絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動器是電力電子裝備的關(guān)鍵組件,其核心技術(shù)曾一度被國外壟斷。今年4月底,國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司“IGBT數(shù)字驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目科技成果通過中國電機工程學(xué)會鑒定。鑒定專家認(rèn)為,產(chǎn)品整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平,其中,IGBT狀態(tài)檢測與保護(hù)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
多年來,國網(wǎng)智研院堅持深耕IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù),突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)難點,打破了國外技術(shù)壟斷,形成了核心技術(shù)完全自主化的系列產(chǎn)品,并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個直流輸電工程,助力IGBT換流閥持續(xù)高效可靠運行。
高端電力設(shè)備發(fā)展帶動IGBT驅(qū)動核心技術(shù)國產(chǎn)化步伐加快
IGBT是能源變換和傳輸?shù)暮诵钠骷?,是提升能源轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而降低碳排放,助力實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要電力電子設(shè)備。國網(wǎng)智研院直流輸電技術(shù)研究所所長賀之淵介紹,要保障IGBT安全高效地運行,必須配備專用的驅(qū)動器,這樣既能發(fā)揮IGBT的最優(yōu)性能,又可以自主預(yù)判故障分類從而采取精細(xì)化保護(hù)措施,將IGBT的使用風(fēng)險降到最低。高壓大功率電力電子裝備工況復(fù)雜、控制精度高、故障發(fā)展速度快、電磁環(huán)境惡劣,對IGBT數(shù)字驅(qū)動控制保護(hù)功能的要求極高。IGBT數(shù)字驅(qū)動器是實現(xiàn)電力電子裝備智能化的核心組件,是IGBT器件可靠工作的控制器,相當(dāng)于IGBT的“大腦” 。
2013年之前,國外僅有少數(shù)幾家公司掌握高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術(shù),但對外實行嚴(yán)密技術(shù)封鎖。而且,國外高壓大功率IGBT驅(qū)動器不同程度地存在調(diào)控性能差、保護(hù)功能單一、可定制化程度低、抗電磁干擾性能差或造價高等問題。
為助推“雙碳”目標(biāo)落實和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建,越來越多的特高壓直流輸電工程將建成或開工,為遠(yuǎn)距離大容量輸送清潔能源發(fā)揮重要作用。“作為直流輸電換流閥核心器件的IGBT已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化并且批量應(yīng)用,使得IGBT驅(qū)動器的自主化研發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)突破更加刻不容緩。”賀之淵說。
十年磨一“器”,打造IGBT智能“大腦”
自2008年起,國網(wǎng)智研院準(zhǔn)確把握IGBT驅(qū)動發(fā)展趨勢,瞄準(zhǔn)更為先進(jìn)的高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù),抽調(diào)全院在IGBT理論研究、仿真、試驗及工程應(yīng)用等方面具有豐富經(jīng)驗的科研試驗骨干人員,組建了IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊。團(tuán)隊依托國家科技重大專項(02專項)及國家重點研發(fā)計劃、公司科技項目等,先后攻克了動態(tài)特性均衡調(diào)控、多類故障精確保護(hù)、嚴(yán)苛電磁環(huán)境耐受等關(guān)鍵技術(shù)難題,在設(shè)計方法、電路實現(xiàn)、大電流關(guān)斷、故障保護(hù)、電磁防護(hù)、試驗方法等方面開展了深入研究,研制出適配多類型IGBT的數(shù)字驅(qū)動器系列產(chǎn)品。產(chǎn)品通過了第三方環(huán)境試驗、電磁兼容試驗、軟硬件可靠性測試等型式試驗。
100萬千瓦柔性直流換流閥IGBT模塊工作的電壓和電流臨近安全工作區(qū)極限,電磁環(huán)境極為惡劣。針對這一應(yīng)用場景,IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊攻克了有源米勒鉗位、復(fù)合電磁屏蔽、諧振軟開關(guān)和恒定導(dǎo)通時間頻率調(diào)制技術(shù)等高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術(shù),研制了適配3300伏/1500安焊接式IGBT模塊的驅(qū)動器產(chǎn)品,解決了IGBT數(shù)字驅(qū)動器在強電磁環(huán)境下電磁兼容設(shè)計和溫升控制的難題。針對在電壓和電流等級更高IGBT中的應(yīng)用需求,國網(wǎng)智研院陸續(xù)推出了適配4500伏/2000安和4500伏/3000安壓接式IGBT模塊的數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品,形成了覆蓋1700~6500伏的全系列IGBT數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品。
“IGBT數(shù)字驅(qū)動的技術(shù)難點在于,要在百萬分之一秒的時間尺度內(nèi),對IGBT進(jìn)行精準(zhǔn)的開通和關(guān)斷控制。既要保證IGBT的開通和關(guān)斷損耗符合要求,又要讓關(guān)斷電壓尖峰和開通時的反向恢復(fù)電流盡可能小,傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動器無法兼顧上述要求,這是難點之一。同時,在惡劣復(fù)雜電磁環(huán)境下做到對故障信息的準(zhǔn)確獲取與快速識別,采取精細(xì)化快速保護(hù)策略,確保IGBT免受高壓大電流的沖擊損壞,這又是另一難點。”IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊的技術(shù)負(fù)責(zé)人客金坤介紹說。
為了滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求,IGBT對故障電流的判斷速度越快越好,并且要保證可靠性。傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動短路電流方式無法很好地滿足電網(wǎng)故障工況的要求。IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊針對故障電流上升趨勢與正常電流不同的特點,提出了基于電流上升趨勢判斷短路故障的方法,將故障保護(hù)時間從之前的8微秒左右縮減到3微秒以內(nèi),大大降低了IGBT器件本體所受的故障沖擊,達(dá)到了防患于未然的效果。
經(jīng)過第三方檢測機構(gòu)認(rèn)證,與國外同類產(chǎn)品相比,國網(wǎng)智研院研制的國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器抗電磁干擾能力提高了2個等級以上;產(chǎn)品通過對比測試表明,動態(tài)功耗降低了44%、電子元件溫升降低了17攝氏度,而成本僅為國外同類產(chǎn)品的70%。
助力多項直流輸電工程安全運行,器件國產(chǎn)化程度不斷提高
2011年,國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器首次在上海南匯±30千伏直流輸電工程中小批量試用,填補了國產(chǎn)化IGBT數(shù)字驅(qū)動在高壓直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用的空白。2015年,項目成果推廣應(yīng)用于±320千伏/100萬千瓦廈門柔性直流輸電工程,實現(xiàn)了與國外IGBT數(shù)字驅(qū)動產(chǎn)品的同臺競技,整體運行表現(xiàn)優(yōu)異,投運至今實現(xiàn)零故障運行。
2016年12月份,在浙江舟山200千伏高壓直流斷路器項目應(yīng)用現(xiàn)場,IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊成員白建成說:“之前工程采用的是國外品牌的IGBT驅(qū)動器,產(chǎn)品在直流斷路器試驗期間,因無法耐受現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境,頻繁上報故障,導(dǎo)致試驗無法進(jìn)行。”而用國網(wǎng)智研院研發(fā)的IGBT驅(qū)動器100%替代國外產(chǎn)品后,世界首次±200千伏雙極短路分?jǐn)嘣囼炓淮涡酝ㄟ^。截至今年5月底,該工程直流斷路器累計完成系統(tǒng)運行方式切換89次、直流海纜單雙極短路故障清除5次。在此期間,驅(qū)動器運行穩(wěn)定,助力直流斷路器高效可靠運行。
在2017到2021年,項目成果先后應(yīng)用于±420千伏/125萬千瓦渝鄂背靠背工程、昆柳龍±800千伏混合多端直流輸電工程以及三峽如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。作為核心功率器件IGBT的控制和保護(hù)設(shè)備,國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器經(jīng)受了高電磁輻射和惡劣環(huán)境的考驗,發(fā)揮了快速保護(hù)換流閥核心設(shè)備IGBT的作用。該產(chǎn)品還應(yīng)用在張北柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程四端帶電組網(wǎng)中,工程解決了張北地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的問題,促成了張北新能源基地、豐寧抽水蓄能電站與北京負(fù)荷中心的隔空“牽手”,支撐了北京2022年冬奧會的綠電供應(yīng)。
今年2月份,國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)支撐我國中標(biāo)德國Borwin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。這標(biāo)志著具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT數(shù)字驅(qū)動器具備了國際領(lǐng)先的核心競爭力,是國家電網(wǎng)公司推動技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、裝備一體化“走出去”的重要成果,對高質(zhì)量共建“一帶一路”、深化中歐綠色能源合作具有重要意義。
隨著國內(nèi)集成電路技術(shù)日趨成熟、芯片制造業(yè)蓬勃發(fā)展,IGBT驅(qū)動器未來將向器件國產(chǎn)化方向發(fā)展。國網(wǎng)智研院積極布局立項,著手進(jìn)一步提升高壓大功率IGBT驅(qū)動器國產(chǎn)化器件占比程度,力爭早日將驅(qū)動器的國產(chǎn)化器件占比提升到100%,開展相應(yīng)的型式試驗驗證產(chǎn)品性能,并推廣至輸電工程應(yīng)用。這將有力帶動國產(chǎn)化集成電路的品質(zhì)提升,助推上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。(攝影:客金坤)
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