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?cè)絹?lái)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(dòng)了這些變化,。功率半導(dǎo)體是電力電子開(kāi)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(shí)也是塑造未來(lái)電網(wǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)力,。

　　傳統(tǒng)電網(wǎng)通常圍繞著大型集中式發(fā)電廠(chǎng)建設(shè)，發(fā)電廠(chǎng)以穩(wěn)定的方式向電網(wǎng)提供可預(yù)測(cè),、可控制的電能,。作為響應(yīng)需求，潮流每小時(shí)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(lái)自需求側(cè)的小時(shí)性波動(dòng)，同時(shí)為了減少二氧化碳排放,，我們更加依賴(lài)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(cè)的波動(dòng),。由于可再生能源(如太陽(yáng)能和風(fēng)能)具有間歇性和變化無(wú)常的特點(diǎn)，因此亟需儲(chǔ)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(dòng)可以通過(guò)電力交易達(dá)到相互協(xié)調(diào);而如何通過(guò)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(zhǎng),，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇，我們不僅必須滿(mǎn)足這些需求,，同時(shí)還要降低溫室氣體排放,。提供更大容量以應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)電網(wǎng)向更智能化,、更高靈活性與可靠性方向發(fā)展,。

　　ABB 開(kāi)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(lài)于功率半導(dǎo)體器件,，也闡述了 ABB 近期擴(kuò)展這類(lèi)生產(chǎn)設(shè)施的原因。專(zhuān)業(yè)功率半導(dǎo)體的制造和持續(xù)開(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)靈活,、高效及可靠的電網(wǎng)-(至1)。

　　可再生能源一般來(lái)說(shuō),，強(qiáng)風(fēng),、強(qiáng)太陽(yáng)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(zhǎng)度的增加而增加,。達(dá)到特定長(zhǎng)度時(shí)，電纜及其護(hù)套中的充電電流過(guò)大,，導(dǎo)致可用功率無(wú)法存留,，但如果達(dá)不到這一長(zhǎng)度，輸電將無(wú)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(shí)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(kāi)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(xiàn)路意義重大，通過(guò)海底電纜進(jìn)行大容量低損耗輸放電,。充電電流隨電纜長(zhǎng)度的增加而增加,。達(dá)到特定長(zhǎng)度時(shí)，電纜及其護(hù)套中的充電電流過(guò)大,，導(dǎo)致可用功率無(wú)法存留,，但如果達(dá)不到這一長(zhǎng)度，輸電將無(wú)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(shí)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(kāi)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(xiàn)路意義重大,，通過(guò)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(jià)電能。自此,，ABB 開(kāi)始不斷開(kāi)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。現(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(guò)數(shù)千公里,。ABB 還承接了多個(gè)西歐國(guó)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(chǎng)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(guó)大陸 128 公里，為全世界距離最長(zhǎng)的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)這些重要目標(biāo),，ABB 針對(duì)不同的應(yīng)用專(zhuān)門(mén)開(kāi)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(gè)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(kāi)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(wú)法使用的場(chǎng)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(duì)成熟的技術(shù)中,，變流器損耗低，設(shè)備成本最小化,。在未來(lái)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(jí),，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(kāi)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(lái)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(guó)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(wàn)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(kāi)發(fā)出輕型高壓直流,。該系統(tǒng)在變流過(guò)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(xiàn)保證遠(yuǎn)距離輸電,。高速門(mén)級(jí)控制半導(dǎo)體開(kāi)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(gè)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(wú)功功率的功能,。這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)出色的終端穩(wěn)壓功能使之成為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的理想之選，可以應(yīng)對(duì)風(fēng)速變化帶來(lái)的嚴(yán)重電壓波動(dòng)問(wèn)題;此外,，這些半導(dǎo)體開(kāi)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(zhǎng)2,071 公里的特高壓直流項(xiàng)目到這一功率級(jí)，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(kāi)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(lái)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(guó)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(wàn)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(kāi)?c 模塊中的電觸點(diǎn)由焊接線(xiàn)提供。如發(fā)生設(shè)備故障,，該電線(xiàn)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(duì)側(cè)離開(kāi),。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(dòng)。

　　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(kāi),，而在壓接設(shè)計(jì)中,，電流垂直通過(guò)整個(gè)模塊，即通過(guò)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(mén)極換流晶閘管 (IGCT),。但在實(shí)際應(yīng)用中,，集成門(mén)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(guò) 10 兆瓦的系統(tǒng),。這樣選擇的原因有很多，其中兩個(gè)最重要的原因如下：

　　– 在輸出功率極高的系統(tǒng)中,，必須對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行并聯(lián)和/或串聯(lián),。對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，采用壓接外殼可以對(duì)這些模塊進(jìn)行緊湊排列,，僅通過(guò)散熱器隔開(kāi),，因此具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。這一點(diǎn)的實(shí)例參見(jiàn)高壓直流輸電設(shè)備,，該設(shè)備中串聯(lián)了 200 個(gè)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(guò)焊接線(xiàn),，發(fā)生故障時(shí)，焊接線(xiàn)會(huì)在高電流脈沖下熔斷,，從而斷開(kāi)電路,。