电力电子器件在柔性直流输电的应用和发展趋势2023

电力电子器件在柔性直流输电 的应用和发展趋势 饶宏 南方电网科学研究院有限责任公司 2023年2月 提纲 柔性直流输电的发展现状 ⅡI.电力电子器件在柔性直流的应用现状川.柔直用电力电子器件的主要技术特点IV.高压大功率电力电子器件的应用展望 1.柔性直流输电的基本概念 采用全控型器件（如IGBT、IGCT），控制导通、可控关断，因此被称为“柔性 常规直流柔性直流 3 1.柔性直流输电的基本概念 柔性直流的换流过程不依赖电网支撑，无换相失败 ，交流电网故障时，不但能穿越故障，还能主动控制提供电压支撑，提高电网稳定 快速跟踪新能源波动功率，同时还能通过无功控制抑制新能源引起的电网电压波动 柔性直流传统直流 换流元件全控型器件（如IGBT），可控关断 半控型器件（晶闸管），依靠电网电压换相关断 交流电网交流电网可以没有同步机电源支撑交流电网必须有同步机电源支撑 换相失败没有换相失败，全穿越交流故障存在换相失败，即无法正常输送电力 电网强度没有要求 对电网的强度有要求，通常情况下短路 容量不小于直流容量的2倍 4 2.柔性直流输电的发展历程 我国发展应用较国外晚10年，自前已经全面超越 技术历程：两电平、三电平、优化两电平、模块化多电平、混合式多电平 电压达到100kV容量达到百兆瓦第一个商业工程第一个试验工程概念提出 Cross-Sound-USADirect-Link-TerraNoraGotland工程赫尔斯场加拿大Boon.Tec 2000年1999年1997年1990年 2010年2013年2015年2020年2020年 第一个模块化多电平工程首个多端容量达到干兆瓦首次±500kV首次±800kV电压达到±200kV/400MW南澳桑直厦门工程张北工程昆柳龙工程 TransBayCable"十二五863项目"十三五”重大研发项目 3.柔性直流输电的应用现状 我国已投运12项，用于风电送出、电网互联、远距离输电和无源网络供电 渝鄂背靠背张北柔直工程上海南汇风电接入如东海上风电送出工程 ·2019年 ?2020年 ·2011年8月 ?2020年 ±420kV4×1250MW ?±500kV3000MW ±30kV，20MW ±400kV,1000MW 鲁西背靠背舟山五端桑直工程 2016年8月?2014年 ?±350kV.1000MW±200kV.400MW 青州海上风电送出工程中海油文昌油田平台供电厦门柔直工程 ·2022年招标2011年3月2015年12月 ±500kV,2000MW±10kV,4MW±320kV，1000MW 广东背靠背昆柳龙直流工程南澳工程白鹤滩工程 ?2022年?2020年·2013年12月·预计2022年 ?±300kV，4X1500MW?±800kV，5000MW±160kV.200MW±800kV，8000MW 6 4.柔性直流输电的发展趋势 我国双碳背景下，柔性直流将是沙戈荒新能源送出的主要方式 到2030年，我国规划风电、太阳能发电总装机达12亿于瓦以上，新增装机中沙漠戈壁、荒漠地区大型风光基地占比超80% 80%能源 70%负荷 “加大力度规划建设以大型风 光电基地为基础以稳定安 全可靠的特高压输变电线路为 载体的新能源供给消纳体系” 中共中央政治局第三十六次学习 7 5.代表性的柔性直流输电工程-用于新能源送出 南澳多端柔直工程：依托我国首个国家863计划的柔直项目“大型风电场柔性直流 输电接入技术研究与开发”建成了世界首个多端柔性直流输电示范工程 实现了岛上多个风电场通过多端柔性直流并网输送到汕头大陆 塑城金牛 塔屿 50MW AC VSC2 200MW ±160kV 100MW VSC3 DC 青澳VSC1 直流陆缆50MW 直流海缆 直流架空线交流陆缆远期架空线 8 5.代表性的柔性直流输电工程-用于优化电网结构 鲁西背靠背：首次将柔性直流用于西电东送主通道，实现电网分区柔性互联避免弱系统条件下全部采用常规直流可能造成系统无法恢复 柔直稳态调压，减少滤波器小组数5小组，节约用地0.5公 滇东 雨汪 罗平变电站 背靠背 罗平VSCVSC 云南百色广西 云南丰LCCLCC丰广西 LCCLCC 9 5.代表性的柔性直流输电工程-用于优化电网结构 广东电网背靠背：大幅降低粤港澳大湾区500kV短路电流水平约8~20kA，消除9 回直流同时换相失败风险，7回及以上直流同时换相失败风险点由29个降至10个 韩城冷站 1.中南通道各两个柔直单元 2.额定功率：中南通道共4*1500MW 背靠背分区示意图中通道换流站效果图 10 5.代表性的柔性直流输电工程-用于远距离架空线输电 昆柳龙直流工程：落点广东的第10回直流输电工程，将乌东德电站（世界第7大水电）的电力输送至两广负荷中心，受端采取特高压柔性直流技术 、世界上首次将柔性直流用于远距离、大容量、架空线输电 CCTV13 905km 云南民北海院 西桥北模流站 南方电网乌东德电站送电广东广西特高压工程投运 乌东德水电站昆柳龙直流工程示意图广东多直流电网情况 11 提纲 柔性直流输电的发展现状 Ⅱ.电力电子器件在柔性直流的应用现状川I.柔直用电力电子器件的主要技术特点IV.高压大功率电力电子器件的应用展望 12 1.柔性直流换流阀的基本构成 -换流阀是柔性直流的“心脏”，采用模块化多电平拓扑，功率器件是核心，系统设 计可以说是围绕换流阀的安全、高效来展开的 器件 阀串功率模块阀塔阀厅 13 1.柔性直流换流阀的基本构成 -功率模块是基本换流单元，工程应用有全桥、半桥模块两种 半桥功率模块（FB） IGBT1D设备造价低、运行损耗小 更适合用于柔性直流背靠背， IGBT2 VD2 直流电缆输电场合 IGBT IGBT3 全桥功率模块（HB) 可输出负电平，具备直流侧故 U障自清除、快速重启动的功能 vD2VD4更适合用于远距离架空线输电 IGBT2IGBT4场合 14 1.柔性直流换流阀的基本构成 功率模块由电力电子器件、电容器、均压电阻、旁路开关、水冷回路等组成 电容器T VT 均压电阻正本 IGBT/二极管 电水流 水液 水冷散热器 传感高位取能电源旁路开关驱动 IGBT/IEGT 动板 流电湖单信号功率模块控制板 功率模块取能电源EVM的光控制板 15 2.柔直阀中IGBT器件的整体应用情况 塑封式封装 生产工艺简单，成本低 7承受电容器直通放电后，可能发 生爆炸，影响周边 器件容量相对较小压接式典型封装 配网领域应用较多 压接式封装 封装难度大，成本高 由于采取压接方式，承受电容器 直通放电后，结构稳定散热性能好，器件容量大 V远距离输电、电网互联应用 塑封式典型封装 16 2.柔直阀中IGBT器件的整体应用情况 -2013年-2022年，我国柔直工程中应用的IGBT器件总数量超过20万只 趋势：工程数量增长、规模增加，IGBT用量稳步增长 只 数量/ 250000 200000 150000 100000 50000 85272 14559255960 201224 0 2013201420152016201920202021.2022 IGBT用量逐年增加（中国） 17 提纲 柔性直流输电的发展现状 ⅡI.电力电子器件在柔性直流的应用现状I川I.柔直用电力电子器件的主要技术特点V.高压大功率电力电子器件的应用展望 18 1.良好的阀厅环境条件 阀厅环境友好：严格控制温度、湿度、洁净度，不会剧烈变换 序号 名称 换流站阀厅 2 空气温度，最小值空气温度，最大值 +5℃ +45℃ 极限空气温度，最+50℃（2小 3大值时) 4相对湿度，最大值60%RH 5污移等级 户内（微正 压） 19 2.良好的散热条件 散热系统良好：内冷采用去离子水，外冷采用水冷或空冷 名称 序号 进阀最高运 换流站阀外冷内冷换流阀 厅水冷部设备 阿式冷御塔 阅门及管递 行温度 进阀温度高报警设定值 Y 进阀温度高跳闸设定值 出阀温度设 45℃ 47℃ 50℃ 空气冷印器 喷淋水处理 气 车车车 4计值 55℃ 喷淋水池水冷即设备 20 3.极低的开关频率 -调制均压算法：开关频率低，半桥模块低至80Hz，全桥模块低至40Hz；全桥模 块采取零电平轮换调制方法，进一步平均电流分布，降低不同器件的结温差 MMCD 4 80HzT2 ±D2 (a)阶段状态1(b)A阶段状态2 0.2 0.0 DID3T1 ±D2T21D2D4 1200122512501.2751.3001.32513501.3751.400 (c)4r阶段状态1d)A2阶段状态2 半桥模块的开关脉冲全桥功率模块两段式调制 21 4.承受浪涌电流的能力要强 在电网应用层面：由于控制链路延时等因素影响，交流系统故障时，柔直阀会出 现短时间的浪涌电流和过电压，可能超过器件耐受能力，影响交流故障穿越特性 功率器件应具有更大的可重复关断电流能力，有助于提高交流故障穿越能力 max 故障时功率器件电 流上升率>1550A/ms 器件耐受限值 交流母线 电压 400 柔性直流 系统闭锁 阀电流 2000暂停触发15ms 2138A 2000 1000 交流故障多发，闭锁将导致 直流功率 500 00.010.020.030.040.050.060.070.080.09I/s 柔性直流系统中断运行鲁西现场调试波形 22 4.承受浪涌电流的能力要强 -在设备层面：功率模块电容直通短路时，形成1000kA级浪涌电流，功率器件应 有足够的防爆能力 CHB2.00kU/diuNorna! 18mF电容 约4500V电容电压能量1-2ms释放完毕 Stoppet EdqecHr 2.93965283 400378 2.592403kHz (CH6 B30.57E-036 /0G/01.13:16:343 ute.50ku2112:ETT8/90V6102 23 提纲 柔性直流输电的发展现状 ⅡI.电力电子器件在柔性直流的应用现状川.柔直用电力电子器件的主要技术特点IV.高压大功率电力电子器件的应用展望 24 1.更加刻的环境条件 -换流站位于更高海拔地区，4000m左右 √气压降低，对器件的爬电距离、电气间隙等提出更高的绝缘要求 型号1型号2型号3型号4型号5 器件电气爬电电气爬电电气爬电电气爬电电气爬电 间隙距离间隙距离间隙距离间隙距离间隙距离 4500V/3000AIGBT(mm) 1235234024.1501/1537.9 二极管(mm)2034/1///// 旁路晶闸管（mm）////204222561 25 1.更加刻的环境条件 -换流站位于更高海拔地区，4000m左右 √中子通量大，对抗宇宙射线能力提出更高要求 ，开展大气中子加速辐照试验，获得高海拔应用安全边界 12 18个直径65mm的二极管并联， 4000V宜流反向电压 2.5m混凝土 失效数 盐矿深140m 实验室Trenchgate 实验室 10002000300040005000,-6000700080009000 元件小时扫描电子显微镜视野下，功率器件经中子辐照后失 盐矿试验结果 效点，功率器件失去耐压能力 26 1.更加苛刻的环境条件 深远海严苛环境 √湿度高、盐度大、腐蚀强，对器件提出更高的防腐蚀要求 海上换流站 海上升压站陆上换流站 海底电缆 陆上电缆 交流汇集直升压站海上换流站（AC/DC）陆上换流站（DC/AC） 27 3.更高的技术参数规格要求 柔性直流换流阀损耗在全站损耗中占比约60%，阀损耗中通态损耗占比约60% 通态损耗与器件导通压降正相关 更低的导通压降，有助于减少柔性直流系统损耗，降低运行成本 1.00% 损耗下降约30% 0.50% 额定电压由4500V提升至5200V 0.00% 4500V5200V 1.00% 损耗下降约30% 0.50% 0.00% 导通压降由3.65V下降至2.5V3.65V2.5V28 3.更高的技术参数规格要求 ，更高的额定电压：串联模块数量降低，更加紧凑、更加