國(guó)家核心期刊《船舶工程》報(bào)道賽晶船用固態(tài)直流斷路器

引言

國(guó)家核心期刊《船舶工程》刊登專題文章《某型船用固態(tài)直流斷路器技術(shù)應(yīng)用》，介紹了國(guó)內(nèi)外船用直流斷路器的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀。該文以賽晶船用固態(tài)直流斷路器為研究對(duì)象，闡明了在該領(lǐng)域前沿技術(shù)創(chuàng)新和探索中，賽晶取得的出色成果；例舉了賽晶產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及國(guó)際市場(chǎng)中取得的實(shí)用業(yè)績(jī)。

文章具體內(nèi)容如下：

在交通運(yùn)輸設(shè)備發(fā)展的初期，其電力系統(tǒng)多采用直流高速的空氣斷路器，一般通過(guò)拉長(zhǎng)觸頭間電弧的長(zhǎng)度來(lái)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(jìn)行維修，且產(chǎn)品難以小型化。隨著科技的不斷進(jìn)步，電力電子器件技術(shù)飛速發(fā)展，一系列先進(jìn)的固態(tài)直流斷路器應(yīng)運(yùn)而生。

本文以賽晶科技集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱“賽晶科技”）研發(fā)的固態(tài)船舶直流斷路器為主要研究對(duì)象，對(duì)不同型號(hào)的固態(tài)直流斷路器展開(kāi)介紹，通過(guò)分析其研究現(xiàn)狀與市場(chǎng)應(yīng)用，進(jìn)一步掌握固態(tài)直流斷路器的前沿技術(shù)，為船用電力電子領(lǐng)域的研發(fā)提供參考。

1  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)固態(tài)直流斷路器的研究比較早。在1987年，美國(guó)Texas大學(xué)的William Kernaghan研制出1臺(tái)采用GTO作為主開(kāi)關(guān)的200V/15A的固態(tài)直流斷路器。在1999年時(shí)，JEFFFREY等對(duì)直流固態(tài)開(kāi)關(guān)在配電系統(tǒng)中的分布、應(yīng)用和成本等多方面做了詳細(xì)的闡述并列舉了DTI的工程應(yīng)用。隨后Houston大學(xué)研制出一臺(tái)500V電壓等級(jí)的固態(tài)直流斷路器樣機(jī)；2003年，美國(guó)電力電子系統(tǒng)研究中心（Centre for Power Electronics Systems，CPES）的研究人員申請(qǐng)了采用硬關(guān)斷器件ETO做固態(tài)直流斷路器的發(fā)明專利，并在2005年成功研制出了1.5kA/2.5kV和4kA/4.5kV的樣機(jī)，并通過(guò)了測(cè)試。

國(guó)內(nèi)對(duì)固態(tài)直流斷路器的研究則起步比較晚，對(duì)固態(tài)直流斷路器的研究集中在一些特殊的領(lǐng)域且電壓等級(jí)都比較低，如：在航天領(lǐng)域的電壓等級(jí)為120V，在航空領(lǐng)域?yàn)?70V，艦船上為1500V，國(guó)內(nèi)的海軍工程大學(xué)正在對(duì)固態(tài)斷路器在艦艇上的應(yīng)用進(jìn)行研究，其研究的是低壓、大電流，側(cè)重于限流研究，采用IGBT為開(kāi)關(guān)器件和自關(guān)斷技術(shù)，應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。雖然國(guó)內(nèi)中國(guó)工程物理研究所曾經(jīng)研制出20kV可控硅固態(tài)開(kāi)關(guān)，但是其側(cè)重于研究SCR的串聯(lián)技術(shù)，未做過(guò)斷路器方面的測(cè)試且電流在1A以下。

現(xiàn)階段，我國(guó)主要集中于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，基本處于樣機(jī)試制和驗(yàn)證階段，樣機(jī)的容量較小而且集中在一些特殊的領(lǐng)域；國(guó)外對(duì)功率器件自身和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有研究，軍事、民用并舉，而且應(yīng)用到了具體的工程實(shí)踐之中。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)還有一定的差距亟需追趕。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展下,世界各個(gè)國(guó)家也紛紛加入新能源發(fā)電的隊(duì)伍中,固態(tài)直流斷路器必然能夠得到更為廣泛的應(yīng)用。

2  固態(tài)直流斷路器基本原理

固態(tài)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(kāi)關(guān)器件，同時(shí)搭配控制電路和緩沖吸能電路等完成電流快速開(kāi)斷功能；開(kāi)斷過(guò)程無(wú)電弧產(chǎn)生、動(dòng)作速度快、電壽命長(zhǎng)，可以更好地滿足直流系統(tǒng)快速、可靠保護(hù)的需求。由此，為了提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，綜合特性更優(yōu)的固態(tài)直流斷路器被廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域。

2.1  電氣原理

以賽晶科技研發(fā)的額定電壓1000V、額定電流3000A、絕緣電壓6kV、關(guān)斷時(shí)間≤9μs的固態(tài)直流斷路器為例，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1  賽晶科技固態(tài)直流斷路器主要參數(shù)

該型固態(tài)直流斷路器原理拓?fù)湟?jiàn)圖1，包含了IGBT功率模塊、二極管模塊、過(guò)壓吸收電路模塊、平衡開(kāi)關(guān)和控制模塊。固態(tài)直流斷路器利用內(nèi)置的電壓檢測(cè)單元，可以在一定范圍內(nèi)測(cè)量電壓，若發(fā)現(xiàn)斷路器兩側(cè)的壓差過(guò)大，斷路器內(nèi)部會(huì)首先將兩側(cè)電壓調(diào)整平衡，然后才可以將主回路開(kāi)關(guān)閉合，否則低電壓側(cè)的支撐電容充電可能造成斷路器的短時(shí)過(guò)流現(xiàn)象。

圖1  固態(tài)直流斷路器原理拓?fù)鋱D

增強(qiáng)型拓?fù)湓贗GBT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(qiáng)型拓?fù)涞目煽啃院屯髂芰Υ蟠筇岣摺?/span>

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

2.2  技術(shù)特點(diǎn)

該型固態(tài)直流斷路器因具有微秒級(jí)斷開(kāi)時(shí)間、循環(huán)水冷、獲DNV認(rèn)證、內(nèi)部自檢能力強(qiáng)和可滿足不同類型的系統(tǒng)接口等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于船舶直流配電系統(tǒng)中的兩段母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和負(fù)載饋電開(kāi)關(guān)。技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)斷直流短路電流

采用全控型大功率 IGBT器件特性關(guān)斷直流電流，無(wú)需產(chǎn)生強(qiáng)迫電流過(guò)零的反電壓回路或消弧電路，斷開(kāi)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧。開(kāi)斷時(shí)間達(dá)到了微秒級(jí)，極大地限制了故障電流的發(fā)展，使故障電流難以達(dá)到損壞器件的能量等級(jí)，把故障對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低。

2）具備雙向直流流動(dòng)工作模式

采用了大功率二極管拓?fù)?，使得作為兩段電源間聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的固態(tài)直流斷路器，實(shí)現(xiàn)額定電流范圍內(nèi)兩個(gè)電源的快速互為備用。

3）具備平衡開(kāi)通能力

拓?fù)渲袔Ｓ闷胶忾_(kāi)關(guān)，在接通兩端電源前使固態(tài)直流斷路器兩端的電壓平衡，消除了開(kāi)通過(guò)程中的涌流沖擊。

4）自帶檢測(cè)和保護(hù)控制系統(tǒng)

固態(tài)直流斷路器自帶電壓和電流檢測(cè)單元，不需要外部控制或檢測(cè)。自帶的控制器可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流時(shí)間曲線動(dòng)作，這種性能可以使不同客戶根據(jù)各自系統(tǒng)的需求進(jìn)行不同的保護(hù)設(shè)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(kāi)路，保證電源的切除。

3  典型固態(tài)直流斷路器技術(shù)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)歷了柴油機(jī)直驅(qū)、交流組網(wǎng)全電驅(qū)動(dòng)和直流組網(wǎng)全電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。直流斷路器在船用直流組網(wǎng)系統(tǒng)中作為一個(gè)重要的保護(hù)部件而備受重視，賽晶科技在多年累積的大功率開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出專用于船舶領(lǐng)域的固態(tài)直流斷路器。

3.1  產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，賽晶科技已有基于平臺(tái)A的1.5kV/500A、1.25kA、3kA的產(chǎn)品，已通過(guò)挪威船級(jí)社（DNV）認(rèn)證，且正在研發(fā)基于平臺(tái)B的1.5kV/4kA和5kA型號(hào)的產(chǎn)品。平臺(tái)B產(chǎn)品具有與平臺(tái)A產(chǎn)品不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有更高的電流等級(jí)。具體外形見(jiàn)圖2。

圖2  賽晶科技產(chǎn)品

平臺(tái)A產(chǎn)品為緊湊型設(shè)計(jì)，每個(gè)電流等級(jí)分別具有不同的外形尺寸，更適用于對(duì)體積要求較高的場(chǎng)合，根據(jù)對(duì)不同電流等級(jí)的需求選擇合適的尺寸，達(dá)到空間的最優(yōu)利用。平臺(tái)B產(chǎn)品為模塊化設(shè)計(jì)，整體成柜，不需要為斷路器額外配備單獨(dú)的柜體。最大電流等級(jí)可達(dá)5kA，憑借其模塊化的設(shè)計(jì)，可以允許系統(tǒng)集成商增加冗余，也可以根據(jù)需求搭配不同的模塊將斷路器變?yōu)殡p極應(yīng)用。具體技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）專用于海運(yùn)業(yè)，內(nèi)部所有部件均采用超快速、易集成的設(shè)計(jì)。為使斷路器具有更好的性能，所有部件都為斷路器的長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行了專門優(yōu)化。

2）擁有超快速的短路檢測(cè)和關(guān)斷速度，內(nèi)部半導(dǎo)體器件直接連接到接線端，通過(guò)超快速的di/dt檢測(cè)，能夠在不增加電網(wǎng)電感的情況下快速動(dòng)作。

3）擁有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，專用于船舶應(yīng)用的緊湊化設(shè)計(jì)可以最大限度的利用可用空間，便于系統(tǒng)集成。具有模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在標(biāo)準(zhǔn)版本的基礎(chǔ)上根據(jù)客戶的實(shí)際需求增減部分功能。

4）設(shè)計(jì)有專用于斷路器的系統(tǒng)控制器及驅(qū)動(dòng)器，可在額定范圍內(nèi)自主配置固態(tài)斷路器的保護(hù)曲線。

5）多臺(tái)固態(tài)斷路器之間可通過(guò)光纖通信，能夠自主識(shí)別并隔離故障區(qū)域。

6）相比其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，體積小是賽晶固態(tài)直流斷路器的最大優(yōu)點(diǎn)。

3.2  市場(chǎng)應(yīng)用

作為業(yè)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先并深具影響力的電力電子器件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商，賽晶科技的子公司遍布北京、浙江嘉善、江蘇無(wú)錫、湖北武漢，以及歐洲的瑞士和德國(guó)等地。多年來(lái)，賽晶科技的固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)一直居于行業(yè)領(lǐng)先地位，已有多個(gè)產(chǎn)品應(yīng)用于中國(guó)、荷蘭、土耳其、韓國(guó)和挪威的多個(gè)項(xiàng)目，曾在中國(guó)高速磁懸浮推進(jìn)列車、歐洲粒子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)升級(jí)、英國(guó)智能電網(wǎng)科技示范和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）高壓實(shí)驗(yàn)室等眾多前沿科研項(xiàng)目中取得出色成績(jī)。

船用固態(tài)直流斷路器是賽晶科技位于瑞士的子公司 - Astrol Electronic AG （簡(jiǎn)稱“Astrol”）的拳頭產(chǎn)品之一，在船舶領(lǐng)域具有世界領(lǐng)先的技術(shù)水平和行業(yè)地位。自2019年10月通過(guò)挪威船級(jí)社（DNV）認(rèn)證后，Astrol的技術(shù)和產(chǎn)品迅速獲得歐洲船舶客戶認(rèn)可。2020年3月，Astrol贏得首個(gè)訂單，包含4臺(tái)平臺(tái)A系列1kV/1.25kA型號(hào)產(chǎn)品，用于海上風(fēng)電安裝船；2020年11月，Astrol正式成為西門子工業(yè)數(shù)字化公司在船舶領(lǐng)域的Qualified Supplier；2021年2月，Astrol向歐洲船舶客戶交付了平臺(tái)A系列1500V/500A型號(hào)產(chǎn)品。2021年8月，Astrol平臺(tái)A系列1.5kV/3kA型號(hào)產(chǎn)品，獲得歐洲客戶訂單，用于新型混合動(dòng)力船。此外，賽晶科技也已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的船舶領(lǐng)域開(kāi)展了技術(shù)推廣。

由于船用直流配電還未得到大范圍的應(yīng)用，目前的固態(tài)船用直流斷路器市場(chǎng)正處于發(fā)展階段，市面上同類產(chǎn)品較少，部分廠家將通用變流器改造為固態(tài)直流斷路器來(lái)使用，相比較而言，賽晶科技的固態(tài)直流斷路器的設(shè)計(jì)專用于船舶，內(nèi)部所有部件都為斷路器的長(zhǎng)期運(yùn)行及超快速的保護(hù)做了專門的優(yōu)化，可以在不增加回路電感的情況下進(jìn)行超快速的短路檢測(cè)和保護(hù)，具有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可最大限度的利用可用空間，允許斷路器之間直接通信進(jìn)行超快速的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。由于這項(xiàng)技術(shù)較為前沿，目前還在少量生產(chǎn)階段，進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)逐步降低生產(chǎn)成本，隨著產(chǎn)量的提高，成本將會(huì)進(jìn)一步降低。

3.3  研究趨勢(shì)與展望

目前，由于輕型直流輸電網(wǎng)絡(luò)中的電力電子設(shè)備應(yīng)用的較多，機(jī)械式斷路器已無(wú)法滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)、靈活、快速的要求，從保護(hù)的實(shí)時(shí)性和安全性等多方面的對(duì)比和衡量，固態(tài)斷路器比機(jī)械式更具有優(yōu)勢(shì)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)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(fā)達(dá)國(guó)家均掀起了一股新能源技術(shù)的研發(fā)熱潮。與此同時(shí)，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電（含海上風(fēng)力發(fā)電）、太陽(yáng)能發(fā)電等呈現(xiàn)的跳躍式發(fā)展，也為固態(tài)直流斷路器的應(yīng)用提供了廣闊前景。

鑒于此，賽晶科技船用固態(tài)直流斷路器不但完成了1500V/500A~3000A的全系列產(chǎn)品研發(fā)，還取得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，新客戶、新訂單不斷涌現(xiàn)。在完成5kA的平臺(tái)B產(chǎn)品研發(fā)后，賽晶科技將會(huì)進(jìn)一步完善并優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展適配不同功率等級(jí)、不同拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，有計(jì)劃地分批將船用固態(tài)直流斷路器的生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)移到國(guó)內(nèi)，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。下一步將會(huì)在電壓等級(jí)上進(jìn)行提高，適配3kV、6kV及更高等級(jí)直流系統(tǒng)。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，賽晶科技將嘗試將寬禁帶半導(dǎo)體（如SiC）引入產(chǎn)品。

4  結(jié)束語(yǔ)

隨著《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》的正式發(fā)布，我國(guó)的“雙碳”戰(zhàn)略有序推進(jìn)，降低碳排放的步伐持續(xù)加快?！笆奈濉币?guī)劃中以優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、推廣節(jié)能低碳型交通工具為代表的低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)相關(guān)政策的頒發(fā)，對(duì)持續(xù)降低運(yùn)輸能耗和二氧化碳排放強(qiáng)度提出了更高要求。運(yùn)輸業(yè)新能源和清潔能源的常態(tài)化建設(shè)，將會(huì)使電力電子技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，固態(tài)直流斷路器在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)也將進(jìn)一步凸顯。

以賽晶科技為代表的創(chuàng)新型高新技企業(yè)積極響應(yīng)節(jié)能減排號(hào)召，大力發(fā)展綠色、創(chuàng)新為主導(dǎo)的固態(tài)直流斷路器新技術(shù)，在努力兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型同步提升的同時(shí)，全方位提高企業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”工作貢獻(xiàn)一份力量。