中國(guó)方案！全球首臺(tái)電網(wǎng)“超級(jí)心臟”正式“上崗”

日前，世界首臺(tái)基于集成門極換流晶閘管（IGCT）的新一代直流輸電換流閥——混合換相換流閥（以下簡(jiǎn)稱“HCC換流閥”）在我國(guó)首個(gè)全國(guó)產(chǎn)化背靠背直流工程河南靈寶換流站完成168小時(shí)試運(yùn)行后正式投入商業(yè)運(yùn)行。

依托靈寶換流站改造項(xiàng)目，國(guó)家電網(wǎng)公司完成對(duì)換流站單元Ⅰ華中側(cè)三相換流閥的“換心”改造，世界首臺(tái)HCC換流閥“上崗”。

換流閥是直流輸電系統(tǒng)的“心臟”。在靈寶換流站的“裝備庫(kù)”里，四大核心部件各司其職：換流變壓器精準(zhǔn)匹配330千伏與220千伏的電壓差，平波電抗器撫平電流波動(dòng)，控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控功率輸出，換流閥則是能量轉(zhuǎn)換的核心擔(dān)當(dāng)——所有電能的“變身”，都得靠它來(lái)完成。

傳統(tǒng)換流閥在電網(wǎng)故障情況下的“換相失敗”可能引發(fā)輸電驟停。傳統(tǒng)直流輸電采用電網(wǎng)換相換流（LCC）技術(shù)，換流閥由幾千個(gè)晶閘管組成。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng)或故障引起電壓擾動(dòng)，就有可能導(dǎo)致晶閘管關(guān)斷失敗，換相過(guò)程就會(huì)中斷，引起電能輸送過(guò)程“驟停”——這就是“換相失敗”。

“換相失敗”是常規(guī)直流輸電系統(tǒng)面臨的歷史難題，在我國(guó)華東、華南直流落點(diǎn)密集區(qū)域，單一交流故障可導(dǎo)致多回直流同時(shí)換相失敗，造成千瓦千瓦級(jí)巨大功率沖擊，威脅送受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中，受端電網(wǎng)面臨暫態(tài)無(wú)功不足、電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，送端電網(wǎng)面臨暫態(tài)無(wú)功過(guò)剩、過(guò)電壓及新能源機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系直流研究中心主任余占清表示，此次投運(yùn)的新型HCC換流閥，實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)電流的精準(zhǔn)識(shí)別、快速切斷，能開(kāi)能關(guān)，從根本上解決“換相失敗”問(wèn)題。目前，該技術(shù)先后被列入工業(yè)和信息化部2024年首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄、國(guó)家能源局第五批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備名單。中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織召開(kāi)的鑒定會(huì)意見(jiàn)指出，該產(chǎn)品“性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”“建議加快工程應(yīng)用”。

因此，電網(wǎng)換上“超級(jí)心臟”，解決了傳統(tǒng)換流閥“換相失敗”問(wèn)題，標(biāo)志著我國(guó)在高壓直流輸電核心技術(shù)領(lǐng)域取得了“原理-器件-裝備”全鏈條原創(chuàng)性引領(lǐng)。這是直流輸電歷史上的里程碑，為全球大容量直流輸電提供了全新的“中國(guó)方案”。

2005年7月，我國(guó)第一個(gè)全國(guó)產(chǎn)化背靠背直流工程——靈寶換流站建成投運(yùn)。從此，西北、華中兩大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

彼時(shí)，西北和華中兩大區(qū)域電網(wǎng)如同軌距不同的“鐵路干線”——前者以330千伏電壓等級(jí)承載著能源基地的“重載列車”，后者以220千伏電壓等級(jí)輸送電能至工業(yè)重鎮(zhèn)與萬(wàn)千家庭。兩條“干線”需要相連，卻不能簡(jiǎn)單地“硬連”。靈寶換流站的“背靠背”技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了兩大區(qū)域電網(wǎng)的“能量轉(zhuǎn)換”。

無(wú)需架設(shè)長(zhǎng)距離直流輸電線路，兩組換流閥“背靠背”協(xié)作，在同一站內(nèi)完成“交流—直流—交流”的完整轉(zhuǎn)換。這套緊湊高效的設(shè)計(jì)，既能幫助電力“跨越鴻溝”自由流動(dòng)，又隔絕了兩大電網(wǎng)之間的故障傳遞。20年來(lái)，靈寶換流站累計(jì)輸送電量超1300億千瓦時(shí)，相當(dāng)于1.5座三峽水電站的年發(fā)電量，成為西部清潔能源進(jìn)入中東部電網(wǎng)的關(guān)鍵門戶。

在靈寶換流站的“裝備庫(kù)”里，四大核心部件各司其職：換流變壓器精準(zhǔn)匹配330千伏與220千伏的電壓差，平波電抗器撫平電流波動(dòng)，控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控功率輸出，換流閥則是能量轉(zhuǎn)換的核心擔(dān)當(dāng)——所有電能的“變身”，都得靠它來(lái)完成。

立足新器件、新技術(shù)、新裝備，國(guó)家電網(wǎng)公司設(shè)備部組織國(guó)網(wǎng)河南電力、國(guó)網(wǎng)直流中心、國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院，并聯(lián)合清華大學(xué)、懷柔實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)電氣裝備集團(tuán)有限公司等方面組成直流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，從換流閥的核心——功率半導(dǎo)體器件入手，勇闖技術(shù)“無(wú)人區(qū)”，自主創(chuàng)新提出基于IGCT器件的混合換相換流技術(shù)。

由此，經(jīng)過(guò)9年產(chǎn)學(xué)研用持續(xù)協(xié)同攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)研制出全球首款8千伏/3千安逆阻型IGCT器件，可實(shí)現(xiàn)雙向承壓，既可控制開(kāi)通，又可控制關(guān)斷，從根本上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)晶閘管的短板；并基于自主研制的IGCT器件，研制出世界首臺(tái)HCC換流閥。

參與研發(fā)的中國(guó)電氣裝備所屬中國(guó)西電西電電力系統(tǒng)董事長(zhǎng)婁彥濤稱，該成果有效消除常規(guī)直流輸電換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，既適用于常規(guī)直流工程改造，也可用于新建特高壓直流輸電工程。HCC在保留與常規(guī)LCC直流相近的大容量、低成本、低損耗和高可靠性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還進(jìn)一步降低了換流站的無(wú)功補(bǔ)償需求，是直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。

余占清也表示，“產(chǎn)學(xué)研用”團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了新型HCC換流閥從核心器件到集成系統(tǒng)的全面自主創(chuàng)新，為保障遠(yuǎn)距離、大容量高壓直流輸電提供全新技術(shù)路線和“中國(guó)方案”。

這套基于逆阻型IGCT的HCC換流閥，成功解決了常規(guī)直流輸電中換相失敗的難題。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使得靈寶換流站在保持大容量、低損耗優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，運(yùn)行可靠性得到了顯著提升。“從芯片到設(shè)備，從軟件到系統(tǒng)，我們構(gòu)建了完整的自主技術(shù)體系。”西電電力系統(tǒng)靈寶改造工程項(xiàng)目技術(shù)總負(fù)責(zé)人王江平說(shuō)，“這不僅僅是一次技術(shù)升級(jí)，更是在國(guó)產(chǎn)創(chuàng)新路上邁出的堅(jiān)實(shí)一步。”

“這次工程采用全國(guó)產(chǎn)芯DPS-5000G控制保護(hù)系統(tǒng)，突破高端電力芯片‘卡脖子’問(wèn)題，為換流站裝上了‘中國(guó)芯’。”許繼電氣直流輸電分公司靈寶改造工程項(xiàng)目經(jīng)理熊飛說(shuō)，“從芯片到軟件，從硬件到系統(tǒng)，我們實(shí)現(xiàn)了百分之百的自主可控。”

據(jù)悉，HCC換流閥這顆“超級(jí)心臟”，自帶“起搏功能”。利用IGCT器件強(qiáng)有力的主動(dòng)關(guān)斷特性，HCC換流閥構(gòu)建“自然換相+強(qiáng)迫換相”混合換相機(jī)制，讓換流閥得以根據(jù)場(chǎng)景靈活切換角色。因此，換上“超級(jí)心臟”后的靈寶換流站，成為了新能源消納的“超級(jí)樞紐”——西北戈壁的風(fēng)電、黃土高原的光伏，這些“喜怒無(wú)常”的綠色電力，經(jīng)過(guò)HCC換流閥的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，跨越千里送入華中地區(qū)的千家萬(wàn)戶。它不僅能撫平新能源的功率波動(dòng)，更能抵御電網(wǎng)擾動(dòng)，讓新能源消納能力提升30%，為新能源基地大規(guī)模開(kāi)發(fā)外送筑牢保障。

此外，在HCC換流閥安裝過(guò)程中，為確保閥塔模塊吊裝精度與電氣連接可靠性，國(guó)網(wǎng)河南直流公司采用“分段驗(yàn)收、定位復(fù)核”的安裝方法嚴(yán)格把控螺栓緊固力矩，針對(duì)直流測(cè)量裝置更換及閥用純光CT加裝創(chuàng)新實(shí)施“預(yù)制化布線、標(biāo)準(zhǔn)化接線”工藝，實(shí)現(xiàn)新舊設(shè)備接口無(wú)縫對(duì)接。在光纖敷設(shè)環(huán)節(jié)，通過(guò)“分層歸束、路徑優(yōu)化”原則，結(jié)合三維放樣技術(shù)與應(yīng)力緩沖裝置，確保光纖全程彎曲半徑符合規(guī)范，并通過(guò)“工序交接確認(rèn)制”與“關(guān)鍵點(diǎn)影像存檔制”，實(shí)現(xiàn)工藝可追溯、質(zhì)量可核查。

隨著冬季用電高峰臨近，改造后的靈寶換流站設(shè)備健康水平和運(yùn)行可靠性大幅提升，將為西北風(fēng)電、光伏清潔能源外送提供更強(qiáng)支撐，有力保障跨區(qū)電網(wǎng)迎峰度冬期間電力供應(yīng)。積累的“國(guó)產(chǎn)化設(shè)備應(yīng)用”“數(shù)智化管控”等寶貴經(jīng)驗(yàn)，以技術(shù)原創(chuàng)的硬核實(shí)力為“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施和“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了新的技術(shù)支撐與發(fā)展動(dòng)能。