电力百科｜一文了解我国柔性直流换流阀研发应用的前世今生

柔性直流输电是电能变换和传输的新型输电方式，具有控制灵活方便、运行特性理想、扩展性好等优点，是提升可再生能源接纳能力、增强电网稳定性和灵活性、支撑未来电网变革的重要手段，已成为世界范围内发展最快的新一代输电技术。

柔性直流换流阀是柔性直流输电工程的核心设备，相当于在电力系统中接入一个完全可控的智能化“电力阀门”，实现交流电与直流电的转换，并灵活控制电压、电流、无功功率和有功功率的输出与输入，再通过直流电缆或直流架空线连接送端和受端换流站，完成电力由送端到受端的输送。

从零开始探索柔性直流输电技术

柔性直流输电工程利用若干个换流阀组成换流器，通过精确控制实现电能的灵活传输。换流阀可谓“巨无霸”。以目前电压等级最高、容量最大的±500千伏/300万千瓦柔性直流换流阀为例，每个换流阀由2个阀塔串联而成，每个阀塔高约13米、重达80吨。一个阀塔又由上百个独立的功率子模块组成。这样庞大又精密设备的研制历程要从我国柔性直流输电技术的发展说起。

学术界将柔性直流输电技术称为“电压源换流器型高压直流输电”（VSC-HVDC），ABB和西门子公司分别将此项输电技术命名为“轻型直流输电”（HVDC Light）和“新型直流输电”（HVDC Plus）。

2006年之前，我国在柔性直流输电技术领域仅开展了跟踪性研究。面对技术研究基础薄弱、无可借鉴经验的现状，国家电网公司在2006年5月组织国内权威专家召开“柔性直流输电系统关键技术研究框架”研讨会，以促进我国电力技术发展和电网升级。

研讨会上，国家电网公司提出了柔性直流输电技术研究总体规划。研究框架分为前期研究、基础理论研究、关键技术研究及样机研制、试验规范及试验能力建设研究、示范工程前期研究5个部分。与会专家一致建议将基于VSC技术的直流输电统一命名为“柔性直流输电（HVDC Flexible）”。自此，国家电网公司柔性直流输电重大科技专项全面启动，拉开了我国柔性直流输电技术发展的序幕。

柔性直流换流阀向高电压大容量快速发展

2007年年底，国家电网公司决定建设上海南汇风电场柔性直流输电工程。当时，世界范围内实现柔性直流换流阀工程应用的只有ABB公司，且采用的是两电平/三电平技术路线，存在运行损耗高、容量扩展难等问题。20世纪末，德国学者提出了一种新拓扑——模块化多电平换流器（MMC）。此项技术在原理上能克服上述缺陷，但当时尚处于概念提出阶段，技术应用一片空白。国家电网公司科研团队立足此项技术，开展深入研究，从模块化多电平换流器工作原理分析入手，延伸到技术难点、元器件采购、技术经济性等方面，论证此项技术工程应用的可行性。

经过不懈努力，科研团队于2010年研制出我国首个基于MMC技术且具有完全自主知识产权的±30千伏/2万千瓦柔性直流换流阀。2011年7月25日，上海南汇风电场柔性直流输电工程投运，柔性直流换流阀实现工程应用。自此，我国柔性直流输电技术实现从无到有的突破。国家电网公司成为继ABB、西门子公司之后，世界上第三家完全掌握柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和生产全系列核心技术的企业。

上海南汇风电场柔性直流输电工程投运后，我国柔性直流输电技术进入快速发展阶段。国家电网公司和南方电网公司均投入大量科研和工程应用力量，向高电压、大容量柔性直流输电技术应用进军。柔性直流换流阀作为核心设备，容量和电压的提升意味着功率模块串联数和阀控规模大幅增加、暂稳态电流应力大幅提高，由此带来换流阀冗余设计、绝缘配合、电容均压等一系列技术难题。

随着从业科研人员的增加、研发深度广度的不断拓展，柔性直流输电逐渐形成产业规模效应。高电压、大电流、强电磁场环境下换流阀散热、电压尖峰抑制、电磁兼容问题及阀控设备低开关频率电容平衡等问题被逐一攻克，换流阀装备制造技术实现快速升级。2013～2020年，柔性直流换流阀参数不断提升，新技术不断涌现，电压等级从±30千伏上升到±500千伏，输电容量从2万千瓦升至300万千瓦，工程应用形式从两端到多端再到组成直流电网，实现了从科技示范到大规模应用的飞跃。

目前，我国已有多项柔性直流换流阀应用工程投入运行。其中，广东汕头南澳多端和浙江舟山五端柔性直流输电工程填补了世界多端柔性直流工程的空白。厦门柔性直流工程是世界上第一个真双极柔性直流工程，一极停运不影响另一极运行，可灵活转移功率。鲁西背靠背和渝鄂背靠背柔性直流工程则实现了跨区电网互联。

为更大输送容量的柔直工程建设提供可复制经验

2017年，国家电网公司研制出±500千伏/300万千瓦柔性直流换流阀及阀控设备，设备成功应用于世界上首个具有网络特性的直流电网工程——张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程。

相比两端和多端直流工程，直流电网工程具有更复杂的网络连接、更好的经济性与灵活性，是柔性直流输电技术应用的终极形态。张北柔性直流工程额定电压±500千伏，包括张北、康保、丰宁和北京4座换流站，总换流容量900万千瓦。张北柔性直流工程采用了我国原创、领先世界的柔性直流换流阀等电网新技术，是破解新能源大规模开发利用世界级难题的“中国方案”。工程应用的是目前世界上电压等级最高、传输容量最大的柔性直流换流阀。

张北柔性直流工程以柔性直流电网为中心，通过多点汇集、多能互补、时空互补、源网荷协同，实现了新能源侧自由波动发电和负荷侧可控稳定供电。该工程为更高电压、更大输送容量柔性直流电网工程的建设提供了可复制、可推广的经验。

从2006年至今，我国柔性直流换流阀的研发和大规模应用不但为解决风电并网、电网互联、城市供电提供了解决方案，而且推动了我国在柔性直流输电和直流电网领域的原始创新，巩固了我国在直流输电技术领域的国际引领地位。柔性直流换流阀的研发应用还有力带动了电工装备产业发展，加速电网技术和装备制造产业技术升级。

未来，随着我国半导体器件及相关技术的不断发展，柔性直流换流阀将实现更广泛应用。我国将继续瞄准大规模新能源接入、直流组网等关键技术问题，自主开发适用于多场景的新型装备，提升高压直流输电技术的创新引领能力，支撑我国能源结构清洁化转型。