清華團隊助力世界首個超高壓柔直電網(wǎng)工程

: 電力網(wǎng); 2020-06-15; 來源：清華大學; 瀏覽：

　　6月9日，在康巴諾爾換流站人工短路試驗現(xiàn)場，隨著一道弧光閃爍，阜諾線535kV直流斷路器在3ms內(nèi)完成開斷并實現(xiàn)重合閘操作，這標志著由清華大學和北京電力設(shè)備總廠聯(lián)合研制的535kV直流斷路器圓滿完成人工短路試驗，創(chuàng)新直流開斷技術(shù)和關(guān)鍵指標達到國際領(lǐng)先水平。

　　人工短路試驗是直流電網(wǎng)調(diào)試階段中最為嚴苛的試驗項目，本次試驗的成功驗證了清華首創(chuàng)的直流開斷技術(shù)先進性及斷路器性能為工程的正式投運奠定了扎實基礎(chǔ)。

　　康巴諾爾換流站所在的張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程(簡稱張北柔直工程)是世界上首個真正具有網(wǎng)絡(luò)特性的超高壓柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界上電壓等級最高(±500kV)、輸送容量最大(最大輸送能力4500MW、總換流容量9000MW)的柔性直流電網(wǎng)工程，工程核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備均為國際首創(chuàng)。作為2022年北京冬奧會重點配套工程，對于實現(xiàn)“零碳奧運”具有重要意義。

±500kV康巴諾爾換流站鳥瞰圖　　

±500kV柔性直流電網(wǎng)示意圖

　　作為柔性直流電網(wǎng)的核心裝備之一，直流斷路器起到關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行方式以及切斷故障電流對系統(tǒng)實行保護等重要作用。由于直流電流無自然過零點，需強迫過零，同時要綜合考慮燃弧時間和系統(tǒng)過電壓，因此開斷直流電流相比開斷交流電流要困難很多，高壓直流斷路器成為直流電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。

　　張北柔直工程采用混合式、機械式、耦合負壓式三種技術(shù)方案。其中清華大學與北電聯(lián)合研制的直流斷路器，采用創(chuàng)新型全自主知識產(chǎn)權(quán)的耦合負壓技術(shù)路線，為張北柔直電網(wǎng)阜諾線的可靠、靈活、經(jīng)濟運行提供重要保障。

　　清華首創(chuàng)耦合負壓直流斷路器拓撲，攻克世界性直流開斷技術(shù)難題

　　國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)曾指出：“大容量直流開斷是一個世界性的難題”。面向高壓直流電網(wǎng)中的故障清除需求，以攻克世界性直流開斷技術(shù)難題為目標，由清華大學電機系曾嶸教授、余占清副教授、黃瑜瓏副教授等師生和科研人員組成的直流技術(shù)研究團隊，依托清華大學電機系、能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院、清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院組成的“一系兩院”攻關(guān)平臺，在國際上首創(chuàng)耦合負壓混合式直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)，突破低損耗高可靠換流技術(shù)，解決電力電子開關(guān)雙向可控通流及高效大容量開斷問題等，研究成果完善了大容量直流超快速開斷理論和技術(shù)體系;并與北電聯(lián)合研制2臺超高壓535kV直流斷路器用于張北柔直工程。人工短路試驗的成功驗證了耦合負壓技術(shù)路線的優(yōu)異性能。

清華和北電聯(lián)合研制的535千伏耦合負壓混合式直流斷路器

　　耦合負壓混合式直流斷路器 4 大技術(shù)優(yōu)勢

　　技術(shù)優(yōu)勢 1

　　低損耗高可靠的整體拓撲結(jié)構(gòu)。包括僅由機械開關(guān)串聯(lián)組成的主通流支路、電力電子開關(guān)構(gòu)成的轉(zhuǎn)移支路和避雷器組成的能量吸收支路三個主要支路，突破了混合式斷路器的冷卻方式瓶頸，通態(tài)損耗顯著降低，無需水冷散熱，節(jié)省空間，可靠性高，運行維護成本低。

耦合負壓混合式直流斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

　　技術(shù)優(yōu)勢 2

　　高冗余快恢復(fù)的主通流支路。主通流支路中快速機械開關(guān)采用多個100kV真空開關(guān)串聯(lián)，恢復(fù)快，可靠性高，單個真空開關(guān)電壓等級達到世界領(lǐng)先水平。

　　技術(shù)優(yōu)勢 3

　　高可控高可靠的故障換流方案。采用耦合負壓裝置實現(xiàn)換流，換流最大時間由斷路器內(nèi)部電路參數(shù)決定，可保證-25kA~0~+25kA全電流范圍內(nèi)高速可靠換流;不存在小電流情況下?lián)Q流時間長的問題，可控性強。

　　技術(shù)優(yōu)勢 4

　　高裕度高穩(wěn)定性的電力電子開關(guān)。轉(zhuǎn)移支路采用基于常規(guī)恢復(fù)速度二極管和復(fù)合非線性阻抗的交叉橋式電力電子單元拓撲，比傳統(tǒng)斷路器方案節(jié)省40%的成本，關(guān)斷電流裕度大，可靠性高。

　　重要意義

　　經(jīng)過多年的創(chuàng)新研究和技術(shù)積累，清華大學已從拓撲結(jié)構(gòu)、換流方式、產(chǎn)品研制、工程應(yīng)用等方面突破了直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了直流斷路器系列化研制和規(guī)模化應(yīng)用。

　　至此，已研制成功375V/480V/10kV/40kV/80kV/500kV直流斷路器、目前世界上首套三端口直流斷路器，以及世界上電壓電流等級最高、開斷能力最強的535kV直流斷路器;并已與北京電力設(shè)備總廠、泰開集團等企業(yè)完成成果產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，在珠海唐家灣直流配電網(wǎng)、東莞交直流混合配電網(wǎng)、蘇州吳江直流配電網(wǎng)、張北柔直電網(wǎng)等工程中得到規(guī)模化應(yīng)用，保障了多個直流工程的安全可靠運行，具有重要的學術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。