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國家核心期刊《船舶工程》報道賽晶船用固態直流斷路器

 

引言


國家核心期刊《船舶工程》刊登專題文章《某型船用固態直流斷路器技術應用》,介紹了國內外船用直流斷路器的工作原理和發展現狀。該文以賽晶船用固態直流斷路器為研究對象,闡明了在該領域前沿技術創新和探索中,賽晶取得的出色成果;例舉了賽晶產品的技術特點和優勢,以及國際市場中取得的實用業績。



 

 

文章具體內容如下:


在交通運輸設備發展的初期,其電力系統多采用直流高速的空氣斷路器,一般通過拉長觸頭間電弧的長度來提高電弧電壓,從而把電流限制到零。但這種原理不可避免地存在著觸頭與滅弧柵的損耗,需要頻繁地進行維修,且產品難以小型化。隨著科技的不斷進步,電力電子器件技術飛速發展,一系列先進的固態直流斷路器應運而生。

本文以賽晶科技集團有限公司(簡稱“賽晶科技”)研發的固態船舶直流斷路器為主要研究對象,對不同型號的固態直流斷路器展開介紹,通過分析其研究現狀與市場應用,進一步掌握固態直流斷路器的前沿技術,為船用電力電子領域的研發提供參考。

 

1  國內外研究現狀

國外對固態直流斷路器的研究比較早。在1987年,美國Texas大學的William Kernaghan研制出1臺采用GTO作為主開關的200V/15A的固態直流斷路器。在1999年時,JEFFFREY等對直流固態開關在配電系統中的分布、應用和成本等多方面做了詳細的闡述并列舉了DTI的工程應用。隨后Houston大學研制出一臺500V電壓等級的固態直流斷路器樣機;2003年,美國電力電子系統研究中心(Centre for Power Electronics Systems,CPES)的研究人員申請了采用硬關斷器件ETO做固態直流斷路器的發明專利,并在2005年成功研制出了1.5kA/2.5kV和4kA/4.5kV的樣機,并通過了測試。

國內對固態直流斷路器的研究則起步比較晚,對固態直流斷路器的研究集中在一些特殊的領域且電壓等級都比較低,如:在航天領域的電壓等級為120V,在航空領域為270V,艦船上為1500V,國內的海軍工程大學正在對固態斷路器在艦艇上的應用進行研究,其研究的是低壓、大電流,側重于限流研究,采用IGBT為開關器件和自關斷技術,應用場合受到限制。雖然國內中國工程物理研究所曾經研制出20kV可控硅固態開關,但是其側重于研究SCR的串聯技術,未做過斷路器方面的測試且電流在1A以下。

現階段,我國主要集中于拓撲結構的研究,基本處于樣機試制和驗證階段,樣機的容量較小而且集中在一些特殊的領域;國外對功率器件自身和拓撲結構都有研究,軍事、民用并舉,而且應用到了具體的工程實踐之中。與國外相比,國內還有一定的差距亟需追趕。在社會經濟的發展下,世界各個國家也紛紛加入新能源發電的隊伍中,固態直流斷路器必然能夠得到更為廣泛的應用。


2  固態直流斷路器基本原理

固態直流斷路器(DC SSCB)以半控型(如SCR)或全控型(如IGBT、MOSFET、IGCT等)電力電子器件作為主控開關器件,同時搭配控制電路和緩沖吸能電路等完成電流快速開斷功能;開斷過程無電弧產生、動作速度快、電壽命長,可以更好地滿足直流系統快速、可靠保護的需求。由此,為了提升系統運行的安全性,綜合特性更優的固態直流斷路器被廣泛應用于電力電子領域。


2.1  電氣原理

以賽晶科技研發的額定電壓1000V、額定電流3000A、絕緣電壓6kV、關斷時間≤9μs的固態直流斷路器為例,其具體參數見表1。

 

 

表1  賽晶科技固態直流斷路器主要參數

 

 

該型固態直流斷路器原理拓撲見圖1,包含了IGBT功率模塊、二極管模塊、過壓吸收電路模塊、平衡開關和控制模塊。固態直流斷路器利用內置的電壓檢測單元,可以在一定范圍內測量電壓,若發現斷路器兩側的壓差過大,斷路器內部會首先將兩側電壓調整平衡,然后才可以將主回路開關閉合,否則低電壓側的支撐電容充電可能造成斷路器的短時過流現象。

 

圖1  固態直流斷路器原理拓撲圖

 

增強型拓撲在IGBT模塊外置了大功率二極管形成橋式雙向電路供電流雙向流通,從而使增強型拓撲的可靠性和通流能力大大提高。

控制模塊提供固態直流斷路器的控制電源接口和通信接口,包括:故障狀態反饋、主控器輸入控制信號和與其他功率開關之間的通信接口。通信接口可以為光信號或電信號,通信協議可以為MODBUS-TCP、TCP/IP或其他定制協議。


2.2  技術特點

該型固態直流斷路器因具有微秒級斷開時間、循環水冷、獲DNV認證、內部自檢能力強和可滿足不同類型的系統接口等優勢,被廣泛應用于船舶直流配電系統中的兩段母線聯絡開關和負載饋電開關。技術特點如下:

1)無觸點開斷直流短路電流

采用全控型大功率 IGBT器件特性關斷直流電流,無需產生強迫電流過零的反電壓回路或消弧電路,斷開時不會產生電弧。開斷時間達到了微秒級,極大地限制了故障電流的發展,使故障電流難以達到損壞器件的能量等級,把故障對系統的影響降至最低。

2)具備雙向直流流動工作模式

采用了大功率二極管拓撲,使得作為兩段電源間聯絡開關的固態直流斷路器,實現額定電流范圍內兩個電源的快速互為備用。

3)具備平衡開通能力

拓撲中帶專用平衡開關,在接通兩端電源前使固態直流斷路器兩端的電壓平衡,消除了開通過程中的涌流沖擊。

4)自帶檢測和保護控制系統

固態直流斷路器自帶電壓和電流檢測單元,不需要外部控制或檢測。自帶的控制器可以根據預先設定的電流時間曲線動作,這種性能可以使不同客戶根據各自系統的需求進行不同的保護設置。

5)高安全性

采用ABB的Hipak系列高可靠性IGBT模塊,最壞故障情況下保證裝置開路,保證電源的切除。

 

3  典型固態直流斷路器技術

船舶推進系統經歷了柴油機直驅、交流組網全電驅動和直流組網全電驅動的發展過程。直流斷路器在船用直流組網系統中作為一個重要的保護部件而備受重視,賽晶科技在多年累積的大功率開關設計和應用經驗的基礎上開發出專用于船舶領域的固態直流斷路器。


3.1  產品技術優勢

目前,賽晶科技已有基于平臺A的1.5kV/500A、1.25kA、3kA的產品,已通過挪威船級社(DNV)認證,且正在研發基于平臺B的1.5kV/4kA和5kA型號的產品。平臺B產品具有與平臺A產品不同的結構設計,具有更高的電流等級。具體外形見圖2。

 

圖2  賽晶科技產品

 

平臺A產品為緊湊型設計,每個電流等級分別具有不同的外形尺寸,更適用于對體積要求較高的場合,根據對不同電流等級的需求選擇合適的尺寸,達到空間的最優利用。平臺B產品為模塊化設計,整體成柜,不需要為斷路器額外配備單獨的柜體。最大電流等級可達5kA,憑借其模塊化的設計,可以允許系統集成商增加冗余,也可以根據需求搭配不同的模塊將斷路器變為雙極應用。具體技術優勢如下:

1)專用于海運業,內部所有部件均采用超快速、易集成的設計。為使斷路器具有更好的性能,所有部件都為斷路器的長期運行進行了專門優化。

2)擁有超快速的短路檢測和關斷速度,內部半導體器件直接連接到接線端,通過超快速的di/dt檢測,能夠在不增加電網電感的情況下快速動作。

3)擁有緊湊的結構設計,專用于船舶應用的緊湊化設計可以最大限度的利用可用空間,便于系統集成。具有模塊化的結構設計,可在標準版本的基礎上根據客戶的實際需求增減部分功能。

4)設計有專用于斷路器的系統控制器及驅動器,可在額定范圍內自主配置固態斷路器的保護曲線。

5)多臺固態斷路器之間可通過光纖通信,能夠自主識別并隔離故障區域。

6)相比其他競爭產品,體積小是賽晶固態直流斷路器的最大優點。


3.2  市場應用

作為業內技術領先并深具影響力的電力電子器件供應商和系統集成商,賽晶科技的子公司遍布北京、浙江嘉善、江蘇無錫、湖北武漢,以及歐洲的瑞士和德國等地。多年來,賽晶科技的固態開關技術一直居于行業領先地位,已有多個產品應用于中國、荷蘭、土耳其、韓國和挪威的多個項目,曾在中國高速磁懸浮推進列車、歐洲粒子研究中心(CERN)大型強子對撞機升級、英國智能電網科技示范和蘇黎世聯邦理工學院(ETH)高壓實驗室等眾多前沿科研項目中取得出色成績。

船用固態直流斷路器是賽晶科技位于瑞士的子公司 - Astrol Electronic AG (簡稱“Astrol”)的拳頭產品之一,在船舶領域具有世界領先的技術水平和行業地位。自2019年10月通過挪威船級社(DNV)認證后,Astrol的技術和產品迅速獲得歐洲船舶客戶認可。2020年3月,Astrol贏得首個訂單,包含4臺平臺A系列1kV/1.25kA型號產品,用于海上風電安裝船;2020年11月,Astrol正式成為西門子工業數字化公司在船舶領域的Qualified Supplier;2021年2月,Astrol向歐洲船舶客戶交付了平臺A系列1500V/500A型號產品。2021年8月,Astrol平臺A系列1.5kV/3kA型號產品,獲得歐洲客戶訂單,用于新型混合動力船。此外,賽晶科技也已經在國內的船舶領域開展了技術推廣。

由于船用直流配電還未得到大范圍的應用,目前的固態船用直流斷路器市場正處于發展階段,市面上同類產品較少,部分廠家將通用變流器改造為固態直流斷路器來使用,相比較而言,賽晶科技的固態直流斷路器的設計專用于船舶,內部所有部件都為斷路器的長期運行及超快速的保護做了專門的優化,可以在不增加回路電感的情況下進行超快速的短路檢測和保護,具有緊湊的結構設計,可最大限度的利用可用空間,允許斷路器之間直接通信進行超快速的協調聯動。由于這項技術較為前沿,目前還在少量生產階段,進一步的優化設計會逐步降低生產成本,隨著產量的提高,成本將會進一步降低。


3.3  研究趨勢與展望

目前,由于輕型直流輸電網絡中的電力電子設備應用的較多,機械式斷路器已無法滿足電力系統實時、靈活、快速的要求,從保護的實時性和安全性等多方面的對比和衡量,固態斷路器比機械式更具有優勢。隨著社會經濟的發展,對煤和石油等一次性不可再生能源的需求量日益增加,歐美等發達國家均掀起了一股新能源技術的研發熱潮。與此同時,我國的風力發電(含海上風力發電)、太陽能發電等呈現的跳躍式發展,也為固態直流斷路器的應用提供了廣闊前景。

鑒于此,賽晶科技船用固態直流斷路器不但完成了1500V/500A~3000A的全系列產品研發,還取得了市場的廣泛認可,新客戶、新訂單不斷涌現。在完成5kA的平臺B產品研發后,賽晶科技將會進一步完善并優化現有產品,在現有技術的基礎上拓展適配不同功率等級、不同拓撲的標準產品,有計劃地分批將船用固態直流斷路器的生產制造轉移到國內,進一步降低生產成本。下一步將會在電壓等級上進行提高,適配3kV、6kV及更高等級直流系統。隨著功率半導體技術的發展,賽晶科技將嘗試將寬禁帶半導體(如SiC)引入產品。


4  結束語

隨著《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》的正式發布,我國的“雙碳”戰略有序推進,降低碳排放的步伐持續加快。“十四五”規劃中以優化交通運輸結構、推廣節能低碳型交通工具為代表的低碳交通運輸體系建設相關政策的頒發,對持續降低運輸能耗和二氧化碳排放強度提出了更高要求。運輸業新能源和清潔能源的常態化建設,將會使電力電子技術得到長足發展,固態直流斷路器在技術和經濟上的優勢也將進一步凸顯。

以賽晶科技為代表的創新型高新技企業積極響應節能減排號召,大力發展綠色、創新為主導的固態直流斷路器新技術,在努力兼顧經濟發展和綠色轉型同步提升的同時,全方位提高企業全球競爭力,為我國“碳達峰、碳中和”工作貢獻一份力量。

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