技术驱动清洁能源快速发展，使能行业走向绿色能源时代
思瀚产业研究院    2024-10-10

建设以电力电子设备为基础的新型能源系统是能源产业变革的方向

电力电子在电能的发输配用各个环节发挥关键价值。风电、光伏等可再生能源的用途主要是发电，构建以电能为中心，以电网为纽带，建设以电力电子设备为基础的能源系统是能源产业变革的方向。电力电子设备的优点在于其接口不受限、响应速度快、变换效率高，在电力的生产、传输、消费环节应用广泛。

• 在电力生产方面，风电、光伏新能源这些不同于常规同步发电机的电源，难以直接并网输送，只能采用电力电子变换技术换成频率可调节的交流电，且需要满足上网的质量要求，如光伏逆变器、风能变流器等通过电力电子开关调整电压波形，支持风电、光伏发电并网和提高系统发电效率。

• 在电力传输分配方面，长距离输电形式使用智能化的大功率电力电子装备，可以显著提升线路输送水平、改善潮流分布、增强电网供电可靠性，提升电网安全防御能力，从而提高大型电网互联传输的安全可靠性，提升传输效率。

• 配电场景中，随着大量分布式电源、微电网和柔性负荷接入配电网，“即插即用”的接入要求越来越高，线路无功功率增大，电网高电压、谐波干扰等电能质量问题日益突出，传统配电网电能质量和供电可靠性提升空间有限，难以满足用户高电能质量用电需求。多功能电力电子变压器、直流断路器、直流开关等电力电子装备可以保障不同负荷类型的电能质量和多种电能形式的定制需求。

• 在电力消费方面，最主要的变化是分布式电源和储能装置的接入，大量新型负荷需要直流电源以及需要主动支撑源荷互动，如数据中心、通信基站、电动汽车充电站、计算机设备、LED 照明等，高效率，高功率密度，高可靠性，低成本的转换电源和开关设备等正满足用户日益多样的个性化需求和高标准的电能质量治理需求。

新型功率半导体应用需求大幅提升。未来的能源系统以可再生能源最大限度地开发利用、能源效率最高为目标，对能源输送和控制的安全、高效、智能等方面提出更高的要求，包括适应新能源电力的输送和分配的网络，与分布式电源、储能等融合互动的高效终端系统，与信息系统结合的综合服务体系等。这些都需要通过电力电子化设备进行运行、补偿、控制。

目前这些设备中所使用的基本都还是硅基器件，而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，无法担负起未来大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任，节能效果也接近极限。以碳化硅为代表的第三代半导体功率芯片和器件，以其高压、高频、高温、高速的优良特性，能够大幅提升各类电力电子设备的能量密度，降低成本造价，增强可靠性和适用性，提高电能转换效率，降低损耗。

光伏、风电等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车、轨道交通、工业电源、民用家电等领域具有极大的电能高效转换需求，而新型功率半导体则适应了这一需求趋势，渗透率将全面提升。

受新能源汽车、工业电源等应用的推动，碳化硅价格下降，性能和可靠性进一步提高。碳化硅产业链爆发的拐点临近，市场潜力将被充分挖掘。2023 年，碳化硅器件市场规模达 20 亿美元，麦肯锡公司估计 2030 年其市场规模将达到 100 亿到 140亿美金，呈现高速增长之势。我们预计在 2030年光伏逆变器的碳化硅渗透率将增长到 70% 以上，在充电基础设施、电动汽车领域渗透率超过 80%，在通信电源、服务器电源上将全面推广应用。

数字技术使能能源系统智能化，让新能源系统更安全稳定、智慧高效

风电、光伏等新能源装机快速增长和应用灵活性推进能源系统向“分布式”时代转型，未来的能源系统是去中心化、以大量分布式能源应用为主多中心“星系”型生态系统，这些能源系统分布在成千上亿的大型电站、园区、建筑、家庭、电动汽车等场景。

必须要改变传统的大工业思维方式，通过数字技术将这些分布式的能源系统实现智能化的联接和控制，达到万物互联、高度智能的形态，整个能源系统才能安全稳定、智慧高效、经济便捷、清洁低碳、互联共享、柔性自洽。

随着 5G、云、AI、大数据、物联网等新兴技术的快速发展，全社会的数字化变革掀开新篇章，进入“万物感知、万物互联、万物智能”的数字时代，“无处不在的联接，无所不及的智能”正成为现实。新一代数字化技术加速向能源领域渗透，推动能源格局重大变革。

在组网方面，全球范围内低功率广域网技术快速兴起商用，面向物联网广覆盖、低时延、海量接入的 5G技术正加速场景融合，为人、机、物的智能化按需组网互联提供良好技术支撑。在信息处理方面，信息感知、知识表示、机器学习等技术迅速发展，极大提升物联网的智能化数据处理能力。

在物联网虚拟平台、数字孪生与操作系统方面，基于云计算及开源软件的广泛应用，有效降低能源系统的生态门槛，推动能源系统的操作系统及数字化生态的广泛应用。随着分布式能源的广泛应用，用户不仅是用能单位，还将是生产能源的单位。

高度智能化的能源系统可以根据市场能源价格，提前灵活开启设备或储存电能，源网荷储一体化调度互补，跨时间、空间尺度的能源系统之间的能量流可以你来我往，互补共济；电动汽车可以兼职储能设备，向电网反送电、辅助削峰填谷；数据中心不光消费能源，灵活调节负载，其大量的余热也可以用来供暖；智能终端全面渗透千家万户，承载消费末端的电力感知、计量、交易；分布式能源、储能及电力现货市场高度发展，泛在的产消者通过虚拟电厂聚合调控，成就能源系统的需求侧响应和能源增值服务 ...... 我们预计，2030 年光伏电站应用 AI 技术比例将达到 90%。

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