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IEC 61975：高压直流（HVDC）输电系统 — 系统试验要求
✅ 标准速览
IEC 61975 由 IEC 第 22 技术委员会（电力电子系统和设备）于 2016 年发布，确立了HVDC 装置系统试验的全面框架。该标准涵盖电网换相（LCC）和电压源换流（VSC）两种 HVDC 技术，定义了出厂验收试验（FAT）、现场调试试验和性能验证的试验程序，确保 HVDC 系统在商业运行前满足规定的性能、可靠性和互操作性要求。
IEC 61975 由 IEC 第 22 技术委员会（电力电子系统和设备）于 2016 年发布，确立了HVDC 装置系统试验的全面框架。该标准涵盖电网换相（LCC）和电压源换流（VSC）两种 HVDC 技术，定义了出厂验收试验（FAT）、现场调试试验和性能验证的试验程序，确保 HVDC 系统在商业运行前满足规定的性能、可靠性和互操作性要求。
🔌 一、试验框架与验收准则
1.1 试验分类
IEC 61975 将 HVDC 系统试验组织成涵盖从设计验证到调试的全项目生命周期的结构化层次：
| 试验阶段 | 地点 | 范围 | 关键试验 |
|---|---|---|---|
| 型式试验（设计验证） | 工厂或大功率实验室 | 每种换流器设计的一个单元 | 阀介电试验、运行试验、 阀冷却试验、EMI 测量 |
| 出厂验收试验（FAT） | 工厂（控制系统） | 控制保护柜、阀基电子设备（VBE） | 硬件在环（HIL）仿真、 控制功能验证、 冗余测试、故障场景测试 |
| 现场调试试验 | 安装现场 | 完整 HVDC 系统 | 带电投运、功率传输、 故障穿越、甩负荷、 功率反转、交直流系统交互 |
| 性能试验 | 安装现场 | 完整 HVDC 系统 | 效率测量、谐波性能、 可用率验证、 电能质量验证 |
💡 工程直觉
IEC 61975 中技术要求最高的部分是对控制保护系统的硬件在环（HIL）测试要求。标准规定必须使用实际的控制柜（而非复制模型），连接到以 50 微秒或更小时间步长模拟完整交直流网络的实时数字仿真器（RTDS 或同等设备）。HIL 模型必须至少包括换流变压器、交流滤波器、直流线路/电缆、两端交流网络等效阻抗，以及实际的故障设定点。对于典型的 ±500 kV、3000 MW LCC HVDC 工程，HIL 测试活动涉及 500-800 个独立测试用例，覆盖正常运行、交流和直流故障、控制模式转换和保护系统验证。总测试周期通常为 8-12 周。
IEC 61975 中技术要求最高的部分是对控制保护系统的硬件在环（HIL）测试要求。标准规定必须使用实际的控制柜（而非复制模型），连接到以 50 微秒或更小时间步长模拟完整交直流网络的实时数字仿真器（RTDS 或同等设备）。HIL 模型必须至少包括换流变压器、交流滤波器、直流线路/电缆、两端交流网络等效阻抗，以及实际的故障设定点。对于典型的 ±500 kV、3000 MW LCC HVDC 工程，HIL 测试活动涉及 500-800 个独立测试用例，覆盖正常运行、交流和直流故障、控制模式转换和保护系统验证。总测试周期通常为 8-12 周。
1.2 性能验收准则
IEC 61975 定义了 HVDC 系统在调试试验中必须满足的量化性能指标：
| 性能参数 | LCC HVDC 要求 | VSC HVDC 要求 | 测量方法 |
|---|---|---|---|
| 功率传输精度 | 额定功率的 ±1.5% | 额定功率的 ±1.0% | 两端校准功率计 |
| 直流电压调节 | 额定条件下 ±2.0% | 额定条件下 ±1.0% | 直流分压器测量 |
| 换流器损耗 | 在声明值的 +5% 以内 | 在声明值的 +5% 以内 | 量热法或电测法 |
| 故障恢复时间（交流故障） | 故障清除后 ≤100 ms | 故障清除后 ≤50 ms | 数字故障录波分析 |
| 谐波性能（交流侧） | THD ≤1.0%（电话干扰因子 TIF ≤50） | THD ≤0.5% | 电能质量分析仪（IEC 61000-4-30 A 级） |
| 阶跃响应上升时间（功率控制） | ≤50 ms（10-90%） | ≤30 ms（10-90%） | 从 0.9 到 1.0 p.u. 参考值阶跃变化 |
💡 二、试验方法与技术要求
2.1 交流侧和直流侧试验
IEC 61975 将调试试验分为交流侧和直流侧两大类，各有特定要求：
交流侧试验包括：交流滤波器组投运和阶跃响应试验、换流变压器励磁涌流测量和饱和检测验证、交流母线电压控制和无功功率能力验证，以及在不同故障距离和类型（单相接地、三相、相间）下的交流故障穿越试验。标准要求在换流母线以及连接交流网络的关键点处验证交流故障穿越能力，故障持续时间为 50 ms 至 500 ms。
直流侧试验包括：从两端进行直流电缆/线路充电、直流电压升降特性、直流故障清除和恢复（对于配备直流侧断路器的 VSC 系统）、功率反转和功率调制试验，以及直流接地极性能验证。对于 VSC-HVDC 系统，标准引入了特定的直流故障处理试验，以验证换流器限制故障电流的能力和直流断路器在规定的开断时间（混合式直流断路器通常为 3-5 ms）内隔离故障区段的能力。
⚠️ 设计警告
IEC 61975 中最关键且经常出问题的试验之一是甩负荷试验。标准要求 HVDC 系统能够承受从满负荷（1.0 p.u.）突然降至接近零功率而不跳闸或超过电压限值。对于 LCC 系统，该试验可能导致直流侧严重过电压（高达 1.3-1.5 p.u.），因为换流器继续从交流系统吸收无功功率但直流功率已崩溃。控制系统必须快速将触发角退回至最小 alpha 限值，而此时交流滤波器正在产生过剩的无功功率。标准要求交流母线过电压限制在 1.2 p.u. 以内，系统在 200 ms 内重新稳定。工程师应注意，该试验固有风险较高，应在临时放宽保护设定值的情况下进行，以避免不必要的设备应力。
IEC 61975 中最关键且经常出问题的试验之一是甩负荷试验。标准要求 HVDC 系统能够承受从满负荷（1.0 p.u.）突然降至接近零功率而不跳闸或超过电压限值。对于 LCC 系统，该试验可能导致直流侧严重过电压（高达 1.3-1.5 p.u.），因为换流器继续从交流系统吸收无功功率但直流功率已崩溃。控制系统必须快速将触发角退回至最小 alpha 限值，而此时交流滤波器正在产生过剩的无功功率。标准要求交流母线过电压限制在 1.2 p.u. 以内，系统在 200 ms 内重新稳定。工程师应注意，该试验固有风险较高，应在临时放宽保护设定值的情况下进行，以避免不必要的设备应力。
2.2 电磁兼容与电能质量
IEC 61975 包含了全面的 EMC 和电能质量验证程序。标准要求按照 IEC 61000-6-4（工业环境）测量换流站的传导和辐射发射。特别关注交流侧的电话干扰因子（TIF）和噪声加权谐波电压，因为 HVDC 换流器是低次特征谐波（12 脉波 LCC 的 11 次、13 次；VSC 的开关频率边带）的众所周知来源。
对于 VSC-HVDC 系统，标准引入了高达 150 kHz 的高频谐波测量的额外要求，解决了对电力线载波（PLC）干扰和附近通信系统扰动的担忧。VSC 开关频率（MMC 拓扑通常为 1-3 kHz）产生的边带谐波可能耦合到相邻的金属路径中，需要精心设计滤波器和屏蔽母线布置。
💻 三、工程设计见解与实践考量
3.1 LCC 与 VSC 试验要求的比较
IEC 61975 的显著特点之一是它是首批为 LCC 和 VSC HVDC 技术提供统一试验指导、同时在技术分歧处明确区分试验要求的 IEC 标准之一：
| 试验项目 | LCC HVDC | VSC HVDC | 关键区别 |
|---|---|---|---|
| 换相失败测试 | 需要（逆变侧三相故障） | 不适用（自换相） | VSC 不发生换相失败 |
| 黑启动能力 | 不需要（需要交流换相电压） | 需要（可为无源网络供电） | VSC 可在死交流网络中运行 |
| 直流故障电流贡献 | 由触发角控制限制 | 必须由换流器控制 + 直流断路器限制 | VSC 需要主动直流故障管理 |
| 无功功率范围 | 消耗无功（通常为有功的 50-60%） | 可发/吸无功（通常为 ±15-25%） | VSC 提供独立的有功/无功控制 |
| 谐波滤波器要求 | 大型交流滤波器（电站成本的 15-25%） | 小型交流滤波器（电站成本的 1-3%） | VSC 固有谐波产生量较低 |
✅ 试验最佳实践
近期 HVDC 项目（如中国国家电网 ±800 kV 特高压直流工程和北海风电 Hub VSC 项目）的经验表明，结构化的分阶段调试方法可显著降低风险。IEC 61975 推荐的顺序为：（1）组件和子系统试验，（2）控制系统 HIL 验证，（3）站用辅助系统调试，（4）换流器带电投运和空载试验，（5）低功率运行试验（通常通过背靠背配置达到额定功率的 1-5%），（6）以 25% 为步长逐步升功率，以及（7）满功率性能试验。每个阶段必须在进入下一阶段前正式签收。这种结构化方法已被证明比临时测试方法减少 30-40% 的调试延迟。
近期 HVDC 项目（如中国国家电网 ±800 kV 特高压直流工程和北海风电 Hub VSC 项目）的经验表明，结构化的分阶段调试方法可显著降低风险。IEC 61975 推荐的顺序为：（1）组件和子系统试验，（2）控制系统 HIL 验证，（3）站用辅助系统调试，（4）换流器带电投运和空载试验，（5）低功率运行试验（通常通过背靠背配置达到额定功率的 1-5%），（6）以 25% 为步长逐步升功率，以及（7）满功率性能试验。每个阶段必须在进入下一阶段前正式签收。这种结构化方法已被证明比临时测试方法减少 30-40% 的调试延迟。
3.2 文档与报告
IEC 61975 要求提供所有试验结果的全面文档，包括试验程序（需经买方预批准）、原始测量数据（带时间戳且未经处理）、带不确定度计算的分析结果以及正式试验证书。标准规定所有关键测量（功率、电压、电流、损耗）必须可溯源至国际标准，且测量不确定度必须与测量值一同报告。
对于争议解决，IEC 61975 建议供应商和买方在试验开始前就试验程序和验收准则达成一致，并且在每项试验完成后由双方的试验见证人签字确认。任何与商定程序的偏差必须记录为不符合项报告（NCR），并附有根本原因分析和纠正行动计划。
❓ 常见问题
❔ IEC 61975 如何处理多端 HVDC 系统的试验？
2016 版 IEC 61975 引入了针对多端 HVDC（MTDC）系统的专门规定，包括直流电网试验。关键的附加要求包括：每个端子的直流侧故障隔离验证、多端配置下的功率流控制精度、直流电压下垂控制测试以及端子间通信延迟测量。对于超过三个端子的 MTDC 系统，标准建议在进入现场试验前进行覆盖所有可信 N-1 情况的补充实时仿真研究。
❔ 可用率验证所需的试验持续时间是多少？
IEC 61975 规定了一个最低可靠性验证期（通常为额定功率下连续运行 30 天，无计划外停运）和基于 IEC 61710（电力系统可用率）的可用率计算。标准要求在试验期间验证的可用率必须等于或超过合同约定的可用率保证值，现代 LCC 系统通常为 98-99%，VSC 系统为 97-98%（反映了 VSC 阀结构更高的复杂性）。验证期内的任何强迫停运都会重置计时器——每次强迫停运后，30 天期限从零重新开始。
❔ 该标准能否用于背靠背 HVDC 系统？
可以。IEC 61975 同样适用于背靠背 HVDC 系统（两个换流器位于同一电站，无直流输电线路）。试验程序基本相同，简化之处在于直流线路/电缆试验被两个换流器之间的直流母线试验取代。背靠背系统通常在循环功率配置下进行测试，整流器和逆变器连接成闭环，从而可以在从交流电网消耗最少能量的情况下进行满功率测试。
❔ 极端环境条件下的试验要求是什么？
标准要求 HVDC 系统在全部预期的环境条件范围内展示其规定的性能，包括：高温环境（风冷阀通常高达 45-50 °C）、低温（户外设备低至 -25 °C）、高湿度（高达 95% 非冷凝）以及海拔 1000 m 以上安装的高度校正。对于热带安装，买方可能要求额外的太阳辐射和季风雨试验。在约定限度内允许因极端条件引起的性能降额，但系统必须在所有规定的环境条件下展示稳定运行。
