一种基于IGCT的模块化多电平换流阀技术

1. 痛点问题

由于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快并且损耗小、饱和压降低、耐压高、电流大等优点，在柔性直流电网中得到了广泛的应用，现有的MMC换流阀装备均是采用IGBT开关器件进行设计。事实上，IGBT于二十世纪八十年代初诞生，在九十年代得到飞速发展。然而传统的焊接式IGBT容量较小、可靠性较低且失效后呈断路特性，因此早期的IGBT主要应用于中低压领域，直至压接式IGBT诞生之后才开始在高压、大功率电力电子换流器当中得到应用。IGBT器件的容量从最早的600V/6A级别逐渐提升，迄今为止已经达到了4.5kV/3kA的水平。IGCT诞生于1996年，由于其核心GCT芯片是由晶闸管改进而来，因此天然具备晶闸管大容量、高可靠性的特点。IGCT器件在2000年便已经达到了4.5kV/4kA的水平，相比之下压接式IGBT直至2012年才达到相同的功率等级，随着六英寸IGCT器件在未来投入使用，IGCT在容量上仍将对IGBT保持较大优势。

另外，尽管IGBT优势突出，但是相比电流型器件，仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题，具有很多改进的空间。尤其是在海上风电柔性高压直流输电系统中，所使用的开关器件数量非常大，若能改进IGBT器件的特性，进一步提高效率和可靠性、减小成本，将会具有巨大的吸引力和应用前景。

2. 解决方案

模块化多电平变换器（MMC）的多电平调制大幅降低了功率器件开关频率，为集成门极换流晶闸管（IGCT）的应用带来了契机。相比IGBT，IGCT的通态压降和成本可降低达到1/3以上，并且IGCT具有非常强大的浪涌电流、短路失效和防爆能力，无需增加辅助电路便可实现冗余和防爆，确保柔直输电系统免维护的高可靠需求。该技术实现更高电压、更大功率、更高效率和可靠性的柔性直流输电系统具有重要意义和广阔的应用前景。

随着风力发电技术的发展和应用，陆上风电开发已经趋于饱和，而海上风电还尚未加以充分利用，具有巨大的开发潜力。海上风力资源极为丰富、对环境的负面影响较少、风速较为稳定、发电量大、空间广阔、允许风机机组更加大型化，因此海上风电将是未来风电发展的必然趋势,作为可再生能源的重要组成部分越来越受到重视。欧洲是目前海上风电装机容量最大的地区。根据欧洲风能协会的目标，风能将在2020年为欧洲提供15.7%的发电量，在2030年这个数字将达到28.5%。在这其中，欧洲海上风电装机容量在2020年将达到约40GW，约占欧洲风电总装机容量的18%；在2030年欧洲海上风电装机容量将达到约150GW，约占欧洲风电总装机容量的37.5%。我国海上风电也正在快速发展，截至2016年底中国已建成的海上风电项目装机容量共计1.627GW，在2016年已经跃升至世界第3位。根据风电发展“十三五”规划，2020年底我国海上风电并网装机容量计划达到5GW以上。

从海上风电技术的当前发展趋势来看，为了获取更多的风能，海上风电平台有单个项目装机量越来越大，离岸距离也向由近及远的趋势发展。欧洲海上风电2016 年新建项目平均离岸距离达到43.5km，最远离岸距离达到115km。电力的输送与并网一直是风电发展的瓶颈，在海上风电场容量越来越大和离岸距离越来越远的趋势下，基于IGBT和IGCT换流阀的柔性直流输电技术成为必然选择。海上风电的输送与并网的问题更加突出，为我国海上风电的发展在电力输送和并网方面提供有力保障。

除海上风电外，该技术也可以向陆上新能源汇集、交流系统互联和直流电网等领域扩展应用。

面向我国柔性直流输电工程迅速发展现状，本项目以减少柔性直流输电换流阀的损耗、成本，提高安全性和自主化程度为技术创新导向，针对基于我国自主化新一代IGCT器件的MMC关键技术展开研究。

通过对基础共性问题的突破和解决，促使IGCT-MMC实用化，相比现有IGBT和IEGT类MMC，IGCT优势得以充分体现。通过利用IGCT器件强大的浪涌电流耐受和长时失效短路特性，提出IGCT-MMC新的用法，带来众多效益。基于上述IGCT-MMC的关键技术，预计未来5年，柔性直流输电MMC换流阀成本有望降低50%，柔性直流输电的技术经济性将大幅提高。

相比IGBT，集成门极换流晶闸管（IGCT）具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流能力，有望显著改进电压控制型器件在高压大容量海上风电柔性直流输电系统应用中的表现性能。尤其是IGCT具有非常强大的浪涌电流、短路失效和防爆能力，无需增加辅助电路便可实现冗余和防爆，确保海上风电系统免维护的高可靠需求。