今年5月14日，世界首個特高壓多端混合直流輸電工程線路——±800千伏昆柳龍直流工程實現全線貫通。

這項輸電工程的名字讀起來似乎有點拗口，其實，“昆柳龍”分別指的是線路的三座換流站——云南昆北、廣西柳北、廣東龍門。該輸電工程線路全長1451.916公里，起于云南省祿勸縣，途經貴州、廣西，終到廣東省龍門縣，橫跨四省，是西部大開發戰略的又一西電東送重大項目。

工程總投資242.49億元，設計額定電壓±800千伏，工程投產后將新增800萬千瓦的通道送電能力，相當于減少標煤消耗約1000萬噸，減排二氧化碳2660萬噸。

這條線路途所經過地區平均海拔1300米，崇山峻嶺區域占比54.6%，重冰區占比10.5%，還跨越鐵路、通航河流、一級及以上公路、重要電力線275條次，可謂是路途漫漫。

今天我們就來揭秘這條線路用到的柔性直流輸電技術的秘密。

（一）遠距離輸電選擇直流還是交流，這是一個問題

在介紹柔性直流技術之前，先讓我們來復習一下歷史上的兩次“交直流大辯論”。

第一次發生在19世紀80年代，當時還沒有輸電線這種東西，圍繞使用交流還是直流輸電，科學家劃分為兩大陣營——以美國發明家愛迪生、英國物理學家開爾文為代表的直流派，美國發明家威斯汀豪斯、電氣工程師特斯拉為代表的交流派。最終，交流輸電以其靈活組網和升壓降壓的優勢，贏得了論辯勝利，從此迎來了交流電力網的迅猛發展。

眾所周知，電力線中流淌的都是正弦變化的交流電，因此接收端也是清一色的交流電，我們生活中用到的電器也都是使用交流插頭的。但是你仔細觀察過嗎，液晶電視、電腦主板芯片、手機芯片實際上用的都是直流電，在我們用電的末端很多電子器件都是直流電的天下。這就是第二次“交直流大辯論”發生的背景——信息革命與電力電子技術的發展成熟。

這一次辯論關注的是特高壓（交流1000千伏、直流±800千伏）輸電是選擇直流還是交流。中國工程院院士李國杰曾說過，“大功率電力電子技術的發展與成熟，使得直流輸電受到青睞，遠距離大功率輸送促使直流輸電進一步發展，直流輸電系統還提高了電力系統抗故障的能力，無需進行無功補償，同樣電壓等級的直流輸電能輸送更大功率，損耗小”。

直流輸電定位于超遠距離、超大容量“點對點”輸送的“直達高速”，很難組成網絡。交流輸電兼具輸電和構建網絡雙重功能，是連接各類能源的“省市縣公路”。直流輸電可以減少大量無效損耗，但制約直流輸電發展的最大關鍵在于是否具有巨大且堅強的交流輸電網。

直流在高電壓、大容量、遠距離傳輸上確實有獨特優勢，但是目前的網架結構還是交流體系下的，短期內不可能推倒重建網架結構，而且直流目前尚不具備復雜組網功能。因此，論辯的結果是直流輸電和交流輸電只能互補，不能互相取代。

（大功率電力電子器件組成的換流器）

目前中國的特高壓電網建設遵循“交直結合、強交強直”策略，已建成投運“九交十直”。

（交直流投資與損耗大致對比）

（二）傳統高壓直流輸電與柔性直流輸電的特征大揭秘

說到高壓直流輸電技術，關鍵要談兩個東西——換流閥和控制技術。一個硬件、一個軟件，一個內功、一個外功。

20世紀50年代，高壓直流輸電技術還處于試驗階段，采用的是汞弧閥換流器，核心器件是晶閘管（Thyristor，又稱可控硅整流器），屬于半控型元件，柵極（G）觸發后無法關斷，只有陽極（A）和陰極（K）自己不通時才能關斷，因此換相過程需借助外部的交流電壓來完成，這稱之為有源逆變，且受端系統必須有足夠大的短路容量，否則容易發生換相失敗，從而導致通道中斷，甚至電網崩潰。

這種換流器運行時要產生大量低頻諧波污染電網，需要加入專門處理“垃圾”的過濾裝置。同時，換流器需吸收大量無功功率，需要建設大量與其相匹配的無功補償裝置。

20世紀90年代以后，電力電子技術逐漸發展成熟，出現了具有可關斷能力的新型半導體器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、門極可關斷晶閘管（GTO）等，此類全控型器件逐漸取代傳統半控型晶閘管應用于直流輸電領域中，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(Voltage Source Converter based High Voltage Direct CurrentTransmission，簡稱VSC-HVDC)應運而生。

（±800kV特高壓直流換流站鳥瞰圖）

柔性直流輸電技術，最早是由加拿大的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，是一種以電壓源換流器、自關斷器件（IGBT）和脈寬調制（PWM）技術為基礎的新一代高壓直流輸電技術。相比于傳統高壓直流輸電，該技術具有5大優勢：

1、可控性強，可關斷器件可以進行開與關的完整控制，無需交流側提供換相電流，因此也就不存在換相失敗的問題；

2、得益于完整控制，柔性直流輸電在交流側無需大量無功支撐，占地面積減少。

3、無源特性可完成向孤島供電，解決了網架薄弱地區的“最后一公里”問題。這里說的孤島指的不是真正的島嶼，而是僅靠幾條輸電線連接的區域小電網。

4、全控型器件的開關頻率極高，動輒成千上萬赫茲，僅需少量高次濾波器就可完成過濾，避免了低次諧波對電網的污染。對中國電網來說，交流電網的頻率為50赫茲，所以低次諧波比高次諧波難處理得多。

（IGBT構成與等效圖。PS:大家只要知道現在G極可以隨時開關C-E電流）

（PWM技術將交流正弦波轉換為斷續的直流開關量，二者的面積是一樣的）

5、最重要的，功率潮流反轉迅速。柔性直流輸電系統的電流可雙向流動，同時直流電壓正負極保持不變。而常規直流潮流反轉時，是直流電壓極性反轉，直流電流的方向不變。這個特點對于構成多端系統至關重要，在并聯型多端直流輸電系統中，柔性直流輸電系統可以通過改變單端電流方向來改變潮流的方向，這就初步具備了多點輸送的功能，也就意味著直流也可以組網了。

（潮流圖）

相信大家對一個詞有點陌生——潮流（flow）。在電力系統中，在電源激勵下，電流從電源流入負荷，分布于電力網各處，這種狀態稱為電力潮流，也可以理解為每一處的電壓、電流、功率的穩定值。

當電網正常運轉時，各處負荷基本不變，整個網絡中電流的流動達到一個穩定狀態，電力工作者依靠這個穩定狀態計算目前電網是否正常，有沒有超載、有沒有其他問題。同時，通過計算潮流也可以預先推演改變電流的流向，就像調節河網管道的水流流向一樣。

同樣也是因為這種快速調節的特性，目前柔性直流輸電是分布式電源接入的最友好方式。柔性直流輸電可以將來自多個站點的風能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長距離的輸電線路傳輸至負荷中心。

未來將是清潔能源的天下，中國的分布式能源（風能、水能、太陽能、潮汐能等）發電規模也將進一步擴大，由于中國能源與負荷的地理分布特性，柔性直流輸電在分布式電源并網消納中的應用潛力十分巨大。

同時，由于元器件和調制技術的限制，柔性直流輸電也具有明顯的缺點。首先，損耗較大，由于需要頻繁的操作，換流器和線路損耗是傳統直流輸電的3倍多。第二，設備成本較高。目前，常規直流采用的可控硅技術成熟、成本較低，而IGBT等可關斷器件，生產成本遠高于可控硅。第三，目前應用容量不大，只有極少工程實際容量達到千兆瓦級，這需要隨著技術的發展和材料性能的進步得以改善。

（三）中國現在具備自主研發柔直關鍵設備的能力嗎？

說了這么多柔性直流輸電的好處，那現在中國處于什么段位呢？

2003年，中國才開始對柔性直流輸電技術進行研究，比歐美國家起步晚很多，不過中國的柔性直流輸電發展迅速，現在國內已經具備了柔性直流輸電技術研發和設備制造能力，并達到了國際先進水平。

2011年7月，上海南匯風電場柔性直流輸電工程投運，這是亞洲首個具有自主知識產權的柔性直流工程。2016年，中國自主研制的、國內最大容量的±800千伏柔性直流輸電換流閥閥控設備，順利通過型式試驗，各項技術指標均達到國際先進水平，打破了國外企業在該領域的長期技術壟斷。同年，當時世界電壓等級最高、輸電容量最大的柔性直流輸電工程—±500千伏“魯西背靠背直流工程”柔性直流單元建成投運，這是世界上第一次采用常規和柔直單元的并聯運行模式，克服了常規直流和柔性直流的協調控制、單臺換流器功率模塊多的限制等多個世界級難題，在柔性直流領域建立起一整套具有知識產權的技術規范和標準。目前，加上今天開頭提到的昆柳龍工程，中國已有6個柔性直流輸電工程建成投運。

昆柳龍工程是世界上容量最大的特高壓多端直流輸電工程、世界首個特高壓多端混合直流工程、首個具備架空線路直流故障自清除能力的柔性直流輸電工程，憑借這一工程中國真正步入世界柔性直流輸電技術引領者的行列。

但我們同時也應清醒認識到，我們距國際頂尖的大功率電力電子器件制造廠，如ABB、西門子、Infineon等，還存在較大差距。就如同芯片行業一樣，中國制造只有從根源上做好自主研發，才能逐漸趕超最后達到世界頂尖水平。

（柔性直流輸電技術核心裝備）

結語

2016年中旬，中國企業成功擊敗西門子、通用電氣等一流供應商，入選英國設得蘭（Shetland）工程柔直換流站唯一合作伙伴，這是中國高端直流裝備首次進入歐美發達國家市場，也證明了國產柔直換流閥已達到世界先進水平，表明了中國在高端輸電裝備與技術方面的國際競爭力。

隨著“一帶一路”倡議的持續推進，以及風電、光伏等新能源的進一步接入，柔性直流輸電技術發展空間必將更為廣闊。以特高壓技術、柔性直流輸電為代表的電力設備制造業，有望成為繼高鐵和核電之后，中國制造拓展全球市場的“金名片”。