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

修改件2.高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失第2部分：模块化多电平换流器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Amendment2-PowerLossesinVoltageSourcedConverter(VSC)ValvesforHigh-VoltageDirectCurrent(HVDC)Systems-Part2:ModularMultilevelConverters摘要随着全球能源转型战略的深入推进，高压直流（HVDC）输电技术作为远距离、大容量电能传输的核心手段，其效率优化与损耗评估日益受到行业高度关注。模块化多电平换流器（MMC）凭借其模块化结构、优良的谐波特性和可扩展性，已成为新一代电压源换流器（VSC）的主流拓扑。国际电工委员会（IEC）于2023年8月正式发布IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件，针对MMC阀的功率损失计算方法进行系统性修订与完善。本报告全面梳理该标准的立项背景、修订历程、核心技术内容与应用价值，详细分析了修改件相对于前版在损耗计算模型精度、半导体器件特性建模、控制策略影响量化等方面的技术突破，介绍了主要参与单位的标准化工作贡献，并对该标准在未来新型电力系统建设中的深化应用前景进行了展望。本报告旨在为电力行业工程技术人员、科研工作者及标准化管理人员提供系统性的技术参考与决策支持。关键词高压直流输电；电压源换流器；模块化多电平换流器；功率损失；IEC标准；标准化；换流阀；损耗评估Keywords:HVDCtransmission;Voltagesourcedconverter;Modularmultilevelconverter;Powerlosses;IECstandard;Standardization;Convertervalve;Lossevaluation1引言1.1研究背景全球应对气候变化与实现"双碳"目标的紧迫需求，正深刻推动以新能源为主体的新型电力系统建设。风电、光伏等可再生能源的大规模开发与远距离消纳，迫切需要高效、可靠的输电技术支撑。高压直流（HVDC）输电技术凭借其在远距离、大容量传输方面的显著优势，已成为跨区域能源优化配置的关键基础设施。根据国际能源署（IEA）的预测，未来十年全球HVDC输电容量将以年均复合增长率超过8%的速度持续增长。在HVDC输电系统中，换流站作为交直流转换的核心枢纽，其功率损失直接影响系统整体输电效率与经济性。特别是随着电压源换流器（VSC）技术的快速发展，以模块化多电平换流器（MMC）为代表的新一代换流拓扑已在国内外多个重点工程中得到广泛应用，如我国张北柔性直流电网示范工程、乌东德—广东特高压多端柔性直流示范工程等。MMC阀的功率损失精确评估，对于换流站设计优化、设备选型、运行调度及经济性分析均具有至关重要的影响。1.2标准的战略意义电荒时期，IEC62751标准体系为VSC阀功率损失的计算与验证提供了统一的技术规范。IEC62751-2:2014针对模块化多电平换流器建立了功率损失的计算框架，然而，随着MMC技术的持续演进——包括子模块拓扑创新（半桥、全桥及混合型）、新型功率半导体器件（如碳化硅MOSFET、增强型IGBT）的工程应用、以及先进调制与控制策略的不断涌现——原标准的部分假设条件与技术参数已难以完全适应最新技术发展需求。IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件的发布，正是对这一技术差距的及时响应，标志着MMC阀功率损失评估标准化工作进入新阶段。2标准概况2.1标准基本信息-标准编号：IEC62751-2:2014/AMD2:2023-中文名称：修改件2.高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失第2部分：模块化多电平换流器-英文名称：Amendment2-Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultilevelconverters-标准状态：现行-发布机构：国际电工委员会（IEC）-发布日期：2023年8月28日-国别：国际组织-语言：英语+法语-ICS分类号：其他有关输电网和配电网的设备（对应ICS29.240.99）2.2标准体系架构IEC62751标准体系由以下部分构成：-IEC62751-1：功率损失计算的一般要求与通用方法，确立了VSC阀功率损失评估的总体框架；-IEC62751-2：针对模块化多电平换流器的专项功率损失计算规范，详细规定MMC拓扑架构下的损耗建模方法、参数定义与验证流程。IEC62751-2:2014/AMD2:2023作为第2部分的最新修改件，在不改变原标准整体架构的前提下，对各关键技术条款进行了精准修订与必要补充，保持了标准体系的完整性与延续性。2.3主要修订方向本次修改件围绕以下核心技术方向展开修订：1.损耗计算模型精度提升：精细化半导体器件开关过程建模，优化通态损耗与开关损耗的计算精度；2.新型器件特性适配：纳入宽禁带半导体器件（如SiCMOSFET）的损耗特性参数，拓展标准适用范围；3.控制策略影响量化：引入对先进调制策略（如最近电平逼近NLM、载波移相PWM等）损耗影响的定量评估方法；4.运行工况扩展：补充有功/无功功率变化、交流系统电压波动等复杂运行工况下的损耗计算方法。3修订内容分析3.1开关器件损耗模型精细化IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及二极管（Diode）的损耗建模进行了系统性优化。原标准基于器件数据手册的简化损耗系数法对于高频调制工况下可能产生较大偏差，修改件引入了以下改进措施：第一，建立了更为精确的开关能量损耗插值方法。考虑直流母线电压、结温、门极电阻及电流变化率等因素的交叉影响，采用多维线性插值或多维查找表方法，显著提高了不同运行工况下的损耗计算准确性。第二，改进了通态压降的温度修正模型。新模型能够更为准确地反映IGBT和二极管在不同结温条件下的通态特性变化，特别是对于大电流工况下通态压降的非线性行为进行了精细化修正。第三，补充了关断拖尾电流损耗的等效计算方法，在高电压大功率场景下，这一部分损耗对总损耗评估的影响不可忽略。3.2子模块拓扑扩展随着MMC技术的快速发展，除传统的半桥子模块（HBSM）外，全桥子模块（FBSM）、钳位双子模块（CDSM）、串联双子模块（SDSM）等多种拓扑结构已在工程实践中得到应用。特别是在直流故障穿越场景下，具备负电平输出能力的全桥型及混合型MMC技术优势突出。IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件在原有基础上，系统性地扩展了对不同类型子模块拓扑功率损失计算的技术说明与计算指导。修改件对于各种子模块拓扑的损耗计算，明确了以下核心要点：子模块电容电压波动的损耗影响修正系数、旁路开关（BypassSwitch）在不同工作模式下的附加损耗计算方法，以及不同类型子模块组合（混合型MMC）的损耗分配策略。这些补充规定为工程设计人员提供了清晰的技术指引，使不同拓扑方案之间的损耗对比更加科学、公平，有效支撑了直流断路器需求评估与换流器拓扑优选等工程决策。3.3运行工况覆盖扩展IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件显著扩展了功率损失计算的运行工况覆盖范围。原标准主要针对额定工况下的损耗评估，而修改件补充了以下重要工况的损耗计算方法：1.部分负荷工况：建立了从空载到额定功率全范围内的损耗计算指引，涵盖有功功率调节、无功功率支撑等不同运行模式；2.交流系统扰动工况：包括交流电压不平衡、暂态电压跌落等异常条件下的损耗修正评估方法；3.直流电压波动工况：针对直流输电系统电压调节范围内（通常为额定电压的±10%）的损耗变化计算方法。这些工况扩展使标准的适用范围从设备设计验证延伸至系统运行优化，为换流站全生命周期损耗管理提供了技术基础。3.4附录与技术资料更新修改件对标准附录进行了全面审查与更新，增加了部分典型子模块拓扑的损耗计算示例，为工程应用提供了直观的操作参考。修正了原标准中若干计算系数和修正因子的数值范围，使其更符合当前主流功率半导体器件的实际特性。同时，更新了相关参考文献与标准引用，保证了标准体系内部的协调一致性。4主要参与单位介绍国际电工委员会第22技术委员会（IEC/TC22"电力电子系统和设备"）及其下属SC22F分技术委员会（输配电系统电力电子设备）负责IEC62751标准体系的制修订工作。其中，SC22F/WG6工作组具体承担VSC阀功率损失计算相关标准的制定与维护任务。在IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件的编制过程中，来自世界各国的电力行业核心机构深度参与并作出了重要贡献。以下重点介绍在该标准修订中发挥突出作用的全球能源互联网研究院有限公司（GlobalEnergyInterconnectionResearchInstituteCo.,Ltd.，GEIRI）。全球能源互联网研究院有限公司是国家电网有限公司直属的科研机构，作为我国电力电子装备技术研究的核心力量，长期致力于高压直流输电关键技术攻关与标准研制。在IEC62751-2修改件编制过程中，GEIRI专家团队发挥了关键性作用，具体贡献包括：技术研究与试验验证方面，GEIRI依托国家重点实验室和有源电网重点实验室，建成了国际领先的MMC阀功率损失试验验证平台。该平台具备10kV/10MW级换流阀损耗实测能力，能够对不同拓扑结构、不同器件配置的MMC阀进行高精度功率损失测量。基于大量试验数据，GEIRI团队系统验证了原标准中损耗计算模型在高压大容量场景下的适用性与偏差范围，为修改件中计算模型的优化提供了详实的实验依据。标准提案与技术支持方面，GEIRI牵头提出了多项修改提案，涵盖子模块损耗精细化建模方法、新型功率器件损耗特性纳入机制、复杂运行工况下的损耗计算流程等核心技术议题。特别是在MMC阀损耗计算中"控制策略影响量化方法"这一关键难点上，GEIRI团队提出的"基于时域仿真与解析计算混合驱动"的技术方案获得了国际专家的广泛认可，为修改件相应技术条款的形成提供了核心支撑。国际协调与推广方面，GEIRI作为IEC/TC22/SC22F的国内技术归口单位的重要支撑力量，联合国内高校、设备制造企业及电网运行企业，组织多轮技术研讨与意见征集，在国际标准制定中充分反映了我国在柔性直流输电领域积累的丰富工程经验与技术成果。同时，GEIRI积极推动该标准在我国的转化应用，支撑了GB/T相关国家标准的制修订工作，有效促进了自主创新技术与国际标准的有机融合。除GEIRI外，ABB（瑞士）、西门子能源（德国）、东京电力（日本）等国际知名企业与研究机构也在标准修订过程中贡献了重要的技术力量，共同推动了该修改件的顺利完成。5标准应用价值与影响5.1对设备制造业的技术引领IEC62751-2:2014/AMD2:2023为MMC阀的研发设计与制造提供了一套精确、可靠的损耗评估工具。对于换流阀制造商而言，该标准在以下方面发挥着重要的技术引领作用：在换流阀设计优化中，设计人员可通过标准的损耗计算方法，对不同器件选型方案、子模块拓扑结构、调制策略参数进行定量的损耗对比分析，从而在设备设计阶段实现效率最优化。在散热系统设计中，精确的损耗数据是散热器选型、冷却系统容量设计及阀厅空调配置的核心设计输入，该标准提供的高精度损耗计算方法直接支撑了散热系统的可靠性设计。此外，标准提供了统一的损耗评估与验证方法，使各制造商之间的产品性能比较具有公平、透明的技术基础，有效促进了行业技术竞争与进步。5.2对工程建设的支撑作用在HVDC输电工程的规划设计与建设实施中，IEC62751-2:2014/AMD2:2023提供了不可或缺的技术支撑：在换流站效率评估方面，换流站损耗是输电工程可行性研究与设计方案比选的关键经济指标之一，标准化的损耗计算方法保障了不同方案之间的可比性，为投资决策提供可靠依据。在工程招投标中，标准为业主方提供了统一的技术评判尺度，可在招标技术规范中引用该标准，明确投标方需按标准方法提交损耗计算报告，有效规避了因计算方法不一致导致的技术争议，确保了评标工作的科学性。在系统调度运行优化方面，基于标准方法构建的损耗评估模型可用于不同运行方式下的损耗预测与运行方案优化，特别是对于多端柔性直流电网，通过精准的损耗评估支撑最优潮流分配与运行经济性提升。5.3对新型电力系统建设的长远影响当前，我国正在加快构建以新能源为主体的新型电力系统，柔性直流输电技术作为支撑新能源大规模接入和远距离输送的关键技术，其应用规模将持续扩大。IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件的实施，对于新型电力系统建设具有深远影响：在促进新能源高效消纳方面，随着海上风电的大规模开发，柔性直流输电成为远海风电送出的主流技术方案之一，精准的损耗评估直接关系到海上换流平台的方案优化与经济性分析。在支撑电网数字化智能化转型方面，基于高精度损耗模型构建的数字孪生系统，可有效支撑换流站损耗状态在线监测与运行优化，标准提供的规范化损耗计算框架为这一技术路线的实施奠定了坚实基础。在提升设备全寿命周期管理水平方面，通过标准化的损耗评估方法，可更为准确地评估换流阀设备的老化进程与状态演化规律，为设备运维策略优化与寿命预测提供技术支撑。6结论与展望IEC62751-2:2014/AMD2:2023修改件的发布，是国际电工委员会顺应高压直流输电技术