可控换相换流阀：保障电网安全稳定运行的“保险阀”

2024年6月21日，华东地区电网500kV线路突发故障，华新、枫泾换流站接连发生换相失败，导致近区电压明显跌落，直流传输功率出现大幅波动。同一时刻，南桥换流站CLCC立即启动强迫换相，如定海神针般抵御了故障冲击；同年9月16日台风期间，上海电网遭遇500kV线路跳闸，华新、枫泾双极再次发生换相失败，而南桥换流站CLCC全程保持正常运行，为电网筑起坚实防线。

这是中电普瑞CLCC换流阀抵御换相失败的真实写照，不仅避免了大量人力物力损失，更为上海电网的稳定运行提供了强有力的技术保障。

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，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，单一交流故障可能引发多回直流同时换相失败，导致区域电网电压凹陷甚至失稳；同时引发系统潮流大范围转移与重新分布，严重威胁电网安全稳定运行。

基于电网换相换流器的高压直流输电技术(LCC-HVDC)由于具备容量大、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，容易出现换相失败现象。

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，可从根本上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。

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，建立换相电压以实现强迫换相。

△CLCC换流阀拓扑示意图

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，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

未来十五年，我国规划建成30余回特高压直流工程。可控换相换流阀不存在换相失败问题，可有力支撑西部大规模清洁能源集中外送，满足我国东部负荷中心高速增长的用电需求，对助力实现双碳目标，推动我国经济高质量发展具有重要意义。

国际上，加拿大、印度、巴西等国家对直流输电都有迫切需求，可控换相换流阀作为新一代的技术解决方案，在全球的超/特高压直流输电工程建设规划中具备标杆意义。自主可控换相换流阀的研制，有助于我国重大电力装备进一步打开国际市场，获得更大的经济、社会和文化效益。

2025 年4月12日，中国电机工程学会在北京组织召开了“可控换相换流器(CLCC)关键技术、成套装备及工程应用”项目技术鉴定会。鉴定委员会认为，项目研发的可控换相换流器(CLCC)为国际首创，可有效避免交流故障引发的换相失败问题，整体技术达到国际领先水平。主要创新点包括：

一是首创了全/半控组件混联的主辅双支路桥臂电路结构，实现了任意交流故障下100%构建换相电压，解决了传统换流阀换相失败难题；提出了多组件电气参数协同设计方法，解决了大通流、低损耗、高耐压、强关断等多维度工程需求无法兼顾的难题；

二是提出了“零”无功吸收的交流故障穿越控制技术，降低了传统方法因大量吸收无功引起的电网电压失稳风险，缩短系统恢复时间30%以上；发明了周期性电流转移关断控制策略，实现了系统扰动的实时响应；

三是发明了近场杂散参数屏蔽抑制技术，解决了并联支路临近布置的换流阀紧凑化设计难题；发明了晶闸管和IGBT组件协调控制与快速保护技术，解决了极端工况下组件应力超限难题；

四是提出了换流阀-换流器-换流站多层级等效试验方法，实现了全工况换相失败防御能力验证；提出了阀电-热-声-磁高精度监测和实时预警方法，构建了基于分钟级动态策略规划的数字化运维体系。

±500kV/1200MW葛洲坝至上海南桥直流输电工程于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，为同时解决葛南直流输电工程主设备老化和华东电网直流多馈入地区换相失败问题，国家电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换流阀的换相失败免疫能力。

△CLCC换流阀型式试验

△人工交流对地短路试验

2023年6月18日，全球首套±500kV/1200MW高压可控换相换流阀通过168小时试运行，在葛洲坝-南桥直流改造工程南桥换流站正式投运。

△南桥换流站CLCC换流阀

自投运以来，南桥换流站CLCC换流阀整体运行稳定，经历9次受端交流系统故障，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，有力证明了中电普瑞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，极大削弱了该站与相邻换流站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。

CLCC换流阀作为一种全新的电流源型高压直流输电换流器，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器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：

一是远距离、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。

二是在运直流工程改造。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。