2020 年国际大电网会议学术动态——直流系统及电力电子

安 婷，刘 栋，常 彬，贺之渊

（1. 全球能源互联网研究院有限公司,北京市102209；2. 先进输电技术国家重点实验室,北京市102209）

0 引言

成立于1921 年的国际大电网会议（CIGRE）,是世界领先、非营利性、覆盖技术/经济/环境/组织/管理等方面的电力系统领域中最重要的世界性组织之一,是为促进国际间发、输、配电及大电网领域科技知识交流、工程经验分享和信息互惠而搭建的平台。大会每逢双年在法国巴黎召开,有来自全球的电力行业学者和技术人员参加。

因新型冠状病毒（COVID-19）疫情的影响,原定在法国巴黎召开的2020 年第48 届CIGRE 会议改为线上视频会议,此次会议是自CIGRE 成立以来首次以视频的方式召开。本次视频会议历时9 天（2020 年8 月24 日至9 月3 日）,共计召开了83 场会议,以大会开幕式、各分专委会论文宣读、专题研讨会和专题讲座等方式举行。

大会以主题为“排放差距报告”的开幕主旨演讲开始。开幕式结束之后,CIGRE 直流系统及电力电子技术专委会（SC B4）组织召开了4 场科技论文宣读视频会、2 场专题研讨会和1 场专题讲座,内容涉及高压直流（HVDC）输电、直流配电、柔性交流输电系统（FACTS）和相关的器件及设备。

SC B4 为CIGRE 的16 个技术专委会之一,由1 名主席、1 名秘书、28 名正式会员和12 名观察员组成。其工作范围覆盖:HVDC、直流配电及直流电网相关的直流设备和系统,包括转换器技术和半导体设备；用于交流系统和提高电能质量的功率电子设备和应用,如FACTS。

本文对主旨演讲以及SC B4 会议收录的论文、专题研讨和专题讲座的主要内容进行介绍,结合HVDC 领域的发展现状和特点,简述了当前HVDC领域最新发展动向,探讨该领域目前所面临的挑战并展望该领域的发展方向。

1 大会主旨演讲

本次视频大会开幕式由联合国环境规划署的Ann Olhoff 做题为“排放差距报告”的主题发言,报告介绍了全球温室气体排放趋势、二十国集团（G20）成员国减排现状及与其自定减排目标的差距和如何缩小差距等,具体内容汇总如下。

全球温室气体排放量到目前为止并没有出现已达到峰值的迹象,还会继续上升。总体而言,部分G20 成员国未完全实现其2030 年的自定减排承诺,印度、俄罗斯、土耳其、中国、欧盟28 国和墨西哥等国家已步入正轨且超额完成自定的减排目标；澳大利亚、日本和南非等国家的排放超出排放目标值的15%及以下；巴西、加拿大、韩国和美国超出排放目标值15%以上,须采取额外的减排措施才能达到自定减排目标值；阿根廷、印度尼西亚和沙特阿拉伯等国家的情况不详。

到2030 年,自定减排的排放目标值低于按照各国现有减排政策排放水平的4～6 GtCO2e/年（GtCO2e 表示1 Gt CO2当量）,与允许气温上升2 ℃、争取1.5 ℃的预期目标相比,剩余的差距分别约为12～15 GtCO2e/年和29～32 GtCO2e/年。因此,按照各国现有减排政策的排放水平,如果没有更进一步强大的决心和得力的减排措施,到21 世纪末将不能达到将温升保持在2 ℃、争取控制在1.5 ℃以下的目标,全球平均气温升高将会在3.0～3.2 ℃之间。到2030 年,温升为2 ℃情景下的CO2预算将接近耗尽,而1.5 ℃的预算则将被远远超越。

就如何进一步缩小上述差距,联合国环境规划署给出了以下世界各国降低温室气体排放须采取的措施。

1）创造更多的机会和激励措施并采取强有力的减排行动,为达到2030 年各国自主减排目标提供坚实的基础。

2）能源转型变革且必须支持可持续发展的目标。

3）在未来的几十年中,提高能源效率将是成功的关键,即电力系统需要持续脱碳和交通运输需大量电气化。

综上所述,联合国环境规划署为改变全球能源系统提出了以下5 种减排手段:扩大可再生能源的电气化；逐步淘汰煤炭以实现能源系统的快速脱碳；脱碳运输；高耗能行业脱碳；既要避免未来的排放还要确保能源的供应等。

最后,联合国环境规划署指出要达到《巴黎协定》的要求,即从2020 年到2030 年全球温室排放量每年必须分别下降2.7%和7.6%,才可达到限制气温上升不超过2 ℃、争取1.5 ℃的目标。

2 SC B4 论文介绍

本次SC B4 会议共宣读了所收录的51 篇论文［1-51］和2 篇年轻学者的科研成果［52-53］,涵盖了3 个优先主题:①HVDC 系统及其应用；②直流配电及其电力电子；③FACTS。

优先主题①主要涵盖以下3 个方面的内容:新HVDC 输电工程项目的规划和实施；直流电网、多端HVDC、混合HVDC 系统和HVDC 断路器等领域新技术应用；现有HVDC 输电系统的翻新和升级。

优先主题①共录用了39 篇论文［1-39］和2 篇关于下一代网络［52-53］的简介,内容主要涉及基于电网换相换流器（LCC）的常规HVDC（简称LCCHVDC）、基于电压源换流器（VSC）的柔性HVDC（简称VSC-HVDC）和LCC/VSC 混合直流系统的一次主回路及二次控制保护系统。另外,还涵盖了HVDC 系统可靠性及可用率的调研结果及提升直流系统可靠性的方法等。

在LCC-HVDC 系统方面,共收录了7 篇论文［1-5,28,36］,涉及的内容较为广泛,从不同角度展示了实际常规特高压直流（UHVDC）工程、高压LCC 换流站并联运行、多馈入高压LCC 的运维和控制保护技术、换流站接地极电阻和外绝缘设计等的科研成果。

在柔性直流系统方面,共宣读了21 篇论文［7-10,14,16,18-20,22-24,26-27,30-35,38］和2 篇介绍下一代网络的科研成果［52-53］,涵盖了诸多主题,包括欧盟PROMOTioN 项目的成果,新建、在建和规划中的HVDC 项目,系统控制保护和仿真、HVDC 绝缘设计、直流电网以及多端、多供应商HVDC 系统等。

在LCC/VSC 混合直流系统方面,共收录7 篇论文［6,12,15,21,25,29,37］,涉及的内容包含LCC/VSC 换流阀设计、阀组测试、系统故障保护策略以及混合级联直流系统分析等。

HVDC 输电系统可靠性的研究及提升方法是现代电力系统可靠性研究的重要领域之一。本专题共收录了4 篇论文［11,13,17,39］,集中讨论了提升系统可靠性的方法、全周期管理以及直流线路对HVDC 输电系统可靠性的影响等内容。

优先主题②的论文着重关注直流和电力电子在配电系统中的应用,以及相关设备的新概念和设计,共收录论文4 篇［40-43］。

优先主题③主要集中于新型FACTS 的规划和实施、新技术在FACTS 设备中的应用、现有FACTS 系统和其他电力电子设备翻新和升级等。共收录了8 篇［44-51］论文,内容主要涵盖静止同步补偿器（STATCOM）的新应用、静止同步串联补偿器（SSSC）和基于VSC 的技术应用,解决与新兴电网和可再生能源高渗透率有关的交流电网问题。

3 专题研讨会

本次CIGRE 会议设立了2 个与SC B4 相关的专题研讨会,分别为:①主题为“采用电磁暂态离线和实时仿真工具评估VSC-HVDC 系统的交互影响”的SC B4 专题研讨会,主要介绍了B4-70、B4-81和B4-41 工作组,以及一篇博士论文［54］的研究内容；②主题为“海上HVDC 输电电网发展”的SC A3/B4联合专题研讨会,以欧洲海上网状HVDC 输电电网发展项目PROMOTioN 为主线,重点介绍和演示了HVDC 输电电网控制保护和相关设备等方面的技术成果。

3.1 SC B4 专题研讨会

本次研讨会由B4-70 和B4-81 工作组联合组织召开,主要介绍对嵌入高压交流系统中的电力电子设备之间交互影响的风险评估。该研讨会主要介绍了以下4 个方面的内容。

1）分析和评估多换流器之间交互影响的方法。

2）开展电磁暂态研究所需的工具（离线和实时）。

3）实际工程项目中交互影响评估的实践经验。

4）防止交互影响的风险评估/解决方案。

主题为“含VSC 的电磁暂态研究指南”的B4-70工作组的工作已接近尾声。报告者指出影响交互影响及需考虑的关键因素包括:系统中不同类型的发电机、系统运行点、换流器控制、交流电网短路容量和阻抗、系统中非线性元件以及附近其他电力电子设备等。提出用多馈入交互作用因子（MIIF）和阻抗扫频方法评估稳定性。电磁暂态型和非电磁暂态型仿真软件可用于不同的研究目的,且不同仿真软件和版本会导致仿真结果呈现不同程度的差异。最后,以法国北部含多个HVDC 和新能源发电的系统为例,介绍了换流器之间交互影响的研究成果,有以下结论。

1）VSC-HVDC 可能会给电力系统带来交互影响。

2）与传统仿真分析方法相比,基于电磁暂态的仿真可以为交互影响的评估提供更多的信息。

3）在工程项目的全生命周期中,可使用电磁暂态型工具从事各种不同类型的仿真研究。

主题为“相邻VSC、FACTS 装置、高压电力电子设备和传统交流装置之间的相互影响”的B4-81工作组正在开展中,本工作组主要聚焦于以下几个方面。

1）分析和评估交流系统中多个换流器间交互影响的方法。

2）分析此类交互影响所需数据、离线和实时仿真工具和模型推荐。

3）在VSC-HVDC 或FACTS 项 目 生 命 周 期 的各个阶段进行此类研究的时间表。

主题为“具有多个直流馈电系统”的B4-41 工作组,已于2008 年完成了技术报告（TB364）。本工作组借鉴过去的广泛研究,为含LCC-HVDC 多馈入系统的系统规划提供如何分析多个LCC-HVDC 系统换流器间相互作用的方法。目的是为单馈和多馈HVDC 系统之间提供无缝过渡,尽可能将适用于单馈HVDC 系统的概念扩展到多馈HVDC 系统,以减少两者之间的差异。在研讨会上给出了如何进一步改进MIIF 的分析方法并指出在做MIIF 分析时,一定要考虑换流器不同运行方式组合的影响。最后,分享了采用离线和实时仿真工具对世界上第1 个由2 个供应商提供的相邻2 个并联运行的LCC-HVDC系统（挪威Johan Sverdrup 工程）交互影响的研究成果。得出以下结论:采用全局统一控制器两系统可以达到稳态的协调运行,但由于各供应商的保密限制,两系统动态行为的协调是一个挑战；对在未来的输电网中可能会出现的问题应给予足够的考虑和研究；采用第3 方介入以限制不良的交互影响。

最后,分享了报告“变化中的电力系统”［54］。首先介绍了交流系统传统的动态稳定性、含换流器的动态稳定性以及新的动态稳定性问题。接着对比了实时仿真、EMT 离线软件时域仿真和频域分析方法的优缺点。最后,研讨会介绍了含多端HVDC 换流站系统在频域里的稳定性相关研究成果。结论为电力电子换流器可以给系统提供快速控制,但现有的建模仿真、运行、控制和保护均受到了系统在响应特性需求方面的新挑战。

3.2 SC A3/B4 专题研讨会

本研讨会由德国亚琛大学组织召开,由10 位专家主讲,内容主要涵盖HVDC 开关设备、HVDC 电网和海上风电的控制保护以及HVDC 电网的发展等。

3.2.1 HVDC 开关设备

研讨会介绍了320 kV/20 kA 混合式直流断路器研发中所做的4 个阶段性试验:材料试验、元器件试验、分系统试验和最后的系统试验（电流开断能力、功能性、失效模式和工厂系统试验）。最后,展示了基于320 kV 断路器研发的640 kV/30 kA/3 ms 的新型混合式直流断路器。

研讨会还介绍了VARC（VSC assisted resonant current）直流断路器。VARC 直流断路器采用直流电流叠加由内部电压源产生的振荡高频电流,使通过断路器的电流产生过零点,由交流真空断路器开断电流。

另外,研讨会还介绍了已应用于中国张北500 kV 直流电网的主动电流注入式和混合式直流断路器,并展示了实验室和现场短路试验的情况和结果。2 类断路器均由主电流支路、电流注入/转移支路和能量吸收支路组成。混合式直流断路器在实验室试验时的最高开断电流为26 kA,开断时间为2.6 ms,现场短路试验的开断电流为2.3 kA,开断时间为2.8 ms。

高压试验是验证高压设备研制是否成功的重要手段。本次研讨会介绍了HVDC 断路器的试验原理、线路及设备,并介绍了320 kV/20 kA/3 ms 混合式HVDC 断路器和80 kV/12 kA /2 ms VARC HVDC 断路器相关试验的情况。

同时,本研讨会还展示了可用于海上直流换流站平台的高压直流SF6气体绝缘开关设备（GIS）,与高压直流空气绝缘开关相比,直流GIS 可以节省70%～95%的空间,从而大幅度减小和降低平台的尺寸和成本,经济效益显著。所展示的直流GIS 已经过一年多在120% 额定直流电压下的试验,于2020 年6 月成功通过试验认证。

3.2.2 HVDC 电网控制和保护

本研讨会介绍了德国亚琛工业大学搭建的多端直流测试仿真平台。该平台由交流系统及设备、模块化多电平换流器（MMC）换流站和直流线路等模型组成,此平台具有可仿真3 000 个节点交流系统和风电场的OP5707 实时仿真器,仿真直流电网控制器的OP4510 实时仿真器和4 个线性功率放大器。基于此平台,亚琛大学对4 端直流电网进行了仿真研究。另外,亚琛大学还介绍了小信号扰动直接注入法推导MMC 阻抗。此方法可在实验室测试平台进行实物验证,也可采用建模仿真的方法验证。亚琛大学将实验室测试结果与仿真结果在频域中进行了对比分析,验证了在不同频率范围里2 种方法的有效性。

西班牙瓦伦西亚大学分别采用离线、控制器硬件在环（CHIL）和功率硬件在环（PHIL）实时仿真对PROMOTioN 项目海上直流系统控制设计进行了验证,以交流并网为例展示了其风机的黑启动研究成果。得出以下结论:采用CHIL 验证海上风机并网的控制特性需要足够多的风机,才能确保风机间的相互影响得到准确的验证；连续黑启动过程会因涌流和铁磁谐振产生过电流或过电压且启动过程会较长；若采用软启动会缩短启动时间并降低涌流和谐振；对于大量风机并网而言,故障响应及恢复特性至关重要。

另外,研讨会介绍了风机阻抗的测量及验证,内容涵盖:无须打开生产厂家黑盒子的主动元件的评估与采用CHIL 和PHIL 所得阻抗测量结果的比较。得出以下结论:阻抗测量法被认为是表征VSC 并网的有效方法,可为未来能源系统的电气化奠定基础；CHIL 与PHIL 在中、低频频率范围具有很好的匹配,对于高频率范围（大于1.5 kHz）PHIL 的结果具有测量不确定性以及不稳定性问题。综上,CHIL可成为被广泛应用的模型验证方法。

研讨会上还展示了中国张北直流电网示范工程的控制保护系统,包括:控制系统构架、运行控制模式、各换流站自适应控制、孤岛控制、系统上电控制以及保护分区和冗余设计、换流器的配置和采用直流断路器的直流线路保护原则等。

3.2.3 HVDC 电网的发展

研讨会介绍了欧洲北海海上HVDC 输电电网的研发进展情况。在PROMOTioN 项目的框架下,通过对多端放射型和环网型的技术经济对比,提出了在北海逐步建立多端跨国HVDC 电网倡议,且对三端直流电网进行了可行性研究。得出以下结论:建立多端、跨国、多供应商的海上HVDC 电网在技术上是可行的；由多供应商建成的HVDC 电网并网需要进一步的标准化工作；国际合作与协作是实现可持续发展的关键；需要实际试点项目以充分展示直流电网的可行性和效益。

另外,由总部位于德国的输电运营商介绍了关于海上风电项目并网的“欧洲海上风电母线（European Offshore Busbar）”全新计划,旨在为德国和欧洲其他国家海上风电建立专用的海上电网,降低并网成本,以满足符合可持续发展理念的未来海上风电并网需求。所提欧洲海上直流母线工程将北部的挪威,经丹麦、荷兰和法国,最终与英国相连。此联合倡议的关键原则是模块化扩展、稳健的进展、一个多端直流系统及跨国开源路径。

欧洲项目的研究成果表明,预计在2027 年欧洲可实现标准化的2 GW、525 kV 海上输电平台建设；2030 年建成丹麦能源群岛和风电连接器；2040 年建成北海风电枢纽站；2050 年建成欧洲海上直流母线。

研讨会上还介绍了英国苏格兰在建的Caithness-Moray-Shedland 三端辐射状直流系统,内容包括项目进展、拓扑、主设备（直流断路器、变压器和交流耗能器）、控制与保护、调试试验和展望等方面。

中国张北直流电网的建成以及欧洲项目的相关科研成果已证明直流电网不但技术上可行,而且还具有独特的效益。要实现和建成国际化多厂商供货的海上直流电网,需要采取实质性的行动,即所有利益相关者需要协调合作,实现直流电网系统和设备的标准化建设；攻克因多厂商供货带来的诸如控制系统的兼容性、运行的可操作性和等效模型的准确性等相关技术难点。这些也是建设直流电网的进程中需要面对的挑战。

4 专题讲座

主题为“连接于弱网或孤网的逆变器运行特性”的专题讲座介绍了在弱交流系统/孤立交流系统中对逆变器的要求和可行的解决方案,对电网跟随式逆变器和电网形成式逆变器做了详细的介绍。

讲座从同步发电机为系统提供电压支撑和频率调节的原理和功能入手,得出弱电网对逆变器的要求。在电压支撑方面,系统稳态运行时,逆变器需按照所设计的PQ 能力为系统提供所需的无功支撑；在动态及故障时逆变器须给系统注入大量无功,支撑电压快速恢复。在频率调节方面,逆变器需提供类似于同步发电机惯性矩能力的惯性支撑；其功率输出应能够根据频率下降设置进行调整,能够适应系统功率的波动,需要由系统操作员确定储备需求,能够接受连接区域的自动发电控制所要求的功率调整等。现有的解决方案包括根据逆变器的最大电流能力（通常约为1.1～1.2 p.u.）优化有功-无功电流的支撑；逆变器电流能力内的惯性仿真（例如风机惯性）、使用动态无功补偿设备（如STATCOM）或同步调相机提供电压或惯性支撑等。对逆变器未来的研究包括耐受高暂态电流的逆变器（1～2 s 的电流高达约3～4 p.u.）、逆变器内部或其直流侧的储能能力、作用类似于同步电机的控制器以及基于储能功能充分利用可再生能源等。

CIGRE TF-77 将电网跟随式逆变器的定义为与交流电网电压和频率相匹配的换流器,且可在交流故障期间提供等同于稳态额定电流的无功电流。典型的电流限制值为稳态时是1.0 p.u.,暂态时是1.1～1.2 p.u.,故障时逆变器的输出以无功电流为主且最大为额定电流。动态无功支撑需根据相关电网规范所确定的特性曲线进行设置。惯性/频率控制需要有功电流来维持频率稳定,其中有功电流的来源包括:由直流输电系统的整流侧提供、增加直流电压将能量储存在直流输电系统和子模块中以及专门配套的储能设备。常见的电压/无功功率控制模式有3 种:电压控制、电压相关的无功功率控制以及功率因数控制。

电网形成式逆变器是能够控制连接点的电压和频率的逆变器,为所连接的其他设备提供参考电压（作用类似于电压源）,且能够自行启动以及其他设备应能够与其连接/同步。讲座对电网形成式逆变器的要求和控制做了详细的讲解,包括基于虚拟同步机控制技术即可实现电网形成式逆变器的功能控制,其他诸如与电网跟随式逆变器相同的电压控制器和具有频率下垂功能的功率控制器等。讲座以仿真为例验证了各种控制功能和对系统需求的满足。

在规划和设计逆变器时,需充分考虑系统需求、逆变器通流能力、仿真分析计算,由此得到对逆变器的要求并确定是否需要诸如STATCOM 或同步调相机等其他设备。

5 直流输电技术的思考及展望

近20 年来电力系统的发展举世瞩目,由于可再生能源高渗透和电力电子设备高比例接入,导致了现代电力系统呈现更为复杂的强耦合、非线性的随机特性。UHVDC 输电、高压柔直工程的建设,加速了电力系统的电力电子化,使原本弱直强交的电力系统逐步转向强直弱交的局面；因智能电网的建设,高比例可再生能源已接入电网的不同电压等级,打破了传统的自上而下的输、配、供电模式；还有正在崛起的综合能源体系、电网数字化等,都直接或间接地影响到直流输电系统的发展、系统建模与仿真和设备研发。

5.1 LCC/VSC 混合直流输电系统

虽然LCC-HVDC 输电技术及装备已得到了实际工程的应用,在世界范围内已建成多个HVDC 输电工程并投入运行,实现了大容量、远距离的电力功率传输,显著提高了电网大范围的资源优化配置。但是,随着HVDC 输电的广泛应用,多回直流输电线路不可避免地落在同一个受端交流系统,显现出馈入直流落点密集、功率大、耦合紧密等特征,受端系统易受到交流电网故障影响而发生换相失败,由此可导致直流单/双极闭锁等直流系统的故障对所接入的送、受端交流电网产生较大冲击,威胁到电网安全稳定运行。

VSC-HVDC 输电技术,因其换流器能够实现自主换相,从根本上避免了换相失败的风险。在LCC-HVDC 输电系统中引入VSC 构成混合型直流输电方案,即送端采用LCC 技术,受端采用VSC 或LCC/VSC 混合技术,可兼具LCC-HVDC 输送容量大和VSC-HVDC 输电控制灵活的优点,既解决了换相失败的问题,又具有良好的稳态及暂态特性。因此,LCC/VSC 混合直流系统将会在未来电网中发挥日益重要的作用,成为UHVDC/HVDC 输电技术的一个重要发展方向,如中国国家电网有限公司和中国南方电网有限责任公司分别规划建设了白鹤滩、乌东德等混合直流工程。

5.2 VSC 多端系统和直流电网

电力系统中可再生能源和换流器的大量接入会导致交流系统惯性和短路容量的降低。交流电网中相邻的由不同供应商提供的多个换流器之间会因供应商之间的保密限制等因素而产生交互影响,此影响也会波及相连的交流系统,从而影响整个电力系统的安全稳定运行。近年来,由不同供应商提供的太阳能、风能和HVDC 的大规模接入在电网中已导致多次振荡频率范围很广（100 Hz 至近10 kHz）的稳定性问题,由此引起的系统互操作性和稳定性是未来电力系统发展中关键和亟待解决的问题。

随着VSC 技术的成熟、成本和损耗的降低,在不需要大容量远距离电能传输的地区（如欧洲大陆）,VSC-HVDC 技术已完全取代了LCC-HVDC技术。从本次CIGRE 会议得知欧洲海上风电并网用直流电网也已得到广泛的论证和认可,多端VSC-HVDC 系统正在逐步建成。在不远的将来,欧洲北海上将会建成三端直流电网,并逐步扩展到多端、多网孔连接多国的由不同供应商提供设备的海上直流电网以及陆地直流电网。可以断定直流电网是电力系统发展的重要方向之一,但如何有效解决由多供应商提供设备的直流系统的兼容性、互换性、运行的配合性、可操作性和等效模型的准确性等带来的诸多问题以及直流电网系统和设备的标准化建设也是直流电网发展过程中所面临的挑战和研究方向。

5.3 海上风电场的直流并网

近年来,海上风电采用VSC-HVDC 并网发展迅速,成为驱动海上直流电网发展的动力。如何降低海上平台的尺寸和成本,设备的紧凑化和轻型化是一大挑战和机遇。到目前为止,已建成的海上平台的直流开关场均采用敞开式GIS,为满足绝缘间距的要求,设备间距离大,整个直流开关场所需空间大。如何减小直流开关场中设备间距,即直流GIS的工程化应用和改进是相关设备制造商近年来努力研发的方向。

另外,换流站组件可视化和数字化服务将在直流系统的全周期服务以及海上平台设备的免维护中发挥十分重要的作用。如何借助先进的信息通信（IT）技术和人工智能（AI）技术改进人机交互界面（HMI）和数据库标准语言设计,改进网络安全交换机及防火墙、区块链平台、虚拟现实（VR）、激光3D和成像等也是换流站相关研究的热点和研发方向。

5.4 直流系统/电网的控制保护

UHVDC/HVDC 的控制保护以及风险评估等是UHVDC/HVDC 系统安全稳定运行的保障。应用先进的IT 和AI 技术,研制出先进的具有自适应功能的控制系统以消除系统振荡,并提高功率响应速度,加强直流电网系统和设备间的顶层协调控制等是UHVDC/HVDC 控制领域的研发热点；如何借助先进的IT 和AI 技术,研制出快速、高灵敏度、先进的故障检测和定位技术,并结合换流器半/全桥拓扑、直流故障电流限制和开断技术的直流系统保护策略是当下UHVDC/HVDC 保护领域的研发方向；如何评估多供应商高压直流项目中管理存在的风险等,也是亟待解决的问题。

5.5 直流系统的建模仿真及测试平台

直流系统仿真是从事直流系统分析、研究的重要方法和手段之一,仿真技术水平决定了系统分析研究的水平,如何对处在变化中且具有海量电力电子开关器件的直流系统进行准确建模,得到正确仿真结果；如何等效和搭建因高比例新能源带来的具有强随机波动性和互补特性的电源模型；如何应对因未来电力系统向微观纵深和宏观全局的发展,这一系列问题对多时间尺度、全过程的仿真需求也是建模仿真领域所面临的新挑战。

在直流配电系统的建模仿真方面,如何等效和搭建电动车充电等导致的具有随机不确定性和概率特性的负荷模型,如何确保综合能源终端建模的准确性,如何简化交直流混联的复杂性以及如何体现具有双向响应特性的源、网、荷的互动性是直流配电系统建模仿真研究的热点和研发方向。

因多供应商之间的保密以及知识产权的限制,无法获得精确的系统模型。如何对多设备供应商的换流站系统进行离线和实时硬件在环系统测试以及现场试验验证,如何对多设备厂商换流站的控制、数据交换和模型验证及共享等方面提出标准化的要求等也是亟待解决的问题。

多端直流测试仿真平台是验证直流电网控制保护系统有效性和安全性必不可少的手段。另外,离线仿真、CHIL 和PHIL 实时仿真也是开发、验证控制保护系统最基本的手段。不同测试和仿真手段之间的有效性验证和互补以及精确、有效、合理的模型等效和简化是HVDC 电网控制和保护系统正常、稳定、安全运行的保障。

5.6 直流设备

在直流设备层面,AC/DC 换流器、直流断路器、直流GIS、直流变压器、直流故障限流器以及直流潮流控制器等是构建直流电网的重要设备。虽然会议涉及AC/DC 换流器研发的成果较少,但研发具备故障隔离能力、多功能、功耗小、成本低和紧凑化的新型VSC 换流器是本领域发展方向之一。

另外,VSC-HVDC 馈电和诸如风力和太阳能等基于逆变器的发电设备并网正成为发展趋势,大量传统发电机正在逐步被淘汰。为了满足给系统提供诸如电压支撑和惯性/频率调节的功能,连接到弱电网或孤网的逆变器功能设计与传统的逆变器设计会有所不同。如何基于虚拟同步机控制技术,研发出满足弱网或孤网各种控制功能需求的电网形成式或电网跟随式逆变器,是未来逆变器研究的技术方向之一。

直流断路器是直流电网的关键设备,被用来快速清除/隔离直流故障,确保系统内未受故障影响部分能持续安全稳定运行。因此,经过10 余年的研究,在世界范围内已研发出不同技术路线、不同拓扑和不同电压等级的直流断路器,如额定电压最高达500 kV 的直流断路器已通过试验并应用于中国张北直流电网示范工程。但是相对交流断路器而言,直流断路器的尺寸和成本远远高于交流断路器,这也是影响直流电网发展的主要因素之一。因此,进一步降低直流断路器的成本和尺寸,集成或融合诸如限流、潮流控制等其他功能的新一代尺寸小、成本低、功能全的直流断路器的研发仍然是本领域面临的一大挑战和发展方向。

相对而言,本次会议少有涉及直流变压器、直流潮流控制器以及直流故障限流器等的研究成果。随着欧洲海上直流电网建设的不断推进,此类设备的研发预计在不远的将来全面展开,成为本领域的发展方向之一。

另外,功能单一的各种设备会大大增加直流系统的成本、占地面积和损耗。可以预见,直流设备将向多功能集成融合、紧凑模块化的方向发展,从而提高系统可靠性及经济性。