会不会发生能源危机是21世纪人类最关心的问题之一。在当前世界能源资源紧缺、环境污染问题严峻的情况下，出现了全球能源互联（GPI）的概念，具体来说，是指将全世界的电力系统进互联在一起形成一个巨型全球能源网络，以促进清洁能源在世界范围内大规模地开发、部署和使用为目标，并确保这一复杂系统的稳定运行和能源的长期可持续。
图1 全球能源互联网（GPI）
为了实现GPI及其目标，需要改变目前电力系统开发和使用能源的方式，寻求更加高效、灵活、可靠的输电方式和途径。在这种形势下，基于电压源换流器（VSC）的高压直流（HVDC）输电技术以其独特的优势，吸引了国内外研究学者的注意，成为电网“新星”，被认为是实现GPI最有效和最有前景的技术途径之一。
主要内容
VSC-HVDC关键技术
集如此多优势于一身的柔性直流输电技术自然会受到世界各国的青睐，如美、英、德三国都规划在2020年前建设50条左右的柔性直流输电线路。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”主任汤广福（本文作者）也提出：“柔性直流输电将会成为直流电网中最主要的输电方式。”
但VSC-HVDC的大力发展离不开其关键技术的应用和技术难题的攻克，这些关键技术包括：系统设计技术、VSC-HVDC结构、过电压与绝缘配合、控制保护系统、换流站布局及VSC-HVDC设备。每一种都涉及到VSC-HVDC工程建设的方方面面。
系统设计包含研究、设计和工程，每个环节又涉及多个内容，如图2所示。
图2 VSC-HVDC系统设计具体内容
过电压与绝缘配合研究就是根据系统可能出现的过电压（操作过电压和雷电过电压）情况，确定系统中需要安装的避雷器的额定电压等级和位置。图2给出一种典型的换流站避雷器布置方案，表1为在不同的故障下避雷器承受过电压的情况。
图3 HVDC换流站典型的避雷器布置方案
表1 不同故障下各避雷器上可能出现的过电压应力
VSC-HVDC系统结构包含对称单极结构、不对称单极结构和双极结构3种典型的结构型式，如图4所示。各种结构各有其优缺点，在实际工程建设时应根据具体要求合理选择。注：表中S表示操作故障，L表示雷击故障
图4 3种典型的VSC-HVDC系统接线形式
控制保护系统的设计采用分级结构分为3层。第一层为SCADA系统，第二层包含控制系统、阀基控制器（VBC）和保护系统，第三层为本地输入/输出（I/Os），如图4所示。
图5 控制保护系统结构
换流站布局要考虑交流场、阀厅、直流场、控制保护室、冷却系统及其他设施的布置，典型的VSC-HVDC换流站布置方案如图5所示。其中，阀厅内的换流阀组件可以采用3层的阀塔、4层的阀塔、悬式结构或两层的布置形式。
图6 典型的VSC-HVDC换流站布局
VSC-HVDC关键设备
VSC-HVDC设备是系统的重要组成部分，根据安装位置可以分为3类，即交流场设备、直流场设备和阀厅内的设备，典型的关键设备如表2所示。
表2 VSC-HVDC设备
在系统设备中，换流器是VSC-HVDC中最关键的设备，相比两电平、三电平换流器，模块化多电平（MMC）结构谐波性能较好，不需要滤波装置，因此得到了广泛的应用，MMC换流器及子模块结构如图7所示。
图7 MMC换流器及子模块结构
目前，中国已研发出了1000MW/±320kV的VSC-HVDC换流阀，且已应用于厦门1000MW/±320kV双极直流输电工程，而±500kV/3000MW的MMC换流器正在研发中，将被应用于张北直流电网工程中。
直流电网关键技术和设备
直流电网通过AC/DC变换器将直流线路和DC/DC变换器连接起来，直流电网系统具有灵活性和可靠性较高、冗余性好、功率损耗低及抗干扰能力强等优点。因此，直流电网被认为是实现可再生能源接入、海上风电集成、将远端可再生能源输到符合中心、新型城市电网建设和交流系统互联最有效和最有前景的技术措施。直流电网的发展和应用成为发展智能电网和能源互联网的重要方向。
直流电网关键技术:除了VSC-HVDC的关键技术之外，直流电网独特的关键技术可分为仿真、控制保护和标准化三个方面。直流电网关键设备：除了VSC-HVDC关键设备之外，直流电网中还涉及到3类专用的关键设备，即直流断路器、DC/DC变换器和直流功率控制器。其中，直流断路器用于快速开断直流侧的故障；DC/DC变换器用于连接不同的直流电压等级，实现直流电压的变换；直流功率控制器用于确保在任何运行方式下，直流系统中的所有支路都不会出现过载的情况。
直流断路器技术是需要重点攻克的技术难题。如图7所示，ABB（图8a）、GE(图8b)和GEIRI(图8c)已经研制出了直流断路器的样机，其参数如表3所示。虽然3类直流断路器采用的电力电子器件和拓扑结构有所不同，但是其基本原理类似，即：
采用电力电子器件（ABB采用IGBT，ALSTOM采用晶体管，GEIRI采用基于IGBT的MMC）开断没有过零点的直流电流。
采用特快速隔离开关来保证直流电流在短时间内开断。
采用避雷器来限制过电压和吸收系统中储存的能量。
图8 直流断路器拓扑结构
表3 3类直流断路器样机的参数
DC/DC变换器也称为直流变压器，用于不同电压等级之间的互联，以实现电压变换，对于包含多个电压等级的直流电网而言，DC/DC变换器是最基本的设备。广义而言，DC/DC变换器可以分为3类：
带有中间变压器的高频变压器，如图9a和9b所示。
带有中间电容或电感，直接连接的方案，如图9c和9d所示。
带有半导体开关和MMC子模块堆栈的混合级联变换器，如图9e所示。
图9 不同类型的DC/DC变换器
中国的VSC-HVDC工程
目前，VSC-HVDC在中国得到了广泛的关注，相关的工程建设也得到快速发展。表4列出了中国已建成和在建的VSC-HVDC工程的具体情况。
表4 中国已建或在建的VSC-HVDC工程
结论
GEI是解决可持续发展和能源需求之间矛盾的基本途径。VSC-HVDC技术为区域电网建设及加速在这个领域的探索和实践提供了更多有效的支持。从所有VSC-HVDC输电工程，尤其是张北直流电网工程中获得的经验，将为该技术在世界范围内的应用和发展提供有益参考。
作者介绍
安婷，博士（IETFollow），中国国家电网公司（SGCC）全球能源互联网研究院（GEIRI）智能设备系统设计首席专家，中央“千人计划”、国家特聘专家。英国特许注册电力工程师，英国工程与技术学会会士；国际大电网会议B4/C1.65工作组成员，B4.72工作组召集人；中国科学院电工所客座教授，中国能源研究会特聘专家。研究方向为柔性直流输电和直流电网。
汤广福，国家电网公司（SGCC）全球能源互联网研究院（GEIRI）副院长，国际大电网会议B4-48工作组召集人，B4-AG04工作组成员。主要研究方向是常规直流输电、柔性直流输电和直流电网。
王伟男，华北电力大学与全球能源互联网研究院联合培养的在读硕士生。研究方向为直流电网的接地方式研究。
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