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全球碳中和趋势加速,特高压建设火力全开

2021-08-05 杨天柱,工业功率控制事业部大中华区市场总监,英飞凌科技 阅读:
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。

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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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)Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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图2:晶闸管的发展历史Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

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。Ofhednc

关于英飞凌

英飞凌科技股份公司是全球领先的半导体科技公司,我们让人们的生活更加便利、安全和环保。英飞凌的微电子产品和解决方案将带您通往美好的未来。2020财年(截止9月30日),公司的销售额达85亿欧元,在全球范围内拥有约46,700名员工。2020年4月,英飞凌正式完成了对赛普拉斯半导体公司的收购,成功跻身全球十大半导体制造商之一。Ofhednc

英飞凌在法兰克福证券交易所(股票代码:IFX)和美国柜台交易市场 OTCQX International Premier(股票代码:IFNNY)挂牌上市。更多信息,请访问www.infineon.comOfhednc

更多新闻,请登录英飞凌新闻中心:https://www.infineon.com/cms/cn/about-infineon/press/press-releases/Ofhednc

英飞凌中国

英飞凌科技股份公司于1995年正式进入中国大陆市场。自1995年10月在无锡建立第一家企业以来,英飞凌的业务取得非常迅速的增长,在中国拥有约2000名员工,已经成为英飞凌全球业务发展的重要推动力。英飞凌在中国建立了涵盖研发、生产、销售、市场、技术支持等在内的完整的产业链,并在销售、技术研发、人才培养等方面与国内领先的企业、高等院校开展了深入的合作。Ofhednc

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