特高压直流输电技术发展现状与思考

3.0 2026-04-20 4 4 4.5MB 14 页 20龙币

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新型电力系统

New Type Power Systems

Vol. 2 No. 3

Aug. 2024

第 2 卷第 3 期

2024 年 8 月

特高压直流输电技术发展现状与思考

郭贤珊 1，厉璇 2，王庆 2，李鹏 3

（1. 国网直流技术中心，北京 100052；2．国家电网有限公司，北京 100031；

3．国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211103)

Status and Thoughts on the Development of Ultra High Voltage Direct Current (UHVDC)

Transmission Technology

GUO Xianshan1, LI Xuan2, WANG Qing2, LI Peng3

(1. HVDC Technical Center of SGCC, Beijing 100052, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;

3. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd. Research Institute, Nanjing 211103, China)

ABSTRACT: With the clean and low-carbon energy transformation and the accelerated construction of new type power

systems, it must target the development needs on efficient collection and reliable transmission of new energy from desert areas

and western hydroelectric, improving power system support capabilities, and adapting to reliable operation of power grids with

multiple HVDCs integrated, etc. This paper conducts a comparative analysis on adaptability, feasibility, reliability, and

economy of HVDC technology with different converters, combined the progress of power semiconductor technology,

innovative research and application of new converter. Firstly, the development needs of UHVDC transmission were analyzed,

and the latest progress of HVDC converter technology were summarized. Then, various converter technologies were compared

in terms of application scenarios, reliability, system support capabilities, and technological maturity, and the risk analysis on

new UHVDC converter were conducted. Finally, the selection requirements for UHVDC schemes are proposed, and

suggestions for the development of DC converter technology are provided.

KEY WORDS: ultra high voltage direct current transmission; line commutated converter (LCC); controllable line

commutated converter (CLCC); hybrid commutated converter (HCC); self-adaption statcom and line commutation converter

(SLCC); voltage source converter (VSC)

摘要：随着国家能源清洁低碳转型和新型电力系统加快建设，针对未来沙戈荒地区新能源和西部水电基地高效汇集与

可靠外送，提升电网支撑能力，适应直流集中接入地区可靠运行等发展需求，结合功率半导体器件技术进步，新型换

流设备创新研究与应用实践情况，对不同路线换流器的直流输电技术在系统适应性、可行性、可靠性和经济性等方面

开展对比分析。首先，分析了特高压直流输电技术发展需求，总结了直流换流技术最新进展；然后，从应用场景、可

靠性、系统支撑能力、技术成熟度等方面，进行了各类换流技术对比，并开展特高压直流新技术风险分析探讨；最

后，从确定技术路线、选择设计方案方面提出了特高压直流方案选择要求，并给出直流换流技术发展建议。

关键词：特高压直流输电；电网换相型换流器；可控电网换相换流器；混合换相换流器；多源自适应换相换流器；电

压源换流器

0　引言

随着我国双碳战略的加快推进，新型电力系统

建设进入关键期，大规模清洁能源跨区消纳是国家

重大需求，研究发展新能源接入特性友好、系统支

撑能力更强的特高压直流输电技术，实现清洁能源

大容量、远距离可靠送出

［1-5］

，仍是需要解决的关

键问题之一

［6］

。截至 2023 年底，我国已建成 20 回

特高压直流输电工程，为能源资源大范围优化配置

DOI: 10.20121/j.2097-2784.ntps.240034 文章编号：2097-2784(2024)03-0237-14 中图分类号：TM 71 文献标识码：A

新型电力系统第 2 卷

发挥了重要作用，实现了输送容量、并网电压的

不断提升，在分层接入、级联混合等关键技术上

实现了持续创新突破，引领了世界高压直流输电

技术发展。为加快沙戈荒、西部水电开发外送，

后续数十回特高压直流工程已经提上日程，特高

压直流将迈入前所未有的高速发展阶段。

特高压直流输电涉及换流阀、换流变、滤波

器、开关设备、控制保护、过电压绝缘配合、仿

真分析等多个技术领域，其中，换流器技术是特

高压直流工程的关键，直接决定了直流系统工作

原理、运行特性及工程应用技术路线选择等。目

前，高压直流输电主要采用基于晶闸管的电网换

相型换流器（line commutated converter，LCC）和基

于IGBT 的电压源型换流器（voltage source

converter， VSC），随着新器件、新拓扑的技术创

新，多种新型的换流器技术有望在高压直流输电

工程中应用和推广，深入分析已经应用和即将应

用的几种换流器的技术特点，以及其在特高压直

流工程应用的前景及面临问题，将为后续工程应

用提供有益指导。

基于 LCC 的高压直流输电（LCC-HVDC）技术

成熟可靠、传输容量大、损耗小，在远距离输电、

跨大区域电网互联等场景得到了广泛运用

［7-9］

。但

由于晶闸管器件的半控特性，LCC-HVDC 存在严

重依赖交流电网强度，逆变侧换相失败，无法实

现无源运行，消耗大量无功等固有难题或不

足

［10-14］

。随着越来越多特高压直流输电工程投运，

直流与交流电网、直流与直流相互之间耦合程度

日益增强，加上新能源与直流占比持续提升，电

网安全运行风险加大，在一定程度上制约了 LCC-

HVDC 的进一步发展。针对 LCC 直流的严重依赖

电网强度、存在换相失败等不足，国内外学术界、

工业界开展大量的研究及实践工作，从加强电网

电压支撑、优化直流控制、研制新型换流器方面

提出多种解决思路，综合来看，彻底解决换相失

败等问题仍依赖于换流技术的改进。

文献［15-16］提出了一种基于全控型 IGBT 和

半控型晶闸管混联的可控电网换相换流器

（controllable line commutated converter，CLCC）拓

扑，CLCC 继承了 LCC 和IGBT 的优势，不仅具有

可控关断能力来避免换相失败，而且具有 LCC 容

量大、成本低的优点，稳态运行特性、暂态运行

特性及故障运行特性表明 CLCC 换流器不仅能保

持LCC 换流器各项技术优势，具备完全抵御换相

失败能力以及对交流电网的短时功率支撑能

力

［17-19］

。国内首套 CLCC 于2023 年应用于±500 kV

葛洲坝—南桥高压直流输电工程的南桥换流站。

随着集成门极换流晶闸管 IGCT 的器件水平不

断提升，采用逆阻型 IGCT 作为换流器件抵御换相

失败成为可能［20-22］

。在 LCC 直流系统中利用逆阻

型IGCT 替换晶闸管构建混合换相换流器（hybrid

commutated converter，HCC）， HCC 保留 LCC 直

流系统技术框架，不改变控制保护整体策略，在

继承 LCC 直流系统技术优点的同时，仅利用 IGCT

的主动关断电流能力从本质上改变直流换相过程，

可从根本上解决换相失败问题

［23-25］

。

为解决了传统 LCC 换流器技术依赖交流系统

电压强弱、独立性和适应性差的问题，文献［26］

提出了一种多源自适应换相换流器（self-adaption

statcom and line commutation converter，SLCC）的

直流技术，SLCC 是LCC 和VSC 技术特点的结合，

可行性研究结论表明，SLCC 是一种具有复合电压

源及电流源特征的换流技术，能够改善传统 LCC

直流输电技术的固有缺陷，能在一定程度上降低

换相失败风险。

基于 VSC 的高压直流输电（VSC-HVDC）是近

年来研究及工程应用的热点，通过控制 VSC 中全

控器件的开通和关断，改变输出交流电压的相角

和幅值，可实现对有功和无功的解耦控制

［27-30］

。

VSC-HVDC 输电系统无需无功功率补偿，结构紧

凑、占地小，无需交流电网短路容量支持换相，

不存在换相失败，解决了直流输电向弱系统或无

源电网供电的问题，得到了学术界和工业界的广

泛青睐。世界范围内已投运柔直工程超 40 回，特

别是模块化多电平换流器（modular multilevel

converter，MMC）拓扑的 VSC 提出后， VSC-

HVDC 技术进入快速发展及应用阶段。然而 VSC

也存在造价昂贵、运行损耗大等缺点，输送容量

238

郭贤珊，厉璇，王庆，等：特高压直流输电技术发展现状与思考第 3 期

相对于 LCC-HVDC 系统仍差距较大，且直流侧故

障清除困难。

另外，综合 LCC 和VSC 性能、成本等优点的

混合直流输电技术也得到了重视及应用

［31-33］

。已投

运的±800 kV/8 GW 昆柳龙混合直流工程，送端站

采用常规直流，受端换流站采用两个 VSC 换流站

并联。为清除直流线路短路故障，受端 VSC 换流

器采用全桥、半桥 IGBT 子模块混合的形式

［34-35］

。

已投运的±800 kV/8 GW 白鹤滩—江苏混合级联特

高压直流工程，受端高压端采用 LCC 换流器，低

压端采用可控避雷器与 3组并联的 VSC 换流器，

无需全桥子模块，可减弱换相失败功率波动，降

低换流器造价，但相对 LCC 成本依然较高，且高

低端换流器协调控制复杂

［36］

。

随着国家能源清洁低碳转型和新型电力系统

加快建设，针对未来沙戈荒地区新能源高效汇集

与可靠外送、提升系统支撑能力、适应直流集中

馈入地区可靠运行等更高发展需求，并结合功率

半导体器件技术进步、新型换流设备和直流拓扑

结构创新研究与应用实践情况，本文对不同路线

换流器及拓扑结构的直流输电技术在系统适应性、

可行性、可靠性和经济性等方面开展对比分析，

表明：LCC 直流输电技术可靠性高、经济性好，

在系统条件较好场景下具有明显优势；采用逆阻

型IGCT 器件的 HCC 和可控电网换相拓扑的

CLCC，改善了 LCC 的性能，可有效防止换相失败

问题。基于全控器件 IGBT 和模块化多电平 MMC

技术的柔性直流输电技术，具有接入特性友好、

系统支撑能力强等特点，可实现构网型换流技术，

在新能源汇集弱系统送出、提升系统支撑能力方

面优势明显，是未来特高压直流的重要发展方向。

1　直流输电技术发展需求

1）能源低碳转型深化，需要发展性能更优的

特高直流输电技术

藏东南等西南水电外送工程已纳入国家“十四

五”电力规划，同时配套建设大量新能源打捆送

出，但送端西藏电网十分薄弱。国家发展改革委、

国家能源局及相关部门发布了《以沙漠、戈壁、荒

漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》

（发改基础〔2022〕195 号），规划以库布齐、乌兰布

和、腾格里、巴丹吉林沙漠为重点建设大型新能源

基地，到 2030 年总装机规模达4.55 亿kW。

送端新能源尤其是沙戈荒基地“昼发夜歇”特

性明显，加之基地普遍位于电网末端，电力汇集范

围多达几百公里，缺乏电网支撑，电压频率稳定等

弱系统问题突出；受端中东部地区直流集中馈入，

外来电占比高，电源空心化问题严重，动态无功/

电压支撑能力有限，交流故障易引发多回直流连续

换相失败，系统稳定运行压力增大。根据国家新能

源供给消纳体系“三位一体、同步建设”的要求，

需协同推进大型风电光伏基地、支撑性电源及特高

压外送通道建设，亟需深入研究适合发展需要、性

能更优的特高压直流输电技术。

2）新器件、新拓扑等技术创新和国产化推动

特高压直流输电技术进步

科技创新不断推动着直流输电技术进步和行

业发展。在半导体功率器件方面，压接 IGBT 器

件为 4.5 kV，电流等级在 2~5 kA，在研 IGBT 器

件电流等级达到 6.25 kA，随着技术工艺进步，电

压等级有望达到 6.5 kV；IGCT 器件水平不断提升，

8 kV/3 kA 逆阻型 IGCT 已研发成功，8.5 kV/5 kA

逆阻型 IGCT 预计 2024 年底研制出样片。

基于上述功率半导体技术进步，结合换流技

术和拓扑结构创新，在 LCC 技术基础上，目前成

功应用和正在研发的新型直流技术主要有可控电

网换相直流技术（CLCC）、多源自适应换相直流技

术（SLCC）、基于逆阻型 IGCT 的混合相直流技术

（HCC）。同时，结合先进构网控制等技术发展，

VSC 技术也在输送能力和构网能力方面不断取得

突破。

2　直流输电技术发展概况

2.1　电网换相直流输电技术(LCC 技术)

电网换相直流输电技术（LCC 技术）基于半控

型器件晶闸管实现换流，具有暂态过压过流能力

强、应用成熟、成本较低、可靠性高等优点，适用

于大规模跨区域电力输送，其换流技术原理见

239

新型电力系统第 2 卷

图1。目前 LCC 最高技术水平为±1100 kV/12 GW，

广泛应用的是±800 kV/8 GW。由于 LCC 技术采用

的晶闸管在换相时需要依赖电网，存在换相失败

的固有缺陷，且不能用于孤岛、极弱系统、纯新

能源接入、直流馈入密集地区，在新型电力系统

中的适应性需要加强。

LCC 直流的核心装备已基本实现国产化，国

内LCC 换流阀、控制保护、变压器厂家具备自主

设计和生产能力。换流变用套管、出线装置、分

接开关等关键组部件还依赖国外进口产品，自主

化阀侧套管、直流穿墙套管、分接开关已研制成

功，仍有待工程试用及长期考核。

2.2　混合换相直流输电技术(HCC 技术)

HCC 技术采用逆阻型 IGCT 作为换流元件，逆

阻型 IGCT 具有双向承压、单向通流、单片器件结

构与长期短路失效模式等特点，与晶闸管特性相

似，同时具备主动关断电流的能力。与 IGBT 相

比，IGCT 具有较高的浪涌电流承受能力且损耗较

低。HCC 在保留 LCC 晶闸管换流阀基本拓扑不变

的情况下，采用逆阻型 IGCT 器件直接取代原 LCC

换流阀中的晶闸管，构成了具备可控主动关断能

力的换流器，具有可抵御换相失败、拓扑结构简

单、吸收无功少、造价适中、损耗低等优点，其

结构见图 2。

HCC 通过阀控逻辑配合可实现恢复增强自然

换流模式和强迫换流关断模式。通过恢复增强自

然换流模式可使器件的等效反向恢复时间缩减至

微秒级，确保正常工况和轻微故障工况可靠换相；

通过强迫换流关断模式利用 IGCT 重复可关断能力

实现关断桥臂电流主动，实现严重故障工况快速

换相，可抵御换相失败风险，如图 3所示。但

IGCT 器件关断能力不足，HCC 换流阀强制关断与

均压保护能量吸收要求高，精准可靠实现主动关

断控制保护策略极为复杂，复杂程度均高于 LCC

换流阀。目前已完成设备研制与鉴定，拟在灵宝

背靠背直流单元 I改造工程中应用。

2.3　可控电网换相直流输电技术(CLCC 技术)

可控电网换相 CLCC 技术在 LCC 基础上借鉴

直流断路器工作原理，每个桥臂由主支路和辅助

支路并联构成，主支路由常规晶闸管阀串联低压

图1　LCC 直流换流技术原理

Fig. 1　Principle of LCC-HVDC converter technology

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