雄安电站采用国产SiC！电网需求比汽车还大

“两会”刚刚闭幕，中国的“双碳”政策赢得了世界关注，一场关乎电网革命正在加速推进，而碳化硅技术正处于这场革命的风暴眼。

“电网对碳化硅器件需求应该会比新能源汽车还大”，而随着雄安新区碳化硅柔性变电站示范工程即将落地，这一巨大市场需求开始露出冰山一角。

究竟电网碳化硅的需求有多大？为什么碳化硅可以助力新型电力系统？国产碳化硅在电网中的应用如何？行家说就此采访了中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员邱宇峰。

雄安变电站采用国产碳化硅

多个国重项目推动电网应用

据邱宇峰分析，“碳化硅产业会有两波应用浪潮，第一波在电动汽车领域，第二波在电网领域，而未来电网的需求将比新能源汽车更大。”

邱宇峰：中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员

能源安全是全球各国政府关注的焦点，今年“两会”再次把能源安全写进政府报告。向清洁可再生能源转型是实现能源安全的重要举措，而转型的关键是要大量采用由电力电子器件构成的柔性交直流输电设备（后文将展开分析），为此需要构建自主可控的本土硅基IGBT和碳化硅器件供应链。

邱宇峰曾担任国家电网全球能源互联网研究院院长，而且负责了多个与电网碳化硅相关的国家重点研发计划项目，比如大功率SiC MOSFET产业化、18kV SiC IGBT模块开发等。

据他透露，2022年国重项目又布局了一个与电网相关的中低压碳化硅项目——“3300-6500V SiC MOSFET器件产品化开发和工程化应用，其应用包括高铁和智能电网两个领域，整体目标是在‘十四五’期间，实现中低压碳化硅器件的商业化量产。”

而且国产碳化硅器件的研发也取得了突破性进展，即将在电网中得到示范应用。邱宇峰告诉行家说，“今年国网将在雄安新区建设一个全碳化硅的电力电子柔性变电站，采用的是全国产的6500V/400A的SiC MOSFET模块。”

中低压碳化硅将批量应用

万伏千安级是未来方向

事实上，除了中国外，其他国家和地区对电网用碳化硅技术的研究也非常热衷。

部分国家和地区的电网碳化硅技术项目 来源：行家说

而一些电力系统设备供应商也早就开发了碳化硅方案，ABB集团甚至在2000年的愿景中表示，要将所有高压转换器转换为碳化硅。

电网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。邱宇峰告诉行家说，“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。”

据其分析，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，未来三五年内能够进入批量化的应用。

ABB硅基6.5kV、300A牵引模块(上)；Wolfspeed 1200V SiC MOSFET(中)；ABB晶闸管（下） 来源：瑞士苏黎世理工大学

第二类是高压大电流碳化硅器件，主要应用于电网输电环节的大容量变换设备。邱宇峰认为，“这个环节也需要用碳化硅来取代现在的硅基器件，国内已经开展了多个项目进行研发，目标是将碳化硅器件做到万伏级。”

据了解，2021年12月7日，国家重点研发计划项目“碳化硅大功率电力电子器件及应用基础理论研究”项目综合绩效评价会议在北京举行。该项目由全球能源互联网研究院有限公司牵头，项目负责人邱宇峰在会上做了汇报。

经专家评议，该项目的实施，取得成果包括18kV SiC IGBT用全结构多层外延材料、国内首枚18kV/12.5A SiC IGBT芯片、国际上功率最大的18kV/125A压接型SiC IGBT器件、国际上首次完成18kV SiC IGBT器件在24kV母线电压的串联应用验证。

邱宇峰认为，未来碳化硅器件真正要能在电网中应用就需要做到得万伏千安级，“按照国家科技部制定的总体目标，‘十四五’末期万伏千安级碳化硅器件会出样品，到2030年万伏千安级碳化硅器件能实现示范工程小批量应用，2035年左右应该能够实现商业化应用。”

他坦率表示，万伏千安级碳化硅器件的开发相当难，但是它一定是方向，电网应用一定会朝这个方面去发展。

在需求量方面，目前电网应用的电力电子设备只是作为解决“特需”的手段，因而目前电力电子设备（柔性交/直流输电设备）在电网中的应用的还不多。但随着分布式电源进入配网，形成有源配网后，电力电子技术将成为刚需。“一旦变成刚需，电网对碳化硅的需求量，相比现在将是数量级大幅增加。”

据某文献统计，一个柔性直流输电换流站需采用810个1.5kV硅基开关元件。据国家电网分析，张北柔直电网工程的一个四端直流电网，约需要采用4万只IGBT器件。

柔性直流输电换流站采用硅基开关元件数量

如果采用18kV SiC IGBT，一只可以替代4只4500V硅基IGBT，约需要1万只18kV SiC IGBT。而且由于电网碳化硅器件尺寸大，因此一旦起量，将非常考验碳化硅衬底的产能供应。

邱宇峰认为，从未来电网的总需求来看，按照目前的碳化硅产能布局，整体供应是非常不足的，缺口相当大。“相关企业还得在这方面早做准备”。

《2021第三代半导体调研白皮书》对国内的碳化硅项目进行了全面统计，公开报道的碳化硅衬底相关项目有43个（部分项目未建或中止），而进入2022年又有众多碳化硅衬底项目在加快建设。3月16日，根据中建一局消息，上海天岳的碳化硅半导体材料项目已经封顶。该项目总建筑面积9.5万平方米，总投资25亿元，达产后可年形成30万片导电型碳化硅衬底的生产能力。

两会推动电网变革

柔性交/直流输电成关键技术支撑

能源低碳转型包含两方面含义，一是改变能源的生产方式，二是改变能源的消费方式，主要的标志是用光伏和风电等清洁可再生能源，取代传统的化石能源。

电网是能源的生产、传输、消纳、利用的主要载体，邱宇峰认为，在我国“双碳”目标的实现过程中，电网发挥着重要作用，电力系统必须要进行一场深刻的变革转型，而电网转型的一个突出特征是大量采用柔性交/直流输电技术。

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”。

常见的微电网 来源：北京航空大学

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。

换流站与电力电子器件 来源：瑞典皇家理工学院

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。

交流输电变流站（左）与柔直变流站（右） 来源：ABB

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。