IGBT数字驱动技术 助力换流阀高效可靠运行

来源:国家电网报 发布时间:2022-06-07 10:03 关键词: IGBT换流阀电力电子
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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动器是电力电子装备的关键组件,其核心技术曾一度被国外垄断。今年4月底,国网智能电网研究院有限公司“IGBT数字驱动关键技术及应用”项目科技成果通过中国电机工程学会鉴定。鉴定专家认为,产品整体技术达到国际先进水平,其中,IGBT状态检测与保护技术达到国际领先水平。


多年来,国网智研院坚持深耕IGBT数字驱动技术,突破了一系列关键技术难点,打破了国外技术垄断,形成了核心技术完全自主化的系列产品,并实现了产业化发展。产品广泛应用于多个直流输电工程,助力IGBT换流阀持续高效可靠运行。


高端电力设备发展带动IGBT驱动核心技术国产化步伐加快


IGBT是能源变换和传输的核心器件,是提升能源转换效率,进而降低碳排放,助力实现碳达峰碳中和的重要电力电子设备。国网智研院直流输电技术研究所所长贺之渊介绍,要保障IGBT安全高效地运行,必须配备专用的驱动器,这样既能发挥IGBT的最优性能,又可以自主预判故障分类从而采取精细化保护措施,将IGBT的使用风险降到最低。高压大功率电力电子装备工况复杂、控制精度高、故障发展速度快、电磁环境恶劣,对IGBT数字驱动控制保护功能的要求极高。IGBT数字驱动器是实现电力电子装备智能化的核心组件,是IGBT器件可靠工作的控制器,相当于IGBT的“大脑” 。


2013年之前,国外仅有少数几家公司掌握高压大功率IGBT驱动核心技术,但对外实行严密技术封锁。而且,国外高压大功率IGBT驱动器不同程度地存在调控性能差、保护功能单一、可定制化程度低、抗电磁干扰性能差或造价高等问题。


为助推“双碳”目标落实和新型电力系统构建,越来越多的特高压直流输电工程将建成或开工,为远距离大容量输送清洁能源发挥重要作用。“作为直流输电换流阀核心器件的IGBT已经实现了国产化并且批量应用,使得IGBT驱动器的自主化研发以及关键技术突破更加刻不容缓。”贺之渊说。


十年磨一“器”,打造IGBT智能“大脑”


自2008年起,国网智研院准确把握IGBT驱动发展趋势,瞄准更为先进的高压大功率IGBT数字驱动技术,抽调全院在IGBT理论研究、仿真、试验及工程应用等方面具有丰富经验的科研试验骨干人员,组建了IGBT数字驱动技术攻关团队。团队依托国家科技重大专项(02专项)及国家重点研发计划、公司科技项目等,先后攻克了动态特性均衡调控、多类故障精确保护、严苛电磁环境耐受等关键技术难题,在设计方法、电路实现、大电流关断、故障保护、电磁防护、试验方法等方面开展了深入研究,研制出适配多类型IGBT的数字驱动器系列产品。产品通过了第三方环境试验、电磁兼容试验、软硬件可靠性测试等型式试验。


100万千瓦柔性直流换流阀IGBT模块工作的电压和电流临近安全工作区极限,电磁环境极为恶劣。针对这一应用场景,IGBT数字驱动技术攻关团队攻克了有源米勒钳位、复合电磁屏蔽、谐振软开关和恒定导通时间频率调制技术等高压大功率IGBT驱动核心技术,研制了适配3300伏/1500安焊接式IGBT模块的驱动器产品,解决了IGBT数字驱动器在强电磁环境下电磁兼容设计和温升控制的难题。针对在电压和电流等级更高IGBT中的应用需求,国网智研院陆续推出了适配4500伏/2000安和4500伏/3000安压接式IGBT模块的数字驱动器产品,形成了覆盖1700~6500伏的全系列IGBT数字驱动器产品。


“IGBT数字驱动的技术难点在于,要在百万分之一秒的时间尺度内,对IGBT进行精准的开通和关断控制。既要保证IGBT的开通和关断损耗符合要求,又要让关断电压尖峰和开通时的反向恢复电流尽可能小,传统的模拟驱动器无法兼顾上述要求,这是难点之一。同时,在恶劣复杂电磁环境下做到对故障信息的准确获取与快速识别,采取精细化快速保护策略,确保IGBT免受高压大电流的冲击损坏,这又是另一难点。”IGBT数字驱动技术攻关团队的技术负责人客金坤介绍说。


为了满足电网系统的安全保护要求,IGBT对故障电流的判断速度越快越好,并且要保证可靠性。传统的IGBT驱动短路电流方式无法很好地满足电网故障工况的要求。IGBT数字驱动技术攻关团队针对故障电流上升趋势与正常电流不同的特点,提出了基于电流上升趋势判断短路故障的方法,将故障保护时间从之前的8微秒左右缩减到3微秒以内,大大降低了IGBT器件本体所受的故障冲击,达到了防患于未然的效果。


经过第三方检测机构认证,与国外同类产品相比,国网智研院研制的国产高压大功率IGBT数字驱动器抗电磁干扰能力提高了2个等级以上;产品通过对比测试表明,动态功耗降低了44%、电子元件温升降低了17摄氏度,而成本仅为国外同类产品的70%。


助力多项直流输电工程安全运行,器件国产化程度不断提高


2011年,国产高压大功率IGBT数字驱动器首次在上海南汇±30千伏直流输电工程中小批量试用,填补了国产化IGBT数字驱动在高压直流输电领域应用的空白。2015年,项目成果推广应用于±320千伏/100万千瓦厦门柔性直流输电工程,实现了与国外IGBT数字驱动产品的同台竞技,整体运行表现优异,投运至今实现零故障运行。


2016年12月份,在浙江舟山200千伏高压直流断路器项目应用现场,IGBT数字驱动技术攻关团队成员白建成说:“之前工程采用的是国外品牌的IGBT驱动器,产品在直流断路器试验期间,因无法耐受现场恶劣的电磁环境,频繁上报故障,导致试验无法进行。”而用国网智研院研发的IGBT驱动器100%替代国外产品后,世界首次±200千伏双极短路分断试验一次性通过。截至今年5月底,该工程直流断路器累计完成系统运行方式切换89次、直流海缆单双极短路故障清除5次。在此期间,驱动器运行稳定,助力直流断路器高效可靠运行。


在2017到2021年,项目成果先后应用于±420千伏/125万千瓦渝鄂背靠背工程、昆柳龙±800千伏混合多端直流输电工程以及三峡如东海上风电柔性直流输电工程。作为核心功率器件IGBT的控制和保护设备,国产高压大功率IGBT数字驱动器经受了高电磁辐射和恶劣环境的考验,发挥了快速保护换流阀核心设备IGBT的作用。该产品还应用在张北柔性直流电网试验示范工程四端带电组网中,工程解决了张北地区大规模风电可再生能源发电并网的问题,促成了张北新能源基地、丰宁抽水蓄能电站与北京负荷中心的隔空“牵手”,支撑了北京2022年冬奥会的绿电供应。


今年2月份,国产高压大功率IGBT数字驱动技术支撑我国中标德国Borwin6海上风电柔性直流输电工程。这标志着具有自主知识产权的IGBT数字驱动器具备了国际领先的核心竞争力,是国家电网公司推动技术、标准、装备一体化“走出去”的重要成果,对高质量共建“一带一路”、深化中欧绿色能源合作具有重要意义。


随着国内集成电路技术日趋成熟、芯片制造业蓬勃发展,IGBT驱动器未来将向器件国产化方向发展。国网智研院积极布局立项,着手进一步提升高压大功率IGBT驱动器国产化器件占比程度,力争早日将驱动器的国产化器件占比提升到100%,开展相应的型式试验验证产品性能,并推广至输电工程应用。这将有力带动国产化集成电路的品质提升,助推上下游产业协同发展。


(池浦田 马巍巍 尤夏)


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