IEC TR 625432022 RLV 使用电压源换流器（VSC）的高压直流（HVDC）输电标准立项发展报告

使用电压源换流器（VSC）的高压直流（HVDC）输电标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:High-voltagedirectcurrent(HVDC)powertransmissionusingvoltagesourcedconverters(VSC)摘要随着全球能源转型进程加速，可再生能源的大规模开发与远距离输送对输电技术提出了更高要求。使用电压源换流器（VoltageSourcedConverter,VSC）的高压直流（HighVoltageDirectCurrent,HVDC）输电技术，凭借其独立控制有功与无功功率、可向无源网络供电、谐波水平低等显著优势，已成为跨国电网互联、海上风电送出及城市电网增容等场景下的关键技术方案。本报告围绕国际电工委员会（IEC）发布的技术报告IECTR62543:2022RLV，系统梳理了该标准的立项背景、技术内容演进及核心框架。该标准涵盖了VSC-HVDC系统的基础原理、主设备参数要求、拓扑结构分类、控制保护策略及典型工程应用案例，为工程设计、设备制造及系统运维提供了统一的技术指引。本报告还详细介绍了主要起草单位及其在标准制定中的贡献，并展望了VSC-HVDC技术标准体系的未来发展方向。关键词：高压直流输电；电压源换流器；IEC标准；模块化多电平换流器；标准化；可再生能源并网；输电技术一、引言（一）研究背景全球气候变化议题推动能源结构加速向低碳化转型。国际能源署（IEA）发布的《全球能源部门2050年净零排放路线图》明确指出，到2050年全球可再生能源发电量占比需达到近90%，其中风电和光伏将成为主力电源。然而，可再生能源资源分布与负荷中心往往呈现空间上的错位——例如中国西部大型风光基地与东部负荷中心相距数千公里，欧洲北海海上风电与大西洋沿岸工业集群之间亦存在大规模电力输送需求。在此背景下，高效、低损耗、占地小的高压直流输电技术成为长距离、大容量电力输送的最优解决方案。在高压直流输电技术谱系中，基于线路换流器（LineCommutatedConverter,LCC）的传统直流输电技术已发展数十年，技术成熟度高，但在向无源网络供电、多端组网灵活性等方面存在固有局限。20世纪90年代以来，随着全控型电力电子器件（IGBT、GTO等）的快速发展，基于电压源换流器的高压直流输电技术逐步从实验室走向工程应用。1997年，世界上首个VSC-HVDC工业试验工程（Hellsjön实验工程，瑞典）投入运行，标志着该技术进入实用化阶段。此后，随着模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter,MMC）拓扑的提出（2003年由R.Marquardt教授提出），VSC-HVDC在电压等级、输送容量和运行效率等方面实现了跨越式提升，目前单端换流站容量已达数千兆瓦级，直流电压等级已达±800kV乃至±1100kV。（二）标准立项的必要性技术的快速工程化应用对标准化工作提出了迫切需求。VSC-HVDC系统涉及换流器拓扑设计、高压大功率电力电子器件应用、控制系统开发、保护策略制定、电磁兼容设计及工程调试运维等多个技术领域，缺乏统一的技术规范和术语定义将导致以下问题：一是不同制造商之间的设备互换性与互操作性不足，增加系统集成难度；二是工程设计与评估缺乏统一基准，影响项目审批和验收效率；三是技术经验的共享与传承缺少规范化载体，制约行业整体技术水平的提升。因此，制定VSC-HVDC领域的国际标准具有重要的现实意义和战略价值。IEC作为国际电工领域最具权威性的标准化组织，其下设的输配电技术委员会（IECTC115）专门负责高压直流输电技术标准化工作。在VSC-HVDC技术标准体系中，IECTR62543经历了一个从技术规范向技术报告演进的发展过程，不仅为行业提供了系统性的技术指引，也为后续相关标准（如IEC62747术语标准等）的制定奠定了坚实基础。二、标准概述（一）标准基本信息IECTR62543:2022RLV（RedlineVersion）是国际电工委员会（IEC）发布的一项技术报告（TechnicalReport），标准全称为《使用电压源换流器（VSC）的高压直流（HVDC）输电》（*High-voltagedirectcurrent(HVDC)powertransmissionusingvoltagesourcedconverters(VSC)*）。该标准由IECTC115（高压直流输电技术委员会）归口管理，于2022年3月30日正式发布，目前为现行有效版本。标准文种为英语，分类号归属于“其他有关输电网和配电网的设备”。本版本以RLV（RedlineVersion）形式发布，即红线版本，该版本在单份文件中同时呈现了当前版本的技术内容与相较于上一版本（IECTR62543:2011）的修订痕迹，极大便利了标准使用者对技术变更内容的快速识别和理解。（二）标准版本演进IECTR62543的制定和修订历程反映了VSC-HVDC技术从发展初期走向大规模工程应用的演进轨迹：-IECTR62543:2011（第一版）：该版本于2011年首次发布，系统性地介绍了VSC-HVDC技术的基本原理、主要设备构成及应用领域，为当时正处于快速发展的VSC-HVDC技术提供了首份国际层面的系统性技术文件。-IECTR62543:2022（第二版）：2022年版本在全面继承第一版框架的基础上，充分吸收了近十余年来该技术领域在拓扑结构创新（特别是MMC的广泛应用）、工程规模跨越、控制策略优化等方面的最新成果，对内容进行了全面修订和扩充。-IECTR62543:2022RLV：该版本为红线版本，在同一文档中呈现修改前后的对照内容，便于标准使用者和工程设计人员快速定位和理解修订要点。三、标准核心内容解析（一）标准适用范围与定位IECTR62543:2022明确其适用范围为基于电压源换流器技术的高压直流输电系统的规划、设计、建设和运行。该标准作为IECTC115框架下VSC-HVDC领域的纲领性技术文件，系统解决了以下核心问题：1.术语与定义统一：确立VSC-HVDC领域的基本术语体系，有效消除不同国家和制造商之间的沟通障碍，为相关标准的协调一致提供共同语言基础。2.技术原理阐明：系统阐述VSC-HVDC的基本工作原理，包括换流器的电气特性、控制自由度等，为后续工程设计和运行提供理论依据。3.技术方案对比：对不同换流器拓扑结构进行系统比较分析，为工程方案选择和优化提供参考依据。4.应用场景指引：梳理VSC-HVDC的主要应用领域和典型场景，为潜在用户提供技术选型指导。（二）核心技术与内容框架1.换流器技术原理标准系统阐述了VSC换流器的基本工作原理，核心内容包括：-基本原理：基于全控型电力电子器件（以IGBT为主）的换流器通过高频PWM（脉宽调制）或最近电平逼近方式，在交流侧生成与电网同步的近似正弦电压波形，通过控制换流器输出电压的幅值和相位精确调节有功功率和无功功率的交换。换流器的输出电压基波分量与交流系统电压之间的相位差决定了有功功率传输方向与大小，而幅值差则决定了无功功率交换。-两电平与三电平拓扑：早期VSC-HVDC工程（如Gotland、EaglePass等）主要采用两电平或三电平拓扑，通过PWM调制生成所需交流电压波形，开关频率较高但损耗较大，且器件串并联均压问题突出。-模块化多电平换流器（MMC）拓扑：MMC拓扑由多个子模块（Submodule,SM）级联构成，每个子模块包含一个半桥或全桥单元及储能电容器。通过精确控制各子模块的投入与切除状态，可在交流侧生成逼近正弦波的阶梯电压波形，无需PWM高频调制即可实现低谐波输出，大幅降低了开关损耗。MMC的模块化结构便于电压等级和容量扩展，同时天然具备冗余运行能力——当个别子模块故障时可自动旁路，系统仍可持续运行。目前，MMC已成为新建VSC-HVDC工程的主流拓扑选择。2.VSC-HVDC系统构成与关键设备要求标准对VSC-HVDC系统的各主要组成部分提出了技术性说明与指导要求，涵盖以下关键设备：-换流器阀（ConverterValve）：由大量功率器件（IGBT/IGCT等）、门极驱动电路、冷却系统等组成的阀塔结构，是换流站的核心设备。标准对阀的电气参数、绝缘配合、冷却方式及可靠性指标提出了指导性要求。-换流变压器（ConverterTransformer）：承担交流系统与换流器之间的电压匹配与电气隔离功能。由于阀侧绕组承受交直流复合电压应力且含有特征谐波电流，其设计需充分考虑直流偏磁抑制、谐波损耗及绝缘裕度。-平波电抗器与直流滤波器：平波电抗器用于抑制直流侧谐波电流和限制故障电流上升率；直流滤波器用于进一步降低直流侧谐波水平。-交流侧滤波与无功补偿装置：VSC换流站可运行于任意功率因数，但交流侧谐波滤波仍需配置适当容量，以满足并网谐波限值要求。标准推荐了滤波器设计与校核的基本原则。-直流断路器（HVDCCircuitBreaker）：由于直流电流无自然过零点，直流故障电流开断是VSC-HVDC系统的关键技术挑战之一。标准对直流断路器的技术要求和试验方法进行了阐述。3.控制与保护策略VSC-HVDC的控制系统是其技术优势的核心体现。标准从系统级、换流站级和阀级三个层面论述了控制策略的架构和功能：-有功功率控制：通过调节换流器输出电压与交流系统电压之间的相位差实现，控制响应速度可达毫秒级，可实现功率反转而无需改变电压极性（区别于LCC-HVDC）。-无功功率控制：通过调节换流器输出电压幅值实现，使换流站可在四象限灵活运行，为交流系统提供动态无功支撑，改善系统电压稳定性。-交流电压/频率控制：在向无源网络供电或孤岛运行模式下，换流器可作为理想电压源为所供区域提供稳定的交流电压和频率支撑。-保护策略：标准阐述了换流站交直流侧的故障类型、保护配置原则及故障穿越策略，包括直流线路故障自清除能力（采用全桥子模块或配置直流断路器）等关键技术要求。4.主要应用场景标准系统梳理了VSC-HVDC的主要应用领域，包括但不限于：-可再生能源并网：特别是海上风电的远距离送出。VSC-HVDC能够有效应对风电功率波动带来的电压和频率扰动，且无需海上换流站具备强交流系统支撑。-电网互联与异步联网：实现不同频率或不同步运行的交流电网之间的柔性互联，提升电网互济能力和可靠性水平。-城市电网增容与供电：为高负荷密度城市地区提供大容量、紧凑型的地下或海底输电通道，缓解输电走廊紧张局面。-多端直流网络：构建含三个及以上换流站的直流网络，实现多电源、多落点的灵活功率调配，是多能互补和广域资源优化配置的重要技术平台。四、技术发展趋势与标准适用性分析（一）技术发展趋势当前VSC-HVDC技术正在向更高电压等级、更大输送容量、更灵活组网模式的方向快速发展：-电压等级与容量提升：全球范围内多个±500kV及以上电压等级、单端容量3000MW及以上的VSC-HVDC工程已投运或在建。国内已投运的如渝鄂直流背靠背联网工程（4×1250MW）、如东海上风电柔性直流送出工程（±400kV/1100MW），以及张北±500kV柔性直流电网示范工程（3000MW）等，代表了国际最高工程水平。-直流电网技术：从单点对单点的点对点输电向多端直流电网演进。多端直流电网在供电可靠性、运行灵活性方面具有显著优势，但也对直流故障隔离、功率协调控制、直流潮流控制等提出了更高的技术要求。-新型电力电子器件：宽禁带半导体器件（SiC、GaN）的快速成熟有望进一步提升换流器的功率密度和开关频率，降低损耗和占地。-先进控制与人工智能应用：基于人工智能（AI）的故障诊断、预测性维护和自适应优化控制策略正在逐步应用于VSC-HVDC系统，提升系统的智能化运行水平。-标准体系完善与国际合作：IECTC115持续推进VSC-HVDC相关标准的制定与修订工作，涵盖术语、系统设计、设备试验、竣工验收及运行维护等全生命周期环节。（二）标准适用性分析IECTR62543:2022RLV作为技术报告（TechnicalReport），兼具技术规范的工具属性和知识传播的参考属性。其适用性主要体现在以下方面：-对规划设计人员：系统掌握VSC-HVDC技术原理和适用场景，合理选择拓扑方案和关键参数；-对设备制造商：准确把握设备性能要求和试验验证方法，支撑产品开发和型式试验；-对系统运行人员：深入理解控制保护原理和故障特性，制定合理的运行规程和应急预案；-对科研及教学人员：作为系统性的技术参考资料，支撑前沿技术研发和专业人才培养。需要指出的是，IECTR62543作为技术报告，不包含规范性要求（以“要求”类条款呈现的内容有限），主要提供资料性和指导性信息。对于具备强制性的技术规范，行业还需参照IEC62747（术语）、IEC62501（换流器阀电气试验）、IEC62746（系统设计导则）等配套标准。五、主要起草单位介绍IECTR62543:2022的制定汇聚了国际高压直流输电领域顶尖专家和权威机构的智慧与经验。在参与标准起草和审议的众多国际知名机构中，ABB（AseaBrownBoveri，瑞士-瑞典跨国企业集团）在标准的技术框架设计和内容编制过程中贡献尤为突出。ABB集团是全球电力和自动化技术领域的领导企业之一，总部位于瑞士苏黎世。ABB在HVDC技术领域拥有超过60年的持续研发和工程实践积累，是VSC-HVDC技术的开创者和持续引领者之一。1997年，ABB与瑞典电网公司合作建设了世界上首个VSC-HVDC实验工程（Hellsjön），此后又相继承担了Gotland（瑞典，1999年，±80kV/50MW）、Estlink（爱沙尼亚—芬兰，2006年）、BorWin1（德国北海海上风电并网，2009年，±150kV/400MW）等一系列里程碑式工程。ABB在换流器拓扑创新、IGBT阀组设计与制造、控制系统开发及系统集成等核心领域具有全套自主知识产权和技术能力。在IECTR62543:2022的制修订过程中，ABB派遣了多名具有深厚理论造诣和丰富工程经验的专家深度参与起草工作组，主导完成了MMC拓扑技术框架及控制策略章节的编撰、多端直流系统运行方式及保护配合等核心内容的撰写。同时，ABB还依托其全球工程案例数据库，为标准中的关键参数取值和运行经验示例提供了大量宝贵的一手数据支撑。除ABB外，西门子能源（SiemensEnergy，德国）、通用电气（GE，美国）、日本东芝（Toshiba）、韩国LS产电等国际知名企业，以及中国国家电网公司、南方电网公司、中国电力科学研究院等中国机构也积极参与了标准的制定和意见反馈工作。这些机构的深入参与有效保障了标准内容的全面性和先进性，兼顾了不同技术路线和不同区域的实际需求。六、结论与展望IECTR62543:2022RLV的发布，为全球VSC-HVDC技术领域的工程实践提供了系统性的技术指引，标志着该技术标准化工作迈上了新台阶。该标准的修订充分吸纳了近十年来VSC-HVDC技术在拓扑演进、工程应用规模跃升、控制策略优化等方面取得的重要成果，丰富了术语体系、完善了技术框架，并强化了对新兴应用场景（如直流电网、海上风电送出等）的指导。展望未来，VSC-HVDC技术标准体系的发展将呈现以下趋势：一是标准化深度与广度持续拓展，从技术报告向规范性标准和应用指南方向的转化将持续推进，覆盖系统设计、设备试验、工程验收、运行维护等全生命周期环节的标准链条将不断完善；二是新兴技术领域标准加速布局，围绕直流断路器、直流变压器、高压大功率SiC器件应用等新技术的标准制定将同步跟进，为持续升级的技术需求奠定基础；三是标准间的协同性不断增强，IECTC115与IECTC8（系统方面）、IECTC14（变压器）、IECSC22F（电力电子系统与设备）等标委会之间的协作将更加紧密，标准的体系化效应将日益突显；四是中国在标准制定中的参与度和话语权持续提升，随着国内±500kV张北柔性直流电