保证高压直流输电装备可靠运行的关键性环节。对高压直流输电装备进行必要的试验，确保设备的工作性能，是实现电网安全可靠运行的重要前提。

当前，我国已投入运行与在建高压直流工程无论在工程数量上，还是在输送容量、线路长度和电压等级等方面都步入直流大国，并处于世界领先地位；但我国在高压/特高压直流装备核心技术研发方面尚存在较大差距。

在高压/特高压直流换流阀方面，此前我国还没有充分掌握相关核心技术，也一直未能摆脱对跨国公司的依赖。虽然国产化率逐步得到提高，但由于受核心技术的制约，其进一步提升难以为继。在柔性直流输电方面，我国此前既没有开展过系统化的研究，也没有进行过相关的工程实践，与国外先进水平相比差距较大。截至2008年底，世界上只有ABB和西门子2家公司具有直流换流阀的全部型式试验能力，阿尔斯通公司只具有部分型式试验能力。关于换流阀试验方法及其成套试验装置的核心技术，各公司均对外严格保密，相关参考文献极少。

因此，有必要开展具有自主知识产权高压直流和柔性直流输电相关核心技术的研究开发，这对于打破国外技术垄断、提高我国电网发展速度、降低工程建设时间和造价、提升设备运行可靠性以及振兴高端装备制造业等方面都具有重要的战略意义。

2直流换流阀等效试验技术

中国电力科学研究院于2009年底完成直流换流阀成套运行和绝缘型式试验装置研制，先后针对灵宝背靠背直流扩建工程、宁东—山东±660kV直流输电工程、三沪II回±500kV直流输电工程和锦屏—苏南±800kV特高压直流输电工程，完成其换流阀的全部型式试验，取得了良好的效果。基于可关断器件换流阀试验装置也于2011年底建成投运。目前，已建成的直流换流阀试验能力包括：交流耐压试验装置（600kV/5A），直流耐压试验装置（2400kV/300mA），交直流局放测量系统，冲击电压试验装置（±3600kV），故障电流试验装置（峰值55kA），运行试验装置（峰值试验电压80kV，试验电流DC5kA）和例行试验装置，可满足±125、±500、±660、±800kV系列电压等级及3~5kA系列电流等级直流输电换流阀的绝缘和运行型式试验及产品试验要求。并通过技术提升和扩展，满足未来±1100kV、5kA特高压直流输电工程换流阀和±320kV、2kA柔性直流换流阀型式试验及产品试验的需求。至此，功能最齐全、规模最大、参数最高的国际一流电力电子实验室已全面建成，并首次在欧洲以外的地方承担起高压/特高压直流工程换流阀和柔性直流换流阀的全部型式试验任务，为我国电网跨越式发展发挥了重要的技术支撑作用。

大功率电力电子装置的试验特点如下：1）与电力系统紧密耦合；2）运行经验缺乏；3）装置本身复杂，一二次系统关联程度高。随着大功率电力电子装置容量的不断提高，单个试验电源容量很难满足试验需求，直接试验已无法实现，必须采用等效试验的方法。通过合成试验方法模拟实际各种运行工况下复杂的应力环境，已成为目前电力电子装置阀试验的普遍选择。等效试验的核心问题在于：如何在实验室中以较少的代价尽可能真实地再现各种运行和故障工况下可能作用在被试品上的各种应力，以便正确评价被试组件耐受的各种应力。对于电力电子器件而言，由于试验电路与器件内部载流子运动过程还存在相互作用，等效试验要远比一般电力设备的电气试验复杂得多。

构成大功率电力电子装置的关键器件主要有2种：半控器件（代表器件是晶闸管）和全控器件（代表器件是绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT））。

高压串联晶闸管阀的动作与开关类似，在导通期间，几乎只承受电流应力，而在阻断状态下，几乎只承受电压应力。IEC标准规定，为确保高压串联晶闸管阀运行试验的有效性，运行试验至少要有5个以上串联元件及其辅助单元，试验电路必须提供足够的电压和电流应力。由于电力电子器件的容量迅速增大，如何采用一套电源既能提供电流应力，又能提供电压应力，则电源容量将非常巨大，造成投资浪费。因此完全可参考开关试验中的运行试验方法，即合成试验方法。目前晶闸管阀的等效试验方法采取连续合成试验方法（synthetictestmethod，STM），其基本设计理念是采用多个不同电源在不同时间段持续作用到换流阀上，其中，电流源可提供开关短路时的短路电流或预加热电流等，电压源可提供开关关断后的暂态恢复电压和/或工频恢复电压等。一般情况下电流源和电压源在电流过零前后发生交互叠加作用。

试验方法需要通过等效试验平台予以实现，在晶闸管阀等效试验平台的主电路拓扑中考虑了多种高压串联晶闸管阀运行试验的要求，具有充分的灵活性和通用性，等效运行试验电路由冲击电压发生回路、交流大电流注入回路、电压双注入回路、谐振注入回路和阀温度控制系统5大部分组成。各个回路之间设有开关设备以实现试验电路切换和机械电气隔离。通过开关切换，合成试验装置可进行4种运行方式及其所属的3种试验模式和试验回路参数的调整，体现出试验平台极大的灵活性和通用性。

可关断器件IGBT和晶闸管虽然同为大功率电力电子器件，在试验等效机制和试验方法方面有诸多类似，但由于可关断器件的全可控运行特性、在实际工况下的开关频率较高以及对主电路杂散参数敏感等特点，其实际承受的暂态应力远高于晶闸管元件，因此试验方法也更为复杂。可关断器件阀与晶闸管阀的对比如表1所示。

表1晶闸管阀与IGBT阀对比

基于对可关断器件换流阀运行特性的分析，可关断器件阀试验方法可根据试验目的选择全载试验方法或合成试验方法。为达到二者的有机统一，由此提出了多源复合试验方法。多源复合试验方法是在合成试验方法基础上的提升，其主体思想是建立一个统一的等效试验平台，试验平台包含有i（i=1、2、3…）套电源，分别为S1、S2到Si，电源之间通过控制隔离阀相互隔离，每套电源为试品阀提供的应力各不相同，试验平台中各套电源之间的控制隔离阀由试验平台统一的控制器进行控制，可各自独立向被试品注入应力，特别是还可通过不同

电源之间的相互组合，由2套电源或多套电源联合向被试品注入试验所需应力，完成不同的运行试验，同时达到被试品阀上的综合应力与实际工况尽可能等价的目的。

基于可关断器件阀等效运行试验平台（原理框图如图1所示），可为包括暂态和稳态在内的可关断器件阀运行试验提供多套应力电源，实现可关断器件阀运行工况的真实再现。

由图1可以看出，IGBT阀等效运行试验平台主要由4类电源构成，分别是高du/dt注入电源，设为S1；充电补能电源，设为S2；高压充电电源，设为S3，加热电源，设为S4。

通过控制隔离环节之间的相互配合，可完成可关断阀高压子模块的稳态运行试验，可关断换流阀的稳态运行试验、温升试验、动态擎住效应试验、过电流关断试验和短路电流试验等。

3±800kV特高压直流换流阀设计技术

3.1换流阀电气特性研究

主要研究内容包括：冲击电压下电压分布特性及其保护措施、非周期触发瞬时电流电压转移特性、晶闸管关断期间动态均压特性、晶闸管开通瞬时电流振荡特性及其抑制措施、换流阀运行应力分析、换流阀模块中相关部件相互作用分析以及晶闸管电热模型的研究与应用等。针对换流阀进行电压分布特性研究的宽频等效电路模型如图2所示。

图3换流阀阀模块效果图

3.2换流阀多物理场数值分析

换流阀内存在多种物理场，主要有电磁场、应力场和温度场等。上述物理场主要通过晶闸管等元器件耦合，从而相互影响，相互制约。如换流阀的电场分布对晶闸管元件承受的电压应力和电场强度产生重要影响，而换流阀冷却系统及其温度场又将影响到晶闸管电压应力和电场强度的耐受能力等。因此有必要对这些物理场进行精确的数值分析，主要包括换流阀阀塔级数值分析、换流阀模块级数值分析、换流阀组件和晶闸管层级数值分析和换流阀部件级数值分析等，由此辅助换流阀的电气设计。

3.3换流阀成套电气设计技术

主要包括换流阀电压设计、电流设计、损耗计算及其内外冷却容量计算方法、换流阀绝缘配合设计和换流阀均压电路设计等。

3.4换流阀成套结构设计技术

主要包括母线选型设计、走线方法设计、悬吊机构设计、阀塔结构设计及布置、阀模块结构设计及布置、阀组件结构设计及布置、晶闸管层结构设计及布置、屏蔽层设计及布置、水路设计及布置、光纤回路设计、防火设计和检漏设计以及阀塔抗震设计等，上述所有设计需要考虑降低局部放电的设计技巧和处理方法。

3.5换流阀触发监测技术

关键技术研发主要包括晶闸管触发与检测系统编码以及针对解码技术的研究（包括编码方式、解码方式、脉冲定义等），晶闸管触发监测单元（thyristortriggermonitorunit，TTM）的设计研发，阀基电子/阀控单元（valvebaseelectronicsunit，VBE）的设计研发，阀保护单元的设计研发等。其中换流阀触发监测系统智能化技术的开发，是实现高压直流换流阀智能化控制的核心，也是有效防止换相失败的重要措施之一。

3.6直流输电换流阀关键零部件研制

换流阀的关键零部件包括换流阀饱和电抗器、阻尼电阻、阻尼电容、散热器、屏蔽罩和避雷器等。此前，这些部件的设计技术和生产供货一直为国外的跨国公司所控制，也是换流阀国产化始终无法取得突破的重要瓶颈之一。

3.7换流阀集成技术

换流阀集成专用技术包括换流阀的组装、测试、现场安装、现场测试与调试等研究内容，负责研究相关的工厂组装和现场安装工艺，工厂和现场测试、调试技术及相应的例行试验技术，配套完成组装和安装工序所必需的专用工具、仪器仪表、检测设备和例行试验设备的研究开发。

3.8±800kV/4750A特高压直流换流阀

通过上述系统研究，在掌握核心技术的基础上，开展了±800kV/4750A特高压直流换流阀的自主研发，取得了显著成果。所研制的±800kVA5000型特高压直流换流阀采用新型6英寸晶闸管，额定电流达到4750A，最大电流可达5000A，额定输送容量可达7600MW，技术指标全面超越国际同类设备水平，也超过了所有目前在建特高压直流工程的输送能力，A5000型特高压换流阀阀塔效果如图4所示。该型号的特高压换流阀拥有完全自主知识产权，并在锦屏—苏南±800kV特高压直流输电工程中得到应用。目前，特高压换流阀已通过IEC标准所规定的所有型式试验，开始批量生产。

图4±800kV特高压直流换流阀效果图

4柔性直流输电关键技术研究及工程示范

4.1关键技术研究

基于电压源换流器的高压直流输电（voltagesourcedconverter-HVDC，VSC-HVDC）在我国的简化命名为柔性直流输电（HVDCflexible）。柔性直流输电技术主要适用于可再生能源发电并网、海洋孤岛联网、大型城市中心负荷供电和电力市场交易等应用领域，特别是在风力发电并网和大型城市中心负荷供电方面综合技术优势更加明显。同时，柔性直流输电技术在增加系统动态无功支撑，改善电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷和三相不平衡等产生的问题，保障敏感设备供电等方面也都具有较强的技术优势。因此，柔性直流输电将以其优良的特性，成为电网智能化调节和控制的核心装备之一，对于坚强智能电网的建设和电网的经济、安全、可靠运行，有着显著的促进作用。我国在柔性直流输电技术研究方面的起步相对较晚，但鉴于柔性直流输电的各方面技术优势，国内多个科研机构和高校都积极开展了柔性直流输电相关的基础理论研究工作。

2006年5月，国家电网公司就组织编制了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，系统地提出柔性直流输电技术的研究总体规划，为柔性直流输电科技示范工程建设提供全面的技术支撑。在2007年，启动并完成了“柔性直流输电技术前期研究”和“柔性直流输电技术基础理论研究”2项重点科技项目，解决了柔性直流输电系统的数学建模与仿真、拓扑结构和调制方式对比、技术经济性分析、应用与规划研究等课题，解决了国内长期存在的柔性直流输电基础理论和技术研究系统性缺乏的问题。2008年底，国家电网公司启动了“上海南汇风电场柔性直流输电关键技术与示范工程前期研究”的项目。在此后研究中，相继突破了柔性直流输电系统接入、主电路拓扑及参数优化配置、可关断器件换流阀集成技术、控制保护技术、阀基控制技术、过电压与绝缘配合技术、实时数字仿真技术（realtimedigitalsimulation，RTDS）、系统集成技术、工程化设计及应用技术等系列难题（原理框图参见图5），在国内首次完成了对柔性直流输电关键技术的系统化、工程化研究，取得了重要的成果。搭建了国内首个模块化多电平换流器（modularmulti-levelconverter，MMC）实验样机，成功完成了无源负载供电实验、单站STATCOM运行实验和交流电网互联运行实验。样机运行性能及动态响应特性良好，标志着我国已经完全掌握了柔性直流输电的系列关键技术。

图6柔性直流输电示范工程地理接线

通过自主创新，突破了柔性直流输电装置、系统、工程等多个方面的50多项关键技术，取得了一系列自主知识产权成果。在柔性直流输电核心装置研制方面，突破了高频换流阀的微秒-纳秒级驱动与控制，微秒级响应周期内换流阀阀基控制器的开发，换流阀电、磁、热等多物理场综合应力分析与试验方法等技术，为核心装备的研制奠定了坚实的基础。柔性直流输电换流阀效果图见图7所示。

图7柔性直流输电换流阀效果图

在柔性直流输电系统成套设计方面，突破了风电场接入的系统分析与建模仿真，暂态故障机制与控制保护策略研究，数字-物理混合实时仿真方法与平台研制等关键技术，为工程建设的系统集成和实施提供了重要依据。

在柔性直流输电工程建设方面，完成了柔性直流输电工程设计、施工与系统调试方案的编写，制订了柔性直流输电设备采购技术规范，掌握了工程主要设备的现场施工、试验、调试、试运行等关键技术，为示范工程的顺利实施提供了重要保障。

上海南汇风电场柔性直流输电并网示范工程于2011年7月25日正式投入运行，并通过了工程验收和技术鉴定，标志着我国在柔性直流输电技术领域达到国际先进技术水平。该工程有效提升了南汇风电场的低电压穿越能力，为大型风电场并网提供一个良好的技术手段，可充分满足电网接纳大规模间歇式电源的要求。

5结论

1）开发研制了世界上参数最高、功能最齐全的高压直流换流阀成套型式试验装置，可满足±125、±500、±660、±800kV系列电压等级及3~5kA系列电流等级直流换流阀的绝缘和运行型式试验及产品试验要求。同时，通过扩展和提升，能够满足未来±1100kV/5000A直流输电工程换流阀和±320kV/2000A柔性直流换流阀型式试验的需求。

2）研制了基于6英寸晶闸管的±800kV特高压直流换流阀，其额定电流达到4500A，额定输送容量达7600MW，具有完全自主知识产权，技术指标全面超越国际同类设备水平，并正在锦屏—苏南±800kV直流输电工程建设中开展示范应用。

3）开发了亚洲首套20MVA/±30kV柔性直流输电系统装备，并开展了相应的示范工程建设。通过核心技术研发和工程建设方面取得的突破，彻底打破了国外跨国公司垄断，标志着我国在智能电网高端装备方面取得了重大突破。现场试验结果表明，该工程可有效提升风电场低电压穿越能力，对于保障风电场安全稳定运行，具有显著的提升作用。

参考文献：

[1]刘振亚，舒印彪，张文亮，等．直流输电系统电压等级序列研究[J]．中国电机工程学报，2013，28（10）：1-8．

[2]张文亮，于永清，李光范，等．特高压直流技术研究[J]．中国电机工程学报，2012，27（22）：1-7