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作者：英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區市場(chǎng)總監 楊天柱 當前，發(fā)展綠色經(jīng)濟，降低碳排放，已成為全球共識。在國家“30·60”碳達峰、碳中和的目標愿景下，改變以化石能源為主的能源結構，促進(jìn)能源體系向清潔低碳轉型，是大勢所趨和必經(jīng)之路。根據國家能源局的規劃，尤其是十四五時(shí)期，以風(fēng)電、光伏和水電為代表的新能源和可再生能源將迎來(lái)高比例發(fā)展，成為能源增量的主體。 但是，要大力發(fā)展可再生能源，提高其利用比例，有一個(gè)必要的前提，即風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電要能上網(wǎng)利用。然而，我國存在著(zhù)能源資源與用電負荷中心呈逆向分布的現實(shí)難題，水能、陸地風(fēng)能和太陽(yáng)能資源主要集中在西北和北部地區，而用電需求主要集中在東部和中部，二者相距甚遠。這就迫切要求對電力進(jìn)行跨區域、遠距離輸送，為大規模開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能、水能及太陽(yáng)能等清潔能源創(chuàng )造條件。 要經(jīng)濟有效地解決上述問(wèn)題，出路在于加快建設以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅強智能電網(wǎng)。作為電力高速公路，特高壓不僅能夠滿(mǎn)足大容量、遠距離的輸電需求，實(shí)現資源的優(yōu)化配置，還能夠提高風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源的并網(wǎng)和消納，加快能源結構轉型與調整。 綜合優(yōu)勢明顯，特高壓建設火力全開(kāi) 特高壓輸電技術(shù)具有可輸電距離遠、傳送損耗小、輸送功率高、單位容量走線(xiàn)走廊占地面積小等優(yōu)勢，成為政府重點(diǎn)發(fā)力建設、托底經(jīng)濟的有利武器。特高壓輸電又分為特高壓交流和特高壓直流，它們共同構成了輸電骨干網(wǎng)架。其中特高壓直流輸電的應用場(chǎng)景主要在長(cháng)距離的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、海底電纜、大型電網(wǎng)鏈接；特高壓交流輸電的主要應用場(chǎng)景是中短距離傳輸以及構成交流環(huán)網(wǎng)。 
圖1：國家電網(wǎng)在建在運特高壓工程示意圖。（來(lái)源：國家電網(wǎng)官網(wǎng)） 因此，不少長(cháng)距離大容量的輸電選擇了特高壓直流輸電。根據國家電網(wǎng)的數據顯示，截止到2021年2月，國家電網(wǎng)建成投運“十三交十一直”24項特高壓工程，核準、在建“一交三直”4項特高壓工程。已投運特高壓工程累計線(xiàn)路長(cháng)度35583公里、累計變電（換流）容量39667萬(wàn)千伏安（千瓦）。加上南方電網(wǎng)在運的“4直”，目前國內在運的特高壓直流網(wǎng)共有15個(gè)。 根據《中國“十四五”電力發(fā)展規劃研究》的預測，到2025年，我國特高壓直流工程將會(huì )達到23個(gè)，總輸送容量達到1.8億千瓦。就在2020年11月，國家發(fā)改委核準了白鶴灘-江蘇直流工程，該工程全長(cháng)2087公里，總投資307億元，計劃2022年建成投運。在未來(lái)我國特高壓線(xiàn)路將會(huì )進(jìn)入常態(tài)化核準狀態(tài)，特高壓項目的建設將會(huì )火力全開(kāi)。 白鶴灘-江蘇直流工程拓撲采用單落點(diǎn)、混合式級聯(lián)多端特高壓直流輸電方案，送端換流站采用常規的特高壓直流結構，高低壓閥組均采用晶閘管換流器（LCC換流器），受端換流站采用混合級聯(lián)結構，高壓閥組采用晶閘管換流器（LCC換流器），低壓閥組采用3個(gè)電壓源型換流器（VSC）并聯(lián)組成，LCC與3個(gè)VSC共站建設。受端直流400kV母線(xiàn)更是引入了最新亮相的可控自恢復消能器，實(shí)現受端交流系統故障時(shí)可釋放過(guò)電壓能量。值得一提的是，在該工程項目招標中，英飛凌的3000A壓接式IGBT解決方案憑借著(zhù)高可靠性、低損耗等優(yōu)勢成功中選, 將用于受端的低壓閥VSC。 應有盡有，英飛凌為特高壓直流輸電提供全面的解決方案 在高壓直流輸電中，又分為常規直流輸電和柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)，其中常規直流輸電技術(shù)的核心電力電子器件是半控型器件晶閘管；而柔性直流輸電的核心電力電子器件是全控型器件IGBT。 常規的特高壓直流輸電網(wǎng)的換流閥是由多個(gè)晶閘管串聯(lián)而成的，特高壓直流輸電工程的輸電容量直接取決于超大功率晶閘管的電流。目前用于常規特高壓直流輸電網(wǎng)的晶閘管已發(fā)展到了6英寸/8.5kV，可承受的電流超過(guò)了6250A。 英飛凌在晶閘管方面持續創(chuàng )新，為了簡(jiǎn)化換流閥的設計，英飛凌開(kāi)發(fā)了LTT光觸發(fā)晶閘管，簡(jiǎn)化了外圍驅動(dòng)電路，并集成了相關(guān)的保護，讓整體系統設計更加簡(jiǎn)潔、更加可靠。
圖2：晶閘管的發(fā)展歷史 柔性直流輸電是常規直流輸電后的一種新型輸電方式，是目前世界上可控性高、適應性好的一種輸電技術(shù)，也是未來(lái)中國電網(wǎng)升級的重要技術(shù)手段。它可以解決當前大電網(wǎng)面臨的諸多問(wèn)題，比如孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、異步交流系統互聯(lián)、大規模新能源發(fā)電并網(wǎng)等，對傳統交流電網(wǎng)具有重要的互補價(jià)值。其核心電力電子器件是全控型器件IGBT。 隨著(zhù)柔性直流輸電系統的容量和電壓等級越來(lái)越高，對IGBT的電流電壓需求也不斷變化。一般來(lái)說(shuō)，1GW以下系統通常選用IGBT焊接/壓接模塊，其性?xún)r(jià)比較高；而對于3 GW／5 GW的系統則需要3kA以上的器件，因此，一般選用壓接器件。
圖3：英飛凌高壓大電流壓接式IGBT模塊Press Pack IGBT（PPI） 柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢是大容量、高可靠性，為了滿(mǎn)足這些需求，英飛凌也開(kāi)發(fā)了壓接式IGBT器件。并在2019年底推出了高壓大電流壓接式IGBT模塊Press Pack IGBT（PPI），該模塊采用類(lèi)似于晶閘管平板式圓餅狀陶瓷外形的內部壓接式封裝，功率容量4500V/3000A等級。英飛凌的PPI模塊采用了低溫燒結技術(shù)、氣密性防爆技術(shù)、先進(jìn)的Trench IGBT芯片技術(shù) 、 雙面冷卻技術(shù)，再加上其獨特的外置FWD技術(shù)，可以在提升系統組態(tài)靈活性和綜合性能的同時(shí)，大幅提高系統的可靠性。 PPI模塊是專(zhuān)為高功率MMC轉換器而設計，可應用于海上風(fēng)電、柔性直流輸電系統等應用。由于這些領(lǐng)域的系統維護費用實(shí)在是太過(guò)高昂，因此系統內的關(guān)鍵性半導體開(kāi)關(guān)器件必須確保幾十年無(wú)需維修更換，而英飛凌的PPI模塊剛好能夠滿(mǎn)足這些需求。 除了壓接器件之外，英飛凌也提供續流二極管和相關(guān)保護器件。在續流二極管方面，英飛凌已量產(chǎn)了3寸/3.5寸/5寸續流二極管，下一代超低壓降FWD正在開(kāi)發(fā)，可進(jìn)一步降低30%的損耗。 在保護器件方面，英飛凌有3.3kV/4.5kv/6.5kv旁路保護二極管用的晶閘管等相關(guān)產(chǎn)品。 當然，產(chǎn)品除了性能和可靠性要高以外，產(chǎn)能也是必須要考慮的，英飛凌的壓接式IGBT芯片技術(shù)基于英飛凌成熟的TRENCHSTOPTM 技術(shù)和8英寸高壓晶圓技術(shù)，而其三大晶圓廠(chǎng)可提供充足的產(chǎn)能，保障對客戶(hù)的穩定供貨。 總結 電力電子技術(shù)中，器件、驅動(dòng)、拓撲，以及系統，是不可分割的整體，需要深層次配合，才能夠相得益彰，獲得優(yōu)異的電力電子系統整體性能。對于特高壓輸電系統之類(lèi)的超大型電力電子系統而言，安全可靠長(cháng)期運行是第一位的，成本價(jià)格還在其次。因此，在選擇器件的時(shí)候，首先要考慮可靠性有保障的器件。而英飛凌用于特高壓輸電領(lǐng)域的產(chǎn)品和解決方案，在可靠性和出色的性能方面樹(shù)立了新的標桿。 |
