电力电子如何助力构建净零能源系统

到2050年，全球大部分能源系统都将采用可再生能源和低碳电力。在全球范围内，可再生能源建设正在以惊人的速度推进，并展现出强劲的发展势头。在可再生能源技术（如风电机组、太阳能光伏，以及将可再生能源与用户端连接起来的电力系统等）取得显著成就的背后，是一项已经取得长足进步的关键技术： 电力电子.

奥尔堡大学Frede Blaabjerg教授（以下称F.B.）：最大的变化是这项技术正在迅速应用于社会的各个领域。虽然以前我们也预见到这种情况可能会出现，但技术的发展速度之快超出了我们的预期。发电、输配电和用电都发生了深刻变化。多年前，当我刚刚进入这个领域的时候，电力电子主要应用于工业领域，例如优化能效方面，这正是传动应用的起点。

从那时起，这项技术已经在大量不同应用中发挥巨大的作用。比如，为数字世界提供支撑的庞大的数据中心，以及它们在运行中消耗的大量电能；再如，交通运输部门的电气化转型需要为电动汽车配备电池。这些应用都需要使用电力电子技术。

如今，电力系统承载的能源约占能源总量的五分之一，在今后数十年，这一占比将增至三分之二甚至更多。

F.B.：在处理电能时，对电能的控制至关重要。例如，随着风力和日照的变化，电厂的输出特性也会改变，为了优化风力发电机组和太阳能光伏系统的发电，我们需要进行电能转换。这样的可控性是靠电力电子来实现的。如果不使用该技术，我们就无法像现在这样接入可再生能源。电力电子成本的快速降低是主要因素之一。这既得益于产量增长，也归功于元器件（半导体器件）和系统（电能转换器）方面的技术创新。随着技术不断进步和可靠性的不断提升，电力电子得到了广泛应用，并为可再生能源发展提供了有力支持。

日立能源Ines Romero（以下称I.R.）：电力电子对整个风电行业产生了深远影响。最初，风电机组采用的是非常基础的、基于晶闸管技术的软启动解决方案。随着行业的发展，风机需要更好地控制功率输出并提供系统服务，它们越来越依赖于电力电子来实现附加功能。这使得风机能够实现全功率处理，让风电成为可靠的能源来源。同时，风机还可以为电网提供无功功率，并且在不久前实现了频率和惯量调节，从而顺利接入电力系统，支持电网的规划和运行。

除了支持大规模可再生能源并网，电力电子在管理可再生能源发电的可变性和可预测性方面也发挥着关键作用，以确保电网在日益复杂的环境下稳定运行。当前电网中，不同电压等级的负载和发电机组并存，同时传统发电机组逐渐被新能源发电机组所取代，导致惯量受限，同时还需要遵守更严格的电网规范。电池储能、柔性交流输电系统（FACTS）和高压直流是基于电力电子解决方案的典范，它们可以在不同电压等级下应对这些挑战。

F.B.：电力电子在电力系统中的应用，主要是将交流电转换为直流电，或反之。这无疑提高了电力系统进行短距离或长距离输电的灵活性。灵活性的提升也带来了更高效率、更低成本和更高可靠性。可以说没有电力电子，就不可能实现这一切。电力电子通过极为快速的响应和控制能力，实现了类似于乐高积木的即插即用系统。

I.R.：的确，灵活性就是对动态变化做出高效、快速的响应。由于高度间歇性能源在电网中的占比不断增加，对灵活性的需求也越来越高，以便快速、持续地平衡发电和用电。

在过去几年中，换流器拓扑已经从简单的两电平拓扑发展到三电平和模块化多电平（MMC）。它们具有更大的灵活性，更易于扩展和模块化。它们的电能处理能力允许将它们用于千瓦级和千兆瓦级应用，包括高压直流和FACTS。此外在半导体行业，碳化硅（SiC）等新技术正在崭露头角，以提供更高的开关频率和更高效、紧凑的解决方案，以提供所需的灵活性。

电力电子技术的发展帮助提升灵活性。例如，将传统换流器连接到有功功率元件（如超级电容器或电池），可以灵活地提供虚拟惯量和/或储能容量。这些解决方案能够在可再生能源占比较大的电网中补偿低惯量水平，和/或解决负载 -- 发电之间的功率不平衡问题，或者支持辅助服务。

F.B.：数据中心是一个典型的案例。在这个应用中，需要通过高压输电将数百兆瓦电力输送到这些高耗电场所，随后需要将高压电转换为低压电，以便为数据中心的CPU供电。如果没有电力电子，这一过程是不可能实现的。

另一个例子是通过电解工艺制取绿氢，许多应用都需要电解制氢。电解技术离不开电力电子的支持。全球氢能目标的实现需要大量电解槽装机容量，因此对电力电子的需求也随之增长。据氢能委员会的预测，到2030年，将有超过230吉瓦（GW）的电解槽装机容量投入运行。这表明，各行业可以通过电力电子将环保的先锋技术引入工艺流程，以践行可持续发展的承诺。

I.R.：能源生态圈中有许多这样的例子。例如，通过在跨国电力互联项目中部署高压直流和FACTS等电能质量解决方案，可以对各国之间的电能获取和储备进行管理。发展未来的海上直流电网也是一个重要例子。利用电力电子技术，海上电网可以在风力不足的时段提供跨国互联，从而提高整个地区的供电安全，强化能源市场，并且更好地利用电网基础设施。

另一个应用是通过使用交流—直流背靠背电压源换流器（VSC）技术，固态技术为配电网带来灵活性，以管理不同连接区域之间的供需平衡，并为各个连接区域提供单独的电压调节 (柔性输电线路) 。此外，电力电子器件的智能控制，还可以提供额外的功能，如频率控制和虚拟惯量等。

F.B.：真正推动电力电子技术发展的要素之一是电子元器件。最初的电子元器件并不可靠，操作时必须非常小心，因为它们容易发生故障。如今的半导体器件则是极其可靠的，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），因为我们了解它们的工作原理。因此总体来说，我认为电力电子技术十分可靠。

在对大型系统进行扩建时，除了要关注电子元器件，正确的系统思考也非常重要，以便全面评估构建基础设施过程中可能遇到的所有潜在风险。我认为最大的挑战就在于此。通过更好地预测电子元器件是否以及何时会发生故障，可以进一步提高电力电子系统的可靠性。例如，数字孪生解决方案就是提升可靠性的重要选择，通过模拟实时情况，评估电子元器件之间的相互作用。

I.R：电力电子在交通和能源等领域的应用，促进了电力电子器件成本的降低和质量的提高。随着器件数量的增加，成本也随之降低，并且解决方案的冗余度也得到提高。我们能够设计出具有更长故障间隔时间的产品。我们还可以集成自愈和状态监测解决方案，帮助提高可靠性。

F.B.：随着功能的不断增加，电子元器件和电力系统变得更加复杂，我们必须确保它们的运行符合预期。我们正在电网中安装越来越多的元器件，并需要它们长期可靠地工作。在我看来，现代电力系统的复杂性是其中的重要挑战。

I.R.：毫无疑问，未来对更快、更高效、更智能解决方案的需求将继续增加，以满足日益增长的灵活性需求。电网的持续变化将进一步突破稳定性的极限，这要求解决方案不仅能确保可靠性和安全性，而且能让电网更具弹性和互操作性。

技术将继续发展，以解决这些未来的挑战。例如，构网型技术将确保电力电子器件在弱电网或在隔离模式下仍然表现出色，并利用有功功率元件实现虚拟惯量。技术供应商之间的协调和互操作性，将是确保各解决方案能够在同一环境中顺畅通信和共存的关键，如支持海上电网的 欧盟互操作性计划 。总的来讲，我们看到能源界充满活力，不断涌出新的想法。确定其中哪些将为行业带来最大价值，如哪些拓扑将能长期存在、具有可扩展性并且适用于不同应用，或许是一项挑战。

此外，随着电网中使用大量的电力电子器件，各个控制系统之间如何相互联系和协调以优化性能，成为一个重要挑战。对系统和子系统的实时监控将提供重要信息，为正确设计控制系统提供保障。不仅如此，大规模部署这些解决方案将需要可持续的供应链支持，以便以合规且经济高效的方式获得原材料和设备。

总之，在能源行业我们需要不断学习如何调整我们设计、规划和运营传统系统的方式，以充分利用电力电子带来的机遇。合作与伙伴关系是取得成功的关键！