全球碳中和趋势加速,特高压建设火力全开

作者:英飞凌科技工业功率控制事业部大中华区市场总监 杨天柱

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。

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).png

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。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。

图2:晶闸管的发展历史.png

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;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。

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

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TRENCHSTOPTM 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,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

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