日前，世界首臺基于集成門極換流晶閘管（IGCT）的新一代直流輸電換流閥——混合換相換流閥（以下簡稱“HCC換流閥”）在我國首個全國產化背靠背直流工程河南靈寶換流站完成168小時試運行后正式投入商業(yè)運行。

依托靈寶換流站改造項目，國家電網公司完成對換流站單元Ⅰ華中側三相換流閥的“換心”改造，世界首臺HCC換流閥“上崗”。

換流閥是直流輸電系統的“心臟”。在靈寶換流站的“裝備庫”里，四大核心部件各司其職：換流變壓器精準匹配330千伏與220千伏的電壓差，平波電抗器撫平電流波動，控制保護系統實時調控功率輸出，換流閥則是能量轉換的核心擔當——所有電能的“變身”，都得靠它來完成。

傳統換流閥在電網故障情況下的“換相失敗”可能引發(fā)輸電驟停。傳統直流輸電采用電網換相換流（LCC）技術，換流閥由幾千個晶閘管組成。一旦電網出現瞬時波動或故障引起電壓擾動，就有可能導致晶閘管關斷失敗，換相過程就會中斷，引起電能輸送過程“驟?！薄@就是“換相失敗”。

“換相失敗”是常規(guī)直流輸電系統面臨的歷史難題，在我國華東、華南直流落點密集區(qū)域，單一交流故障可導致多回直流同時換相失敗，造成千瓦千瓦級巨大功率沖擊，威脅送受端電網安全穩(wěn)定運行。其中，受端電網面臨暫態(tài)無功不足、電壓失穩(wěn)風險，送端電網面臨暫態(tài)無功過剩、過電壓及新能源機組脫網風險。

清華大學電機工程與應用電子技術系直流研究中心主任余占清表示，此次投運的新型HCC換流閥，實現了微秒級時間內電流的精準識別、快速切斷，能開能關，從根本上解決“換相失敗”問題。目前，該技術先后被列入工業(yè)和信息化部2024年首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄、國家能源局第五批能源領域首臺（套）重大技術裝備名單。中國機械工業(yè)聯合會組織召開的鑒定會意見指出，該產品“性能指標達到國際領先水平”“建議加快工程應用”。

因此，電網換上“超級心臟”，解決了傳統換流閥“換相失敗”問題，標志著我國在高壓直流輸電核心技術領域取得了“原理-器件-裝備”全鏈條原創(chuàng)性引領。這是直流輸電歷史上的里程碑，為全球大容量直流輸電提供了全新的“中國方案”。

2005年7月，我國第一個全國產化背靠背直流工程——靈寶換流站建成投運。從此，西北、華中兩大電網實現互聯。

彼時，西北和華中兩大區(qū)域電網如同軌距不同的“鐵路干線”——前者以330千伏電壓等級承載著能源基地的“重載列車”，后者以220千伏電壓等級輸送電能至工業(yè)重鎮(zhèn)與萬千家庭。兩條“干線”需要相連，卻不能簡單地“硬連”。靈寶換流站的“背靠背”技術，成功實現了兩大區(qū)域電網的“能量轉換”。

無需架設長距離直流輸電線路，兩組換流閥“背靠背”協作，在同一站內完成“交流—直流—交流”的完整轉換。這套緊湊高效的設計，既能幫助電力“跨越鴻溝”自由流動，又隔絕了兩大電網之間的故障傳遞。20年來，靈寶換流站累計輸送電量超1300億千瓦時，相當于1.5座三峽水電站的年發(fā)電量，成為西部清潔能源進入中東部電網的關鍵門戶。

在靈寶換流站的“裝備庫”里，四大核心部件各司其職：換流變壓器精準匹配330千伏與220千伏的電壓差，平波電抗器撫平電流波動，控制保護系統實時調控功率輸出，換流閥則是能量轉換的核心擔當——所有電能的“變身”，都得靠它來完成。

立足新器件、新技術、新裝備，國家電網公司設備部組織國網河南電力、國網直流中心、國網經研院，并聯合清華大學、懷柔實驗室、中國電氣裝備集團有限公司等方面組成直流技術攻關團隊，從換流閥的核心——功率半導體器件入手，勇闖技術“無人區(qū)”，自主創(chuàng)新提出基于IGCT器件的混合換相換流技術。

由此，經過9年產學研用持續(xù)協同攻關，團隊研制出全球首款8千伏/3千安逆阻型IGCT器件，可實現雙向承壓，既可控制開通，又可控制關斷，從根本上彌補了傳統晶閘管的短板；并基于自主研制的IGCT器件，研制出世界首臺HCC換流閥。

參與研發(fā)的中國電氣裝備所屬中國西電西電電力系統董事長婁彥濤稱，該成果有效消除常規(guī)直流輸電換相失敗風險，既適用于常規(guī)直流工程改造，也可用于新建特高壓直流輸電工程。HCC在保留與常規(guī)LCC直流相近的大容量、低成本、低損耗和高可靠性優(yōu)勢的同時，還進一步降低了換流站的無功補償需求，是直流輸電技術領域的重大突破。

余占清也表示，“產學研用”團隊的攻關，實現了新型HCC換流閥從核心器件到集成系統的全面自主創(chuàng)新，為保障遠距離、大容量高壓直流輸電提供全新技術路線和“中國方案”。

這套基于逆阻型IGCT的HCC換流閥，成功解決了常規(guī)直流輸電中換相失敗的難題。這項技術的應用，使得靈寶換流站在保持大容量、低損耗優(yōu)勢的同時，運行可靠性得到了顯著提升?！皬男酒皆O備，從軟件到系統，我們構建了完整的自主技術體系?！蔽麟婋娏ο到y靈寶改造工程項目技術總負責人王江平說，“這不僅僅是一次技術升級，更是在國產創(chuàng)新路上邁出的堅實一步?！?/p>

“這次工程采用全國產芯DPS-5000G控制保護系統，突破高端電力芯片‘卡脖子’問題，為換流站裝上了‘中國芯’?！痹S繼電氣直流輸電分公司靈寶改造工程項目經理熊飛說，“從芯片到軟件，從硬件到系統，我們實現了百分之百的自主可控?！?/p>

據悉，HCC換流閥這顆“超級心臟”，自帶“起搏功能”。利用IGCT器件強有力的主動關斷特性，HCC換流閥構建“自然換相+強迫換相”混合換相機制，讓換流閥得以根據場景靈活切換角色。因此，換上“超級心臟”后的靈寶換流站，成為了新能源消納的“超級樞紐”——西北戈壁的風電、黃土高原的光伏，這些“喜怒無?！钡木G色電力，經過HCC換流閥的平穩(wěn)轉換，跨越千里送入華中地區(qū)的千家萬戶。它不僅能撫平新能源的功率波動，更能抵御電網擾動，讓新能源消納能力提升30%，為新能源基地大規(guī)模開發(fā)外送筑牢保障。

此外，在HCC換流閥安裝過程中，為確保閥塔模塊吊裝精度與電氣連接可靠性，國網河南直流公司采用“分段驗收、定位復核”的安裝方法嚴格把控螺栓緊固力矩，針對直流測量裝置更換及閥用純光CT加裝創(chuàng)新實施“預制化布線、標準化接線”工藝，實現新舊設備接口無縫對接。在光纖敷設環(huán)節(jié)，通過“分層歸束、路徑優(yōu)化”原則，結合三維放樣技術與應力緩沖裝置，確保光纖全程彎曲半徑符合規(guī)范，并通過“工序交接確認制”與“關鍵點影像存檔制”，實現工藝可追溯、質量可核查。

隨著冬季用電高峰臨近，改造后的靈寶換流站設備健康水平和運行可靠性大幅提升，將為西北風電、光伏清潔能源外送提供更強支撐，有力保障跨區(qū)電網迎峰度冬期間電力供應。積累的“國產化設備應用”“數智化管控”等寶貴經驗，以技術原創(chuàng)的硬核實力為“西電東送”戰(zhàn)略實施和“雙碳”目標實現提供了新的技術支撐與發(fā)展動能。