项目名称

柔性直流输电核心装备抗电磁干扰关键技术及现场验证

项目简介

构建以新能源为主体的清洁低碳能源体系是浙江省实现碳达峰、碳中和目标和高水平建成国家清洁能源示范省的必然要求。以柔性直流输电为代表的电力电子装备已渗透新能源发输配用各环节，是新能源安全高效利用的大动脉。电力电子装备具有应力裕度低、一二次设备高度融合等核心特征，对电磁变化高度敏感，极易发生强电磁干扰下的异常运行，厦门、舟山等柔直工程曾多次因电磁干扰发生强迫停运。国内外在柔直装备电磁兼容方面主要聚焦在装备对外产生电磁干扰的机理研究，暂未开展装备抗电磁干扰技术研究，相比日益成熟的控制保护技术，电磁干扰防护技术在柔直装备可靠性提升方面的短板效应显著。提高柔直装备电磁防护能力需解决电磁干扰机理分析、高带宽测量、高精度定位、高效能防护等一系列重大难题。

为解决以上难题，项目组按照“基本理论—关键技术—试验验证”的技术路线，攻克了柔直装备电磁干扰影响机理、高效防护和实践验证的核心难题，取得了以下主要技术创新：

1.提出了集总元件与分布参数交叉互联的二次设备共模与差模电磁干扰分析方法，奠定了柔性直流输电关键装备所受电磁干扰特性分析与调控的理论基础，分析了装备本体和周围空间瞬态电磁场的特性，揭示了瞬变强场下高压电力电子装备驱动控制及供能系统电磁耦合规律。

2.提出了纳秒级瞬态辐射电磁测量方法，实现了电磁测量带宽400MHz，响应时间低于1ns；首次将电磁时间反演技术应用于柔性直流输电系统故障源定位，实现了定位距离分辨率优于1米；发明了驱动控制单元和供能系统所受共模-差模干扰及空间电磁场的综合抑制技术，使设备抗干扰能力由三级提升至X级。

3.发明了直流断路器双源微秒级合成等效试验技术，开发出谐振大电流源与地电位抬升复合模拟试验平台，实现了直流断路器试验5个电应力的全等效；提出了直流断路器与换流阀的多时序全逻辑适配方法，提升了柔性直流核心设备的抗电磁干扰能力；提出了非接触式无人飞行器引弧短路的试验方法，首次开展了柔性直流输电系统人工双极短路试验，填补了该领域的试验技术空白。

项目申请发明专利24项，其中授权20项，发表论文21篇，其中SCI检索8篇。舟山五端柔性直流工程应用本项目电磁干扰防护技术成果后工程运行率由2017年的96%上升至2020年的99%，产生直接经济效益22.6亿元。项目成果同时推广至张北、如东、渝鄂等工程，显著提升了新能源消纳和区域能源互联能力。

项目成果可提高电力电子装备抗电磁干扰能力，增强新能源消纳可靠性，助力“3060”双碳目标如期实现，并显著提升了柔直输电装备制造能力，巩固我国柔性直流装备在世界的领先地位。

第三方评价

1.鉴定意见
2021年12月22日，中国电力企业联合会对本项目整体技术组织了成果鉴定，以中国科学院院士、强电磁工程技术专家王秋良为主任的鉴定委员会认为该项目成果整体达到国际领先水平。
2.检测报告
舟山直流断路器用子模块抗扰度试验
舟山直流断路器用IGBT驱动工频磁场抗扰度试验
张北直流断路器用子模块抗扰度试验
舟山直流断路器用功率子模块电磁兼容试验
舟山直流断路器绝缘型式试验
舟山直流断路器运行试验
张北直流断路器绝缘试验
张北直流断路器运行试验
张北柔直换流阀运行试验
舟山阻尼换流阀电磁兼容试验报告
±500kV/1500MW柔性直流输电换流阀型式试验报告
3.验收意见
1、验收资料齐全、规范，符合验收要求。
2、完成了国家电网科技项目任务书规定内容。提出了直流断路器双时间尺度电磁暂态仿真模型和磁场计算模型，开展了多种工况下直流断路器和换流阀的应力分析和损坏风险评估；提出了直流断路器与换流阀协同控制策略；提出短路试验方案，完成了双极短路试验。
4.科技查新
查新结论：
经分析比较，委托项目所提供的查新点:
(1)揭示了电力电子器件动态特性引发的断路器差模干扰电压机理，发现了直流断路器本体和周围空间瞬态电磁场的特性及规律，提出了直流侧短路故障对直流断路器产生的电磁干扰分析方法，除委托项目公开的相关文献有部分述及外，在所检其他文献中未见述及。
(2)提出了多时序全逻辑的直流断路器与柔性直流换流阀直流侧短路故障协调配合方法，发明了直流系统中高阻抗隔离的短路瞬问电磁干扰打制技术，设备抗干扰能力由三级提升至X级，基于电磁时间反演的柔直电网故障高精 度诊断及定位技术，除委托项目公开的相关文献有部分述及外，在所检其他文献中未见述及。
(3)混合型高压直流断路器双源微秒级合成等效试验技术 开发了谐振大电流源与地电位高频抬升复合模拟试验平台，实现了5个电应力的全等效，发明了非接触式无人飞行器引弧短路的试验方法，除委托项目公开的相关文献有部分述及外，在所检文献中未见述及。
5.学术评价
经电磁兼容领域权威期刊《IEEE电磁兼容汇刊》评选，《Electromagnetic Time Reversal as a Correlation Estimator: Improved Metrics and Design Criteria for Fault Location in Power Grids》等基于电磁时间反演的传导故障定位系列论文获得2018年度理查德.舒尔茨最佳论文奖，该奖项为年度唯一，认为该技术“创新性的将电磁时间反演技术用于柔性直流输电系统传导故障源诊断及定位问题”。
6.媒体报道
（1）2019年5月24日，人民网报道《全球首个高压直流断路器成功完成短路试验》，项目“检验了舟山柔直工程高压直流断路器开断功能，为我国后续的±500千伏张北柔性直流等工程的设备研发及工程建设运行积累了宝贵经验，对扩大我国在柔性直流领域的技术领先优势意义重大”。
（2）浙江新闻《舟山：全球首个高压直流断路器成功完成短路试验》、浙江卫视《耀眼电弧光闪过后 全球首个高压直流断路器短路试验成功》、国网工作动态《浙江公司完成直流现场双极极间短路试验》、中国电力报《全球首个高压直流断路器完成短路试验》、国家电网报《全球首个200千伏高压直流断路器完成短路试验》等多家系统内外媒体报道，“在传统的单极接地短路试验基础上首次进行双极极间短路试验，多种短路工况下直流断路器均成功动作，充分验证了直流断路器在系统短路故障过程中的动作性能，标志着高压直流开断技术走向成熟。”

社会效益和间接经济效益

1720万元

社会效益

项目提出的抗电磁干扰防护技术，可大规模推广至电力电子技术领域，大幅度提升高压电力电子装备运行可靠性，为构建以新能源为主体的新型电力系统保驾护航。
（1）推动高压电力电子装备电磁干扰防护技术发展。解决了柔性直流换流阀、直流断路器为典型代表的柔直核心装备电磁干扰高效防护问题。
（2）助力“3060”双碳目标如期实现。解决了柔性直流换流阀、直流断路器为代表的柔直装备运行可靠性问题，对新能源可靠消纳意义重大。
（3）推动了我国柔性直流装备走向世界。突破了柔直核心装备电磁干扰防护技术，显著提升了柔直输电装备制造能力。
通过应用抗电磁干扰关键技术，直流断路器和换流阀故障的出现频率和单次故障子模块旁路数量均大幅度缩减，相较于2017年、2018年共计出现百余次IGBT驱动故障，2019年至今未曾出现一例IGBT驱动故障，除科研资源的投入外，直接减少人工差旅费、IGBT驱动板卡及器件采购费用约620万元。
通过开展柔直单、双极短路故障试验技术的研究与实践，对柔性直流输电控制保护的快速性和可靠性进行了进一步验证，降低研发费用约200万元。
通过应用抗电磁干扰关键技术，断路器板卡设计能力和试验能力大幅度提升，有效较少了设计过程中第三方摸底试验的开展频次，相关试验测试费用减少约900万元。
累计节支总额1720万元。

推广应用情况

项目攻克了直流组网中直流断路器配置、直流故障快速恢复、换流站带电投退和潮流控制等核心技术，并研制了±200kV/15kA高压直流断路器和阻尼恢复系统，其成果应用情况如下：

（1）本项目成果整体应用于舟山五端柔性直流输电工程。全球首套高压直流断路器和阻尼恢复系统于2016年12月29日正式投入运行，解决了直流故障的辨识、隔离与系统恢复、潮流控制以及关键设备研发等技术难题，大幅提升了系统的运行可靠性和灵活性，通过了迎峰度夏、交流系统改造期间的多次保电考验。自直流断路器和阻尼恢复系统投运后，舟山柔直运行方式切换65次、故障停运4次、检修2次，本项目成果避免了一站停运，系统全停，共计增加输电量6.3亿千瓦时，柔直运行率由2014年的87%上升至2018年的99%。

（2）本项目成果为我国正在建设的张北±500kV柔性直流电网试验示范工程的前期规划、设计和设备制造奠定了技术基础，可显著缩短成套设计时间和核心设备研发时间。依托本项目研究成果，本项目完成单位此基础上开发、研制出的直流控保系统和±500kV直流断路器，并成功中标张北柔性直流电网试验示范工程。

主要完成单位

国网浙江省电力有限公司,华北电力大学,西安交通大学,全球能源互联网研究院有限公司,浙江大学,上海交通大学,许继集团有限公司,南京南瑞继保电气有限公司,中电普瑞电力工程有限公司

主要完成人员

陆翌、裘鹏、刘黎、齐磊、谢彦召、倪晓军、和少寅、李弸智、胡俊华、甘纯、韩坤、姜田贵、杨岳峰

完成人合作关系说明

成果完成人分别来自国网浙江省电力有限公司、华北电力大学、西安交通大学、全球能源互联网研究院有限公司、浙江大学、上海交通大学、许继集团有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、中电普瑞电力工程有限公司，有机合作、相互支撑、有力地保障了项目整体的高效推进和高质量完成。主要完成单位和完成人合作关系如下：

1、国网浙江省电力有限公司、华北电力大学、全球能源互联网研究院有限公司、南京南瑞继保电气有限公司合作关系

上述单位均为项目《柔性直流输电工程短路试验的理论研究及现场实践》（国家电网公司计划，编号：5211DS18004D）完成单位。其中其中国网浙江省电力有限公司为项目牵头单位，主要负责项目整体技术路线制定及编制项目技术方案，并负责子课题3工程化技术研究与示范应用的研究；全球能源互联网研究院有限公司主要完成课题1直流断路器性能考核研究；南京南瑞继保电气有限公司主要完成课题2柔性直流输电换流阀的保护策略研究；华北电力大学主要完成课题1和课题3短路试验电磁影响分析及现场测试。陆翌为项目课题3负责人，裘鹏、刘黎、齐磊、倪晓军、李弸智、姜田贵为项目主要研究人员。各单位在本项目通力合作、相互支撑，联合完成了多项发明专利，发表了多篇科技论文，如：裘鹏、陆翌、倪晓军、刘黎合作完成了发明专利《一种柔性直流输电系统直流故障的保护方法》，陆翌、裘鹏、齐磊合作完成了论文《舟山柔直工程混合式直流断路器短路试验方案设计及现场实践》等。

2、国网浙江省电力有限公司、华北电力大学、西安交通大学、全球能源互联网研究院有限公司、浙江大学、上海交通大学、许继集团有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、中电普瑞电力工程有限公司合作关系

上述单位均为舟山±200kV定海换流站直流侧人工短路试验工程参建和测试单位，国网浙江省电力有限公司为工程主要负责单位，同时负责工程试验调试和工程运维工作，全球能源互联网研究院有限公司和南京南瑞继保电气有限公司负责换流站关键装备等效试验方案落地，华北电力大学负责现场试验中的电流测量，西安交通大学负责现场试验中的瞬态电场测量，上海交通大学负责现场试验中的瞬态电压测量，许继集团有限公司和中电普瑞电力工程有限公司负责现场试验中瞬态电气量的数据采集，浙江大学负责现场试验结果的数据分析。陆翌为工程负责人，裘鹏、刘黎、齐磊、谢彦召、倪晓军、和少寅、李弸智、胡俊华、甘纯、韩坤、姜田贵、杨岳峰为工程核心技术人员，工程推进过程中，各单位针对工程建设中遇到的问题开展了大量的技术攻关，合作完成了多项发明专利和论文，如：陆翌、裘鹏、倪晓军合作完成了发明专利《直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略》，裘鹏、齐磊合作完成了论文《直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化》等。

推荐单位

浙江省电力行业协会

推荐单位意见

该项目围绕国家柔性直流输电关键装备抗电磁干扰能力提升的重大需求，按照“基本理论—关键技术—试验验证”的技术路线，攻克了柔性直流输电装备电磁干扰影响机理和高效防护的核心难题，提出了电磁干扰分析方法、高带宽测量、高精度定位、高性能防护及其实践验证等一系列关键技术，提升了电力电子装备的运行可靠性，取得了显著的经济和社会效益。舟山五端柔性直流输电工程应用本项目电磁干扰防护技术成果后工程运行率由96%上升至99%。项目成果同时推广至张北、渝鄂等直流输电工程，提升了新能源消纳和区域能源互联能力。项目成果为柔性直流输电装备电磁防护技术的发展奠定了坚实基础，实现了中国创造和中国引领，同意推荐该项目申报2021年度浙江省科学技术进步奖一等奖。

姓名

陆翌

排名

1

行政职务

副主任

技术职称

教授级高级工程师

现从事专业

电力电子技术

工作单位

国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

项目总负责。提出了干扰分析方法、驱动板卡和供能系统的电磁防护技术、短路试验现场试验技术等，对所有创新点均做出了重要贡献。

姓名

裘鹏

排名

2

行政职务

室主任

技术职称

高级工程师

现从事专业

电力电子技术

工作单位

国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

共同提出了驱动板卡和供能系统的电磁防护技术、短路试验现场试验技术等。

姓名

刘黎

排名

3

行政职务

运维检修部专职

技术职称

高级工程师

现从事专业

柔性直流运维检修技术

工作单位

国网浙江省电力有限公司舟山供电公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

提出了直流侧短路故障对直流断路器产生的电磁干扰分析方法，保证了短路瞬间强电磁干扰下直流断路器的可靠动作；提出了多时序全逻辑的直流断路器与柔性直流换流阀直流侧短路故障协调配合方法，发明了直流系统中高阻抗隔离的短路瞬间电磁干扰抑制技术。

姓名

齐磊

排名

4

行政职务

副院长

技术职称

教授

现从事专业

电工理论与新技术

工作单位

华北电力大学

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

提出了集总元件与杂散参数交叉互联、共模干扰与差模干扰共同作用的二次设备电磁干扰分析方法，揭示了瞬变强场下高压电力电子装备驱动控制及供能系统电磁耦合机理，发现了装备本体和周围空间瞬态电磁场的特性及规律；发明了驱动控制单元和供能系统所受共模-差模干扰及空间电磁场的综合抑制方法。

姓名

谢彦召

排名

5

行政职务

主任

技术职称

教授

现从事专业

电气工程

工作单位

西安交通大学

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

提出了柔直电网短路故障工况下的瞬态电磁环境的测试方案，组织研制了纳秒级抗干扰瞬态电磁场传感器和标定系统，并带领团队进行现场测量，并指导开展了短路故障定位的电磁时间反演应用验证等。

姓名

倪晓军

排名

6

行政职务

专责

技术职称

高级工程师

现从事专业

电力电子技术

工作单位

国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

提出了短路试验现场试验技术、电磁场测量技术等。

姓名

和少寅

排名

7

行政职务

无

技术职称

助理教授

现从事专业

电气工程

工作单位

西安交通大学

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

研制了纳秒级抗干扰瞬态电磁场传感器和标定系统，并参与直流断路器短路试验电磁场测量工作；通过对测量数据的分析，发现了直流断路器空间瞬态电磁场的特性及规律；提出了基于电磁时间反演的柔直电网传导骚扰源高精度定位技术。

姓名

李弸智

排名

8

行政职务

无

技术职称

工程师

现从事专业

直流输电技术

工作单位

全球能源互联网研究院有限公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

共同建立了供能系统宽频等效电路模型，揭示了寄生参数对暂稳态电压分布影响规律及共模转差模干扰作用机理，提出了断路器开断试验等效性评价方法。

姓名

胡俊华

排名

9

行政职务

直流处处长

技术职称

高级工程师

现从事专业

直流运行管理

工作单位

全球能源互联网研究院有限公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

共同提出了双极短路试验引弧方法、短路试验测量方案、电缆输电系统短路试验现场布置方法等。

姓名

甘纯

排名

10

行政职务

互联网办公室主任

技术职称

高级工程师

现从事专业

科技、互联网管理

工作单位

国网浙江省电力有限公司舟山供电公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

共同提出了双极短路试验引弧方法、短路试验测量方案、电缆输电系统短路试验现场布置方法等

姓名

韩坤

排名

11

行政职务

分公司副总经理

技术职称

高级工程师

现从事专业

电气工程

工作单位

许继集团有限公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

负责了混合式高压直流断路器空间电场分布仿真分析，以及基于本项目成果分析得到的抗电磁干扰关键技术的工程化柔性直流换流阀、直流断路器电气设计。

姓名

姜田贵

排名

12

行政职务

无

技术职称

高级工程师

现从事专业

电力电子技术

工作单位

南京南瑞继保电气有限公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

负责柔性直流换流阀方案设计、子模块研制、抗电磁干扰技术研究和试验验证，参与抗电磁干扰关键技术的工程应用。

姓名

杨岳峰

排名

13

行政职务

无

技术职称

教授级高级工程师

现从事专业

直流输电技术

工作单位

中电普瑞电力工程有限公司

对本项目主要科学发现或技术创造性贡献

研究了复杂电磁环境下设备控制策略，并进行了相应仿真和测试工作，实现了高阻抗隔离的短路瞬间电磁干扰抑制技术的工程化应用。

单位名称

排名

对本项目的支撑作用情况

国网浙江省电力有限公司

1

本单位作为项目牵头单位，对所有创新点均做出了贡献，开展了柔性直流输电核心装备抗电磁干扰关键技术及现场验证。提出了直流侧短路故障对直流断路器产生的电磁干扰分析方法，保证了短路瞬间强电磁干扰下直流断路器的可靠动作；提出了多时序全逻辑的直流断路器与柔性直流换流阀直流侧短路故障协调配合方法，发明了直流系统中高阻抗隔离的短路瞬间电磁干扰抑制技术；国际上首次开展了柔性直流输电系统的双极短路试验，实现了瞬态电磁场的特性及规律工程验证。

华北电力大学

2

本单位作为项目第二完成单位，对项目的主要贡献包括：

1）提出了集总元件与杂散参数交叉互联、共模干扰与差模干扰共同作用的二次设备电磁干扰分析方法，揭示了瞬变强场下高压电力电子装备驱动控制及供能系统电磁耦合机理，发现了装备本体和周围空间瞬态电磁场的特性及规律，为柔性直流输电关键装备所受电磁干扰特性分析与调控奠定了理论基础；

2）发明了驱动控制单元和供能系统所受共模-差模干扰及空间电磁场的综合抑制方法，解决了柔性直流输电关键装备高电位二次设备所受电磁干扰防护难题。

西安交通大学

3

本单位作为项目第三完成单位，对创新点1、2均做出了重要贡献。开展了纳秒级瞬态辐射电磁测量技术研究，研制了相关现场测量系统和标定系统，首创了基于电磁时间反演的柔直电网故障高精度诊断及定位技术，并作为主要单位参与了柔性直流输电系统人工双极短路工程，为项目实施提供了技术和设备支撑，推动了柔性直流输电系统电磁兼容技术的发展。

全球能源互联网研究院有限公司

4

本单位作为项目第四完成单位，对创新点1和3做出了贡献，共同开展了装备供能系统纵向电压均衡及端口骚扰抑制技术研究，开展了混合式直流断路器等效试验方法研究工作，研制了低压大电流源和高压小电流源双源合成试验平台，准确模拟实际工况中的复杂电热等应力，实现了对直流断路器全电压全电流等效试验考核。协助第一完成单位，完成了直流断路器现场试验验证。

浙江大学

5

本单位作为项目第五完成单位，对创新点1和3做出了贡献，共同开展了驱动板卡和直流断路器供能系统的电磁干扰机理分析，协助第一完成单位，开展了全球首次双极短路试验，获取了短路试验电压电流和电磁场数据，开展了数据分析，验证了抗电磁干扰技术的有效性。

上海交通大学

6

本单位作为项目第六完成单位，参与提出了多时序全逻辑的直流断路器与柔性直流换流阀直流侧短路故障协调配合方法，参与发明了直流系统中高阻抗隔离的短路瞬间电磁干扰抑制技术，设备抗干扰能力由三级提升至X级，参与首创了基于电磁时间反演的柔直电网故障高精度诊断及定位技术，定位距离分辨率优于1米。

许继集团有限公司

7

本单位作为项目第七完成单位，主要研究了抗电磁干扰关键技术，主要包括二次设备所受传导干扰耦合机理及瞬态电磁场特性理论研究、高频瞬态场测量技术、电磁骚扰防护技术、高精度故障定位技术等。成功应用于舟山五端柔性直流输电示范工程，研究成果有效提升了多端柔性直流输电系统工程运行可靠性。

南京南瑞继保电气有限公司

8

本单位作为项目第八完成单位，对本项目创新点及抗电磁干扰关键技术的推广应用做出了相关贡献，参与完成了舟山柔性直流输电工程实施；参与完成了项目技术成果技术推广应用。

中电普瑞电力工程有限公司

9

本单位作为项目第九完成单位，主要针对创新点2开展相关研究工作，通过对驱动等高电位板卡多次试验和反复验证，发明了高阻抗隔离的短路瞬间电磁干扰抑制技术，并在舟定站200kV高压直流断路器实现了工程化应用。