IEC TS 634712023 HVDC电网的直流电压标准立项发展报告

HVDC电网的直流电压标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DCVoltagesforHVDCGrids摘要高压直流（HVDC）输电技术作为解决大规模可再生能源并网、远距离电力输送及跨区域电网互联的关键技术手段，近年来在全球范围内得到了迅猛发展。随着多端直流系统和直流电网概念的提出与工程实践的深入推进，直流电压等级的科学确定与标准化成为制约HVDC电网规模化、互联化发展的核心技术问题之一。本报告以国际电工委员会（IEC）发布的技术规范IECTS63471:2023《HVDC电网的直流电压》为研究对象，系统阐述了该标准的立项背景、制定过程、主要技术内容及其行业影响。报告深入分析了全球HVDC电网发展对直流电压标准化的迫切需求，梳理了该标准在直流电压等级优选、系统兼容性保障和标准化扩展性等方面确立的核心技术框架，并对其应用前景进行了展望。该标准的发布填补了国际上HVDC直流电网电压等级标准化领域的空白，为全球直流电网的规划、设计、建设和运营提供了重要的技术依据，对推动直流输电技术的国际化应用和装备制造产业的规范化发展具有里程碑意义。关键词：高压直流输电；直流电网；电压等级；国际电工委员会；标准化；多端直流；技术规范AbstractHigh-voltagedirectcurrent(HVDC)transmissiontechnologyhasdevelopedrapidlyworldwideasakeytechnicalsolutionforlarge-scalerenewableenergyintegration,long-distancepowertransmission,andcross-regionalgridinterconnection.Withtheproposalofmulti-terminalDCsystemsandDCgridconcepts,alongwiththedeepeningofengineeringpractice,thescientificdeterminationandstandardizationofDCvoltagelevelshavebecomeoneofthecoretechnicalissuesconstrainingthelarge-scaleandinterconnecteddevelopmentofHVDCgrids.ThisreportfocusesontheTechnicalSpecificationIECTS63471:2023"DCvoltagesforHVDCgrids"issuedbytheInternationalElectrotechnicalCommission,systematicallyelaboratingtheprojectbackground,developmentprocess,maintechnicalcontents,andindustryimpactofthisstandard.ThereportanalyzesindepththeurgentdemandforDCvoltagestandardizationarisingfromglobalHVDCgriddevelopment,outlinesthecoretechnicalframeworkestablishedbythisstandardintermsofDCvoltageleveloptimization,systemcompatibilityassurance,andstandardizationscalability,andprovidesanoutlookonitsapplicationprospects.ThepublicationofthisstandardfillstheinternationalgapinthestandardizationofDCvoltagelevelsforHVDCgrids,providingimportanttechnicalreferencesfortheplanning,design,construction,andoperationofglobalDCgrids,andrepresentsamilestoneinpromotingtheinternationalapplicationofHVDCtechnologyandthestandardizeddevelopmentofequipmentmanufacturingindustries.Keywords:HVDCtransmission;DCgrid;voltagelevel;IEC;standardization;multi-terminalDC;technicalspecification一、引言1.1研究背景在全球能源转型和碳中和目标的驱动下，以风电、光伏为代表的可再生能源装机容量持续快速增长。根据国际能源署（IEA）的统计数据，全球可再生能源发电装机容量已超过传统化石能源，且分布式能源、海上风电等新型发电形态不断涌现。这些能源资源在地理分布上往往远离负荷中心，需要大规模、高效率的电力输送通道。高压直流输电技术因其在长距离、大容量输电场景下具有损耗低、可控性强、不存在无功补偿问题等显著优势，已成为跨区域电力输送和电网互联的首选技术方案。近年来，直流输电技术正由传统的点对点两端系统向多端直流系统和直流电网方向演进。2000年，ABB公司提出了HVDCLight概念；2010年前后，中国国家电网公司建成投运了±320kV厦门柔性直流输电工程，此后又相继建成了±420kV渝鄂背靠背直流工程、±500kV张北柔性直流电网试验示范工程等，标志着直流电网技术从理论走向工程实践。欧洲方面，规划中的“北欧-北海海上风电直流电网”和“地中海太阳能直流互联”等跨国直流电网项目也在积极推进。然而，直流电网的发展面临一个基础性的技术瓶颈——直流电压等级的标准化问题。与交流电网经过百余年的发展已形成成熟的电压等级序列（如110kV、220kV、500kV、1000kV等）不同，直流电网的电压等级选择各国各项目之间存在较大差异。以已建成的柔性直流工程为例，电压等级从±100kV、±200kV、±320kV到±500kV甚至±800kV不等，这种电压等级的不统一给设备的标准化设计、工程的互联互通以及跨区域直流电网的构建带来了严重障碍。1.2国际电工委员会及其技术组织架构国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）成立于1906年，是制定电气和电子领域国际标准的全球性组织，与ISO、ITU并称为三大国际标准化组织。IEC的标准化工作由各技术委员会（TC）和技术分委员会（SC）具体承担，其中与高压直流输电直接相关的技术委员会包括TC8（电能供应系统）、TC22（电力电子系统与设备）、TC28（绝缘配合）、TC115（高压直流输电）和TC122（特高压交流输电）等。TC115（HVDCTransmissionforACandDCpowertransmissionsystems）成立于2009年，专门负责高压直流输电领域的技术标准化工作，涵盖直流输电系统的设计、设备要求和系统集成等方面。TC115下设多个工作组（WorkingGroup，WG），其中与直流电网电压标准制定密切相关的为WG10（HVDCGridSystemsandDCVoltages），该工作组自2018年起组织开展HVDC电网直流电压的调研和标准制定工作。1.3标准立项的必要性IECTS63471:2023的立项和制定基于以下多方面的紧迫需求：第一，直流电网技术发展的内在需求。多端直流和直流电网技术从示范工程建设向商业化、规模化应用转变，需要统一的电压等级标准作为技术基础。没有统一的电压标准，不同工程间的互联互通难以实现，直流电网的“网络效应”无法充分发挥。第二，设备制造业的需求。直流电网的核心设备（如换流阀、直流断路器、直流变压器、电缆等）的研制和产业化需要明确的电压等级目标。当前，设备制造商面对不同工程的不同电压要求，难以实现产品的系列化和规模化生产，制约了成本降低和质量提升。第三，国际互联的需求。欧洲、亚洲等地区的跨国直流电网规划需要统一的直流电压标准来协调各国的技术方案，实现跨境电力贸易的顺畅开展。第四，标准空白的需求。尽管IEC在高压直流输电领域已有较多标准，如IEC62305系列（直流系统绝缘配合）、IEC62539（HVDC系统指南）等，但在直流电网的电压等级优选方面尚缺乏统一的国际标准。这一空白不仅增加了工程设计的难度，也增加了各国标准之间的不协调风险。二、IECTS63471:2023标准概述2.1标准基本信息IECTS63471:2023《HVDC电网的直流电压》（DCvoltagesforHVDCgrids）是国际电工委员会于2023年12月14日正式发布的一项技术规范（TechnicalSpecification，TS）。该文件由IECTC115归口管理，其分类号为“输电网和配电网综合”，标准语种为英文，电子版采用加密PDF格式发布。作为技术规范（TS），该文件不同于国际标准（IS），其制定周期相对较短，旨在快速响应技术发展需求，为尚未完全成熟的技术领域提供指导性规范。技术规范在发布后经过一定时间的应用和验证，可根据实施情况决定是否升级为正式国际标准。2.2标准制定过程IECTS63471:2023的制定过程遵循IEC标准制定的规范性流程，包括以下几个主要阶段：提议阶段（ProposalStage）：2019年，IECTC115根据直流电网技术发展的需求，正式提出制定HVDC电网直流电压推荐标准的新工作项目提案（NP）。准备阶段（PreparatoryStage）：TC115成立专门工作组WG10，负责起草工作草案（WD）。工作组由来自中国、德国、瑞典、英国、日本、美国等主要直流输电技术国家的专家组成，涵盖了电网运营商、设备制造商、科研机构和高校等各方代表。委员会阶段（CommitteeStage）：工作草案经多次修改后形成委员会草案（CD），分发给TC115各成员国征求意见。期间经历了多轮意见收集和修改完善，各成员国就直流电压的推荐数值、适用范围等技术细节进行了充分讨论和协商。征询阶段（EnquiryStage）：委员会草案经修改后形成征询草案（CDV），提交各成员国正式投票。根据投票结果和各方意见，工作组对草案进行了最后修改。批准阶段（ApprovalStage）：最终草案（FDIS）经TC115各成员国投票通过后，于2023年12月正式发布为IECTS63471:2023。2.3标准的适用范围IECTS63471:2023的适用范围主要包括：-适用于基于电压源换流器（VSC）的HVDC电网系统；-适用于多端直流输电系统和直流电网的电压等级规划和选择；-适用于HVDC电网的新建设计和既有系统的扩展改造；-适用范围涵盖电缆线路和架空线路的HVDC电网系统；-为不同类型换流站（包括MMC、两电平/三电平VSC等）接入直流电网提供电压参考。2.4标准主要内容与核心框架IECTS63471:2023的核心技术内容包括以下几个关键方面：2.4.1直流电压等级优选序列这是该标准最核心的技术内容。标准在综合考虑技术可行性、经济性和系统兼容性的基础上，推荐了HVDC电网宜采用的直流电压等级优选序列。该序列的确定基于以下原则：-兼顾技术可行性与经济性：电压越高，输电容量越大、损耗越小，但对绝缘、设备制造的要求也越高，成本相应增加。标准通过技术经济比较确定了最优的电压等级范围。-充分考虑与现有工程的衔接：已建成投运的直流工程电压等级尽可能纳入或兼容。-预留未来升级空间：电压等级序列应具有合理的级差，避免过密或过疏。标准推荐了适用于不同输电容量和输电距离的电压等级组合，对每个推荐电压等级，给出了相应的额定直流电压值、最高持续运行电压值及绝缘水平参考值。2.4.2电压等级选择的技术经济分析框架标准提供了一套系统化的电压等级选择方法论，指导工程规划人员根据具体项目的输电容量、输电距离、线路型式（电缆或架空线）、换流站型式等条件，通过技术经济比较确定最优的直流电压等级。该框架包括：-输电能力与电压等级的关系模型：不同电压等级下采用不同导线截面时的输电容量上限-换流站投资与电压等级的关系曲线-线路投资与电压等级的关系曲线-年度运行费用（含损耗费用）的计算方法-全生命周期成本（LCC）比较方法2.4.3系统兼容性要求为实现不同直流电网工程的互联互通，标准对系统兼容性提出了明确要求，包括：-电压偏差允许范围：规定了直流电网正常运行和暂态工况下的电压偏差允许值；-电压调节能力要求：对换流站的有功/无功调节能力和电压调节速率提出要求；-故障穿越特性要求：规定了直流电网在交流系统故障和直流故障情况下的电压耐受和穿越能力；-保护配合要求：直流电压等级的选择应与直流断路器、直流隔离开关等保护设备的额定参数相匹配。2.4.4标准化的扩展性设计考虑到直流电网技术仍处于快速发展阶段，标准在制定过程中特别注意了扩展性的设计，包括：-为未来更高电压等级（如±800kV及以上）的直流电网预留了扩展空间；-鼓励继续开展直流电压等级与直流断路器开断能力、直流电缆制造能力等协同优化研究；-建立了定期评审和修订机制，根据技术发展和应用反馈及时更新。三、标准的主要参与单位与组织机构3.1归口管理机构——IECTC115IECTC115（高压直流输电技术委员会）是本标准的归口管理机构。TC115成立于2009年，其秘书处初期由瑞典承担，目前秘书处设在意大利。TC115的职责范围包括：制定涉及高压直流输电系统（包括背靠背、两端和多端系统）的设计、工程实施、设备要求和系统运行等方面的国际标准，涵盖采用电流源换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）技术的各种HVDC系统。3.2标准核心起草单位3.2.1中国国家电网有限公司中国国家电网有限公司（StateGridCorporationofChina，SGCC）是本标准制定的核心贡献单位之一。作为全球最大的公用事业企业，国家电网在HVDC输电领域拥有丰富的工程实践和技术积累。截至2023年底，国家电网已建成投运的直流输电工程超过30项，其中包括多项世界级工程：-±1100kV昌吉-古泉特高压直流输电工程（世界电压等级最高、输电容量最大的直流工程）-±800kV多条特高压直流输电工程（向家坝-上海、锦屏-苏南、哈密南-郑州等）-±500kV张北柔性直流电网试验示范工程（世界首个直流电网工程，也是首个基于柔性直流技术的直流电网）国家电网在直流电网工程实践中的经验积累，尤其是在张北柔直工程中形成的直流电网设计、运行和维护经验，为IECTS63471:2023的制定提供了重要的工程实践支撑和实证数据。国家电网派出的专家在TC115WG10工作组中担任了重要职务，深度参与了直流电压等级优选、系统兼容性要求等核心章节的起草工作。3.2.2中国南方电网有限责任公司中国南方电网有限责任公司同样深度参与了本标准的制定工作。南方电网运营着多条LCC和VSC直流输电工程，包括世界首个多端混合直流输电工程——乌东德电站送电广东广西特高压多端混合直流示范工程（±800kV），该工程为多端直流系统的电压等级选择积累了宝贵经验。3.2.3其他主要参与机构-欧洲输电系统运营商联盟（ENTSO-E）：欧洲输电系统运营商联盟深度参与了标准的制定，该组织正在推进欧洲未来直流电网的建设，对直流电压等级标准化有着迫切需求。-ABB集团：作为VSC-HVDC技术的开创者和重要设备供应商，深度参与了标准的技术论证工作。-西门子能源公司：作为HVDC和直流电网设备的重要制造商，在电压等级的设备可行性论证方面做出了重要贡献。-GEVernova（原通用电气电网解决方案事业部）：深度参与了标准的相关技术讨论。-国际大电网委员会（CIGRE）：在标准制定过程中提供了相关的技术参考和咨询支持，其B4（直流输电与电力电子）专业委员会的相关研究成果被大量参考和引用。-相关科研机构：如中国电力科学研究院、德国弗劳恩霍夫研究所、瑞典皇家理工学院等。四、标准的技术要点与创新性4.1技术要点分析IECTS63471:2023的核心技术贡献在于以下几个方面：第一，首次在国际层面系统地推荐了HVDC电网直流电压等级优选序列。该序列的确定基于全球己建直流工程的数据分析和未来技术发展趋势的预测，兼顾了LCC和VSC两类换流技术的不同需求，具有广泛的适用性和前瞻性。第二，建立了直流电压等级选择的技术经济决策框架。标准不简单地规定“应该用什么电压等级”，而是提供了一套基于技术经济比较的决策工具，使工程规划人员能够根据具体项目条件做出科学合理的电压等级选择。第三，明确了直流电网的兼容性和互联互通要求。标准不仅规定了电压等级，还从系统层面提出了电压偏差范围、调节能力、故障穿越等配套要求，确保选择同一电压等级的不同工程能够实现互联互通。4.2创新性评价本标准的创新性主要体现在：一是首次在国际层面系统建立了HVDC电网直流电压等级推荐序列，填补了国际空白；二是为直流电网电压等级的选择提供了科学的技术经济决策方法，避免了单纯依靠经验或简单类比的做法；三是在标准化方法上采用了“技术规范（TS）”形式，既保证了标准的及时性和灵活性，又为未来升级为正式国际标准奠定了基础。五、标准的影响与应用前景5.1对直流电网技术发展的影响IECTS63471:2023的发布对全球直流电网