【专栏推荐】柔性直流电网技术、装备与工程专栏

编者按：柔性直流输电（VSC-HVDC）技术在大规模可再生能源并网、海上风电场集群送出、新型城市电网构建、电网异步互联等方面具有突出的技术优势，近年来在世界范围内得到了快速的发展。而基于柔性直流所构成的直流电网，可实现大范围的潮流分配和控制，满足风电、水电、火电等多种发电方式的高效互济，正获得越来越多的关注，也获得了一大批国家自然科学基金和国家科技部项目的支持。目前，我国正在张北和北京地区建设世界上首个直流电网工程，用于接入张北地区的大规模可再生能源，并向北京冬奥会场馆提供绿色电能，为该技术的未来发展和推广应用提供示范。为了促进直流电网技术的进步，展示该领域的最新进展和发展趋势，共享最新的学术和技术成果，《中国电力》编辑部特邀中国工程院院士、全球能源互联网研究院有限公司院长汤广福，全球能源互联网研究院有限公司 直流输电技术研究所副所长、教授级高工庞辉担任特约主编，主持“柔性直流电网技术、装备与工程”专栏。专栏于2021年1期刊出，共计10篇文章。本期公众号将专栏文章进行汇编，以飨读者！

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01

作者：李国庆, 尉鹏程, 刘禹彤, 边竞

单位：现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）；辽宁省电力有限公司电力经济技术研究院

摘要：为了提高混合式直流断路器开断能力、降低直流短路故障对系统的危害，提出了一种基于强迫过零技术的自换向高压直流断路器。该断路器利用晶闸管与二极管代替了关断支路的IGBT元件，并通过单个预充电电容和强制过零技术实现了切除断路器两侧故障，减少系统的安装成本。详细描述所提直流断路器的拓扑结构、工作原理，并通过动作时序和等效电路分析元件的参数取值方法，最后应用PSCAD仿真软件搭建三端环网模型对其进行仿真验证。结果表明，该方案可以实现故障线路的可靠切除，断路器经过一次预充电后无须再次充电即可恢复切除能力，具有较好的经济性。

作者：傅守强, 张立斌, 李红建, 陈翔宇, 高杨, 陈蕾

单位：国网冀北电力有限公司经济技术研究院

摘要：高压大容量柔性直流电网工程因设有直流断路器，导致其阀厅空气间隙与空间布局和以往柔性直流工程有显著不同。针对高压大容量柔性直流电网特点，对阀厅空气净距计算及紧凑化布局设计开展研究。采用g参数法对非标准气象条件下空气间隙的放电特性进行修正，提出了求取最大空气净距时的阀厅温、湿度取值方法，提出了含直流断路器的高压大容量阀厅紧凑化布局设计方法。以张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程张北换流站为例，修正了柔性直流工程阀厅空气净距计算的温、湿度取值条件，求得空气净距值。阀厅布局方案对比分析表明，在满足空气净距和检修空间的要求下，该紧凑化设计显著压缩了阀厅尺寸。

作者：娄彦涛, 孙小平, 刘琦, 周文鹏, 赵彪, 余占清, 曾嵘

单位：西安西电电力系统有限公司；清华大学 电机工程与应用电子技术系

摘要：二极管的反向恢复特性在IGCT-MMC中起着重要的作用。首先介绍快恢复二极管的反向恢复特性，然后在IGCT-MMC拓扑中介绍快恢复二极管的开关行为，最后搭建适用于IGCT-MMC测试的双脉冲实验平台，并对比了3种商业化快恢复二极管产品的反向恢复特性。最终的测试结果表明，快恢复二极管的反向恢复峰值电流和功率与di/dt呈现线性关系，并且在高温下的测试结果要高于常温。而在相同的di/dt和温度条件下，不同的快恢复二极管在IGCT-MMC中反向恢复峰值电流和功率存在差异，在实际应用中需要根据二极管的安全工作区对di/dt进行合理设计。

作者：陈龙龙, 徐飞, 魏晓光, 汤广福, 崔翔, 高冲, 陈骞

单位：新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）；先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）；中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所）；国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

摘要：可控关断的电流源型换流器（current source converter，CSC）相较于LCC和VSC具有较好的技术优势，逆阻型大功率可关断半导体器件的快速发展为CSC在高压直流输电领域的应用提供了发展契机。针对现有CSC的拓扑、调制方法的优缺点进行调研和对比，分析总结出适用于高压直流输电的LCC-CSC拓扑和特定谐波消除调制方法。将基于LCC-CSC的混合直流输电系统与LCC和VSC进行多方位的对比分析，对LCC-CSC的技术优点、存在的问题及未来研究的方向进行了总结，为CSC在高压直流输电的工程应用提供前期研究基础。

05

作者：崔嘉滢, 刘天琪, 王顺亮, 马俊鹏, 常鹏飞

单位：四川大学 电气工程学院

摘要：针对三端直流输电系统可能出现的架空输电线路谐波电流放大问题，对不同运行方式下的双极线路谐波电流开展研究。基于波阻抗理论，将对称运行的直流线路简化为对称分量回路，并求取单位长度参数；分析了均一线路谐波电流的计算方法；在此基础上结合波的折反射原理，提出了一种计算混合线路谐波电流的方法。通过在PSCAD/EMTDC平台上搭建相应的直流线路模型进行仿真，并与理论计算结果对比，表明该计算方法在求取三端直流输电系统不同运行方式下的线路谐波电流方面具有较高的准确性。

06

作者：陈若尘, 张英敏, 刘麒麟, 刘天琪

单位：四川大学 电气工程学院

摘要：直流电网的潮流可控支路数遵循N−1原则，在线路上安装直流潮流控制器可提升直流电网的潮流控制自由度。现有关于直流潮流控制器配置的研究都只关注其稳态特性，考虑到直流系统发生断线故障可能导致线路过载，从潮流转移的角度提出一种新的直流潮流控制器配置方法。建立安装直流潮流控制器后的直流电网数学模型，应用灵敏度分析结合潮流分布情况确定直流潮流控制器安装位置，提出直流系统潮流转移熵，结合直流系统加权潮流熵对直流潮流控制器进行优化。仿真结果显示，在不同运行方式下，采用所提方法进行优化不仅能改善潮流分布，还能优化直流线路的潮流转移特性，且N−1故障后重载线路的平均负载率明显降低，验证了所提方法的有效性。

07

直流断路器用IGBT正向恢复特性实验建模

作者：沈弘, 仝翠芝, 东野忠昊, 齐磊, 王谦

单位：新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）；国网北京电力科学研究院

摘要：直流断路器是柔性直流电网故障清除的主流手段。混合式直流断路器动作前，转移支路IGBT处在正栅极电压的零电压零电流状态，当转移支路电流开始上升时，由IGBT正向恢复过程产生的集-射极电压过冲一旦满足IGBT过流监测判据，将会引起保护误动进而降低装备运行可靠性。针对直流断路器工况下IGBT出现的正向恢复现象，通过建立的IGBT大电流开通实验平台获取了不同电流上升过程中IGBT集-射极电压波形，基于分阶段数学表征建立了能够反映IGBT正向恢复特性的I-U映射关系。与实测结果相比，该模型计算所得的集-射极电压峰值相对误差小于10%，高于过流监测阈值电压的持续时间相对误差小于15%，可支撑直流断路器所用IGBT的过流监测判据的合理制定。

08

柔性直流输电阀基控制设备硬件在环测试方法

作者：路建良, 贺之渊, 唐茹彬, 党青, 谢敏华, 季柯, 寇龙泽

单位：先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）

摘要：张北柔性直流电网工程是世界首个柔性直流电网工程，对阀基控制设备的可靠性提出了更高的要求。为了更全面测试柔性直流输电阀基控制设备，提出了高压大容量柔性直流输电阀基控制设备全规模接入实时仿真系统实现硬件在环测试的方法。通过研制接口机箱，搭建了基于RT-LAB的北京站阀基控制设备全规模接入测试平台，提出了全面的阀基控制设备测试项目及测试方法。对该平台的几个典型工况试验波形的研究表明，所搭建测试平台在阀基控制设备测试方面的全面性和准确性；该测试平台已在张北柔性直流电网工程阀基控制设备的出厂测试中得到应用，可为其他柔性直流输电工程阀基控制设备的测试提供借鉴。

09

作者：冯静波, 吕铮, 邓卫华, 胡榕, 王新颖

单位：先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）；大功率电力电子北京市重点实验室

摘要：IGBT过流失效极易导致模块爆炸、水冷系统漏水甚至换流阀停运，是危害柔性直流输电系统安全运行的重要因素之一。基于模块多电平柔性直流换流阀结构特点和运行工况，总结分析了柔性直流换流阀IGBT的短路过电流、脉冲式过电流和续流二极管过电流这3种过流失效类型及其特征；结合MMC换流阀的工作原理及特点，提出了IGBT 3种过流方式的保护方案及参数配置方法；通过±420 kV/1250 MW换流阀采用的3300 V/1500 A焊接型IGBT器件进行了失效分析与保护方案的试验验证，试验结果证明了过流失效分析的正确性和过电流保护方案的有效性。

10

作者：苏麟, 朱鹏飞, 闫安心, 马亚林, 何梦雪, 梅军, 王冰冰, 范光耀

单位：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司；东南大学 电气工程学院

摘要：随着中压柔性配电技术的发展，基于电力电子技术的柔性直流配电网在相位和频率同步、灵活控制、线损等方面较交流配电网有着一定的优势，但在技术的成熟性、稳定性以及成本等方面还存在不足。针对苏州中低压直流配用电系统示范工程的中压直流配电网网架，在传统环型与辐射型结构的基础上，通过技术经济比较采用基于单母线分段“双端环型”网架结构设计方案；为适应故障穿越的主动控制需求，发挥改进型网架结构供电方式灵活的特点，提出采用半桥换流站+混合桥换流站的非对称主站设计方案；结合换流阀参数设计与系统接地方式，在PSCAD/EMTDC平台上搭建了系统仿真模型，对工程设计方案的可行性及故障处理能力进行了仿真验证，为示范工程方案设计与设备选型提供分析依据。

引文信息

李国庆, 尉鹏程, 刘禹彤, 等. 基于强迫过零技术的自换向高压直流断路器[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 2-9, 77.

LI Guoqing, WEI Pengcheng, LIU Yutong, et al. A self-commutated hvdc circuit breaker based on forced zero crossing technology[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 2-9, 77.

傅守强, 张立斌, 李红建, 等. 高压大容量柔性直流电网换流站阀厅空气净距计算及紧凑化布局设计[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 10-18.

FU Shouqiang, ZHANG Libin, LI Hongjian, et al. Air clearance calculation and compacting layout design of valve hall in converter station of vsc-hvdc grid with high voltage and large capacity[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 10-18.

娄彦涛, 孙小平, 刘琦, 等. IGCT-MMC中二极管反向恢复特性分析与测试[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 19-24.

LOU Yantao, SUN Xiaoping, LIU Qi, et al. Analysis and test of reverse recovery performance of fast recovery diode in igct-mmc[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 19-24. 

陈龙龙, 徐飞, 魏晓光, 等. 大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 25-36.

CHEN Longlong, XU Fei, WEI Xiaoguang, et al. A review on large capacity controllable switching current source converter research[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 25-36.

崔嘉滢, 刘天琪, 王顺亮, 等. 一种基于三端直流输电系统的架空线路谐波电流计算方法[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 37-46.

CUI Jiaying, LIU Tianqi, WANG Shunliang, et al. A calculation method for line harmonic current based on three-terminal hvdc transmission system[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 37-46.

陈若尘, 张英敏, 刘麒麟, 等. 计及潮流转移特性的直流潮流控制器优化配置[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 47-53, 149.

CHEN Ruochen, ZHANG Yingmin, LIU Qilin, et al. Optimal configuration method for dc power flow controller considering power flow transfer characteristics[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 47-53, 149.

沈弘, 仝翠芝, 东野忠昊, 等. 直流断路器用IGBT正向恢复特性实验建模[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 54-61.

SHEN Hong, TONG Cuizhi, DONGYE Zhonghao, et al. Experimental modeling of forward recovery characteristics of igbt for dc circuit breaker[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 54-61.

路建良, 贺之渊, 唐茹彬, 等. 柔性直流输电阀基控制设备硬件在环测试方法[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 62-69.

LU Jianliang, HE Zhiyuan, TANG Rubin, et al. Hardware-in-the-loop test method for valve base controller of vsc-hvdc[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 62-69.

冯静波, 吕铮, 邓卫华, 等. 柔性直流换流阀IGBT过流失效研究[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 70-77.

FENG Jingbo, LV Zheng, DENG Weihua, et al. Study on the igbt overcurrent failure of vsc-hvdc converter valve[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 70-77.

苏麟, 朱鹏飞, 闫安心, 等. 苏州中压直流配电工程设计方案及仿真验证[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 78-88.

SU Lin, ZHU Pengfei, YAN Anxin, et al. Design scheme and simulation verification of suzhou medium voltage dc distribution project[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 78-88.

专栏特约主编简介——汤广福

汤广福，中国工程院院士，教授级高级工程师，博士生导师。现任全球能源互联网研究院有限公司院长，先进输电技术国家重点实验室主任，《中国电力》期刊主编，曾任国际大电网会议组织（CIGRE）高压直流与电力电子技术委员会委员。长期从事电力系统电力电子技术研究，针对电力电子换流内在规律、强电磁环境驱动与保护、等效试验机理等关键工程技术难题，在该领域重要装备的系统设计、设备研发和工程应用方面做出了突出贡献。先后主持完成静止无功补偿器、可控串补晶闸管阀、±800kV特高压直流换流阀、柔性直流换流器和高压直流断路器等高端电力装备的研制，陆续实施了参数居国际首位的重大工程示范和推广应用，为实现电网灵活可控、远距离大容量输电、高效接纳可再生能源提供了新的手段。获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步一等奖、二等奖各1项，省部级一等奖5项；获授权发明专利77项，其中中国专利金奖1项、优秀奖3项。出版著作4部，发表学术论文137篇。获第九届中国工程科技光华青年奖。

专栏特约主编简介——庞辉

庞辉，博士，教授级高级工程师。现任全球能源互联网研究院有限公司直流所副所长，《中国电力》期刊编委。长期从事大功率电力电子、柔性直流输电和直流电网的系统分析、仿真测试、控制保护等方面的研究工作。负责和参与了多项国家973计划、863计划、重点研发计划、自然科学基金等重大课题，完成了我国首条柔性直流输电工程的系统分析和仿真，参与建成首个柔性直流输电示范工程及后续一系列重大工程，为高比例可再生能源消纳、大电网柔性互联、大型城市和海岛供电提供了重要支撑。获授权和受理发明专利49项；发表SCI/EI论文35篇，出版专著3部；牵头和参与制定国家、行业标准6项。兼任全国输配电系统电力电子和电力行业直流配电网标委会委员，以及CSEE JPES、MCPE等期刊副编辑。获省部级一等奖2项，以及“中央企业全国青年岗位能手”等称号。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤

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