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電力電子器件在直流輸電中的應用

时间:2019-04-27        阅读

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(zhù)改革開(kāi)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(shù)發(fā)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(chuàng )新,使高壓器件制造技術(shù)達到目前國際領(lǐng)先水平,提升了整個(gè)電力電子行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,引領(lǐng)應用技術(shù)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(fā)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(wù)院三峽辦會(huì )同有關(guān)部委并組織專(zhuān)家進(jìn)行調研和充分論證,結合國內設備制造廠(chǎng)家的實(shí)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(guò)三峽直流輸電設備的招標,引進(jìn)換流閥站的核心器件晶閘管制造技術(shù)。利用國外先進(jìn)技術(shù)和高科技資源、縮短我國自行開(kāi)發(fā)時(shí)間、在高起點(diǎn)上與國際產(chǎn)品和先進(jìn)技術(shù)接軌!痹谶@樣的背景下,西安電力電子技術(shù)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(yōu)勢和長(cháng)期積累的工藝技術(shù)及研究經(jīng)驗,通過(guò)技術(shù)合作,歷時(shí)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(shù),自主制造的產(chǎn)品在三峽水電站電力外送的“三!、“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(lián)網(wǎng)等后續工程中實(shí)現了產(chǎn)業(yè)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(shù)基礎上發(fā)展而來(lái)。其主要特點(diǎn)是觸發(fā)導通方式,采用光觸發(fā),并且將雪崩二極管,具有過(guò)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(jiǎn)化了系統外圍保護電路,大大提高了整個(gè)系統的可靠性。尤其是強電隔離采用光觸發(fā)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(wǎng)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(shù)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(chuàng )新研制出6英寸特大功率晶閘管

    2005年,基于我國國民經(jīng)濟持續高速發(fā)展的現實(shí),電力供應遠遠滿(mǎn)足不了經(jīng)濟建設的需求,國家電網(wǎng)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(wàn)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(méi)有任何公司研制,是發(fā)展±800千伏特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵。國外公司基于前期研發(fā)投入大、預期市場(chǎng)回報不樂(lè )觀(guān),沒(méi)有研發(fā)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(shí)現±800kV特高壓直流輸電的夢(mèng)想。

    國網(wǎng)公司為此組織了多次特高壓輸電技術(shù)國際研討會(huì ),匯集了國內外專(zhuān)家們的薦言獻策,下決心在我國實(shí)現這一夢(mèng)想。在此情況下,西安電力電子技術(shù)研究所臨危受命并積極響應,得到了國家科技部、國家發(fā)改委、國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的大力支持,開(kāi)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(shí)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(guò)前期設計、工藝試投片和試驗進(jìn)行可行性技術(shù)評估,為國家發(fā)改委核準項目提供了依據。

   2007年12月,向家壩~上!800千伏特高壓直流輸電示范工程開(kāi)始建設。西起四川宜賓,東至上海奉賢,全長(cháng)1907公里,輸送功率640萬(wàn)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(shí)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(shù)最先進(jìn)的高壓直流輸電工程,也是我國自主研發(fā)、自主設計和施工的具有自主知識產(chǎn)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(fā)揮了很好的社會(huì )效益。

    2010年6月,南方電網(wǎng)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(wàn)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(shù)得到跨越式提升,借助特高壓直流示范工程實(shí)踐,制造技術(shù)由原來(lái)的“跟蹤”實(shí)現了“引領(lǐng)”的角色轉換。

    四、我國特高壓電網(wǎng)建設規劃的宏圖,進(jìn)一步催生了更大容量器件的誕生

    人類(lèi)對科學(xué)的探索是永無(wú)止境的。

    隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟建設持續穩定發(fā)展,為適應對電力需求的持續增長(cháng),“十二五國家電網(wǎng)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(wǎng),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(wàn)千瓦和500萬(wàn)千瓦;后續開(kāi)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(xiàn)輸送容量達到720萬(wàn)千瓦,2013年投入運行。同時(shí),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(wàn)千瓦,晶閘管的電流通流能力提高到5000A,目前工程正在實(shí)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(xiàn)路的容量將會(huì )提高到1000萬(wàn)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(wǎng)公司專(zhuān)門(mén)致函西安電力電子技術(shù)研究所,在《關(guān)于開(kāi)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(huì )在未來(lái)國家特高壓堅強智能電網(wǎng)建設中獲得大規模應用,具有廣闊的市場(chǎng)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(huán)境污染。每一個(gè)工程都對電力電子器件提出一個(gè)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(shù)水平!達到目前世界領(lǐng)先水平的地位。


五、器件推挽應用技術(shù),帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步

    “十年鑄一劍,鋒自砥礪出”,西安電力電子技術(shù)研究所經(jīng)過(guò)10年的努力,掌握了世界上最先進(jìn)的5英寸電控晶閘管、5英寸光控晶閘管制造技術(shù);創(chuàng )新性地研制出擁有自主知識產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化,支撐了20多個(gè)國家重點(diǎn)工程項目;前瞻性地開(kāi)發(fā)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(shù)儲備,建成了亞洲乃至世界上最先進(jìn)的功率器件研發(fā)制造基地。

    電力半導體器件作為傳統產(chǎn)業(yè)升級換代及技術(shù)改造的核心器件,應用市場(chǎng)非常廣闊,譬如:特高壓直流輸電、電網(wǎng)無(wú)功補償、大型電機軟啟動(dòng)、鐵路高

一、速列車(chē)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(xué)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(diǎn)使整機系統簡(jiǎn)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(shù)跨越式發(fā)展的十年歷程,并非一路坦途,在徘徊和探索中邁上了一個(gè)個(gè)新的臺階。市場(chǎng)是創(chuàng )新的動(dòng)力,實(shí)踐是孕育創(chuàng )新的土壤。器件工藝研發(fā)團隊應繼續堅持自主創(chuàng )新,緊緊圍繞我國經(jīng)濟建設主戰場(chǎng),研發(fā)新一代電力電子器件,推進(jìn)和拓展電力電子應用技術(shù),承載時(shí)代賦予我們的神圣使命!


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