话题｜碳化硅在新型电力系统中的应用与可靠性研究

今年两会期间，全国政协委员，国网福建电力董事长、党委书记阮前途表示，新型电力系统是建设新型能源体系、服务碳达峰碳中和的重要载体。实现2035年新型电力系统基本建成的目标，需要应对一些新情况：

首先，新能源消纳压力剧增。一是项目建设缺乏统筹规划。新能源项目建设周期远远短于其他电源和电网项目，如果不能做到电网和电源同步规划、同步投产，以及利用市场机制同步消纳，容易出现弃风弃光；二是局部电网承载能力不足。分布式光伏呈井喷式增长，部分地区分布式光伏无新增接入空间。以福建为例，预计2025年分布式光伏将超过1500万千瓦，远超“十四五”规划800万千瓦上限；且在2023年底开展的分布式光伏接入电网承载力评估中，10个试点县中有4个县新增可开放容量为0。

其次，电力保供难度加大。一是高峰时段新能源有效发电能力不足。新能源已成为新增发电装机主体，但电量季节分布不均、关键时刻顶峰能力不强。以福建为例，2022年最大负荷日，全省风电装机容量超700万千瓦，但高峰负荷时风电出力仅为装机容量的2.7%；二是电力系统抗灾能力亟需提升。当前暴雨、洪涝、台风、冰雪等自然灾害趋多趋强，不仅导致新能源无法出力，而且严重危害电网和设备安全，增大了事故风险。

第三，新能源使用成本持续上升。新能源平价上网不等于平价利用，为平衡新能源出力波动和保障电量消纳，需要额外增加电源调节、电网补强等方面成本。据测算，到2025年，为满足新能源发展，额外增加的电网补强等成本将达到0.2元/千瓦时，新能源终端利用成本将达到0.54元/千瓦时，超出燃煤标杆电价约0.14元/千瓦时。

以碳化硅为代表的新型电力电子大有可为

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。有行业数据统计，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年前实现碳中和的目标。

根据中电联预计，2024 年新投产发电装机规模将再超 3 亿千瓦，新能源发电累计装机规模将首次超过煤电装机规模。 在新能源发电持续快速发展的带动下，预计 2024 年底，全国发电装机容量预计达 到 32.5 亿千瓦，同比增长 12%。其中，并网风电 5.3 亿千瓦、并网太阳能发电 7.8 亿千瓦，并网风电和太阳能发电合计装机规模将超过煤电装机，占总装机比重上升 至 40%。

面对如此快速增长的以新能源为主体的新型电力系统也面临着一系列突出的问题和挑战：

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。

在新型电力系统中，可再生能源并网发电、 交流-直流电网的功率传输与柔性互联、配用电侧交直流变换及功率双向流动、以及电网稳定性所需的储能、谐波去化、无功补偿等装置都要借助电力电子装置来实现。

电力电子设备的大量接入将大幅改变电力系统内部电气特征，电力电子装置运行 过程中产生的谐波、无功功率等对电能质量、功率因数、电网稳定性造成不利影响。

这里碳化硅的优势就凸显出来了

此前在行业会议上，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等产品中，碳化硅功率产品的导入，为国内柔性化、电力电子化新型电力系统的高质量发展提供了坚实助力。

碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、静止无功补偿器件及高压直流输电等应用方面推动了智能电网的发展和变革。

接下来我们分享几个主要应用场景：

固态变压器

近年来分布式发电系统和智能电网技术不断发展，固态变压器是电力电子变流器和高压变压器中能量转换的关键装置，相较于传统变压器具有体积较小、供电质量较高、供电效率比较高、工作性能稳定的特点，在电力系统中应用将有效解决传统变压器所存在的问题。

电力系统中功率开关器件的反向电压承受力与漂移区、基区长度以及电阻率具有密切的关系，碳化硅材料制造的电力系统器件，它的工作温度最高能够超过6000℃，技术人员利用击穿电场强度较高的碳化硅材料制作的高压功率开关控制器，它的电阻率不用选择过高，漂移区或基区也不需要太长，工作频率就能有大幅度的提高。

柔性交/直流输电技术

柔性交流输电系统是当前交流电网比较先进的技术之一。碳化硅电力电子器件能够科学、高效的实现系统电压、功率和输电品质的控制，并能够有效降低输电的损耗。

柔性直流输电是基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC），由换流站和直流输电线路构成。它被誉为世界上灵活性最高、适应性最强的新一代输电技术，是支撑能源转型和新型电力系统构建的重要技术手段。

未来，电网需要并网消纳大量的分布式清洁能源和储能，势必要求电网需要具备更强、更灵活的调节、控制以及输送路线选择能力，而目前的高压交流并网技术无法满足需求，亟需在输电网和配电网中大量采用柔性交/直流输电技术，而这将是碳化硅材料和器件技术的“舞台”。

△柔性输配电系统发展设想图（来源：知乎）

目前，高压输电方式主要有三种：交流、常规直流、柔性直流。

与高压交流输电相比，常规直流输电具备优势，比如导线设置成本可减少33%，可提高了用电效率和电能质量。但也有缺点，由于它使用晶闸管，灵活性较差，控制能力较差，最重要的是，它需安装大量的滤波装置来消除，因此占地面积比交流输电要大两倍以上，尤其不适合风电场和城市配电网使用。

而柔直输电可节省交流滤波器场的用地，据测算，相比常规直流输电，它可节约20%用地。

分析机构预测，2024年，高压直流输电市场预计将从2018年的82亿美元增至123亿美元，复合年增长率为6.9%，增长动力主要来自于对柔直输电技术的需求不断增长。

而受市场的拉动，2025年高压直流换流站市场规模预计将增至39.4亿美元，2020-2025年的复合年增长率接近11%。

静止无功补偿器件

以新能源为主体的新型电力系统具有强不确定性、低惯性、弱抗扰性、强非线性，其快速动态响应的特性及系统规模庞大的特征给电网电压稳定又提出了新的挑战和迫切的改进需求。

加之整个社会的发展速度由于能源的供应速度而不断提升，这些年的实际情况也反映了我国对于电能的需求量在不断提升，电力输送行业必须与不断发展的社会经济相匹配，所以整个电力系统的建设规模也在不断扩大。

然而，在增加发电量的同时，也需要减少电能在运输时的消耗，降低电力部门的运营成本，所以构建功能更加强大、运行更加灵活、更加具有韧性的高性能电力电子无功补偿系统成为迫切需要。

在电力系统中静止无功补偿器主要用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性，具有体积小、响应速度快以及连续可调等优点，基于二电平电压源逆变器(voltagesourceconverter，VSC)的STATCOM尽管结构简单，但需要高压大功率的电力电子器件，目前的硅器件尚不能满足这种高压大容量输电系统要求。

因此，通常需要将多个逆变器通过变压器(多重化技术)或者多电平技术进行组合，以实现系统要求。

△一种新型D-STATCOM电压控制方法与流程

（来源：国知局网）

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作为开关。如IGCT其耐压可达6.5kV，通断电流可达4000A。但在输电系统中，其电压电流等级仍然偏小，需要依靠多电平拓扑或器件串联，来提高耐压能力。高压碳化硅IGBT、GTO等的研发成功，STATCOM的结构可以大大简化，同时，由于开关频率的提高，电能质量也将得到提升。在风能、太阳能等洁净、可再生能源方面，无变压器STATCOM结构将会得到大力推广和应用。

由于新型电力系统所呈现的“双高”特性，且基于新能源发电具有随机性、波动性、分散性等特点，电源侧出力波动加大，负荷侧不确定性增加，电力系统功率平衡压力增加，电网电压控制问题更加突出，研究高性能电力电子无功补偿系统在新型电力系统稳压控制中的应用与展望十分重要。

当前，新型电力系统所采用的碳化硅器件分成两类，一类是中低压的SiC MOSFET器件，电压范围为1200V-6500V。这类碳化硅器件主要用在配电网，比如分布能源的光伏逆变器、储能PCS等。

需求放量是在未来配网实现有源化之后，交流和直流的连接必须采用柔性的电力电子变换设备，而3300V中低压的国产碳化硅器件，也将进入批量化的应用。

未来，电网输电环节的大容量变换设备中万伏千安级碳化硅器件对硅器件的替代空间也非常值得想象。

“双碳目标背景下，新型电力系统的构建也还面临诸多挑战，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。

而面向电网应用的碳化硅器件，也还需要克服电力电子装置运行过程中产生的谐波、无功功率等对电能质量、功率因数、电网稳定性造成不利影响等问题，更重要的是在成本上也要逐步具备一定的竞争力，这需要在碳化硅产业链从大尺寸高质量衬底外延材料，芯片电流密度，高压绝缘封装技等各个方面，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，必须加强应用迭代和产业对话才能促进碳化硅电力电子器件的产品化进程。

来源：碳化硅芯观察

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