作者 Tim Hornyak
直流电网通过直流开关站将多个高压直流输电（HVDC）系统互联。让我们一起深入探讨塑造未来直流电网的关键技术突破，以及推动其发展的产业协作与创新生态。
能源转型正推动电力系统向更清洁、更可持续的方向发展。但随着可再生能源发电规模不断扩大，如何高效地将这些绿色电力进行远距离输送？正成为电网面临的重要课题。为应对这一挑战，全球各地的电网运营商正越来越多的采用新一代直流输电（DC）技术，寻求解决方案。
根据国际能源署（IEA）的预测，可再生能源在全球发电量中的占比将从2023年的30%左右提升至2030年的46%，届时将提供全球近一半的电力供应。如何在这一转型过程中持续确保电网的可靠性、经济性和安全性，正推动行业探索新的合作模式和技术创新，其中就包括新一代直流输电（DC）技术的发展。
为了帮助全球电网接入更多可再生能源，西门子能源与三菱电机正突破行业传统合作模式，携手开发面向未来多端高压直流输电（HVDC）系统的直流开关站和直流断路器技术。这些创新技术的结合，有望构建更加灵活、可靠的电网架构，使电网能够高效接纳来自多个地点和多种能源形式的可再生能源电力。
两家公司此前分别完成了直流断路器技术的自主研发，目前正携手推进直流开关站技术的联合研发。未来，这些直流开关站将对多个直流开关单元（包括直流断路器）进行协调控制，并与换流站协同运行，从而优化多端高压直流输电（HVDC）电网中的潮流分配和电力传输效率。同时，这些开关站还能够在发生故障时实现故障区域的快速隔离，避免故障进一步扩大影响整个直流电网的稳定运行。此外，通过减少额外的交直流转换环节，可进一步提升输电系统的整体效率。
Frederick Page（左），三菱电机高级经理及总工程师与西门子能源电网科技集团产品管理副总裁Matthias Foehr（右）一起讨论。
“我们与三菱电机合作的目标，是开发能够相互兼容的直流断路器技术，为构建具有多个接入节点的HVDC直流电网提供关键支撑。”在日本东京三菱电机出差期间，西门子能源电网科技集团产品管理副总裁Matthias Foehr表示，“这是推动可再生能源实现大规模、远距离输送的重要组成部分。通过这些创新技术，我们能够让未来的输电网络更加可靠，进一步降低建设和运营成本。”
19世纪末，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）和乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）分别支持两种不同的电力传输方式，由此引发了后世称为“电流之战”（War of the Currents）的争论。最终，交流电凭借其在长距离输电方面更高的效率，成为全球电力系统的主流标准。如今，随着电力电子技术的快速发展，高压直流输电（HVDC）再次受到广泛关注。在需要大容量、远距离输电的场景中，HVDC能够以更低的损耗传输电能，展现出独特优势。
HVDC 系统 的主要用途之一，是实现电力的远距离输送。这使海上风电场等可再生能源发电设施能够将清洁电力输送到主要负荷中心。以德国为例，HVDC技术能够将北海海上风电场的大规模电力高效输送至法兰克福、斯图加特和慕尼黑等主要负荷中心。除了远距离输电，HVDC系统还可以连接不同步运行的交流电网，提升系统的稳定性和可靠性。由于具有更低的输电损耗和更高的传输效率，HVDC也是海底电缆输电项目的首选技术方案。
目前，大多数HVDC系统仍采用点对点的连接方式，即直接在两个节点之间进行电力传输。而下一代HVDC网络可以通过直流开关站这一网络节点，将多条输电线路连接在一起。作为直流电网中的关键节点，直流开关站能够实现电力的灵活调度与优化分配，从而更高效地整合可再生能源，并将电力输送到最需要的地方。
虽然当今电力系统已经广泛采用交直流结合的运行模式，但HVDC将在其最具价值的应用场景中发挥越来越重要的作用。与传统交流电网相比，HVDC系统能够对电网潮流进行主动控制，根据需求灵活调配电力资源，将电能精准输送到最需要的地方。这一特性使HVDC在跨区域乃至跨洲洲际电力互联、可再生能源大规模接入以及远距离大容量输电等领域展现出显著优势。未来，HVDC系统还有望成为连接高耗能用户（如数据中心）的重要基础设施，为其提供高效、可靠的电力供应解决方案。
高压直流输电（HVDC）驱动能源转型。
西门子能源电网科技集团产品管理副总裁
在HVDC系统中，高性能 换流站 首先将交流电转换为直流电，实现长达数千公里的高压远距离输电。例如连接英国和丹麦、全长765公里的 Viking Link 是目前全球最长的在运高压直流海底互联工程。当电力到达受端后，另一座换流站会将直流电重新转换为交流电，并接入电网输送至终端用户。
与交流输电相比，HVDC系统可将输电损耗降低约30%至50%，它是应对气候变化和推动能源转型的过程中更具可持续的解决方案。举例来说，如果欧洲新建1 GW海上风电装机量，若输电损耗为5%，则意味着约50兆瓦电力无法送达用户，相当于约3至5台现代大型海上风机的发电量。
而实现高压直流输电从传统“点对点”连接向“多端互联”直流电网演进的关键技术之一，正是直流断路器。
西门子能源已获得德国输电系统运营商TenneT和 50Hertz 两个项目的首批合同。根据规划，这些项目计划在中央直流开关站内配置直流断路器。其中一个是 HeideHub 项目。作为欧洲首个HVDC电力枢纽，HeideHub 将在同一枢纽内通过集中节点连接多条输电通道，实现可再生能源电力向不同地区的灵活输送。两个项目建成后将共同组成欧洲首个四端高压直流输电系统，预计于2032年投入运行。
两座直流断路器塔和塔杆基座
这些项目也充分展现了西门子能源直流断路器技术与三菱电机电力电子技术相结合的巨大潜力。双方正携手推动 欧洲市场首座同类型直流开关站 的建设落地。对于三菱电机而言，此次合作也标志着它在欧洲HVDC领域布局取得重要拓展。
Foehr认为，如今的电网技术日益复杂，任何一家企业都难以独立完成所有关键技术的研发。从政府资助项目到科研机构，再到产业合作伙伴，各方都在推动技术创新和产业化进程中发挥着不可或缺的作用。
“这项合作的创新之处还在于，它有望打破长期以来由大型厂商主导、采用封闭式解决方案的行业格局。”Foehr表示。采用多厂商协同模式，还有望加快未来直流电网通用标准的建立。目前，直流电网领域尚不存在类似于交流电网规范（Grid Code）的统一标准体系。“我们仍处于这段旅程的起点，”Foehr说，“相关技术已经成熟，并开始进入工程建设阶段。与此同时，我们正与其他设备制造商和客户携手，共同推动行业标准的制定与完善。”
“此次合作使两家拥有深厚技术积累的供应商能够在保持各自产品体系独立发展的同时，共同推进这一复杂设备集成工作的初始阶段工作。”三菱电机直流电网解决方案高级经理兼首席工程师Frederick Page表示。“从中期来看，实现双方设备的互联互通将成为可能。换句话说，无论采用哪家供应商的设备，都能够融入同一个系统架构之中。这样一来，建设更大规模、多端互联的直流输电系统将具备现实可行性，至少从两家供应商协同合作的角度而言是如此。而我们的长期目标，是将这种模式扩展到更多设备供应商。”
安装在电气测试和制造设施中的高压开关设备
工程师在实验室环境中监控和测试电力系统控制技术，为直流电网技术的研发提供支持。
“西门子能源与三菱电机的合作模式突破了行业惯例。长期以来，企业通常为市场开发封闭式、一体化解决方案，而此次合作则采取了不同路径。”Foehr表示。“随着电网不断演进，我们的实践证明，合作与互补型技术方案所创造的价值远不止简单相加。正是这样的伙伴关系，将助力我们迈向更加可持续的未来。”
可持续、高效的电力生产与输配电系统是应对气候变化的重要途径，而HVDC正是重塑这一关键基础设施的重要起点。
“我们的目标是降低输电损耗，这意味着所需发电量更少，同时也能减少配套系统的建设需求。”Foehr表示。“这不仅意味着减少铜材、钢材等设备和结构材料的使用，也意味着减少额外变压器、换流站等基础设施的投入。因此，HVDC不仅能够降低资源消耗，还能节省投资成本和建设时间。HVDC正是推动能源转型加速发展的关键技术。”
关于作者： Tim Hornyak 是一位常驻日本东京的加拿大作家，拥有超过20年的新闻从业经验。他长期关注科技、科学、能源、文化和商业领域，并撰写了大量关于日本科技创新、日本发明家、机器人学家和诺贝尔奖得主的报道。
视频与图片联合制作： Christopher Jue
直流电网是利用高压直流输电（HVDC）技术构建的电力传输网络。目前的HVDC系统通常采用点对点结构，即连接两个换流站，实现电能从一个地点输送到另一个地点。未来的直流电网则将向多端拓扑结构演进，通过直流开关站等关键技术，将多个换流站和网络节点连接起来。这种架构能够实现电力在不同电源和负荷之间的灵活调配，使可再生能源更容易接入电网，并输送到最需要的地区。直流电网也常被称为多端高压直流电网（Multi-Terminal HVDC Grid）。
直流开关技术是实现未来多端HVDC电网控制与保护的关键技术。这类技术包括直流断路器和直流开关站等解决方案，可用于管理电网潮流，并在发生故障时快速隔离故障区域，而无需切断整个电网。
当前大多数HVDC输电系统采用点对点结构，即一个换流站直接连接另一个换流站。多端直流电网则能够连接多个换流站和网络节点，使电能不仅可以从A点输送到B点，还能够根据系统需求进行灵活调度和重新分配。为实现这一功能，多端直流电网需要配备直流开关站和直流断路器等额外设备。与此同时，当某一条线路发生故障时，系统能够仅隔离故障部分，而无需切断整个电网。因此，直流断路器被普遍认为是实现多端直流电网的关键技术。
在50赫兹交流系统中，交流电每秒会经过零电压点100次。传统交流断路器正是利用这些自然过零点实现灭弧。而直流电不存在自然过零点，因此需要采用不同的技术方案来实现电流切断。直流断路器能够在毫秒级时间内检测故障并切断故障电流，仅隔离受影响的网络区域，同时保证其余电网继续运行。如果没有直流断路器技术，多端直流电网中的任何故障都可能导致整个系统停运。
在长距离输电场景下，与同等容量的交流输电相比，HVDC系统可将输电损耗降低约30%至50%。以1 GW海上风电装机容量为例，若输电损耗为5%，则意味着约50兆瓦的发电量被损耗，约相当于3至5台现代海上风电机组的输出功率。
西门子能源已获得德国输电系统运营商（TSO）TenneT和50Hertz两个项目的初始合同。这两个项目预计将在中央直流开关站中配置直流断路器。其中之一是HeideHub项目，即欧洲首个HVDC电力枢纽。这两个项目建成后将共同构成一个四端HVDC电网，计划于2032年投入运行。
未来直流电网将连接来自不同设备制造商的系统和设备。统一标准对于确保换流器、控制系统、保护装置以及直流开关技术之间的兼容性至关重要。随着多端直流电网的发展，行业将需要更高水平的标准化，以实现不同厂商设备和技术之间的无缝集成。
