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，可獨立控制有功功率和無功功率，更適用于弱電網和島嶼運行。其中，模塊化多電平變換器（MMC）拓撲結構因其優異的諧波特性、低損耗水平和良好的設計擴展性，已成為現有VSC-HVDC項目的首選解決方案。英飛凌4.5kV壓接式IGBT（PPI）和續流二極管已在柔直工程中得到廣泛應用，它具有以下優點：雙側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其防爆性能，這些都非常有利于柔直工程的安全可靠運行。

圖1. P2000DL45X168及其內部芯片組

以兩電平半橋子模塊為例，根據MMC電路的工作原理，它在任何時刻都可被視為電壓源來構建橋臂電壓或被旁路。當系統發生直流故障時，T2反并聯的保護晶閘管可旁路故障電流，有時也采用壓接式二極管代替，以簡化控制電路并降低導通損耗。如圖2所示，該解決方案中每個子模塊只需要三個壓接器件和四個散熱器。然而，隨著海上風電項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聯子模塊。鑒于海上平臺建設對占地和重量十分敏感，該方案的經濟可行性和可維護性是其最大挑戰。

圖 2. 基于P2000和保護晶閘管的子模塊設計

基于6.5kV IGBT模塊的VSC-HVDC方案

在VSC-HVDC中實現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的子模塊數量，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，非常適合于構建±500kV/2GW的VSC-HVDC系統。與上一代產品FZ750R65KE3相比，采用了溝槽柵場截止IGBT4的高壓芯片技術進一步降低了集電極-發射極飽和電壓。此外，通過優化DCB和芯片布局，FZ1000R65KE4的電流輸出能力提高了33%。最高工作結溫也從125°C提高到135°C。IHV A（190mm*140mm）封裝可滿足10.4kV AC/60s的增強絕緣要求，CTI值大于600。AlSiC基板和AlN襯底的應用提供了更強的PC循環和TC循環能力，滿足超高可靠性應用的要求。

如圖四所示，焊接式IGBT模塊通過單側底板冷卻，考慮到發生故障時的防爆性能，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罩中，以防止等離子飛濺。需要額外的保護晶閘管T_p，因為IGBT模塊的內部二極管抗浪涌電流容量相對較小。英飛凌晶閘管C3100N65T122具有低導通壓降、高I²t和可靠性高等特點，專為高壓直流輸電中的6.5kV IHV模塊而設計。

圖3. 保護晶閘管C3100N65T122及采用IGBT4技術的FZ1000R65KE4

圖4. 子模塊設計概念

基于壓接式整流二極管的DRU-HVDC方案

為提高中遠海風電送出的經濟性和可靠性，業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體積，承重要求及建設成本。二極管僅有導通損耗，換流閥的損耗相較于MMC方案也會更小。但由于DRU的不可控性，無法像VSC-HVDC那樣構建海上電網，因此構網任務需要由海上風電機組自主實現，同時由于DRU-HVDC的單向潮流特性，岸上電網無法為海上風電場反送啟動能量，這同樣對海上電網的運行提出了更高的要求。

為減小交流側諧波電流和直流側諧波電壓，DRU通常采用如下圖所示的12脈動整流器拓撲，由兩個6脈動整流器直流側串聯交流側并聯組合而成，海上整流器又由多個分布式DRU直流側串聯交流側并聯構成。Infineon D3300H90X152，其重復反向峰值電壓可達9000V，殼溫70℃下通態平均電流為3300A，并兼具通態壓降小，高抗浪涌電流能力以及高I2t等特點，十分適合于構建大容量海上DRU-HVDC送出系統。

圖5. 二極管整流單元和英飛凌軟整流二極管D3300H90X152