汤广福：先进输电技术创新与实践

（作者系国网智能电网研究院副院长）一、先进输电技术概述人们对电力的应用和认识以及电力科学技术的发展都是首先从直流电开始的。早期直流输电存在电压变换、功率提升困难，电机有刷换相、串联运行可靠性低等问题。1895年，美国尼亚加拉复合电力系统建成，确立了交流输电的主导地位。由于交流输电技术具有电压变换容易、易于实现多落点受电、电流存在自然过零点、大电流开断易于实现等优势。20世纪初，交流系统开始迅速发展。100多年来，交流输电电压由最初的13.8kV逐步发展到35、66、110、220、330、400、500、750、1000kV等水平。但是，随着广域交流大电网的形成，交流电网的技术问题也不断涌现，世界范围内大电网事故不断发生：同步问题；稳定性问题；输电距离问题；输电效率问题；输电走廊问题。因此，我们不禁要问，交流输电系统是否是未来电能输送的唯一技术手段？由于交流输电技术存在着一些无法客服的固有缺陷，而现代直流输电技术则克服了交流输电技术的一些固有缺陷。随着换流器技术的发展，柔性直流输电工程的电压等级和容量迅速增大。另外，不断降低的系统损耗和造价极大促进了柔性直流工程的应用。随着电力电子等技术的发展，制约现代直流输电发展的主要技术难题，有望在未来3~10年内得到解决。未来直流输电技术构想有两种方式，交-直-交和直-直-直。我国能源与负荷逆向分布决定了远距离、大容量输电是我国电网发展的长期战略。跨区输电需求的增加和环境承载能力的下降，对输电效率和资源利用水平提出了更高的要求。我国已建成世界上规模最大、最复杂的电网，可再生能源的大规模开发利用将进一步加剧电网的复杂性和控制难度，亟需提高电网的安全性、灵活性和可控性。开展先进输电技术研究，即在传统输电技术基础上，发展输电理论，创新输电方式，通过提高电压等级、转换电能形式等手段，实现电能的高效、环保、智能、远距离传输。以电力电子技术为代表的先进输电技术，主要开展以下四方面研究：1）超特高压灵活交流输电技术，提高交流线路输送容量、提升电网的运行灵活性和安全稳定水平；2）特高压直流输电技术，可将万兆瓦级电能高效输送至两千公里以外；3）柔性直流输电技术，可控度最高最灵活的新型输电方式；4）直流电网技术，新一代电网架构方式，提高可再生能源利用效率。二、超特高压灵活交流输电技术灵活交流输电（FACTS）采用电力电子装置和控制技术对系统主要参数，如电压、电流、相位、功率和阻抗等进行灵活控制，增强系统稳定性和安全性。可控串补装置（TCSC）是用于提高交流输电线路输送能力和增强系统稳定性的电力电子装置。该装置串联于交流输电线路中，通过调节两组反向并联晶闸管阀的触发角使TCSC提供连续平滑的等效电容补偿。TCSC中晶闸管阀采用多级串联压接技术，需要准确触发晶闸管，要求晶闸管不仅耐压高，耐受dv/dt能力强，还要触发延迟小，串联一致性高。静止同步无功补偿器（STATCOM）是利用全控器件变流器产生与电网频率相同的交流电压，通过调控变流器输出电压的大小，向电网输出或从电网输入可控的无功，应用中通过变压器并联于系统。STATCOM需要通过控制全控器件调节电压大小、频率及相位，要求器件的开通关断速度快，损耗低。装置采用多级模块式IGBT连接，在高电压等级下体积大，未来若采用耐压等级高的器件或压接式IGBT，能够大幅减小体积。统一潮流控制器（UPFC）能够同时统一控制或有选择的控制影响线路有功和无功潮流的所有参数（电压、阻抗和相位角），是解决电力传输诸多问题的提供了灵活、快捷、多功能的控制装置。UPFC是利用全控器件实现对VSC阀组改进行控制，改变两个变流器的运行状态，要求构成的VSC阀组要求器件的耐压等级高，器件损耗低，可靠性高。1、经过我国科研人员持续20余年的研发积累，现在中国已经引领了灵活交流输电技术的发展。2004年前，我国灵活交流输电装备全部依赖进口、应用不足10套；目前，我们已解决了大容量阀组件串联同步触发、高电位取能、多状态脉冲编码等难题；提出了多目标协调控制、过电压与主动绝缘配合等方法，建立了灵活交流输电系统分析、成套设计、核心装置研制等完整技术体系；突破500kV等级SVC、TCSC、STATACOM、CSR、FCL等灵活交流输电装置共性技术。2、完成四大类FACTS装备的首台/套研制，并实现了示范应用。1）静止无功补偿：2004年，我国首套自主知识产权输电网用静止无功补偿装置（辽宁鞍山）；2008年，世界首套500kV直流融冰兼SVC装置（湖南益阳）。2）可控串联补偿：2004年，世界首套混合复用固定和可控串补（甘肃成碧）；2007年，世界串补度最高、串补量最大的500kV可控串补装置（黑龙江冯屯）。3）可控并联电抗：2007年，世界首套500kV磁控式可控并联电抗器装置（湖北荆州）；2012年，世界首套750kV阀控式可控并联电抗器装置（甘肃敦煌）。4）短路电流限制：2010年，世界首套500kV短路电流限制装置（浙江瓶窑）。3、我国灵活交流输电整体技术水平国际领先。2006年，“静止无功补偿器（SVC）核心技术的研发及应用”获国家科技进步二等奖；2008年，“输电系统中灵活交流输电关键技术和推广应用”获国家科技进步一等奖；2010年，“一种可控串补晶闸管的电子触发系统”获中国专利金奖。时间鉴定内容鉴定结论2005鞍山红一变SVC总体处于国内领先及国际先进水平2005成碧固定/可控串补整体技术水平国际领先2008伊冯500kV可控串补具有完全自主知识产权、整体水平国际领先2013敦煌750kV可控高抗整体技术达到世界领先水平2015统一潮流控制器整体技术达到世界领先水平目前，我国静止无功补偿装置（SVC）已应用100余套，迫使ABB、SIEMENS公司放弃中国市场，并成功打入韩国、菲律宾等电网。串补装置研制成功使国内工程招标价格下降30%以上，应用50余套，总容量28Gvar，占到全球应用50%以上，并出口到越南、巴西等国。三、特高压直流输电技术与交流输电技术相比，在进行大规模远距离功率传输时，直流输电的输送容量更大、输送距离更远、单位容量造价和损耗更低，但技术水平要求也更高。特高压直流输电是实现未来“西电东送”和大规模远距离“洲际联网”的有效手段。目前特高压直流输电主要包括±800kV/5000A、±800kV/6250A和±1100kV/5000A几个等级。1、特高压直流输电现状与挑战。特高压直流输电中的核心装备包括直流换流阀、换流变压器、直流场设备等，大都为国外跨国公司所垄断。尤其是其中实现交、直流电能转换的最核心的换流阀装备，此前只有ABB、SIMENSE和Alstom三家跨国公司具备自主研发能力。特高压换流阀研发关键技术包括换流阀系统宽频建模及分布参数提取、换流阀非线性组件协调配合及其优化设计技术、特高压直流换流阀多物理场建模及其数值分析技术、晶闸管智能化触发与监控技术、换流阀系统绝缘配合与过电压保护策略、特高压换流阀均压与屏蔽设计技术、换流阀多源复合等效试验方法等。2、试验技术奠定研发基础。大功率等效试验技术是先进输电装备研究开发的核心手段，被跨国公司长期封锁。我国经过努力，打破了直流换流阀20年“国内组装，国外试验”的被动局面，提出基于相似理论的试验评价方法和多源复合试验方法，研制出成套试验装备，建成了大功率电力电子北京市重点实验室，获得省部级科技进步一等奖（2007年）和发明二等奖（2014年）各1项。3、±800kV UHVDC标志性成果。1）直流输电技术诞生以来，换流阀核心技术被跨国公司垄断近50年。我国经过努力，研制出世界首个±800kV/5000A特高压直流换流阀及阀控。提出了换流阀分布参数提取、多物理场数值分析、非线性组件协调配合等方法，解决了换流阀运行特性分析及优化设计难题；突破了±800kV换流阀电压、容量提升带来的重大技术挑战。2）项目成果应用于多个特高压直流工程，并实现了产业化。2012年7月，世界首个±800kV/7200MW锦屏至苏南特高压直流工程；2014年1月，世界首个±800kV/8000MW哈密至郑州特高压直流工程。此后，相继在溪洛渡至浙西和灵州至绍兴±800kV/8000MW特高压直流输电工程中推广应用，年产值超10亿元。3）±800kV UHVDC通过了新产品技术和重大成果两次技术鉴定，鉴定委员会综合评价认为，该成果具有完全自主知识产权，总体技术性能处于国际领先水平。2010年8月15日，国家能源局组织了包括卢强、杨奇逊、郑健超、程时杰、雷清泉等5位院士在内的专家，完成了“±800kV/4750A特高压直流换流阀”的新产品技术鉴定。2015年3月11日，中国电机工程学会组织了包括周孝信、郑健超、韩英铎、薛禹胜、李立浧、丁荣军等6位院士在内的专家，完成了“±800kV/5000A特高压直流换流阀关键技术研究、产品研制及工程应用”项目成果鉴定。4）西门子技术路线换流阀存在的问题：局部温度高（>100℃）、火灾风险大；电磁兼容性差、误动作频繁；阻尼电阻冷却容量小，保护延迟时间短；逻辑接口不标准、设备兼容性差。这些问题威胁特高压直流输电工程的安全稳定运行，迫切需要对其改造，而难度不亚于研制新一代换流阀。5）基于自主技术，我国成功改造西门子技术路线换流阀。直流均压电阻运行温度降低至62℃以内；阀控系统无误触发、无误报；低流量时保护延时从4s提高到10s；实现了换流阀阀控系统接口的标准化。改造后工程换流阀投运后，运行状态良好，提高了工程可靠性。4、±800kV/6250A换流阀研制。完成了±800kV/6250A换流阀的可行性研究；在现有A5000换流阀基础上，攻克大电流工作条件下带来的系列难题；2013年底完成样机研制，并通过试验验证，具备工程应用条件。5、±1100kV换流阀关键技术研究。在国家“863”计划和国网公司重大科技项目的支撑下，全面突破了±1100kV特高压直流换流阀系列关键技术。如：更高电压等级下的大杂散参数复杂系统非线性特征综合指标优化设计方法；更高电压等级下的换流阀系统强电磁骚扰特性分析计算及安全防护设计技术；更高电压等级下的换流阀大电流、多物理场耦合严酷应力分析设计方法和关键零部件研制。6、±1100kV换流阀样机研制。2014年，成功研制出世界首个±1100kV特高压直流换流阀样机，并通过型式试验。±1100kV换流阀样机试验：恢复期正向暂态电压试验66.3kV；最大暂态运行电压55.8kV；长期过负荷电流5367A；故障电流峰值50kA；单阀操作冲击试验电压632kV；二重阀操作冲击试验电压2100kV。四、柔性直流输电技术柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电后的一种新型直流输电方式，是目前世界上可控性最高、适应性最好的输电技术，为电网升级提供了一种有效的技术手段。1、柔性直流在欧洲电网升级中发挥巨大作用。欧洲正大力推进能源结构转型，实现高比例可再生能源的开发利用。计划将北海和大西洋的远海风电、芬兰和挪威的水电、非洲北部的太阳能接入电网，迫切需要新型的输电技术。为此，欧洲规划了一个基于柔性直流的全新输电网，用来实现可再生能源的大范围接纳和配置。2、我国电网发展迫切需要柔性直流技术。我国西部和东部沿海地区风力资源丰富，未来局部地区可再生能源发电比例将超过50%，需要更加灵活的并网技术。东部和南部沿海岛屿众多，供电可靠性和质量无法满足人民生活水平提升要求，需要更加高效、可控的输电技术。华东和广东两大负荷中心，直流输电较为集中，连锁换相失败故障导致的停电隐患始终存在。3、柔性直流输电技术特点。1）新型输电技术内在规律复杂，运行机理分析与描述困难。现有两种输电方式，交流传输功率为自然分配，常规直流仅能控制有功功率。柔性直流这种新型输电方式要首次实现有功和无功功率同时控制。2）组件规模最大、结构最复杂输电设备，设计面临全新挑战。柔性直流首次将全控器件IGBT用到数十至数百千伏高压场合，设备中功率开关器件可达5000个以上，长期运行可用率要求高（99.5%以上），多物理场相互作用关系复杂。3）换流器采用全新的换流方式，高速协同调控困难。模块化多电平技术首次突破了“开关式”换流方式，通过数千个功率单元的独立控制，在换流器内部进行能量“重构”来实现交直流变换。4）试验与常规电气设备有显著差异，等效机理复杂。柔性直流换流器的运行工况复杂且与电网存在更强耦合关系，试验要同时实现多种应力（高压、大电流、陡波、冲击电压、速变电流等）的综合考核，试验方法与常规电气设备有显著差异。5）多换流单元无法直接简化等效，动态模拟方法需再造。此前直流输电均采用串联开关器件，模拟系统可以通过开关器件直接简化等效。模块化多电平换流器中包含数千个状态和控制均独立的功率单元，运行状态多、随机性强，无法简化等效。4、HVDC Flexible标志性成果。1）研制了世界首个±320kV/1000MW柔性直流换流阀及阀控。第一代柔性直流技术，存在损耗高、扩展性和实用性差等问题，研究团队与国外同步启动模块化多电平（MMC）柔性直流输电研究，开辟了全新的技术路线；攻克了微秒级脉冲分配、多层面能量平衡、电压裕度与斜率协调控制等方法，解决了柔性直流环流抑制、有功无功解耦控制和多换流站协调控制等难题；构建了新型输电系统的技术体系，掌握了从基础研究到工程应用的全系列关键技术。2）2011年，亚洲首条柔性直流示范工程（上海南汇）建成投运，该工程为世界首个用于风电并网的模块化多电平工程。3）2014年6月，浙江舟山五端柔性直流工程投入运行，该工程为世界上端数最多的柔性直流工程。4）正在建设世界电压等级最高、输电容量最大的双极柔性直流工程（福建厦门），计划于2015年12月建成投运。5）通过了示范工程和新产品两次技术鉴定，鉴定委员会综合评价认为，系列成果具有完全自主知识产权，总体技术性能处于国际领先水平。2011年7月25日，中国电机工程学会组织包括卢强院士在内的专家，完成了“柔性直流输电关键技术研究、装备研制及工程应用”项目技术鉴定会；2013年3月5日，国家能源局组织了包括周孝信、郑健超、潘垣、沈国荣、雷清泉、王天然、余贻鑫等7位院士在内的专家，完成了“1000MW/±320kV柔性直流换流阀及阀控设备”产品技术成果鉴定会。5、成果在国际工程上的推广应用。项目完成单位获得欧洲多个柔性直流工程投标资质，是我国直流技术首次得到欧洲市场认可。在英法互联（Channel Cable）柔性直流工程首轮投标中，战胜ABB和西门子两大跨国公司，对我国高端装备实施“走出去”战略，提升国际竞争力和影响力，具有重要示范意义。五、直流电网技术与交流电网100多年的发展相比，直流电网技术刚刚提出数年，尚处于起步阶段。大量理论、技术及装备的基础性问题，需要进行全面、深入探索。1、电网规划与网架构建。交、直流电网之间存在电源特性、应用场合、运行方式、供电可靠性等方面存在较大差异，使得直流电网规划与网架构建理论无法照搬交流电网。另外，运行方式、应用场合等根本不同决定了交、直流电网电压等级设计的差异，而直流电压等级序列目前尚无理论上的选择依据。因此，全新供电模式亟需建立直流电网规划与构建理论。2、仿真与建模方法。复杂动态行为对仿真建模方法提出了新要求。1）复杂动态行为使仿真需再现微秒级物理过程：电压源型直流输电半导体开关器件开关速度为纳秒-微秒级，输出10-100微秒的高密度阶梯方波电压，传统建模方法无法精确复现电压源直流换流物理过程。2）大量直流装备接入使仿真难度和规模激增：电压源型换流器的拓扑结构使输电系统仿真规模呈百、千倍增长，大量换流器和多种新型直流输电装备的接入又增加了系统仿真的难度，如何对仿真进行简化和加速存在着大量理论难题。3、能量转化及失效机理。系统运行性能提升对换流器能量转化机理提出新要求。1）换流器的电能变换机理尚未从根本揭示：换流器内部交流、直流、静电场等多形态电场能量的转换机理尚未从根本上揭示，需要解决换流器能量平衡系统鲁棒性差等问题。2）能量转化过程与换流器的失效机理不清：换流器的电、磁、热等多物理场分布特性对于换流器运行特性的影响机理不清，造成现有换流阀优化设计缺乏依据，难以保证换流器运行性能。4、能量传递及调控规律。新型系统调控规律的建立需要揭示其能量耦合规律。1）多换流器相互耦合作用更为快速和复杂：多端直流换流器间的低阻尼特性所导致的复杂能量转移、波动、振荡、应力传播等耦合机理尚未明确，造成现有设计及控制技术扩展性及鲁棒性差。2）交直流混合系统协调控制理论亟待建立：未来交直流混联系统能量交换机理、故障机理和稳定性规律等与现有交流系统相比会发生本质性变化，需要全新的理论支撑。5、新型换流器拓扑技术。柔性直流的推广应用对换流器拓扑技术提出了新要求：1）基于两电平和模块化多电平换流器无法快速清除直流故障，现有工程大多采用电缆传输，无法满足远距离、大容量输电的经济性需求；2）需要解决能够清除直流故障电流，并具有低损耗等优良性能的新型拓扑等基础问题。6、系统容量提升技术。可再生能源发电规模的增长对换流器容量提出了更高要求：1）未来可再生能源的规模将普遍达到千MW级及以上，这对电压源换流器的容量提出了更高要求；2）需要解决换流器容量提升中存在的可靠性、经济性综合优化和评估等基础问题。7、广域测量及故障检测技术。故障的快速特性对保护技术提出了挑战：1）直流电网故障发生后的演化速度极快，对故障的检测和判断时间要远低于交流电网；2）现有故障检测技术不能保证直流电网控制保护系统的准确动作；3）需要解决换流站、关键设备等直流信息广域测量、故障定位方法等基础问题。8、安全可靠性评估技术。新的设备和系统结构要求新的可靠性评估技术：1）目前缺乏直流电网关键设备运行数据的统计和分析，无法通过对直流电网的安全可靠性的评估来提升设备和工程的可靠性；2）需要解决可靠性评价指标和分析模型构建等基础性问题。9、电压源换流器。换流器综合性能亟待提升：1）目前柔性直流换流器普遍采用MMC结构，缺乏直流侧故障清除能力，且结构不够紧凑，成本偏高；2）需要解决新型拓扑结构、高性能变换、高可靠性、低损耗柔性直流换流器的基础问题。10、柔性直流电缆。电缆材料和研制的相关基础问题需要全面解决：1）目前国外柔性直流电缆的水平已经达到±500kV，国内仅为±200kV，造成国外厂商市场和价格垄断，严重制约我国柔性直流技术发展；2）高电压等级下柔性直流电缆的介质空间及界面电荷的变化过程尚未明确，相关的实验、检测方法也尚有大量的基础问题需要解决。11、高压直流断路器。断路器设计及应用技术尚需进一步深入研究：1）目前ABB、ALSTOM和国网智研院等单位都已经或即将完成高压直流断路器样机研制，但在成本、开断速度方面尚需优化；2）需要继续解决新型断路器拓扑、高速开断与快速重合、紧凑化等方面的问题。12、高压DC/DC变换器。直流变压器技术尚处于起步阶段：1）面向电力系统用的高压大容量DC/DC变压器研究处于起步阶段，目前尚无相关的样机研制；2）需要解决变换器新型拓扑结构设计、电气隔离、故障机理、损耗优化等方面的基础性问题。13、DC GRID标志性成果。1）研制世界首个200kV高压直流断路器。直流电流无自然过零点，直流故障电流切断被誉为“百年电力技术难题”；解决了规模化IGBT组件同步控制、高速电磁斥力驱动与平滑缓冲、微秒级高速故障保护识别等难题；提出全新电路方案，所研制的样机核心技术参数全面超越国外同类产品。200kV高压直流断路器成功通过3ms分断15kA的故障电流分断试验。鉴定委员会认为，项目研制的200kV高压直流断路器（额定工作电流2kA，分断电流15kA，分断时间3ms）的整体技术达到国际领先水平。2）创新物理模拟方法，构建了未来直流电网研究手段。柔性直流和直流电网等新型输电方式的出现，需要再造全新的仿真模拟方法；提出了基于等指数原则和阻抗补偿的动态模拟方法，研发了世界首个MMC柔性直流输电动态模拟及数模混合仿真系统；建成了“直流电网技术与仿真北京市重点实验室”。六、结束语围绕我国能源发展的重大技术需求，加强特高压直流输电、柔性直流输电、灵活交流输电等领域的共性技术研究，发展直流电网基础理论，推动输电系统电压、容量和效率提升。重点进行以下工作：解决一批基础性科学问题；研发一批原创性输电装备；构建一系列通用性研发平台；主导一批技术标准的制修订；汇聚一批国内外高端人才。1、超特高压灵活交流输电技术。1）实现静止无功补偿系统、可控并联电抗器在1000kV输电系统中的应用，掌握超高压电网SSSC、UPFC等FACTS成套系统设计及应用技术；2）完成统一潮流控制器（UPFC）的工程示范应用。2、特高压直流输电技术。1）研制±800kV/6250A换流阀及阀控，输电容量达10GW；2）研制±1100kV/5500A换流阀及阀控，容量由目前的8GW提升至12GW；3）提出超大容量直流馈入同一负荷中心引起的交直流大电网协同控制方法。3、柔性直流输电及直流电网技术。1）研制±500kV/3kA换流阀及阀控，将容量由目前1GW提升至3GW；2）研发320kV/3ms/20kA高压直流断路器；3）初步形成直流电网理论体系，为未来我国构建区域直流电网提供支撑。4、前瞻性输电技术。探索三极直流、无线输电等新型输电方式和输电技术，发展前瞻性输电技术的系统构成、主电路拓扑、参数设计方法和控制策略，形成前瞻性输电技术与现有输电系统的协调控制技术，为输电技术发展提供理论基础。5、总结与展望。1）超特高压灵活交流输电技术是解决交流输电容量瓶颈问题的重要技术，对于强化电网结构、保障电网安全运行具有强有力的支撑作用；2）特高压直流输电技术是解决我国远距离大容量电能输送问题的有效手段，对于我国区域性新能源并网和消纳，多端直流和直流电网技术将是有效的补充；3）未来的十年将是我国直流电网技术和建设快速发展的阶段，强交强直的交直流互联电网将成为我国电网架构的基本形态;4）随着可关断器件、直流电缆制造水平的不断提高，柔性直流输电将会成为直流电网中最主要的输电方式；5）预计在5～10年时间内，世界范围内将有望建成以柔性直流为基础、主干网为500kV及以上等级、10GW及以上输送容量为主的区域性直流电网。6、国网智能电网研究院。智研院是专业从事智能电网领域基础性、前瞻性研究的高科技企业；智研院重点围绕直流输电、电力电子技术、信息通信、计算及应用、电工新材料、功率微电子、智能感知与量测和新型储能等智能电网关键技术领域开展研究；设有六个研究所和欧洲、美国两个海外研究院，具有深厚的人才储备与技术研究基础。实验室拥有18800平方米相对集中的科研场地，包括5大研究平台。（本文根据“2015第十届中国电工装备创新与发展论坛”会议PPT编辑而成）