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作者：英飛凌科技工業功率控制事業部大中華區市場總監 楊天柱 當前，發展綠色經濟，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，促進能源體系向清潔低碳轉型，是大勢所趨和必經之路。根據國家能源局的規劃，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展，成為能源增量的主體。 但是，要大力發展可再生能源，提高其利用比例，有一個必要的前提，即風電、太陽能發電要能上網利用。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，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域、遠距離輸送，為大規模開發和利用風能、水能及太陽能等清潔能源創造條件。 要經濟有效地解決上述問題，出路在于加快建設以特高壓為骨干網架的堅強智能電網。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，實現資源的優化配置，還能夠提高風能、太陽能等間歇性能源的并網和消納，加快能源結構轉型與調整。 綜合優勢明顯，特高壓建設火力全開 特高壓輸電技術具有可輸電距離遠、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勢，成為政府重點發力建設、托底經濟的有利武器。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架。其中特高壓直流輸電的應用場景主要在長距離的點對點傳輸、海底電纜、大型電網鏈接；特高壓交流輸電的主要應用場景是中短距離傳輸以及構成交流環網。 
圖1：國家電網在建在運特高壓工程示意圖。（來源：國家電網官網） 因此，不少長距離大容量的輸電選擇了特高壓直流輸電。根據國家電網的數據顯示，截止到2021年2月，國家電網建成投運“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）。加上南方電網在運的“4直”，目前國內在運的特高壓直流網共有15個。 根據《中國“十四五”電力發展規劃研究》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化核準狀態，特高壓項目的建設將會火力全開。 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個電壓源型換流器（VSC）并聯組成，LCC與3個VSC共站建設。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，實現受端交流系統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，其中常規直流輸電技術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的換流閥是由多個晶閘管串聯而成的，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的晶閘管已發展到了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創新，為了簡化換流閥的設計，英飛凌開發了LTT光觸發晶閘管，簡化了外圍驅動電路，并集成了相關的保護，讓整體系統設計更加簡潔、更加可靠。
圖2：晶閘管的發展歷史 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，也是未來中國電網升級的重要技術手段。它可以解決當前大電網面臨的諸多問題，比如孤島供電、城市配電網的增容改造、異步交流系統互聯、大規模新能源發電并網等，對傳統交流電網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） 柔性直流輸電技術的發展趨勢是大容量、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、氣密性防爆技術、先進的Trench IGBT芯片技術 、 雙面冷卻技術，再加上其獨特的外置FWD技術，可以在提升系統組態靈活性和綜合性能的同時，大幅提高系統的可靠性。 PPI模塊是專為高功率MMC轉換器而設計，可應用于海上風電、柔性直流輸電系統等應用。由于這些領域的系統維護費用實在是太過高昂，因此系統內的關鍵性半導體開關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，英飛凌也提供續流二極管和相關保護器件。在續流二極管方面，英飛凌已量產了3寸/3.5寸/5寸續流二極管，下一代超低壓降FWD正在開發，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產品。 當然，產品除了性能和可靠性要高以外，產能也是必須要考慮的，英飛凌的壓接式IGBT芯片技術基于英飛凌成熟的TRENCHSTOPTM 技術和8英寸高壓晶圓技術，而其三大晶圓廠可提供充足的產能，保障對客戶的穩定供貨。 總結 電力電子技術中，器件、驅動、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，獲得優異的電力電子系統整體性能。對于特高壓輸電系統之類的超大型電力電子系統而言，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域的產品和解決方案，在可靠性和出色的性能方面樹立了新的標桿。 |
