碳化硅在新型電力體系中的應(yīng)用

今年兩會期間，全國政協(xié)委員，國網(wǎng)福建電力董事長、黨委書記阮前途表示，新型電力系統(tǒng)是建設(shè)新型能源體系、服務(wù)碳達峰碳中和的重要載體。實現(xiàn)2035年新型電力系統(tǒng)基本建成的目標，需要應(yīng)對一些新情況：

首先，新能源消納壓力劇增。一是項目建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃。新能源項目建設(shè)周期遠遠短于其他電源和電網(wǎng)項目，如果不能做到電網(wǎng)和電源同步規(guī)劃、同步投產(chǎn)，以及利用市場機制同步消納，容易出現(xiàn)棄風棄光；二是局部電網(wǎng)承載能力不足。分布式光伏呈井噴式增長，部分地區(qū)分布式光伏無新增接入空間。以福建為例，預(yù)計2025年分布式光伏將超過1500萬千瓦，遠超“十四五”規(guī)劃800萬千瓦上限；且在2023年底開展的分布式光伏接入電網(wǎng)承載力評估中，10個試點縣中有4個縣新增可開放容量為0。

其次，電力保供難度加大。一是高峰時段新能源有效發(fā)電能力不足。新能源已成為新增發(fā)電裝機主體，但電量季節(jié)分布不均、關(guān)鍵時刻頂峰能力不強。以福建為例，2022年最大負荷日，全省風電裝機容量超700萬千瓦，但高峰負荷時風電出力僅為裝機容量的2.7%；二是電力系統(tǒng)抗災(zāi)能力亟需提升。當前暴雨、洪澇、臺風、冰雪等自然災(zāi)害趨多趨強，不僅導(dǎo)致新能源無法出力，而且嚴重危害電網(wǎng)和設(shè)備安全，增大了事故風險。第三，新能源使用成本持續(xù)上升。新能源平價上網(wǎng)不等于平價利用，為平衡新能源出力波動和保障電量消納，需要額外增加電源調(diào)節(jié)、電網(wǎng)補強等方面成本。據(jù)測算，到2025年，為滿足新能源發(fā)展，額外增加的電網(wǎng)補強等成本將達到0.2元/千瓦時，新能源終端利用成本將達到0.54元/千瓦時，超出燃煤標桿電價約0.14元/千瓦時。

以碳化硅為代表的新型電力電子大有可為碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，在雙碳目標下其影響力不言而喻。有行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電能在2025年前可超過煤炭成為最主要的終端用能方式，終端電氣化率到2050年將達到50%，電能逐步占據(jù)核心地位。在這樣的背景下，我們國家提出了2030年碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。

根據(jù)中電聯(lián)預(yù)計，2024 年新投產(chǎn)發(fā)電裝機規(guī)模將再超 3 億千瓦，新能源發(fā)電累計裝機規(guī)模將首次超過煤電裝機規(guī)模。 在新能源發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展的帶動下，預(yù)計 2024 年底，全國發(fā)電裝機容量預(yù)計達 到 32.5 億千瓦，同比增長 12%。其中，并網(wǎng)風電 5.3 億千瓦、并網(wǎng)太陽能發(fā)電 7.8 億千瓦，并網(wǎng)風電和太陽能發(fā)電合計裝機規(guī)模將超過煤電裝機，占總裝機比重上升 至 40%。面對如此快速增長的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)也面臨著一系列突出的問題和挑戰(zhàn)：第一是，太陽能和風能的新能源具有波動性、間歇性、不確定性，等于“靠天吃飯”，所以才出現(xiàn)非常有特點的“鴨子”曲線。以美國加州為例，晚上太陽落山產(chǎn)電減少，人們下班后夜生活開始，用電負荷上來就導(dǎo)致非常大的峰谷差和需求差，給電力電量的平衡帶來了很大的問題。第二是，高比例新能源對于電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓帶來嚴重的考驗。第三是，送端和受端隨新能源發(fā)電出力變化而產(chǎn)生角色換位，且頻繁發(fā)生，給運行方式、潮流分布、事故應(yīng)急帶來困難。第四是，電動汽車充放電的高度時空不確定性和隨機性。第五是，有源配電。

配電網(wǎng)原來是單向無源的，新興電力系統(tǒng)由于分布式的光伏和儲能進了配網(wǎng)，使得配電網(wǎng)有源化，有源配電網(wǎng)也是新型電力系統(tǒng)將要面臨的艱巨挑戰(zhàn)。第六是，高比例電力電子裝備帶來的系統(tǒng)慣性和阻尼降低及寬頻域振蕩問題。第七是，負荷頻率特性改變，部分電力電子負荷出現(xiàn)反頻率特性。在新型電力系統(tǒng)中，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電、 交流-直流電網(wǎng)的功率傳輸與柔性互聯(lián)、配用電側(cè)交直流變換及功率雙向流動、以及電網(wǎng)穩(wěn)定性所需的儲能、諧波去化、無功補償?shù)妊b置都要借助電力電子裝置來實現(xiàn)。

電力電子設(shè)備的大量接入將大幅改變電力系統(tǒng)內(nèi)部電氣特征，電力電子裝置運行 過程中產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電能質(zhì)量、功率因數(shù)、電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響。這里碳化硅的優(yōu)勢就凸顯出來了此前在行業(yè)會議上，廈門大學(xué)講座教授、國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長 邱宇峰表示，“在傳統(tǒng)電力設(shè)備和新型電力系統(tǒng)中，功率器件于前者而言是‘特需’，對后者是‘剛需’?！毙滦碗娏ο到y(tǒng)中，尤其在風電并網(wǎng)、光伏儲能電網(wǎng)、充電負荷/電源上的應(yīng)用場景使用量很大，對應(yīng)設(shè)備有風機變流器、光伏逆變器儲能PCS、電動汽車充放電V2G等產(chǎn)品中，碳化硅功率產(chǎn)品的導(dǎo)入，為國內(nèi)柔性化、電力電子化新型電力系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展提供了堅實助力。

碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、靜止無功補償器件及高壓直流輸電等應(yīng)用方面推動了智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

接下來我們分享幾個主要應(yīng)用場景：

固態(tài)變壓器

近年來分布式發(fā)電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，固態(tài)變壓器是電力電子變流器和高壓變壓器中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵裝置，相較于傳統(tǒng)變壓器具有體積較小、供電質(zhì)量較高、供電效率比較高、工作性能穩(wěn)定的特點，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用將有效解決傳統(tǒng)變壓器所存在的問題。

電力系統(tǒng)中功率開關(guān)器件的反向電壓承受力與漂移區(qū)、基區(qū)長度以及電阻率具有密切的關(guān)系，碳化硅材料制造的電力系統(tǒng)器件，它的工作溫度最高能夠超過6000℃，技術(shù)人員利用擊穿電場強度較高的碳化硅材料制作的高壓功率開關(guān)控制器，它的電阻率不用選擇過高，漂移區(qū)或基區(qū)也不需要太長，工作頻率就能有大幅度的提高。

柔性交/直流輸電技術(shù)

柔性交流輸電系統(tǒng)是當前交流電網(wǎng)比較先進的技術(shù)之一。碳化硅電力電子器件能夠科學(xué)、高效的實現(xiàn)系統(tǒng)電壓、功率和輸電品質(zhì)的控制，并能夠有效降低輸電的損耗。

柔性直流輸電是基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC），由換流站和直流輸電線路構(gòu)成。它被譽為世界上靈活性最高、適應(yīng)性最強的新一代輸電技術(shù)，是支撐能源轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要技術(shù)手段。

未來，電網(wǎng)需要并網(wǎng)消納大量的分布式清潔能源和儲能，勢必要求電網(wǎng)需要具備更強、更靈活的調(diào)節(jié)、控制以及輸送路線選擇能力，而目前的高壓交流并網(wǎng)技術(shù)無法滿足需求，亟需在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中大量采用柔性交/直流輸電技術(shù)，而這將是碳化硅材料和器件技術(shù)的“舞臺”。

△柔性輸配電系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想圖（來源：知乎）

目前，高壓輸電方式主要有三種：交流、常規(guī)直流、柔性直流。

與高壓交流輸電相比，常規(guī)直流輸電具備優(yōu)勢，比如導(dǎo)線設(shè)置成本可減少33%，可提高了用電效率和電能質(zhì)量。但也有缺點，由于它使用晶閘管，靈活性較差，控制能力較差，最重要的是，它需安裝大量的濾波裝置來消除，因此占地面積比交流輸電要大兩倍以上，尤其不適合風電場和城市配電網(wǎng)使用。

而柔直輸電可節(jié)省交流濾波器場的用地，據(jù)測算，相比常規(guī)直流輸電，它可節(jié)約20%用地。

分析機構(gòu)預(yù)測，2024年，高壓直流輸電市場預(yù)計將從2018年的82億美元增至123億美元，復(fù)合年增長率為6.9%，增長動力主要來自于對柔直輸電技術(shù)的需求不斷增長。

而受市場的拉動，2025年高壓直流換流站市場規(guī)模預(yù)計將增至39.4億美元，2020-2025年的復(fù)合年增長率接近11%。

靜止無功補償器件

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有強不確定性、低慣性、弱抗擾性、強非線性，其快速動態(tài)響應(yīng)的特性及系統(tǒng)規(guī)模龐大的特征給電網(wǎng)電壓穩(wěn)定又提出了新的挑戰(zhàn)和迫切的改進需求。

加之整個社會的發(fā)展速度由于能源的供應(yīng)速度而不斷提升，這些年的實際情況也反映了我國對于電能的需求量在不斷提升，電力輸送行業(yè)必須與不斷發(fā)展的社會經(jīng)濟相匹配，所以整個電力系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大。

然而，在增加發(fā)電量的同時，也需要減少電能在運輸時的消耗，降低電力部門的運營成本，所以構(gòu)建功能更加強大、運行更加靈活、更加具有韌性的高性能電力電子無功補償系統(tǒng)成為迫切需要。

在電力系統(tǒng)中靜止無功補償器主要用于潮流控制、無功補償和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有體積小、響應(yīng)速度快以及連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，基于二電平電壓源逆變器（voltagesourceconverter，VSC）的STATCOM盡管結(jié)構(gòu)簡單，但需要高壓大功率的電力電子器件，目前的硅器件尚不能滿足這種高壓大容量輸電系統(tǒng)要求。

因此，通常需要將多個逆變器通過變壓器（多重化技術(shù)）或者多電平技術(shù)進行組合，以實現(xiàn)系統(tǒng)要求。

△一種新型D-STATCOM電壓控制方法與流程（來源：國知局網(wǎng)）

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作為開關(guān)。如IGCT其耐壓可達6.5kV，通斷電流可達4000A。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級仍然偏小，需要依靠多電平拓撲或器件串聯(lián)，來提高耐壓能力。高壓碳化硅IGBT、GTO等的研發(fā)成功，STATCOM的結(jié)構(gòu)可以大大簡化，同時，由于開關(guān)頻率的提高，電能質(zhì)量也將得到提升。在風能、太陽能等潔凈、可再生能源方面，無變壓器STATCOM結(jié)構(gòu)將會得到大力推廣和應(yīng)用。

由于新型電力系統(tǒng)所呈現(xiàn)的“雙高”特性，且基于新能源發(fā)電具有隨機性、波動性、分散性等特點，電源側(cè)出力波動加大，負荷側(cè)不確定性增加，電力系統(tǒng)功率平衡壓力增加，電網(wǎng)電壓控制問題更加突出，研究高性能電力電子無功補償系統(tǒng)在新型電力系統(tǒng)穩(wěn)壓控制中的應(yīng)用與展望十分重要。

當前，新型電力系統(tǒng)所采用的碳化硅器件分成兩類，一類是中低壓的SiC MOSFET器件，電壓范圍為1200V-6500V。這類碳化硅器件主要用在配電網(wǎng)，比如分布能源的光伏逆變器、儲能PCS等。需求放量是在未來配網(wǎng)實現(xiàn)有源化之后，交流和直流的連接必須采用柔性的電力電子變換設(shè)備，而3300V中低壓的國產(chǎn)碳化硅器件，也將進入批量化的應(yīng)用。未來，電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的大容量變換設(shè)備中萬伏千安級碳化硅器件對硅器件的替代空間也非常值得想象?！半p碳目標背景下，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建也還面臨諸多挑戰(zhàn)，電力電子技術(shù)是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)手段，電網(wǎng)將向靈活柔性電力電子化方向發(fā)展。

各類電力電子設(shè)備將在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)各個層面發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用，碳化硅器件將在電網(wǎng)中得到廣泛推廣應(yīng)用，并且擔負起推動電網(wǎng)向靈活柔性電力電子化方向發(fā)展的重任。而面向電網(wǎng)應(yīng)用的碳化硅器件，也還需要克服電力電子裝置運行過程中產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電能質(zhì)量、功率因數(shù)、電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響等問題，更重要的是在成本上也要逐步具備一定的競爭力，這需要在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈從大尺寸高質(zhì)量襯底外延材料，芯片電流密度，高壓絕緣封裝技等各個方面，特別是在應(yīng)用方面進一步開展研究，當前碳化硅器件的應(yīng)用尚處于試驗探索階段，必須加強應(yīng)用迭代和產(chǎn)業(yè)對話才能促進碳化硅電力電子器件的產(chǎn)品化進程。

審核編輯：黃飛