2017年5月，特變電工新疆新能源股份有限公司推出了全球首個特高壓柔性直流輸電換流閥，這標(biāo)志著柔性直流輸電技術(shù)從現(xiàn)有的最高等級±350kV提高到±800kV特高壓等級，送電容量從現(xiàn)有的最高100萬kW等級提升至500萬kW，開啟了我國乃至世界直流輸電新時代。

柔性直流作為一種技術(shù)先進(jìn)，且具有廣泛應(yīng)用前景的輸電技術(shù)，在國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域能源互聯(lián)發(fā)展中具有重要的作用。換流閥是柔性直流輸電的心臟，是直流電和交流電相互轉(zhuǎn)換的橋梁，在柔性直流輸電主設(shè)備中技術(shù)含量最高、挑戰(zhàn)最大。

讓輸電更穩(wěn)定、靈活

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電網(wǎng)工程送電距離和輸送容量不斷增大，全社會對電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定性要求也不斷提高，伴隨著電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用。迄今為止，世界上已經(jīng)有近百條常規(guī)直流輸電工程和30余條柔性直流輸電工程投入運(yùn)行。

20世紀(jì)80年代初，中國開始引進(jìn)高壓直流輸電技術(shù)，葛洲壩-上海直流輸電工程是我國第一個超高壓直流輸電工程。30年多來，我國已建大容量直流輸電工程項(xiàng)目28個、總?cè)萘?/span>92110MW，其中常規(guī)直流工程20個、容量82900MW，背靠背工程4個、容量5860MW，柔性直流輸電工程4個、容量3350MW。目前，在建、規(guī)劃建設(shè)中的大容量直流輸電工程項(xiàng)目18個、總?cè)萘?/span>131000MW，其中常規(guī)直流工程12個、容量110000MW，柔性直流及柔性直流背靠背工程5個、容量21000MW。

從直流到柔性直流，特變電工新疆新能源股份有限公司（以下簡稱特變電工新能源）新能源研究院HVDC產(chǎn)品線總監(jiān)林衛(wèi)星對柔性直流的特點(diǎn)及優(yōu)勢做了充分介紹，“實(shí)現(xiàn)弱電網(wǎng)并網(wǎng)，因?yàn)槿嵝灾绷骶哂凶該Q相的特性，所以可以將比較弱的孤島電網(wǎng)連入主網(wǎng)；可以獨(dú)立控制有功無功，柔性直流不存在常規(guī)直流需要消耗無功功率的問題，反而可以為接入的主網(wǎng)提供無功支撐，起到STATCOM的作用；由于MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電平數(shù)較高，不需要使用直流/交流濾波器即可滿足諧波要求，實(shí)現(xiàn)零諧波排放；利用電壓源的特性，柔性直流可以為無源系統(tǒng)供電，并具有真正意義上的黑起動能力；控制自由度的增加和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)給柔性直流帶來高動態(tài)性能，如故障中的無功注入，快速潮流反轉(zhuǎn)等；由于不需要無功補(bǔ)償和濾波設(shè)備，優(yōu)化后柔直的占地會比常規(guī)直流小很多；無換相失敗問題等。綜合而言，柔性直流輸電在常規(guī)直流輸電優(yōu)勢的基礎(chǔ)上能靈活控制輸電，穩(wěn)定輸電。”

柔性直流輸電技術(shù)使得直流輸電的應(yīng)用范圍得到很大擴(kuò)展，如連接分散的小型發(fā)電廠，異步聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng)，海上供電，提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量等。隨著我國智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電的逐步推進(jìn)，柔性直流輸電技術(shù)將積極支撐堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，提高新能源消納并網(wǎng)水平、解決大型城市供電及孤島供電難題，同時支撐電力能源跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸送，優(yōu)化能源供需格局。

“隨著大電流絕緣柵雙極型晶體管器件、柔性直流輸電拓?fù)涞难苓M(jìn)及控保性能的提升、柔性直流輸電設(shè)備單位成本的不斷下降以及高電壓等級直流電纜、直流斷路器、直流潮流控制器、能量制動器、直流-直流自耦變壓器、直流-直流變換器等裝備的研發(fā)，柔性直流輸電技術(shù)將在遠(yuǎn)距離、大容量輸電領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用，甚至取代常規(guī)直流輸電，歐洲已幾乎不再建設(shè)常規(guī)直流輸電線路。”林衛(wèi)星表示，“未來，在柔性直流技術(shù)完全成熟之后，可以構(gòu)建柔性直流大電網(wǎng)，與交流電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行。高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用將對我國未來電網(wǎng)的發(fā)展方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。”

超越、突破，創(chuàng)新不止

特變電工新能源是世界領(lǐng)先的綠色智慧能源服務(wù)商，致力于讓智慧、高效、綠色能源驅(qū)動人類社會可持續(xù)發(fā)展。特變電工新能源可以為客戶提供特高壓柔性直流輸電技術(shù)，直流故障無閉鎖柔性直流輸電技術(shù)，架空柔性直流輸電技術(shù)，電容充電型直流斷路器技術(shù)，特高壓柔性直流換流閥閥控技術(shù)；柔性直流輸電功率單元、閥段、閥塔、換流閥、閥控等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；為電能的遠(yuǎn)距離、大容量輸送，風(fēng)力發(fā)電/太陽能發(fā)電經(jīng)特高壓柔性直流輸電以及特高壓柔性直流電網(wǎng)并網(wǎng)、海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)、光伏發(fā)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)、配電網(wǎng)柔性直流提供解決方案和服務(wù)。

特變電工擁有悠久的創(chuàng)新歷程，1938年，特變電工研制成功中國第一臺電力變壓器；1955年，研制成功中國第一臺110kV變壓器；1959年，研制成功中國第一臺220kV變壓器；1973年，研制成功中國第一臺330kV變壓器；1979年，研制成功中國第一臺500kV單相有載調(diào)壓變壓器；1998年，研制成功中國第一臺1000kV試驗(yàn)變壓器；2006年，研制成功中國第一臺750kV電抗器及擴(kuò)徑導(dǎo)線和母線；2006年，研制成功世界第一臺1000kV特高壓交流變壓器；2009年，研制成功世界第一臺±800kV特高壓直流換流變壓器；2009年，研制成功世界第一臺±800kV平波電抗器；2014年初，特變電工正式涉足柔性直流輸電領(lǐng)域，2017年，研制成功世界第一臺±800kV/5000MW特高壓柔性直流換流閥閥塔。

近年來，特變電工新能源研究院專注柔性直流輸電技術(shù)方向的研究攻關(guān)。據(jù)介紹，近日問世的±800kV/5000MW特高壓柔性直流換流閥，采用無閉鎖架空柔性直流輸電技術(shù)，使得柔性直流輸電的控制維度由現(xiàn)有的雙控制維度，提升至三個乃至四個控制維度，大大提升柔性直流輸電系統(tǒng)的控制性能，可以對直流故障進(jìn)行自清除，無論發(fā)生交流短路故障還是直流短路故障，換流器均能維持不間斷運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)直流電壓降80%、降70%及降50%運(yùn)行，滿足電力系統(tǒng)對架空直流輸電線路的降壓運(yùn)行需求；可以實(shí)現(xiàn)閥組的在線投退，方便與常規(guī)特高壓直流輸電技術(shù)接口；此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)的功率模塊技術(shù)的應(yīng)用，使得旁路開關(guān)拒動時仍能維持橋臂電流通路。

林衛(wèi)星指出，“該產(chǎn)品的成功研制有助于構(gòu)建特高壓架空柔性直流電網(wǎng)，使得直流電網(wǎng)的發(fā)展不再依附于高速直流斷路器，僅需使用普通性能的直流斷路器即可滿足直流電網(wǎng)對安全穩(wěn)定性的要求，促進(jìn)特高壓架空柔性直流電網(wǎng)更加實(shí)用，促進(jìn)新能源發(fā)電的規(guī)?；尤?，大大緩解棄風(fēng)、棄光問題。”

與常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)相比，特高壓柔性直流輸電采用電壓源型換流器技術(shù)，可以自主地建立起交流電壓，從而直接聯(lián)接風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)；同時，特高壓柔性直流輸電具備自換相能力，不存在常規(guī)高壓直流輸電應(yīng)用于弱交流電網(wǎng)時存在的換相失敗風(fēng)險；此外，特高壓柔性直流輸電具備有功功率和無功功率解耦控制的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸有功功率的同時還能為交流電網(wǎng)提供交流電壓支撐，大大提高交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

“特高壓柔性直流輸電的突出優(yōu)勢在于可以構(gòu)成特高壓架空柔性直流電網(wǎng)，將地域分散的多個風(fēng)力發(fā)電場、光伏發(fā)電場、抽水蓄能、水電站等經(jīng)特高壓架空柔性直流電網(wǎng)互聯(lián)在一起，利用新能源發(fā)電的地域平滑效應(yīng)平抑新能源發(fā)電整體出力的波動性，從而大大降低新能源發(fā)電波動性與隨機(jī)性對電網(wǎng)的影響，提高電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電的比例。”林衛(wèi)星進(jìn)一步補(bǔ)充道。

“目前，我國特高壓柔性直流輸電技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，±800kV/5000MW特高壓柔性直流輸電換流閥閥塔，采用架空直流輸電線路，具有無閉鎖穿越直流故障的能力，而國際上柔性直流輸電技術(shù)典型的電壓/功率等級為±320kV/1000MW，一般采用直流電纜輸電，發(fā)生直流故障時需要開斷柔性直流輸電系統(tǒng)兩側(cè)的交流斷路器。”林衛(wèi)星陳述說，“特高壓柔性直流輸電在全球范圍內(nèi)尚無實(shí)際工程應(yīng)用，預(yù)估2019年12月投運(yùn)的烏東德電站送電廣東廣西工程中將應(yīng)用±800kV/5000MW以及±800kV/3000MW特高壓柔性直流輸電技術(shù)。”

林衛(wèi)星認(rèn)為，未來我國特高壓柔性直流輸電技術(shù)將朝著更高電壓等級、更高輸電功率、采用架空直流輸電線路和多端/直流電網(wǎng)方向發(fā)展，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有高壓、大電流IGBT器件設(shè)計(jì)與驅(qū)動技術(shù)，特高壓柔直換流閥整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，強(qiáng)電磁干擾下?lián)Q流閥閥控技術(shù)，特高壓柔性直流輸電復(fù)雜工況的等效試驗(yàn)技術(shù)，特高壓柔性直流輸電構(gòu)成多端直流以及直流電網(wǎng)的運(yùn)行、控制與直流故障保護(hù)技術(shù)，特高壓柔性直流與常規(guī)特高壓直流接口后的聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)等。

助推清潔能源規(guī)模利用

作為為全球能源事業(yè)提供系統(tǒng)解決方案的服務(wù)商，特變電工新能源先后為美國、俄羅斯、巴西、蒙古、塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦、巴基斯坦等60余個國家和地區(qū)提供了綠色科技、智能環(huán)保、可靠高效的能源裝備，提供了從勘測到設(shè)計(jì)、施工、安裝、調(diào)試，到培訓(xùn)、運(yùn)營、維護(hù)一體化的交鑰匙工程及系統(tǒng)解決方案，推動了綠色高效電源電網(wǎng)建設(shè)。

林衛(wèi)星表示，“近年來，特變電工新能源研究院一直致力于新型大功率電力電子、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，為提高能源利用效率、解決大規(guī)模新能源接入給電網(wǎng)帶來的穩(wěn)定運(yùn)行問題提供整體解決方案。”

由于我國能源和負(fù)荷中心逆向分布，水電、煤電資源以及風(fēng)電和太陽能等主要集中在西南、西北和北部地區(qū)，而負(fù)荷中心主要集中在中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。為實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，解決煤電運(yùn)力矛盾，促進(jìn)新能源開發(fā)應(yīng)用，保障國家能源安全供應(yīng)，大力推廣“電壓等級高、輸送容量大、送電距離長、運(yùn)行損耗小”的輸電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)西電東送和南北互供的電力分配格局。

“從柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際工程的運(yùn)行來看，尤其適用于可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)直流輸配電、異步/同步交流電網(wǎng)背靠背互聯(lián)等領(lǐng)域。”林衛(wèi)星指出，“因此，我們須大力發(fā)展直流輸電技術(shù)，建設(shè)新一代直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程，促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)，促進(jìn)城市供電和孤島供電等新技術(shù)的發(fā)展，滿足持續(xù)快速增長的能源需求和能源的清潔高效利用，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，為新能源并網(wǎng)、大型城市供電以及孤島供電等方面提供有效的解決方案。”

新能源自身輸出不連續(xù)和分布不均的特性，需要智能電網(wǎng)的發(fā)展來解決這些挑戰(zhàn)，進(jìn)一步提升和增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的效率和可靠性。柔性直流輸電因其本身所具有的優(yōu)勢和特點(diǎn)在新能源送出上發(fā)揮著很重要的作用，并且隨著新能源規(guī)?；氖褂眠@種作用會越來越明顯。

林衛(wèi)星表示，“與常規(guī)特高壓直流相比，特高壓柔性直流輸電應(yīng)用于傳輸新能源發(fā)電時，無需為了給換流器提供工作電壓而配套建設(shè)容量約為新能源發(fā)電3倍的火力發(fā)電，這將大大降低新能源發(fā)電輸送系統(tǒng)的總體成本，有助于將清潔能源傳輸?shù)酶h(yuǎn)、更平穩(wěn)。也就是說，它可以解決現(xiàn)有新能源電力無法遠(yuǎn)距離、大規(guī)模外送，僅依靠與火電打捆外送或就地近距離消納的瓶頸問題，將有效推動新能源電力的大規(guī)模使用。”

以海上大量風(fēng)電直接主網(wǎng)接入和配網(wǎng)中柔性直流輸電為例，海上風(fēng)電大量送出需要使用長距離的電纜，其傳輸容量大，弱電網(wǎng)需接入主網(wǎng)，海上平臺空間和載重有限，時間上具有不連續(xù)性，需要“黑起動”功能等，面對這些挑戰(zhàn)，柔性直流輸電是目前最好的選擇；在配電網(wǎng)中，當(dāng)輸送距離達(dá)到一定的距離（等價距離），柔性直流輸電技術(shù)在系統(tǒng)損耗和初始投資方面都將具備優(yōu)勢，尤其適用于中國配網(wǎng)互連的距離都普遍偏長的中小容量遠(yuǎn)距離輸電。

據(jù)林衛(wèi)星介紹，特變電工新能源目前在柔性直流及新能源送出上取得了一些突破性的進(jìn)展，除全球首套±800kV特高壓柔直閥塔將柔性直流輸電由高壓輸電提升至特高壓直流輸電外，無閉鎖柔性直流輸電系列技術(shù)，將使得柔性直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性不依附于高速直流斷路器，還有全球首套電能路由器研制成功并取得鑒衡鑒證，TBEA eCloud云平臺的問世將應(yīng)用于多個光伏電站的全生命周期運(yùn)維管理等。

林衛(wèi)星最后強(qiáng)調(diào)，“±800kV/5000MW特高壓柔性直流換流閥的成功研制僅是我們在特高壓柔性直流輸電領(lǐng)域‘萬里長征’的第一步，未來3年我們將持續(xù)完善不同電壓等級/功率等級柔性直流輸電的系列化解決方案，從物料可靠性、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性測試、生產(chǎn)可靠性、失效分析等多個維度著手，提高柔性直流輸電產(chǎn)品的可靠性，為我國清潔能源的大規(guī)模應(yīng)用貢獻(xiàn)自己的智慧和力量。”

（《電氣技術(shù)》雜志記者：劉星；徐志慧）