清華團隊助力世界首個超高壓柔直電網工程

　　6月9日，在康巴諾爾換流站人工短路試驗現場，隨著一道弧光閃爍，阜諾線535kV直流斷路器在3ms內完成開斷并實現重合閘操作，這標志著由清華大學和北京電力設備總廠聯合研制的535kV直流斷路器圓滿完成人工短路試驗，創新直流開斷技術和關鍵指標達到國際領先水平。

　　人工短路試驗是直流電網調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的直流開斷技術先進性及斷路器性能為工程的正式投運奠定了扎實基礎。

　　康巴諾爾換流站所在的張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程(簡稱張北柔直工程)是世界上首個真正具有網絡特性的超高壓柔性直流電網工程，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)的柔性直流電網工程，工程核心技術和關鍵設備均為國際首創。作為2022年北京冬奧會重點配套工程，對于實現“零碳奧運”具有重要意義。

　　作為柔性直流電網的核心裝備之一，直流斷路器起到關合、承載和開斷正常回路條件下的電流、轉換系統運行方式以及切斷故障電流對系統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技術發展和應用的瓶頸。

　　張北柔直工程采用混合式、機械式、耦合負壓式三種技術方案。其中清華大學與北電聯合研制的直流斷路器，采用創新型全自主知識產權的耦合負壓技術路線，為張北柔直電網阜諾線的可靠、靈活、經濟運行提供重要保障。

　　清華首創耦合負壓直流斷路器拓撲，攻克世界性直流開斷技術難題

　　國際大電網會議(CIGRE)曾指出：“大容量直流開斷是一個世界性的難題”。面向高壓直流電網中的故障清除需求，以攻克世界性直流開斷技術難題為目標，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研究團隊，依托清華大學電機系、能源互聯網創新研究院、清華四川能源互聯網研究院組成的“一系兩院”攻關平臺，在國際上首創耦合負壓混合式直流斷路器拓撲結構，突破低損耗高可靠換流技術，解決電力電子開關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體系;并與北電聯合研制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路線的優異性能。

　　耦合負壓混合式直流斷路器 4 大技術優勢

　　技術優勢 1

　　低損耗高可靠的整體拓撲結構。包括僅由機械開關串聯組成的主通流支路、電力電子開關構成的轉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，通態損耗顯著降低，無需水冷散熱，節省空間，可靠性高，運行維護成本低。

　　技術優勢 2

　　高冗余快恢復的主通流支路。主通流支路中快速機械開關采用多個100kV真空開關串聯，恢復快，可靠性高，單個真空開關電壓等級達到世界領先水平。

　　技術優勢 3

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

　　技術優勢 4

　　高裕度高穩定性的電力電子開關。轉移支路采用基于常規恢復速度二極管和復合非線性阻抗的交叉橋式電力電子單元拓撲，比傳統斷路器方案節省40%的成本，關斷電流裕度大，可靠性高。

　　重要意義

　　經過多年的創新研究和技術積累，清華大學已從拓撲結構、換流方式、產品研制、工程應用等方面突破了直流斷路器關鍵技術，實現了直流斷路器系列化研制和規模化應用。

　　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;并已與北京電力設備總廠、泰開集團等企業完成成果產業化開發，在珠海唐家灣直流配電網、東莞交直流混合配電網、蘇州吳江直流配電網、張北柔直電網等工程中得到規模化應用，保障了多個直流工程的安全可靠運行，具有重要的學術意義和工程應用價值。

　　此次535kV直流斷路器成功在張北柔直工程中示范應用，不僅實現了科研服務國家重大戰略需求的新突破，同時也對推動我國裝備制造的自主創新能力、助力我國柔性直流電網技術持續進步具有重要意義。