TI 芯科技赋能中国新基建之特高压:西电东输大动脉畅通的背后

2021 年秋冬的“限电”让人们猝不及防,重拾久远的停电点蜡烛记忆的同时,开始重新审视电这项资源。事实上,“缺电”一直存在,我国国土辽阔,而传统及新能源的资源端和用电需求端在地理上又分处西东,就像南水北调一样,需要西电东输。因此满足大规模、远距离、高效率的电力输送方式——特高压曾是中国旧基建的代表之一。

顾名思义,特高压就是特别高的电压,指 ±800 千伏及以上的直流电和 1000 千伏及以上的交流电。对于特高压,人们除了能看到穿梭于天际的架空线之外,对其了解少之又少。然而 2019 年,在发展清洁能源的双碳背景之下ß,特高压又被赋予了新基建的属性,重新担负起了“国家顶梁柱”的战略使命,成为关注的热点。

根据赛迪数据,2020 年我国特高压产业及其产业链上下游相关配套环节所带动的总投资规模超 3000 亿元,其中特高压产业投资规模近 1000 亿元,带动社会投资超 2000 亿元。到 2022 年,中国特高压产业及其产业链上下游相关配套环节所带动的总投资规模将达到 4140 亿元;到 2025 年,特高压产业与其带动产业整体投资规模将达 5870 亿元。这些数字表明,特高压已日益成为从民生到生产中不可或缺的基础设施。

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来源:国家电网

特高压的“特”

电力系统包括了“发输变配用”五大部分,而特高压则主要是“输变”两部分,其中换流站与变电站是核心,电气设备约占到总投资的一半以上,从转换、保护、控制、检测等各方面实现特高压的优势。无论是直流的换流阀、直流控制保护设备,还是交流的GIS、变压器,都离不开集成电路。

复杂的电力系统,从零组件、板级系统到设备,都有一些特殊要求,以确保转换、测量、控制和保护等过程。可靠性是电力系统最基本也是最重要的要求,一旦发生故障就会影响人们的生产生活;其次则是实时性要求,电压电流每时每刻都在变化,必须实时调节以保证稳定性;再次是高效性,因为整个输电环节涉及到大量的功率转换,需要降低损耗;第四是抗干扰,电力系统的复杂环境会产生大量的电磁噪声。因此,高效性、可靠性、实时性和抗干扰这四点是电力系统设计最难的地方,而特高压由于系统的特殊性,对此的要求也更高。

此外,虽然中国目前在特高压技术上遥遥领先,但每一项工程都会有新要求,需要不断创新,去尝试探索新技术。同时,伴随着特高压系统复杂度不断升高,集成化、智能化的需求已经贯穿至每一个子系统中。而芯片则是实现这些创新的一个载体。什么样的芯片可以解决特高压系统中的诸多挑战?

高可靠性、实时性

高可靠性其实就是要降低故障率,对输电系统进行控制与保护,必须要有完善的监控能力。这自然离不开连接模拟和数字域桥梁的信号链,其中将电压、电流等参数感知、搜集、转换并传递至系统的 ADC 至关重要。对于电力系统来说,通常有三相电压、三相电流及中心线的电压、电流,这些信号之间存在相位关系,因此除了要采集到幅度信息之外,还必须能够实时且准确地采集到相位关系,系统才可以执行保护和控制。此外,电力系统里的信号尤其是电流信号的动态范围非常宽,而且对信号采集的精度要求非常高,这样才能准确定位故障发生点。

ADS8588S 和 ADS8686 等即是 TI 专门为电力系统设计的 16 位 ADC,具有多通道、同步采样、高精度及高准确度,宽动态范围达 90dB,可以快速发现短路或断路故障。这两款 ADC 集成了放大器,并且内部具有精密校准电路,无需额外的信号链整合或校准工作,在和 CPU 的接口处还集成了纠错机制,通过监测机制以确保传输至处理系统的通信过程可靠。也就是说,从模拟域到数字域再到接口,TI 的 ADC 产品都具高可靠性。

灵活且强大的处理器是电网可靠性和实时性的基础保障,就好像大脑对事物的实时反应能力一样。TI 提供各种处理器,包括 Arm、DSP 的强大内核组合,可灵活应对包括保护继电器、变电站以太网交换机、变电站网关和变电站控制器 (RTU) 等诸多能源相关应用。同时,针对不同变电站架构,无论是通过以太网交换机还是网关来进行数据分类和过滤,TI 的嵌入式处理器都可以轻松应对。

事实上整个系统的可靠性是通过实现系统的芯片和方案来体现的,值得一提的是,TI 的所有电网类应用产品在生产和测试环节,都通过了专业和严苛的品质管理流程,从而确保产品高度可靠。并且在全温度范围内,温漂都非常低,十分适合复杂的电网环境。

高效、抗干扰、高集成度

电力系统的高效性即指转换效率,从换流阀到输电站的各种设备,都离不开电源转换,一个个功率管将电力源源不绝地转换并传递。而电源转换所需无论是 IGBT 还是 SiC,都需要高效可靠的驱动来控制这些核心部件。

由于缺乏高集成度的芯片,传统上 IGBT 驱动都是用模块来实现,成本高昂。而 TI 最新推出的 UCC5870-Q1 是一个隔离的、可配置单通道门级驱动器,内部集成的 ADC 可以支持多种模拟输入监控,同时还集成温度控制和其他保护功能,支持 SPI 接口配置,从而实现比较高效的转换和检测的功能,适用于任何 SiC 或者 IGBT。这样客户就可以用一个单片取代之前可能通过两个模块才能实现的功能,从而得以简化驱动系统的设计,并大幅降低成本。

器件的电磁特性是电力系统非常关注的,既要减少器件向外产生的辐射,也要抵御来自外部的干扰。TI 的很多器件比如运放内部集成了滤波器,在外部强电磁干扰下仍然能够保持高精度的信号处理。隔离技术也是重要的抗干扰方式,TI 是最早做电容隔离的厂商之一,在抗干扰能力方面比传统的光耦、磁耦及其他竞争对手的电容隔离要优越很多。如上述的 UCC5870-Q1,采用二氧化硅隔离技术,实现了高达 150kV/ns 的 dv/dt,远超竞争对手。

以客户为导向的产品开发思路

随着特高压技术的进一步发展,包括柔性直流输电等在内的一系列先进技术正在快速发展,从控制、驱动、保护到整个系统的运算和要求更高。对芯片公司来说这意味着机会更多,但同时要求也更高。我们看到,为了应对日益复杂的特高压电网系统,TI 产品不断加速迭代,给市场提供高可靠性、高集成度的产品,以简化客户的应用。

而且为了进一步加速客户创意落地,TI 在全球设置了系统开发团队,很多成员都是特高压技术方面的专家,结合 TI 的产品专家一起,为客户深度开发出模块式的参考设计和技术方案。客户只需进行简单的差异化修改即可。经过在特高压领域的多年深耕,TI 和中国主要电力客户都建立了深入的合作伙伴关系。

早在 2008 年,德州仪器与四方继保建立数模信号联合实验室;2010 年,中国电科院与德州仪器合作建立联合实验室正式揭牌。今年是 TI 中国成立 36 周年,也恰逢新基建的项目开始加速落地。作为全球主要的芯片供应商,TI 提供了包括 IGBT 的栅极驱动、用于控制/保护算法处理的 DSP、基于 ARM 的标准通信协议处理器以及用于测量电压和电流的高精度信号链等完整的一站式服务,从而满足特高压领域二次设备和一次设备相关的一系列要求。

尽管电力是一个看不见摸不着的产品,但通过一颗颗芯片,点亮了万家灯火,也点亮了你我。

关键字:   编辑:王兆楠 引用地址:

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