IEC 62751-22014+AMD12019+AMD22023 CSV 高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀中的功率损耗.第2部分模块化多电平换流器标准立项发展报告

高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀中的功率损耗第2部分：模块化多电平换流器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PowerLossesinVoltageSourcedConverter(VSC)ValvesforHigh-VoltageDirectCurrent(HVDC)Systems-Part2:ModularMultilevelConverters摘要随着全球能源转型进程加速和新型电力系统建设的深入推进，高压直流（HVDC）输电技术在大规模可再生能源并网、远距离电力输送及电网互联等领域发挥着日益关键的作用。电压源换流器（VSC）作为HVDC系统的核心装备，其功率损耗的精确计算与评估直接关系到换流站的效率优化、散热系统设计、设备选型及经济运行。本报告围绕国际电工委员会（IEC）发布的IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV标准展开系统研究，该标准专门针对模块化多电平换流器（MMC）的功率损耗计算方法进行了全面规范。报告从标准编制背景、技术内容框架、关键计算方法、修订演进历程及应用价值等多个维度进行深入分析，并结合当前行业发展趋势，对该标准在推动我国高压直流装备技术升级和标准国际化方面的重要意义进行了探讨。研究表明，该标准的实施为VSC阀功率损耗的量化评估提供了统一的技术依据，对提升换流站设计水平、优化系统运行效率以及促进高压直流技术在全球范围内的规范化应用具有重要的指导意义。关键词：高压直流输电；电压源换流器；模块化多电平换流器；功率损耗；IEC标准；换流阀Keywords:HVDCtransmission;Voltagesourcedconverter;Modularmultilevelconverter;Powerlosses;IECstandard;Convertervalve1引言1.1研究背景在全球应对气候变化、推动能源结构绿色低碳转型的大背景下，以风电、太阳能发电为代表的可再生能源装机容量持续快速增长。然而，可再生能源发电具有显著的间歇性和波动性特征，且大型能源基地往往远离负荷中心，这对电力输送技术提出了更高要求。高压直流（HVDC）输电技术凭借其传输容量大、输送距离远、线路损耗低、控制灵活等优势，已成为跨区域电力输送和电网互联的关键技术手段。在HVDC技术体系中，电压源换流器（VSC）以其独立调节有功和无功功率、无需外部换相电压、可向无源网络供电等突出优点，近年来在柔性直流输电领域得到广泛应用。特别是在海上风电送出、城市电网增容改造、孤岛供电等场景中，基于VSC的柔性直流输电技术展现出不可替代的技术优势。模块化多电平换流器（MMC）作为目前VSC-HVDC系统中应用最为广泛的换流器拓扑结构，通过将大量子模块（Sub-Module，SM）级联形成多电平输出，有效降低了开关器件的电压应力和开关频率，显著改善了输出电压波形质量。然而，MMC中包含数量庞大的功率半导体器件和电容元件，其功率损耗的精确计算较传统两电平或三电平换流器更为复杂，需要在计及各子模块运行状态差异、调制策略、器件开关特性等多重因素的基础上进行系统评估。1.2标准立项的必要性功率损耗是衡量换流器性能优劣的核心指标之一，直接影响换流站的电气设计、散热系统配置、设备选型以及全寿命周期运行成本。在MMC阀的工程设计和运行评估中，精确的功率损耗计算至关重要——过低的损耗估算可能导致散热容量不足，影响设备运行可靠性与寿命；过高的损耗估算则会造成设备容量冗余和投资浪费。然而，在IEC62751-2标准发布之前，国际上缺乏针对MMC阀功率损耗计算的统一技术标准，各制造商和研究机构采用的损耗计算方法、假设条件和参数选取存在较大差异，导致损耗评估结果缺乏可比性，给工程设计、招标采购和技术审查带来诸多不便。因此，制定统一的MMC阀功率损耗计算标准，具有迫切的行业需求和重要的工程应用价值。1.3标准的适用范围与地位IEC62751-2是IEC62751系列标准的重要组成部分。该系列标准由国际电工委员会高压直流输电技术委员会（IECTC22/SC22F）归口管理。第1部分（IEC62751-1）规定了VSC阀功率损耗计算的一般性通用要求，而第2部分则专门针对模块化多电平换流器这一特定拓扑类型，给出了详细的损耗计算方法和技术规范。两者互为补充，共同构成完整的VSC阀功率损耗计算标准体系。2标准编制背景与修订历程2.1标准编制背景IEC62751-2标准的编制工作源于高压直流输电技术快速发展对标准化的迫切需求。随着VSC-HVDC技术从早期的两电平、三电平拓扑向MMC拓扑演进，换流阀的结构复杂度和损耗计算难度显著提升。IECTC22/SC22F（高压直流输电系统技术委员会）充分认识到这一技术趋势，于2010年前后启动了关于VSC阀功率损耗计算标准的制定计划。标准编制过程中，来自中国、欧洲、日本、北美等主要高压直流装备制造强国和科研机构的技术专家积极参与，经过多轮技术研讨和草案修订，最终于2014年正式发布IEC62751-2:2014首版。该首版标准系统性地确立了基于物理机理的MMC阀损耗计算方法框架，涵盖了导通损耗、开关损耗、电容损耗等主要损耗分量的计算模型。2.2标准修订历程2.2.1第一次修订（AMD1:2019）随着MMC技术的不断发展和工程应用经验的持续积累，IEC62751-2:2014在实际应用中也暴露出一系列需要完善的问题，主要体现在：-原有损耗计算模型对新一代低损耗IGBT器件和IGCT器件的适配性有待提升；-对电容器损耗、均压电阻损耗等次要损耗分量的处理有待进一步细化；-对不对称运行工况和故障穿越状态下的损耗特性描述需要补充。基于上述背景，SC22F启动了第一次修订工作，于2019年发布了AMD1修订案，主要更新了功率半导体器件损耗特性参数的取值方法，补充了不同器件技术条件下的损耗计算修正因子，并对损耗计算的边界条件和验证方法进行了完善。2.2.2第二次修订（AMD2:2023）近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体器件在电力电子领域发展迅速，新一代器件在开关特性和导通特性方面较传统硅基器件有显著差异。同时，MMC技术本身也在持续演进，出现了全桥子模块（FBSM）、钳位双子模块（CDSM）等多种新型子模块拓扑。这些技术发展对损耗计算标准提出了新的要求。2023年发布的AMD2修订案重点围绕以下方面进行了更新：-引入了宽禁带半导体器件的损耗计算参数和模型修正方法，适应新型功率器件在MMC中的应用需求；-完善了不同类型子模块拓扑的损耗计算方法，增加了对FBSM、CDSM等新型子模块结构的计算指导和参数说明；-优化了损耗计算中调制策略和均压控制策略影响系数的选取方法；-更新了标准的规范性附录和资料性附录，增强了标准的可操作性和实用性。经过两次修订，IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV合并版于2023年8月28日正式发布，代表了当前MMC阀功率损耗计算领域的国际最高技术水平。3标准主要内容与技术框架3.1标准总体结构IEC62751-2标准在总体结构上遵循IEC标准编制规范，设置了以下主要章节：-范围（Scope）：明确规定标准的适用对象为HVDC系统中采用MMC拓扑的VSC阀功率损耗计算；-规范性引用文件：列出了标准编制过程中引用和参考的其他国际标准和技术文件；-术语和定义：统一了换流阀功率损耗计算相关的专业术语，包括导通损耗、开关损耗、调制比、子模块利用率等核心概念的精确定义；-符号和缩略语：给出了标准中所用各类数学符号、物理量单位及缩略语的含义说明；-损耗计算总则：概述了MMC阀功率损耗计算的基本原理、总体流程及重要假设条件；-各损耗分量计算方法：逐一规定了功率半导体器件导通损耗、开关损耗、电容器损耗、其他附加损耗等各损耗分量的具体计算公式和参数确定方法；-损耗汇总与报告要求：明确了各损耗分量的汇总方式、结果表述形式和损耗计算报告应包含的技术信息。3.2核心技术内容3.2.1损耗计算基础模型标准确立的MMC阀功率损耗计算遵循"器件级—阀级"的多层次计算方法。首先基于功率半导体器件的电气特性参数（通态压降特性、开关能量特性等）计算单个器件在特定运行工况下的损耗，然后考虑MMC阀中大量子模块的协同工作特性、均压控制策略的影响以及调制策略的特性，进行阀级总损耗的综合评估。在导通损耗计算中，标准采用基于器件输出特性的近似计算方法，将IGBT和二极管导通状态下的通态压降表示为导通电流的函数，并考虑到器件结温对通态特性的影响引入温度修正系数。在开关损耗计算中，标准基于器件开关过程的能量损耗特性数据，结合换流器开关频率和器件开关次数进行积分或累加计算。3.2.2调制策略与损耗的关联调制策略是影响MMC阀损耗的重要因素之一。标准考虑了最近电平逼近调制（NLM）和载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM）等主流MMC调制策略对损耗的影响，并针对不同调制策略规定了相应的修正系数和计算方法。同时，标准还考虑了环流抑制策略、子模块均压控制算法等控制环节对功率器件电流分布和开关行为的影响，提供了相应的近似处理方法和误差控制建议。3.2.3不同运行工况的损耗评估标准不仅给出了额定工况下的损耗计算方法，还涵盖了部分负荷工况、过负荷工况、无功功率调节工况以及故障穿越等特殊运行工况下的损耗修正计算方法。这对于评估换流站在实际运行中损耗的动态变化特性、优化运行策略和提升全寿命周期能效具有重要意义。3.3标准的关键技术特点IEC62751-2标准在技术内容上体现了以下显著特点：-物理机理清晰：损耗计算基于功率半导体器件的物理特性，从器件工作原理出发建立计算模型，计算结果具有明确的技术依据；-结构层次完整：建立了从器件到阀模块再到完整换流阀的系统化损耗计算框架，适应MMC分层模块化的结构特征；-适用性强：兼顾了不同电压等级、不同容量等级以及不同子模块拓扑结构的MMC阀损耗计算需求，为各类工程应用场景提供了统一的计算准则；-持续演进：通过两次修订及时跟踪和融入新技术发展成果，保持了标准的技术先进性和行业指导价值。4主要参编单位4.1国家电网有限公司国家电网有限公司（StateGridCorporationofChina）是本标准制定和修订工作的重要参与单位之一。作为全球最大的公用事业企业之一，国家电网在特高压直流输电和柔性直流输电领域拥有深厚的技术积累和丰富的工程实践经验。参与本标准的制定和修订工作的主要研究和工程机构包括：全球能源互联网研究院有限公司（GlobalEnergyInterconnectionResearchInstituteCo.,Ltd.）全球能源互联网研究院有限公司是IEC62751-2标准制修订的主要支撑单位之一。该研究机构作为国家电网公司下属的综合性科研机构，在直流输电技术、电力电子装备及系统仿真领域拥有国际领先的研究能力和试验条件。研究院长期参与IECTC22/SC22F的国际标准制定工作，在VSC-HVDC换流阀损耗机理研究、功率器件特性测试和换流器多物理场耦合仿真分析等方面积累了系统性成果。在IEC62751-2标准编制过程中，该院研究团队基于国内舟山柔性直流输电工程、厦门柔性直流输电工程、张北可再生能源柔性直流电网示范工程等多个重大工程的实际数据，开展了系统的MMC阀损耗实测验证工作。研究团队通过对不同电压等级、不同子模块拓扑的换流阀损耗进行大规模测试分析，为标准中损耗计算模型的验证和修正因子的确定提供了关键的试验支撑。同时，团队在宽禁带功率器件特性建模方面取得的研究成果，也为2023年AMD2修订案中新一代功率器件损耗计算内容的补充提供了重要技术输入。此外，该研究机构还积极承担了标准技术内容的试验验证、误差分析和典型工况计算案例验证工作，协调国内多家设备制造企业开展标准适应性验证，确保标准的技术要求符合工程实际，为我国在IEC标准制定中争取话语权和主导权提供了坚实的技术保障。4.2其他主要参与力量本标准的制定和修订还凝聚了国内外多方面的技术力量，包括：-西安西电电力系统有限公司等国内换流阀制造企业，从装备制造和工程应用角度为标准提供了大量实测数据和工程经验，特别是在阀损耗的试验验证方法建立方面贡献了重要力量。-南方电网科学研究院有限责任公司，在柔直换流器运行特性研究和损耗实测技术方面为标准的技术验证提供了有力支持。-国际同行专家：来自瑞典ABB、德国西门子能源等国际知名企业的技术专家深度参与了标准的技术讨论和修订工作，其丰富的工程经验和行业视野为标准质量的提升提供了重要支撑。5标准实施意义与应用前景5.1推动行业技术进步IEC62751-2标准的发布和实施，为VSC阀功率损耗计算提供了全球统一的规范性技术准则。标准的应用将推动以下方面取得积极进展：-提升损耗计算结果的准确性和可比性，为不同制造商、不同技术路线产品之间的技术比较和性能评估提供公正的基准；-促进换流阀优化设计，推动低损耗器件的应用和拓扑结构的持续创新；-为换流站散热系统设计、设备容量选择、运行方式优化提供更加科学的技术依据。5.2支撑我国高压直流技术“走出去”战略作为IEC归口的国际标准，IEC62751-2为全球高压直流输电领域的通用技术语言。我国在柔性直流输电领域已建成多个具有世界领先水平的重大工程，包括张北柔性直流电网示范工程（±500kV）、昆柳龙直流工程（±800kV）等，积累了丰富的工程经验和运行数据。深度参与并积极应用IEC62751-2标准，有助于将我国在MMC阀设计制造、损耗优化和工程应用方面的领先实践经验上升为国际标准，增强我国在全球直流输电技术领域的影响力和话语权，带动我国高端电力装备走向国际市场。5.3标准应用前景展望随着全球能源互联网建设的加快推进和新型电力系统的深入发展，HVDC技术将朝着更高电压等级、更大输送容量、更高效率的方向持续突破。未来，IEC62751-2标准预计将在以下方向持续完善和拓展：-新型功率器件适配：随着SiCMOSFET等宽禁带器件在高压大容量场景下的应用逐步成熟，标准需要持续更新适配新一代器件的损耗计算模型和参数库；-新型拓扑拓展：随着混合型MMC、模块化多电平矩阵变换器等新型拓扑的工程化推进，标准的适用范围需要进一步拓展；-数字化协同发展：结合数字孪生、人工智能等新兴技术，实现换流阀损耗的实时在线评估和寿命预测，是标准未来可能延伸的重要方向。6结论IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV作为国际电工委员会发布的关于HVDC系统用VSC阀功率损耗计算的核心标准，经过十年左右的发展与两次系统修订，已形成了一套较为完整的技术规范和计算方法体系。该标准精准聚焦模块化多电平换流器的损耗评估需求，兼顾了物理机理的严谨性与工程应用的实用性，为全球范围内MMC阀的损耗计算、性能评估和优化设计提供了统一的技术基准。通过本标准的实施，换流阀制造商能够在设计阶段更加精确地预测设备损耗特性，系统集成商和电网运营企业能够更科学地进行设备选型、散热系统配置和运行策略优化，从而共同推动高压直流输电系统整体效率的提升。展望未来，面向更高电压等级、更大容量、更高效率的直流输电技术发展需求，以及新型功率器件和新颖拓扑结构的持续涌现，IEC62751-2标准仍将面临持续更新和完善的客观需求。我国相关科研机构、制造企业和标准化组织应继续深度参与该标准的后续修订工作，在贡献中国经验和工程智慧的同时，积极推动我国自主创新成果向国际标准的转化，为全球高压直流输电技术进步和能源绿色低碳转型做出更大贡献。参考文献[1]IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV,Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultil