電力電子器件在直流輸電中的應(yīng)用

一、前言

    我國(guó)研究半導(dǎo)體器件起始于上世紀(jì)60年代，水平與國(guó)外基本同步，文革10年讓我們與國(guó)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(guó)電力半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展提供了機(jī)遇;繼而，依托特高壓直流輸電工程的支撐，持續(xù)不斷地自主創(chuàng)新，使高壓器件制造技術(shù)達(dá)到目前國(guó)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(yīng)用技術(shù)邁向新的臺(tái)階。

    二、三峽輸電工程賦予超大功率電力半導(dǎo)體器件新的發(fā)展機(jī)遇

    二十世紀(jì)末(1998年)，舉世矚目的三峽水電站即將建成，國(guó)務(wù)院三峽辦會(huì)同有關(guān)部委并組織專家進(jìn)行調(diào)研和充分論證，結(jié)合國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠家的實(shí)際現(xiàn)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(shè)備的招標(biāo)，引進(jìn)換流閥站的核心器件晶閘管制造技術(shù)。利用國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和高科技資源、縮短我國(guó)自行開發(fā)時(shí)間、在高起點(diǎn)上與國(guó)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(duì)歷史的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。充分利用自身的人才積淀優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)期積累的工藝技術(shù)及研究經(jīng)驗(yàn)，通過技術(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�！薄ⅰ叭龔V”、“三上”三條超大功率直流輸電工程中應(yīng)用，在“西電東送”以及直流聯(lián)網(wǎng)等后續(xù)工程中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，達(dá)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(chǔ)上發(fā)展而來。其主要特點(diǎn)是觸發(fā)導(dǎo)通方式，采用光觸發(fā)，并且將雪崩二極管，具有過電壓保護(hù)功能單元集成在芯片內(nèi)部，其工藝更為復(fù)雜，但卻簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍保護(hù)電路，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。尤其是強(qiáng)電隔離采用光觸發(fā)更具應(yīng)用潛力，受到應(yīng)用工程師的推崇。在國(guó)家的整體部署和支持下，南方電網(wǎng)公司建設(shè)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(guó)電力半導(dǎo)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，電力供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，國(guó)家電網(wǎng)公司決定建設(shè)更高電壓等級(jí)的±800kV特高壓直流輸電工程，單條輸送容量640萬千瓦，是常規(guī)工程的2倍多，大大節(jié)約了建設(shè)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(fā)展±800千伏特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵。國(guó)外公司基于前期研發(fā)投入大、預(yù)期市場(chǎng)回報(bào)不樂觀，沒有研發(fā)的積極性。因此，6英寸晶閘管必須立足國(guó)內(nèi)自主研制才能實(shí)現(xiàn)±800kV特高壓直流輸電的夢(mèng)想。

    國(guó)網(wǎng)公司為此組織了多次特高壓輸電技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，匯集了國(guó)內(nèi)外專家們的薦言獻(xiàn)策，下決心在我國(guó)實(shí)現(xiàn)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(yīng)，得到了國(guó)家科技部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)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(shí)1年，2006年6月，我國(guó)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(shè)計(jì)、工藝試投片和試驗(yàn)進(jìn)行可行性技術(shù)評(píng)估，為國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)項(xiàng)目提供了依據(jù)。

   2007年12月，向家壩～上�！�800千伏特高壓直流輸電示范工程開始建設(shè)。西起四川宜賓，東至上海奉賢，全長(zhǎng)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(guó)自主制造。歷時(shí)2年半，2010年7月8日雙極投入運(yùn)行。這是世界上電壓等級(jí)最高、輸電距離最遠(yuǎn)、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(guó)自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)和施工的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特高壓直流輸電工程。工程運(yùn)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(qū)電力供應(yīng)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(shè)的云南至廣東±800千伏特高壓直流輸電示范工程投運(yùn)，輸送功率達(dá)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(guó)自主提供。

    依托三峽工程，我國(guó)電力半導(dǎo)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)由原來的“跟蹤”實(shí)現(xiàn)了“引領(lǐng)”的角色轉(zhuǎn)換。

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

    人類對(duì)科學(xué)的探索是永無止境的。

    隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，為適應(yīng)對(duì)電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，“十二五國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)規(guī)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(duì)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(yùn)，輸送功率分別達(dá)到了640萬千瓦和500萬千瓦;后續(xù)開工建設(shè)的錦屏～蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程，采用了我國(guó)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(dá)到720萬千瓦，2013年投入運(yùn)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(guī)劃建設(shè)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(huì)提高到1000萬千瓦甚至更高，晶閘管的電流通流能力將達(dá)到6250A，為此，國(guó)家電網(wǎng)公司專門致函西安電力電子技術(shù)研究所，在《關(guān)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(huì)在未來國(guó)家特高壓堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中獲得大規(guī)模應(yīng)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景”。將大大減少輸電工程建設(shè)成本，節(jié)約輸電走廊用地，減小環(huán)境污染。每一個(gè)工程都對(duì)電力電子器件提出一個(gè)新的目標(biāo)，就是在這每一次挑戰(zhàn)中，升華了我國(guó)電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)水平!達(dá)到目前世界領(lǐng)先水平的地位。

五、器件推挽應(yīng)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(shí)產(chǎn)權(quán)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(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目;前瞻性地開發(fā)研制出更大容量的電力電子器件，為更高電壓等級(jí)的輸變電建設(shè)工程做好技術(shù)儲(chǔ)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(dǎo)體器件作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代及技術(shù)改造的核心器件，應(yīng)用市場(chǎng)非常廣闊，譬如：特高壓直流輸電、電網(wǎng)無功補(bǔ)償、大型電機(jī)軟啟動(dòng)、鐵路高

一、速列車大功率整流電源裝置、新一代大型軋鋼機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、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(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化、體積縮小、可靠性提高，今后仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，具有較強(qiáng)的生命力。

   回眸我國(guó)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(tái)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(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)繼續(xù)堅(jiān)持自主創(chuàng)新，緊緊圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)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(yīng)用技術(shù)，承載時(shí)代賦予我們的神圣使命!