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          国家核心期刊《船舶工程》报道赛晶船用固态直流断路器

           

          引言


          国家核心期刊《船舶工程》刊登专题文章《某型船用固态直流断路器技术应用》,介绍了国内外船用直流断路器的工作原理和发展现状。该文以赛晶船用固态直流断路器为研究对象,阐明了在该领域前沿技术创新和探索中,赛晶取得的出色成果;例举了赛晶产品的技术特点和优势,以及国际市场中取得的实用业绩。



           

           

          文章具体内容如下:


          在交通运输设备发展的初期,其电力系统多采用直流高速的空气断路器,一般通过拉长触头间电弧的长度来提高电弧电压,从而把电流限制到零。但这种原理不可避免地存在着触头与灭弧栅的损耗,需要频繁地进行维修,且产品难以小型化。随着科技的不断进步,电力电子器件技术飞速发展,一系列先进的固态直流断路器应运而生。

          本文以赛晶科技集团有限公司(简称“赛晶科技”)研发的固态船舶直流断路器为主要研究对象,对不同型号的固态直流断路器展开介绍,通过分析其研究现状与市场应用,进一步掌握固态直流断路器的前沿技术,为船用电力电子领域的研发提供参考。

           

          1  国内外研究现状

          国外对固态直流断路器的研究比较早。在1987年,美国Texas大学的William Kernaghan研制出1台采用GTO作为主开关的200V/15A的固态直流断路器。在1999年时,JEFFFREY等对直流固态开关在配电系统中的分布、应用和成本等多方面做了详细的阐述并列举了DTI的工程应用。随后Houston大学研制出一台500V电压等级的固态直流断路器样机;2003年,美国电力电子系统研究中心(Centre for Power Electronics Systems,CPES)的研究人员申请了采用硬关断器件ETO做固态直流断路器的发明专利,并在2005年成功研制出了1.5kA/2.5kV和4kA/4.5kV的样机,并通过了测试。

          国内对固态直流断路器的研究则起步比较晚,对固态直流断路器的研究集中在一些特殊的领域且电压等级都比较低,如:在航天领域的电压等级为120V,在航空领域为270V,舰船上为1500V,国内的海军工程大学正在对固态断路器在舰艇上的应用进行研究,其研究的是低压、大电流,侧重于限流研究,采用IGBT为开关器件和自关断技术,应用场合受到限制。虽然国内中国工程物理研究所曾经研制出20kV可控硅固态开关,但是其侧重于研究SCR的串联技术,未做过断路器方面的测试且电流在1A以下。

          现阶段,我国主要集中于拓扑结构的研究,基本处于样机试制和验证阶段,样机的容量较小而且集中在一些特殊的领域;国外对功率器件自身和拓扑结构都有研究,军事、民用并举,而且应用到了具体的工程实践之中。与国外相比,国内还有一定的差距亟需追赶。在社会经济的发展下,世界各个国家也纷纷加入新能源发电的队伍中,固态直流断路器必然能够得到更为广泛的应用。


          2  固态直流断路器基本原理

          固态直流断路器(DC SSCB)以半控型(如SCR)或全控型(如IGBT、MOSFET、IGCT等)电力电子器件作为主控开关器件,同时搭配控制电路和缓冲吸能电路等完成电流快速开断功能;开断过程无电弧产生、动作速度快、电寿命长,可以更好地满足直流系统快速、可靠保护的需求。由此,为了提升系统运行的安全性,综合特性更优的固态直流断路器被广泛应用于电力电子领域。


          2.1  电气原理

          以赛晶科技研发的额定电压1000V、额定电流3000A、绝缘电压6kV、关断时间≤9μs的固态直流断路器为例,其具体参数见表1。

           

           

          表1  赛晶科技固态直流断路器主要参数

           

           

          该型固态直流断路器原理拓扑见图1,包含了IGBT功率模块、二极管模块、过压吸收电路模块、平衡开关和控制模块。固态直流断路器利用内置的电压检测单元,可以在一定范围内测量电压,若发现断路器两侧的压差过大,断路器内部会首先将两侧电压调整平衡,然后才可以将主回路开关闭合,否则低电压侧的支撑电容充电可能造成断路器的短时过流现象。

           

          图1  固态直流断路器原理拓扑图

           

          增强型拓扑在IGBT模块外置了大功率二极管形成桥式双向电路供电流双向流通,从而使增强型拓扑的可靠性和通流能力大大提高。

          控制模块提供固态直流断路器的控制电源接口和通信接口,包括:故障状态反馈、主控器输入控制信号和与其他功率开关之间的通信接口。通信接口可以为光信号或电信号,通信协议可以为MODBUS-TCP、TCP/IP或其他定制协议。


          2.2  技术特点

          该型固态直流断路器因具有微秒级断开时间、循环水冷、获DNV认证、内部自检能力强和可满足不同类型的系统接口等优势,被广泛应用于船舶直流配电系统中的两段母线联络开关和负载馈电开关。技术特点如下:

          1)无触点开断直流短路电流

          采用全控型大功率 IGBT器件特性关断直流电流,无需产生强迫电流过零的反电压回路或消弧电路,断开时不会产生电弧。开断时间达到了微秒级,极大地限制了故障电流的发展,使故障电流难以达到损坏器件的能量等级,把故障对系统的影响降至最低。

          2)具备双向直流流动工作模式

          采用了大功率二极管拓扑,使得作为两段电源间联络开关的固态直流断路器,实现额定电流范围内两个电源的快速互为备用。

          3)具备平衡开通能力

          拓扑中带专用平衡开关,在接通两端电源前使固态直流断路器两端的电压平衡,消除了开通过程中的涌流冲击。

          4)自带检测和保护控制系统

          固态直流断路器自带电压和电流检测单元,不需要外部控制或检测。自带的控制器可以根据预先设定的电流时间曲线动作,这种性能可以使不同客户根据各自系统的需求进行不同的保护设置。

          5)高安全性

          采用ABB的Hipak系列高可靠性IGBT模块,最坏故障情况下保证装置开路,保证电源的切除。

           

          3  典型固态直流断路器技术

          船舶推进系统经历了柴油机直驱、交流组网全电驱动和直流组网全电驱动的发展过程。直流断路器在船用直流组网系统中作为一个重要的保护部件而备受重视,赛晶科技在多年累积的大功率开关设计和应用经验的基础上开发出专用于船舶领域的固态直流断路器。


          3.1  产品技术优势

          目前,赛晶科技已有基于平台A的1.5kV/500A、1.25kA、3kA的产品,已通过挪威船级社(DNV)认证,且正在研发基于平台B的1.5kV/4kA和5kA型号的产品。平台B产品具有与平台A产品不同的结构设计,具有更高的电流等级。具体外形见图2。

           

          图2  赛晶科技产品

           

          平台A产品为紧凑型设计,每个电流等级分别具有不同的外形尺寸,更适用于对体积要求较高的场合,根据对不同电流等级的需求选择合适的尺寸,达到空间的最优利用。平台B产品为模块化设计,整体成柜,不需要为断路器额外配备单独的柜体。最大电流等级可达5kA,凭借其模块化的设计,可以允许系统集成商增加冗余,也可以根据需求搭配不同的模块将断路器变为双极应用。具体技术优势如下:

          1)专用于海运业,内部所有部件均采用超快速、易集成的设计。为使断路器具有更好的性能,所有部件都为断路器的长期运行进行了专门优化。

          2)拥有超快速的短路检测和关断速度,内部半导体器件直接连接到接线端,通过超快速的di/dt检测,能够在不增加电网电感的情况下快速动作。

          3)拥有紧凑的结构设计,专用于船舶应用的紧凑化设计可以最大限度的利用可用空间,便于系统集成。具有模块化的结构设计,可在标准版本的基础上根据客户的实际需求增减部分功能。

          4)设计有专用于断路器的系统控制器及驱动器,可在额定范围内自主配置固态断路器的保护曲线。

          5)多台固态断路器之间可通过光纤通信,能够自主识别并隔离故障区域。

          6)相比其他竞争产品,体积小是赛晶固态直流断路器的最大优点。


          3.2  市场应用

          作为业内技术领先并深具影响力的电力电子器件供应商和系统集成商,赛晶科技的子公司遍布北京、浙江嘉善、江苏无锡、湖北武汉,以及欧洲的瑞士和德国等地。多年来,赛晶科技的固态开关技术一直居于行业领先地位,已有多个产品应用于中国、荷兰、土耳其、韩国和挪威的多个项目,曾在中国高速磁悬浮推进列车、欧洲粒子研究中心(CERN)大型强子对撞机升级、英国智能电网科技示范和苏黎世联邦理工学院(ETH)高压实验室等众多前沿科研项目中取得出色成绩。

          船用固态直流断路器是赛晶科技位于瑞士的子公司 - Astrol Electronic AG (简称“Astrol”)的拳头产品之一,在船舶领域具有世界领先的技术水平和行业地位。自2019年10月通过挪威船级社(DNV)认证后,Astrol的技术和产品迅速获得欧洲船舶客户认可。2020年3月,Astrol赢得首个订单,包含4台平台A系列1kV/1.25kA型号产品,用于海上风电安装船;2020年11月,Astrol正式成为西门子工业数字化公司在船舶领域的Qualified Supplier;2021年2月,Astrol向欧洲船舶客户交付了平台A系列1500V/500A型号产品。2021年8月,Astrol平台A系列1.5kV/3kA型号产品,获得欧洲客户订单,用于新型混合动力船。此外,赛晶科技也已经在国内的船舶领域开展了技术推广。

          由于船用直流配电还未得到大范围的应用,目前的固态船用直流断路器市场正处于发展阶段,市面上同类产品较少,部分厂家将通用变流器改造为固态直流断路器来使用,相比较而言,赛晶科技的固态直流断路器的设计专用于船舶,内部所有部件都为断路器的长期运行及超快速的保护做了专门的优化,可以在不增加回路电感的情况下进行超快速的短路检测和保护,具有紧凑的结构设计,可最大限度的利用可用空间,允许断路器之间直接通信进行超快速的协调联动。由于这项技术较为前沿,目前还在少量生产阶段,进一步的优化设计会逐步降低生产成本,随着产量的提高,成本将会进一步降低。


          3.3  研究趋势与展望

          目前,由于轻型直流输电网络中的电力电子设备应用的较多,机械式断路器已无法满足电力系统实时、灵活、快速的要求,从保护的实时性和安全性等多方面的对比和衡量,固态断路器比机械式更具有优势。随着社会经济的发展,对煤和石油等一次性不可再生能源的需求量日益增加,欧美等发达国家均掀起了一股新能源技术的研发热潮。与此同时,我国的风力发电(含海上风力发电)、太阳能发电等呈现的跳跃式发展,也为固态直流断路器的应用提供了广阔前景。

          鉴于此,赛晶科技船用固态直流断路器不但完成了1500V/500A~3000A的全系列产品研发,还取得了市场的广泛认可,新客户、新订单不断涌现。在完成5kA的平台B产品研发后,赛晶科技将会进一步完善并优化现有产品,在现有技术的基础上拓展适配不同功率等级、不同拓扑的标准产品,有计划地分批将船用固态直流断路器的生产制造转移到国内,进一步降低生产成本。下一步将会在电压等级上进行提高,适配3kV、6kV及更高等级直流系统。随着功率半导体技术的发展,赛晶科技将尝试将宽禁带半导体(如SiC)引入产品。


          4  结束语

          随着《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》的正式发布,我国的“双碳”战略有序推进,降低碳排放的步伐持续加快。“十四五”规划中以优化交通运输结构、推广节能低碳型交通工具为代表的低碳交通运输体系建设相关政策的颁发,对持续降低运输能耗和二氧化碳排放强度提出了更高要求。运输业新能源和清洁能源的常态化建设,将会使电力电子技术得到长足发展,固态直流断路器在技术和经济上的优势也将进一步凸显。

          以赛晶科技为代表的创新型高新技企业积极响应节能减排号召,大力发展绿色、创新为主导的固态直流断路器新技术,在努力兼顾经济发展和绿色转型同步提升的同时,全方位提高企业全球竞争力,为我国“碳达峰、碳中和”工作贡献一份力量。

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