【解密】我国柔性直流输电技术发展史

  2015年12月17日，世界上电压等级最高、输送容量最大的双极柔性直流输电工程——厦门±320千伏/100万千瓦柔性直流输电科技示范工程正式投运。创造这项新的柔性直流输电世界纪录的，是一支刚毅之师，他们用近10年的坚韧和汗水铸造了“柔性之剑”——柔性直流换流阀。作为柔性直流工程的最核心技术，厦门柔直工程换流阀及阀控系统，完全依靠自主研发、自主生产，是它催生了新的世界纪录，实现我国在该领域的技术引领。

  一追溯我国柔性直流输电技术成长史：新道路谁是开路人

我国柔性直流输电技术发展要从2006年谈起。

2006年5月，国家电网公司瞄准这一电力领域最前沿、最迫切、最有挑战性和最具应用前景的高端技术，组织国内权威专家在北京召开《柔性直流输电系统关键技术研究框架》研讨会。会上，公司做出战略性决策和部署，系统地提出柔性直流输电技术研究总体规划。该《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、示范工程前期研究五个部分。与会专家一致建议国内将基于VSC技术的直流输电统一命名为“柔性直流输电（HVDCFlexible）”。自此，公司柔性直流输电重大科技专项全面启动，我国柔性直流输电技术发展的序幕正式拉开。在《框架》的指引下，由国网智能电网研究院副院长汤广福牵头，组建了柔性直流输电技术与装备研发团队。

任何一件事在刚开始的时候，都会有许多可知与不可知的问题和困难。起步晚、研究难度大，跨国公司对柔性直流输电技术严格保密，不发表一份图纸、一张照片，不在刊物上发表学术文章，也不允许参观。对于这样的前沿科学，其攻关难度可想而知，唯有坚持自主创新这条路可走。

2006年6月，公司组织系统内相关单位及国内知名高校，开展柔性直流输电基础理论和前期研究。在汤广福的带领下，团队本着将“地基”打深、打实的理念，通过机理分析、公式推导、模型搭建与仿真验证等方式反复求证，于2007年年底开创我国柔性直流输电基本技术体系。这是国内首次针对柔性直流输电技术理论开展系统化、全面化研究。

2007年年底，时任国网上海市电力公司总工程师的滕乐天果断决策，在上海南汇风电场开展柔性直流输电技术工程示范。在坚实的理论基础上，研发团队着眼于工程应用，开始了适用于高压大容量柔性直流输电技术路线的探索与尝试。当时，只有实际工程应用的ABB公司采用的两电平/三电平技术路线，存在运行损耗高、容量扩展困难等问题，成为制约柔性直流输电技术发展及应用的“短板”。而德国学者提出的模块化多电平换流器拓扑在原理上能克服上述缺陷，但当时尚处于概念提出阶段，技术应用在世界范围内一片空白，发展中国自己的柔性直流输电技术，难度可想而知。

为此，国网智研院直流所所长贺之渊勇挑重担，带领年轻团队向柔性直流输电技术高峰挺进。他时常鼓励大家：“磨刀不误砍柴工，唯有选择最佳的技术路线，才能赢得长足发展。”团队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，论证工程应用的可行性。

2009年4月，团队大胆提出采用模块化多电平换流器拓扑的设想，并邀请国内相关专家，组织召开基于MMC的柔性直流输电技术讨论会。与会专家经过反复讨论，对模块化多电平柔性直流输电技术路线给予肯定。此时，西门子和ABB等跨国公司也几乎同时启动了高压大容量柔性直流输电技术的探索。从此，我国成功进入世界电力装备高端领域的赛场，并与世界领先跨国公司站在同一起跑线上。

会后，研发团队开始第一代样机的研制，以验证MMC拓扑用于柔性直流输电的可行性。2010年4月，11电平MMC—HVDC低压实验平台顺利实现STATCOM、交流联网及向无源负荷供电等功能，稳态运行性能及动态响应特性良好，验证了MMC技术路线的可行性。研发团队随即乘胜追击，先后攻克系统接入分析、主电路拓扑与参数优化、控制保护策略设计、IGBT阀与阀控设备研制等十大关键技术难题。

2010年7月，首个MMC换流阀子模块样机开始试组装。子模块控制器的线路空间设计十分狭小，100多根线哪怕接错或虚接一根，都会导致试验失败，甚至子模块爆炸。设计负责人吕铮自告奋勇，开始第一个子模块控制器的接线，他有条不紊地将每根线接了一遍又一遍，直至找到最合理、最优化、最可靠的接线方式。就这样，首个国内柔直换流阀子模块诞生。10月，具有完全自主知识产权的±30千伏/20兆瓦柔性直流换流阀一次性通过所有型式试验。

同年底，上海南汇风电场柔性直流输电工程建设正式启动。2011年7月25日，工程正式投运，我国实现了柔性直流输电技术从无到有的突破，标志着公司成为继ABB、西门子之后，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。

上海柔直工程在我国柔性直流输电发展史上所起的作用不容小觑，它实现了我国柔性直流输电技术从概念到应用的跨越，为后续研究及工程建设积累了宝贵的实践经验。

二探求“柔性之剑”开刃之路：新纪录谁是创造者

厦门柔性直流输电工程的电压等级和输送容量双双创下国际之最，该工程在世界上首次采用双极拓扑结构，标志着我国真正实现柔性直流输电技术领域的国际引领。工程换流阀由国网智研院自主研发，经南瑞集团普瑞工程公司成果转化和生产，拥有完全自主知识产权。

设计之路披荆斩棘

国网智研院对±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀的研制，始于2011年。当年，上海柔直工程顺利投运，实现我国在柔性直流输电领域零的突破。随后，面向世界柔性直流技术巅峰的高压大容量与多端柔性直流输电技术的攻关启动。

相较上海柔直工程，±320千伏/100万千瓦不仅仅是数量上的提高，更是质的改变。±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀功率模块串联数和阀控规模大幅增加，暂稳态电流应力提高7倍左右，达到可关断器件的承受极限，由此对换流阀冗余设计、绝缘配合、电磁兼容、过流过压保护、电容均压、阀控系统控制能力提出前所未有的挑战。研发团队不畏困难、勇往直前，最终，高电压、大电流、强电磁场环境下换流阀散热、电压尖峰抑制、电磁兼容问题以及阀控设备低开关频率电容平衡等问题逐个突破。

2013年1月，国网智研院率先研制成功世界首个具有完全自主知识产权的±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀及阀控设备样机，并通过IEC62501等4项国际标准规定的全部型式试验，及国际权威认证机构挪威船级社（DNV）KEMA实验室的见证。DNV在其官方网站上说：“这个（柔性直流换流阀）打破电压和容量水平世界纪录，标志着模块化多电平柔性直流输电技术取得了重大成功。换流阀型式试验的顺利通过，是超级电网发展历程中一个重要里程碑。”DNV亚太首席运营官比约恩˙陶恩˙马克森评价说：“国网智研院取得的这项国际领先的技术成果，对全球能源领域做出了重大贡献。”该成果还通过国家能源局组织的新产品技术成果鉴定，鉴定委员会认为，该换流阀及阀控设备性能优异，具有完全自主知识产权，产品核心技术和总体技术性能处于国际领先水平。

纵然取得国际领先，团队并没有停下前进的脚步，他们以工程应用为目标继续前行。贺之渊勉励大家：“我们的换流阀唯有实现工程应用才能说是真正的国际领先，就像战士的考验是在战场上完成一样，没有经历过枪林弹雨的士兵，不能称为好士兵。”为尽快实现±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀及阀控设备的工程应用，团队全面开展工程化研究，并与普瑞工程公司签署成果转化合同。

2014年8月，普瑞工程公司中标厦门柔直工程全部换流阀供货合同。国网智研院直流所随即启动换流阀及阀控设备的设计工作。10月，完成换流阀设计定型。2015年1月，工程换流阀及阀控设备顺利通过全部型式试验。型式试验中，换流阀亮点频现，斩获最快旁路开关、最先进智能驱动、最高效串并联混合式散热系统、高达35千安短路耐受能力等多项技术创新。随后，换流阀开始批量生产。

调试之路所向披靡

2015年7月4日，首批4辆运载换流阀的货车驶进厦门柔直工程两座换流站，标志着工程现场安装工作正式启动。国网智研院直流所作为换流阀安装总指导，调派大批技术骨干前往现场。7月的厦门闷热潮湿，阀厅的空调系统尚未启动，温度超过35摄氏度，湿度达80%以上。经过4个多月艰苦奋战，换流阀及阀控设备安装完成。

2015年10月30日，工程启动系统带电联调，国网智研院直流所负责换流阀及阀控设备的调试。与常规直流换流阀的均压均流主要靠一次阻容回路实现不同，柔性直流换流阀需靠控制器主动控制实现均压均流。子模块控制器必须在能够抵抗高压大电流环境里电磁热干扰的前提下，实现高速运算。为此，团队设计了很多试验，以验证子模块整体运行稳定性。

据换流阀及阀控设备现场调试负责人赵岩介绍，在调试的关键阶段，工程现场及国网智研院仿真中心、电力电子实验室全体人员每天休息不足4小时，白天现场发现问题，晚上分析问题，连夜在北京进行验证，第二天现场修改，继续调试。

研发团队对科研理想的执着追求，对现场调试的精益求精，对柔性直流的专业与专注，撑起了自主知识产权产品的可靠性。厦门柔直工程调试阶段，换流阀经受种种试验考验，整体运行平稳、状态良好。

三描绘未来宏伟蓝图：砥砺奋进铿锵前行

十年磨一剑。自2006年，国网智研院柔性直流研发团队开展柔性直流基础理论研究算起，已过去10个年头。10年来，团队系统研究了基础理论与前期技术，全面掌握了核心技术，从样机研制到小容量示范工程实施，再到世界最大容量换流阀设备研发及工程应用。

潜心钻研青春无悔，厚积薄发花开有时。10年的付出换来多项可圈可点的成果：编著我国在柔性直流输电技术领域的首部学术专著——《基于电压源换流器的高压直流输电技术》，推动成立我国主导的首个国际大电网组织（CIGRE）工作组，项目组成员参与起草柔性直流输电领域目前所有国际电工委员会（IEC）标准，制订形成国际标准和导则8项，CIGRE370导则将上海柔直工程列为柔性直流输电技术在风电场并网应用的国际标准案例，获得上海市科技进步一等奖、中国电力科技进步一等奖、中国专利金奖、国家创新团队、海外工程承包资质等。在中国柔性直流输电领域，这个团队扮演了探索者和引领者的角色，开创了我国柔性直流输电的新纪元。

“雄鹰进入天空才能自由翱翔，小鱼进入江河方可自在游动。电力科研的海洋，就是我们科研工作者尽情遨游的梦想初衷。”国网智院院长滕乐天时常勉励大家，“坚持发展是硬道理，我们要以‘永远在路上’的精神，把直流业务做精、做优、做强、做大。”目前，团队正进一步开展±500千伏、±800千伏柔性直流换流阀研制及工程关键技术研究，同时积极试水海外市场，实现走出国门、走向世界的目标。

未来，团队将继续以“坚持创造、不断引领”为宗旨，以改变未来大电网发展格局为己任，以直流电网以及全球能源互联网建设为契机，探索世界直流输电技术的发展方向。

何为柔性直流？柔在何处？

柔性直流是继交流、常规直流之后，以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，是目前世界上可控性最高、适应性最好的输电技术，被誉为“电力电子技术皇冠上的宝石”与“21世纪最为振奋人心的输电技术革命”。

柔性直流输电技术不存在换相失败问题，可实现有功、无功功率的独立控制，易于构建多端直流网络，可改善可再生能源接入性能，提高低电压穿越能力和系统稳定性。该技术为多端直流联网、大型城市中心负荷供电提供了一个崭新的解决方案，可向孤岛、边远地区等比较薄弱的电网安全、经济、高效地输电，是远海风电并网的最佳技术手段，是构建智能电网和全球能源互联网最具特色的技术之一，将给输电方式和电网架构带来重要的变革。近几年来在欧美呈井喷式发展态势。

大事记

2006年公司组织，国网智研院柔性直流团队牵头，制定《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，标志公司柔性直流输电技术研究正式启动。

2007年国网智研院推动成立我国主导的首个国际大电网组织（CIGRE）工作组——CIGREB4.48，汤广福博士担任工作组召集人。

2009年4月，国网智研院确定基于模块化多电平电压源换流器拓扑的柔性直流输电技术路线。

2011年7月25日，亚洲首项柔性直流输电示范工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程投入正式运行，公司成为继ABB、西门子之后，世界第三家具备柔直成套设备研发和工程实施能力的企业。

2013年1月17日，国网智研院在世界上率先研制成功±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀及阀控设备，并在DNVKEMA实验室见证下通过所有型式试验，该实验室认为此项成果具有打破世界纪录的电压和容量水平。

2015年12月17日，世界上电压等级最高、输送容量最大的双极柔性直流输电工程——厦门±320千伏/100万千瓦柔性直流输电科技示范工程正式投运。