智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)融合中的新材料與新裝備技術

寧圃奇 ，韋統(tǒng)振 ，肖立業(yè) ，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(guī)模電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、電網(wǎng)電能質(zhì)量與供電可靠性的保障以及電網(wǎng)與用電終端效率的提高成為未來電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)的重大挑戰(zhàn)方面將發(fā)揮重大或不可替代的作用，能夠為未來智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)的融合提供有力的技術支撐[4,5]。

能源和電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎工業(yè)，是國家經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略中的重點和先行產(chǎn)業(yè)[6]。但我國能源產(chǎn)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(qū)，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(qū)域、遠距離和大規(guī)模的特點[7]。當前，我國電網(wǎng)的損耗約為7.5%，以2014年總發(fā)電量5.5×1012kW·h計算，電網(wǎng)的損耗高達4×1011kW·h，相當于4座三峽電站的發(fā)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(xiàn)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(wǎng)與能源網(wǎng)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(fā)展對我國能源領域的重大意義。并對國內(nèi)外新材料及其新裝備在能源領域的應用現(xiàn)狀及存在問題進行了簡要分析。立足現(xiàn)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(fā)展建議，以支撐“融合網(wǎng)”戰(zhàn)略發(fā)展。

二、面向“融合網(wǎng)”的新材料及其新裝備技術

（一）面向“融合網(wǎng)”的新材料技術

由分布式發(fā)電部件、儲能介質(zhì)、可控負荷和變流裝置等有機融合的分布式能源系統(tǒng)，借助信息電子和電力電子技術，能夠智能地調(diào)控本地資源，充分發(fā)揮其互補性優(yōu)勢，為本地用戶和配電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)、可靠、可調(diào)度的電能，成為智能電網(wǎng)中重要的研究內(nèi)容。各類新材料是電網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)的運行效率、安全可靠性和系統(tǒng)成本，是智能電網(wǎng)中最為關鍵的元素之一[4,9,14]。

磁性材料是電網(wǎng)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(xù)發(fā)展和新裝備的研制，可提高電網(wǎng)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(zhì)量[15～17]。將磁性材料應用于電網(wǎng)智能傳感器，將有助于實現(xiàn)電網(wǎng)信息采集和狀態(tài)監(jiān)測，提高新型電力系統(tǒng)運行的可靠性。因此，如圖1所示，利用磁性材料提升電網(wǎng)智能電力設備和傳感器的性能，是“融合網(wǎng)”提高效率的重要手段，也是“融合網(wǎng)”可靠運行的重要保障。

高效率和高可靠性是未來“融合網(wǎng)”的必然發(fā)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(wǎng)發(fā)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(jié)約的電能將高達1×1011kW·h，超過三峽水電站的年總發(fā)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(qū)能源短缺和環(huán)境污染等問題[6,18,19]。

圖1 新磁性材料對“融合網(wǎng)”的促進作用

未來特高壓輸電電壓等級的提高與網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，以及氣電混合網(wǎng)絡傳輸中對絕緣新結(jié)構(gòu)和新技術的需求，使得“融合網(wǎng)”對絕緣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生畸變進而會加速絕緣材料的老化，無線輸電網(wǎng)絡的空間絕緣及其能量傳輸存在限制，輸電系統(tǒng)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(huán)境[20]。因此，新型電工絕緣材料將為未來 “融合網(wǎng)” 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(fā)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(tǒng)的優(yōu)化和功率密度的進一步提升，更能滿足電網(wǎng)的特殊應用[22]。寬禁帶半導體器件以其優(yōu)異的性能，將廣泛應用于未來電網(wǎng)的發(fā)電、輸電和用電側(cè)中，必將給智能電網(wǎng)帶來革命性的變化。

（二）面向“融合網(wǎng)”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(yōu)異的性能將廣泛應用于未來電網(wǎng)的發(fā)電、輸電和用電側(cè)，如綠色能源開發(fā)、下一代電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車、大型節(jié)能電機以及消費電子等領域。由分布式發(fā)電部件、儲能介質(zhì)、可控負荷和變流裝置等有機融合的分布式能源系統(tǒng)，借助信息電子和電力電子技術，能夠智能地調(diào)控本地資源，充分發(fā)揮其互補性優(yōu)勢，從而為本地用戶和配電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)、可靠、可調(diào)度的電能，成為智能電網(wǎng)中重要的研究內(nèi)容[19～22]。功率變換器是電網(wǎng)系統(tǒng)中能量變換、電力傳輸和運行控制的載體，直接決定著微網(wǎng)的運行效率、安全可靠性和系統(tǒng)成本，是智能電網(wǎng)中最為關鍵的電力裝備之一[3,19]。

2. 狀態(tài)的充分監(jiān)測與感知是未來“融合網(wǎng)”的重要特征

隨著現(xiàn)代電力技術的發(fā)展，電力電子器件已經(jīng)成為電力調(diào)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(wǎng)向分布式供能發(fā)展，分布式的電網(wǎng)體系對于運行狀態(tài)的監(jiān)控以及感知提出了更高的要求[23]。因此傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(wǎng)等優(yōu)越性，可滿足未來能源系統(tǒng)的“融合網(wǎng)”中需要的實時分布監(jiān)控的要求，因此大力發(fā)展基于光學的測量、監(jiān)控及感知系統(tǒng)是“融合網(wǎng)”的重要發(fā)展方向。

3. 儲能在未來“融合網(wǎng)”中不可或缺

大力發(fā)展可再生能源已成為我國的重要國策，然而，由于風力發(fā)電和光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電具有隨機性和間歇性的特點，當它們大量接入電網(wǎng)時，將對電網(wǎng)的安全、可靠、高效運行帶來了很大的挑戰(zhàn)[24]。另一方面，我國經(jīng)濟長期保持高速發(fā)展，電力負荷增長很快，電力負荷的結(jié)構(gòu)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(tǒng)必須留有很大的備用容量，導致電力系統(tǒng)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(wǎng)和能源網(wǎng)提供能量緩沖作用，作為網(wǎng)絡中的特殊單元，可以被靈活地控制和調(diào)度。在電網(wǎng)的削峰填谷、改善電能質(zhì)量、提高供電可靠性、提高可再生能源并網(wǎng)發(fā)電率、提高能源轉(zhuǎn)換效率等方面的作用越來越重要和不可或缺，是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、可靠、清潔、高效、經(jīng)濟的必要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)融合的重要功能單元。

4. 超導技術廣泛應用于未來“融合網(wǎng)”

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(fā)電機、超導電動機、超導限流器、超導儲能系統(tǒng)等多方面[14,26]。表1列出了各種超導電力設備對電網(wǎng)的作用和影響。由此可見，超導輸電電纜將可以為未來電網(wǎng)提供一種低損耗、大容量的電力輸送方案，有助于解決現(xiàn)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(wǎng)的短路電流從而保障大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性；超導儲能系統(tǒng)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(wǎng)吸納可再生能源的能力；超導變壓器、超導發(fā)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(yōu)勢。因此，如果超導技術能夠?qū)崿F(xiàn)在電網(wǎng)中的廣泛應用，則可以有效應對可再生能源變革對電網(wǎng)帶來的一系列重大挑戰(zhàn)，對未來電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生重大意義，因而被美國能源部認為是21世紀電力工業(yè)唯一的高技術儲備。

表1 各種超導電力設備對未來電網(wǎng)的作用和影響

三、面向“融合網(wǎng)”新材料及其裝備的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

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

1.“融合網(wǎng)”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(fā)現(xiàn)、超導物理機制的認識、超導材料的制備和超導技術的發(fā)展等方面取得了長足的進步，為應對新能源革命對電網(wǎng)帶來的重大挑戰(zhàn)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(xiàn)以下發(fā)展趨勢：①向更高電壓等級或更大容量方向發(fā)展；②應用原理向多樣化和功能集成化方向發(fā)展；③與智能電網(wǎng)技術的發(fā)展需求相結(jié)合；④開始更多面向直流電網(wǎng)發(fā)展需求。但要真正實現(xiàn)規(guī)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(wǎng)”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(jīng)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(jié)構(gòu)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(guī)律；③高強度負載下新材料結(jié)構(gòu)、組織與性能耦合響應機制。

3. “融合網(wǎng)”對絕緣材料的需求

高電壓絕緣材料新技術未來的發(fā)展方向就是針對未來電網(wǎng)需求，研發(fā)能夠在較高溫度和較高電場等惡劣環(huán)境下正常穩(wěn)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(huán)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(wěn)定性以及可持續(xù)發(fā)展等方向不斷發(fā)展。

4. “融合網(wǎng)”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(fā)展水平日新月異，對我國電力電子技術和產(chǎn)業(yè)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(lián)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(jié)構(gòu)、新工藝、新原理和新設計；電力電子功率器件的先進封裝、驅(qū)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(wǎng)”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(fā)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(huán)境穩(wěn)定性和度穩(wěn)定性方面還有大量的研究工作要做。光纖技術的發(fā)展可以將光學傳感器以光的形式聯(lián)系起來，形成真正的全光纖傳感器網(wǎng)絡，建立多元的全光纖電力設備狀態(tài)檢測系統(tǒng)是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的大勢所趨。

6.“融合網(wǎng)”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(tǒng)研發(fā)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(guī)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(xiàn)突破[34]。另外，一些新型儲能技術的研究和知識產(chǎn)權(quán)布局沒有得到足夠的重視和支持。

四、發(fā)展面向“融合網(wǎng)”新材料戰(zhàn)略建議

（一）推動超導技術與新裝備技術融合，培育能源產(chǎn)業(yè)新發(fā)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(yī)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(xiàn)超導電力技術的現(xiàn)實應用為目標牽引，加強總體設計和制定近、中、遠期發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，突出目標驅(qū)動導向，通過國家重點研發(fā)計劃予以長期穩(wěn)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(wěn)定支持，才可能實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破和科技創(chuàng)新能力的全面提升[35]。作為重要切入點，建議在我國現(xiàn)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(tǒng)。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(fā)展[36]。

（二）加速高性能導電、絕緣、磁性材料的研究與開發(fā)，補齊基礎設施短板

結(jié)合目前國家戰(zhàn)略需求和智能電網(wǎng)對導電材料的具體需求，建議開展以下幾方面研究：①優(yōu)先開展高性能導電材料、絕緣材料、磁性材料的研究與開發(fā)，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(wǎng)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(yè)或國家標準，加強學科建設和人才培養(yǎng)。

（三）深化電力電子技術器件領域建議，實現(xiàn)獨立自主

為更好地促進我國電力電子技術器件的自主創(chuàng)新，建立強大、完整、獨立的電力電子器件產(chǎn)業(yè)，從政府規(guī)劃、技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)推進和條件支撐等四個方面提出以下建議：①在政府規(guī)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(guī)劃；②在技術研發(fā)方面，以器件為核心，從材料、器件和應用三個環(huán)節(jié)層層推進，全面掌握核心關鍵技術；③在產(chǎn)業(yè)推進方面，著重提高電力電子器件產(chǎn)業(yè)核心競爭力，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)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(tǒng)級規(guī)劃，成為“融合網(wǎng)”支撐

在具體技術路線規(guī)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(qū)別和聯(lián)系；②對于大型并網(wǎng)示范項目，應該借鑒或利用已有電網(wǎng)模擬系統(tǒng)，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(fā)展所處不同等級進行規(guī)劃；④加強儲能項目立項與結(jié)題的知識產(chǎn)權(quán)競爭力評估和技術應用前景評估；⑤建立儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新研究機構(gòu)，重視產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與布局[39]。

五、結(jié)語

新材料及其新裝備技術是支撐未來智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)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(tǒng)智慧化升級以及推動能源行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要意義。然后分析總結(jié)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(wǎng)”需求，進一步提煉了對新材料及其新裝備的建議。