碳中和趋势加速全球背景下的各种特高压解决方案

shuszhao · 发表于 2021-8-4 19:09:20

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当前，发展绿色经济，降低碳排放，已成为全球共识。在国家“30·60”碳达峰、碳中和的目标愿景下，改变以化石能源为主的能源结构，促进能源体系向清洁低碳转型，是大势所趋和必经之路。根据国家能源局的规划，尤其是十四五时期，以风电、光伏和水电为代表的新能源和可再生能源将迎来高比例发展，成为能源增量的主体。
但是，要大力发展可再生能源，提高其利用比例，有一个必要的前提，即风电、太阳能发电要能上网利用。然而，我国存在着能源资源与用电负荷中心呈逆向分布的现实难题，水能、陆地风能和太阳能资源主要集中在西北和北部地区，而用电需求主要集中在东部和中部，二者相距甚远。这就迫切要求对电力进行跨区域、远距离输送，为大规模开发和利用风能、水能及太阳能等清洁能源创造条件。
要经济有效地解决上述问题，出路在于加快建设以特高压为骨干网架的坚强智能电网。作为电力高速公路，特高压不仅能够满足大容量、远距离的输电需求，实现资源的优化配置，还能够提高风能、太阳能等间歇性能源的并网和消纳，加快能源结构转型与调整。

综合优势明显，特高压建设火力全开

特高压输电技术具有可输电距离远、传送损耗小、输送功率高、单位容量走线走廊占地面积小等优势，成为政府重点发力建设、托底经济的有利武器。特高压输电又分为特高压交流和特高压直流，它们共同构成了输电骨干网架。其中特高压直流输电的应用场景主要在长距离的点对点传输、海底电缆、大型电网链接；特高压交流输电的主要应用场景是中短距离传输以及构成交流环网。

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图1：国家电网在建在运特高压工程示意图。（来源：国家电网官网）

因此，不少长距离大容量的输电选择了特高压直流输电。根据国家电网的数据显示，截止到2021年2月，国家电网建成投运“十三交十一直”24项特高压工程，核准、在建“一交三直”4项特高压工程。已投运特高压工程累计线路长度35583公里、累计变电（换流）容量39667万千伏安（千瓦）。加上南方电网在运的“4直”，目前国内在运的特高压直流网共有15个。
根据《中国“十四五”电力发展规划研究》的预测，到2025年，我国特高压直流工程将会达到23个，总输送容量达到1.8亿千瓦。就在2020年11月，国家发改委核准了白鹤滩-江苏直流工程，该工程全长2087公里，总投资307亿元，计划2022年建成投运。在未来我国特高压线路将会进入常态化核准状态，特高压项目的建设将会火力全开。
白鹤滩-江苏直流工程拓扑采用单落点、混合式级联多端特高压直流输电方案，送端换流站采用常规的特高压直流结构，高低压阀组均采用晶闸管换流器（LCC换流器），受端换流站采用混合级联结构，高压阀组采用晶闸管换流器（LCC换流器），低压阀组采用3个电压源型换流器（VSC）并联组成，LCC与3个VSC共站建设。受端直流400kV母线更是引入了最新亮相的可控自恢复消能器，实现受端交流系统故障时可释放过电压能量。值得一提的是，在该工程项目招标中，英飞凌的3000A压接式IGBT解决方案凭借着高可靠性、低损耗等优势成功中选, 将用于受端的低压阀VSC。

应有尽有，英飞凌为特高压直流输电提供全面的解决方案

在高压直流输电中，又分为常规直流输电和柔性直流输电（VSC-HVDC）技术，其中常规直流输电技术的核心电力电子器件是半控型器件晶闸管；而柔性直流输电的核心电力电子器件是全控型器件IGBT。
常规的特高压直流输电网的换流阀是由多个晶闸管串联而成的，特高压直流输电工程的输电容量直接取决于超大功率晶闸管的电流。目前用于常规特高压直流输电网的晶闸管已发展到了6英寸/8.5kV，可承受的电流超过了6250A。
英飞凌在晶闸管方面持续创新，为了简化换流阀的设计，英飞凌开发了LTT光触发晶闸管，简化了外围驱动电路，并集成了相关的保护，让整体系统设计更加简洁、更加可靠。

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图2：晶闸管的发展历史

柔性直流输电是常规直流输电后的一种新型输电方式，是目前世界上可控性高、适应性好的一种输电技术，也是未来中国电网升级的重要技术手段。它可以解决当前大电网面临的诸多问题，比如孤岛供电、城市配电网的增容改造、异步交流系统互联、大规模新能源发电并网等，对传统交流电网具有重要的互补价值。其核心电力电子器件是全控型器件IGBT。
随着柔性直流输电系统的容量和电压等级越来越高，对IGBT的电流电压需求也不断变化。一般来说，1GW以下系统通常选用IGBT焊接/压接模块，其性价比较高；而对于3 GW／5 GW的系统则需要3kA以上的器件，因此，一般选用压接器件。

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图3：英飞凌高压大电流压接式IGBT模块Press Pack IGBT（PPI）

柔性直流输电技术的发展趋势是大容量、高可靠性，为了满足这些需求，英飞凌也开发了压接式IGBT器件。并在2019年底推出了高压大电流压接式IGBT模块Press Pack IGBT（PPI），该模块采用类似于晶闸管平板式圆饼状陶瓷外形的内部压接式封装，功率容量4500V/3000A等级。英飞凌的PPI模块采用了低温烧结技术、气密性防爆技术、先进的Trench IGBT芯片技术、双面冷却技术，再加上其独特的外置FWD技术，可以在提升系统组态灵活性和综合性能的同时，大幅提高系统的可靠性。
PPI模块是专为高功率MMC转换器而设计，可应用于海上风电、柔性直流输电系统等应用。由于这些领域的系统维护费用实在是太过高昂，因此系统内的关键性半导体开关器件必须确保几十年无需维修更换，而英飞凌的PPI模块刚好能够满足这些需求。
除了压接器件之外，英飞凌也提供续流二极管和相关保护器件。在续流二极管方面，英飞凌已量产了3寸/3.5寸/5寸续流二极管，下一代超低压降FWD正在开发，可进一步降低30%的损耗。
在保护器件方面，英飞凌有3.3kV/4.5kv/6.5kv旁路保护二极管用的晶闸管等相关产品。
当然，产品除了性能和可靠性要高以外，产能也是必须要考虑的，英飞凌的压接式IGBT芯片技术基于英飞凌成熟的TRENCHSTOP技术和8英寸高压晶圆技术，而其三大晶圆厂可提供充足的产能，保障对客户的稳定供货。

总结

电力电子技术中，器件、驱动、拓扑，以及系统，是不可分割的整体，需要深层次配合，才能够相得益彰，获得优异的电力电子系统整体性能。对于特高压输电系统之类的超大型电力电子系统而言，安全可靠长期运行是第一位的，成本价格还在其次。因此，在选择器件的时候，首先要考虑可靠性有保障的器件。而英飞凌用于特高压输电领域的产品和解决方案，在可靠性和出色的性能方面树立了新的标杆。