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战略的深入推进，高压直流输电技术凭借其在远距离、大容量电能传输及新能源并网领域的显著优势，已成为现代电力系统不可或缺的核心技术之一。模块化多电平换流器作为电压源换流器家族中最具代表性的拓扑结构，近年来在国内外高压直流输电工程中获得了广泛应用。准确计算与评估换流器阀的功率损耗，对于换流站设备选型、冷却系统设计、运行效率优化及经济性评价具有至关重要的意义。本标准立项发展报告以国际电工委员会发布的IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV标准为研究对象，系统梳理了该标准的技术背景、发展历程、核心内容及修订要点，深入分析了模块化多电平换流器功率损耗计算的关键技术方法，并结合当前高压直流输电技术发展趋势，对该标准的应用前景与未来演进方向进行了展望。报告指出，该标准为模块化多电平换流器阀的功率损耗计算提供了统一、规范的技术框架，其持续修订有效回应了技术进步与工程实践的双重需求，对促进高压直流输电装备的标准化设计与高效运行具有重要的指导价值。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、光伏为代表的可再生能源装机容量持续快速增长。然而，新能源资源禀赋与负荷中心的地理分布往往存在显著不均衡性，跨区域、跨国家的大规模电力输送需求日益迫切。高压直流输电技术以其传输容量大、输送距离远、线路损耗低、控制灵活等优势，成为解决这一矛盾的关键技术路径。在高压直流输电系统的技术演进历程中，换流器拓扑结构经历了从电网换相换流器到电压源换流器的深刻变革。模块化多电平换流器作为电压源换流器的代表性拓扑，由德国学者R.Marquardt于2001年率先提出，其核心思想是将大量结构相同的子模块级联构成换流阀，通过子模块的投切控制实现高压侧电压的多电平逼近。相较于传统的两电平或三电平电压源换流器，模块化多电平换流器具有输出波形质量高、开关频率低、损耗小、模块化程度高、扩展性强等显著优点，已逐步成为新一代高压直流输电工程的主流技术方案。1.2功率损耗问题的提出换流器阀作为高压直流输电系统中实现电能变换的核心装备，其功率损耗特性直接影响着整个换流站的运行效率与经济性。在模块化多电平换流器中，功率损耗主要来源于功率半导体器件的导通损耗、开关损耗以及电容器、电抗器等无源元件的寄生损耗等。准确量化这些损耗，不仅关系到换流器阀本体及冷却系统的热设计，还直接影响到换流站整体损耗的评估、输电电价的核算以及系统运行方式的优化。然而，在IEC62751-2标准发布之前，不同制造商和科研机构在模块化多电平换流器阀功率损耗的计算方法上缺乏统一的技术规范，各方的计算模型、假设条件、参数取值和表达方式存在较大差异，导致损耗计算结果缺乏可比性和公信力，给工程招投标、方案比选和技术审查带来了诸多困扰。在此背景下，制定一项权威、统一的国际标准成为产业界的共同呼声。2标准概述与技术背景2.1标准基本信息IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV是由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）发布的一项现行有效的国际标准。该标准的完整名称为《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》（Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultilevelconverters）。该标准归属于IEC/TC22（电力电子系统与设备技术委员会）下属的SC22F（输配电系统电力电子设备分技术委员会）归口管理。标准分类号为"其他有关输电网和配电网的设备"，采用英语和法语双语出版，为电子版加密PDF格式。2.2标准体系架构IEC62751系列标准专注于电压源换流器阀功率损耗的测定方法。其中，第1部分（IEC62751-1）规定了功率损耗计算的一般要求，包括定义、符号、参考条件、测量方法等通用性内容；第2部分（IEC62751-2）则针对模块化多电平换流器的特殊拓扑结构，提出了具体适用的损耗计算方法和细化规则。两部分标准相互配合，共同构成完整的电压源换流器阀功率损耗标准体系。2.3标准版本演进本标准经历了三个重要的发展阶段：-IEC62751-2:2014（第一版）：2014年10月正式发布，首次确立了模块化多电平换流器阀功率损耗计算的规范化框架。-AMD1:2019（修订1）：2019年发布，主要针对功率半导体器件技术参数更新和计算方法的细化完善。-AMD2:2023（修订2）：2023年发布，重点纳入了宽禁带半导体器件等新技术发展成果，对换流器在不同运行工况下的损耗计算进行了进一步修正和补充。2023年发布的合并版（CSV）将以上版本内容统一整合，为使用者提供了完整的现行有效版本。3标准核心内容分析3.1适用范围与基本框架IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV标准适用于高压直流输电系统中采用模块化多电平拓扑结构的电压源换流器阀的功率损耗计算。该标准在IEC62751-1通用要求的基础上，针对模块化多电平换流器的结构特征，给出了功率损耗计算的详细方法和具体步骤。3.2功率损耗组成分析标准系统地将模块化多电平换流器阀的功率损耗进行了科学分类，主要涵盖以下几个方面：（一）功率半导体器件损耗：包括绝缘栅双极型晶体管和二极管在导通状态下的导通损耗，以及在开关过程中产生的开通损耗和关断损耗。这部分损耗是模块化多电平换流器阀功率损耗的主体，其准确计算需要依赖器件的详细技术参数和应用工况条件。（二）子模块电容损耗：子模块直流支撑电容器在充放电过程中的等效串联电阻引起的损耗，以及电容器介质的极化损耗等。（三）均压与辅助电路损耗：子模块均压电阻、驱动电路、保护电路等辅助回路在运行过程中产生的功率损耗。（四）连接与结构损耗：母排、连接排、接触电阻等导电回路产生的欧姆损耗。3.3计算方法与关键参数标准详细规定了各组成部分损耗的计算公式与参数选取方法，并给出了以下关键要求：参考运行条件：标准定义了计算功率损耗的统一参考条件，包括额定直流电压、额定传输功率、规定环境温度、规定的调制方式及开关频率等，确保不同计算结果的横向可比性。器件的开关频率：模块化多电平换流器通常采用最近电平逼近调制或载波移相正弦脉宽调制等调制策略，不同调制方式下器件等效开关频率存在较大差异，标准对此给出了明确的量化方法。损耗的修正与汇总：标准规定了将不同工况下计算得到的损耗分量按照规定的加权方法进行汇总，并在需要时给出损耗随功率、电压等参数变化的特性曲线。3.4修订要点解析2019年修订主要完善了以下内容：更新了功率半导体器件的建模方法，引入了更精确的器件损耗查表方法；细化了不同调制策略和运行模式下的损耗计算流程；增加了对换流器启动、停运等暂态工况下损耗计算的指导性条款。2023年修订的突出亮点：纳入了以碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管为代表的宽禁带功率半导体器件的损耗计算模型，适应了新型功率器件在高压直流输电领域逐步应用的技术趋势；进一步明确了不同无功功率运行工况（如静止同步补偿器模式）下的损耗计算方法；修正了部分计算公式和参数取值，勘误了前版中发现的若干问题。4主要编制单位介绍IEC62751-2标准的制定工作主要由IEC/SC22F（输配电系统电力电子设备分技术委员会）组织推进，汇聚了来自全球电力电子领域的顶尖专家和权威机构。（一）国际电工委员会输配电系统电力电子设备分技术委员会（IEC/SC22F）IEC/SC22F是负责制定输配电系统用电力电子设备国际标准的技术组织，其工作范围涵盖高压直流输电换流站设备、柔性交流输电装置、电力电子变压器等广泛领域。该分技术委员会汇聚了来自中国、德国、瑞士、瑞典、日本、美国等主要工业国家的标准化专家，与各大电力设备制造商、电网运营企业、科研机构和高等院校保持着密切的技术合作。中国作为IEC/SC22F的重要参与方，多年来积极选派专家参与标准的制定与修订工作。（二）中国参与单位——全球能源互联网研究院有限公司（国网智能电网研究院有限公司）作为中国国家电网公司在电力电子技术领域的重要科研力量，全球能源互联网研究院有限公司长期深度参与IEC/SC22F国际标准制定工作，是IEC62751-2标准的重要贡献单位之一。该研究院建有先进的大功率电力电子试验平台和换流阀运行特性仿真实验室，在柔性直流输电换流阀设计、功率损耗分析与验证、宽禁带器件应用等方面积累了丰富的理论研究成果和工程实践经验。研究院专家在标准修订过程中，积极贡献了中国在模块化多电平换流器工程设计与运行维护中积累的实测数据和经验反馈，推动了标准内容的持续完善。此外，中国南方电网科学研究院、西安高压电器研究院有限责任公司、西安交通大学、华北电力大学等单位也在标准制定和本土化应用中发挥了重要作用。5标准应用价值与工程意义5.1促进国际贸易与产业竞争力提升IEC62751-2作为国际通用的功率损耗计算标准，为全球范围内高压直流输电换流阀制造商和系统集成商提供了统一的技术语言和评价基准。制造商依据该标准计算的功率损耗数据进行产品性能宣称，具有国际公认的可信度和可比性，有利于消除贸易壁垒，促进国际市场的公平竞争。5.2支撑换流站系统设计与优化在换流站设计阶段，精确的功率损耗数据是冷却系统容量选择、建筑物通风设计、辅助供电系统配置等关键设计决策的重要输入参数。IEC62751-2标准的应用确保了各供应商提供的损耗数据具有一致的基准假设和计算方法，便于设计方对不同技术方案进行全面客观的技术经济比选。5.3服务电网运行与节能降耗换流阀功率损耗是决定高压直流输电系统整体输电效率的关键因素之一。依托该标准，电网运行人员可以更准确地掌握不同负荷水平和运行方式下的换流站损耗特性，进而优化系统运行策略，降低输电损耗，提升能源利用效率。5.4引领新型功率器件技术验证随着碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体器件的成熟，其在高压直流输电领域的应用前景受到广泛关注。2023年修订版纳入宽禁带器件损耗计算模型，为该类新兴技术在直流输电装备中的应用验证提供了标准化的评估工具，有助于加速新型功率器件的工程化应用进程。6结论与展望IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV标准作为当前国际上关于模块化多电平换流器阀功率损耗计算的权威性技术规范，经过近十年的持续修订和完善，已形成了一套科学、系统、可操作性强的技术方法体系。该标准不仅为换流阀制造商和换流站设计方提供了统一的计算框架与评价基准，也为高压直流输电技术的持续创新和工程应用提供了有力的标准化支撑。展望未来，随着高压直流输电技术向更高电压等级、更大传输容量、更高功率密度方向的持续突破，模块化多电平换流器阀的功率损耗计算将面临新的技术挑战。一方面，碳化硅、氮化镓等新型宽禁带功率器件的工程化应用将不断深入，其高频、高效特性对损耗计算模型提出了精细化、动态化的更高要求；另一方面，人工智能、数字孪生等新兴技术在电力装备状态评估和运行优化领域的应用日益广泛，功率损耗的在线评估与实时预测技术有望成为新的发展方向。IEC62751-2标准也需要在新器件建模、新型调制策略、多工况适应性等方面持续跟踪技术发展前沿，适时开展新一轮修订，保持标准的先进性和适用性。对于中国而言，作为全球高压直流输电工程数量最多、电压等级最高、技术水平领先的国家，应持续深度参与IEC62751系列国际标准的制定和修订工作，积极贡献中国工程实践经验和科研成果，推动中国标准与国际标准的良性互动与协同发展，为全球高压直流输电技术进步贡献中国智慧和力量。参考文献[1]IEC62751-2:2014+AMD1:2019+AMD2:2023CSV,Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultilevelconverters[S].Geneva:IEC,2023.[2]IEC62751-1:2014,Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HV