±800千伏特高压直流输电技术是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远的先进输电技术，也是实现大规模电力输送的主要技术手段。换流阀是实现电能交直流转换的核心装备，是直流工程的“心脏”，也是我国重点发展的战略性高端装备，但其核心技术一直被3家跨国公司垄断，已成为制约我国“西电东送”战略实施的瓶颈。在国家 973 计划、国家自然科学基金、国家科技支撑计划和北京市重大科技专项等项目的支持下，国家电网公司全球能源互联网研究院（原国网智能电网研究院）汤广福带领团队经过8年科研攻关，攻克了换流阀关键技术，取得了多项原创技术成果，并得到了广泛的应用。

“±800千伏特高压直流输电换流阀关键技术及应用”项目由全球能源互联网研究院承担完成，主要合作单位包括中电普瑞电力工程有限公司、华北电力大学，主要完成人有汤广福、查鲲鹏、邱宇峰、崔翔、贺之渊、魏晓光等。项目成果荣获2016年国家技术发明二等奖。

一、换流阀多物理场综合调控技术

换流阀内部存在的电、磁、热、力等多种物理场综合作用，而我国一直缺乏对换流阀内多种物理场作用规律的认识，严重影响了换流阀及其部件的整体创新设计，成为自主研发的瓶颈。

为揭示换流阀塔多物理场之间的相互作用机理，提出伽辽金匹配和点匹配结合的快速计算方法，建立了换流阀的电-磁-力和电-热-流体等多物理场数值分析模型，获得了饱和电抗器磁滞伸缩作用下和考虑冷却管路流程损失下的多物理场耦合关系，以及金属钳制电极形状对水路局部放电、电化学腐蚀速率的影响等系列规律。

基于上述理论研究成果，提出了多体同腔冷却一体化电阻设计方法；发明了磁滞伸缩振动抑制、铁芯非对称阻抗温度调控的饱和电抗器设计技术，电抗器最大电磁力降低50%、热点温度低于68℃（国外75℃）；发明了串并联同程对角冷却技术和冷却管路迎流锥面电位钳制技术，抑制了钳位电极的电化学腐蚀速率。

通过多物理场的综合调控，研发多跨混合构架式换流阀模块，以及模块间多点绝缘悬吊铰链阻尼技术，提出了双列对称式换流阀塔结构，阀塔中各层阀模块端部自上而下首尾相接形成螺旋式电气结构，大幅度降低了电场畸变度，局部放电小于10pC（国外 50pC），并实现了阀塔中近 400 条水路的流量均衡控制，提升了整体散热效率，增强了高电位梯度下的水路内外绝缘性能。

二、换流阀晶闸管串联宽频均衡技术

换流阀内串联晶闸管级数众多，受杂散电容影响其在承受数百千伏电压和数十千安的冲击电流时，会导致晶闸管电压分布不均、开通电流过大，造成晶闸管损坏。如何防止晶闸管被过压击穿或者过流烧毁，是换流阀自主研制需要突破的一大技术难题。

为全面掌握微秒级时间尺度内冲击电压分布和冲击电流的变化规律，奠定换流阀串联设计的理论基础，提出了窗口截断的改进边界元杂散电容提取方法、矢量匹配有理函数逼近的电路综合方法，成功研发电抗器铁芯层间径向饱和过程建模技术、晶闸管关断载流子抽取复合过程模拟技术，建立了可完整模拟各种工况及雷电、陡波冲击电压作用下换流阀电压分布特性的集成宽频分析模型，换流阀塔宽频电压分布计算结果与实测值偏差小于3%（常规方法大于50%）。

基于宽频模型的仿真分析，发明了多点金属纵向增强耦合杂散电容调节控制技术，降低了杂散电容影响；建立载流子扩散与饱和电抗器伏秒特性的映射关系，发明晶闸管载流子扩散与饱和电抗器非线性参数配合技术，使 6 英寸晶闸管 5微秒内开通电流由 3 000安降低到 500安以下，解决了百余支串联晶闸管安全开通难题；提出了以恢复过冲电压、晶闸管间电压差、损耗为约束的多维迭代寻优方法，发明了最低损耗约束的关断恢复电压过冲抑制技术，解决了晶闸管关断载流子抽取复合与换流电感谐振引起的电压过冲问题，过冲倍数小于 1.15。实现了换流阀百余支晶闸管及其组件的串联宽频均衡，在稳态、暂态工况下晶闸管间电压分布不均衡度小于 5%。

三、强电磁环境换流阀触发与保护技术

换流阀是高压组件和控制电路高度融合的设备，控制电路会受到邻近高电压大电流回路的强电磁干扰，其内部控制电路在该严酷环境下会出现误动、拒动等问题，如何保证换流阀触发与保护的可靠性是换流阀设计的关键难点。

为解决高电位光接收电路受干扰后，引起信号识别错误导致的误触发问题，提出了序列脉冲双冗余晶闸管触发方法，提高了晶闸管触发驱动的可靠性。发明晶闸管过电压阈值自适应调节保护技术，在过电压保护连续动作时，高电位的晶闸管控制保护电路自适应调节保护阈值，将晶闸管承受的过电压应力减少 30%，降低了晶闸管在过电压下的损坏风险。

为避免脉冲被干扰引起误判问题，研发成功前置模拟滤波宽频域高精度电压测量技术，提出低通前置模拟滤波方法，应用主动滤波和多层屏蔽等技术，有效抵御强电磁环境对模拟和数字信号的干扰，实现了宽频带、高线性度和高精度的晶闸管及组件运行状态的监测。提出根据晶闸管运行工况划分时间窗的状态回报脉宽数据压缩方法，发明了复加时间窗标识信息交互编解码技术，实现状态信息原始码流与伪随机序列的复加混合，解决了传统状态脉宽编码在换流阀内部强电磁环境下传输易被干扰的难题，实现了换流阀触发与保护误动率小于 10^-12，可靠性提升一个数量级。

四、换流阀多应力等效试验技术

等效试验用于确定换流阀设计的边界条件，是自主开发的基础，也是检验其性能的必要手段。由于换流阀运行工况复杂，与电网系统间存在强耦合关系。等效试验需精确地模拟换流阀运行中高电压、大电流及其变化率、热等复合应力特性。

为建立评判直流换流阀实际运行条件下和等效试验条件下内部运行状态等价性的依据，提出了换流阀“宏观应力等效”和“微观失效”两个层次的试验等效分析方法，建立了表示两者特征的数学模型，结合解析分析法、量纲分析法和相似分析法，提出了换流阀试验等效准则，构建了换流阀等效试验与评价体系，为等效试验方法的提出奠定了理论基础。

为保证换流阀试验等效性并减少换流阀试验容量需求，基于等效试验评价体系，发明了多应力源微秒级复合注入等效技术和多源复合试验电路，通过损耗平衡化振荡升压、谐振、电感调波冲击等5种应力源电路以及多组电力电子开关的微秒级开通和关断，实现了高压与大电流连续复合（80千伏/2千安高压源、7 500安大电流源）、正向三周波长脉宽浪涌电流注入（60千安/18毫秒）、晶闸管暂态恢复期（<700微秒）瞬变冲击叠加（300千安）等复合试验运行方式，可交替多次向换流阀试品施加电气应力，以较低的试验电源容量准确模拟了换流阀开通和关断过程中的复杂电气应力和脉冲功率损耗。发明了操作冲击电压、脉冲电流、充电补能复合的非周期触发试验技术，准确模拟了换流阀高电压开通（450千伏）出现微秒级浪涌电流（10千安）冲击的电气应力。由此开发出具有13 种复合运行方式的换流阀试验平台，参数和功能在行业内具有突出优势。

为解决多重阀试验占用空间大、悬吊系统要求高等试验实施难题，提出了分频复用宽频阻抗等效负载模拟试验方法，发明了0～1兆赫范围内与换流阀幅频、相频特性一致的等效负载电路拓扑，研制出相应的试验等效负载，可准确模拟换流阀绝缘试验中 IEC 标准规定所需的额外两个换流阀塔，使试验大厅空间降低50%、悬吊系统重量要求降低 67%。该方法大幅简化了试验程序、提高了试验效率，已被写入国家标准《GB/T28563-2012 ±800kV特高压直流输电用晶闸管阀电气试验》。

推广应用情况

在国内，该项目开发的A5000 型±800千伏特高压换流阀，已成功应用于±800kV/7 200MW 锦屏至苏南特高压直流工程。该工程于 2012 年 12 月 12 日正式投运，每年可向江苏南部地区送电 360 亿千瓦时，投运当年即实现苏州市全年无限电。项目成果还应用于哈密至郑州、溪洛渡至浙江、灵州至绍兴、酒泉至湖南等 4 条 ±800kV/8 000MW 特高压直流工程，以及上海庙至山东±800kV/10 000MW 特高压直流工程，为推动我国西部火电和水电、风电等清洁能源跨区域输送提供了有力支撑。

由于该换流阀运行性能优异，安全可靠，在国外也得到了认可和应用。基于该项目技术，2015 年 1 月完成了对采用西门子技术路线生产的 6 个特高压换流阀塔的升级改造。解决了其换流阀阻尼电阻冷却容量偏小引起低流量保护误动、均压电阻自然冷却导致热点温度高、阀控系统抗电磁干扰能力差易误触发等问题，使换流阀低流量时保护延时由 4秒提升至12秒、热点温度由 100℃降低至70℃以内。该换流阀将应用于巴西美丽山Ⅱ期±800千伏特高压直流工程，标志着我国特高压直流换流高端装备“走出去”取得重大突破。

专家简介

汤广福，全球能源互联网研究院副院长，“先进输电技术国家重点实验室”主任，教授级高工，博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才，新世纪百千万人才工程人选，中国工程院第九届“光华工程科技奖（青年奖）”获得者，2012年国际大电网会议全球杰出会员，“高压直流输电技术与装备”国家重点领域创新团队带头人。长期从事灵活交流输电和高压直流输电技术领域的研究、开发及应用。先后主持国家973计划、国家863计划、国家科技支撑计划和国家自然科学基金等科研项目30余项。兼任IEEE/PES N. Hingorani奖励委员会委员，国际大电网会议B4.AG4战略顾问组成员，全国高压直流输电工程标准化技术委员会副主任委员等职。曾任国际大电网会议SCB4“高压直流与电力电子技术”专委会委员，国际大电网会议WG48工作组召集人，全国电力电子标准化技术委员会副主任委员。获国家科技进步一等奖、二等奖各1项、发明二等奖1项，省部级科技进步一等奖5项。出版专著4部，发表论文127篇。