什么是可控换相换流器(CLCC)?它为啥能解决世界电力难题?

中国超高压、特高压直流输电技术世界领先。西电东送、北电南供，它发挥的作用巨大。

但这项技术有一个从“娘胎”里带来的问题——可能发生换相失败。受端电网一有风吹草动(比如短路、雷击)，直流输电就可能“心脏骤停”，功率瞬时中断。这个问题，困扰了全球电力行业半个多世纪。

而今，这道世界难题有了中国解法——可控换相换流器(CLCC)。

01

传统换流阀为什么会换相失败？

发电厂发出的电和我们家里用的电，都是交流电。

但要把西部清洁能源送到中东部负荷中心，“主力”是超高压、特高压直流输电线路——因为直流电更适合远距离、低损耗传输。

这中间就需要一个关键操作：换流。

在送端换流站，交流电“交换直”;到了受端换流站，再“直换交”。负责交直流转换，也就是换流的核心设备叫换流阀，可以说是直流输电工程的“心脏”。

可这颗“心脏”有个先天毛病：可能会“骤停”，也就是换相失败。

什么是“换相失败”?当受端交流电网发生短路、雷击等故障时，电压会突然跌落。这时，传统换流阀的核心元件——晶闸管无法正常关断，电流就不能按预期从换流阀的某个桥臂转移到另一个桥臂完成换相。这个现象，就叫“换相失败”。

换相是否成功的关键，在于上面提到的晶闸管。

晶闸管是一种半控型器件，被广泛应用，它可以被控制“开通”，但无法被控制“关断”。

那怎么才能“关断”它呢?必须靠交流电网给它提供一个反向电压。

所以，换流阀能否正常完成交直流转换，关键就看交流电网能不能提供足够的反向电压，帮晶闸管及时关断。

换相失败一旦发生，直流输送功率会瞬时中断，相当于换流阀暂时“罢工”。如果是单条直流线路，功率会短时跌落，就像心脏骤停。在多条直流密集接入的区域电网，一个交流故障可能同时引发多回直流换相失败，功率冲击成倍增加，威胁电网安全稳定运行。

02

为解决难题，

全球研究半个多世纪

为解决换相失败这一难题，全球电力行业研究了半个多世纪。早期的解决方案主要分为两类：

第一类：给电网“打补丁”

比如在换流站加装动态无功补偿设备如静止无功发生器(SVG)、调相机等，可以在故障期间提供无功功率，帮助维持电压。这样做可以降低换相失败发生的概率，但无法完全避免。

第二类：优化控制保护策略

比如应用换相失败预测控制技术，可以在检测到交流电压跌落时提前做一些调整，减少换相失败的发生，但这类方法同样无法根除隐患。

那么，如何才能根除?“他助”不如“自助”，换流阀如果能自己关断，不就行了?

没错，这就需要改变换流阀的拓扑结构，让换流阀具备主动关断能力。国际上也曾提出过多种改进型换流器的方案，比如，加装辅助换相电路等。但这些方案大多停留在理论层面，存在损耗大、成本高、控制复杂等问题，不具备工程实用性。

那为什么不用柔性直流技术?柔性直流输电(VSC)采用全控型器件IGBT，可以主动关断，确实不存在换相失败问题。

但柔性直流设备造价较高，且由于技术路线差异较大，用来改造常规直流需要废弃原有全部主设备，成本较大。

如何在保持常规直流低损耗、大容量、低成本优势的同时，彻底解决换相失败问题，一直是世界级技术难题。

03

中国方案是怎么破题的？

时间回到2012年。那时，我国直流输电尚未形成规模，落点密集程度不高，换相失败带来的问题并不凸显。中国电科院的科研团队却敏锐地意识到：随着“西电东送”深入推进，换相失败的问题必须得解决。

从这一年起，团队开始向这个世界级难题发起挑战。2019年，他们成功拿出了“杀手锏”——可控换相换流器(CLCC)。

简单说，就是在传统晶闸管换流阀(LCC)的基础上，引入少量具备主动关断能力的IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件，通过主辅双支路并联的结构，实现换流阀的可控关断。

那么，CLCC是怎么设计的呢?

每个桥臂由两条并联支路组成，分工明确：

主支路：由高压大电流晶闸管阀和低压IGBT阀串联，承担正常运行时的主要通流任务——负责日常“扛大旗”。

辅助支路：由高压小电流IGBT阀和高压小电流晶闸管阀串联，在主支路关断时临时承接电流，并主动关断、完成换相——负责关键时刻“救场”。

CLCC是怎么工作的呢？

有两种运行模式。

模式一：常规运行模式

当不需要抵御换相失败时(如整流运行或功率反送)，可以将低压IGBT阀旁路、辅助支路闭锁，换流阀按照传统LCC的方式工作，即常规模式运行。

模式二：可控换相模式

电流主要流经主支路，需要换相时，辅助支路短暂承接主支路电流，帮助主支路晶闸管可靠关断;若交流电网发生故障，辅助支路承接的主支路电流无法完成自然换相时，通过辅助支路主动关断，产生一个足够大的换相电压，强制完成换相。

通过这一设计，CLCC不再依赖交流电网提供换相电压，而是可以自己创造。无论电网怎么扰动、故障多严重，CLCC都能稳稳地完成换相，从根本上避免了换相失败。

CLCC的硬核优点

一句话总结就是

既有常规直流的“大胃王”和“省电体质”，又自带柔直的“急救包”，价格还只要柔直换流阀的三分之一。

根治“心脏骤停”：不管电网怎样，CLCC都能自己造电压，换相永不失败。

吃得少、干得多：单站容量可达8000兆瓦(特高压随便跑)，损耗低。

能反向“输血”：电网故障时，它能从“吸收无功”秒变“输送无功”，帮交流电压快速“回血”。

省钱又省事：造价相对较低，尺寸、接口和老站兼容，老旧改造直接换，不用大动干戈。

效果如何？“战绩”可查

1989年，我国第一条高压直流线路——±500千伏葛洲坝至上海南桥直流输电工程投运。建设时，连草皮、螺丝钉都要整包进口，设备来自7个国家15家公司。

2023年，同一座南桥换流站，用CLCC换流阀对原常规直流阀进行了改造。改造设备投运后至2025年，南桥站实现零换相失败。

2023年7月，中国电机工程学会组织鉴定，包括10名院士在内的24名专家一致认为：可控换相换流阀为国际首创、整体技术国际领先。

2026年，CLCC相继入选“央企十大国之重器”和央企原创技术策源地“十大标志性成果”。

从原理到样机再到实战，CLCC是中国电力科技工作者从“0”到“1”的原始创新，开辟了高压直流输电装备的新方向，填补了全球技术空白，为跨区域大规模电力输送提供了全新的“中国方案”。

从跟跑，到领跑。现在，世界电力难题，看咱们中国怎么解。