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(jié)構(gòu)，促進能源體系向清潔低碳轉(zhuǎn)型，是大勢所趨和必經(jīng)之路。根據(jù)國家能源局的規(guī)劃，尤其是十四五時期，以風電、光伏和水電為代表的新能源和可再生能源將迎來高比例發(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，有一個必要的前提，即風電、太陽能發(fā)電要能上網(wǎng)利用。然而，我國存在著能源資源與用電負荷中心呈逆向分布的現(xiàn)實難題，水能、陸地風能和太陽能資源主要集中在西北和北部地區(qū)，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行跨區(qū)域、遠距離輸送，為大規(guī)模開發(fā)和利用風能、水能及太陽能等清潔能源創(chuàng)造條件。
要經(jīng)濟有效地解決上述問題，出路在于加快建設(shè)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，特高壓不僅能夠滿足大容量、遠距離的輸電需求，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，還能夠提高風能、太陽能等間歇性能源的并網(wǎng)和消納，加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與調(diào)整。
綜合優(yōu)勢明顯，特高壓建設(shè)火力全開
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、單位容量走線走廊占地面積小等優(yōu)勢，成為政府重點發(fā)力建設(shè)、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(gòu)成了輸電骨干網(wǎng)架。其中特高壓直流輸電的應(yīng)用場景主要在長距離的點對點傳輸、海底電纜、大型電網(wǎng)鏈接;特高壓交流輸電的主要應(yīng)用場景是中短距離傳輸以及構(gòu)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。(來源：國家電網(wǎng)官網(wǎng))
因此，不少長距離大容量的輸電選擇了特高壓直流輸電。根據(jù)國家電網(wǎng)的數(shù)據(jù)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路長度35583公里、累計變電(換流)容量39667萬千伏安(千瓦)。加上南方電網(wǎng)在運的“4直”，目前國內(nèi)在運的特高壓直流網(wǎng)共有15個。
根據(jù)《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》的預測，到2025年，我國特高壓直流工程將會達到23個，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2087公里，總投資307億元，計劃2022年建成投運。在未來我國特高壓線路將會進入常態(tài)化核準狀態(tài)，特高壓項目的建設(shè)將會火力全開。
白鶴灘-江蘇直流工程拓撲采用單落點、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(guī)的特高壓直流結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，高壓閥組采用晶閘管換流器(LCC換流器)，低壓閥組采用3個電壓源型換流器(VSC)并聯(lián)組成，LCC與3個VSC共站建設(shè)。受端直流400kV母線更是引入了最新亮相的可控自恢復消能器，實現(xiàn)受端交流系統(tǒng)故障時可釋放過電壓能量。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(yīng)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(guī)直流輸電和柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)，其中常規(guī)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(guī)的特高壓直流輸電網(wǎng)的換流閥是由多個晶閘管串聯(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(guī)特高壓直流輸電網(wǎng)的晶閘管已發(fā)展到了6英寸/8.5kV，可承受的電流超過了6250A。
英飛凌在晶閘管方面持續(xù)創(chuàng)新，為了簡化換流閥的設(shè)計，英飛凌開發(fā)了LTT光觸發(fā)晶閘管，簡化了外圍驅(qū)動電路，并集成了相關(guān)的保護，讓整體系統(tǒng)設(shè)計更加簡潔、更加可靠。
圖2：晶閘管的發(fā)展歷史
柔性直流輸電是常規(guī)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(yīng)性好的一種輸電技術(shù)，也是未來中國電網(wǎng)升級的重要技術(shù)手段。它可以解決當前大電網(wǎng)面臨的諸多問題，比如孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、異步交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)等，對傳統(tǒng)交流電網(wǎng)具有重要的互補價值。其核心電力電子器件是全控型器件IGBT。
隨著柔性直流輸電系統(tǒng)的容量和電壓等級越來越高，對IGBT的電流電壓需求也不斷變化。一般來說，1GW以下系統(tǒng)通常選用IGBT焊接/壓接模塊，其性價比較高;而對于3 GW/5 GW的系統(tǒng)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，為了滿足這些需求，英飛凌也開發(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)，該模塊采用類似于晶閘管平板式圓餅狀陶瓷外形的內(nèi)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(jié)技術(shù)、氣密性防爆技術(shù)、先進的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(tǒng)組態(tài)靈活性和綜合性能的同時，大幅提高系統(tǒng)的可靠性。
PPI模塊是專為高功率MMC轉(zhuǎn)換器而設(shè)計，可應(yīng)用于海上風電、柔性直流輸電系統(tǒng)等應(yīng)用。由于這些領(lǐng)域的系統(tǒng)維護費用實在是太過高昂，因此系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵性半導體開關(guān)器件必須確保幾十年無需維修更換，而英飛凌的PPI模塊剛好能夠滿足這些需求。
除了壓接器件之外，英飛凌也提供續(xù)流二極管和相關(guān)保護器件。在續(xù)流二極管方面，英飛凌已量產(chǎn)了3寸/3.5寸/5寸續(xù)流二極管，下一代超低壓降FWD正在開發(fā)，可進一步降低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)，而其三大晶圓廠可提供充足的產(chǎn)能，保障對客戶的穩(wěn)定供貨。
總結(jié)
電力電子技術(shù)中，器件、驅(qū)動、拓撲，以及系統(tǒng)，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(tǒng)整體性能。對于特高壓輸電系統(tǒng)之類的超大型電力電子系統(tǒng)而言，安全可靠長期運行是第一位的，成本價格還在其次。因此，在選擇器件的時候，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立了新的標桿。
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