低损耗高压直流(HVDC)输电系统是未来脱碳发电与配电战略的关键组成部分。基于传统晶闸管的电网换相换流器(LCC)已在HVDC系统中得到广泛应用;然而，这类器件的使用可能使系统更容易发生换相失败。本文概述了HVDC系统受端采用混合LCC(Hybrid-LCC)换流器的概念，该换流器利用集成门极换流晶闸管(IGCT)来增强系统鲁棒性，同时兼具其他性能和成本优势。

HVDC输电

让我们来看看中国近年来在发电和输电方面取得的进步。中国是全球最大的电力生产国和消费国之一，在可再生能源发电方面取得了显著进展。在资源丰富的西部地区，大规模光伏和水力发电设施已成功部署。

然而，最大的负荷中心位于东部沿海地区，那里大城市人口密度高。因此，多种可再生能源需要跨越数千公里进行传输。HVDC是最优选择，因为它能最大限度减少能量损耗，并提供更优的潮流控制能力。迄今为止，中国已建成超过30个HVDC项目，总容量超过120 GW。此外，新的HVDC输电项目正在加速推进，预计到2030年还将有30多个新项目计划开工建设。

LCC受端换流器的换相失败(CF)问题

LCC因其大容量、低损耗和高可靠性，在HVDC线路受端得到广泛应用。在这类换流器中，晶闸管依赖交流线路电压提供换相电压，以实现电流从一个阀臂向另一个阀臂的转移，即器件的关断取决于交流电压。

晶闸管的触发序列基于最小熄弧角Ɣ，该角度确保从导通状态转向关断状态的器件有足够的反向恢复时间，并能在交流电压极性反转时阻断电压。然而，薄弱的交流电网或交流侧故障可能会扰乱这一熄弧裕度，如图1所示。

图1

反向恢复时间不足可能使晶闸管无法达到阻断状态而重新导通。结果可能导致同一桥臂中的两个阀同时导通，在交流侧形成短路。

这会导致直流电流急剧上升、直流电压下降，有功功率传输暂时中断。受端电网可能出现无功功率不平衡、谐波失真和电压不稳定等问题。重复故障会增加系统元件的应力和可靠性风险。

减少LCC换相失败的努力可包括增加辅助电路和控制优化，但这往往会增加成本和复杂度。也可采用使用IGBT的电压源换流器(VSC)，但代价是更高的损耗和系统总成本增加，尤其是在需要改造现有基于LCC的系统时，成本上升更为明显。

IGCT

IGCT源于20世纪90年代中期的门极可关断(GTO)晶闸管。其基本截面结构如图2所示。在IGCT中，置于n基区与p发射极之间的n缓冲层降低了通态压降。与GTO相比，IGCT采用将门极驱动与功率器件单片集成的低电感设计，有助于缩短关断时间(至<10 µs)并提高dV/dt耐受能力(门极驱动器件>4kV/µs)。这类电流控制型器件是诸多大功率变流应用的理想选择，如中压驱动、可再生能源变换器和电网用断路器。

图2

过去十年的关键技术进步带来了多项性能提升，例如：反向阻断能力(例如通过使器件层结构对称，见图2)超过8 kV，电流阻断能力超过5 kA;在150 mm硅晶圆上制造的单片IGCT具有大直径;集成续流二极管实现反向导通功能;以及气密型压接式封装的多项改进，以适应更高功率和温度。

与IGBT相比，IGCT的一些关键优势包括：

- IGCT具有显著更低的通态压降和更强的电导调制效应，因此导通损耗更低。更高密度的载流子等离子体区允许更高的浪涌电流导通。

- 双向耐压能力是电流源换流器的关键，且已证明反向阻断IGCT在电压和电流额定值方面均优于基于IGBT的方案(见图3右下)。

- IGCT的反向恢复特性与晶闸管相似。在串联连接的器件中更容易实现均压。

采用IGCT的混合LCC系统

中国清华大学团队展示了一种混合LCC系统[2]，该系统将每个桥臂中的部分晶闸管替换为IGCT，从而能以经济高效的方式使现有LCC系统具备抗换相失败能力。

H-LCC的原理图如图3所示。在发生换相失败时，一旦检测到本应关断的IGCT电流未降低反而异常增大，便主动关断这些IGCT。这样，故障电流可以被主动切断并换流至另一桥臂。

图3

目标是为HVDC项目制造具备超过8 kV反向阻断能力(低漏电流)和8 kA关断能力的IGCT。器件开发的部分亮点包括：

- 采用更厚、电阻率更低的N基区(厚度>1200 µm，电阻率约<1e13/cm³)，实现了超过8 kV的阻断电压，且在8 kV下漏电流仅为140 mA。更高的额定值允许在HVDC项目中减少串联/并联器件的数量。

- 采用了隔离型P发射极。参考图1，这涉及在P+发射极阳极上方使用P-层。与未隔离的P+发射极横向相邻的P-隔离区连接至该P-层。这形成了两条并联路径，从而解耦了高注入导通状态和低注入阻断状态的不同要求[3]。隔离比(即隔离阳极路径面积占总阳极路径面积的比例)为0.1时，可在不影响通态压降的情况下将正向关断态漏电流降低50%以上。

- 浅结、高掺杂的P+发射极(约15-20 µm，掺杂浓度1×10¹⁹/cm³)实现了更低的通态压降，同时……

该设计使得开发出8 kV双向阻断、4 kA导通、8 kA关断能力的IGCT成为可能，其在5 kA下的正向压降为2.2 V。

拓扑改进包括：在每个有源器件旁并联独立的金属氧化物压敏电阻(MOV)钳位器件，而非在串联器件间共享。这有利于串联均压，且对单个器件参数的差异具有容忍度。采用了基于电流上升率和定时关断机制的超快主动关断策略。该方法可确保在换相失败条件下实现可靠关断。

成果与应用

采用该H-LCC进行的测试表明，稳态无功功率需求降低了20%，故障期间(由换相失败下的电流尖峰产生)的过剩功率降低了60%。换相失败期间的谐波降低了40%。

换相失败事件期间的功率波动得到减小，实现了更平稳的故障穿越。这证明了与标准LCC相比，在正常工作和故障条件下均具有优势。与LCC相比，H-LCC阀在满功率下的阀损耗比降低了15%~20%，从而节省了系统成本。

一台120 kV的HCC换流器已于2025年12月在中国灵宝换流站投运。它成功通过了人工短路和换相失败测试，并验证了直流系统故障恢复时间缩短了35 ms。