到2030年全球化石能源需求曲线开始下降,可再生能源的占比将会上升。电力消费总量将在2050年翻一番,可再生能源发电将在2035年占到电力总量的一半以上。清洁能源洁化率快速增长,到2025年、2035年、2050年分别增长至22%、37%、61%。新能源为主体的新型电力系统会面临哪些突出的问题和挑战?应对挑战的主要技术手段有哪些?

碳化硅作为第三代半导体材料的代表,在双碳目标下其影响力不言而喻。所谓的能源转型是指能源生产和消费方式的转变,就是用清洁能源代替原本以化石能源为主的能源生产方式,用电能、氢能等清洁能源代替以化石能源为采暖和动力的能源消费方式。

据数据统计,电能在2025年前可超过煤炭成为最主要的终端用能方式,终端电气化率到2050年将达到50%,电能逐步占据核心地位。在这样的背景下,我们国家提出了2030年碳达峰、2060年前实现碳中和。在2020年3日15习近平主持召开中央财经委员会第九次会议指出,构建以新能源为主体的新型电力系统。

据麦肯锡《2019全球能源视角》数据指出,到2030年全球化石能源需求曲线开始下降,可再生能源的占比将会上升,到2050年可再生能源的占比会达到34%,形成与化石能源1:2的关系。电力消费总量将在2050年翻一番,可再生能源发电将在2035年占到电力总量的一半以上。清洁能源洁化率快速增长,到2025年、2035年、2050年分别增长至22%、37%、61%。

德国是比较典型的新能源开发利用较好的国家,德国的可再生能源接入遵循三个1/3的方式:1/3主要是海上风电通过高压电网接入;1/3陆上风电通过中压电网接入;1/3是光伏,通过低压电网接入。

新能源为主体的新型电力系统会面临哪些突出的问题和挑战?

第一是,太阳能和风能的新能源具有波动性、间歇性、不确定性,等于“靠天吃饭”,所以才出现非常有特点的“鸭子”曲线。以美国加州为例,晚上太阳落山产电减少,人们下班后夜生活开始,用电负荷上来就导致非常大的峰谷差和需求差,给电力电量的平衡带来了很大的问题。

第二是,高比例新能源对于电网的调峰、调频、调压带来严重的考验。

第三是,送端和受端随新能源发电出力变化而产生角色换位,且频繁发生,给运行方式、潮流分布、事故应急带来困难。

第四是,电动汽车充放电的高度时空不确定性和随机性。

第五是,有源配电。配电网原来是单向无源的,新兴电力系统由于分布式的光伏和储能进了配网,使得配电网有源化,有源配电网也是新型电力系统将要面临的艰巨挑战。

第六是,高比例电力电子装备带来的系统惯性和阻尼降低及宽频域振荡问题。

第七是,负荷频率特性改变,部分电力电子负荷出现反频率特性。

应对挑战的主要技术手段有哪些?

第一是,基于功率器件技术在电网中应用柔性交直流输电装置。

第二是,储能:抽水蓄能、电化学储能、储氢、储热(冷)、飞轮。

第三是,需求侧响应,虚拟发电。

第四是,虛拟同步机。

第五是,数字化、智能化。

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SiC功率器件技术在电网中的重要应用

应对新型电力系统的挑战,我们主要探讨“基于功率器件技术在电网中应用柔性交直流输电装置”的技术手段。

在2022集邦咨询第三代半导体前沿趋势研讨会上,厦门大学讲座教授、国网全球能源互联网研究院原院长 邱宇峰表示,“在传统电力设备和新型电力系统中,功率器件于前者而言是‘特需’,对后者是‘刚需’。”新型电力系统中,尤其在风电并网、光伏储能电网、充电负荷/电源上的应用场景使用量很大,对应设备有风机变流器、光伏逆变器储能PCS、电动汽车充放电V2G。

柔性直流输电是指,换流单元采用全控器件 (IGBT)的电压源换流器 (VsC),通过调制技术,调节换流器电压Uc的幅值及其与系统电压Us之间的功角差δ,换流器即可在四象限运行,从而实现有功及无功的独立控制。

目前电网的柔性半导体化进程受制于器件发展水平,硅基器件固有的耐压低,电流密度低,频率低开关速度低的弱点,导致装置体积大,重量高,功率密度低,限制了功率器件装备的普遍应用。以某柔直工程为例,换流器由12个桥臂构成,每个桥臂2个阀塔,3000MW换流阀总共包含24个阀塔。单阀塔尺寸为10.4m*6.0m*13.0m,重80吨,功率密度为154kW/m³。如果采用万伏级碳化硅器件,其整体体积、重量可减少一半以上。

当前多端柔直工程有南澳三端柔直工程、舟山五端柔直工程等,还有全球首个直流电网示范的张北四端柔直工程。邱宇峰表示,“柔性直流未来在配电网中也会得到广泛的应用,由于配网有缘化以后需要采用柔性直流的换流器对配电网进行有效的并网、连接和控制,这样的控制比传统的柔和得多。”

基于功率器件技术,除了多端柔直工程外,还有能源路由器及应用场景和灵活交流输电技术FACTS的应用。

国重项目研制国内首枚18kV SiC IGBT芯片

SiC是制备高电压、大功率期间的战略性材料,高压大功率SiC器件给电力系统带来了深刻的革命。SiC材料禁带宽度是Si的3倍,临界击穿场强是Si的8倍,热导率是Si的3倍。SiC器件的耐压是Si器件的8倍,电流密度是Si器件的3倍,频率是Si的10倍。

现阶段己商业化的碳化硅产品主要集中在650V-1700V电压等级,3300V以上电压等级器件尚处于工程样品阶段,在电网中的主要应用集中在新能源并网,充电桩以及电力电子变压器等。

SiC功率模块研究进展:

  • 日本三菱电机于2015年报道了其采用3.3KV/1500A全SiC模块实现的电力机车逆变器,同时与传统基于硅IGBT器件的系统相比,牵引逆变器系统能耗降低了38.6%,开关损耗降低约55%。
  • 美国CREE制备了6.5kV/340A SiC MOSFET模块;日本三菱电机制备了集成SiC SBD的6.5kV/400A SiC MOSFET模块。

SiC IGBT研究进展:

  • 2005年 ISPSD 会议上,Cree 报道子第一个沟槽栅P沟道 SiC IGBT芯片,有源区面积 0.5mm×0.5mm,阻断电压 10kV ,导通电阻约为 290 mΩ*cm²。
  • 2006年,Cree 制备出第一个平面栅 P 沟道 SiC 1GBT 芯片。有源区面积约 4 5 mm²,正向阻断电压约为 5.8kV,比导通电阻为 570mΩ.cm²。
  • 2013年 ICSCRM会议上,Cree报道了平面栅P沟道 SiC IGBT芯片,芯片面积8.4 mm x8.4 mm,阻断电压15KV。
  • 2013年,日本产业技术综合研究所 (AIST)采用外延翻转 (Flip-type) 技术制备了N沟道 SiC IGBT芯片,阻断电压达到了 16kV,比导通电阻约23 mΩ*cm²。
  • 2015年,日本产业技术综合研究所 (AIST) 报道了平面栅P沟道 SiC IGBT 芯片,芯片面积1.5mm x1.5mm,阻断电压15kV,比导通电阻约为148mΩ*cm²。

据邱宇峰表示,“通过‘十三五’的国重项目,基于自主生长的全结构外延材料,突破载流子寿命提升、自支撑村底剥离技术,增强了电导调制效应,研制了国内首枚18kV SiC IGBT芯片,阻断电压18kV@100 μA,导通电流20A(@7.5V。整合了封装工艺流程,研制了国际上功率最大的181V/125A SiC IGBT压接型器件,性能处于国际先进水平。” 

碳化硅器件应用

1、电动汽车充电桩领域

碳化硅器件将在车载充电(0BC)、DC/DC、无线充电等方面将快速替代硅基IGBT。根据国内外相关公司调研和业界专家的判断,碳化硅器件渗透硅基IGBI的拐点可能在2024年附近,预计2025年渗透率超过25%。

2、充电桩应用

(1)器件数量减少,拓扑更简单:采用650V等级硅基器件,单个模块电源至少需要使用14只MOSFET及14只三极管,采用1200V碳化硅器件,器件数量减少一半。

(2)效率更高:峰值效率将由96%升至97%以上。

(3)体积重量更小:无源器件数量减小,频率提升进一步降低电感,电容体积 ,全碳化硅充电源体积重量降低30%以上。

(4)解决硅基器件高温下功率降额问题。

3、光伏逆变器

(1)效率更高:峰值效率将由98%升至99%以上;

(2)体积重量更小:频率提升降低电感电容体积,全碳化硅逆变器体积减少78%,重量降低80%以上;

(3)功率密度大幅提高:提高5倍。

4、柔性变电站

以35kV/SMVA柔性变电站电力电子变换器为例:

  • 采用SiC器件,纳米晶铁芯,开关频率从3KHz提升至10kHz,相同电压等级下,高频变压器功率密度可提升70%;
  • 采用高压SiC器件,换流阀功率密度可提升300%;
  • 采用6500V碳化硅模块搭建电力电子(功率器件)变压器,相较硅基1700V IGBI技术方案,5MVA换流阀总占地面积可减少75%。

5、海风柔直工程

  • 柔性直流是远海风电并网的主要技术手段,我国规划远海风电总容量超过4000万千瓦,
  • 但海风柔直工程造价高导致远海风电开发不具备经济性,主要是由于基于硅器件换流装备的体积和重量大导致占工程总成本30%的海上换流平台造价高达10亿元人民币以上;
  • 如果采用万伏千安级的碳化硅器件,换流器体积重量可减小一半以上,从而大大降低平台造价,促进远海风电开发利用。

目前碳化硅器件还有待解决的问题有高压、大电流,电流密度提升-新型芯片结构和新型封装技术,还有大尺寸高质量衬底及外延材料等。邱宇峰表示,“双碳目标背景下,新型电力系统的构建面临诸多挑战,电力电子技术是应对这些挑战的关键技术手段,电网将向灵活柔性电力电子化方向发展。各类电力电子设备将在新能源为主体的新型电力系统各个层面发挥关键支撑作用,碳化硅器件将在电网中得到广泛推广应用,并且担负起推动电网向灵活柔性电力电子化方向发展的重任。面向电网应用的碳化硅器件还需要在大尺寸高质量衬底外延材料,芯片电流密度,高压绝缘封装技等方面,特别是在应用方面进一步开展研究,当前碳化硅器件的应用尚处于试验探索阶段,必须加强应用迭代才能促进碳化硅电力电子器件的产品化进程。”

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