电力行业中的电力电子应用——半导体是电网的关键推动力(上)

CLAES RYTOFT, PETER LUNDBERG,HARMEET BAWA, MARK CURTIS

随着电力消费水平不断上升，可替代能源使用比重不断提高，人们越来越关注增效节能和电网可靠性，电力产业在这一发展背景下正在迅速发生变化。功率半导体的发展及其技术在不同电力电子应用中的使用进一步推动了这些变化。功率半导体是电力电子开关设备的主要构建模块，用于控制电流并将其转换为不同应用所需的波形和频率。半导体是很多电力技术的核心，同时也是塑造未来电网的关键推动力。

传统电网通常围绕着大型集中式发电厂建设，发电厂以稳定的方式向电网提供可预测、可控制的电能。作为响应需求，潮流每小时都有涨落，电网中始终保持着单向的电力潮流。今电网中仍存在这种来自需求侧的小时性波动，同时为了减少二氧化碳排放，我们更加依赖于可再生能源，这也就意味着电网还必须能够应付发电测的波动。由于可再生能源(如太阳能和风能)具有间歇性和变化无常的特点，因此亟需储能技术和具有协调功能的系统，使得所有可利用的发电与各种电力消费模式相匹配。

在某种程度上，供电侧和需求侧中的波动可以通过电力交易达到相互协调;而如何通过相邻网络实现从电源到消费者的高效远距离双向输电则挑战重重。随着电力需求的不断增长，这些挑战进一步加剧，我们不仅必须满足这些需求，同时还要降低温室气体排放。提供更大容量以应对电动汽车需求和更强大的需求侧管理将进一步增加电网的复杂性，推动电网向更智能化、更高灵活性与可靠性方向发展。

ABB 开发并引进了一系列自己首创的技术，助力电力产业实现这些目标。这些技术依赖于功率半导体器件，也阐述了 ABB 近期扩展这类生产设施的原因。专业功率半导体的制造和持续开发使 ABB 始终处于这一技术领域的前沿。ABB 将参与到电力产业的发展之中，通过引进更多使用高功率半导体的创新电力电子解决方案，提供更好性能，努力开发灵活、高效及可靠的电网-(至1)。

可再生能源一般来说，强风、强太阳辐照或大量流水等最可靠的可再生能源都位于世界各地较为偏远的地区，远离人群和工业中心。上面这些实例中，使用传放电。充电电流随电缆长度的增加而增加。达到特定长度时，电缆及其护套中的充电电流过大，导致可用功率无法存留，但如果达不到这一长度，输电将无法达到预期的经济目标。另一方面，直流 (DC) 电缆中不存在相应的充电电流。在直流电缆中，所有电流都是可用的。为了实现向消费者的高效远距离输电，同时降低输电损耗，瑞典的 ASEA(ABB 前身之一)

公司于 20 世纪 50 年代初开发了额定功率 30 兆瓦 (MW) 的直流输电系统，最初用于连接哥特兰岛 (Gotland) 和瑞典大陆➔2。这一输电线路意义重大，通过海底电缆进行大容量低损耗输放电。充电电流随电缆长度的增加而增加。达到特定长度时，电缆及其护套中的充电电流过大，导致可用功率无法存留，但如果达不到这一长度，输电将无法达到预期的经济目标。另一方面，直流 (DC) 电缆中不存在相应的充电电流。在直流电缆中，所有电流都是可用的。为了实现向消费者的高效远距离输电，同时降低输电损耗，瑞典的 ASEA(ABB 前身之一)

公司于20 世纪 50 年代初开发了额定功率 30 兆瓦 (MW) 的直流输电系统，最初用于连接哥特兰岛 (Gotland) 和瑞典大陆-(至2)。这一输电线路意义重大，通过海底电缆进行大容量低损耗输电，从而为岛上居民提供可靠的廉价电能。自此，ABB 开始不断开发这一技术，用可靠的功率半导体取代早期用于交流电和直流电相互转换的汞弧阀。现在，上海、德里、洛杉矶和圣保罗等大型城市都依靠高压直流 (HVDC) 输电系统进行大容量电力传输， 传输距离通常超过数千公里。ABB 还承接了多个西欧国家之间的海底高压直流电缆连接工程，例如连接挪威和荷兰的 NorNed 项目。此外，ABB 还承接了海上风力发电场到大陆的输电工程，其中包括 BorWin1项目，该项目位于北海，距离德国大陆 128 公里，为全世界距离最长的海上风力发电场项目。为实现这些重要目标，ABB 针对不同的应用专门开发了一系列高压直流输电系统。

常规高压直流 (HVDC Classic)

常规高压直流是一项领先技术，并率先使用了汞阀。我们现在通常使用晶闸管进行电源变换。晶闸管在晶闸管模块中呈串联排列，其中每个晶闸管可承受 8.5 千伏电压。随后这些模块(在压接外壳内)按层串联，建立全电压晶闸管阀-(至3)。在该应用中，各晶闸管的开关频率为50赫兹(潜在频率 60 赫兹)。该系统主要用于远距离大容量输电，适用于陆上或水下应用，可以在传统交流输电无法使用的场合下实现电网互联，提高稳定性。现在的高压直流输电系统拥有极强的功率处理能力和良好的可靠性记录。在这一相对成熟的技术中，变流器损耗低，设备成本最小化。在未来新型电网的发展中，高压直流输电的作用不容小觑。在电缆、变流器、变压器和功率半导体关键部件的生产领域中，ABB 以卓越的生产能力占据重要地位。

特高压直流 (Ultra-HVDC)

最近，随着技术的不断进步，特高压直流的额定电压已达 800 千伏。为达到这一功率级，引进了一种全新 130(平方厘米)的 6 英寸晶闸管，该组件可在不影响开关频率的前提下将正常电流提高至 4,000 A。这些技术创新意味着输电容量和效率将在未来二十几年内实现最大飞跃。该技术现已用于中国西南部向家坝水电站至上海的远距离输电项目，传输距离达 2,071公里，功率为 6,400 兆瓦，可为约3100 万人提供清洁电能 ➔4。轻型高压直流 (HVDC Light)20 世纪 90 年代，ABB 在常规高压直流技术基础之上开发出轻型高压直流。该系统在变流过程中采用晶体管取代原先的晶闸管。此外，该系统还采用了低强度的地下及水下电缆或架空线保证远距离输电。高速门级控制半导体开关( 即绝缘栅双极晶体管，IGBT)的应用使最先进的电压源换流器 (VSC) 成为整个系统中不可或缺的组成部分，从而实现迅速注入或吸收无功功率的功能。这些半导体开关出色的终端稳压功能使之成为风力发电场的理想之选，可以应对风速变化带来的严重电压波动问题;此外，这些半导体开关还具有出色的可控制性和灵活性，在石油天然气钻塔和

从向家坝至上海全长2,071 公里的特高压直流项目到这一功率级，引进了一种全新130(平方厘米)的 6 英寸晶闸管，该组件可在不影响开关频率的前提下将正常电流提高至 4,000 A。这些技术创新意味着输电容量和效率将在未来二十几年内实现最大飞跃。该技术现已用于中国西南部向家坝水电站至上海的远距离输电项目，传输距离达 2,071公里，功率为 6,400 兆瓦，可为约3100 万人提供清洁电能-(4)。(待续)

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在绝缘外壳中，半导体器件➔f 采用电气隔离的方式与散热器隔开➔c 模块中的电触点由焊接线提供。如发生设备故障，该电线将熔断，模块停止运行。在压接外壳中，负载电流从一侧进入➔k 并从其对侧离开。向表面施加高机械压力可使触点保持低电阻和低热阻。如发生故障，硅半导体➔l 和钼➔i 将熔断，使电流能继续流动。

实际上，所有商用功率半导体都为硅基半导体;随着硅材料技术的不断优化，其性能已非常接近物理极限。这意味着设计这一方面能够获得进一步发展的潜能非常有限;但是，半导体装置的外壳性能仍有相当大的发展潜力。

目前，高功率半导体外壳主要分为两种形式。主要区别在于，在绝缘模块中，电路采用电气隔离，使用陶瓷绝缘体将其与散热器隔开，而在压接设计中，电流垂直通过整个模块，即通过散热器。这两种外壳都适用于绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和集成门极换流晶闸管 (IGCT)。但在实际应用中，集成门极换流晶闸管目前仅用于压接外壳，而绝缘栅双极晶体管则可用于这两种外壳。目前绝缘外壳在输出功率较低(大多低于 1 兆瓦)的系统中占据主导地位，原因在于其电路构建成本较低。与之相反，压接外壳主要用于输出功率超过 10 兆瓦的系统。这样选择的原因有很多，其中两个最重要的原因如下：

– 在输出功率极高的系统中，必须对半导体进行并联和/或串联。对于后者来说，采用压接外壳可以对这些模块进行紧凑排列，仅通过散热器隔开，因此具有相当大的优势。这一点的实例参见高压直流输电设备，该设备中串联了 200 个模块。

– 如应用中要求保证有不间断电流(例如电流源逆变器)，则必须使用压接外壳。在压接外壳中， 如半导体发生故障， 金属极将熔断， 从而确保提供低阻抗的电流通路。相反，在绝缘外壳中，电流通过焊接线，发生故障时，焊接线会在高电流脉冲下熔断，从而断开电路。

脚注 1 CTE 为热膨胀系数