智能電網與能源網融合中的新材料與新裝備技術

寧圃奇 ，韋統振 ，肖立業 ，齊智平，嚴萍

（1. 中國科學院電工研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049）

一、前言

清潔能源的巨大變革使得長距離超大容量的電力輸送、超大規模電網的安全穩定、電網電能質量與供電可靠性的保障以及電網與用電終端效率的提高成為未來電網發展需要重點解決的問題[1～3]。超導電力技術、新型導電體、新型絕緣技術、新型半導體器件、新型傳感技術、儲能技術等在應對未來電網的重大挑戰方面將發揮重大或不可替代的作用，能夠為未來智能電網與能源網的融合提供有力的技術支撐[4,5]。

能源和電力工業是國民經濟的重要基礎工業，是國家經濟發展戰略中的重點和先行產業[6]。但我國能源產地和需求地分布極不均衡，大部分能源資源分布在西部和北部，而需要大量能源的用戶則集中在東部沿海地區，這種能源供需的地理分布失衡決定了我國電能輸送具有跨區域、遠距離和大規模的特點[7]。當前，我國電網的損耗約為7.5%，以2014年總發電量5.5×1012kW·h計算，電網的損耗高達4×1011kW·h，相當于4座三峽電站的發電量?？紤]到未來可再生能源的大量接入以及電能在終端能源中的比重不斷提高，如果沒有技術上的進步，則總的輸電損耗將不可避免地增加[8～10]。因此，采用新型材料技術及新裝備實現大容量、遠距離、高效率的電力輸配成為十分迫切的任務 [11～13]。

為此，本文面向未來智能電網與能源網的融合，分析了新材料及其新裝備的關鍵技術，探討了推動新材料及其新裝備發展對我國能源領域的重大意義。并對國內外新材料及其新裝備在能源領域的應用現狀及存在問題進行了簡要分析。立足現存問題，對我國下一步新材料及其新裝備的布局提出了若干發展建議，以支撐“融合網”戰略發展。

二、面向“融合網”的新材料及其新裝備技術

（一）面向“融合網”的新材料技術

由分布式發電部件、儲能介質、可控負荷和變流裝置等有機融合的分布式能源系統，借助信息電子和電力電子技術，能夠智能地調控本地資源，充分發揮其互補性優勢，為本地用戶和配電網提供優質、可靠、可調度的電能，成為智能電網中重要的研究內容。各類新材料是電網系統中能量變換、電力傳輸和運行控制的直接載體，直接決定著微網的運行效率、安全可靠性和系統成本，是智能電網中最為關鍵的元素之一[4,9,14]。

磁性材料是電網應用的基礎必備材料，先進電工磁性材料探索和制備可極大推動電工裝備的持續發展和新裝備的研制，可提高電網智能電力設備的設計水平和效率，減小電力設備的體積和質量[15～17]。將磁性材料應用于電網智能傳感器，將有助于實現電網信息采集和狀態監測，提高新型電力系統運行的可靠性。因此，如圖1所示，利用磁性材料提升電網智能電力設備和傳感器的性能，是“融合網”提高效率的重要手段，也是“融合網”可靠運行的重要保障。

高效率和高可靠性是未來“融合網”的必然發展趨勢，研究電阻率低、機械強度高、耐腐蝕、磨損性能好、可加工性好、性價比高的新型導電材料，如高性能銅/銅合金材料、銅/碳納米管復合材料、碳-金屬合金材料等，將對未來電網發展具有重大影響。如果此類新材料能把目前導線的電阻率降低1/3，每年節約的電能將高達1×1011kW·h，超過三峽水電站的年總發電量[12]。此外電動機、電力機車和家電等各種用電終端的導線采用新型高導材料，將會進一步降低能耗，有效緩解我國東部地區能源短缺和環境污染等問題[6,18,19]。

圖1 新磁性材料對“融合網”的促進作用

未來特高壓輸電電壓等級的提高與網絡規模的擴大，以及氣電混合網絡傳輸中對絕緣新結構和新技術的需求，使得“融合網”對絕緣系統的結構和材料提出了新的要求；直流輸電導致的空間電荷積聚效應使局部空間電場產生畸變進而會加速絕緣材料的老化，無線輸電網絡的空間絕緣及其能量傳輸存在限制，輸電系統中的空間電荷問題將會對絕緣設備造成影響；電力電子設備的引入會導致更加頻繁的瞬時脈沖過電壓，這改變了絕緣設備的工作環境[20]。因此，新型電工絕緣材料將為未來 “融合網” 提供重要的支撐。

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體材料，是繼以硅和砷化鎵為代表的第一代、第二代半導體材料之后迅速發展起來的新型半導體材料。和硅材料相比，SiC和GaN具有10倍以上的擊穿電場強度和3倍的禁帶寬度[21]。因此，SiC和GaN器件具有極低的導通比電阻、很高的開關速度和頻率。此外，SiC和GaN電力電子器件的最大理論工作溫度是硅器件的4倍以上，有助于散熱系統的優化和功率密度的進一步提升，更能滿足電網的特殊應用[22]。寬禁帶半導體器件以其優異的性能，將廣泛應用于未來電網的發電、輸電和用電側中，必將給智能電網帶來革命性的變化。

（二）面向“融合網”的新裝備技術

1.基于新型半導體器件的電力電子裝備將廣泛應用

以新型半導體器件制造的新型電力電子裝備，以其優異的性能將廣泛應用于未來電網的發電、輸電和用電側，如綠色能源開發、下一代電網、軌道交通、電動汽車、大型節能電機以及消費電子等領域。由分布式發電部件、儲能介質、可控負荷和變流裝置等有機融合的分布式能源系統，借助信息電子和電力電子技術，能夠智能地調控本地資源，充分發揮其互補性優勢，從而為本地用戶和配電網提供優質、可靠、可調度的電能，成為智能電網中重要的研究內容[19～22]。功率變換器是電網系統中能量變換、電力傳輸和運行控制的載體，直接決定著微網的運行效率、安全可靠性和系統成本，是智能電網中最為關鍵的電力裝備之一[3,19]。

2. 狀態的充分監測與感知是未來“融合網”的重要特征

隨著現代電力技術的發展，電力電子器件已經成為電力調控的重要手段，對電力裝備運行的可靠性提出了更高的要求；電力電子技術也讓可再生能源從集中式并網向分布式供能發展，分布式的電網體系對于運行狀態的監控以及感知提出了更高的要求[23]。因此傳統的高電壓及大電流的測量手段將面臨嚴峻的考驗。隨著光電子技術的高速發展，基于激光和光纖的傳感技術得到了極大地拓展，考慮到光學檢測系統具有天然良好的絕緣性和抗干擾能力，較高的測量精度和容易小型化、可分布組網等優越性，可滿足未來能源系統的“融合網”中需要的實時分布監控的要求，因此大力發展基于光學的測量、監控及感知系統是“融合網”的重要發展方向。

3. 儲能在未來“融合網”中不可或缺

大力發展可再生能源已成為我國的重要國策，然而，由于風力發電和光伏發電等可再生能源發電具有隨機性和間歇性的特點，當它們大量接入電網時，將對電網的安全、可靠、高效運行帶來了很大的挑戰[24]。另一方面，我國經濟長期保持高速發展，電力負荷增長很快，電力負荷的結構變化也很快，電力供需矛盾日益突出，致使電力負荷和峰谷差有不斷增大的趨勢。這使電力系統必須留有很大的備用容量，導致電力系統中設備運行效率降低[25]。儲能裝置（儲電、儲冷、儲熱等）可以為電網和能源網提供能量緩沖作用，作為網絡中的特殊單元，可以被靈活地控制和調度。在電網的削峰填谷、改善電能質量、提高供電可靠性、提高可再生能源并網發電率、提高能源轉換效率等方面的作用越來越重要和不可或缺，是實現電力系統安全、可靠、清潔、高效、經濟的必要環節，也是實現智能電網與能源網融合的重要功能單元。

4. 超導技術廣泛應用于未來“融合網”

超導技術可以廣泛應用于超導輸電電纜、超導變壓器、超導發電機、超導電動機、超導限流器、超導儲能系統等多方面[14,26]。表1列出了各種超導電力設備對電網的作用和影響。由此可見，超導輸電電纜將可以為未來電網提供一種低損耗、大容量的電力輸送方案，有助于解決現有輸電損耗高和輸電走廊緊張問題；超導限流器可以有效降低電網的短路電流從而保障大電網的安全穩定性；超導儲能系統可以對波動的可再生能源電力進行有效的正補償和負補償，從而提高電網吸納可再生能源的能力；超導變壓器、超導發電機和超導電動機在提高電氣設備效率、減少占地面積方面也具有不可替代的優勢。因此，如果超導技術能夠實現在電網中的廣泛應用，則可以有效應對可再生能源變革對電網帶來的一系列重大挑戰，對未來電網的發展產生重大意義，因而被美國能源部認為是21世紀電力工業唯一的高技術儲備。

表1 各種超導電力設備對未來電網的作用和影響

三、面向“融合網”新材料及其裝備的發展趨勢與挑戰

本研究方向具有鮮明的創新性和前沿性，一旦取得突破將給智能電網發展帶來根本性的變革，滿足國家經濟、社會發展對節能減排和能源科技創新的重大需求，為節約資源、降低能耗、保護環境等做出積極貢獻。

1.“融合網”對超導新材料及其裝備的需求

近年來，我國在新超導體的發現、超導物理機制的認識、超導材料的制備和超導技術的發展等方面取得了長足的進步，為應對新能源革命對電網帶來的重大挑戰提供了一條可能的技術途徑[27]。近年超導電力技術主要呈現以下發展趨勢：①向更高電壓等級或更大容量方向發展；②應用原理向多樣化和功能集成化方向發展；③與智能電網技術的發展需求相結合；④開始更多面向直流電網發展需求。但要真正實現規模應用，還存在多方面的問題亟待解決，主要包括：①需要提高超導材料的臨界溫度；②需要大幅提高輔助設備（主要是低溫和制冷設備）的長期運行可靠性；③需要進一步大幅降低高溫超導材料的價格。

2. “融合網”對高導電材料和新型磁性材料的需求

我國高導電材料和新型磁性材料的研究已經取得了一定進展，但研究剛剛起步，突破性成果并不多，目前主要研究重點是：①新型材料微觀結構的形成及作用機制；②新型材料加工成型中組織形成機制及演化規律；③高強度負載下新材料結構、組織與性能耦合響應機制。

3. “融合網”對絕緣材料的需求

高電壓絕緣材料新技術未來的發展方向就是針對未來電網需求，研發能夠在較高溫度和較高電場等惡劣環境下正常穩定運行的絕緣材料，但這其中面臨的困難也是顯而易見的，無論是成本和絕緣效果的平衡，還是環境保護對未來絕緣材料提出的新的需求，都是在未來的研究中需要考慮的問題[28,29]。但總體而言，我國的高電壓外絕緣材料技術仍是向著低能源及成本消耗、高安全性和運行穩定性以及可持續發展等方向不斷發展。

4. “融合網”對電力電子新器件的需求

目前市場上主流的高頻全控器件基本上被國外所壟斷，我國尚未掌握其關鍵技術，導致相關重大裝備受制于人。同時，國際上第三代半導體材料和器件技術的發展水平日新月異，對我國電力電子技術和產業開始了新一輪的沖擊[30～32]。需要盡快開展的重點研究包括：SiC、GaN等寬禁帶半導體材料的大尺寸、低缺陷、高可靠制備；半導體材料的表面溝道鈍化技術；新型半導體材料的研制和功能解析；更高電壓等級、更大電流容量、更低導通電阻、更快開關速度的硅基電力電子器件的設計和制備；多芯片多模塊的功率器件組合擴容和串并聯技術；寬溫度特性、高運行特性的新一代電力電子器件的新結構、新工藝、新原理和新設計；電力電子功率器件的先進封裝、驅動、保護技術；電力電子功率器件的可靠性分析和應用技術等[33]。

5.“融合網”對新型傳感技術的需求

光纖傳感新技術方面，主要向納米光學發展，主要利用近場、表面等離激元、光子晶體等技術對敏感效應進行加強，從而進一步提高傳感器的靈敏度[32]。在應用方面，目前全光纖的傳感器在環境穩定性和度穩定性方面還有大量的研究工作要做。光纖技術的發展可以將光學傳感器以光的形式聯系起來，形成真正的全光纖傳感器網絡，建立多元的全光纖電力設備狀態檢測系統是未來智能電網發展的大勢所趨。

6.“融合網”對新型儲能技術的需求

我國尚未完全掌握新型儲能技術，主要瓶頸有：壓縮空氣儲能中高負荷壓縮機技術，系統研發尚處在示范階段；飛輪儲能的高速電機、高速軸承和高強度復合材料等關鍵技術尚未突破；化學電池儲能中關鍵材料制備與批量化/規模技術，特別是電解液、離子交換膜、電極、模塊封裝和密封等與國際先進水平仍有明顯差距；超級電容器中高性能材料和大功率模塊化技術，以及超導儲能中高溫超導材料等尚未實現突破[34]。另外，一些新型儲能技術的研究和知識產權布局沒有得到足夠的重視和支持。

四、發展面向“融合網”新材料戰略建議

（一）推動超導技術與新裝備技術融合，培育能源產業新發展

超導技術一旦取得重大突破，將同時對電力、能源、交通、通信、醫療、科學研究等帶來重大的影響。因此建議國家科技部門以實現超導電力技術的現實應用為目標牽引，加強總體設計和制定近、中、遠期發展戰略路線圖，突出目標驅動導向，通過國家重點研發計劃予以長期穩定支持[33,34]。國家也只有通過對類似的基礎性、前瞻性的高風險項目的長期穩定支持，才可能實現重大原創突破和科技創新能力的全面提升[35]。作為重要切入點，建議在我國現有超導研究的基礎上，啟動更高運行溫度（例如液化天然氣溫度及以上）的超導輸電示范工程項目，通過15～20年的努力，建成百公里級超導輸電示范系統。圍繞該項目，重點突破示范目標所涉及的超導物理基礎、高溫超導材料制備關鍵技術、長壽命高可靠性低溫與制冷關鍵技術、超導輸電電纜制造關鍵技術，以點帶面，全面促進我國超導技術在各個領域的應用發展[36]。

（二）加速高性能導電、絕緣、磁性材料的研究與開發，補齊基礎設施短板

結合目前國家戰略需求和智能電網對導電材料的具體需求，建議開展以下幾方面研究：①優先開展高性能導電材料、絕緣材料、磁性材料的研究與開發，解決材料在制備、加工過程中的關鍵科學問題；②推動新型導電材料、絕緣材料、磁性材料在國家電網等重大領域的應用和驗證，制備大容量、低能耗、遠距離輸電電纜與變壓器等[37]；③基于新型導電材料、絕緣材料、磁性材料的電氣性能、熱性能，制備電力電子裝備；④建設完善的新型導電材料、絕緣材料、磁性材料性能測試平臺，建立行業或國家標準，加強學科建設和人才培養。

（三）深化電力電子技術器件領域建議，實現獨立自主

為更好地促進我國電力電子技術器件的自主創新，建立強大、完整、獨立的電力電子器件產業，從政府規劃、技術研發、產業推進和條件支撐等四個方面提出以下建議：①在政府規劃方面，全面提高電力電子器技術的地位，列入國家中長期規劃；②在技術研發方面，以器件為核心，從材料、器件和應用三個環節層層推進，全面掌握核心關鍵技術；③在產業推進方面，著重提高電力電子器件產業核心競爭力，促進產業健康發展；④在條件支撐方面，加強組織領導，建立完備的平臺、人才體系[38]。

（四）完善儲能裝備系統級規劃，成為“融合網”支撐

在具體技術路線規劃方面，有如下五點建議：①必須明確儲能裝備（本體）技術和儲能應用技術的區別和聯系；②對于大型并網示范項目，應該借鑒或利用已有電網模擬系統，論證關鍵應用技術問題，先模擬后建設；③以具體儲能應用場景需求以及技術發展所處不同等級進行規劃；④加強儲能項目立項與結題的知識產權競爭力評估和技術應用前景評估；⑤建立儲能產業聯合創新研究機構，重視產業規劃與布局[39]。

五、結語

新材料及其新裝備技術是支撐未來智能電網與能源網融合的重要基礎，本文首先闡述了新材料及其新裝備的主要技術，比較分析了技術特點，并指出新材料及其新裝備對能源市場化改革、能源系統智慧化升級以及推動能源行業創新發展的重要意義。然后分析總結了我國新材料與新裝備仍存在的短板和突出問題。最后，本文針對面向“融合網”需求，進一步提煉了對新材料及其新裝備的建議。