中國先進(jìn)輸電技術(shù)創(chuàng)新與特高壓技術(shù)發(fā)展探索

/國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院副院長 湯廣福/

中國先進(jìn)輸電技術(shù)創(chuàng)新與特高壓技術(shù)發(fā)展探索

/國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院副院長 湯廣福/

隨著廣域交流大電網(wǎng)的形成，交流電網(wǎng)的技術(shù)問題也不斷涌現(xiàn)，世界范圍內(nèi)大電網(wǎng)事故不斷發(fā)生：同步問題；穩(wěn)定性問題；輸電距離問題；輸電效率問題；輸電走廊問題。因此，我們不禁要問，交流輸電系統(tǒng)是否是未來電能輸送的唯一技術(shù)手段？

一、先進(jìn)輸電技術(shù)概述

人們對電力的應(yīng)用和認(rèn)識以及電力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都是首先從直流電開始的。早期直流輸電存在電壓變換、功率提升困難，電機(jī)有刷換相、串聯(lián)運(yùn)行可靠性低等問題。1895年，美國尼亞加拉復(fù)合電力系統(tǒng)建成，確立了交流輸電的主導(dǎo)地位。

由于交流輸電技術(shù)具有電壓變換容易、易于實(shí)現(xiàn)多落點(diǎn)受電、電流存在自然過零點(diǎn)、大電流開斷易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢。20世紀(jì)初，交流系統(tǒng)開始迅速發(fā)展。100多年來，交流輸電電壓由最初的13.8kV逐步發(fā)展到35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、400kV、500kV、750kV、1000kV等水平。

隨著廣域交流大電網(wǎng)的形成，交流電網(wǎng)的技術(shù)問題也不斷涌現(xiàn)，世界范圍內(nèi)大電網(wǎng)事故不斷發(fā)生：同步問題；穩(wěn)定性問題；輸電距離問題；輸電效率問題；輸電走廊問題。因此，我們不禁要問，交流輸電系統(tǒng)是否是未來電能輸送的唯一技術(shù)手段？隨著電力電子等技術(shù)的發(fā)展，制約現(xiàn)代直流輸電發(fā)展的主要技術(shù)難題，有望在未來3～10年內(nèi)得到解決。未來直流輸電技術(shù)構(gòu)想有交-直-交和直-直-直兩種方式。

由于交流輸電技術(shù)存在著一些無法客服的固有缺陷，而現(xiàn)代直流輸電技術(shù)則克服了交流輸電技術(shù)存在的這些缺陷。隨著換流器技術(shù)的發(fā)展，柔性直流輸電工程的電壓等級和容量迅速增大。另外，不斷降低的系統(tǒng)損耗和造價(jià)極大促進(jìn)了柔性直流工程的應(yīng)用。

隨著電力電子等技術(shù)的發(fā)展，制約現(xiàn)代直流輸電發(fā)展的主要技術(shù)難題，有望在未來3～10年內(nèi)得到解決。未來直流輸電技術(shù)構(gòu)想有交-直-交和直-直-直兩種方式。

我國能源與負(fù)荷逆向分布決定了遠(yuǎn)距離、大容量輸電是我國電網(wǎng)長期發(fā)展戰(zhàn)略。跨區(qū)輸電需求的增加和環(huán)境承載能力的下降，對輸電效率和資源利用水平提出了更高的要求。

我國已建成世界上規(guī)模最大、最復(fù)雜的電網(wǎng)，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用將進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的復(fù)雜性和控制難度，亟需提高電網(wǎng)的安全性、靈活性和可控性。

開展先進(jìn)輸電技術(shù)研究，即在傳統(tǒng)輸電技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展輸電理論，創(chuàng)新輸電方式，通過提高電壓等級、轉(zhuǎn)換電能形式等手段，實(shí)現(xiàn)電能的高效、環(huán)保、智能、遠(yuǎn)距離傳輸。

以電力電子技術(shù)為代表的先進(jìn)輸電技術(shù)，主要開展以下四方面研究：1）超特高壓靈活交流輸電技術(shù)，提高交流線路輸送容量、提升電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性和安全穩(wěn)定水平；2）特高壓直流輸電技術(shù)，可將百萬兆瓦級電能高效輸送至兩千公里以外；3）柔性直流輸電技術(shù)，可控度最高最靈活的新型輸電方式；4）直流電網(wǎng)技術(shù)，新一代電網(wǎng)架構(gòu)方式，提高可再生能源利用效率。

二、超特高壓靈活交流輸電技術(shù)

靈活交流輸電（FACTS）采用電力電子裝置和控制技術(shù)對系統(tǒng)主要參數(shù)，如電壓、電流、相位、功率和阻抗等進(jìn)行靈活控制，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

可控串補(bǔ)裝置（TCSC）是用于提高交流輸電線路輸送能力和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的電力電子裝置。該裝置串聯(lián)于交流輸電線路中，通過調(diào)節(jié)兩組反向并聯(lián)晶閘管閥的觸發(fā)角使TCSC提供連續(xù)平滑的等效電容補(bǔ)償。TCSC中晶閘管閥采用多級串聯(lián)壓接技術(shù)，需要準(zhǔn)確觸發(fā)晶閘管，要求晶閘管不僅耐壓高，耐受dv/dt能力強(qiáng)，還要觸發(fā)延遲小，串聯(lián)一致性高。

靜止同步無功補(bǔ)償器（STATCOM）是利用全控器件變流器產(chǎn)生與電網(wǎng)頻率相同的交流電壓，通過調(diào)控變流器輸出電壓的大小，向電網(wǎng)輸出或從電網(wǎng)輸入可控的無功，應(yīng)用中通過變壓器并聯(lián)于系統(tǒng)。STATCOM需要通過控制全控器件調(diào)節(jié)電壓大小、頻率及相位，要求器件的開通關(guān)斷速度快，損耗低。裝置采用多級模塊式IGBT連接，在高電壓等級下體積大，未來若采用耐壓等級高的器件或壓接式IGBT，能夠大幅減小體積。

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）能夠同時(shí)統(tǒng)一控制或有選擇地控制影響線路有功和無功潮流的所有參數(shù)（電壓、阻抗和相位角），是解決電力傳輸諸多問題的靈活、快捷、多功能的控制裝置。UPFC利用全控器件對VSC閥組進(jìn)行控制，改變兩個(gè)變流器的運(yùn)行狀態(tài)，要求構(gòu)成的VSC閥組器件的耐壓等級高，器件損耗低，可靠性高。

（1）經(jīng)過我國科研人員持續(xù)20余年的研發(fā)積累，現(xiàn)在中國已經(jīng)引領(lǐng)了靈活交流輸電技術(shù)的發(fā)展

2004年前我國靈活交流輸電裝備全部依賴進(jìn)口，應(yīng)用不足10套；目前，我們已解決了大容量閥組件串聯(lián)同步觸發(fā)、高電位取能、多狀態(tài)脈沖編碼等難題；提出了多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制、過電壓與主動絕緣配合等方法，建立了靈活交流輸電系統(tǒng)分析、成套設(shè)計(jì)、核心裝置研制等完整技術(shù)體系；突破500kV等級SVC、TCSC、STATACOM、CSR、FCL等靈活交流輸電裝置共性技術(shù)。

（2）完成四大類FACTS裝備的首臺/套研制，并實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用

1）靜止無功補(bǔ)償：2004年，我國首套自主知識產(chǎn)權(quán)輸電網(wǎng)用靜止無功補(bǔ)償裝置（遼寧鞍山）；2008年，世界首套500kV直流融冰兼SVC裝置（湖南益陽）。

2）可控串聯(lián)補(bǔ)償：2004年，世界首套混合復(fù)用固定和可控串補(bǔ)（甘肅成碧）；2007年，世界串補(bǔ)度最高、串補(bǔ)量最大的500kV可控串補(bǔ)裝置（黑龍江馮屯）。

3）可控并聯(lián)電抗：2007年，世界首套500kV磁控式可控并聯(lián)電抗器裝置（湖北荊州）；2012年，世界首套750kV閥控式可控并聯(lián)電抗器裝置（甘肅敦煌）。

4）短路電流限制：2010年，世界首套500kV短路電流限制裝置（浙江瓶窯）。

（3）我國靈活交流輸電整體技術(shù)水平國際領(lǐng)先

2006年，“靜止無功補(bǔ)償器（SVC）核心技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；2008年，“輸電系統(tǒng)中靈活交流輸電關(guān)鍵技術(shù)和推廣應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2010年，“一種可控串補(bǔ)晶閘管的電子觸發(fā)系統(tǒng)”獲中國專利金獎(jiǎng)。

目前，我國靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）已應(yīng)用100余套，迫使ABB、SIEMENS公司放棄中國市場，靜止無功補(bǔ)償裝置成功打入韓國、菲律賓等電網(wǎng)。串補(bǔ)裝置研制成功使國內(nèi)工程招標(biāo)價(jià)格下降30%以上，應(yīng)用50余套，總?cè)萘?8Gvar，占到全球應(yīng)用50%以上，并出口到越南、巴西等國。

三、特高壓直流輸電技術(shù)

與交流輸電技術(shù)相比，在進(jìn)行大規(guī)模遠(yuǎn)距離功率傳輸時(shí)，直流輸電的輸送容量更大、輸送距離更遠(yuǎn)、單位容量造價(jià)和損耗更低，但技術(shù)水平要求也更高。

特高壓直流輸電是實(shí)現(xiàn)未來“西電東送”和大規(guī)模遠(yuǎn)距離“洲際聯(lián)網(wǎng)”的有效手段。目前特高壓直流輸電主要包括±800kV/5000A、±800kV/6250A和±1100kV/5000A幾個(gè)等級。

（1）特高壓直流輸電現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

特高壓直流輸電中的核心裝備包括直流換流閥、換流變壓器、直流場設(shè)備等，大都為國外跨國公司所壟斷。尤其是其中實(shí)現(xiàn)交、直流電能轉(zhuǎn)換的最核心的換流閥裝備，此前只有ABB、SIMENSE和ALSTOM三家跨國公司具備自主研發(fā)能力。

特高壓換流閥研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)包括換流閥系統(tǒng)寬頻建模及分布參數(shù)提取、換流閥非線性組件協(xié)調(diào)配合及其優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、特高壓直流換流閥多物理場建模及其數(shù)值分析技術(shù)、晶閘管智能化觸發(fā)與監(jiān)控技術(shù)、換流閥系統(tǒng)絕緣配合與過電壓保護(hù)策略、特高壓換流閥均壓與屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)、換流閥多源復(fù)合等效試驗(yàn)方法等。

（2）試驗(yàn)技術(shù)奠定研發(fā)基礎(chǔ)

大功率等效試驗(yàn)技術(shù)是先進(jìn)輸電裝備研究開發(fā)的核心技術(shù)手段，被跨國公司長期封鎖。我國經(jīng)過努力，打破了直流換流閥“國內(nèi)組裝，國外試驗(yàn)”20年的被動局面，提出基于相似理論的試驗(yàn)評價(jià)方法和多源復(fù)合試驗(yàn)方法，研制出成套試驗(yàn)裝備，建成了大功率電力電子北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲得省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2007年）和發(fā)明二等獎(jiǎng)（2014年）各1項(xiàng)。

（3）±800kV UHVDC標(biāo)志性成果

1）直流輸電技術(shù)誕生以來，換流閥核心技術(shù)被跨國公司壟斷近50年。我國經(jīng)過努力，研制出世界首個(gè)±800kV/5000A特高壓直流換流閥及閥控。提出了換流閥分布參數(shù)提取、多物理場數(shù)值分析、非線性組件協(xié)調(diào)配合等方法，解決了換流閥運(yùn)行特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)難題；突破了±800kV換流閥電壓、容量提升帶來的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

2）項(xiàng)目成果應(yīng)用于多個(gè)特高壓直流工程，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。2012年7月，世界首個(gè)±800kV/7200MW錦屏至蘇南特高壓直流工程；2014年1月，世界首個(gè)±800kV /8000MW哈密至鄭州特高壓直流工程。此后，相繼在溪洛渡至浙西和靈州至紹興±800kV/8000MW特高壓直流輸電工程中推廣應(yīng)用，年產(chǎn)值超10億元。

3）±800kV UHVDC通過了新產(chǎn)品技術(shù)和重大成果兩次技術(shù)鑒定，鑒定委員會綜合評價(jià)認(rèn)為，該成果具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)性能處于國際領(lǐng)先水平。

2010年8月15日，國家能源局組織了包括盧強(qiáng)、楊奇遜、鄭健超、程時(shí)杰、雷清泉5位院士在內(nèi)的專家，完成了“±800kV/4750A特高壓直流換流閥”的新產(chǎn)品技術(shù)鑒定。2015年3月11日，中國電機(jī)工程學(xué)會組織了包括周孝信、鄭健超、韓英鐸、薛禹勝、李立 洗呈、丁榮軍6位院士在內(nèi)的專家，完成了“±800kV/5000A特高壓直流換流閥關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品研制及工程應(yīng)用”項(xiàng)目成果鑒定。

4）西門子技術(shù)路線換流閥存在的問題：局部溫度高（＞100℃）、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大；電磁兼容性差、誤動作頻繁；阻尼電阻冷卻容量小，保護(hù)延遲時(shí)間短；邏輯接口不標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備兼容性差等。這些問題威脅特高壓直流輸電工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要對其改造，而難度不亞于研制新一代換流閥。

5）基于自主技術(shù)，我國成功改造西門子技術(shù)路線換流閥。直流均壓電阻運(yùn)行溫度降低至62℃以內(nèi)；閥控系統(tǒng)無誤觸發(fā)、無誤報(bào)；低流量時(shí)保護(hù)延時(shí)從4s提高到10s；實(shí)現(xiàn)了換流閥閥控系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。改造后工程換流閥投運(yùn)后，運(yùn)行狀態(tài)良好，提高了工程可靠性。

（4）±800kV/6250A換流閥研制

完成了±800kV/6250A換流閥的可行性研究；在現(xiàn)有A5000換流閥基礎(chǔ)上，攻克大電流工作條件下帶來的系列難題；2013年底完成樣機(jī)研制，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，具備工程應(yīng)用條件。

（5）±1100kV換流閥關(guān)鍵技術(shù)研究

在國家“863”計(jì)劃和國網(wǎng)公司重大科技項(xiàng)目的支撐下，全面突破了±1100kV特高壓直流換流閥系列關(guān)鍵技術(shù)。如：更高電壓等級下的大雜散參數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)非線性特征綜合指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；更高電壓等級下的換流閥系統(tǒng)強(qiáng)電磁騷擾特性分析計(jì)算及安全防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)；更高電壓等級下的換流閥大電流、多物理場耦合嚴(yán)酷應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵零部件研制。

（6）±1100kV換流閥樣機(jī)研制

2014年成功研制出世界首個(gè)±1100kV特高壓直流換流閥樣機(jī)，并通過型式試驗(yàn)?！?100kV換流閥樣機(jī)試驗(yàn)：恢復(fù)期正向暫態(tài)電壓試驗(yàn)66.3kV；最大暫態(tài)運(yùn)行電壓55.8kV；長期過負(fù)荷電流5367A；故障電流峰值50kA；單閥操作沖擊試驗(yàn)電壓632kV；二重閥操作沖擊試驗(yàn)電壓2100kV。

四、柔性直流輸電技術(shù)

柔性直流輸電是繼交流輸電、常規(guī)直流輸電后的一種新型直流輸電方式，是目前世界上可控性最高、適應(yīng)性最好的輸電技術(shù)，為電網(wǎng)升級提供了一種有效的技術(shù)手段。

（1）柔性直流在歐洲電網(wǎng)升級中發(fā)揮巨大作用

歐洲正大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源的開發(fā)利用。計(jì)劃將北海和大西洋的遠(yuǎn)海風(fēng)電、芬蘭和挪威的水電、非洲北部的太陽能接入電網(wǎng)，迫切需要新型的輸電技術(shù)。為此，歐洲規(guī)劃了一個(gè)基于柔性直流的全新輸電網(wǎng)，用來實(shí)現(xiàn)可再生能源的大范圍接納和配置。

（2）我國電網(wǎng)發(fā)展迫切需要柔性直流技術(shù)

我國西部和東部沿海地區(qū)風(fēng)力資源豐富，未來局部地區(qū)可再生能源發(fā)電比例將超過50%，需要更加靈活的并網(wǎng)技術(shù)。東部和南部沿海島嶼眾多，供電可靠性和質(zhì)量無法滿足人民生活水平提升要求，需要更加高效、可控的輸電技術(shù)。華東和廣東兩大負(fù)荷中心，直流輸電較為集中，連鎖換相失敗故障導(dǎo)致的停電隱患始終存在。

（3） 柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)

1）新型輸電技術(shù)內(nèi)在規(guī)律復(fù)雜，運(yùn)行機(jī)理分析與描述困難?，F(xiàn)有兩種輸電方式，交流傳輸功率為自然分配，常規(guī)直流僅能控制有功功率。柔性直流這種新型輸電方式要首次實(shí)現(xiàn)有功和無功功率同時(shí)控制。

2）組件規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜輸電設(shè)備，設(shè)計(jì)面臨全新挑戰(zhàn)。柔性直流首次將全控器件IGBT用到數(shù)十至數(shù)百千伏高壓場合，設(shè)備中功率開關(guān)器件可達(dá)5000個(gè)以上，長期運(yùn)行可用率要求高（99.5%以上），多物理場相互作用關(guān)系復(fù)雜。

3）換流器采用全新的換流方式，高速協(xié)同調(diào)控困難。模塊化多電平技術(shù)首次突破了“開關(guān)式”換流方式，通過數(shù)千個(gè)功率單元的獨(dú)立控制，在換流器內(nèi)部進(jìn)行能量“重構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)交直流變換。

4）試驗(yàn)與常規(guī)電氣設(shè)備有顯著差異，等效機(jī)理復(fù)雜。柔性直流換流器的運(yùn)行工況復(fù)雜且與電網(wǎng)存在更強(qiáng)耦合關(guān)系，試驗(yàn)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)力（高壓、大電流、陡波、沖擊電壓、速變電流等）的綜合考核，試驗(yàn)方法與常規(guī)電氣設(shè)備有顯著差異。

5）多換流單元無法直接簡化等效，動態(tài)模擬方法需再造。此前直流輸電均采用串聯(lián)開關(guān)器件，模擬系統(tǒng)可以通過開關(guān)器件直接簡化等效。模塊化多電平換流器中包含數(shù)千個(gè)狀態(tài)和控制均獨(dú)立的功率單元，運(yùn)行狀態(tài)多、隨機(jī)性強(qiáng)，無法簡化等效。

（4）HVDC Flexible標(biāo)志性成果

1）研制了世界首個(gè)±3 2 0 k V/ 1000MW柔性直流換流閥及閥控。第一代柔性直流技術(shù)，存在損耗高、擴(kuò)展性和實(shí)用性差等問題，研究團(tuán)隊(duì)與國外同步啟動模塊化多電平（MMC）柔性直流輸電研究，開辟了全新的技術(shù)路線；攻克了微秒級脈沖分配、多層面能量平衡、電壓裕度與斜率協(xié)調(diào)控制等方法，解決了柔性直流環(huán)流抑制、有功無功解耦控制和多換流站協(xié)調(diào)控制等難題；構(gòu)建了新型輸電系統(tǒng)的技術(shù)體系，掌握了從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的全系列關(guān)鍵技術(shù)。

2）2011年，亞洲首條柔性直流示范工程（上海南匯）建成投運(yùn)，該工程為世界首個(gè)用于風(fēng)電并網(wǎng)的模塊化多電平工程。

3）2014年6月，浙江舟山五端柔性直流工程投入運(yùn)行，該工程為世界上端數(shù)最多的柔性直流工程。

4）正在建設(shè)世界電壓等級最高、輸電容量最大的雙極柔性直流工程（福建廈門），計(jì)劃于2015年12月建成投運(yùn)。

5）通過了示范工程和新產(chǎn)品兩次技術(shù)鑒定，鑒定委員會綜合評價(jià)認(rèn)為，系列成果具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)性能處于國際領(lǐng)先水平。

2011年7月25日，中國電機(jī)工程學(xué)會組織包括盧強(qiáng)院士在內(nèi)的專家，完成了“柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究、裝備研制及工程應(yīng)用”項(xiàng)目技術(shù)鑒定會；2013年3月5日，國家能源局組織了包括周孝信、鄭健超、潘垣、沈國榮、雷清泉、王天然、余貽鑫7位院士在內(nèi)的專家，完成了“1000MW/±320kV柔性直流換流閥及閥控設(shè)備”產(chǎn)品技術(shù)成果鑒定會。

5、成果在國際工程上的推廣應(yīng)用

項(xiàng)目完成單位獲得歐洲多個(gè)柔性直流工程投標(biāo)資質(zhì)，是我國直流技術(shù)首次得到歐洲市場認(rèn)可。在英法互聯(lián)（Channel Cable）柔性直流工程首輪投標(biāo)中，戰(zhàn)勝ABB和SIEMENS兩大跨國公司，對我國高端裝備實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，提升國際競爭力和影響力，具有重要示范意義。

五、直流電網(wǎng)技術(shù)

與交流電網(wǎng)100多年的發(fā)展相比，直流電網(wǎng)技術(shù)尚處于起步階段。大量理論、技術(shù)及裝備的基礎(chǔ)性問題，需要進(jìn)行全面、深入探索。

（1）電網(wǎng)規(guī)劃與網(wǎng)架構(gòu)建

交、直流電網(wǎng)之間在電源特性、應(yīng)用場合、運(yùn)行方式、供電可靠性等方面存在較大差異，使得直流電網(wǎng)規(guī)劃與網(wǎng)架構(gòu)建理論無法照搬交流電網(wǎng)。另外，運(yùn)行方式、應(yīng)用場合等根本性的不同決定了交、直流電網(wǎng)電壓等級設(shè)計(jì)的差異，而直流電壓等級序列目前尚無理論上的選擇依據(jù)。因此，全新供電模式亟需建立直流電網(wǎng)規(guī)劃與構(gòu)建理論。

（2）仿真與建模方法

復(fù)雜動態(tài)行為對仿真建模方法提出了新要求。

1）復(fù)雜動態(tài)行為使仿真需再現(xiàn)微秒級物理過程：電壓源型直流輸電半導(dǎo)體開關(guān)器件開關(guān)速度為納秒-微秒級，輸出10～100MS的高密度階梯方波電壓，傳統(tǒng)建模方法無法精確復(fù)現(xiàn)電壓源直流換流物理過程。

2）大量直流裝備接入使仿真難度和規(guī)模激增：電壓源型換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使輸電系統(tǒng)仿真規(guī)模呈百、千倍增長，大量換流器和多種新型直流輸電裝備的接入又增加了系統(tǒng)仿真的難度，如何對仿真進(jìn)行簡化和加速存在著大量理論難題。

（3）能量轉(zhuǎn)化及失效機(jī)理

系統(tǒng)運(yùn)行性能提升對換流器能量轉(zhuǎn)化機(jī)理提出新要求。

1）換流器的電能變換機(jī)理尚未從根本揭示：換流器內(nèi)部交流、直流、靜電場等多形態(tài)電場能量的轉(zhuǎn)換機(jī)理尚未從根本上揭示，需要解決換流器能量平衡系統(tǒng)魯棒性差等問題。

2）能量轉(zhuǎn)化過程與換流器的失效機(jī)理不清：換流器的電、磁、熱等多物理場分布特性對于換流器運(yùn)行特性的影響機(jī)理不清，造成現(xiàn)有換流閥優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)，難以保證換流器運(yùn)行性能。

（4）能量傳遞及調(diào)控規(guī)律

新型系統(tǒng)調(diào)控規(guī)律的建立需要揭示其能量耦合規(guī)律。

1）多換流器相互耦合作用更為快速和復(fù)雜：多端直流換流器間的低阻尼特性所導(dǎo)致的復(fù)雜能量轉(zhuǎn)移、波動、振蕩、應(yīng)力傳播等耦合機(jī)理尚未明確，造成現(xiàn)有設(shè)計(jì)及控制技術(shù)擴(kuò)展性及魯棒性差。

2）交直流混合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制理論亟待建立：未來交直流混聯(lián)系統(tǒng)能量交換機(jī)理、故障機(jī)理和穩(wěn)定性規(guī)律等與現(xiàn)有交流系統(tǒng)相比會發(fā)生本質(zhì)性變化，需要全新的理論支撐。

（5）新型換流器拓?fù)浼夹g(shù)

柔性直流的推廣應(yīng)用對換流器拓?fù)浼夹g(shù)提出了新要求。

1）基于兩電平和模塊化多電平換流器無法快速清除直流故障，現(xiàn)有工程大多采用電纜傳輸，無法滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電的經(jīng)濟(jì)性需求。

2）需要解決能夠清除直流故障電流，并具有低損耗等優(yōu)良性能的新型拓?fù)涞然A(chǔ)問題。

（6）系統(tǒng)容量提升技術(shù)

可再生能源發(fā)電規(guī)模的增長對換流器容量提出了更高要求。

1）未來可再生能源的規(guī)模將普遍達(dá)到千兆瓦級及以上，這對電壓源換流器的容量提出了更高要求。

2）需要解決換流器容量提升中存在的可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合優(yōu)化和評估等基礎(chǔ)問題。

（7）廣域測量及故障檢測技術(shù)

故障的快速特性對保護(hù)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

1）直流電網(wǎng)故障發(fā)生后的演化速度極快，對故障的檢測和判斷時(shí)間要遠(yuǎn)低于交流電網(wǎng)。

2）現(xiàn)有故障檢測技術(shù)不能保證直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確動作。

3）需要解決換流站、關(guān)鍵設(shè)備等直流信息廣域測量、故障定位方法等基礎(chǔ)問題。

（8）安全可靠性評估技術(shù)

新的設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求新的可靠性評估技術(shù)。

1）目前缺乏直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，無法通過對直流電網(wǎng)的安全可靠性的評估來提升設(shè)備和工程的可靠性。

2）需要解決可靠性評價(jià)指標(biāo)和分析模型構(gòu)建等基礎(chǔ)性問題。

（9）電壓源換流器

換流器綜合性能亟待提升。

1）目前柔性直流換流器普遍采用MMC結(jié)構(gòu)，缺乏直流側(cè)故障清除能力，且結(jié)構(gòu)不夠緊湊，成本偏高。

2）需要解決新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高性能變換、高可靠性、低損耗柔性直流換流器的基礎(chǔ)問題。

（10）柔性直流電纜

電纜材料和研制的相關(guān)基礎(chǔ)問題需要全面解決。

1）目前國外柔性直流電纜的水平已經(jīng)達(dá)到±500kV，國內(nèi)僅為±200kV，造成國外廠商市場和價(jià)格壟斷，嚴(yán)重制約我國柔性直流技術(shù)發(fā)展。

2）高電壓等級下柔性直流電纜的介質(zhì)空間及界面電荷的變化過程尚未明確，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、檢測方法也尚有大量的基礎(chǔ)問題需要解決。

（11）高壓直流斷路器

斷路器設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)尚需進(jìn)一步深入研究。

1）目前ABB、ALSTOM和國網(wǎng)智研院等單位都已經(jīng)或即將完成高壓直流斷路器樣機(jī)研制，但在成本、開斷速度方面尚需優(yōu)化。

2）需要繼續(xù)解決新型斷路器拓?fù)?、高速開斷與快速重合、緊湊化等方面的問題。

（12）高壓DC/DC變換器

直流變壓器技術(shù)尚處于起步階段。

1）面向電力系統(tǒng)用的高壓大容量DC /DC變壓器研究處于起步階段，目前尚無相關(guān)的樣機(jī)研制；2）需要解決變換器新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣隔離、故障機(jī)理、損耗優(yōu)化等方面的基礎(chǔ)性問題。

（13）DC GRID標(biāo)志性成果

1）研制世界首個(gè)200kV高壓直流斷路器。

直流電流無自然過零點(diǎn)，直流故障電流切斷被譽(yù)為“百年電力技術(shù)難題”；解決了規(guī)?；疘GBT組件同步控制、高速電磁斥力驅(qū)動與平滑緩沖、微秒級高速故障保護(hù)識別等難題；提出全新電路方案，所研制的樣機(jī)核心技術(shù)參數(shù)全面超越國外同類產(chǎn)品。

200kV高壓直流斷路器成功通過3ms分?jǐn)?5kA的故障電流分?jǐn)嘣囼?yàn)。鑒定委員會認(rèn)為，項(xiàng)目研制的200kV高壓直流斷路器（額定工作電流2kA，分?jǐn)嚯娏?5kA，分?jǐn)鄷r(shí)間3ms）的整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2）創(chuàng)新物理模擬方法，構(gòu)建了未來直流電網(wǎng)研究手段。

柔性直流和直流電網(wǎng)等新型輸電方式的出現(xiàn)，需要再造全新的仿真模擬方法；提出了基于等指數(shù)原則和阻抗補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)模擬方法，研發(fā)了世界首個(gè)MMC柔性直流輸電動態(tài)模擬及數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)；建成了“直流電網(wǎng)技術(shù)與仿真北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。

六、結(jié)束語

圍繞我國能源發(fā)展的重大技術(shù)需求，加強(qiáng)特高壓直流輸電、柔性直流輸電、靈活交流輸電等領(lǐng)域的共性技術(shù)研究，發(fā)展直流電網(wǎng)基礎(chǔ)理論，推動輸電系統(tǒng)電壓、容量和效率提升。重點(diǎn)進(jìn)行以下工作：解決一批基礎(chǔ)性科學(xué)問題；研發(fā)一批原創(chuàng)性輸電裝備；構(gòu)建一系列通用性研發(fā)平臺；主導(dǎo)一批技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂；匯聚一批國內(nèi)外高端人才。

（1）超特高壓靈活交流輸電技術(shù)

①實(shí)現(xiàn)靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)、可控并聯(lián)電抗器在1000kV輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握超高壓電網(wǎng)SSSC、UPFC等FACTS成套系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)；②完成統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的工程示范應(yīng)用。

（2）特高壓直流輸電技術(shù)

①研制±800kV/6250A換流閥及閥控，輸電容量達(dá)10GW；②研制±1100kV/ 5500A換流閥及閥控，容量由目前的8GW提升至12GW；③提出超大容量直流饋入同一負(fù)荷中心引起的交直流大電網(wǎng)協(xié)同控制方法。

（3）柔性直流輸電及直流電網(wǎng)技術(shù)

①研制±500kV/3kA換流閥及閥控，將容量由目前1GW提升至3GW；②研發(fā)320kV/3ms/20kA高壓直流斷路器；③初步形成直流電網(wǎng)理論體系，為未來我國構(gòu)建區(qū)域直流電網(wǎng)提供支撐。

（4）前瞻性輸電技術(shù)

探索三極直流、無線輸電等新型輸電方式和輸電技術(shù)，發(fā)展前瞻性輸電技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成、主電路拓?fù)洹?shù)設(shè)計(jì)方法和控制策略，形成前瞻性輸電技術(shù)與現(xiàn)有輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，為輸電技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

（5）總結(jié)與展望

1）超特高壓靈活交流輸電技術(shù)是解決交流輸電容量瓶頸問題的重要技術(shù)，對于強(qiáng)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有強(qiáng)有力的支撐作用。

2）特高壓直流輸電技術(shù)是解決我國遠(yuǎn)距離大容量電能輸送問題的有效手段，對于我國區(qū)域性新能源并網(wǎng)和消納，多端直流和直流電網(wǎng)技術(shù)將是有效的補(bǔ)充。

3）未來的十年將是我國直流電網(wǎng)技術(shù)和建設(shè)快速發(fā)展的階段，強(qiáng)交強(qiáng)直的交直流互聯(lián)電網(wǎng)將成為我國電網(wǎng)架構(gòu)的基本形態(tài)。

4）隨著可關(guān)斷器件、直流電纜制造水平的不斷提高，柔性直流輸電將會成為直流電網(wǎng)中最主要的輸電方式。

5）預(yù)計(jì)在5～10年時(shí)間內(nèi)，世界范圍內(nèi)將有望建成以柔性直流為基礎(chǔ)、主干網(wǎng)為500kV及以上等級、10GW及以上輸送容量為主的區(qū)域性直流電網(wǎng)。

（本文根據(jù)“2015第十屆中國電工裝備創(chuàng)新與發(fā)展論壇”會議PPT編輯而成。）

2015年上半年，我國機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口總額達(dá)9972.6億美元，與上年同期持平，其中出口同比增長3.2%，進(jìn)口同比下降4.8%。綜合來看，當(dāng)前我國機(jī)電產(chǎn)品貿(mào)易與全球需求高度相關(guān)，已進(jìn)入中低速增長的新常態(tài)，各月波動漸趨平穩(wěn)，表現(xiàn)略好于整體外貿(mào)。