碳化硅在新型電力體系中的應(yīng)用

今年兩會(huì)期間，全國(guó)政協(xié)委員，國(guó)網(wǎng)福建電力董事長(zhǎng)、黨委書(shū)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(dá)峰碳中和的重要載體。實(shí)現(xiàn)2035年新型電力系統(tǒng)基本建成的目標(biāo)，需要應(yīng)對(duì)一些新情況：

首先，新能源消納壓力劇增。一是項(xiàng)目建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃。新能源項(xiàng)目建設(shè)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于其他電源和電網(wǎng)項(xiàng)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(chǎng)機(jī)制同步消納，容易出現(xiàn)棄風(fēng)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(zhǎng)，部分地區(qū)分布式光伏無(wú)新增接入空間。以福建為例，預(yù)計(jì)2025年分布式光伏將超過(guò)1500萬(wàn)千瓦，遠(yuǎn)超“十四五”規(guī)劃800萬(wàn)千瓦上限；且在2023年底開(kāi)展的分布式光伏接入電網(wǎng)承載力評(píng)估中，10個(gè)試點(diǎn)縣中有4個(gè)縣新增可開(kāi)放容量為0。

其次，電力保供難度加大。一是高峰時(shí)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(jī)主體，但電量季節(jié)分布不均、關(guān)鍵時(shí)刻頂峰能力不強(qiáng)。以福建為例，2022年最大負(fù)荷日，全省風(fēng)電裝機(jī)容量超700萬(wàn)千瓦，但高峰負(fù)荷時(shí)風(fēng)電出力僅為裝機(jī)容量的2.7%；二是電力系統(tǒng)抗災(zāi)能力亟需提升。當(dāng)前暴雨、洪澇、臺(tái)風(fēng)、冰雪等自然災(zāi)害趨多趨強(qiáng)，不僅導(dǎo)致新能源無(wú)法出力，而且嚴(yán)重危害電網(wǎng)和設(shè)備安全，增大了事故風(fēng)險(xiǎn)。第三，新能源使用成本持續(xù)上升。新能源平價(jià)上網(wǎng)不等于平價(jià)利用，為平衡新能源出力波動(dòng)和保障電量消納，需要額外增加電源調(diào)節(jié)、電網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)等方面成本。據(jù)測(cè)算，到2025年，為滿足新能源發(fā)展，額外增加的電網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)等成本將達(dá)到0.2元/千瓦時(shí)，新能源終端利用成本將達(dá)到0.54元/千瓦時(shí)，超出燃煤標(biāo)桿電價(jià)約0.14元/千瓦時(shí)。

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(biāo)下其影響力不言而喻。有行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電能在2025年前可超過(guò)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(dá)到50%，電能逐步占據(jù)核心地位。在這樣的背景下，我們國(guó)家提出了2030年碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

根據(jù)中電聯(lián)預(yù)計(jì)，2024 年新投產(chǎn)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將再超 3 億千瓦，新能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將首次超過(guò)煤電裝機(jī)規(guī)模。 在新能源發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，預(yù)計(jì) 2024 年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá) 到 32.5 億千瓦，同比增長(zhǎng) 12%。其中，并網(wǎng)風(fēng)電 5.3 億千瓦、并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電 7.8 億千瓦，并網(wǎng)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電合計(jì)裝機(jī)規(guī)模將超過(guò)煤電裝機(jī)，占總裝機(jī)比重上升 至 40%。面對(duì)如此快速增長(zhǎng)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(wèn)題和挑戰(zhàn)：第一是，太陽(yáng)能和風(fēng)能的新能源具有波動(dòng)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(diǎn)的“鴨子”曲線。以美國(guó)加州為例，晚上太陽(yáng)落山產(chǎn)電減少，人們下班后夜生活開(kāi)始，用電負(fù)荷上來(lái)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(lái)了很大的問(wèn)題。第二是，高比例新能源對(duì)于電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓帶來(lái)嚴(yán)重的考驗(yàn)。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(yùn)行方式、潮流分布、事故應(yīng)急帶來(lái)困難。第四是，電動(dòng)汽車(chē)充放電的高度時(shí)空不確定性和隨機(jī)性。第五是，有源配電。

配電網(wǎng)原來(lái)是單向無(wú)源的，新興電力系統(tǒng)由于分布式的光伏和儲(chǔ)能進(jìn)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(lái)的系統(tǒng)慣性和阻尼降低及寬頻域振蕩問(wèn)題。第七是，負(fù)荷頻率特性改變，部分電力電子負(fù)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(dòng)、以及電網(wǎng)穩(wěn)定性所需的儲(chǔ)能、諧波去化、無(wú)功補(bǔ)償?shù)妊b置都要借助電力電子裝置來(lái)實(shí)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(yùn)行 過(guò)程中產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率等對(duì)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(shì)就凸顯出來(lái)了此前在行業(yè)會(huì)議上，廈門(mén)大學(xué)講座教授、國(guó)網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長(zhǎng) 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(duì)后者是‘剛需’?！毙滦碗娏ο到y(tǒng)中，尤其在風(fēng)電并網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)、充電負(fù)荷/電源上的應(yīng)用場(chǎng)景使用量很大，對(duì)應(yīng)設(shè)備有風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器儲(chǔ)能PCS、電動(dòng)汽車(chē)充放電V2G等產(chǎn)品中，碳化硅功率產(chǎn)品的導(dǎo)入，為國(guó)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(jiān)實(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償器件及高壓直流輸電等應(yīng)用方面推動(dòng)了智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

接下來(lái)我們分享幾個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景：

固態(tài)變壓器

近年來(lái)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(diǎn)，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(wèn)題。

電力系統(tǒng)中功率開(kāi)關(guān)器件的反向電壓承受力與漂移區(qū)、基區(qū)長(zhǎng)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(guò)6000℃，技術(shù)人員利用擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較高的碳化硅材料制作的高壓功率開(kāi)關(guān)控制器，它的電阻率不用選擇過(guò)高，漂移區(qū)或基區(qū)也不需要太長(zhǎng)，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(dāng)前交流電網(wǎng)比較先進(jìn)的技術(shù)之一。碳化硅電力電子器件能夠科學(xué)、高效的實(shí)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(yù)為世界上靈活性最高、適應(yīng)性最強(qiáng)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(lái)，電網(wǎng)需要并網(wǎng)消納大量的分布式清潔能源和儲(chǔ)能，勢(shì)必要求電網(wǎng)需要具備更強(qiáng)、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(wú)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(tái)”。

△柔性輸配電系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想圖（來(lái)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(shì)，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(diǎn)，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(lái)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(fēng)電場(chǎng)和城市配電網(wǎng)使用。

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

分析機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2024年，高壓直流輸電市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2018年的82億美元增至123億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為6.9%，增長(zhǎng)動(dòng)力主要來(lái)自于對(duì)柔直輸電技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)。

而受市場(chǎng)的拉動(dòng)，2025年高壓直流換流站市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將增至39.4億美元，2020-2025年的復(fù)合年增長(zhǎng)率接近11%。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器件

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有強(qiáng)不確定性、低慣性、弱抗擾性、強(qiáng)非線性，其快速動(dòng)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(jìn)需求。

加之整個(gè)社會(huì)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(shí)際情況也反映了我國(guó)對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)相匹配，所以整個(gè)電力系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。

然而，在增加發(fā)電量的同時(shí)，也需要減少電能在運(yùn)輸時(shí)的消耗，降低電力部門(mén)的運(yùn)營(yíng)成本，所以構(gòu)建功能更加強(qiáng)大、運(yùn)行更加靈活、更加具有韌性的高性能電力電子無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)成為迫切需要。

在電力系統(tǒng)中靜止無(wú)功補(bǔ)償器主要用于潮流控制、無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)，基于二電平電壓源逆變器（voltagesourceconverter，VSC）的STATCOM盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)逆變器通過(guò)變壓器（多重化技術(shù)）或者多電平技術(shù)進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。

△一種新型D-STATCOM電壓控制方法與流程（來(lái)源：國(guó)知局網(wǎng)）

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作為開(kāi)關(guān)。如IGCT其耐壓可達(dá)6.5kV，通斷電流可達(dá)4000A。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級(jí)仍然偏小，需要依靠多電平拓?fù)浠蚱骷?lián)，來(lái)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(jiǎn)化，同時(shí)，由于開(kāi)關(guān)頻率的提高，電能質(zhì)量也將得到提升。在風(fēng)能、太陽(yáng)能等潔凈、可再生能源方面，無(wú)變壓器STATCOM結(jié)構(gòu)將會(huì)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(jī)性、波動(dòng)性、分散性等特點(diǎn)，電源側(cè)出力波動(dòng)加大，負(fù)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(wèn)題更加突出，研究高性能電力電子無(wú)功補(bǔ)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(dāng)前，新型電力系統(tǒng)所采用的碳化硅器件分成兩類(lèi)，一類(lèi)是中低壓的SiC MOSFET器件，電壓范圍為1200V-6500V。這類(lèi)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(chǔ)能PCS等。需求放量是在未來(lái)配網(wǎng)實(shí)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(guó)產(chǎn)碳化硅器件，也將進(jìn)入批量化的應(yīng)用。未來(lái)，電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的大容量變換設(shè)備中萬(wàn)伏千安級(jí)碳化硅器件對(duì)硅器件的替代空間也非常值得想象。“雙碳目標(biāo)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(duì)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(lèi)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(gè)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(dān)負(fù)起推動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率等對(duì)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(wèn)題，更重要的是在成本上也要逐步具備一定的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)方面，特別是在應(yīng)用方面進(jìn)一步開(kāi)展研究，當(dāng)前碳化硅器件的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)探索階段，必須加強(qiáng)應(yīng)用迭代和產(chǎn)業(yè)對(duì)話才能促進(jìn)碳化硅電力電子器件的產(chǎn)品化進(jìn)程。

審核編輯：黃飛