國網(wǎng)智研院IGBT數(shù)字驅(qū)動技術助力換流閥高效可靠運行

　　絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動器是電力電子裝備的關鍵組件，其核心技術曾一度被國外壟斷。今年4月底，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司“IGBT數(shù)字驅(qū)動關鍵技術及應用”項目科技成果通過中國電機工程學會鑒定。鑒定專家認為，產(chǎn)品整體技術達到國際先進水平，其中，IGBT狀態(tài)檢測與保護技術達到國際領先水平。

　　多年來，國網(wǎng)智研院堅持深耕IGBT數(shù)字驅(qū)動技術，突破了一系列關鍵技術難點，打破了國外技術壟斷，形成了核心技術完全自主化的系列產(chǎn)品，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)品廣泛應用于多個直流輸電工程，助力IGBT換流閥持續(xù)高效可靠運行。

　　高端電力設備發(fā)展帶動IGBT驅(qū)動核心技術國產(chǎn)化步伐加快

　　IGBT是能源變換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，是提升能源轉(zhuǎn)換效率，進而降低碳排放，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和的重要電力電子設備。國網(wǎng)智研院直流輸電技術研究所所長賀之淵介紹，要保障IGBT安全高效地運行，必須配備專用的驅(qū)動器，這樣既能發(fā)揮IGBT的最優(yōu)性能，又可以自主預判故障分類從而采取精細化保護措施，將IGBT的使用風險降到最低。高壓大功率電力電子裝備工況復雜、控制精度高、故障發(fā)展速度快、電磁環(huán)境惡劣，對IGBT數(shù)字驅(qū)動控制保護功能的要求極高。IGBT數(shù)字驅(qū)動器是實現(xiàn)電力電子裝備智能化的核心組件，是IGBT器件可靠工作的控制器，相當于IGBT的“大腦” 。

　　2013年之前，國外僅有少數(shù)幾家公司掌握高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術，但對外實行嚴密技術封鎖。而且，國外高壓大功率IGBT驅(qū)動器不同程度地存在調(diào)控性能差、保護功能單一、可定制化程度低、抗電磁干擾性能差或造價高等問題。

　　為助推“雙碳”目標落實和新型電力系統(tǒng)構建，越來越多的特高壓直流輸電工程將建成或開工，為遠距離大容量輸送清潔能源發(fā)揮重要作用。“作為直流輸電換流閥核心器件的IGBT已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化并且批量應用，使得IGBT驅(qū)動器的自主化研發(fā)以及關鍵技術突破更加刻不容緩。”賀之淵說。

　　十年磨一“器”，打造IGBT智能“大腦”

　　自2008年起，國網(wǎng)智研院準確把握IGBT驅(qū)動發(fā)展趨勢，瞄準更為先進的高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術，抽調(diào)全院在IGBT理論研究、仿真、試驗及工程應用等方面具有豐富經(jīng)驗的科研試驗骨干人員，組建了IGBT數(shù)字驅(qū)動技術攻關團隊。團隊依托國家科技重大專項(02專項)及國家重點研發(fā)計劃、公司科技項目等，先后攻克了動態(tài)特性均衡調(diào)控、多類故障精確保護、嚴苛電磁環(huán)境耐受等關鍵技術難題，在設計方法、電路實現(xiàn)、大電流關斷、故障保護、電磁防護、試驗方法等方面開展了深入研究，研制出適配多類型IGBT的數(shù)字驅(qū)動器系列產(chǎn)品。產(chǎn)品通過了第三方環(huán)境試驗、電磁兼容試驗、軟硬件可靠性測試等型式試驗。

　　100萬千瓦柔性直流換流閥IGBT模塊工作的電壓和電流臨近安全工作區(qū)極限，電磁環(huán)境極為惡劣。針對這一應用場景，IGBT數(shù)字驅(qū)動技術攻關團隊攻克了有源米勒鉗位、復合電磁屏蔽、諧振軟開關和恒定導通時間頻率調(diào)制技術等高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術，研制了適配3300伏/1500安焊接式IGBT模塊的驅(qū)動器產(chǎn)品，解決了IGBT數(shù)字驅(qū)動器在強電磁環(huán)境下電磁兼容設計和溫升控制的難題。針對在電壓和電流等級更高IGBT中的應用需求，國網(wǎng)智研院陸續(xù)推出了適配4500伏/2000安和4500伏/3000安壓接式IGBT模塊的數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品，形成了覆蓋1700～6500伏的全系列IGBT數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品。

　　“IGBT數(shù)字驅(qū)動的技術難點在于，要在百萬分之一秒的時間尺度內(nèi)，對IGBT進行精準的開通和關斷控制。既要保證IGBT的開通和關斷損耗符合要求，又要讓關斷電壓尖峰和開通時的反向恢復電流盡可能小，傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動器無法兼顧上述要求，這是難點之一。同時，在惡劣復雜電磁環(huán)境下做到對故障信息的準確獲取與快速識別，采取精細化快速保護策略，確保IGBT免受高壓大電流的沖擊損壞，這又是另一難點。”IGBT數(shù)字驅(qū)動技術攻關團隊的技術負責人客金坤介紹說。

　　為了滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的安全保護要求，IGBT對故障電流的判斷速度越快越好，并且要保證可靠性。傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動短路電流方式無法很好地滿足電網(wǎng)故障工況的要求。IGBT數(shù)字驅(qū)動技術攻關團隊針對故障電流上升趨勢與正常電流不同的特點，提出了基于電流上升趨勢判斷短路故障的方法，將故障保護時間從之前的8微秒左右縮減到3微秒以內(nèi)，大大降低了IGBT器件本體所受的故障沖擊，達到了防患于未然的效果。

　　經(jīng)過第三方檢測機構認證，與國外同類產(chǎn)品相比，國網(wǎng)智研院研制的國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器抗電磁干擾能力提高了2個等級以上;產(chǎn)品通過對比測試表明，動態(tài)功耗降低了44%、電子元件溫升降低了17攝氏度，而成本僅為國外同類產(chǎn)品的70%。

　　助力多項直流輸電工程安全運行，器件國產(chǎn)化程度不斷提高

　　2011年，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器首次在上海南匯±30千伏直流輸電工程中小批量試用，填補了國產(chǎn)化IGBT數(shù)字驅(qū)動在高壓直流輸電領域應用的空白。2015年，項目成果推廣應用于±320千伏/100萬千瓦廈門柔性直流輸電工程，實現(xiàn)了與國外IGBT數(shù)字驅(qū)動產(chǎn)品的同臺競技，整體運行表現(xiàn)優(yōu)異，投運至今實現(xiàn)零故障運行。

　　2016年12月份，在浙江舟山200千伏高壓直流斷路器項目應用現(xiàn)場，IGBT數(shù)字驅(qū)動技術攻關團隊成員白建成說：“之前工程采用的是國外品牌的IGBT驅(qū)動器，產(chǎn)品在直流斷路器試驗期間，因無法耐受現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境，頻繁上報故障，導致試驗無法進行。”而用國網(wǎng)智研院研發(fā)的IGBT驅(qū)動器100%替代國外產(chǎn)品后，世界首次±200千伏雙極短路分斷試驗一次性通過。截至今年5月底，該工程直流斷路器累計完成系統(tǒng)運行方式切換89次、直流海纜單雙極短路故障清除5次。在此期間，驅(qū)動器運行穩(wěn)定，助力直流斷路器高效可靠運行。

　　在2017到2021年，項目成果先后應用于±420千伏/125萬千瓦渝鄂背靠背工程、昆柳龍±800千伏混合多端直流輸電工程以及三峽如東海上風電柔性直流輸電工程。作為核心功率器件IGBT的控制和保護設備，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器經(jīng)受了高電磁輻射和惡劣環(huán)境的考驗，發(fā)揮了快速保護換流閥核心設備IGBT的作用。該產(chǎn)品還應用在張北柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程四端帶電組網(wǎng)中，工程解決了張北地區(qū)大規(guī)模風電可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的問題，促成了張北新能源基地、豐寧抽水蓄能電站與北京負荷中心的隔空“牽手”，支撐了北京2022年冬奧會的綠電供應。

　　今年2月份，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術支撐我國中標德國Borwin6海上風電柔性直流輸電工程。這標志著具有自主知識產(chǎn)權的IGBT數(shù)字驅(qū)動器具備了國際領先的核心競爭力，是國家電網(wǎng)公司推動技術、標準、裝備一體化“走出去”的重要成果，對高質(zhì)量共建“一帶一路”、深化中歐綠色能源合作具有重要意義。

　　隨著國內(nèi)集成電路技術日趨成熟、芯片制造業(yè)蓬勃發(fā)展，IGBT驅(qū)動器未來將向器件國產(chǎn)化方向發(fā)展。國網(wǎng)智研院積極布局立項，著手進一步提升高壓大功率IGBT驅(qū)動器國產(chǎn)化器件占比程度，力爭早日將驅(qū)動器的國產(chǎn)化器件占比提升到100%，開展相應的型式試驗驗證產(chǎn)品性能，并推廣至輸電工程應用。這將有力帶動國產(chǎn)化集成電路的品質(zhì)提升，助推上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。(攝影：客金坤)