当提到“晶体管”一词时，许多人通常会想到硅芯片上大量存在的小型开关。贝尔实验室研究员威廉·肖克利于1947年发明了这种类型的半导体器件，戈登.摩尔则认识到了尺寸、成本和性能同时改进的趋势。然而，对电源工程师来说，“晶体管”这个词会让人联想到坚固的开关而不是小型化。巴利加先生1948年出生于金奈，他不仅仅将半导体物理原理应用于计算，还应用于电流调节。1980年，他在美国公司通用电气任职期间，成功申请了一种正在悄然改变世界的新型半导体专利:绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
IGBT与其他晶体管一样，是电子控制的开关。它们能够对高电压和大电流进行精确的电子调节，从而在全世界内带来各种改进。Baliga先生对IGBT在内燃机中的应用感到特别自豪。他在汽车点火系统中使用IGBT，致使汽车的效率提高了10%，导致1990年至2020年汽油需求显着减少420亿桶。而这项发明为解决气候问题，同样也做出了巨大贡献。
在电网中使用交流电(AC)可带来诸多好处。然而，当涉及到长距离传输大量电力时，交流电有其局限性。为了补偿传输过程中产生的磁场造成的损耗，长距离交流线路需要定期设置升压站。相比之下，长距离直流(DC)线路不会遇到此类损耗。这一优势促使19世纪末和20世纪初欧洲各地对直流线路进行了广泛的实验。不幸的是，事实上该技术极其繁琐且不可靠，导致交流电网维持了至今的主导地位。尽管如此，直流连接在一些特定的应用中依旧存在，等待着其他大放光彩的机会。
20世纪下半叶从真空管到半导体的转变涉及各种功能的替换，包括交流电到直流电的转换。尽管半导体带来了进步，但它们仍遇到了一些挑战。其中一项挑战是必须利用交流电网的全部电力来启动高压直流(HVDC)线年代，当中国建设高压直流输电线路，将太阳能和风电从北部和西部地区输送到东部沿海地区时，需要在沿线建设燃煤电厂，以方便其初期运行。
利用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功能成功克服了这些挑战。此外，它还增强了切换操作的灵活性，用更少的物理空间简化了转换过程。事实上，这一优势非常显著。据西门子能源公司董事会成员Holt先生介绍，目前销售的高压直流(HVDC)系统中约99%都是基于IGBT。此外，这项技术的吸引力正在扩大整个市场。高压直流输电不仅用于将遥远的发电站连接到现有电网，如中国和几个拥有大量偏远水坝的发展中国家所见。它还能够最终靠在网格的不同部分之间建立连接来缓解网格拥塞。此外，它可以将电网互连起来，否则这些电网将无法联合成一个交流（AC）系统。
当观察IGBT的运作情况时，它们的性能在半导体领域确实很出色。在位于苏格兰阿伯丁郡的BlackhillockHVDC换流站的中央大厅，这些IGBT悬挂在天花板上。它们与其他部件互连，形成与冷却通道交织在一起的大量金属结构。在Blackhillock运行期间，严格禁止进入大厅，因为如果接触流经这些阀门的巨大电压，可能会对人类生命造成重大危险。
如果阀门类似于服务器机架和大型发动机的混合体，那么它们的外观并不完全具有误导性；这是电流和计算发生的结合点。这些阀门由日立能源公司使用专业制造商的IGBT生产，并采用电容器作为核心部件。这些电容器可在短时间内存储少量电荷。IGBT以将交流(AC)输入转换为稳定直流(DC)输出的方式控制充电和放电过程。此外，它们还可以反向运行，对电容器进行充电和放电，将输入的直流电转换为交流电。
布莱克希尔洛克是高压直流输电线路的南端终点站，高压直流输电线路从马里湾下方延伸至苏格兰北部地区的凯斯内斯。整个凯斯内斯风电场的扩建已经超出了当地电网的容纳能力。为维持电网稳定，某些风电场在大风天会被关闭，风电场的所有者将获得未售出电力的补偿。2021年，苏格兰的限电费用达到3.82亿英镑。凯斯内斯-莫里线路为将电力输送到南方提供了一条新的途径，减少了限电规模并减轻了电网的压力。
在同步交流(AC)电网上的两点之间建立连接正在成为一种日益流行的缓解电网压力的方法，而无需大规模扩展交流电容量。这些互连不仅有利于电网运营商，更有助于消费者。在2020年Alegro互连线竣工之前，除非经过荷兰或法国北部，电网拥堵常常阻碍将德国生产的最便宜的电力输送到比利时，直接互连导致两个市场的电价下降。目前，欧洲各地正在实施许多类似的缓解拥堵举措。
HVDC技术的另一个应用是连接独立电网，而这些电网无法轻松集成到更大的同步系统中。北海线路就是一个例子，这是一条从挪威西海岸的克维尔达尔延伸到英格兰东海岸的布莱斯的高压直流电缆。该电缆可实现挪威电网运营商Statnett和英国国家电网之间的电力传输。该电缆全长720公里，目前拥有世界上最长的海底电缆的称号。然而，它的统治很快就会结束，因为目前在英格兰南部林肯郡和丹麦日德兰半岛之间正在建设的维京连线的长度将超过它。
高压直流技术的应用扩展到将偏远的可再次生产的能源连接到电网，就像过去一样。即使在不需要IGBT先进功能的情况下，其精小的尺寸也具有优势，特别是在空间存在限制的海上平台中。然而，在某些情况下，它们的功能变得至关重要。基于IGBT的转换提供的灵活性和控制使“多端”HVDC的使用成为可能，使大型海上风电场能够向多个电网提供电力，并充当这些电网之间的互连。这种能力能轻松实现跨各种电力系统的可再次生产的能源的有效协调和整合。
Caithness-Moray连接线的北部换流站未来将成为多终端设施。它不但可以从布莱克希尔克向南部输送电力，还能够最终靠正在建设的电缆从北部的设得兰群岛和新建的海上风电场接收电力。这一发展将可以依据电网的要求做能源交换。例如，能源可以从设得兰群岛输送到阿伯丁郡，或者从海上风电场输送到设得兰群岛，或者两者结合，具体取决于电网在任何一天的具体需求。丹麦还计划建造两个配备多端高压直流输电技术的大型“风岛”。这些岛屿上的风力涡轮机不仅将连接到丹麦，还将连接到邻国，实现电力的双向传输。比利时也在进行类似的努力。
而这项脱碳驱动的电网扩张称为“电力系统历史上最重大的变革”。然而，一旦完成了扩张的艰巨任务，它将会出现一个复杂的挑战:需要保持微妙的平衡。
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
咖啡厅监控流出百万人围观，马斯克惊呼太可怕！你喝了几分钟咖啡，AI一清二楚
波士顿大学「鸭嘴兽-70B」登顶Hugging Face大模型排行榜！高效数据集+独特LoRA微调是关键
一月裁员8万多人！全球科学技术行业裁员名单公布，公司越大裁的越多，X一次性裁掉一半员工！
客服1