IGBT助力特高壓實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破

趙晨

“新基建”的能源互聯(lián)互通，主要是指能源的大范圍互聯(lián)互通，即基于特高壓直流輸電技術(shù)和特高壓交流輸電技術(shù)的能源大范圍互聯(lián)互通。IEEE會(huì)士，伯明翰大學(xué)教授、智能電網(wǎng)中心主任張小平在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，特高壓作為“新基建"的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，為大規(guī)?？稍偕茉?、大水電基地和大煤電基地的大范圍資源有效配置，帶來(lái)了技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。

從特高壓產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，特高壓可以分為特高壓直流輸電線路和特高壓交流輸電線路。前者涉及的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備包括絕緣材料、電力電子材料、電力電子器件以及換流閥換流變控制保護(hù)、直流場(chǎng)設(shè)備及數(shù)字化技術(shù)等;后者涉及的主要設(shè)備包括組合電器、變壓器、電抗器等。

應(yīng)用方面，特高壓主要定位于中國(guó)西南大水電基地、西北大煤電基地等超遠(yuǎn)距離、超大容量外送輸電工程.特高壓直流技術(shù)除在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用外，巴西、印度也正在應(yīng)用。隨著越來(lái)越多的國(guó)家實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)，特高壓直流技術(shù)在中國(guó)、印度、巴西等國(guó)家將有更廣泛的應(yīng)用需求。

第一條土1100kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在中國(guó)建成可謂是一個(gè)新的里程碑。這標(biāo)志著特高壓直流輸電技術(shù)可用于洲際能源互聯(lián)互通。

近年來(lái)，洲內(nèi)、洲際能源互聯(lián)互通逐步成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)能源部的資助下，進(jìn)行北美地區(qū)，包括美國(guó)、加拿大、墨西哥的互聯(lián)互通研究。歐洲國(guó)家也在進(jìn)行歐洲超級(jí)電網(wǎng)互聯(lián)研究，包括北海超級(jí)海上風(fēng)電網(wǎng)、歐洲、北非和中東的電網(wǎng)互聯(lián)。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與合作組織以及國(guó)家電網(wǎng)在這方面做了大量的研究工作，已發(fā)表了若干重要報(bào)告，比如全球能源互聯(lián)互通的9橫9縱方案、非洲互聯(lián)方案、亞洲互聯(lián)方案美洲互聯(lián)方案等。

特高壓輸電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)與周邊國(guó)家的能源互聯(lián)，與各個(gè)大洲內(nèi)能源互聯(lián)，乃至與洲際能源互聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)可再生能源在更大范圍的有效配置，并與基于時(shí)差負(fù)荷特性的互補(bǔ)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)源一網(wǎng)一荷在更大范圍智能高效地運(yùn)行，已成為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的中國(guó)方案。

中國(guó)在特高壓直流技術(shù)的研發(fā)、制造.工程設(shè)計(jì)與安裝、系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)形成了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并且與國(guó)際制造企業(yè)有著很好的合作。許多技術(shù)不依賴(lài)單一供應(yīng)商，這樣不僅促進(jìn)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也有利于促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品的不斷升級(jí)換代。

中國(guó)特高壓直流技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)在于：一是形成了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈;二是從研發(fā)示范到實(shí)際應(yīng)用的周期短，因而降低了成本;三是有實(shí)際的需求，而實(shí)際的需求又能推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，特高壓直流輸電系統(tǒng)主要有兩大類(lèi)，即傳統(tǒng)的基于晶閘管的直流輸電系統(tǒng)（LCCHVDC）和基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）技術(shù)的電壓源型直流輸電技術(shù)（VSCHVDC、MMCVSCHVDC）。

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括低損耗、大功率及超大功率應(yīng)用、低投資費(fèi)用、直流側(cè)短路可有效控制等。因其技術(shù)成熟，成為特高壓直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)。其缺點(diǎn)包括逆變側(cè)交流故障引|起的換相失敗換流器的大量無(wú)功消耗、無(wú)法提供快速無(wú)功與電壓控制等。

近年來(lái)，傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)理論上的重大突破，即在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中引人柔性控制，并實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制有功、無(wú)功，可完全克服換相失敗。需指出，這種柔性控制投資在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的總投資所占比例很小，由于采用模塊式架構(gòu)，因而可靠性高，易于工程實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)特高壓傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的升級(jí)換代，實(shí)現(xiàn)從“0”到“1”的突破。

基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）技術(shù)的電壓源型直流輸電技術(shù)今年已開(kāi)始用于特高壓項(xiàng)目，目前需克服以下不足：高損耗;受IGBT芯片最大電流限制，超大功率應(yīng)用（特高壓直流）尚有困難;投資費(fèi)用高;直流側(cè)短路控制有挑戰(zhàn);技術(shù)上有待積累更多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

技術(shù)瓶頸主要是低能耗低成本、大功率全控電力電子器件技術(shù)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)IGBT器件的升級(jí)換代，以實(shí)現(xiàn)從“0”到“1”的突破。

此外，多端特高壓直流電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、控制、保護(hù)與裝備技術(shù)是未來(lái)技術(shù)創(chuàng)新的重大課題。而多端特高壓直流電網(wǎng)的運(yùn)行與安全是另一個(gè)具有重大挑戰(zhàn)的課題。

借“新基建”的發(fā)展機(jī)遇，建議加強(qiáng)國(guó)際國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研合作，建立多種形式的科研攻關(guān)聯(lián)合體，實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)性突破，為全球的能源互聯(lián)互通提供中國(guó)方案，助力聯(lián)合國(guó)全球低碳乃至實(shí)現(xiàn)2050年能源凈零排放目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。

目前，我們需要在能源系統(tǒng)中形成抵御氣候變化的免疫能力——即基于全球互聯(lián)互通可再生能源的共享系統(tǒng)。“新基建”基于特高壓輸電技術(shù)能源互聯(lián)互通的中國(guó)方案，將支持技術(shù)創(chuàng)新、工作機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，推動(dòng)全球采取聯(lián)合行動(dòng)，應(yīng)對(duì)氣候變化的巨大威脅。