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电力电子器件在直流输电中的应用
发布日期:2016-4-27 点击:5813

一、前言
    我国研究半导体器件起始于上世纪60年代,水平与国外基本同步,文革10年让我们与国外拉下较大距离,随着改革开放的步伐,这种差距才逐步得以改善。90年代末期,三峡输变电工程给我国电力半导体器件技术发展提供了机遇;继而,依托特高压直流输电工程的支撑,持续不断地自主创新,使高压器件制造技术达到目前国际领先水平,提升了整个电力电子行业的技术进步,引领应用技术迈向新的台阶。
    二、三峡输电工程赋予超大功率电力半导体器件新的发展机遇
    二十世纪末(1998年),举世瞩目的三峡水电站即将建成,国务院三峡办会同有关部委并组织专家进行调研和充分论证,结合国内设备制造厂家的实际现状,作出重大决策:“外送电力将采用超高压直流输电的方式,通过三峡直流输电设备的招标,引进换流阀站的核心器件晶闸管制造技术。利用国外先进技术和高科技资源、缩短我国自行开发时间、在高起点上与国际产品和先进技术接轨。”在这样的背景下,西安电力电子技术研究所面对历史的机遇和挑战。充分利用自身的人才积淀优势和长期积累的工艺技术及研究经验,通过技术合作,历时两年,依托工程的支撑,掌握了核心器件5英寸、3000A/7200V超大功率电控晶闸管的核心技术,自主制造的产品在三峡水电站电力外送的“三常”、“三广”、“三上”三条超大功率直流输电工程中应用,在“西电东送”以及直流联网等后续工程中实现了产业化,达到完全自主制造的能力。
    光控晶闸管(LTT),是在电控晶闸管技术基础上发展而来。其主要特点是触发导通方式,采用光触发,并且将雪崩二极管,具有过电压保护功能单元集成在芯片内部,其工艺更为复杂,但却简化了系统外围保护电路,大大提高了整个系统的可靠性。尤其是强电隔离采用光触发更具应用潜力,受到应用工程师的推崇。在国家的整体部署和支持下,南方电网公司建设的贵州至广东两回超高压直流输电工程均采用了西安电力电子技术研究所5英寸、3000A、8000V光控晶闸管这一新型电力电子器件,使我国电力半导体器件制造水平得到一次跨越式的提升!
    三、依托±800kV特高压直流输电工程,创新研制出6英寸特大功率晶闸管
    2005年,基于我国国民经济持续高速发展的现实,电力供应远远满足不了经济建设的需求,国家电网公司决定建设更高电压等级的±800kV特高压直流输电工程,单条输送容量640万千瓦,是常规工程的2倍多,大大节约了建设成本和输送走廊用地。±800kV特高压直流输电工程,需要采用6英寸、4000安培、8000伏特大功率晶闸管,世界上没有任何公司研制,是发展±800千伏特高压直流输电工程的关键。国外公司基于前期研发投入大、预期市场回报不乐观,没有研发的积极性。因此,6英寸晶闸管必须立足国内自主研制才能实现±800kV特高压直流输电的梦想。
    国网公司为此组织了多次特高压输电技术国际研讨会,汇集了国内外专家们的荐言献策,下决心在我国实现这一梦想。在此情况下,西安电力电子技术研究所临危受命并积极响应,得到了国家科技部、国家发改委、国家电网公司和南方电网公司的大力支持,开始6英寸特大功率电控晶闸管和5英寸特大功率光控晶闸管的研制工作,历时1年,2006年6月,我国完全自主研制成功6英寸、4000A、8000V特大功率晶闸管。通过前期设计、工艺试投片和试验进行可行性技术评估,为国家发改委核准项目提供了依据。
   2007年12月,向家坝~上海±800千伏特高压直流输电示范工程开始建设。西起四川宜宾,东至上海奉贤,全长1907公里,输送功率640万千瓦,工程换流阀用5700余只6英寸特大功率晶闸管全部由我国自主制造。历时2年半,2010年7月8日双极投入运行。这是世界上电压等级最高、输电距离最远、输送容量最大、技术最先进的高压直流输电工程,也是我国自主研发、自主设计和施工的具有自主知识产权的特高压直流输电工程。工程运行至今状况良好,在夏季高温气候肆虐江浙一带,电力消纳高峰迭起,但上海及周边地区电力供应正常,向上特高压直流工程发挥了很好的社会效益。
    2010年6月,南方电网公司建设的云南至广东±800千伏特高压直流输电示范工程投运,输送功率达到500万千瓦,换流阀用4000余只5英寸3125A、8500V光控晶闸管,全部由我国自主提供。
    依托三峡工程,我国电力半导体器件制造技术得到跨越式提升,借助特高压直流示范工程实践,制造技术由原来的“跟踪”实现了“引领”的角色转换。
    四、我国特高压电网建设规划的宏图,进一步催生了更大容量器件的诞生
    人类对科学的探索是永无止境的。
    随着我国国民经济建设持续稳定发展,为适应对电力需求的持续增长,“十二五国家电网建设规划”中,明确提出到2020年建成5纵5横特高压智能骨干电网,对特高压直流输电工程输送容量也在逐步提高。2010年,向上±800千伏特高压直流输电工程及云广±800千伏特高压直流输电工程成功投运,输送功率分别达到了640万千瓦和500万千瓦;后续开工建设的锦屏~苏南±800千伏特高压直流输电工程,采用了我国自主研制的4500安培/8500伏电控晶闸管,单条输电线输送容量达到720万千瓦,2013年投入运行。同时,哈密至郑州、溪洛渡至浙西特高压直流工程,输送容量提高到了800万千瓦,晶闸管的电流通流能力提高到5000A,目前工程正在实施之中。继而,又规划建设更大容量的±1100千伏特高压直流输电工程,单条输送线路的容量将会提高到1000万千瓦甚至更高,晶闸管的电流通流能力将达到6250A,为此,国家电网公司专门致函西安电力电子技术研究所,在《关于开展6250A晶闸管研制工作的函》中提到:“6250A晶闸管一旦研制成功,将会在未来国家特高压坚强智能电网建设中获得大规模应用,具有广阔的市场前景”。将大大减少输电工程建设成本,节约输电走廊用地,减小环境污染。每一个工程都对电力电子器件提出一个新的目标,就是在这每一次挑战中,升华了我国电力半导体器件制造技术水平!达到目前世界领先水平的地位。

五、器件推挽应用技术,带动了整个行业的技术进步
    “十年铸一剑,锋自砥砺出”,西安电力电子技术研究所经过10年的努力,掌握了世界上最先进的5英寸电控晶闸管、5英寸光控晶闸管制造技术;创新性地研制出拥有自主知识产权的6英寸特大功率电控晶闸管和5英寸特大功率光控晶闸管,并形成产业化,支撑了20多个国家重点工程项目;前瞻性地开发研制出更大容量的电力电子器件,为更高电压等级的输变电建设工程做好技术储备,建成了亚洲乃至世界上最先进的功率器件研发制造基地。
    电力半导体器件作为传统产业升级换代及技术改造的核心器件,应用市场非常广阔,譬如:特高压直流输电、电网无功补偿、大型电机软启动、铁路高
一、速列车大功率整流电源装置、新一代大型轧钢机调速系统、大型电化学电源装置、舰艇船舶的大型电源(航母弹射器)等。其高电压、大电流、大容量的特点使整机系统简化、体积缩小、可靠性提高,今后仍将占据主导地位,具有较强的生命力。
   回眸我国电力电子技术跨越式发展的十年历程,并非一路坦途,在徘徊和探索中迈上了一个个新的台阶。市场是创新的动力,实践是孕育创新的土壤。器件工艺研发团队应继续坚持自主创新,紧紧围绕我国经济建设主战场,研发新一代电力电子器件,推进和拓展电力电子应用技术,承载时代赋予我们的神圣使命!

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