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推開集團研發中心的大門-電力電子

ABB集團研發中心的介紹,已進入第四期連載。在陸續分享先進材料、電磁學、傳感器等研究領域之後,本季來到能源轉換的關鍵技術──電力電子。電力電子的應用早已走入你我的生活,從筆記型電腦的變壓器、手機充電器到日常家電,都有其影子。不只民生應用,在工業領域,電力電子更是現代基礎建設的核心技術。

ABB於全球有七個集團研發中心(Corporate Research Center, CRC),專注於中長期技術研究,也針對特定產業需求與事業單位合作。CRC的九大核心技術領域分別為通訊(communication)、控制(control)、電磁學(electromagnetics)、材料(material)、機械(mechanics)、電力電子(power electronics)、傳感器(sensors)、軟體(software)及開關技術(switching)。接續上期以傳感器為技術開發核心的量測實驗室,「電力電子實驗室」是本季的焦點。

 

電能轉換,提升能效

從第一次刊載《推開集團研發中心的大門》開始,我們探討著關於「電」的基礎科學。對現代人而言,電幾乎是像空氣一樣重要的存在。多數人或許熟知,在自然界中產生的電多半是直流電,而我們日常所使用的電是由發電廠所產生的交流電。顧名思義,直流電與交流電之間有電能轉換的需求,發電廠與家戶之間有電能傳輸的必要,轉換與傳輸過程中則有效率損失的問題。以上種種,即是電力電子學的研究範疇。換言之,電力電子實驗室的重要任務在於發掘更有效率的電能轉換、電能儲存、電力傳輸、馬達驅動、功因修正等技術對策。

ABB電力電子實驗室負責人Waqas Arshad表示:「電力電子是一門涵蓋多項學科的整合性技術,諸如功率半導體元件、微電子、自動控制、電磁干擾等。電力電子是國防、航太、運輸、能源、自動化等基礎建設科技的核心。」從實際的例子來看,無論是馬達與變頻器組成的節能驅動系統,還是屋上型的太陽能電力轉換系統,亦或是電動車充電站,電力電子技術的研究對ABB產品的核心競爭力皆有極大的影響。

高壓直流輸電應用

當年挪威國家石油公司(Statoil)向ABB提出,希望尋求一種兼顧環境友善與經濟效益的海上天然氣平台電氣化方案,藉以取代傳統燃氣渦輪機,並應用於Troll A專案。在現有產品無法滿足的情況下,ABB在瑞典電力電子實驗室的科學家們遂介入開發,不斷地在既有技術中尋找新的想法與應用,於是有HVDC Light的問世。HVDC Light透過高壓直流傳輸技術,降低電能耗損,將海上平台所需要的電力藉由海底電纜傳輸至海上平台,實現岸上供電。此外,奠基於電壓源換流器(Voltage Sourced Converter, VSC)技術的HVDC Light,還可用於連接離岸風電場與陸上電網,或連接跨國跨境的異步交流電網。

2002年,ABB榮獲海上天然氣鑽井平台Troll A第一期和第二期專案委託,2005年以HVDC Light技術實現岸上供電,交付商轉。近期Troll A第三期與第四期專案也逐步完成,同樣是採用ABB的HVDC Light技術,輔以抗水下壓力、抗鹽分腐蝕的海底電纜,達成高效率的岸上供電。Waqas Arshad補充:「這是第一次ABB將HVDC Light換流器加入變頻器與諧波濾波器功能,並將此多功能的換流器應用於海上平台。」

為保持ABB於全球的技術領先地位,過去二十多年來,電力電子實驗室持續為HVDC Light進行技術突破。在提高輸電容量與降低電能耗損的同時,維持高可靠度,期間也參與多項專案的特殊規格開發,如Estlink專案中的濾波功能,以及連接挪威水力與丹麥風電的Skagerrak 4專案中的失效處理機制設計等。時至今日,全球24件專案中,有18件採用了ABB HVDC Light技術。

二十多年來,ABB持續為HVDC Light進行技術突破。時至今日,全球24件專案中,有18件採用了ABB HVDC Light技術
電力電子實驗室的科學家,協助ABB在瑞士的半導體製造廠發展新式絕緣閘雙極電晶體(IGBT)

功率半導體IGBT應用

電力電子實驗室的科學家,協助ABB在瑞士的半導體製造廠發展新式絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),即俗稱的功率半導體IGBT。其中,名為StakPak的IGBT模組由數十個電晶體串連而成,以提高系統的備援能力。當一個模組發生故障時,不會波及到整個系統,剩餘模組仍可維持負載電流運作長達二到三年,直到表定歲修。Waqas Arshad說明:「如果沒有這樣的備援設計,則需要更複雜的換流器拓撲結構。StakPak讓高壓直流換流器更簡單、更堅固可靠、更易於生產。」

除了高壓直流輸電技術的應用外,電力電子在電力系統的開關技術中亦扮演極為重要的角色。IGBT之於開關技術,則必定要提到2012年ABB發表世界上第一台混合式高壓直流斷路器(hybrid HVDC breaker)的劃時代成就。該斷路器可在五毫秒內阻斷一座核電廠的輸出電流,速度之快相當於蜜蜂振翅一次;電流之大相當於一百萬歐洲人的用電量。混合式高壓直流斷路器是結合機械與電力電子的百年來技術突破。

跨界研發,向預知未來挑戰

隨著科技進步,市場對電力電子技術的應用條件愈加嚴苛。如何在高壓、高頻、高溫的環境條件下,維持穩定且高效的電能轉換與傳輸,是電力電子技術的重大挑戰之一。目前普遍應用於電力電子領域的矽,有著無法在高壓環境中保持高效運作的物理限制,因此新材料如碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)的應用發展倍受期待。早在2001年,ABB瑞典的研發團隊就已觸及碳化矽做為半導體應用的研究了。今日,ABB電力電子實驗室與先進材料實驗室攜手跨界合作,以太陽能逆變器與牽引變壓器為切入點,開展新興材料於電力電子的新火花。

Waqas Arshad說:「我們總是向自己的極限挑戰,傾力探索未知的領域。用謙卑與不輕易放棄,磨亮這雙預知未來的雙眼。」

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