什么是CLCC？它為啥能解決世界電力難題？

關(guān)注電力的小伙伴都知道，中國超高壓、特高壓直流輸電技術(shù)世界前列。西電東送、北電南供，它發(fā)揮的作用巨大。

但這項技術(shù)有一個從“娘胎”里帶來的問題——可能發(fā)生換相失敗。受端電網(wǎng)一有風(fēng)吹草動（比如短路、雷擊），直流輸電就可能“心臟驟停”，功率瞬時中斷。這個問題，困擾了全球電力行業(yè)半個多世紀(jì)。

而今，這道世界難題有了中國解法——可控?fù)Q相換流器（CLCC）。

01

傳統(tǒng)換流閥為什么會換相失敗？

發(fā)電廠發(fā)出的電和我們家里用的電，都是交流電。

但要把西部清潔能源送到中東部負(fù)荷中心，“主力”是超高壓、特高壓直流輸電線路——因為直流電更適合遠(yuǎn)距離、低損耗傳輸。

這中間就需要一個關(guān)鍵操作：換流。

在送端換流站，交流電“交換直”；到了受端換流站，再“直換交”。負(fù)責(zé)交直流轉(zhuǎn)換，也就是換流的核心設(shè)備叫換流閥，可以說是直流輸電工程的“心臟”。

可這顆“心臟”有個先天毛病：可能會“驟停”，也就是換相失敗。

什么是“換相失敗”？當(dāng)受端交流電網(wǎng)發(fā)生短路、雷擊等故障時，電壓會突然跌落。這時，傳統(tǒng)換流閥的核心元件——晶閘管無法正常關(guān)斷，電流就不能按預(yù)期從換流閥的某個橋臂轉(zhuǎn)移到另一個橋臂完成換相。這個現(xiàn)象，就叫“換相失敗”。

換相是否成功的關(guān)鍵，在于上面提到的晶閘管。

晶閘管是一種半控型器件，被廣泛應(yīng)用，它可以被控制“開通”，但無法被控制“關(guān)斷”。

那怎么才能“關(guān)斷”它呢？必須靠交流電網(wǎng)給它提供一個反向電壓。

所以，換流閥能否正常完成交直流轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵就看交流電網(wǎng)能不能提供足夠的反向電壓，幫晶閘管及時關(guān)斷。

換相失敗一旦發(fā)生，直流輸送功率會瞬時中斷，相當(dāng)于換流閥暫時“罷工”。如果是單條直流線路，功率會短時跌落，就像心臟驟停。在多條直流密集接入的區(qū)域電網(wǎng)，一個交流故障可能同時引發(fā)多回直流換相失敗，功率沖擊成倍增加，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

02

為解決難題，

全球研究半個多世紀(jì)

為解決換相失敗這一難題，全球電力行業(yè)研究了半個多世紀(jì)。早期的解決方案主要分為兩類：

第一類：給電網(wǎng)“打補丁”

比如在換流站加裝動態(tài)無功補償設(shè)備如靜止無功發(fā)生器（SVG）、調(diào)相機等，可以在故障期間提供無功功率，幫助維持電壓。這樣做可以降低換相失敗發(fā)生的概率，但無法完全避免。

第二類：優(yōu)化控制保護策略

比如應(yīng)用換相失敗預(yù)測控制技術(shù)，可以在檢測到交流電壓跌落時提前做一些調(diào)整，減少換相失敗的發(fā)生，但這類方法同樣無法根除隱患。

那么，如何才能根除？“他助”不如“自助”，換流閥如果能自己關(guān)斷，不就行了？

沒錯，這就需要改變換流閥的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，讓換流閥具備主動關(guān)斷能力。國際上也曾提出過多種改進型換流器的方案，比如，加裝輔助換相電路等。但這些方案大多停留在理論層面，存在損耗大、成本高、控制復(fù)雜等問題，不具備工程實用性。

那為什么不用柔性直流技術(shù)？柔性直流輸電（VSC）采用全控型器件IGBT，可以主動關(guān)斷，確實不存在換相失敗問題。

但柔性直流設(shè)備造價較高，且由于技術(shù)路線差異較大，用來改造常規(guī)直流需要廢棄原有全部主設(shè)備，成本較大。

如何在保持常規(guī)直流低損耗、大容量、低成本優(yōu)勢的同時，徹底解決換相失敗問題，一直是世界級技術(shù)難題。

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中國方案是怎么破題的？

時間回到2012年。那時，我國直流輸電尚未形成規(guī)模，落點密集程度不高，換相失敗帶來的問題并不凸顯。中國電科院的科研團隊卻敏銳地意識到：隨著“西電東送”深入推進，換相失敗的問題必須得解決。

從這一年起，團隊開始向這個世界級難題發(fā)起挑戰(zhàn)。2019年，他們成功拿出了“殺手锏”——可控?fù)Q相換流器（CLCC）。

簡單說，就是在傳統(tǒng)晶閘管換流閥（LCC）的基礎(chǔ)上，引入少量具備主動關(guān)斷能力的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件，通過主輔雙支路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)換流閥的可控關(guān)斷。

那么，CLCC是怎么設(shè)計的呢？

每個橋臂由兩條并聯(lián)支路組成，分工明確：

主支路：由高壓大電流晶閘管閥和低壓IGBT閥串聯(lián)，承擔(dān)正常運行時的主要通流任務(wù)——負(fù)責(zé)日常“扛大旗”。

輔助支路：由高壓小電流IGBT閥和高壓小電流晶閘管閥串聯(lián)，在主支路關(guān)斷時臨時承接電流，并主動關(guān)斷、完成換相——負(fù)責(zé)關(guān)鍵時刻“救場”。

CLCC是怎么工作的呢？

有兩種運行模式。

模式一：常規(guī)運行模式

當(dāng)不需要抵御換相失敗時（如整流運行或功率反送），可以將低壓IGBT閥旁路、輔助支路閉鎖，換流閥按照傳統(tǒng)LCC的方式工作，即常規(guī)模式運行。

模式二：可控?fù)Q相模式

電流主要流經(jīng)主支路，需要換相時，輔助支路短暫承接主支路電流，幫助主支路晶閘管可靠關(guān)斷；若交流電網(wǎng)發(fā)生故障，輔助支路承接的主支路電流無法完成自然換相時，通過輔助支路主動關(guān)斷，產(chǎn)生一個足夠大的換相電壓，強制完成換相。

通過這一設(shè)計，CLCC不再依賴交流電網(wǎng)提供換相電壓，而是可以自己創(chuàng)造。無論電網(wǎng)怎么擾動、故障多嚴(yán)重，CLCC都能穩(wěn)穩(wěn)地完成換相，從根本上避免了換相失敗。

CLCC的硬核優(yōu)點

一句話總結(jié)就是

既有常規(guī)直流的“大胃王”和“省電體質(zhì)”，又自帶柔直的“急救包”，價格還只要柔直換流閥的三分之一。

根治“心臟驟停”：不管電網(wǎng)怎樣，CLCC都能自己造電壓，換相永不失敗。

吃得少、干得多：單站容量可達8000兆瓦（特高壓隨便跑），損耗低。

能反向“輸血”：電網(wǎng)故障時，它能從“吸收無功”秒變“輸送無功”，幫交流電壓快速“回血”。

省錢又省事：造價相對較低，尺寸、接口和老站兼容，老舊改造直接換，不用大動干戈。

效果如何？“戰(zhàn)績”可查

1989年，我國第一條高壓直流線路——±500千伏葛洲壩至上海南橋直流輸電工程投運。建設(shè)時，連草皮、螺絲釘都要整包進口，設(shè)備來自7個國家15家公司。

2023年，同一座南橋換流站，用CLCC換流閥對原常規(guī)直流閥進行了改造。改造設(shè)備投運后至2025年，南橋站實現(xiàn)零換相失敗。

2023年7月，中國電機工程學(xué)會組織鑒定，包括10名院士在內(nèi)的24名專家一致認(rèn)為：可控?fù)Q相換流閥為國際首創(chuàng)、整體技術(shù)國際領(lǐng)先。

2026年，CLCC相繼入選“央企十大國之重器”和央企原創(chuàng)技術(shù)策源地“十大標(biāo)志性成果”。

從原理到樣機再到實戰(zhàn)，CLCC是中國電力科技工作者從“0”到“1”的原始創(chuàng)新，開辟了高壓直流輸電裝備的新方向，填補了全球技術(shù)空白，為跨區(qū)域大規(guī)模電力輸送提供了全新的“中國方案”。

從跟跑，到領(lǐng)跑。現(xiàn)在，世界電力難題，看咱們中國怎么解。

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