美國變革性的下一代電網(wǎng)控制技術(shù)獲得 4200 萬美元的聯(lián)邦資助

美國能源部 (DOE) 啟動(dòng)了一條新的“賦能”途徑，通過電力電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)并維持國家不斷發(fā)展的電網(wǎng)的巨大轉(zhuǎn)型，并實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的半導(dǎo)體材料、設(shè)備和功率模塊技術(shù)。

該機(jī)構(gòu)于 11 月 21 日公布了該機(jī)構(gòu)的首批獎(jiǎng)項(xiàng)——為 11 個(gè)州的 15 個(gè)項(xiàng)目提供 4200 萬美元——根據(jù) ULTRAFAST 計(jì)劃，這是一項(xiàng)高級(jí)研究計(jì)劃署能源 (ARPA-E) 計(jì)劃，于 2023 年 2 月啟動(dòng)。 器件和電源模塊級(jí)，ULTRAFAST（通過更快地驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體技術(shù)解鎖持久的變革性彈性進(jìn)步）的一個(gè)關(guān)鍵計(jì)劃目標(biāo)是在更高的電流和電壓水平下實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)和觸發(fā)，以改善對(duì)電網(wǎng)的控制和保護(hù)。

雖然推進(jìn)“低級(jí)”電網(wǎng)組件的“自下而上”方法與美國能源部最近宣布的高調(diào)和數(shù)十億美元的努力形成鮮明對(duì)比，以解決不斷變化的發(fā)電、輸電和配電缺口，但 ULTRAFAST 的第一個(gè)項(xiàng)目 旨在改變電網(wǎng)的電力管理和控制，并實(shí)現(xiàn)未來的自主配電系統(tǒng)。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer Granholm）在一份電子郵件聲明中告訴《POWER》：“對(duì)我們國家老化的電網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造對(duì)于加強(qiáng)我們的國家和能源安全至關(guān)重要，對(duì)于實(shí)現(xiàn)拜登總統(tǒng)到 2050 年凈零經(jīng)濟(jì)的宏偉目標(biāo)也絕對(duì)至關(guān)重要?！?“這項(xiàng)新投資將支持全國各地的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)我們所需的創(chuàng)新技術(shù)，以加強(qiáng)電網(wǎng)安全，為更多家庭和企業(yè)帶來可靠的清潔電力，同時(shí)應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)?！?/p>

關(guān)鍵但不可見的電網(wǎng)組件：電力電子器件

正如一位 ULTRAFAST 項(xiàng)目主管向 POWER 解釋的那樣，挑戰(zhàn)的核心在于美國電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施已有 60 多年的歷史。 電網(wǎng)還日益面臨著越來越多的風(fēng)險(xiǎn)，包括日益頻繁的惡劣天氣事件、網(wǎng)絡(luò)和物理威脅，但它還必須抵御電磁脈沖和空間天氣事件等新出現(xiàn)的威脅。 隨著能源轉(zhuǎn)型的展開，由于電氣化將大幅增加需求，以及分布式能源（DER）和間歇性可再生能源份額的增加，電網(wǎng)面臨著進(jìn)一步的復(fù)雜性。

然而，電網(wǎng)靈活滿足新需求的能力通常受到其調(diào)節(jié)能力的限制。 在高中壓 (H/MV) 級(jí)別，電力流目前主要由變電站輸送，變電站依賴于傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備、低頻變壓器和慢速保護(hù)設(shè)備。 這些組件的反應(yīng)時(shí)間可以跨越多個(gè)生產(chǎn)線周期。 美國能源部表示，這限制了電網(wǎng)控制、吸收、重新路由和隔離潮流的能力，從而帶來重大風(fēng)險(xiǎn)和漏洞，包括級(jí)聯(lián)停電。

幾十年來，創(chuàng)新為行業(yè)提供了更靈活的電力電子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)提高了特定電子接口的可控性、性能和能源可用性。 電力電子設(shè)備通常位于電網(wǎng)與電源或電網(wǎng)與消耗點(diǎn)之間，執(zhí)行控制和處理高電壓和電流以提供支持各種需求的電力的關(guān)鍵功能。

在電網(wǎng)層面，基于電力電子的接口通常由半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)或半導(dǎo)體控制設(shè)備組成的模塊組成。 美國能源部解釋說，半導(dǎo)體開關(guān)器件“是任何電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它決定運(yùn)行頻率和功率水平，以及轉(zhuǎn)換器損耗的很大一部分”。 這些設(shè)備控制電流和電壓的流動(dòng)，例如，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電、直流電轉(zhuǎn)換為交流電，或者改變同一電流類型內(nèi)的電壓電平和頻率。 示例包括固態(tài)變壓器、故障限流器、高壓直流 (HVDC) 和潮流控制器。

目前，美國能源部預(yù)計(jì)基于電力電子的接口的使用將大幅增加。 到 2030 年，預(yù)計(jì) 80% 的電網(wǎng)電力將通過電力電子設(shè)備流動(dòng)。 它還指出，電力電子技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車、船舶和飛機(jī)等其他應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的熱、機(jī)械、液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)。 報(bào)告稱，電力電子器件被納入眾多新領(lǐng)域是“受到性能、效率和可靠性提升以及尺寸、重量和運(yùn)營成本降低的推動(dòng)”。

該機(jī)構(gòu)補(bǔ)充道，電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也為電網(wǎng)展現(xiàn)了巨大的前景，因?yàn)樗鼈兡軌颉敖怦钕到y(tǒng)電源、配電和負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)，同時(shí)提高系統(tǒng)的可控性、可靠性、彈性和效率”。 電力電子接口進(jìn)步所帶來的潛在靈活性、控制力和效率也有可能最大限度地減少到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)所需的輸電和配電水平。

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格敏捷性和性能的新方法

然而，要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，需要強(qiáng)調(diào)性能增益的新方法（例如 H/MV 級(jí)別的電壓和電流運(yùn)行）以及更快的驅(qū)動(dòng)速度，從而可以實(shí)現(xiàn)更好的控制和保護(hù)方法，同時(shí)減少轉(zhuǎn)換器的工作量。 美國能源部強(qiáng)調(diào)，尺寸和功耗。

如今的一個(gè)關(guān)鍵問題是，由于成本、制造和工藝成熟度，硅一直是功率器件的首選半導(dǎo)體材料。 但由于硅的固有材料特性受到低帶隙和臨界電場(chǎng)的限制，硅器件在阻斷電壓能力、工作溫度和開關(guān)頻率方面已達(dá)到其工作極限。

“當(dāng)前的[硅]器件無法達(dá)到H/MV電網(wǎng)應(yīng)用所需的電流和電壓水平，需要在多層模塊中串聯(lián)和/或并聯(lián)堆疊多個(gè)器件。 這對(duì)可靠性提出了挑戰(zhàn)，并由于零件數(shù)量增加而帶來了額外的復(fù)雜性和成本，”美國能源部指出。

2 月份，ARPA-E 推出了 ULTRAFAST 來解決這一障礙。 ULTRAFAST 旨在培育“創(chuàng)造更快開關(guān)、更高額定值的器件和電源模塊技術(shù)”的項(xiàng)目。 作為其職權(quán)范圍的一部分，該計(jì)劃將尋求改進(jìn)超快半導(dǎo)體器件和模塊，通過實(shí)現(xiàn)非?？斓呐月?、分流或中斷功能以及高開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)高電流和電壓水平下的保護(hù)功能 可以實(shí)現(xiàn)高功率、高速電力電子轉(zhuǎn)換器的設(shè)備和模塊。

一位機(jī)構(gòu)項(xiàng)目主管告訴 POWER，ULTRAFAST 的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是提高硅、寬帶隙 (WBG) 和超寬帶隙 (UWBG) 半導(dǎo)體器件的性能極限。 該官員表示，WBG 半導(dǎo)體（碳化硅和氮化鎵）和 UWBG 半導(dǎo)體（氮化鋁鎵、金剛石、氧化鎵和氮化硼）的發(fā)展為高性能器件帶來了有希望的新機(jī)遇。

美國能源部表示，這些半導(dǎo)體“具有卓越的電氣和熱特性……可以規(guī)避[硅]的材料限制，并為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)應(yīng)用的功率器件提供有吸引力的替代方案?！?一個(gè)很大的吸引力是，這些半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)更薄、摻雜更高的電壓阻擋層，這可以將多數(shù)載流子架構(gòu)中的導(dǎo)通電阻相對(duì)于等效硅器件降低“一個(gè)數(shù)量級(jí)”。

“WBG 和 UWBG 半導(dǎo)體的特性允許設(shè)備在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行，為 H/MV 電網(wǎng)應(yīng)用提供更高效、更輕、更小和更高溫度的電力電子器件。” 說。

然而，WBG 和 UWBG 材料的開發(fā)仍然“相對(duì)不成熟，仍處于初級(jí)階段”，它承認(rèn)。 特別是 UWBG 遭受了“重大挑戰(zhàn)，例如摻雜困難、材料質(zhì)量、成本以及由此產(chǎn)生的可制造性”。

ULTRAFAST 的另一個(gè)重要研發(fā)目標(biāo)是開發(fā)和演示電壓和電流的無線傳感、具有集成無線執(zhí)行器和設(shè)備/模塊級(jí)保護(hù)的高密度封裝、功率單元級(jí)電容器和電感器以及熱管理策略。 ULTRAFAST 總監(jiān)解釋說，當(dāng)電壓從更高的電壓和更快的電流切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，可能會(huì)干擾相鄰設(shè)備的功能。 這通常限制了對(duì)串聯(lián)或并聯(lián)組合布置的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行電子控制的能力。

這位官員表示，“光控制”和其他無線控制的想法可以消除電線和電磁干擾，這些干擾迄今為止阻礙了更高電壓的操作和電流的快速切換。

擬議的創(chuàng)新重點(diǎn)關(guān)注電網(wǎng)控制、效率和保護(hù)

美國能源部周二公布的獎(jiǎng)項(xiàng)涉及多項(xiàng)超快研發(fā)目標(biāo)。 該機(jī)構(gòu)的最高獎(jiǎng)項(xiàng) 310 萬美元將授予加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目專注于開發(fā) UWBG 開關(guān)器件，以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)更高的電壓和速度，從而為電網(wǎng)提供更先進(jìn)的控制方法。 德克薩斯理工大學(xué)將單獨(dú)專注于使用先進(jìn) UWBG 材料的光電導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)器件。

與此同時(shí)，由 GaNify、佐治亞理工學(xué)院和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室牽頭的項(xiàng)目將開發(fā)先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，增強(qiáng)電力電子轉(zhuǎn)換器的控制和效率，以實(shí)現(xiàn)更可靠的電網(wǎng)。 這包括 III 族氮化物等寬帶隙材料的創(chuàng)新。 總部位于密歇根州的 Great Lakes Crystal Technologies 公司將單獨(dú)開發(fā)一種金剛石半導(dǎo)體晶體管，以支持 DER 和可變負(fù)載集成。

Opcondys、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校將開展專注于電網(wǎng)瞬態(tài)浪涌和電磁脈沖保護(hù)的項(xiàng)目，采用光控設(shè)備和固態(tài)避雷器來提高電網(wǎng)的彈性。

其他幾個(gè)項(xiàng)目將探索光觸發(fā)技術(shù)的開發(fā)。 ULTRAFAST 告訴 POWER，光學(xué)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要功能是通過簡單的光學(xué)調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電壓和電流轉(zhuǎn)換速率（開關(guān)轉(zhuǎn)換）的獨(dú)立控制。 據(jù)美國能源部稱，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、NextWatt、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和賓夕法尼亞大學(xué)正在開發(fā)光觸發(fā)半導(dǎo)體晶體管和 UWBG 光學(xué)器件。

最后，田納西大學(xué)將開發(fā)可擴(kuò)展的“光觸發(fā)”半導(dǎo)體開關(guān)模塊，具有集成傳感功能，用于電網(wǎng)保護(hù)，而康涅狄格州的 RTX 技術(shù)研究中心將開發(fā)由無線射頻信號(hào)觸發(fā)的半導(dǎo)體開關(guān)模塊。

時(shí)間表和部署

據(jù)ULTRAFAST稱，該項(xiàng)目獎(jiǎng)項(xiàng)將持續(xù)三年。 雖然美國能源部正在 ULTRAFAST 計(jì)劃下推行“組合”方法，但一位官員表示，如果一切順利，一些獲獎(jiǎng)?wù)呖赡軠?zhǔn)備在項(xiàng)目時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)初步功能演示。 這位官員指出，獲獎(jiǎng)?wù)咭呀?jīng)在與公用事業(yè)和行業(yè)利益相關(guān)者進(jìn)行對(duì)話。

然而，與大多數(shù)同類首創(chuàng)技術(shù)一樣，它們最終的商業(yè)應(yīng)用可能會(huì)更加漸進(jìn)。 這位官員表示，成本是最明顯的障礙，并指出沒有什么新產(chǎn)品比現(xiàn)在更便宜。

這位官員指出，特別是在半導(dǎo)體領(lǐng)域，產(chǎn)量可以降低成本。 這位官員表示，雖然碳化硅和氮化鎵等寬帶隙材料目前比硅更貴，而超寬帶隙材料甚至比寬帶隙材料更貴，但這些材料的增長率讓美國能源部希望它們能夠達(dá)到成本平價(jià)。

除了成本障礙外，該官員還指出，WBG 和 UWBG 材料還需要克服材料成熟度問題。 由于這帶來了投資風(fēng)險(xiǎn)，該官員指出，ARPA-E 探索“使能”技術(shù)并可能在聯(lián)邦計(jì)劃下引導(dǎo)其商業(yè)化的研發(fā)工作尤其重要。