国家电网投巨资推动能源互联网升级，物联网芯片 IGBT芯片需求剧增！

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2015年12月，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》。该协定明确为 2020 年后全球应对气候变化行动做出安排。只有全球尽快实现温室气体排放达到峰值，本世纪下半叶实现温室气体净零排放，才能降低气候变化给地球带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。

在《巴黎协定》达成后的5年来，欧盟、加拿大、日本、以及中国等超过30多个国家和地区出台了本国碳达峰和碳中和的政策目标。比如2020年9月以来，我国领导人多次在重要场合强调要在2030年碳排放达峰，2060年实现碳中和目标；日本和韩国提出了2050年实现碳中和的目标；欧盟也提出了2050年碳中和的目标。

所谓的碳中和指的是每年的二氧化碳排放量与减排量互相抵消，为零排放。

也就是说，要想减少碳排放，就需要尽量减少化石能源的消耗。然而，在我国，煤炭仍然在能源和电力结构中占有很大的比例，根据中电联最新的统计数据，2020年煤炭在一次能源消费结构中的占比约为56.7%，火电发电量在我国总发电量中的占比约为67.8%。

要想达成碳中和，我国在能源供给端就需要更多地使用太阳能、风能、生物质能、水电等可再生能源；在能源消费端提升电力的消费比例，降低二氧化碳的排放；在能源传输端则要降低损耗。

1月27日，国家电网董事长辛保安以视频方式出席世界经济论坛“达沃斯议程”对话会。辛保安表示，未来5年，国家电网将年均投入超过700亿美元，推动电网向能源互联网升级，促进能源清洁低碳转型，助力实现“碳达峰、碳中和”目标。

提升可再生能源给电网带来挑战

在可再生能源中，主要有传统的水电、新兴的光伏、风电，以及仍在技术创新中的生物质能（包括垃圾发电、生物燃料等）、地热能和潮汐能等等。

图：电力系统结构图。（来源：上海宏力达招股书。）

一般来说，电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成。发电厂将一次能源转换成电能，经过输电和配电将电能输送和分配到最终电力用户，从而完成电能从生产到使用的整个过程。

随着可再生能源的比例越来越高，电力系统受到的挑战也越来越大。因为传统的电力系统是一个电源随着负荷波动运行的系统，而新能源加入之后，电源侧不可控的随机波动性也增大，要求其他电源也要平抑新能源的波动。而新能源比例越高，波动越大，其他调节电源需要作出的调整越大。

还有一点是，新能源的出力曲线往往与负荷曲线并不匹配，极端情况下甚至呈现相背的特点。光伏“晚峰无光”，风电“极热无风”，以及冬季常见的阴雨寡照、静稳雾霾和低温冰冻天气，往往造成新能源在冬夏用电高峰时“临阵脱逃”。2020年8月14、15日，美国加州在高温大负荷期间，就因晚峰时段新能源减发导致大规模停电。在国内，新能源比例较高地区多次出现发电低于预测，被迫对工业用户实施有序用电措施。

此外，对电力系统而言，必须将交流电压的幅值、频率以及通过输变电设备的电流维持在限额之内，才能安全有效传输电能。这需要电力系统中的电源能够为系统运行提供足够的旋转备用、电压支撑和转动惯量，以应对各种设备故障。水火电等同步发电机性质的电源，因转子质量大、惯性大，在电压和频率小幅波动时可稳定运行，所以能够可靠有效地提供上述三种辅助服务。新能源因源端获取的能量波动不稳、或以直流电流形式输出，所以必须通过由电力电子器件构成的变频器、逆变器方能并网运行，电力行业称之为“电力电子化电源”。受此技术特性影响，新能源难以向电力系统提供与其发电功率相应的旋转备用和转动惯量，能够提供的火电机组为了让出电能消纳空间，不能开机并网。

因此，从目前的技术水平来看，未来的电力系统必然是“双高”的，即并网运行的设备中新能源比例高、电力电子化比例高。“双高”电力系统如何安全稳定运行目前还是“无人区”，全世界的电力系统运行者都还在探寻摸索。

最近的典型案例是英国2019年8月9日下午发生的大停电。这次停电造成了包括伦敦在内的100万电力用户受到影响。事故的起因只是一起电力系统运行中常见的线路接地故障，却在英国最大的海上风电场导致大量机组变频器因无法承受电压波动跳闸，功率缺失后系统频率小幅下滑，又引发各地配电网的分布式光伏因逆变器耐频性能不足、无序脱网，进一步拉低系统频率；而此时并网常规电源较少，无力提供足额的旋转备用和转动惯量，遏制系统频率一步步下滑，直到跌至48.9Hz，引发配电网中为防止系统频率崩溃而设置的低频减载自动装置动作，切除了大量负荷，造成大面积停电，才稳住系统频率跌势，阻止了英国电力系统的全面崩溃。发生大停电的英国，其可再生能源装机比例约为47%，同时具备良好调节性能的天然气装机比例超过40%，但调节电源充分并不意味着能够应对系统缺乏转动惯量的问题。

为了应对这种情况的发生，我国目前的做法是希望构建坚强智能电网来防止此情况的发生。比如我国智能电网的总体目标是：建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强国家电网，全面提高电网的安全性、经济性、适应性和互动性。

能源互联网的巨大前景

在2008年，美国著名学者、经济趋势基金会主席杰里米˙里夫金首先提出了“能源互联网”(Energy Internet)的概念。所谓的“能源互联网”指的是“互联网”与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形式。

能源互联网是以互联网技术为基础，以电力系统为中心，将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源等“多源互补”，纵向实现“源、网、荷、储”各环节高度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合的能源服务网络。

能源互联网的特征，从物理维度上是一个以电力系统为核心，以可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统;从信息维度上是能量的开放互联与交换分享可以跟互联网信息分享一样便捷的信息物理融合系统;从市场维度上看：提供绿色能源灵活交易的平台，构建开放、自由、充分竞争的市场环境，能激发市场中各商业主体的积极性。

与智能电网相比，能源互联网的侧重点在于新能源的占比及影响的研究，更着重去探讨当可再生能源的占比达到很高的时候，现有的电力系统应该如何去支撑整个环境。同时，虽然电网作为核心部分，但清洁可再生能源的多能转换利用决定了能源互联网需要将电网与天然气、热能网络等紧密耦合，其能量形式可以囊括电能、化学能、热能、机械能等。

能源互联网三层架构中所涉及的新技术主要包括大数据、云计算、智能传感、新能源发电、储能等相关技术，这些技术最终都会通过能源互联平台进行连接，成为能源互联网个性化的技术链。

——分布式能源与ICT融合技术

通过将光伏发电与互联网相结合打造的光伏云是分布式能源接入能源互联网的雏形。光伏云分为设备、数据处理、服务、应用端四部分。由光伏阵列和电表组成的设备是实现光伏发电的基础设施，数据处理环节通过前置机中的采集设备将光伏发电的发电量、电能质量等数据信息经过大数据存储和处理提供给服务端，在服务部分可以实现数据服务、安全服务、任务调度服务等多种多样的监控、管理服务，这些服务可以在我们的手机、电脑平台查看和操作，实现光伏能源的应用端落地。通过这四部分的配合，能源与大数据云计算相互协调，真正实现能源的可控化和智能化。

光伏云网以客户需求为导向，以全面提升分布式光伏运营效率为目的，整合技术、信息、数据等分布式光伏全产业链资源，实现信息发布、在线交易、智能管理、金融服务、大数据分析等功能，提供集信息发布、咨询评估、方案推荐、设备采购、安装调试、并网接电、电费结算及补贴代发、金融服务、运行维护等全流程一站式服务，实现分布式光伏线上线下全业务全流程贯通。

——能源转换与ICT融合技术

能源转换设备的主旨是一次能源向方便使用的能源的转换。它可以将太阳能、风能、热能、生物质、地热、燃气、油等能源转换为电能，也可以将电能以特定介质储存起来。电力在能源的生产、转换、传输、应用环节起到枢纽的作用。真正实现能源的互联互通。当前能源转换设备面临的三大挑战是：提升电能变换能力;系统优化设计;装备和系统的可靠性。面对这三大挑战，行业的研究重点集中在提高能量转换效率和能量的自动择优配置方面。

等效于互联网的连接和信息传输，在能源互联网中能量的转换设备通常被称为能源路由。在能源路由器中，可以实现可再生能源控制、能源存储、能源管理，将网络层采集的数据传输到应用层分析，然后，有效控制能源的应用。

——新型储能与ICT融合技术

能源互联网的安全、灵活可接入属性决定了必须拥有强大的储能装置满足能源的供需波动，新型储能材料作为能源互联网中削峰填谷、能源综合利用的关键，铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、液硫电池等多种新型储能材料作为当今的热门话题和技术前沿深受行业研究人员的追捧。

储能系统从整个电网，即发电侧、输电侧到用户侧都具备作用，在发电侧相当于能源的一个数据库;在输电侧主要起到调峰、调频作用;在用户侧主要是分布式发电系统合理配置方面的问题。更重要的是，储能技术利用ICT技术将依据不同时段的电价、电能质量等相关信息，有效地调度能源流的方向，从而达到降低运行维护费用和提升整个能源网络整体效率的目的。

——智能传感技术

智能传感技术包括光纤传感、生物特征识别、无线传感、图像识别、传感网等技术。智能传感器获取能源互联网中输配电网、电气化交通网、信息通信网、天然气网运行状态数据及用户侧各类联网用能设备、分布式电源及微电网的运行状态参数，传感器数据经过处理、聚集、分析并提供改进的控制策略。通过智能传感技术体系，能源互联网支持端到端的业务，实现用户与电网之间的互动，而且可实现各种智能设备的即插即用，除了智能电能表以外，还支持其他各种非电表设备的无缝接入。

智能传感作为全球能源互联网的“神经末梢”，对于准确感知电网状态参量，保障电网安全稳定运行具有重要意义。主要包括光纤传感、生物特征识别、无线传感、图像识别、射频识别、多维感知等。智能传感技术有助于能源互联网的可感知、可控制、更智能。

——大数据、云计算技术

云计算是一种能够通过网络随时随地、按需、便捷地获取计算资源(包括网络、服务器、存储、应用和服务等)并提高其可用性的模式，可实现随时、随地、随身地进行高性能计算。互联网营销技术包括实现互联网营销的电子商务平台技术和相应的营销模式;能源互联网将支持B2B、B2C、C2C等，利用互联网强大的互联互通能力，支持发电商(含分布式电源与微网经营者)、网络运营商、用户、批发或零售型售电公司等多种市场主体任何时间、任何地点的交易活动。

大数据是指无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行提取、管理和处理的数据集合。能源互联网中管网安全监控、经济运行、能源交易和用户电能计量、燃气计量及分布式电源、电动汽车等新型负荷数据的接入，使得其数据量将较智能电能表数据量增大很多。从大数据的处理过程来看，大数据关键技术包括：大数据采集、大数据预处理、大数据存储及管理、大数据分析、大数据展现和应用(大数据检索、大数据可视化、大数据应用、大数据安全等)。

全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架，坚强智能电网为基础的能源网络，分为国内互联、洲内互联和洲际互联三个发展阶段。根据《全球能源互联网发展战略白皮书》的测算，构建全球能源互联网能够拉动世界投资规模超过50万亿美元。2030年到2050年，各国各洲电网或将实现互联互通，全球能源互联网成形。

中国电网的先进脚步

其实能源互联网的核心特高压直流输电+清洁能源+智能电网，而特高压输电是实现清洁能源发电全球范围调剂的唯一途径。按照国家电网公司的构想，2020-2030 年将是建设全球能源互联网的第二个阶段，主要用作是推动洲内大型能源基地开发和电网跨国互联。

就在2020年12月27日，随着国家能源局局长章建华下达启动投产指令，国家西电东送重点工程------乌东德水电站送电广东、广西特高压多端柔性直流示范工程正式建成投产。这是世界上第一条±800千伏特高压多端柔性直流输电工程，其建成投产几乎登上了年度能源新闻排行榜前列，被认为“我国在世界上率先系统掌握了特高压多端混合柔性直流技术体系”，并“引领世界特高压技术进入柔性直流新时代”。

柔性直流(flexible）是20世纪90年代兴起的新一代“电压源型”直流输电技术。和传统“电流源型”直流相比，它对电压、频率的控制更加灵活，就像一个完全可控的水泵，能够精准控制水流的方向、速度和流量，使水库更加平稳，河流被截停的几率也大幅下降。

柔性直流输电也是未来中国电网升级的重要技术手段。它可以解决当前大电网面临的诸多问题，比如孤岛供电、城市配电网的增容改造、异步交流系统互联、大规模新能源发电并网等，对传统交流电网具有重要的互补价值。其核心电力电子器件是全控型IGBT器件。

图：国家电网在建在运特高压工程示意图。（来源：国家电网官网）

根据国家电网的数据显示，截止到2021年2月，国家电网建成投运“十三交十一直”24项特高压工程，核准、在建“一交三直”4项特高压工程。已投运特高压工程累计线路长度35583公里、累计变电（换流）容量39667万千伏安（千瓦）。加上南方电网在运的“4直”，目前国内在运的特高压直流网共有15个。

根据《中国“十四五”电力发展规划研究》的预测，到2025年，我国特高压直流工程将会达到23个，总输送容量达到1.8亿千瓦。就在2020年11月，国家发改委核准了白鹤滩-江苏直流工程，该工程全长2087公里，总投资307亿元，计划2022年建成投运。

有业内人士预计，未来我国特高压线路将会进入常态化核准状态，我国能源互联网投资建设步伐将会持续加快。

结语

在碳中和目标的推动下，加上我国能源的分布和消耗分布不均，需要大容量、长距离输送能源，特高压作为新能源大规模远距离消纳的重要手段，无疑会成为“十四五”，乃至“十五五”投资的重点。在特高压直流输电系统中，换流站的投资额占到了整个工程投资的30%左右，而换流站中的换流阀/IGBT、直流避雷器、控制保护系统和换流变压器等为主要支出。

也就是说，能源互联网建设的加快，对IGBT、换流变压器、直流避雷器、桥臂电抗器等电力电子器件的需求也会进一步提升。

来源：电子发烧友网

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