第1章 柔性直流输电概述

1.1 柔性直流输电的历史沿革

柔性直流输电（简称“柔直”）指的是基于电压源换流器的高压直流输电，起源于20世纪90年代末。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。2004年，国际大电网会议（CIGRE）和美国电气与电子工程师协会（IEEE）将柔性高压直流技术正式命名为“VSC-HVDC”。ABB和西门子公司分别将此项输电技术命名为“轻型高压直流”（HVDC Light）和“新型高压直流”（HVDC Plus），见表1.1。

世界电力工业在发展初期使用直流输电方式，当时的技术还不能对直流电进行电压转换。因此应用受到限制，逐渐被交流输电取代。随着技术的进步，20世纪30年代人们开始认识到直流输电是进行高压大容量远距离输电的有效工具，汞弧阀换流器的问世，使人们的视线又回到直流输电上来。

1954年，由瑞典向哥特兰岛送电的第一条高压直流线路投入商业运行，此后直流输电飞速发展，世界各地出现了许多汞弧阀直流输电系统。20年后，晶闸管代替汞弧阀成为直流输电换流器的开关元件，自1972年始，世界范围内相继有多个晶闸管直流输电工程开始投运，仅我国就至少有36个工程，累计容量达182.31 GW。2010年之前，巴西Itaipu两条±600kV，3150MW的直流输电项目是世界上电压等级最高、输送能力最大的高压直流输电项目，直至2010年我国的向家坝—上海±800kV特高压直流输电示范工程竣工投产。

随着新型高压大功率可控关断电力电子器件（如IGBT、GTO、IGCT）不断涌现，其额定电压、电流也快速增长，原来在中低压和小功率系统中广泛使用的基于PWM技术的新型换流技术逐渐在直流输电领域得到了推广应用。20世纪末出现的采用电压源换流技术的柔性直流输电技术，首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等人于1990年提出，随后得到了世界上众多学者和研究人员的关注。

ABB公司首先实现了VSC技术在长距离电力传输、背靠背工程和静止无功补偿装置等领域的工程应用。该技术于1997年开始用于电力传输，同年瑞典赫尔斯扬示范工程投入运行，额定功率为3MW，直流电压为±10kV，采用IGBT阀、三相桥结构和高压直流电容。IGBT阀具有可控导通和关断能力，完全不同于传统晶闸管阀仅导通可控，而关断要依赖换相电压，存在一个换相过程。

柔性直流输电系统中最早投入商业运行的输电功率为60MW，换流器采用两电平拓扑结构。早期的VSC-HVDC系统开关频率较高，直流电压为±80kV。第二代VSC-HVDC系统采用三电平换流器，直流电压达到±150kV，输电功率达到330MW。这种最新的设计方案在CrossSound电缆工程（330MW）和MurrayLink工程（220MW）中得到成功应用。

目前国外已经投运的柔性直流输电工程有50多个。例如轰动一时的西班牙—法国联网工程，直流电压为±320kV，直流电流为1600A，每个换流单元输送容量为1000MW，该工程同时建设两个换流单元（四根电缆），总输送容量为2000MW（采用SIEMENS HVDC Plus技术），于2014年投运。又如挪威—丹麦直流联网工程的直流电压为±500kV（采用ABB HVDC Light伪双极技术），总容量为700MW，2014年投运。世界上第一条架空线路柔性直流输电项目是纳米比亚—赞比亚CapriviLink工程，直流电压为±350kV（采用ABB HVDC Light技术），双极设计，总容量为2 × 300MW，2009年底单极投运，目前按双极并联大地返回方式运行。

国外部分比较具有代表性的柔性直流输电工程列表见表1.2。

1959年，世界上第一个500kV直流工程正式投入运行。1985年开工的500kV葛上直流输电工程，是我国第一个商业运行的大容量远距离直流输电工程，西起湖北葛洲坝、东至上海奉贤南桥，1989年投运后为上海输送经济发展必备的电能（见图1.1）。南桥换流站站内除少量35kV断路器由国内配套外，绝大部分设备分别从7个国家的15家公司引进。

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，国家电网公司于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“柔性高压直流输电（HVDC Flexible Transmission）”。自此拉开了我国柔性直流输电技术发展的序幕。

2007年年底，国网上海市电力公司决定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，世界范围内实现柔性直流换流阀工程应用的只有ABB公司采用的两电平/三电平技术路线，其存在运行损耗高、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”。我国专家经过多次开会讨论，决定采用模块化多电平柔性直流输电技术路线。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。

2010年7月，我国首个MMC换流阀子模块样机开始试组装。2010年10月，具有完全自主知识产权的±30kV/20MW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。

2013年1月，国网智能电网研究院率先研制成功世界首个具有完全自主知识产权的±320kV/100万kW柔性直流换流阀及阀控设备样机，并通过IEC 62501等4项国际标准规定的全部型式试验，以及国际权威认证机构挪威船级社（DNV）KEMA实验室的认证。DNV在其官方网站上称：“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·马克森对这项技术成果给予了高度评价，认为它达到了国际领先水平，也对全球能源领域做出了重大贡献。

为攻克多端柔性直流输电这一世界难题，大力发展清洁能源，国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”课题列入国家863科技计划重大专项，意在突破大型风电采用柔性多端直流输电接入电网的关键技术问题，提升我国柔性直流输电领域的核心装备研发和制造水平，实现成套设计的全面自主化目标。依托国家863科技专项和一系列大型直流输电工程项目，中国南方电网公司针对海上风电并网、区域电网互联等重要应用场景开展了深入研究和工程实践（参见图1.2）。2013年12月25日，随着南澳多端柔性直流输电工程现场总指挥一声令下，南澳岛上青澳、金牛两个换流站与汕头的塑城换流站完成了三端投产启动，这标志着中国南方电网公司攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，成为世界上第一个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全流程核心技术的企业。

2020年11月24日，世界首个特高压多端混合直流输电工程——乌东德（昆柳龙）直流工程昆北—龙门极2高低端换流器成功解锁，系统电压第一次跃升至800kV，输送功率稳增到800MW，标志着乌东德（昆柳龙）直流工程开启800kV运行模式，我国的特高压进入柔性直流新时代（见图1.3）。这也是世界首次运用特高压混合直流和特高压柔性直流输电技术实现远距离送电。

乌东德（昆柳龙）特高压柔性直流多端输电工程是中国南方电网公司长期在直流输电领域精耕细作的高科技结晶，也是我国电力工作者在科技创新上取得的重大突破，它是国家首个特高压多端直流示范工程，也是世界首个特高压柔性直流工程，同时还是目前世界上电压等级最高、输送容量最大的多端混合直流工程。该工程创造了19项电力技术的世界第一，主要设备自主化率达100%，有力带动了国内相关装备制造业的高端化和设备的国产化。中国南方电网公司与国内相关厂家共同研发的柔性直流关键芯片（IGBT）成功应用到工程中，打破了国外少数厂家垄断的局面。图1.4为我国拥有自主知识产权的柔直换流阀及阀厅，图1.5和图1.6为乌东德（昆柳龙）工程投运的部分站点实景图。