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美國能源部 (DOE) 啟動了一條新的“賦能”途徑，通過電力電子結構，實現(xiàn)并維持國家不斷發(fā)展的電網的巨大轉型，并實現(xiàn)先進的半導體材料、設備和功率模塊技術。
該機構于 11 月 21 日公布了該機構的首批獎項——為 11 個州的 15 個項目提供 4200 萬美元——根據 ULTRAFAST 計劃，這是一項高級研究計劃署能源 (ARPA-E) 計劃，于 2023 年 2 月啟動。 器件和電源模塊級，ULTRAFAST（通過更快地驅動功率半導體技術解鎖持久的變革性彈性進步）的一個關鍵計劃目標是在更高的電流和電壓水平下實現(xiàn)更快的開關和觸發(fā)，以改善對電網的控制和保護。
雖然推進“低級”電網組件的“自下而上”方法與美國能源部最近宣布的高調和數十億美元的努力形成鮮明對比，以解決不斷變化的發(fā)電、輸電和配電缺口，但 ULTRAFAST 的第一個項目 旨在改變電網的電力管理和控制，并實現(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》：“對我們國家老化的電網進行現(xiàn)代化改造對于加強我們的國家和能源安全至關重要，對于實現(xiàn)拜登總統(tǒng)到 2050 年凈零經濟的宏偉目標也絕對至關重要?！?“這項新投資將支持全國各地的項目團隊開發(fā)我們所需的創(chuàng)新技術，以加強電網安全，為更多家庭和企業(yè)帶來可靠的清潔電力，同時應對氣候危機。”
關鍵但不可見的電網組件：電力電子器件
正如一位 ULTRAFAST 項目主管向 POWER 解釋的那樣，挑戰(zhàn)的核心在于美國電網的基礎設施已有 60 多年的歷史。 電網還日益面臨著越來越多的風險，包括日益頻繁的惡劣天氣事件、網絡和物理威脅，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，電網面臨著進一步的復雜性。
然而，電網靈活滿足新需求的能力通常受到其調節(jié)能力的限制。 在高中壓 (H/MV) 級別，電力流目前主要由變電站輸送，變電站依賴于傳統(tǒng)的機電設備、低頻變壓器和慢速保護設備。 這些組件的反應時間可以跨越多個生產線周期。 美國能源部表示，這限制了電網控制、吸收、重新路由和隔離潮流的能力，從而帶來重大風險和漏洞，包括級聯(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。 電力電子設備通常位于電網與電源或電網與消耗點之間，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鍵功能。
在電網層面，基于電力電子的接口通常由半導體驅動或半導體控制設備組成的模塊組成。 美國能源部解釋說，半導體開關器件“是任何電力電子系統(tǒng)的關鍵元件，它決定運行頻率和功率水平，以及轉換器損耗的很大一部分”。 這些設備控制電流和電壓的流動，例如，將交流電轉換為直流電、直流電轉換為交流電，或者改變同一電流類型內的電壓電平和頻率。 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，美國能源部預計基于電力電子的接口的使用將大幅增加。 到 2030 年，預計 80% 的電網電力將通過電力電子設備流動。 它還指出，電力電子技術已經在電動汽車、船舶和飛機等其他應用中取代傳統(tǒng)的熱、機械、液壓和氣動系統(tǒng)。 報告稱，電力電子器件被納入眾多新領域是“受到性能、效率和可靠性提升以及尺寸、重量和運營成本降低的推動”。
該機構補充道，電力電子轉換系統(tǒng)也為電網展現(xiàn)了巨大的前景，因為它們能夠“解耦系統(tǒng)電源、配電和負載之間的動態(tài)，同時提高系統(tǒng)的可控性、可靠性、彈性和效率”。 電力電子接口進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 年實現(xiàn)凈零排放目標所需的輸電和配電水平。
實現(xiàn)網格敏捷性和性能的新方法
然而，要實現(xiàn)電網應用的優(yōu)勢，需要強調性能增益的新方法（例如 H/MV 級別的電壓和電流運行）以及更快的驅動速度，從而可以實現(xiàn)更好的控制和保護方法，同時減少轉換器的工作量。 美國能源部強調，尺寸和功耗。
如今的一個關鍵問題是，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體材料。 但由于硅的固有材料特性受到低帶隙和臨界電場的限制，硅器件在阻斷電壓能力、工作溫度和開關頻率方面已達到其工作極限。
“當前的[硅]器件無法達到H/MV電網應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)堆疊多個器件。 這對可靠性提出了挑戰(zhàn)，并由于零件數量增加而帶來了額外的復雜性和成本，”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、更高額定值的器件和電源模塊技術”的項目。 作為其職權范圍的一部分，該計劃將尋求改進超快半導體器件和模塊，通過實現(xiàn)非?？斓呐月贰⒎至骰蛑袛喙δ芤约案唛_關頻率來實現(xiàn)高電流和電壓水平下的保護功能 可以實現(xiàn)高功率、高速電力電子轉換器的設備和模塊。
一位機構項目主管告訴 POWER，ULTRAFAST 的一個關鍵目標是提高硅、寬帶隙 (WBG) 和超寬帶隙 (UWBG) 半導體器件的性能極限。 該官員表示，WBG 半導體（碳化硅和氮化鎵）和 UWBG 半導體（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遇。
美國能源部表示，這些半導體“具有卓越的電氣和熱特性……可以規(guī)避[硅]的材料限制，并為實現(xiàn)電網應用的功率器件提供有吸引力的替代方案。” 一個很大的吸引力是，這些半導體可以實現(xiàn)更薄、摻雜更高的電壓阻擋層，這可以將多數載流子架構中的導通電阻相對于等效硅器件降低“一個數量級”。
“WBG 和 UWBG 半導體的特性允許設備在更高的電壓、頻率和溫度下運行，為 H/MV 電網應用提供更高效、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“相對不成熟，仍處于初級階段”，它承認。 特別是 UWBG 遭受了“重大挑戰(zhàn)，例如摻雜困難、材料質量、成本以及由此產生的可制造性”。
ULTRAFAST 的另一個重要研發(fā)目標是開發(fā)和演示電壓和電流的無線傳感、具有集成無線執(zhí)行器和設備/模塊級保護的高密度封裝、功率單元級電容器和電感器以及熱管理策略。 ULTRAFAST 總監(jiān)解釋說，當電壓從更高的電壓和更快的電流切換時，會產生電磁干擾，可能會干擾相鄰設備的功能。 這通常限制了對串聯(lián)或并聯(lián)組合布置的多個設備進行電子控制的能力。
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)新重點關注電網控制、效率和保護
美國能源部周二公布的獎項涉及多項超快研發(fā)目標。 該機構的最高獎項 310 萬美元將授予加州大學圣巴巴拉分校的一個項目，該項目專注于開發(fā) UWBG 開關器件，以實現(xiàn)比現(xiàn)有技術更高的電壓和速度，從而為電網提供更先進的控制方法。 德克薩斯理工大學將單獨專注于使用先進 UWBG 材料的光電導半導體開關器件。
與此同時，由 GaNify、佐治亞理工學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室牽頭的項目將開發(fā)先進的半導體器件，增強電力電子轉換器的控制和效率，以實現(xiàn)更可靠的電網。 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 公司將單獨開發(fā)一種金剛石半導體晶體管，以支持 DER 和可變負載集成。
Opcondys、桑迪亞國家實驗室和威斯康星大學麥迪遜分校將開展專注于電網瞬態(tài)浪涌和電磁脈沖保護的項目，采用光控設備和固態(tài)避雷器來提高電網的彈性。
其他幾個項目將探索光觸發(fā)技術的開發(fā)。 ULTRAFAST 告訴 POWER，光學觸發(fā)實現(xiàn)的一個重要功能是通過簡單的光學調制實現(xiàn)對器件電壓和電流轉換速率（開關轉換）的獨立控制。 據美國能源部稱，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、伊利諾伊大學香檳分校、NextWatt、威斯康星大學麥迪遜分校和賓夕法尼亞大學正在開發(fā)光觸發(fā)半導體晶體管和 UWBG 光學器件。
最后，田納西大學將開發(fā)可擴展的“光觸發(fā)”半導體開關模塊，具有集成傳感功能，用于電網保護，而康涅狄格州的 RTX 技術研究中心將開發(fā)由無線射頻信號觸發(fā)的半導體開關模塊。
時間表和部署
據ULTRAFAST稱，該項目獎項將持續(xù)三年。 雖然美國能源部正在 ULTRAFAST 計劃下推行“組合”方法，但一位官員表示，如果一切順利，一些獲獎者可能準備在項目時間范圍內實現(xiàn)初步功能演示。 這位官員指出，獲獎者已經在與公用事業(yè)和行業(yè)利益相關者進行對話。
然而，與大多數同類首創(chuàng)技術一樣，它們最終的商業(yè)應用可能會更加漸進。 這位官員表示，成本是最明顯的障礙，并指出沒有什么新產品比現(xiàn)在更便宜。
這位官員指出，特別是在半導體領域，產量可以降低成本。 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到成本平價。
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險，該官員指出，ARPA-E 探索“使能”技術并可能在聯(lián)邦計劃下引導其商業(yè)化的研發(fā)工作尤其重要。
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