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基于IEGT技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)分析以及在未來的發(fā)展前景
2022-06-19

柔性直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢 世界能源環(huán)境正在發(fā)生一些新變化，對電網(wǎng)建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)，提出了新的要求，促使電網(wǎng)進行改進和革新，這些挑戰(zhàn)包括： 日益增加的光伏發(fā)電站和風力發(fā)電站，這些電能是不穩(wěn)定的 二氧化碳減排，促進了新能源的發(fā)展 電能網(wǎng)絡(luò)安全 …… 高壓直流輸電是解決這些問題的最優(yōu)方案，特點如下： 輸送容量大：300萬千瓦~700萬千瓦 輸送距離遠：可達3000公里以上 電壓等級高：200kV~±500kV 輸電走廊窄：單位線路輸電密度是交流4倍，相同功率線路造價約為交流的2/3 功率損耗低 精確的功率流動控制 技術(shù)成熟，超過60年了 歐美國家已經(jīng)開始啟動和強化高壓直流輸電電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)了：歐洲計劃在2050年前后建成以高壓直流輸電為骨干的泛歐超級智能電網(wǎng)（Super Smart Grid），以綜合利用整個歐洲、北非以及中東的可再生能源；美國在2025年前規(guī)劃40余項柔性直流輸電項目，以實現(xiàn)大區(qū)互聯(lián)。 中國對高壓直流輸電的需求也是巨大的，主要是為了改善能源消費結(jié)構(gòu)，從而解決火電引發(fā)的中東部地區(qū)的霧霾問題，幾個調(diào)整方案如下： 利用高壓直流輸電將西北太陽能和西南水能輸送到東部負荷中心 構(gòu)建華北-東北廣域柔性直流輸電網(wǎng)，實現(xiàn)大規(guī)模風電柔性并網(wǎng) 利用直流輸電技術(shù)開發(fā)海上風電 南方電網(wǎng)公司已經(jīng)確定了西電東送輸電網(wǎng)發(fā)展以直流輸電技術(shù)為主的發(fā)展路線，到2030年，廣東受端電網(wǎng)將落入12回直流甚至更多，廣西落入5回直流甚至更多。 隨著受端直流數(shù)量的進一步增加，多回直流集中饋入，傳統(tǒng)直流帶來的受端電網(wǎng)交直流相互運行風險增加，運行難度進一步加大。另外，隨著水電基地的偏遠化，直流送端所接入的交流電網(wǎng)更加薄弱，傳統(tǒng)直流面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究、設(shè)計和設(shè)備制造難度加大。 因此，發(fā)展柔性直流輸電技術(shù)就顯得尤為重要了，柔性直流輸電的特點如下： 柔性直流在歐洲應(yīng)用比較普遍，包括聯(lián)網(wǎng)、電力輸送、風電接入、背靠背等 柔性直流輸電工程造價、損耗已經(jīng)下降，綜合考慮占地等因素，與常規(guī)直流輸電具備可比性 柔性直流輸電對多直流饋入的受端電網(wǎng)安全意義重大，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇 柔性直流輸電換流閥采用全控功率半導體開關(guān)器件，有塑料封裝IGBT和壓接封裝IGBT兩種，其中壓接IGBT的供應(yīng)商情況見下表一： IEGT 技術(shù) IEGT是東芝大功率IGBT的專用名，IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor），即：柵極注入增強型晶體管。傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻斷電壓，會因為發(fā)射極側(cè)N基區(qū)的阻抗，造成較高的導通損耗。東芝采用IE結(jié)構(gòu)，在發(fā)射極側(cè)N基區(qū)層形成高濃度的空穴和電子載流子，從而降低飽和壓降Vce(sat)。 東芝IEGT有兩種封裝：PMI模塊封裝和PPI壓接式封裝。榮信匯科一直使用壓接式封裝的IEGT，因此，后文里提到的IEGT專門指代壓接式封裝。 壓接式封裝更適合柔性直流輸電換流閥，其主要特點如下： 高可靠性來自于雙面散熱，內(nèi)部芯片無引線鍵合，不會因為導線焊接形成的分層結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生元件開裂 內(nèi)部抽真空，注入惰性氣體，確保長期可靠性 傳統(tǒng)的圓形封裝有利于壓接的平整度 有利于多顆器件的串聯(lián)應(yīng)用 陶瓷外殼封裝的防爆性能優(yōu)于PMI 東芝1995年推出第一款I(lǐng)EGT產(chǎn)品，到目前為止，電流等級400A~3000A，電壓等級1700V~4500V。 榮信匯科在柔性直流輸電換流閥成功應(yīng)用IEGT 柔性直流輸電換流閥多采用MMC VSC（模塊化多電平電壓源型變流器）方案，共6個橋臂，每個橋臂由多個相同的功率模塊串聯(lián)組成，這種方案的優(yōu)點包括：諧波少，高頻噪音低，開關(guān)損耗低等。功率模塊電路拓撲包括：半橋、全橋、鉗位雙橋等。 榮信匯科從2008年開始研發(fā)基于東芝IEGT的功率單元，并成功應(yīng)用于大容量變頻器、大容量STATCOM、大容量柔直換流閥等多個領(lǐng)域。 主要工程業(yè)績見下表二： 柔性直流輸電換流閥對于可靠性要求非常高，因此，榮信匯科一直堅持使用IEGT，相比于塑料模塊IGBT（PMI），IEGT的可靠性體現(xiàn)在： PMI失效后呈現(xiàn)開路狀態(tài)；IEGT失效后呈現(xiàn)短路狀態(tài)。 PMI外殼采用塑料材質(zhì)，耐受內(nèi)部的高溫高熱能力弱，容易開裂；IEGT外殼采用陶瓷，不容易開裂。 PMI壽命短，原因是器件內(nèi)部有容易老化的焊接層和連接線；IEGT內(nèi)部既沒有焊接層也沒有連接線。 PMI內(nèi)部的二極管浪涌能力弱，無法承受直流側(cè)短路所產(chǎn)生的故障電流。IEGT外配壓接式二極管，可以解決這個問題。 榮信匯科在南澳多端柔直塑城站換流閥采用了半橋功率模塊，其系統(tǒng)原理圖（圖1）如下： 圖1 多端柔直塑城站換流閥半橋功率模塊系統(tǒng)原理圖 基于IEGT的半橋功率模塊原理圖（圖2）如下，T1和T2是東芝85mm IEGT，內(nèi)部無二極管，D1和D2是英飛凌的85mm二極管。 圖2 基于IEGT的半橋功率模塊原理圖 IEGT功率模塊設(shè)計特點 下面將分幾個方面介紹這個半橋模塊的設(shè)計特點。 結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計 這個半橋模塊所采用的IEGT內(nèi)部沒有二極管，外配一款英飛凌的二極管，接觸面尺寸相同。兩只IEGT，兩只二極管，一只晶閘管，連同6塊散熱器，壓成一串。左側(cè)是直流母排和電容，右側(cè)是電源和控制板卡。散熱器兩個面都具備散熱能力，散熱器表面的溫度是均勻的。下圖是結(jié)構(gòu)布置示意圖（圖3）： 圖3 結(jié)構(gòu)布置示意圖 使用晶閘管作為旁路開關(guān) 晶閘管與直流側(cè)電容并聯(lián)，當功率模塊出現(xiàn)故障時，觸發(fā)晶閘管，晶閘管擊穿失效后，可以保持穩(wěn)定短路失效模式，就是失效后依然能穩(wěn)定的導通電流，這樣在二極管和晶閘管之間就形成了穩(wěn)定的電流通路，旁路成功。值得注意的是，只有采用壓接式IGBT和壓接式二極管才具備直流側(cè)晶閘管旁路的可能性。這個方案是榮信匯科的專利技術(shù)。 換流分析 對于全控型器件，例如MOSFET，IGBT，IGCT，關(guān)斷的時候，電流被切換到對應(yīng)的續(xù)流二極管，在這個過程中，IGBT兩端會產(chǎn)生電壓過沖，從電路分析角度看，這個過沖是換流路徑里的雜散電感導致的。電壓過沖與雜散電感成正比，與電流下降變化率成正比。電壓過沖越大，關(guān)斷損耗越大，電場擊穿的風險越高，因此，在設(shè)計中需仔細評估雜散電感，不宜過大。 在IGBT開通的時候，負載電流從續(xù)流二極管切換到IGBT，由于二極管存在反向恢復電流，導致IGBT存在電流過沖，過沖大小與開通電流變化率有關(guān)。 功耗和結(jié)溫 IEGT在工作的時候要開通電流，導通電流和關(guān)斷電流，內(nèi)部的半導體芯片會發(fā)熱，熱量需及時的通過水冷散熱器傳導出去，否則芯片會過熱損壞。首先需要按照工況對發(fā)熱量（功耗）進行準確的估算，然后計算芯片的溫度，通過恰當合理的散熱設(shè)計，保證芯片溫度不超過器件廠家的推薦最大值，維持較低的失效率。在柔直系統(tǒng)里，有整流和逆變等不同工況，功率模塊的總功耗和單個器件的功耗也隨之不同，尤其需要注意的是，上橋臂和下橋臂的功耗不同，上下橋臂器件處于不對稱運行狀態(tài)。 柔性直流輸電的前景 中國的柔性直流輸電剛剛起步，發(fā)展速度很快，前景美好，預計將取代交流輸電和傳統(tǒng)直流輸電，成為主流輸電技術(shù)。柔性直流輸電換流閥采用全控型功率開關(guān)IGBT，相比于塑料封裝IGBT和方形壓接式IGBT，圓形壓接式IGBT具有顯著的優(yōu)勢。 東芝在圓形壓接式IGBT方面的技術(shù)實力、器件品質(zhì)和工程業(yè)績首屈一指，而作為東芝IEGT的最大客戶，榮信匯科已經(jīng)在柔性直流輸電、大功率變頻器、大容量STATCOM等領(lǐng)域廣泛采用了IEGT器件，應(yīng)用時間超過10年，IEGT使用數(shù)量超過2.5萬片，工程項目超過50個，客戶遍布全球。 在全球范圍內(nèi)，東芝是IEGT設(shè)計制造的首席專家，榮信匯科是圓形壓接式IGBT（包括IEGT）的首席應(yīng)用專家，強強聯(lián)手，必將共創(chuàng)更美好的明天。

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