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電力電子器件在直流輸電中的應用
發布日期:2016-4-27 點擊:6131

一、前言
    我國研究半導體器件起始于上世紀60年代,水平與國外基本同步,文革10年讓我們與國外拉下較大距離,隨著改革開放的步伐,這種差距才逐步得以改善。90年代末期,三峽輸變電工程給我國電力半導體器件技術發展提供了機遇;繼而,依托特高壓直流輸電工程的支撐,持續不斷地自主創新,使高壓器件制造技術達到目前國際領先水平,提升了整個電力電子行業的技術進步,引領應用技術邁向新的臺階。
    二、三峽輸電工程賦予超大功率電力半導體器件新的發展機遇
    二十世紀末(1998年),舉世矚目的三峽水電站即將建成,國務院三峽辦會同有關部委并組織專家進行調研和充分論證,結合國內設備制造廠家的實際現狀,作出重大決策:“外送電力將采用超高壓直流輸電的方式,通過三峽直流輸電設備的招標,引進換流閥站的核心器件晶閘管制造技術。利用國外先進技術和高科技資源、縮短我國自行開發時間、在高起點上與國際產品和先進技術接軌。”在這樣的背景下,西安電力電子技術研究所面對歷史的機遇和挑戰。充分利用自身的人才積淀優勢和長期積累的工藝技術及研究經驗,通過技術合作,歷時兩年,依托工程的支撐,掌握了核心器件5英寸、3000A/7200V超大功率電控晶閘管的核心技術,自主制造的產品在三峽水電站電力外送的“三常”、“三廣”、“三上”三條超大功率直流輸電工程中應用,在“西電東送”以及直流聯網等后續工程中實現了產業化,達到完全自主制造的能力。
    光控晶閘管(LTT),是在電控晶閘管技術基礎上發展而來。其主要特點是觸發導通方式,采用光觸發,并且將雪崩二極管,具有過電壓保護功能單元集成在芯片內部,其工藝更為復雜,但卻簡化了系統外圍保護電路,大大提高了整個系統的可靠性。尤其是強電隔離采用光觸發更具應用潛力,受到應用工程師的推崇。在國家的整體部署和支持下,南方電網公司建設的貴州至廣東兩回超高壓直流輸電工程均采用了西安電力電子技術研究所5英寸、3000A、8000V光控晶閘管這一新型電力電子器件,使我國電力半導體器件制造水平得到一次跨越式的提升!
    三、依托±800kV特高壓直流輸電工程,創新研制出6英寸特大功率晶閘管
    2005年,基于我國國民經濟持續高速發展的現實,電力供應遠遠滿足不了經濟建設的需求,國家電網公司決定建設更高電壓等級的±800kV特高壓直流輸電工程,單條輸送容量640萬千瓦,是常規工程的2倍多,大大節約了建設成本和輸送走廊用地。±800kV特高壓直流輸電工程,需要采用6英寸、4000安培、8000伏特大功率晶閘管,世界上沒有任何公司研制,是發展±800千伏特高壓直流輸電工程的關鍵。國外公司基于前期研發投入大、預期市場回報不樂觀,沒有研發的積極性。因此,6英寸晶閘管必須立足國內自主研制才能實現±800kV特高壓直流輸電的夢想。
    國網公司為此組織了多次特高壓輸電技術國際研討會,匯集了國內外專家們的薦言獻策,下決心在我國實現這一夢想。在此情況下,西安電力電子技術研究所臨危受命并積極響應,得到了國家科技部、國家發改委、國家電網公司和南方電網公司的大力支持,開始6英寸特大功率電控晶閘管和5英寸特大功率光控晶閘管的研制工作,歷時1年,2006年6月,我國完全自主研制成功6英寸、4000A、8000V特大功率晶閘管。通過前期設計、工藝試投片和試驗進行可行性技術評估,為國家發改委核準項目提供了依據。
   2007年12月,向家壩~上海±800千伏特高壓直流輸電示范工程開始建設。西起四川宜賓,東至上海奉賢,全長1907公里,輸送功率640萬千瓦,工程換流閥用5700余只6英寸特大功率晶閘管全部由我國自主制造。歷時2年半,2010年7月8日雙極投入運行。這是世界上電壓等級最高、輸電距離最遠、輸送容量最大、技術最先進的高壓直流輸電工程,也是我國自主研發、自主設計和施工的具有自主知識產權的特高壓直流輸電工程。工程運行至今狀況良好,在夏季高溫氣候肆虐江浙一帶,電力消納高峰迭起,但上海及周邊地區電力供應正常,向上特高壓直流工程發揮了很好的社會效益。
    2010年6月,南方電網公司建設的云南至廣東±800千伏特高壓直流輸電示范工程投運,輸送功率達到500萬千瓦,換流閥用4000余只5英寸3125A、8500V光控晶閘管,全部由我國自主提供。
    依托三峽工程,我國電力半導體器件制造技術得到跨越式提升,借助特高壓直流示范工程實踐,制造技術由原來的“跟蹤”實現了“引領”的角色轉換。
    四、我國特高壓電網建設規劃的宏圖,進一步催生了更大容量器件的誕生
    人類對科學的探索是永無止境的。
    隨著我國國民經濟建設持續穩定發展,為適應對電力需求的持續增長,“十二五國家電網建設規劃”中,明確提出到2020年建成5縱5橫特高壓智能骨干電網,對特高壓直流輸電工程輸送容量也在逐步提高。2010年,向上±800千伏特高壓直流輸電工程及云廣±800千伏特高壓直流輸電工程成功投運,輸送功率分別達到了640萬千瓦和500萬千瓦;后續開工建設的錦屏~蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程,采用了我國自主研制的4500安培/8500伏電控晶閘管,單條輸電線輸送容量達到720萬千瓦,2013年投入運行。同時,哈密至鄭州、溪洛渡至浙西特高壓直流工程,輸送容量提高到了800萬千瓦,晶閘管的電流通流能力提高到5000A,目前工程正在實施之中。繼而,又規劃建設更大容量的±1100千伏特高壓直流輸電工程,單條輸送線路的容量將會提高到1000萬千瓦甚至更高,晶閘管的電流通流能力將達到6250A,為此,國家電網公司專門致函西安電力電子技術研究所,在《關于開展6250A晶閘管研制工作的函》中提到:“6250A晶閘管一旦研制成功,將會在未來國家特高壓堅強智能電網建設中獲得大規模應用,具有廣闊的市場前景”。將大大減少輸電工程建設成本,節約輸電走廊用地,減小環境污染。每一個工程都對電力電子器件提出一個新的目標,就是在這每一次挑戰中,升華了我國電力半導體器件制造技術水平!達到目前世界領先水平的地位。

五、器件推挽應用技術,帶動了整個行業的技術進步
    “十年鑄一劍,鋒自砥礪出”,西安電力電子技術研究所經過10年的努力,掌握了世界上最先進的5英寸電控晶閘管、5英寸光控晶閘管制造技術;創新性地研制出擁有自主知識產權的6英寸特大功率電控晶閘管和5英寸特大功率光控晶閘管,并形成產業化,支撐了20多個國家重點工程項目;前瞻性地開發研制出更大容量的電力電子器件,為更高電壓等級的輸變電建設工程做好技術儲備,建成了亞洲乃至世界上最先進的功率器件研發制造基地。
    電力半導體器件作為傳統產業升級換代及技術改造的核心器件,應用市場非常廣闊,譬如:特高壓直流輸電、電網無功補償、大型電機軟啟動、鐵路高
一、速列車大功率整流電源裝置、新一代大型軋鋼機調速系統、大型電化學電源裝置、艦艇船舶的大型電源(航母彈射器)等。其高電壓、大電流、大容量的特點使整機系統簡化、體積縮小、可靠性提高,今后仍將占據主導地位,具有較強的生命力。
   回眸我國電力電子技術跨越式發展的十年歷程,并非一路坦途,在徘徊和探索中邁上了一個個新的臺階。市場是創新的動力,實踐是孕育創新的土壤。器件工藝研發團隊應繼續堅持自主創新,緊緊圍繞我國經濟建設主戰場,研發新一代電力電子器件,推進和拓展電力電子應用技術,承載時代賦予我們的神圣使命!

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