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在电网应用层面,功率半导体器件主要应用于直流输电、灵活交流输电(FACTS)、新能源发电等领域,为电网技术的发展和进步起到了巨大的推进作用。随着直流输电/柔性直流、灵活交流输电、分布式电源等技术的应用,电网将具有一些柔性。电力电子技术的发展,尤其是功率半导体器件的快速发展,将使功率半导体器件在电网发电、输电、变电和用电各方面得到更为广泛的应用,整个电网朝电力电子化方向加速发展,最终从根本上改变电网的形态和物理性质。
从物理特性上讲,传统的刚性电网将变为柔性电网,刚性电网和柔性电网的不同体现在,发电中,刚性电网采用水轮机、汽轮机、柴油机,而柔性电网使用光伏加换流器、风力加换流器、燃料电池加换流器;
输电中刚性电网采用不可控交流,而柔性电网采用灵活交流输电、直流输电、柔性直流、直流电网;变电中刚性电网采用油浸式变压器、干式变压器,真空断路器、SF6断路器,电容器、电抗器、调相机,无源滤波器,而柔性电网采用电力电子变压器,直流断路器、固态开关,STATCOM、SVC、CSR、SSSC、TCSC,有源电力滤波器、统一电能质量调节器;
刚性电网可用于白炽灯、电动机等电阻性、电感性负载,柔性电网可用在数据中心、电气化铁路、变频调速、智能家用电器、电动汽车充电、数码设备、变频空调、无刷直流电机。
从材料特性上讲,过去的铜铁电网将变为半导体电网。可见,功率半导体器件对电网发展的影响是根本性的、颠覆性的,不仅带来电力电子装置的升级换代,而且对电网的柔性化发展必不可少。毫无疑问,整个电网向半导体化发展过程中对功率半导体器件需求是巨大的,市场容量非常广阔。
为满足FACTS和HVDC对大功率的要求,器件的电压电流参数需要进一步提升,至少需要研制出4500V/3000A和4500V/5000A的IGBT。在器件技术方面,IGBT和FRD仍有较大优化空间和潜力,针对应用的定制化设计是一个重要的发展趋势,如低通态压降IGBT、高短路关断能力IGBT等。
柔性电网对功率半导体器件的特性有其个性化要求,如希望器件采用压接型,以获得大容量和好的散热性能;低通态压降,以提高装置整体效率;失效时短路,以使相应电路保持通路;高可靠性,以确保电网的可靠运行;高短路电流耐受能力和开断能力,以承受数十千安的故障电流并能可靠关断。
柔性变电站由电力电子变压器、固态断路器、母联柔性控制器等电力电子装置构成,可提高电网潮流调控能力,能实现多种新能源柔性接入、储能设备直接接入、直流负荷直供和多个柔性变电站之间互联,可作为交直流电网的枢纽,在实现交直流电网混联及交直流负荷混供的同时,可快速切除故障与自愈。
柔性变电站对功率器件的个性化需求包括:应是高电压、大功率,以减少换流器模块数量,简化拓扑结构,降低控制复杂度,减少占地、体积和重量;应是高可靠性的,以确保电网可靠运行;应是低通态压降、开关损耗小的,以降低损耗,减少散热要求;应是高开关频率的,以减少体积和可听噪声污染;应是高结温的,以提高可靠性,减少散热要求。
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