隨著海上風(fēng)電場容量的增加和選址向深遠(yuǎn)海進(jìn)一步延伸，高壓直流(HVDC)技術(shù)成為遠(yuǎn)距離電力傳輸?shù)年P(guān)鍵。本文介紹三種海上高壓直流輸電方案，包括兩種完全基于模塊化多電平變流器（MMC）的柔性直流輸電方案，以及一種基于二極管整流的海上風(fēng)電集成方案，然后詳細(xì)說明可用的功率半導(dǎo)體器件、子模塊設(shè)計(jì)及系統(tǒng)概念。通過從不同方面對比系統(tǒng)性能，展示每種方案的優(yōu)劣。結(jié)果有助于設(shè)計(jì)高效及高性價(jià)比的海上風(fēng)電直流送出系統(tǒng)。

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基于4.5kV壓接式器件的VSC-HVDC方案

VSC-HVDC采用全控型電力電子器件，可獨(dú)立控制有功功率和無功功率，更適用于弱電網(wǎng)和島嶼運(yùn)行。其中，模塊化多電平變換器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的諧波特性、低損耗水平和良好的設(shè)計(jì)擴(kuò)展性，已成為現(xiàn)有VSC-HVDC項(xiàng)目的首選解決方案。英飛凌4.5kV壓接式IGBT（PPI）和續(xù)流二極管已在柔直工程中得到廣泛應(yīng)用，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：雙側(cè)冷卻方式可提高功率輸出、失效后長期短路的模式，全封閉陶瓷外殼可大大增強(qiáng)其防爆性能，這些都非常有利于柔直工程的安全可靠運(yùn)行。

圖1. P2000DL45X168及其內(nèi)部芯片組

以兩電平半橋子模塊為例，根據(jù)MMC電路的工作原理，它在任何時(shí)刻都可被視為電壓源來構(gòu)建橋臂電壓或被旁路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流故障時(shí)，T2反并聯(lián)的保護(hù)晶閘管可旁路故障電流，有時(shí)也采用壓接式二極管代替，以簡化控制電路并降低導(dǎo)通損耗。如圖2所示，該解決方案中每個(gè)子模塊只需要三個(gè)壓接器件和四個(gè)散熱器。然而，隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目容量和直流電壓水平的提高，基于4.5kV壓接式器件的方案需要更多的級(jí)聯(lián)子模塊。鑒于海上平臺(tái)建設(shè)對占地和重量十分敏感，該方案的經(jīng)濟(jì)可行性和可維護(hù)性是其最大挑戰(zhàn)。

圖 2. 基于P2000和保護(hù)晶閘管的子模塊設(shè)計(jì)

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基于6.5kV IGBT模塊的VSC-HVDC方案

在VSC-HVDC中實(shí)現(xiàn)更高功率密度的最有效、最直接的方法之一是采用擊穿電壓更高的功率器件，例如將器件電壓等級(jí)從4.5kV提高到6.5kV，從而將子模塊直流電壓提高到約3.2kV。這可以大大減少串聯(lián)的子模塊數(shù)量，從而減小MMC換流站的占地面積、成本和損耗。英飛凌最新6.5kV IGBT模塊 FZ1000R65KE4，通過模塊并聯(lián)，非常適合于構(gòu)建±500kV/2GW的VSC-HVDC系統(tǒng)。與上一代產(chǎn)品FZ750R65KE3相比，采用了溝槽柵場截止IGBT4的高壓芯片技術(shù)進(jìn)一步降低了集電極-發(fā)射極飽和電壓。此外，通過優(yōu)化DCB和芯片布局，F(xiàn)Z1000R65KE4的電流輸出能力提高了33%。最高工作結(jié)溫也從125°C提高到135°C。IHV A（190mm*140mm）封裝可滿足10.4kV AC/60s的增強(qiáng)絕緣要求，CTI值大于600。AlSiC基板和AlN襯底的應(yīng)用提供了更強(qiáng)的PC循環(huán)和TC循環(huán)能力，滿足超高可靠性應(yīng)用的要求。

如圖四所示，焊接式IGBT模塊通過單側(cè)底板冷卻，考慮到發(fā)生故障時(shí)的防爆性能，上下模塊面對面安裝在散熱器之間。除了散熱器外，IGBT模塊必須完全安裝在防護(hù)罩中，以防止等離子飛濺。需要額外的保護(hù)晶閘管Tp，因?yàn)镮GBT模塊的內(nèi)部二極管抗浪涌電流容量相對較小。英飛凌晶閘管C3100N65T122具有低導(dǎo)通壓降、高I2t和可靠性高等特點(diǎn)，專為高壓直流輸電中的6.5kV IHV模塊而設(shè)計(jì)。

圖3. 保護(hù)晶閘管C3100N65T122及采用IGBT4技術(shù)的FZ1000R65KE4

圖4. 子模塊設(shè)計(jì)概念

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基于壓接式整流二極管的DRU-HVDC方案

為提高中遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，業(yè)界提出了基于二極管整流單元（DRU）的HVDC方案，相比于柔性直流送出，分布式的海上DRU加陸上VSC-HVDC方案避免了集中式的海上升壓站和大型的MMC海上換流站，可以顯著降低海上平臺(tái)體積，承重要求及建設(shè)成本。二極管僅有導(dǎo)通損耗，換流閥的損耗相較于MMC方案也會(huì)更小。但由于DRU的不可控性，無法像VSC-HVDC那樣構(gòu)建海上電網(wǎng)，因此構(gòu)網(wǎng)任務(wù)需要由海上風(fēng)電機(jī)組自主實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于DRU-HVDC的單向潮流特性，岸上電網(wǎng)無法為海上風(fēng)電場反送啟動(dòng)能量，這同樣對海上電網(wǎng)的運(yùn)行提出了更高的要求。

為減小交流側(cè)諧波電流和直流側(cè)諧波電壓，DRU通常采用如下圖所示的12脈動(dòng)整流器拓?fù)?，由兩個(gè)6脈動(dòng)整流器直流側(cè)串聯(lián)交流側(cè)并聯(lián)組合而成，海上整流器又由多個(gè)分布式DRU直流側(cè)串聯(lián)交流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成。Infineon D3300H90X152，其重復(fù)反向峰值電壓可達(dá)9000V，殼溫70℃下通態(tài)平均電流為3300A，并兼具通態(tài)壓降小，高抗浪涌電流能力以及高I2t等特點(diǎn)，十分適合于構(gòu)建大容量海上DRU-HVDC送出系統(tǒng)。

圖5. 二極管整流單元和英飛凌軟整流二極管D3300H90X152

解決方案詳細(xì)對比

本節(jié)將以±500kV/2GW海上風(fēng)電送出系統(tǒng)為例，詳細(xì)對比三種方案不同層面的性能表現(xiàn)。后續(xù)內(nèi)容請持續(xù)關(guān)注PCIM Asia2025。

參考資料

[1] Y. Li, J. J. Feng, Y. X. Lu, C. Y. Zou, S. Hou, W. H. Huang: 'Key Technologies and Prospect of VSC-HVDC for Large-capacity and Long-distance Offshore Wind Power Transmission', High Voltage Engineering, 2022, 48, (09), pp. 3384–3393

[2] H. Wang, J. Przybilla, H. Zhang and J. Schiele: 'The New High Reliable Press Pack IGBT for Modular Multilevel Converter in VSC-HVDC Applications', 2020 4th International Conference on HVDC (HVDC), 2020, pp. 14-19

[3] H. Rao, Y. B. Zhou, Y. K. Chen, L. Yang, B. Zhao, R. Yi, J. Y. Sheng: 'Key Design and Development Trend of High-voltage Large-capacity VSC Valves for HVDC', Journal of Power Supply, 2024, 22, (03), pp. 1–14

[4] H. Wang, J. Przybilla: 'Comparison of Power Semiconductor Solutions for the Next Generation Offshore VSC-HVDC System', 18th International Conference on AC and DC Power Transmission (ACDC 2022), 2022

[5] O. Kuhn, P. Menke, R. Zurowski, J. Thisted, P. Brogn: '2nd generation DC grid access for offshore wind farms: HVDC in an AC fashion', CRGRE 2016

[6] L. J. Yu, Z. Y. Fu, J. B. Zhu, R. Li, G. P. Peng, C. Y. Zhao: 'Review on Grid-forming Control and Start-up Method of Diode-rectifier-unit Based HVDC Transmission System for Remote Offshore Wind Farm', Automation of Electric Power Systems, 2023, 47, (24), pp. 63–79