超高压SiC器件将成为智能电网跨越式发展新引擎
2018-07-22
14:00:37
来源: 老杳吧
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智能电网的快速发展促使新能源发电在我国发电能源结构中所占的比例日益提高，如风电、太阳能等可再生能源已经实现以风电厂和光伏电站的形式向电网馈送电能，另外实现商业化的新能源和可再生能源还包括小水电、生物质能、地热发电等形式。由于我国电网处于全国联网建设的初期，网际间联系需要经历一个由弱到强的过程，分布式电源的接入会给传统电网带来安全稳定性和控制可靠性的问题，同时会对电网质量产生较大的影响。随着电网规模的不断扩大以及系统中非线性负荷不断增加，导致谐波源向电网注入谐波，电能质量下降。
电力变压器作为电压变换和电气隔离的基础设备，是电力系统中网络连接的核心，在输配电领域均有应用。目前系统中采用较多的铁芯油浸式变压器，体积和重量大，电压等级和功率容量提升增加变压器的空载损耗，一次侧电压幅值波动会影响到二次侧输出电压，负荷变化带来二次侧输出电压的不稳定，铁芯饱和时产生的谐波造成励磁涌流，一次侧和二次侧的谐波侵入诱发新的故障等。新能源并网前需要进行电压变换和调整，同时对功率流动进行灵活控制，兼备故障诊断和隔离。传统变压器的局限性显然不能满足上述要求。
一、固态变压器(SST)技术简介
固态变压器(SST)又称电力电子变压器，是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。与传统变压器相比， 具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。由于具有以上优点，将固态变压器用于电力系统可提高系统可靠性，并可改善电能质量，便于新能源发电并网，将推动智能电网建设和发展。
其基本原理框图如图1:首先工频交流信号经电力电子变换器变换为高频方波信号，信号通过高频隔离变压器传输，再经电力电子变换器将高频方波信号还原成工频交流信号。该过程可以通过控制器对电力电子变换装置进行适当的控制来完成。
01
第一环节
AC/DC整流器，将7KV单相交流电变换成10KV直流电。
02
第二环节
高频DC/DC变换器，将DC 10K变换成DC 400V。它包括高压H桥电路、低压H桥电路和中间高频变压器构成。
03
第三环节
DC/AC逆变器，将DC 400V变换为60Hz，±120V的交流电。
通过提高DC/DC变换器和DC/AC逆变器的工作频率，可以实现比常规变压器体积减小、重量变轻的目标，从而大大减小无源器件的尺寸和重量。
二、SiC碳化硅器件在固态变压器中的应用
理想的半导体功率器件，应当具有这样的静态和动态特性：在阻断状态， 能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt 和dv/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。然而由于在电压、功率耐量等方面的限制，这些Si硅基大功率器件在固态变压器应用中不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了固态变压器在智能电网应用的进一步发展。
近年来，作为新型的宽禁带半导体材料——碳化硅（ SiC），因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅功率器件的重要优势在于具有耐高压(达数万伏)、耐高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件电压(数kV)和温度(小于180℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，如碳化硅功率二极管SBD、MOSFET等，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在650-1700V，固态变压器中采用的方案仍多为串联。未来几年，随着技术的进步，高压碳化硅器件，特别是15kV以上碳化硅器件的出现，以及相应驱动技术和抗干扰技术的发展，将有利于固态变压器的结构简化及可靠性提升。
三、总结
未来的发配电系统可能由许多分布式再生能源和电网组成，通过新型配电设施和储能系统都可以与电网或微电网互联。能源互联网具有能量双向流动控制能力，使得它能够提供重要的即插即用功能，并能使系统与用户故障端达到隔离。能源互联网需用先进的高压、高频和高温工作能力的功率半导体器件。
实践结果表明SiC器件可以显著简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。由此可见，新型高压大容量碳化硅功率器件将在固态变压器应用中开辟出全新的应用，对智能电网的发展和变革产生持续的重大影响。
责任编辑：Sophie
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