直流输电技术发展综述

直流输电技术发展综述

中国一次能源和负荷需求的横向分布特点是客观上需要在大面积内优化能源配置。目前已

规划了13个大型水电基地,装机总容量约为215GW,其中，西藏水电可开发容量约为110

GW。同时,我国已开始开发多个大型煤电基地，在满足本地用电需求后，外送电力远景规模

可达200GW以上。为实现能源的经济合理调配，国家电网公司正全力建设全国范围内的特

高东坚强智能电网°高东直流愉电因其技术卜的优点成为远距离跨区域电能输送的重要组

成手段，自三峡地区电力送出、西电东送等工程后，复奉特高压直流、德宝直流等工程相继

投运，后续还有数条特高压直流输电工程已进入规划设计阶段。

自1954年瑞典哥特兰岛直流输电工程投运以来,世界各国已有上百个现代工业化直流输电

工程建成投运，直流电压、电流和输电容量遍布各个等级。随着材料科学、微电子技犬、

制造工艺水平等的不断发展，换流站一、二次设备有了长足进步。直流输电核心设备换流

阀经历了汞弧阀-晶闸管-可控关断器件(门极可关断晶闸管(gateturn-off

thyristor,GTO)>绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT))的

发展过程。器件水平由最初的1kV/200A提高到8kV/4kA:换流变压器从最初的20MVA

发展到386.4MVA;直流控制保护系统由集成电路式发展到工控机。在直流输电技术大规模

应用于电力系统背景下，有必要掌握设备发展现状、总结设备发展趋势、归纳设备运镂经

验,反哺设备设计制造，以确保直流输电技术的不断更新进步。

本文从电网建设生产实际角度总结了当今直流输电技术发展现状,分析了一次拓扑、主设

备、二次控制保护设备等方面的技术发展趋势，以期为后续工程的建设实施提供参考。

1主要连接结构和主要交叉点的结构

1.1在线投退的设置

国家电网公司主导建设的特高压直流输电工程采用双12脉动阀组串联技术。特高压直流

拓扑最显著的特点为解决了为提高系统可用率而产生的换流器的在线投退问题。对一个极

而言，既可以采用单组12脉动换流阀运行,也可以采用2组12脉动换流阀串联运行:,每个

阀组都并联了旁路断路器和旁路隔离开关，允许一个阀组退出运行后另一个阀组继续运行。

该接线方案中，每极高低12脉动换流器两端设计电压相同,其正送和反送率传输方向下运

行方式有40余种,灵活的运行方式也大大提高了特高压直流输电系统的可靠性。

1.2换流站的控制

多端直流即由多个换流站及其间连接的输电线路组成的高压直流系统,早在20世纪60年

代就有相关原理阐述。目前投运的系统包括意大利一科西嘉一撒丁岛三端系统、魁北克一

新型格兰系统等。多端系统可以实现多点直流联网，实现分区电力消纳，各换流站出线大大

减少,短路电流水平降低;其次,可以有效解决交流系统潮流回转问题,减轻了受端交流系统

的压力。充分利用现有交流系统的输送能力，可降低受端交流系统投资。但是采用传统的

电流源自然换相点实现的多端直流输电,无论是串联式江是并联式均存在协调控制难度高

等问题，特别是一个换流站的停运必须对所有换流站的控制施加协调调整。

近年来，随着电压源换流器（voltagesourceconverter.VSC）技术的成熟,有学者提出了混

合型多端直流输电技术,该技术结合了2种换流技术的特点，常规直流用于高电压强馈入系

统接入,VSC则用于无源或弱馈入系统联网或分散电源的接入,结构如图1所示。

极联式多端直流是我国电力工作者结合我国实际最先提出的一种多端直流拓扑结构，如图2

所示。该拓扑是将同一极的换流器组合理分布于不同的物理点,送端或受端都可能由地理

位置上不同的若干换流端组成，整个系统控制方式与一条含多换流器组的特高压直流线路

的控制没有区别，也可以灵活的安排不同地点的阀组灵活的投退运行。该拓扑的核心是电

源接入点及负荷馈出点分散分布，由此带来的优点包括:减少了从交流电源到送端换流站的

联系输变电工程投资;减少了单一换流端无功功率的压力，便于无功合理就地平衡;通过分

区消纳电力，各换流站出线大大减少,短路电流水平降低;有效解决了交流系统潮流回转问

题,减轻了受端交流系统的压力。极联式多端高压直流输电在一次设备的制造上没有技术

难点,特高压直流多阀组投退的成功经验可以直接移植。需耍验证的是广域范围下直流输

电控制保护系统受通讯延时的影响，并要注意结合送、受端电网稳定问题设计合适的故障

响应策略,并可以结合送、受端潮流情况合理设计每一换流阀组输送功率的协调分配控制

策略（调节裕度受单换流阀组换流变分接头调整范围限制）。

1.3沙江上游地区接地极网络规划尚不完善

接地极拓扑设计是直流输电系统设计的重要部分。根据直流输电系统拓扑的不同,接地极

系统的主要功能包括钳制中性点电位、提供直流电流通路等。我国能源和负荷中心均较集

中，在一个有限区域内往往规划了数个整流或逆变站，直流接地极选址和设计将越来越困难。

最典型的如金沙江上游地X已建并计划建设3条±800kV直流输电线路从溪洛渡和向家坝

水电站送出电力，建设1条±800kV直流输电线路从锦屏电站送出电力。4条直流线路的

送端均处山区，不易找到合适的接地极。典型的受端区域,如华东地区已有三峡送出工程的

3条±500kV直流及±800kV复奉系统落点，后续还将有锦苏工程等±800kV工程的接地

极需要规划,上述区域内接地极址的选择已比较困难。

在一些换流站集中区域的接地极设计中，已提出了共用接地极的思路。共用接地极可以减

少接地极（址）数量、降低工程投资、提高接地极的利用效率,具有显著的社会效益和经济

效益，但也存在一些问题，如不平衡运行方式时接地极电流过大；整流侧中性点电压的偏移

直接导致线路到中性线的电压偏移额定值，逆变侧中性点电压的偏移直接导致线路对地电

压偏移额定值;接地极线路检修工作安排较单独接地极方式复杂等。

2流量交换技术

2.1换流变压器和阀桥之间的约束副产物

为改善换流器特性及整个直流输电系统的性能，电容换相换流器(capacitorcommutated

converters,CCC)在常规直流换流器中串入电容器构成换相电路。电容器一般串接在阀桥

和换流变压器之间，如图3所示。

为避免换相失败，基于电网换相换流器(linecommutatedconverter,LCC)的传统直流输电,

需保证熄弧角uf067具有15°或更大的裕度，由此需消耗大量的无功功率,无功补偿及滤波

设备容量通常占系统传输容量的30贮40机CCC技术将固定电容器串联接入传统换流系统

的换流变压器和换流器之间,通过串联电容器来补偿换流器的无功消耗,且无功消耗基本不

随直流输送有功的变化而变化,减少了换流站无功补偿和相应的投切开关等设备。电容换

相换流器可以显著提高交直流系统的稳定性,增加抗干扰能力,减少换相失败机率,并抑制

直流短路电流。

2.2直流输电的概念

随着以全控型器件为基础的VSC的成熟,产生了柔性直流输电技术。1990年,加拿大

McGill大学的Boon-TeckOoi等首先提出了采用脉冲宽度调制(pulsewidth

modulation,PWM)技术控相的VSC进行直流输电的概念，为了与传统直流输电相区别，我国

称其为柔性直流输电。

ABB公司于1997年3月进行了首次柔性直流输电的工业实验。1999年,ABB公司在

Gotland投入运行了世界上第1个商业化的柔性直流输电系统。目前世界上容量最大的柔

性直流输送容量已经达到350MW,且随着大容量全控型开关器件的研制成功，其输送容量还

会得到较大幅度的提高。2011年7月25日，我国自主研发的首个柔性直流输电(上海南汇

风电场)工程正式投入运行，该工程额定电压为±30kV,额定电流为300A,采用模块化多电

平换流器拓扑。

2.3ccc技术的应用

常规的LCC换流技术应用成熟,设备可靠性水平也不断提高，单位输送容量造价也不断降低,

适用于大容量高电压长距离送电工程。该类型换流技术需要在送受端补偿大量的无功功率,

随着输送容量的不断增加:在送受端区域的无功平衡问题将变得严重,特别是在弱馈入或直

流多落点地区，如果某受端区域内的多条直流发生换相失败故障，对于该区域电网的稳定性

影响是巨大的。

CCC技术有利于减少无功补偿量和减少换相失败的危险,CCC换相技术目前在国内尚未有应

用实例,其主要原因是换相过程中阀本体电压应力高,相同电压等级下阀体制造成本增加。

技术经济比较结果表明，在单位无功补偿单位容量造价不断下降的情况下，使用CCC技术的

直流输电经济性明显偏低，

陷对器件特性的影响,碳化硅基础材料品质稳定性有待提高，价格也比传统硅材料高很多。

但可以预见,随着材料工艺的不断改进,碳化硅将是未来大功率变流器件发展的主要方向之

4kv换流变压器

为了输送更大功率，目前高压直流输电正朝着更高电压、更大容量的方向发展，这对换流变

压器提出了更高绝缘水平和更大单台容量的双重要求。不断提高变压器外形尺寸可满足上

述2个要求，但是实际工程运输等限制要求设计人员在高电压、大容量和运输限制条件间

寻找合理的设计方案。

用于直流输电的超高压换流变压器阀侧绕组，除承受一般交流变压器的交流电压和冲币电

压外，还要承受叠加的直流电压作用。±800kV直流输电高端800kV变压器阀侧对地直流

电压为±800kV,此处换流变压器的结构最复杂，研制也最困难。设计800kV换流变压器

要认真进行交直流电场分析、主纵绝缘结构确定、绕组散热特性研究、直流偏磁的控制与

影响分析、漏磁场分布分析、动热稳定与可靠性分析，并在设计中注意防止油流带电现象。

目前世界上单台容量最大的换流变压器是银东±660kV输电系统的换流变压器。该系统额

定输送容量为4GW,由于采用单12脉动接线方式，单台换流变容量达到403MVA,该技术指

标超过了±800kV复奉系统单台换流变容量，而实际上560kV处的Y/Y换流变压器的雷电

过电压和操作冲击过电压要求水平接近800kV换流变压器。考虑运输条件限制情况

下,660kV换流变压器设计方案采用了单相三柱带旁柱的结构。网侧引线、调压引线及有

载调压开关均采用外置方式,油箱采用特殊加强方式。换流变压器本体运输采用侧承载方

式。换流变压器采用粗细调的调压方式,从而使调压线圈的最大合成电流较正反调降低约

20%,有效降低了调压引线合成电流,进而也大大降低了最小分接头时的损耗。

5光电式电流传感技术

为克服传统电磁式互感器的一些固有缺点(如带宽窄、磁饱和、质量大、次级开路高压等)，

光电式电流互感器(currenttransformer,CT)近年来在直流输电工程中得到了广泛应用。

光电式CT根据原理主要有以下几种：

1知识产权罪感计算模式分析测量电流

有源型即借助Rogowski线圈采样交变电流。罗氏线圈为空心环形线圈，可以直接套在被测

量的导体上。导体中流过的电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈口感

应出一个与中心电流成比例的交流电压信号。基于罗氏线圈测量电流的原理见参考文献。

利用罗氏线圈构成的直流光CT原理如图4所示,其主要由罗氏线圈、阻性并联元件、光电

转换/数据处理装置、供能光纤和数据光纤组成,整个闭环中还包括光纤低压端的数据传输

板卡。通过高精度的阻性并联元件可获得与流过线路直流及低频分量成正比的电压信号。

利用罗氏线圈可以得到与电流暂态变化量成正比的电压分量信号，上述2个电压分量信号

经数据处理和光电转换后由数据光纤输出。供能光纤为处于高电位的光电转换/数据处理

模块提供能量。

2电流调制法

同光程原理是由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，在传光光纤口传

输的是互为垂直的2束线偏振光。通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光,

即左旋偏振光和右旋偏振光。圆偏振光在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用

下，各自旋转了不同角度。两束光在光纤末端被反射镜反射,根据反射定律,其旋转方向将

发生交换,即左旋偏振光变为右旋偏振光,右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的2束光在电

流作用下，偏振角再次发生旋转,再经波片后变为互相垂直的2束线偏振光,但其原来的偏

振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光返程时方向变为y,反之亦然。经过电流调

制的两束光状态与从起偏器出发时变为不一致，其在起偏器中产生干涉,根据偏振干涉原理,

即可获得被测电流的大小和相位。

同光程测量原理如图5所示。

3基于旋转光程原理的ct

旋光效应是指一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第磁光材料后，若磁场方向与光的传

播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转。电流信号产生的磁场信号对偏振光

波的偏振面进行调制,通过检测出偏振角，即可测得磁场强度,进而根据安培环路定律,由磁

场强度推导所测电流的大小及相位。

有源型光电CT在直流输电系统中已大量采用，多安装于直流极母线、换流桥出线、滤波器

组等处。但从使用经验上看，该类CT远端模块故障率较高、高压侧电子板卡维护困难且寿

命有限。采用旋光效应的沌光CT难以克服现场震动对测量精度的影响,其实用性有待进一

步检验。采用同光,程原理的纯光CT具有良好的绝缘特性、抗震性、优越的相角精度，无饱

和效应，已在国内外交流系统中有应用实例。实际上在±800kV锦屏一苏南直流输电系统

中已采用了光干涉原理的纯光CT,该项技术值得更深入的研究推广。420kV断路器一体化

安装的同光程原理纯光CT如图6所示。

6软件流程控制

控制保护系统是直流输电的核心,直到20世纪80年代,控制保护部分还是基于模拟电路技

术实现。计算机技术的发展使软件程序化控制成为可能J980年巴拉圭和巴西联网的

Acaray背靠背工程最先使用了西门子公司开发的STMATTCS5-110A系统硬件，实现了直流控

制保护系统计算机软件程控。计算机技术发展日新月异，控制保护主机中CPU的运算处理

能力不断增强，外围I/O板卡的硬件水平也不断增强。直流控制保护硬件的发展趋势主要

有：

1嵌入式技术路线

平台化的硬件设计(包括控制保护主机及外围I/O板卡)可以稳定硬件质量、保证持续改进、

减少维护复杂度、增强系统可靠性、提高系统经济性。同时.，平台化的硬件检修替换方便，

便于硬件备品的储存管理,这对于现场运行非常重要。

平台化的硬件系统可分为嵌入式技术路线(西门子的SIMADYN、WINTDC,南瑞继保PCS-9550)

和工控机技术路线(ABB的MACH2,DCC800,南瑞继保PCS-9500)2类。

嵌入式技术路线的特点在硬件上主要体现在各部分都集成在若干主板上,对震动、灰尘多

等恶劣环境的适应能力要好;在软件上主要体现在其嵌入式操作系统与外围系统完整地结

合在一起，不易受到额外的因素影响，如操作系统的自身不稳定性和冗余的附带功能所引起

的不良因素。

工控机技术路线各外围板块都是通过PCI总线由插卡式连结在一起,对于恶劣环境的适应

能力不够好,这是PC机的一个通病，但随着硬件技术的不断发展,该问题已有了很大改进。

64位精简指令集计算机(reducedinstructionsetconputcr,RISC)在工业中的应用逐渐

成熟，不依靠数字信号处理器(digitalsignalprocess”,DSP)就能够实现高速实时浮点

运算，基于该技术研制的直流输电控制保护设备具有计算速度高、响应时间短、外围总线

接口方便、电磁兼容性好、无旋转散热设备等优势,是未来控保设备发展的可取方向。

2模块化软件设计

直流输电控制保护程序逻辑复杂，为了方便程序开发和阅读,主流的直流控制保护设备厂家

均采用了模块化软件设计理念,如ABB技术路线的Hidraw,西门子技术路线的StrucG等。

开发模块化、图形化的开发环境,将复杂的代码编写转变为图形化功能块的拖放,大大提高

了效率，也降低了一线运维人员了解软件的难度。

3现场总线在处理器中的应用

直流控制保护设备通信速度不断提高:现代直流控制保护系统普遍采用成熟的现场总线技

术，具有良好的系统开放性、互操作性、抗干扰性，方便实现现场设备的智能化与功能自治

性,通用的技术标准方便在各种环境及不同传输介质中的应用，如ABB技术路线采用的

CAN(controllerareanetwork)>时分多路复用(timedivisionmultiplex,TDM)总

线,Siemens技术路线采用的Profibus总线均具有上述优点。现场总线的发展与计算处理

器的发展水平相关,随着主处理器计算水平的提高,类似总线缓冲、总线分离等处理方式均

可以摒弃。如西门子Win-TDC采用的符合VMEbus标准的64位总线，总线速度大幅提高,不

再有L-bus和C-bus的X别，也不再需要专用的缓冲通信模板和高速I/O模块，由此而来

的系统简化势必将提高控制保护系统的运行可靠性。

4直流保护出口采用三取二策略

为了进一步提高直流输电保护系统动作的选择性，常规直流站保护出口前切换系统的拒动

概率比特高压要大。特高压直流保护出口采用三取二策略,3套保护都运行时,能很好地防

止误动和拒动。当有1套保护退出运行时，三取二逻辑和之前的二取一逻辑相似。实际上

为了进一步提高非电量保护动作可靠性,完全独立的3个跳闸回路被证明是有意义的。

7智能电网的发展方向

随着跨区特高压交直流输电工程建设力度的加大，跨区输电容量与运行维护人员数量无断

增加。有必要以智能化为基础，以集控化为手段,实现多个换流站的集约化管理和智能化控