核心提示 柔性直流输电是电能变换和传输的新型输电方式。然而，基于电压源换流器的柔性直流工程需要一种能在几百毫秒内吸收数百兆焦能量的消能装置，用来提升柔性直流故障穿越能力。白鹤滩—江苏特高压直流工程应用了一种全新的直流可控自恢复消能装置，可以解决混合直流或者柔性直流受端交流系统故障情况下换流阀上产生暂态能量盈余的问题，提高混合直流或者柔性直流系统的可用率和可靠性。
消能装置：提高柔性直流故障穿越能力
基于电压源换流器（voltage-sourced converter，VSC）的柔性直流输电技术，没有换相失败问题，还可为电网提供无功支撑。近年来，随着器件性能的提高，柔性直流工程通过数个换流器的串并联即可达到与常规直流相同的输送容量，电压等级、输送容量和可靠性得到了巨大提升，为柔性直流输电技术的广泛应用提供了必要条件。
然而，基于VSC的柔性直流工程存在一种特有的功率盈余问题——在受端交流系统发生故障时，送端换流站因为距离遥远无法立即感知故障并立即减少输送功率，这会导致受端VSC在几十毫秒内累积过量的盈余能量，进而使受端VSC换流阀上产生超过设备耐受能力的过电压，诱发系统闭锁停运，甚至损坏VSC换流阀。
也就是说，基于VSC的柔性直流工程每当遭遇交流系统的几十毫秒级短时故障时，就需要停运系统，并待系统故障清除后再重新启动。这会在一段时间内产生交流系统的有功缺额，给系统频率稳定性带来不利的影响。因此，对于直流系统而言，电网通常要求其具备故障穿越能力，即在交流系统故障时，直流系统不停运且能正常稳定运行。
为解决VSC换流阀盈余能量产生的过电压问题，提升柔性直流系统运行可靠性，柔性直流工程需要一种能在几毫秒内瞬间启动、并能在几百毫秒内吸收数百兆焦能量的消能装置。国内外之前提出并应用了基于两种技术路线的消能装置：交流斩波耗能电阻（AC Chopper）和直流斩波耗能电阻（DC Chopper）。
第一代消能装置交流斩波耗能电阻由若干晶闸管和耗能电阻组成，安装于直流系统交流侧汇集母线上，存在设备分组多（需三相）、占地面积大、稳态损耗大、投切过程时间长、功率盈余与耗能不匹配、交流电网扰动大等问题。
第二代消能装置直流斩波耗能电阻由可关断的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和耗能电阻组成，安装于系统直流侧。相比第一代消能装置，直流斩波耗能电阻设备元件更少，占地面积更小，功率盈余与耗能匹配。然而，如将其应用于高电压、大容量场景，仍存在全控型器件串联级数多，均压设计、控制策略复杂，造价过高等问题。
新型消能装置研制成功并实现成果转化
2020年12月10日，白鹤滩—江苏±800千伏特高压直流工程正式开工。工程受端采用电网换相换流器（line-commuted converter，LCC）与VSC构成的混合级联直流技术。该技术无需研制特高压柔直换流阀，采用成熟的特高压LCC阀组和400千伏柔直阀组即可。因LCC具备反向阻断直流短路电流的能力，工程无需应用混合子模块技术，成本较低且技术更为成熟。
为保证白鹤滩—江苏特高压直流工程运行可靠，提高系统故障穿越能力，全球能源互联网研究院有限公司首次提出第三代消能装置技术——直流可控自恢复消能装置。该装置由固定部分避雷器、可控部分避雷器和并联在可控部分的超高速触发开关（如晶闸管触发开关、间隙触发开关、机械快速开关）组成。正常运行时，触发开关打开，直流可控自恢复消能装置整体接入系统；发生故障时，触发开关合闸，可控部分被旁路，利用避雷器的非线性特征限制VSC过电压；待故障清除后，触发开关再次打开，系统恢复正常运行。
通过合理配置固定部分与可控部分的参考电压、额定吸收能量，直流可控自恢复消能装置将限制故障期间VSC的过电压，并吸收盈余功率，提升受端混合级联的故障穿越能力。相比于采用全控型电力电子器件的直流消能装置，直流可控自恢复消能装置仅需机械开关即可实现控制功能，大幅降低了工程造价，同时具备电压/电流变化率低、控制更简单等优势。
从2018年开始，联研院牵头，国网经研院、中国电科院及南瑞继保等多家科研和产业单位联合开展直流可控自恢复消能装置成套设计。这项研究提出了直流可控自恢复消能装置的拓扑参数设计方法与直流系统的协调控制保护技术，突破了避雷器多组并联带来的可靠性不高问题，攻克了机械快速开关、间隙开关等关键设备的可靠性难题，首次提出了验证大容量消能装置的等效试验方法。
研发团队针对工程需求，组织了数十次技术方案评审，确定了装置设计方案。最终，样机型式试验通过。2020年，±400千伏直流可控自恢复消能装置研制成功，合闸时间小于1毫秒，单次吸收能量200兆焦以上，电压直流母线电压能够快速、稳定地控制在1.35倍额定电压标幺值（p.u.）以下。相关单位分别中标白鹤滩—江苏特高压直流工程受端两极的直流可控自恢复消能装置，实现了从设计到工程产品的转化。
推广应用前景广阔，有助于提升新能源消纳能力
直流可控自恢复消能装置可推广应用于未来新能源送出场景下受端暂时故障、海上风电柔性直流送出、柔性直流远距离互联功率互济等场景。
● 海上风电送出岸上交流系统故障时消纳盈余功率
海上风电送出的陆上交流系统采用架空线，需要考虑暂时性故障问题。故障期间功率外送受阻，新能源出力无法快速准确调节，直流侧将形成过电压，造成系统闭锁，会引起新能源机组脱网，系统无法实现暂时性故障穿越，降低能量可用率。应用直流可控自恢复消能装置后，海上风电柔直送出的岸上交流系统发生故障时，装置可以有效消纳海上风电场的盈余能量，确保新能源系统持续稳定运行，增强系统的可靠性和海上风电的输出消纳能力。
● 抑制新能源经特高压直流送出系统送端过电压
特高压直流工程显著提高了电网大范围优化配置资源的能力，同时，超大容量直流对交流电网的影响也增加了。如果特高压直流工程发生送端换相失败、直流侧短路故障，或者送端交流系统出现故障，将诱发送端电网形成较高的过电压，影响设备和系统安全。如果送端电网接入大规模新能源机组，过电压可能引发换流站近区新能源机组因高电压而大面积脱网。
适当改造直流可控自恢复消能装置，并通过集中或分散方式应用于特高压直流送端交流电网，可有效减少特高压直流送端电网的过电压问题，避免新能源机组脱网带来的电网稳定问题，提高特高压直流系统的利用率。
未来，直流可控自恢复消能装置推广应用前景广阔，可为提升新能源消纳能力提供解决方案，有效提高大范围内系统电能变换和输送效率。
（供图及作者单位：全球能源互联网研究院有限公司）
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