一、什么是可控换相技术
研发背景
目前，我国华东、华南负荷中心已密集接入二十余条高压及特高压直流输电工程，已形成世界上容量最大、落点最密集、网络最复杂的多馈入直流系统。多馈入直流系统中，单一交流故障可以引发多回直流同时换相失败，可能导致区域电网电压凹陷甚至失稳；同时也会引起系统潮流大范围转移和重新分布，严重威胁电网安全稳定运行。
基于电网换相换流阀的高压直流输电技术(LCC-HVDC)由于具有容量大、损耗低等技术经济优势，是我国实施“西电东送”战略的主要技术手段。常规直流输电采用半控型晶闸管元件，存在换相失败现象。
未来，为满足东部电力负荷增长需求，我国仍需建设大量特高压直流工程，支撑西部大规模清洁能源外送，届时东部地区直流馈入落点将更加密集，直流换相失败对电网造成的扰动将更加剧烈，成为电网安全稳定运行与大规模清洁电力跨区输送需求之间的矛盾焦点。
为彻底解决换相失败难题，国家电网公司于2019年1月率先提出了基于半控、全控器件混联的新型可控换相换流技术（Controllable Line-commutated Converter，CLCC），中电普瑞电力工程有限公司(以下简称“中电普瑞”)深度参与并完成了CLCC换流阀的工程化设计研发及试验。CLCC换流阀集成了常规电流源换流阀（LCC）以及电压源换流阀（VSC）两种技术路线的技术优势，具有输送容量大、损耗低、可靠性高、系统支撑能力强等特点，同时兼容原有直流控制保护系统，可根本解决特高压直流输电工程受端换流站换相失败问题，是未来特高压直流输电的优选技术路线。
技术介绍
1.CLCC换流阀拓扑
CLCC换流阀以晶闸管作为主通流元件，和低压大电流可控单元构成低损耗通流支路实现电流主动转移，同时并联高压小电流可控单元，能够主动关断电流实现强迫换相。CLCC换流阀拓扑示意图如下图所示。
CLCC换流阀拓扑
2.CLCC换流阀运行原理
针对不同交流系统条件，CLCC换流阀可分别运行于自然换相模式以及可以抵御换相失败的强迫换相模式。
（1）自然换相模式
交流电压正常时，主支路电流下降至一定幅度后关断V12，同时开通辅助支路，电流转移至辅助支路，然后在交流电压作用下桥臂电流继续向其它桥臂转移。换相过程完成后，主辅支路电流均降为零，辅助支路零电流、零电压关断，不会产生关断过电压以及附加损耗。
自然换相模式换相过程
（2）强迫换相模式
当交流侧发生故障时，桥臂电流无法完成自然换相，此时在正常运行控制时序的基础上，当电流转移至辅助支路后，通过辅助支路V13关断故障电流，电流转移至避雷器，通过避雷器产生换相电压，完成桥臂间的电流换相，避免换相失败。
强迫换相模式换相过程
3.CLCC换流阀技术优势
（1）创新性提出了基于半控、全控器件混合串联的主辅双支路拓扑结构，实现了换流桥臂可控关断，可100%抵御交流故障引发的换相失败；
（2）CLCC换流阀继承了LCC换流阀输送容量大、过负荷能力强、运行损耗低（站损占比0.74%）的优点，系统特性与LCC换流阀一致，并可实现CLCC和LCC两种模式运行；
（3）CLCC换流阀采用模块化设计，可良好兼容常规直流系统，在运工程改造兼容性好。
二、可控换相技术应用前景
±500kV/1200MW葛洲坝至上海直流输电工程于1989年建成投运，是我国第一条±500 kV超高压直流输电工程，34年来累计向上海地区输送电量1800亿千瓦时。
2021年，因葛南直流输电工程主设备老化，同时解决华东电网直流多馈入地区换相失败问题，国网公司决定对两端换流站进行整体改造。
2023年6月11日，葛南直流改造工程完成系统调试，由中电普瑞提供的CLCC换流阀，顺利通过两百余项试验，并成功通过交流人工短路试验，充分验证了CLCC换流阀换相失败免疫能力。
CLCC换流阀型式试验
人工交流对地短路试验
2023年6月18日，经过168小时试运行，全球首套±500kV/1200MW高压可控换相换流阀在葛洲坝-南桥高压直流输电改造工程南桥站成功投运。
南桥站CLCC换流阀
自投运以来，CLCC换流阀整体运行稳定，截至2024年5月，南桥换流站已经历数次受端交流系统扰动，CLCC换流阀均无换相失败发生，抗扰动能力和系统支撑能力显著。
CLCC换流阀投运后，将继续为上海地区每年提供55亿度清洁电力能源供应，相当于上海市120万户年用电量。
本次改造彻底解决了换相失败问题，有力地验证了中电普瑞CLCC换流阀的有效性和可行性。LCC向CLCC的改造，显著降低了换流站换相失败引起的有功和无功功率扰动。同时，大大削弱了该站与相邻换流站之间的相互作用和影响，提高了整个受端交流电网的运行稳定性。
三、可控换相技术应用前景
CLCC换流阀作为一种全新的电流源型高压直流输电换流阀，继承了传统LCC-HVDC技术经济性优势的同时，又能避免换相失败的发生，将更进一步发挥电流源型换流阀在远距离大规模输电和区域电网互联领域的技术经济优势，项目的研究成果可用在以下场景：
（1）远距离、大容量输电。适合我国西部大型水电基地、新能源基地直流送出工程，尤其是受端位于华东、华中、华南等直流落点密集区域的工程。采用CLCC技术后，换流站近区可再生能源发电站因电压波动而发生大面积机组脱网的风险将显著降低，从而提高我国西北部地区风电、光伏等可再生能源资源外送规模，提升清洁能源跨区输送的经济效益。
（2）在运直流工程改造。对于在运LCC受端换流站，采用CLCC技术对原有换流设备进行改造，解决换相失败问题、提升多馈入系统安全稳定运行水平的同时，阀塔与原有阀厅布局和接口兼容，基本不改变换流站原有配置，节省投资。
供稿：直流业务部
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