在常住人口超2000萬的特大城市上海，千家萬戶的用電安全與葛洲壩—南橋（以下簡稱“葛南”）直流輸電工程直接關聯。
從湖北葛洲壩水電站發出的電能，跨越上千公里，在位于上海奉賢區南橋鎮的±500千伏南橋換流站，經高壓直流換流閥，由直流電轉為交流電。每年有50多億度電經此輸入上海，點亮萬家燈火。正因如此，高壓直流換流閥被譽為直流輸電工程的“心臟”。
這個夏天，南橋換流站又一次通過迎峰度夏“大考”。與往年不同的是，通過葛南直流輸電改造工程，南橋換流站剛剛經歷一次成功的換“心”手術。
9月18日，承擔換流閥改造任務的國網智能電網研究院有限公司（以下簡稱“智研院”）技術骨干楊俊向科技日報記者介紹說，改造工程使用了世界首創的可控換相換流閥。為了這個世界首創，團隊努力了十幾年。
換相失敗成“頑疾”
地處長江入海口的上海是我國經濟活力最強的區域之一，對電力的旺盛需求不言而喻。
沿著長江溯流而上，我國獨特的三級階梯式地形，造就西部地區豐富的水電資源，由此孕育的西電東送工程，編織出史無前例的龐大電網。
葛南直流輸電工程就是這張網中的重要一環。
1983年，隨著我國長江干流上第一座大型水利樞紐葛洲壩水電站發電機組相繼投產發電，作為跨區電網示范工程的葛南直流輸電工程開始動工興建。1989年，工程投運，成為我國首條±500千伏超高壓直流輸電線路。
該工程好比輸電高速公路——三峽的水從湖北宜昌出發，至上海約需16天，而三峽的水電至上海僅需0.0038秒，成為外電入滬的重要通道。
隨著年限增長，換流閥等設備嚴重老化，系統運行安全穩定性面臨風險。對葛南直流輸電工程的改造被國家電網有限公司提上日程。換用什么樣的高壓直流輸電換流閥，成為重中之重。
葛南直流輸電工程建設之初，我國電力工業還比較落后，只能從國外引進傳統高壓直流輸電換流閥。該換流閥采用晶閘管開關元件，但晶閘管具有固有“半控”特性，只能控制開通，不能控制關斷，很容易導致系統輸送功率大額缺失，甚至跌落至零，這一現象被稱為“換相失敗”。自1954年高壓直流輸電技術誕生以來，這一“娘胎”里帶來的“頑疾”便一直困擾著學術界及工程界。
而對上海來說，徹底解決換相失敗問題的需求尤為迫切。當時上海已在有限區域內建設了4座直流換流站，多直流同時換相失敗問題突出，傳統裝備已無法滿足系統安全穩定運行需求。
“換相失敗問題，已經成為制約更大規模能源向我國華東等用電負荷中心輸送的首要因素。”智研院可控換相技術帶頭人賀之淵博士總結道。
另辟蹊徑解難題
2012年，我國直流輸電尚未形成規模，落點的密集程度不高，換相失敗帶來的問題并不凸顯，但團隊負責人湯廣福（2017年增選為中國工程院院士）卻敏銳地作出判斷：隨著西電東送工程的深入推進，換相失敗將成為制約我國能源轉型發展的瓶頸。
就在這一年，團隊開始探索換相失敗問題的解決方案，然而歷時5年提出的系列技術只能抵御70%的換相失敗。
此時，團隊中出現了不同聲音。有人認為這種固有“頑疾”，根本沒法解決；也有人認為，再研究是浪費精力。
2017年3月，團隊通過召開座談會、組織技術討論會等方式，對換相失敗問題解決思路進行充分論證總結，并對當時學術界提出的方案進行了分析調研，在研究了百余種電路拓撲后一致認定，只有從電路拓撲角度入手，才能從根本上解決問題。
“對換流閥進行電路拓撲層面的創新，好比是在造一顆全新的心臟，既要考慮原有身體的適應性，還要保證心臟在任何情況下都不能出現‘驟停’問題。”賀之淵介紹，團隊提出的新拓撲，需要徹底揭示矛盾約束下的電路拓撲演變規律。
循著這個思路，2019年，團隊終于發現了換相電壓的構建機理，通過全控型器件和半控型器件相結合，巧妙地將故障電流進行轉移關斷并同時構建換相電壓，創新性提出可控換相換流技術（CLCC），從根本上讓直流輸電系統對換相失敗產生“免疫”。
成功邁向工程化
2021年10月，首套±800千伏/5000安培換流閥模塊原理樣機研制成功。
時值葛南直流輸電改造工程技術路線論證階段，為了抓住千載難逢的示范應用良機，團隊先后三次邀請專家參加評審論證并對上海南橋換流站進行實地考察交流，共開展了四次設計迭代優化工作，獲得工程管理單位一致認可，將可控換相換流技術列為改造方案。
2022年2月，可控換相換流閥成功中標±500千伏葛南直流輸電改造工程。為保證換流閥產品質量，團隊決定在產品最終定型前，研制一套驗證性換流閥樣機并進行全方位的試驗摸底。
工程實施在即，必須與時間賽跑！團隊所有成員自覺放棄了節假日，甚至一度吃住在實驗室，終于在2022年5月底完成了驗證性換流閥樣機的所有摸底試驗，向工程化邁出堅實的一步。
2022年10月，團隊成功研制出±500千伏/1200安培葛南直流輸電改造工程可控換相換流閥產品，并一次性順利通過48項電氣型式試驗、226項控制驗證試驗。
2023年6月11日，葛南直流輸電改造工程開展了人工交流短路試驗。為使該試驗更具有說服力，改造工程工作組組長張民專門設計了對比試驗，分別對常規模式及CLCC模式下兩種工況進行人工短路故障模擬。試驗結果表明，CLCC模式下可成功解決換相失敗問題。
2023年6月18日，由我國提出并自主研發的全球首套可控換相換流閥正式投入工程運行。7月，“可控換相換流閥關鍵技術及產品研制”通過了由10名院士領銜的專家組鑒定，被認為“可根本解決常規直流系統換相失敗問題”。
作為優化電力資源配置、促進東西部協調發展的國家戰略，西電東送在延續歷史責任的基礎上被賦予新的使命，成為能源低碳轉型的中堅力量。
“建設新型電力系統，智研院責無旁貸。”智研院執行董事（院長）、黨委書記葛俊向記者表示，“未來，我們將著力加強核心技術攻關，為我國能源低碳轉型提供更加強大的科技支撐！”
