半导体是电网的关键驱动力

时间:2019-02-11 09:29:41 来源:博罗农业网 作者:匿名
  

随着电力消耗水平的不断提高,替代能源使用的比例不断增加,人们越来越关注能源效率和电网可靠性。在这种发展背景下,电力工业正在迅速发生变化。功率半导体的发展及其在不同电力电子应用中的使用进一步推动了这些变化。功率半导体是电力电子开关设备的主要构建模块,其控制电流并将其转换为不同应用所需的波形和频率。半导体是许多电源技术的核心,也是塑造电网未来的关键驱动因素。

传统的电网通常围绕大型集中式发电厂建造,以稳定的方式为电网提供可预测的,可控的电力。为响应需求,电流每小时波动,电网始终保持单向功率趋势。这种需求方面的小时波动仍然存在于电网中,为了减少二氧化碳排放,我们更加依赖可再生能源,这意味着电网还必须能够应对发电的波动。由于诸如太阳能和风能之类的可再生能源的间歇性和不稳定性,迫切需要具有协调功能的能量存储技术和系统,以将所有可用的发电与各种功耗模式相匹配。

在某种程度上,供应方和需求方的波动可以通过电力交易来协调;如何通过相邻网络实现从电源到用户的高效长距离双向传输是一项挑战。随着电力需求持续增长,这些挑战进一步加剧,我们不仅要满足这些需求,还要减少温室气体排放。提供更多的能力来响应电动汽车的需求和更多的需求侧管理将进一步增加电网的复杂性并推动电网更智能,更灵活和可靠。

ABB开发并推出了一系列自己的先进技术,以帮助电力行业实现这些目标。这些技术依赖于功率半导体器件,并解释了ABB最近扩展此类生产设施的原因。专业功率半导体的制造和持续发展使ABB始终处于该技术领域的最前沿。 ABB将参与电力行业的发展,通过引入更多使用高功率半导体的创新电力电子解决方案提供更多性能,并努力开发灵活,高效和可靠的电网 - (至1)。可再生能源一般而言,最可靠的可再生能源,如强风,强烈的太阳辐射或大量的水,都位于世界各地的偏远地区,远离人和工业中心。在上面的例子中,使用放电。随着电缆长度的增加,充电电流增加。当达到一定长度时,电缆及其护套中的充电电流太大,导致无法存活。但是,如果没有达到这个长度,传输将无法实现预期的经济目标。另一方面,直流(DC)电缆中没有相应的充电电流。在直流电缆中,所有电流都可用。为了在减少传输损耗的同时实现对消费者的有效长距离传输,瑞典的ASEA(ABB的前身之一)

该公司在20世纪50年代初开发了30兆瓦(MW)直流输电系统,最初用于连接哥特兰岛和瑞典大陆。这条输电线路具有重要意义,通过海底电缆进行大容量低损耗传输和放电。随着电缆长度的增加,充电电流增加。当达到一定长度时,电缆及其护套中的充电电流太大,导致无法存活。但是,如果没有达到这个长度,传输将无法实现预期的经济目标。另一方面,直流(DC)电缆中没有相应的充电电流。在直流电缆中,所有电流都可用。为了在减少传输损耗的同时实现对消费者的有效长距离传输,瑞典的ASEA(ABB的前身之一)

该公司在20世纪50年代初开发了30兆瓦(MW)直流输电系统,最初用于连接哥特兰和瑞典大陆(至2)。这条输电线路的重要性在于它通过海底电缆提供高容量,低损耗的传输,为岛上的居民提供可靠和廉价的电力。从那时起,ABB不断开发这项技术,用可靠的功率半导体取代用于AC和DC相互转换的早期汞弧阀。上海,德里,洛杉矶和圣保罗等大城市现在依靠高压直流(HVDC)传输系统进行高容量电力传输,通常超过数千公里。 ABB还在几个西欧国家之间进行海底高压直流电缆连接,例如挪威和荷兰的NorNed项目。此外,ABB还承担了从海上风电场到大陆的输电项目,包括位于北海的BorWin1项目,距离德国大陆128公里,使其成为世界上最长的海上风电场项目。为实现这些重要目标,ABB开发了一系列用于不同应用的HVDC传输系统。常规高压直流(HVDCClassic)

传统的高压直流电是一项领先的技术,也是第一个使用汞阀的企业。我们现在通常使用晶闸管进行功率转换。晶闸管在晶闸管模块中串联布置,其中每个晶闸管可以承受8.5kV。然后将这些模块(在压接壳体中)逐层连接以建立全电压晶闸管阀 - (至3)。在该应用中,每个晶闸管具有50Hz的开关频率(电位频率60Hz)。该系统主要用于长距离和大容量传输,适用于陆上或水下应用。在不能使用传统交流传输的情况下,可以实现并网,提高稳定性。今天的HVDC传输系统具有强大的功率处理能力和良好的可靠性记录。在这种相对成熟的技术中,转换器损耗低并且设备成本最小化。在未来新电网的发展中,高压直流输电的作用不容小觑。 ABB卓越的生产能力在电缆,变流器,变压器和功率半导体等关键部件的生产中发挥着重要作用。

特高压直流(超高压直流)

最近,随着技术的不断进步,特高压直流的额定电压已达到800千伏。为了达到这个功率水平,我们推出了一款新的130(cm2)6英寸晶闸管,可将正常电流增加到4,000A而不会影响开关频率。这些技术创新意味着传输容量和效率将在未来二十年内实现最大的飞跃。该技术现已应用于从向家坝水电站到中国西南部的上海的长距离输电工程。传输距离为2,071公里,功率为6400兆瓦,可为约3100万人提供清洁电力。轻型高压直流电(HVDCLight)20世纪90年代,ABB开发了基于传统高压直流技术的轻型高压直流电。在当前转换过程中,系统使用晶体管代替原始晶闸管。此外,该系统使用低强度地下和水下电缆或架空线,以确保长距离传输。高速门级控制半导体开关(即绝缘栅双极晶体管,IGBT)的应用使得最先进的电压源转换器(VSC)成为整个系统的组成部分,能够快速注入或吸收无功功率。功能。这些半导体开关的出色端子调节使其成为风电场的理想选择,可应对由风速变化引起的严重电压波动;此外,这些半导体开关在石油天然气钻井平台和石油天然气中具有出色的可控性和灵活性从向家坝到上海的2,071公里特高压直流工程到这个功率级,引入了一个新的130英寸方英寸6英寸晶闸管,可以在不影响开关频率的情况下使用。正常电流增加到4,000A。这些技术创新意味着传输容量和效率将在未来二十年内实现最大的飞跃。该技术现已应用于从向家坝水电站到中国西南部的上海的长距离输电工程。传输距离为2,071公里,功率为6400兆瓦,可为约3100万人提供清洁电力。

在绝缘壳体中,半导体器件与散热器电隔离。 c模块中的电触点由焊线提供。如果设备发生故障,电线将熔断,模块将停止运行。在压接壳体中,负载电流从一侧进入?k并从其相对侧离开。对表面施加高机械压力可使触点保持低电阻和低热阻。在发生故障的情况下,硅半导体和钼将被吹,允许电流继续流动。

事实上,所有商用功率半导体都是硅基半导体;随着硅技术的不断优化,其性能非常接近物理极限。这意味着在这方面的设计方面进一步发展的潜力非常有限;然而,半导体器件外壳的性能仍具有相当大的发展潜力。

目前,高功率半导体外壳主要分为两种形式。主要区别在于,在绝缘模块中,电路是电隔离的,使用陶瓷绝缘体将其与散热器分离,而在压接设计中,电流垂直地穿过整个模块,即通过散热器。两个外壳都适用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成栅极换向晶闸管(IGCT)。然而,在实际应用中,集成栅极换向晶闸管目前仅用于压接壳体,而绝缘栅极双极晶体管可用于两种情况。由于较低的电路构造成本,绝缘外壳目前在低输出功率(大多数小于1兆瓦)的系统中占主导地位。相比之下,压接外壳主要用于输出功率超过10兆瓦的系统。这种选择有很多原因。两个最重要的原因如下: - 在具有极高输出功率的系统中,半导体必须并联和/或串联连接。对于后者,使用卷曲的壳体允许这些模块的紧凑布置,仅由散热器分开,因此具有相当大的优点。在HVDC传输设备中可以看到这种情况的一个例子,其中200个模块串联连接。

- 如果应用需要不间断电流(例如电流源逆变器),则必须使用压接外壳。在诸如半导体故障的卷曲外壳中,金属杆将熔断,确保低阻抗电流路径。相反,在绝缘外壳中,电流通过焊接线,并且在发生故障的情况下,焊接线将在高电流脉冲下吹,从而断开电路。

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