中车株洲所王卫安:电力电子器件与装备——能源互联网的助推器

2018-11-15 09:14  浏览:3647   会议之声  新能源汽车 

尊敬的各位专家、各位领导:

大家上午好!我们都知道中车是做高铁、做重载机车的,株洲所作为中车的一级子公司,主要是做其中一些核心的装备,就是我们说的心脏和大脑,也就是变流器和控制系统。我们定位很准确,希望推动在轨道交通领域的能源互联网发展,同时在整个能源互联网的发展中,以我们的电力电子器件和装备作为一个助推器。

中国中车2015年由南车和北车合并成立,之后习总书记三次进行了视察,其中要求我们把握优势、乘势而为,做强、做优、做大。我们认为当前社会的大势包括这几方面:一个是数字化、信息化和智能化,我们理解数字化是物理世界的数据化,智能化是把数据怎么样去物理化,这些可通过信息化的手段来把数字化和智能化联通起来;另外一个势是“互联网+”,我们理解是交通装备与互联网的一个联系,同时也是能源与互联网的一个联系。当然更大的联系应是交通和能源,作为能量消耗的交通和能源的产生,怎么样通过互联网的关系构建一个更大的系统,来优化我们的能量流动与使用。当然不管是交通还是能源的发展过程中,习总书记讲不能缺芯少魂,我们认为电力电子设备是基于能量变化和能量处理的芯。

电力电子器件是电能传输、电力变化与品质控制的基础器件,是促进传统产业升级、新产业发展的关键要素,同时也是交通和能源革命的一个重要基石。一代材料决定了一代器件,一代器件决定了一代装备,一代装备也决定了一代的应用。

今天的报告分五部分,第一是结合轨道交通的现状谈一下能源互联网的特点和要求,第二是中车在电力电子器件和装备的创新成果,第三是发展面临的一些挑战,第四是发展方向的展望,第五是建议。

轨道交通能源互联网整个的架构底层是基础设施网络,包括车辆、牵引供电、储能和能源供应所构建的一个网络;中间层是信息通讯平台,实现能量流、信息流的交互,来实现整个的运营调度和监控;顶层则是利用大数据、云平台来实现各个环节、效应和效益的最大化。这是它的一个典型的能源互联网体系,包括从传统的发电、电网以及新能源发电、储能装置,以及自动能量回馈装置等等。

这是轨道交通能源互联网基本的技术关联图,从理论的基础研究,包括系统理论、信息科学、材料和工艺等等,去支撑能源互联网的一些关键使能技术,包括电力电子技术、器件、微电网和智能传感等等这些技术,再来推动整个轨道交通系统的牵引变电所、车辆、网和通信之间的发展。

下面是轨道交通能源互联网的一些特点,在大铁路交通方面有一个因单相负载导致的三相不平衡问题;另外轨道交通是单相的27.5kV,电分相的时候会有一个速度的损失和能量的损失,同时牵引负荷的波动比较频繁、冲击性比较大,某种意义上会影响铁路自身运营的安全性。在城市轨道交通或者有轨交通方面,更多的是单相的交/直供电,也会导致制动能量不能够再利用,同时直流电压不可控,波动范围比较广,这是它的一些负面特点。

因此,提出了轨道交通能源互联网对电力电子器件和装备的要求,应该是安全性、可靠性的要求比较高;同时要求整个装备的电压等级高、电流大、功率密度比较大;对于器件来说,因为承载电流大,为降低损耗,所以要求总体的导通压降比较小;同时因为负荷的特点,导致整个的浪涌电流大和系统的复杂性,要求抗系统短路能力也比较高。

第二部分是中车株洲所在电力电子器件与装备方面的一些成果,希望对大家未来能源互联网的应用有一个简单的介绍性印象。功率半导体的发展是伴随着株洲所的成立与发展,我们从1964年就开始了功率半导体的技术研究,2003年开始启动IGCT技术的研究,2008年我们通过并购英国的DYNEX公司进入IGBT领域,2009年建成6英寸的双级器件生产线、国内首条高压IGBT模块封装线,2011年开展了基于新一代材料SiC技术的研究。目前IGBT已应用于轨道交通、输配电领域,同时进入了汽车领域。投资15亿元建成的8英寸IGBT芯片生产线是亚洲第一条、世界第二条。投入35亿元的汽车芯片生产线也已经在立项阶段。

目前整个功率半导体业务领域覆盖了IGBT、IGCT、SiC以及功率组件,形成了“芯片—模块—功率单元—整机”的完整产业链,同时我们在株洲以及英国林肯的海外研发中心之间实现了有效的协同。另外我们取得了几个创新平台,新型半导体器件有一个国家重点实验室,也有国家能源局的大功率电力电子器件的研发中心,也是中国IGBT技术创新与产业联盟的理事长单位,以及欧洲电力电子协会的副主席单位。员工队伍方面,专业从事功率半导体产业的员工有1200多名。

关于目前中车功率半导体产业的概况:一是关于IGBT,除了传统的焊接式IGBT之外,我们还拥有压接式IGBT;同时在SiC器件领域,除了SiC二级管、MOSFET,SiC的模块也获得了示范应用;双极器件方面,我们拥有IGCT以及大功率的用于高压直流输电的晶闸管,功率组件方面拥有乘用车的集成式功率组件以及特种电源用功率组件。

下面是关于中车在电力电子器件方面的创新成果:

1)首先在双极器件技术领域,双级平板型器件方面拥有世界最高电压8500V、最大电流6500A的特高压直流输电用晶闸管,在自关断器件方面是国内唯一一家掌握IGCT全套技术的厂家,在功率组件方面拥有5英寸、6英寸晶闸管组件,已通过HVDC、中压传动变频器、机车动车变流器等高端领域的应用验证。

2)在IGBT的芯片技术领域,目前已经掌握第四代和第五代高性能沟槽栅核心芯片技术,正在开发的是第六代精细沟槽技术,适用于不同领域的应用。

3)在SiC器件技术方面,目前建成了国内首条具备完整制造能力的SiC芯片生产线,同时与中科院微电子所开发的肖特基二级管技术也达到了国内领先水平,另外SiC模块也在地铁运营、光伏以及电动汽车上获得了应用。

4)在封装技术方面,一个是单面焊接技术,目前应用于1700V到6500V的高压模块以及600V-1700V的中压模块,采用压接式技术的4500V/3000A模块也通过了国网“张-北工程”的专家鉴定;同时我们采用了直接水冷技术从而具有更低的热阻,采用超声焊接技术的模块可靠性更高;目前正在开发双面焊接技术,通过直接的端子键合,在散热等方面有更多的优势。

再介绍中车在能源互联网装备方面的创新成果:

1)铁路的电分相装备研制是铁总的重大课题,以解决电分相带来的掉电损失和机车故障;目前通过智能的电分相,可以使机车的失电时间从秒级转化为小于15毫秒,同相位的情况下则在1.5毫米左右,这样就基本没有牵引力和速度的损失,提升了运营的效率;目前在神朔铁路已经获得了应用,在最大坡度12‰的条件下解决了速度损失大和坡停的问题,总体提升了6%的线路运能。

2)其次是铁路平衡供电装备,通过2个供电臂的能量融通,以实现供电后相对平衡并提升供电系统的整体利用率,实现对无功功率补偿、电压稳定控制和谐波治理。

3)同时在推广同向供电和分区的“电子开关”过分相,以实现整条线路虚拟贯通同相供电,提高“车-网”匹配性和运营效益。

第三部分是电力电子器件和装备面临的挑战:在器件方面,实际上是功率、频率和效率三方面怎么样去平衡,同时目前硅基器件技术已经成熟,但已经接近硅材料的极限,更高功率容量、更高工作温度和更高的功率密度是未来电力电子器件的新型挑战;在装备方面,也是面临大功率与高集成度、高功率密度,以及低损耗和耐高温的挑战。

第四部分是发展方向展望:

1)在器件方面,怎么样平衡和优化导通、开关损耗以及安全的工作区,怎么样不断降低损耗并不断提升安全工作区是现在面临的挑战。首先是更高的功率密度,包括了深亚微米的工艺、超结的IGBT和单片的集成;另外在新型的封装技术方面,铜金属化技术会逐渐取代铝金属化技术,同时采用压接的封装结构以及低温的银烧结技术;材料方面,基于宽禁带半导体材料,特别是基于SiC的IGBT是未来的重点发展方向。

2)在装备方面,更多的是电力电子的变压器取代传统的变压器,以及能量路由器、能量弹簧、制动能量回收、大功率无线充电、中压直流断路器等关键装备的研制。这些设备在我们轨道交通都获得了应用,未来在其他的能源互联网,我们也期待获得更多的应用。

3)关于新型的供电系统,结合轨道交通的牵引负荷特点,怎么样把铁路沿线的风、光、火电厂和储能装置有效地协调利用起来,以实现一种新型供电方式,包括同向供电、能量融通装置以及自动过分相等,从而解决能源的提供、消耗和我们牵引性能的耦合,可能是我们要重点探讨的。在其他方面,关于直流微网和变电所的智能住宅也是下一步要抓紧研究的,特别是铁路沿线有很多的地方没有民用的供电,或者说成本会比较高,该领域也可能是我们未来的研究重点。

第五部分谈三点建议:第一是从国家层面或者是从行业层面用示范项目做支持,怎么样联合电网、铁总和地方政府共同建设铁路和城轨交通的能源互联网;第二是技术层面要突破铁路和电网信息的融合、系统层面的保护机制,关键在电能变换装置的研发;在机制层面是更多地促进技术的标准建设和标准引导,同时怎么样构建多方收益共享的机制,并提供政策支持。总之,中车株洲所愿意在轨道交通的能源互联网方面与大家一起构建生态圈,及时推进相关项目;同时关于电力电子器件与装置方面,我们愿意从各种层面提供有效支撑,助推我们能源互联网的发展。

(本文根据发言嘉宾演讲速记整理,未经本人审核)

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