IGBT助力特高壓實現技術突破

趙晨

“新基建”的能源互聯互通，主要是指能源的大范圍互聯互通，即基于特高壓直流輸電技術和特高壓交流輸電技術的能源大范圍互聯互通。IEEE會士，伯明翰大學教授、智能電網中心主任張小平在接受《中國電子報》記者采訪時表示，特高壓作為“新基建"的重點領域之一，為大規模可再生能源、大水電基地和大煤電基地的大范圍資源有效配置，帶來了技術創新和產業發展的新機遇。

從特高壓產業鏈來看，特高壓可以分為特高壓直流輸電線路和特高壓交流輸電線路。前者涉及的關鍵技術和設備包括絕緣材料、電力電子材料、電力電子器件以及換流閥換流變控制保護、直流場設備及數字化技術等;后者涉及的主要設備包括組合電器、變壓器、電抗器等。

應用方面，特高壓主要定位于中國西南大水電基地、西北大煤電基地等超遠距離、超大容量外送輸電工程.特高壓直流技術除在中國得到廣泛應用外，巴西、印度也正在應用。隨著越來越多的國家實現2050年凈零排放目標，特高壓直流技術在中國、印度、巴西等國家將有更廣泛的應用需求。

第一條土1100kV特高壓直流輸電系統在中國建成可謂是一個新的里程碑。這標志著特高壓直流輸電技術可用于洲際能源互聯互通。

近年來，洲內、洲際能源互聯互通逐步成為全球關注的焦點。美國可再生能源國家實驗室在美國能源部的資助下，進行北美地區，包括美國、加拿大、墨西哥的互聯互通研究。歐洲國家也在進行歐洲超級電網互聯研究，包括北海超級海上風電網、歐洲、北非和中東的電網互聯。

全球能源互聯網發展與合作組織以及國家電網在這方面做了大量的研究工作，已發表了若干重要報告，比如全球能源互聯互通的9橫9縱方案、非洲互聯方案、亞洲互聯方案美洲互聯方案等。

特高壓輸電技術可實現與周邊國家的能源互聯，與各個大洲內能源互聯，乃至與洲際能源互聯。從而實現可再生能源在更大范圍的有效配置，并與基于時差負荷特性的互補相適應，實現源一網一荷在更大范圍智能高效地運行，已成為應對全球氣候變化的中國方案。

中國在特高壓直流技術的研發、制造.工程設計與安裝、系統運行與維護形成了較完整的產業鏈，并且與國際制造企業有著很好的合作。許多技術不依賴單一供應商，這樣不僅促進了市場競爭，同時也有利于促進技術進步和產品的不斷升級換代。

中國特高壓直流技術發展的優勢在于：一是形成了較完整的產業鏈;二是從研發示范到實際應用的周期短，因而降低了成本;三是有實際的需求，而實際的需求又能推動技術創新，從而實現產業鏈的良性發展和國際競爭力。

目前，特高壓直流輸電系統主要有兩大類，即傳統的基于晶閘管的直流輸電系統（LCCHVDC）和基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）技術的電壓源型直流輸電技術（VSCHVDC、MMCVSCHVDC）。

傳統直流輸電系統的優點包括低損耗、大功率及超大功率應用、低投資費用、直流側短路可有效控制等。因其技術成熟，成為特高壓直流輸電的關鍵技術。其缺點包括逆變側交流故障引|起的換相失敗換流器的大量無功消耗、無法提供快速無功與電壓控制等。

近年來，傳統直流輸電系統已實現理論上的重大突破，即在傳統直流輸電系統中引人柔性控制，并實現同時控制有功、無功，可完全克服換相失敗。需指出，這種柔性控制投資在傳統直流輸電系統的總投資所占比例很小，由于采用模塊式架構，因而可靠性高，易于工程實現。該項技術有望實現特高壓傳統直流輸電系統的升級換代，實現從“0”到“1”的突破。

基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）技術的電壓源型直流輸電技術今年已開始用于特高壓項目，目前需克服以下不足：高損耗;受IGBT芯片最大電流限制，超大功率應用（特高壓直流）尚有困難;投資費用高;直流側短路控制有挑戰;技術上有待積累更多運行經驗。

技術瓶頸主要是低能耗低成本、大功率全控電力電子器件技術的開發，實現IGBT器件的升級換代，以實現從“0”到“1”的突破。

此外，多端特高壓直流電網的設計、控制、保護與裝備技術是未來技術創新的重大課題。而多端特高壓直流電網的運行與安全是另一個具有重大挑戰的課題。

借“新基建”的發展機遇，建議加強國際國內產學研合作，建立多種形式的科研攻關聯合體，實現原創性突破，為全球的能源互聯互通提供中國方案，助力聯合國全球低碳乃至實現2050年能源凈零排放目標做出重要貢獻。

目前，我們需要在能源系統中形成抵御氣候變化的免疫能力——即基于全球互聯互通可再生能源的共享系統。“新基建”基于特高壓輸電技術能源互聯互通的中國方案，將支持技術創新、工作機會和經濟復蘇，推動全球采取聯合行動，應對氣候變化的巨大威脅。