隨著電力消費(fèi)水平不斷上升，可替代能源使用比重不斷提高，人們越來越關(guān)注增效節(jié)能和電網(wǎng)可靠性，電力產(chǎn)業(yè)在這一發(fā)展背景下正在迅速發(fā)生變化。功率半導(dǎo)體的發(fā)展及其技術(shù)在不同電力電子應(yīng)用中的使用進(jìn)一步推動了這些變化。功率半導(dǎo)體是電力電子開關(guān)設(shè)備的主要構(gòu)建模塊，用于控制電流并將其轉(zhuǎn)換為不同應(yīng)用所需的波形和頻率。半導(dǎo)體是很多電力技術(shù)的核心，同時也是塑造未來電網(wǎng)的關(guān)鍵推動力。

　　傳統(tǒng)電網(wǎng)通常圍繞著大型集中式發(fā)電廠建設(shè)，發(fā)電廠以穩(wěn)定的方式向電網(wǎng)提供可預(yù)測、可控制的電能。作為響應(yīng)需求，潮流每小時都有漲落，電網(wǎng)中始終保持著單向的電力潮流。今電網(wǎng)中仍存在這種來自需求側(cè)的小時性波動，同時為了減少二氧化碳排放，我們更加依賴于可再生能源，這也就意味著電網(wǎng)還必須能夠應(yīng)付發(fā)電測的波動。由于可再生能源(如太陽能和風(fēng)能)具有間歇性和變化無常的特點(diǎn)，因此亟需儲能技術(shù)和具有協(xié)調(diào)功能的系統(tǒng)，使得所有可利用的發(fā)電與各種電力消費(fèi)模式相匹配。

　　在某種程度上，供電側(cè)和需求側(cè)中的波動可以通過電力交易達(dá)到相互協(xié)調(diào);而如何通過相鄰網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從電源到消費(fèi)者的高效遠(yuǎn)距離雙向輸電則挑戰(zhàn)重重。隨著電力需求的不斷增長，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇，我們不僅必須滿足這些需求，同時還要降低溫室氣體排放。提供更大容量以應(yīng)對電動汽車需求和更強(qiáng)大的需求側(cè)管理將進(jìn)一步增加電網(wǎng)的復(fù)雜性，推動電網(wǎng)向更智能化、更高靈活性與可靠性方向發(fā)展。

　　ABB 開發(fā)并引進(jìn)了一系列自己首創(chuàng)的技術(shù)，助力電力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。這些技術(shù)依賴于功率半導(dǎo)體器件，也闡述了 ABB 近期擴(kuò)展這類生產(chǎn)設(shè)施的原因。專業(yè)功率半導(dǎo)體的制造和持續(xù)開發(fā)使 ABB 始終處于這一技術(shù)領(lǐng)域的前沿。ABB 將參與到電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展之中，通過引進(jìn)更多使用高功率半導(dǎo)體的創(chuàng)新電力電子解決方案，提供更好性能，努力開發(fā)靈活、高效及可靠的電網(wǎng)-(至1)。

　　可再生能源一般來說，強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)太陽輻照或大量流水等最可靠的可再生能源都位于世界各地較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，遠(yuǎn)離人群和工業(yè)中心。上面這些實(shí)例中，使用傳放電。充電電流隨電纜長度的增加而增加。達(dá)到特定長度時，電纜及其護(hù)套中的充電電流過大，導(dǎo)致可用功率無法存留，但如果達(dá)不到這一長度，輸電將無法達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。另一方面，直流 (DC) 電纜中不存在相應(yīng)的充電電流。在直流電纜中，所有電流都是可用的。為了實(shí)現(xiàn)向消費(fèi)者的高效遠(yuǎn)距離輸電，同時降低輸電損耗，瑞典的 ASEA(ABB 前身之一)

　　公司于 20 世紀(jì) 50 年代初開發(fā)了額定功率 30 兆瓦 (MW) 的直流輸電系統(tǒng)，最初用于連接哥特蘭島 (Gotland) 和瑞典大陸?2。這一輸電線路意義重大，通過海底電纜進(jìn)行大容量低損耗輸放電。充電電流隨電纜長度的增加而增加。達(dá)到特定長度時，電纜及其護(hù)套中的充電電流過大，導(dǎo)致可用功率無法存留，但如果達(dá)不到這一長度，輸電將無法達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。另一方面，直流 (DC) 電纜中不存在相應(yīng)的充電電流。在直流電纜中，所有電流都是可用的。為了實(shí)現(xiàn)向消費(fèi)者的高效遠(yuǎn)距離輸電，同時降低輸電損耗，瑞典的 ASEA(ABB 前身之一)

　　公司于20 世紀(jì) 50 年代初開發(fā)了額定功率 30 兆瓦 (MW) 的直流輸電系統(tǒng)，最初用于連接哥特蘭島 (Gotland) 和瑞典大陸-(至2)。這一輸電線路意義重大，通過海底電纜進(jìn)行大容量低損耗輸電，從而為島上居民提供可靠的廉價電能。自此，ABB 開始不斷開發(fā)這一技術(shù)，用可靠的功率半導(dǎo)體取代早期用于交流電和直流電相互轉(zhuǎn)換的汞弧閥?，F(xiàn)在，上海、德里、洛杉磯和圣保羅等大型城市都依靠高壓直流 (HVDC) 輸電系統(tǒng)進(jìn)行大容量電力傳輸， 傳輸距離通常超過數(shù)千公里。ABB 還承接了多個西歐國家之間的海底高壓直流電纜連接工程，例如連接挪威和荷蘭的 NorNed 項(xiàng)目。此外，ABB 還承接了海上風(fēng)力發(fā)電場到大陸的輸電工程，其中包括 BorWin1項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于北海，距離德國大陸 128 公里，為全世界距離最長的海上風(fēng)力發(fā)電場項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)這些重要目標(biāo)，ABB 針對不同的應(yīng)用專門開發(fā)了一系列高壓直流輸電系統(tǒng)。

　　常規(guī)高壓直流 (HVDC Classic)

　　常規(guī)高壓直流是一項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)，并率先使用了汞閥。我們現(xiàn)在通常使用晶閘管進(jìn)行電源變換。晶閘管在晶閘管模塊中呈串聯(lián)排列，其中每個晶閘管可承受 8.5 千伏電壓。隨后這些模塊(在壓接外殼內(nèi))按層串聯(lián)，建立全電壓晶閘管閥-(至3)。在該應(yīng)用中，各晶閘管的開關(guān)頻率為50赫茲(潛在頻率 60 赫茲)。該系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)距離大容量輸電，適用于陸上或水下應(yīng)用，可以在傳統(tǒng)交流輸電無法使用的場合下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)，提高穩(wěn)定性。現(xiàn)在的高壓直流輸電系統(tǒng)擁有極強(qiáng)的功率處理能力和良好的可靠性記錄。在這一相對成熟的技術(shù)中，變流器損耗低，設(shè)備成本最小化。在未來新型電網(wǎng)的發(fā)展中，高壓直流輸電的作用不容小覷 。在電纜、變流器、變壓器和功率半導(dǎo)體關(guān)鍵部件的生產(chǎn)領(lǐng)域中，ABB 以卓越的生產(chǎn)能力占據(jù)重要地位。

　　特高壓直流 (Ultra-HVDC)

　　最近，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特高壓直流的額定電壓已達(dá) 800 千伏。為達(dá)到這一功率級，引進(jìn)了一種全新 130(平方厘米)的 6 英寸晶閘管，該組件可在不影響開關(guān)頻率的前提下將正常電流提高至 4,000 A。這些技術(shù)創(chuàng)新意味著輸電容量和效率將在未來二十幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大飛躍。該技術(shù)現(xiàn)已用于中國西南部向家壩水電站至上海的遠(yuǎn)距離輸電項(xiàng)目，傳輸距離達(dá) 2,071公里，功率為 6,400 兆瓦，可為約3100 萬人提供清潔電能 4。輕型高壓直流 (HVDC Light)20 世紀(jì) 90 年代，ABB 在常規(guī)高壓直流技術(shù)基礎(chǔ)之上開發(fā)出輕型高壓直流。該系統(tǒng)在變流過程中采用晶體管取代原先的晶閘管。此外，該系統(tǒng)還采用了低強(qiáng)度的地下及水下電纜或架空線保證遠(yuǎn)距離輸電。高速門級控制半導(dǎo)體開關(guān)( 即絕緣柵雙極晶體管，IGBT)的應(yīng)用使最先進(jìn)的電壓源換流器 (VSC) 成為整個系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，從而實(shí)現(xiàn)迅速注入或吸收無功功率的功能。這些半導(dǎo)體開關(guān)出色的終端穩(wěn)壓功能使之成為風(fēng)力發(fā)電場的理想之選，可以應(yīng)對風(fēng)速變化帶來的嚴(yán)重電壓波動問題;此外，這些半導(dǎo)體開關(guān)還具有出色的可控制性和靈活性，在石油天然氣鉆塔和

　　從向家壩至上海全長2,071 公里的特高壓直流項(xiàng)目到這一功率級，引進(jìn)了一種全新130(平方厘米)的 6 英寸晶閘管，該組件可在不影響開關(guān)頻率的前提下將正常電流提高至 4,000 A。這些技術(shù)創(chuàng)新意味著輸電容量和效率將在未來二十幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大飛躍。該技術(shù)現(xiàn)已用于中國西南部向家壩水電站至上海的遠(yuǎn)距離輸電項(xiàng)目，傳輸距離達(dá) 2,071公里，功率為 6,400 兆瓦，可為約3100 萬人提供清潔電能-(4)。
1 在絕緣外殼中，半導(dǎo)體器件采用電氣隔離的方式與散熱器隔開?c 模塊中的電觸點(diǎn)由焊接線提供。如發(fā)生設(shè)備故障，該電線將熔斷，模塊停止運(yùn)行。在壓接外殼中，負(fù)載電流從一側(cè)進(jìn)入?k 并從其對側(cè)離開。向表面施加高機(jī)械壓力可使觸點(diǎn)保持低電阻和低熱阻。如發(fā)生故障，硅半導(dǎo)體?l 和鉬?i 將熔斷，使電流能繼續(xù)流動。

　　實(shí)際上，所有商用功率半導(dǎo)體都為硅基半導(dǎo)體;隨著硅材料技術(shù)的不斷優(yōu)化，其性能已非常接近物理極限。這意味著設(shè)計(jì)這一方面能夠獲得進(jìn)一步發(fā)展的潛能非常有限;但是，半導(dǎo)體裝置的外殼性能仍有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　目前，高功率半導(dǎo)體外殼主要分為兩種形式。主要區(qū)別在于，在絕緣模塊中，電路采用電氣隔離，使用陶瓷絕緣體將其與散熱器隔開，而在壓接設(shè)計(jì)中，電流垂直通過整個模塊，即通過散熱器。這兩種外殼都適用于絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和集成門極換流晶閘管 (IGCT)。但在實(shí)際應(yīng)用中，集成門極換流晶閘管目前僅用于壓接外殼，而絕緣柵雙極晶體管則可用于這兩種外殼。目前絕緣外殼在輸出功率較低(大多低于 1 兆瓦)的系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，原因在于其電路構(gòu)建成本較低。與之相反，壓接外殼主要用于輸出功率超過 10 兆瓦的系統(tǒng)。這樣選擇的原因有很多，其中兩個最重要的原因如下：

　　– 在輸出功率極高的系統(tǒng)中，必須對半導(dǎo)體進(jìn)行并聯(lián)和/或串聯(lián)。對于后者來說，采用壓接外殼可以對這些模塊進(jìn)行緊湊排列，僅通過散熱器隔開，因此具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。這一點(diǎn)的實(shí)例參見高壓直流輸電設(shè)備，該設(shè)備中串聯(lián)了 200 個模塊。

　　– 如應(yīng)用中要求保證有不間斷電流(例如電流源逆變器)，則必須使用壓接外殼。在壓接外殼中， 如半導(dǎo)體發(fā)生故障， 金屬極將熔斷， 從而確保提供低阻抗的電流通路。相反，在絕緣外殼中，電流通過焊接線，發(fā)生故障時，焊接線會在高電流脈沖下熔斷，從而斷開電路。