碳化硅在新型電力體系中的應用

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

首先，新能源消納壓力劇增。一是項目建設缺乏統籌規劃。新能源項目建設周期遠遠短于其他電源和電網項目，如果不能做到電網和電源同步規劃、同步投產，以及利用市場機制同步消納，容易出現棄風棄光；二是局部電網承載能力不足。分布式光伏呈井噴式增長，部分地區分布式光伏無新增接入空間。以福建為例，預計2025年分布式光伏將超過1500萬千瓦，遠超“十四五”規劃800萬千瓦上限；且在2023年底開展的分布式光伏接入電網承載力評估中，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電能力不足。新能源已成為新增發電裝機主體，但電量季節分布不均、關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%；二是電力系統抗災能力亟需提升。當前暴雨、洪澇、臺風、冰雪等自然災害趨多趨強，不僅導致新能源無法出力，而且嚴重危害電網和設備安全，增大了事故風險。第三，新能源使用成本持續上升。新能源平價上網不等于平價利用，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節、電網補強等方面成本。據測算，到2025年，為滿足新能源發展，額外增加的電網補強等成本將達到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體材料的代表，在雙碳目標下其影響力不言而喻。有行業數據統計，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年前實現碳中和的目標。

根據中電聯預計，2024 年新投產發電裝機規模將再超 3 億千瓦，新能源發電累計裝機規模將首次超過煤電裝機規模。 在新能源發電持續快速發展的帶動下，預計 2024 年底，全國發電裝機容量預計達 到 32.5 億千瓦，同比增長 12%。其中，并網風電 5.3 億千瓦、并網太陽能發電 7.8 億千瓦，并網風電和太陽能發電合計裝機規模將超過煤電裝機，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也面臨著一系列突出的問題和挑戰：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”，所以才出現非常有特點的“鴨子”曲線。以美國加州為例，晚上太陽落山產電減少，人們下班后夜生活開始，用電負荷上來就導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的調峰、調頻、調壓帶來嚴重的考驗。第三是，送端和受端隨新能源發電出力變化而產生角色換位，且頻繁發生，給運行方式、潮流分布、事故應急帶來困難。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。

配電網原來是單向無源的，新興電力系統由于分布式的光伏和儲能進了配網，使得配電網有源化，有源配電網也是新型電力系統將要面臨的艱巨挑戰。第六是，高比例電力電子裝備帶來的系統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反頻率特性。在新型電力系統中，可再生能源并網發電、 交流-直流電網的功率傳輸與柔性互聯、配用電側交直流變換及功率雙向流動、以及電網穩定性所需的儲能、諧波去化、無功補償等裝置都要借助電力電子裝置來實現。

電力電子設備的大量接入將大幅改變電力系統內部電氣特征，電力電子裝置運行 過程中產生的諧波、無功功率等對電能質量、功率因數、電網穩定性造成不利影響。這里碳化硅的優勢就凸顯出來了此前在行業會議上，廈門大學講座教授、國網全球能源互聯網研究院原院長 邱宇峰表示，“在傳統電力設備和新型電力系統中，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中，尤其在風電并網、光伏儲能電網、充電負荷/電源上的應用場景使用量很大，對應設備有風機變流器、光伏逆變器儲能PCS、電動汽車充放電V2G等產品中，碳化硅功率產品的導入，為國內柔性化、電力電子化新型電力系統的高質量發展提供了堅實助力。

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

接下來我們分享幾個主要應用場景：

固態變壓器

近年來分布式發電系統和智能電網技術不斷發展，固態變壓器是電力電子變流器和高壓變壓器中能量轉換的關鍵裝置，相較于傳統變壓器具有體積較小、供電質量較高、供電效率比較高、工作性能穩定的特點，在電力系統中應用將有效解決傳統變壓器所存在的問題。

電力系統中功率開關器件的反向電壓承受力與漂移區、基區長度以及電阻率具有密切的關系，碳化硅材料制造的電力系統器件，它的工作溫度最高能夠超過6000℃，技術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控制器，它的電阻率不用選擇過高，漂移區或基區也不需要太長，工作頻率就能有大幅度的提高。

柔性交/直流輸電技術

柔性交流輸電系統是當前交流電網比較先進的技術之一。碳化硅電力電子器件能夠科學、高效的實現系統電壓、功率和輸電品質的控制，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成。它被譽為世界上靈活性最高、適應性最強的新一代輸電技術，是支撐能源轉型和新型電力系統構建的重要技術手段。

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

△柔性輸配電系統發展設想圖（來源：知乎）

目前，高壓輸電方式主要有三種：交流、常規直流、柔性直流。

與高壓交流輸電相比，常規直流輸電具備優勢，比如導線設置成本可減少33%，可提高了用電效率和電能質量。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使用。

而柔直輸電可節省交流濾波器場的用地，據測算，相比常規直流輸電，它可節約20%用地。

分析機構預測，2024年，高壓直流輸電市場預計將從2018年的82億美元增至123億美元，復合年增長率為6.9%，增長動力主要來自于對柔直輸電技術的需求不斷增長。

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

靜止無功補償器件

以新能源為主體的新型電力系統具有強不確定性、低慣性、弱抗擾性、強非線性，其快速動態響應的特性及系統規模龐大的特征給電網電壓穩定又提出了新的挑戰和迫切的改進需求。

加之整個社會的發展速度由于能源的供應速度而不斷提升，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，電力輸送行業必須與不斷發展的社會經濟相匹配，所以整個電力系統的建設規模也在不斷擴大。

然而，在增加發電量的同時，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成為迫切需要。

在電力系統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穩定性，具有體積小、響應速度快以及連續可調等優點，基于二電平電壓源逆變器（voltagesourceconverter，VSC）的STATCOM盡管結構簡單，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要求。

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

△一種新型D-STATCOM電壓控制方法與流程（來源：國知局網）

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作為開關。如IGCT其耐壓可達6.5kV，通斷電流可達4000A。但在輸電系統中，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，來提高耐壓能力。高壓碳化硅IGBT、GTO等的研發成功，STATCOM的結構可以大大簡化，同時，由于開關頻率的提高，電能質量也將得到提升。在風能、太陽能等潔凈、可再生能源方面，無變壓器STATCOM結構將會得到大力推廣和應用。

由于新型電力系統所呈現的“雙高”特性，且基于新能源發電具有隨機性、波動性、分散性等特點，電源側出力波動加大，負荷側不確定性增加，電力系統功率平衡壓力增加，電網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在新型電力系統穩壓控制中的應用與展望十分重要。

當前，新型電力系統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，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實現有源化之后，交流和直流的連接必須采用柔性的電力電子變換設備，而3300V中低壓的國產碳化硅器件，也將進入批量化的應用。未來，電網輸電環節的大容量變換設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，新型電力系統的構建也還面臨諸多挑戰，電力電子技術是應對這些挑戰的關鍵技術手段，電網將向靈活柔性電力電子化方向發展。

各類電力電子設備將在新能源為主體的新型電力系統各個層面發揮關鍵支撐作用，碳化硅器件將在電網中得到廣泛推廣應用，并且擔負起推動電網向靈活柔性電力電子化方向發展的重任。而面向電網應用的碳化硅器件，也還需要克服電力電子裝置運行過程中產生的諧波、無功功率等對電能質量、功率因數、電網穩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，這需要在碳化硅產業鏈從大尺寸高質量襯底外延材料，芯片電流密度，高壓絕緣封裝技等各個方面，特別是在應用方面進一步開展研究，當前碳化硅器件的應用尚處于試驗探索階段，必須加強應用迭代和產業對話才能促進碳化硅電力電子器件的產品化進程。

審核編輯：黃飛