第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖

东北大学    张莹、刘振伟

国网辽宁省电力有限公司超高压分公司    杨国锋

当我们今天享受着随时插电即用的便利时，可能很少会想到，在电力在抵达插座之前，曾经历过一场激烈无比的“战争”。这场被称为“电流之战”的较量，发生在19世纪末两位天才巨头——托马斯·爱迪生与乔治·威斯汀豪斯之间，这场战争的核心便是直流电（DC）与交流电（AC）的路线之争。作为直流电的先驱，爱迪生竭力推广其安全稳定的直流系统，而威斯汀豪斯则押宝于尼古拉·特斯拉的交流电技术，其最大优势在于能够通过变压器轻松地改变电压。这场富有戏剧性的商业与技术之间的缠斗，在电影《电力之战》中得到了生动的演绎。最终，技术的天平最终倒向了交流电。这是由于直流输电在当时有一个致命的弱点：无法高效、经济地实现电压变压。要想实现远距离输电，必须采用高电压以降低线路损耗，但爱迪生的直流系统仅可根据用户端电压提供配电线路，这不仅其在成本和效率上处于劣势，也导致城市街头密如蛛网的配电线路（见图2），从而彻底输掉了竞争。因此，在20世纪初，直流输电黯然退出了主流电力传输的舞台，交流电体系随之建立并主导了世界电网长达半个多世纪。

图1 左图为《电力之战》电影海报；右图为19世纪末美国曼哈顿的电线街景（该图来自微博@狼狼狼狼狼狼狼七匹狼）

然而，直流输电的故事并未就此终结。它的“黯然退出”只是暂时的沉寂，工程师们从未停止寻找克服其缺陷的方法。直到20世纪中期，随着汞弧阀这种大功率电力电子器件的实用化发展，直流输电终于迎来了转机。汞弧阀可以看作一个能够承受极高电压和电流的巨型“电子开关”，它实现了将交流电高效地转换为直流电（整流）以及将直流电逆变为交流电（逆变）的关键功能，使高压直流输电成为了工程现实。汞弧阀的存在成功解决了爱迪生时代直流电无法变压和远距离传输的核心难题。通过汞弧阀换流站，可以在输电端将交流电整流为高压直流进行低损耗远距离传输，然后在用电端再逆变为交流电供用户使用。这使得直流输电在跨越海峡、连接不同频率电网、超远距离输电等场景中，展现出比交流输电更高的经济性和技术优势。不过，汞弧阀换流器笨重、娇贵且存在环保隐患的缺点，还是限制了它的大规模普及。直到更先进的电力电子技术登上舞台，直流输电才真正迎来了属于自己的春天。

20世纪70年代，大功率晶闸管（即可控硅）技术逐渐成熟。由晶闸管组成的换流器，构成了现代高压直流输电的“心脏”。它采用精巧的三相整流/逆变电路，通过对晶闸管门极的精准控制，可以像精确调度水流一样，将交流电正弦波有序地“切割”并重组为固定电压的直流电，再将其按比例分配成不同电压/频率的交流电（直流输电工程示意图如图4所示）。这使得电能的交-直-交转换变得高效、可靠且响应迅速，并且巧妙地规避了直流电本身不易变压的难题。其选择在交流侧完成升压和降压——在送端，先将交流电升至极高电压，再整流为高压直流进行传输；在受端，先将直流逆变为交流，再用成熟的传统变压器降压。这相当于为直流输电装上了一对灵活的“电压翅膀”。并且，对于数百甚至数千公里的输电线路，高压直流输电的线路损耗远低于交流输电，经济性极佳。此外，还可以实现在两个频率不同（如50Hz与60Hz）电网间的“异步联网”，实现电能输送，而不会引发系统失稳，这是交流电网难以实现的强大功能。当一侧的交流电网发生故障时，高压直流输电系统还可以凭借其快速可控性，迅速调节功率甚至阻断故障电流的传递，防止故障扩大化，如同一道“防火墙”，有效隔绝故障，保障电网主体安全。

图4 使用大功率晶闸管的高压直流输电工程示意图 （来自维基百科）

图5 葛南直流输电工程换流站换流阀所处的阀厅照片 （来自百度图片）

历史的车轮滚滚向前，电力电子技术的革命并未止步于晶闸管。以IGBT（绝缘栅双极型晶体管） 和GTO（门极可关断晶闸管）为代表的全控型器件，催生了新一代的柔性直流输电技术，将直流输电推向了全新的高度。基于IGBT的柔性直流输电技术可以克服晶闸管换流器无法自主关断引起的复杂控制问题，轻松实现电能的潮流控制与分配，这可以极大提升电网的灵活性和可靠性，尤其适合连接分布广泛的海上风电集群、远距离可再生能源基地，实现资源在更大范围内的优化配置。柔性直流换流站本身就是一个巨大的、可控的“交流-直流”接口。这使得它可以极其自然、高效地与电池等直流型储能系统直接“对话”和结合。储能装置可以平滑新能源发电的波动，参与电网的调频调压，而柔性直流技术则是实现这一协同控制的完美桥梁，共同构筑未来高比例新能源电网的稳定基石。

图6 柔性直流输电工程示意图 （来自百度百科）

图7 世界首个直流电网工程——张北柔性直流电网工程示意图 （来自百度图片）

从爱迪生时代的无奈退场，到凭借电力电子技术以更强姿态归来，直流输电完成了一场精彩的“王者归来”。它不再是交流输电的替代者，而是与其相辅相成，共同构建更智能、更坚韧、更绿色的未来能源互联网。

作者简介

张莹 东北大学2024届硕士研究生，研究方向为电力系统自动化。

杨国锋 高级工程师，IEEE高级会员，中国电机工程学会高级会员，研究方向为变电站智能监控、智能巡检技术等。