中国方案！全球首台电网“超级心脏”正式“上岗”

日前，世界首台基于集成门极换流晶闸管（IGCT）的新一代直流输电换流阀——混合换相换流阀（以下简称“HCC换流阀”）在我国首个全国产化背靠背直流工程河南灵宝换流站完成168小时试运行后正式投入商业运行。

依托灵宝换流站改造项目，国家电网公司完成对换流站单元Ⅰ华中侧三相换流阀的“换心”改造，世界首台HCC换流阀“上岗”。

换流阀是直流输电系统的“心脏”。在灵宝换流站的“装备库”里，四大核心部件各司其职：换流变压器精准匹配330千伏与220千伏的电压差，平波电抗器抚平电流波动，控制保护系统实时调控功率输出，换流阀则是能量转换的核心担当——所有电能的“变身”，都得靠它来完成。

传统换流阀在电网故障情况下的“换相失败”可能引发输电骤停。传统直流输电采用电网换相换流（LCC）技术，换流阀由几千个晶闸管组成。一旦电网出现瞬时波动或故障引起电压扰动，就有可能导致晶闸管关断失败，换相过程就会中断，引起电能输送过程“骤停”——这就是“换相失败”。

“换相失败”是常规直流输电系统面临的历史难题，在我国华东、华南直流落点密集区域，单一交流故障可导致多回直流同时换相失败，造成千瓦千瓦级巨大功率冲击，威胁送受端电网安全稳定运行。其中，受端电网面临暂态无功不足、电压失稳风险，送端电网面临暂态无功过剩、过电压及新能源机组脱网风险。

清华大学电机工程与应用电子技术系直流研究中心主任余占清表示，此次投运的新型HCC换流阀，实现了微秒级时间内电流的精准识别、快速切断，能开能关，从根本上解决“换相失败”问题。目前，该技术先后被列入工业和信息化部2024年首台（套）重大技术装备推广应用指导目录、国家能源局第五批能源领域首台（套）重大技术装备名单。中国机械工业联合会组织召开的鉴定会意见指出，该产品“性能指标达到国际领先水平”“建议加快工程应用”。

因此，电网换上“超级心脏”，解决了传统换流阀“换相失败”问题，标志着我国在高压直流输电核心技术领域取得了“原理-器件-装备”全链条原创性引领。这是直流输电历史上的里程碑，为全球大容量直流输电提供了全新的“中国方案”。

2005年7月，我国第一个全国产化背靠背直流工程——灵宝换流站建成投运。从此，西北、华中两大电网实现互联。

彼时，西北和华中两大区域电网如同轨距不同的“铁路干线”——前者以330千伏电压等级承载着能源基地的“重载列车”，后者以220千伏电压等级输送电能至工业重镇与万千家庭。两条“干线”需要相连，却不能简单地“硬连”。灵宝换流站的“背靠背”技术，成功实现了两大区域电网的“能量转换”。

无需架设长距离直流输电线路，两组换流阀“背靠背”协作，在同一站内完成“交流—直流—交流”的完整转换。这套紧凑高效的设计，既能帮助电力“跨越鸿沟”自由流动，又隔绝了两大电网之间的故障传递。20年来，灵宝换流站累计输送电量超1300亿千瓦时，相当于1.5座三峡水电站的年发电量，成为西部清洁能源进入中东部电网的关键门户。

在灵宝换流站的“装备库”里，四大核心部件各司其职：换流变压器精准匹配330千伏与220千伏的电压差，平波电抗器抚平电流波动，控制保护系统实时调控功率输出，换流阀则是能量转换的核心担当——所有电能的“变身”，都得靠它来完成。

立足新器件、新技术、新装备，国家电网公司设备部组织国网河南电力、国网直流中心、国网经研院，并联合清华大学、怀柔实验室、中国电气装备集团有限公司等方面组成直流技术攻关团队，从换流阀的核心——功率半导体器件入手，勇闯技术“无人区”，自主创新提出基于IGCT器件的混合换相换流技术。

由此，经过9年产学研用持续协同攻关，团队研制出全球首款8千伏/3千安逆阻型IGCT器件，可实现双向承压，既可控制开通，又可控制关断，从根本上弥补了传统晶闸管的短板；并基于自主研制的IGCT器件，研制出世界首台HCC换流阀。

参与研发的中国电气装备所属中国西电西电电力系统董事长娄彦涛称，该成果有效消除常规直流输电换相失败风险，既适用于常规直流工程改造，也可用于新建特高压直流输电工程。HCC在保留与常规LCC直流相近的大容量、低成本、低损耗和高可靠性优势的同时，还进一步降低了换流站的无功补偿需求，是直流输电技术领域的重大突破。

余占清也表示，“产学研用”团队的攻关，实现了新型HCC换流阀从核心器件到集成系统的全面自主创新，为保障远距离、大容量高压直流输电提供全新技术路线和“中国方案”。

这套基于逆阻型IGCT的HCC换流阀，成功解决了常规直流输电中换相失败的难题。这项技术的应用，使得灵宝换流站在保持大容量、低损耗优势的同时，运行可靠性得到了显著提升。“从芯片到设备，从软件到系统，我们构建了完整的自主技术体系。”西电电力系统灵宝改造工程项目技术总负责人王江平说，“这不仅仅是一次技术升级，更是在国产创新路上迈出的坚实一步。”

“这次工程采用全国产芯DPS-5000G控制保护系统，突破高端电力芯片‘卡脖子’问题，为换流站装上了‘中国芯’。”许继电气直流输电分公司灵宝改造工程项目经理熊飞说，“从芯片到软件，从硬件到系统，我们实现了百分之百的自主可控。”

据悉，HCC换流阀这颗“超级心脏”，自带“起搏功能”。利用IGCT器件强有力的主动关断特性，HCC换流阀构建“自然换相+强迫换相”混合换相机制，让换流阀得以根据场景灵活切换角色。因此，换上“超级心脏”后的灵宝换流站，成为了新能源消纳的“超级枢纽”——西北戈壁的风电、黄土高原的光伏，这些“喜怒无常”的绿色电力，经过HCC换流阀的平稳转换，跨越千里送入华中地区的千家万户。它不仅能抚平新能源的功率波动，更能抵御电网扰动，让新能源消纳能力提升30%，为新能源基地大规模开发外送筑牢保障。

此外，在HCC换流阀安装过程中，为确保阀塔模块吊装精度与电气连接可靠性，国网河南直流公司采用“分段验收、定位复核”的安装方法严格把控螺栓紧固力矩，针对直流测量装置更换及阀用纯光CT加装创新实施“预制化布线、标准化接线”工艺，实现新旧设备接口无缝对接。在光纤敷设环节，通过“分层归束、路径优化”原则，结合三维放样技术与应力缓冲装置，确保光纤全程弯曲半径符合规范，并通过“工序交接确认制”与“关键点影像存档制”，实现工艺可追溯、质量可核查。

随着冬季用电高峰临近，改造后的灵宝换流站设备健康水平和运行可靠性大幅提升，将为西北风电、光伏清洁能源外送提供更强支撑，有力保障跨区电网迎峰度冬期间电力供应。积累的“国产化设备应用”“数智化管控”等宝贵经验，以技术原创的硬核实力为“西电东送”战略实施和“双碳”目标实现提供了新的技术支撑与发展动能。