加强自主可控电工材料攻关,保障新型电力系统供应链安全

发布日期:2021-07-20· 中国能源网 蔡汉生 刘刚 屈路 胡上茂 祁汭

实现建设新型电力系统关键材料全面自主可控。四、为清洁能源监测提供支撑 传感光纤材料研发及应用。一、为清洁能源接入提供支撑 大功率半导体材料研发与应用。

大规模接入消纳新能源、提高新能源传输及利用效率,构建新型电力系统进而实现“双碳”目标,已成为电力企业未来一段时间的核心发展目标。南方电网公司已发布建设新型电力系统行动方案,将大力支持清洁能源发展列为首个重点工作举措。在这一背景下,以光伏、风电为主的新型电源的建设将全面提速,分布式新能源接入方式将更加完善,系统调节技术及能力将大幅提升,设备整体效能及管理水平将显著增强。这些变化将对我国电力装备的绿色低碳指标、自主创新能力、供应链响应速度提出更高要求。但是,由于我国化工工艺技术和材料研究基础薄弱,部分电气装备的关键电工材料与国际先进水平存在明显差距,依赖进口问题十分突出。

着力解决制约电力设备供应的关键材料问题,加强自主创新和技术攻关,既是国家重大战略的需要,也是保障新型电力系统各类设备可靠供应的关键所在。电力企业作为国企的代表,同时作为电力装备的终端用户,负有协同产业链上下游联合开展关键核心技术攻关的责任。目前,南方电网公司已明确将“关键电工材料及输变电装备自主可控关键技术研究”作为“十四五”科技创新十大重点研发方向之一,将以加速电工材料国产化为抓手,在清洁能源的接入、输送、存储、监测四个方面有力支撑新型电力系统的建设。

一、为清洁能源接入提供支撑

大功率半导体材料研发与应用。IGBT是新一代功率半导体器件的典型产品,具有开关速度快、通流大和损耗小的优点,是电力电子领域理想的开关器件。但是,由于IGBT技术壁垒极高,我国IGBT器件至今仍需大量进口;同时,其昂贵的价格也限制了在我国电网中的应用。南方电网公司联合产业链上中游企业,引导功率半导体器件向高耐压、大电流、大容量、低损耗的方向发展,研发IGBT芯片技术、高功率密度IGBT模块封装技术,以适应高压柔性直流输电、高压电力无功补偿、高压电机变频器等装备技术发展的需求,实现建设新型电力系统关键材料全面自主可控。

电力电容器电介质材料研发与应用。分布式新能源并网后,需采用电容器构成滤波器以降低大量电力电子开关器件频繁开断产生的一系列谐波分量;建设柔直工程则需要大量干式直流电容器为阀组提供电压支撑。电力电容器是无功补偿、电力滤波和柔直输电的核心器件,但其电介质材料和高端制造长期受国外垄断。近年来,南方电网公司联合石油化工、高分子材料、电气等领域的顶尖科研院所、高校和制造企业,研究超净聚丙烯粒料的关键生产工艺、聚丙烯薄膜的拉伸调控技术、干式直流电容的设计研发及试验技术,有望在不久的将来取得突破,并积极谋划国产设备取代进口电力电容器,在直流工程挂网试运行。

二、为清洁能源输送提供支撑

超导材料研发与应用。应用超导材料是提升电能传输效率的有效手段。未来新型电力系统每年将承担十万亿级千瓦时的电能传输量,如果能将损耗率降低一个百分点,就相当于再造一个长江三峡的发电量(三峡电站2020年发电量为1118亿千瓦时)。上海于2020年建成了我国首条公里级高温超导电缆输电线路,总体损耗比常规电缆下降35%以上,表明高温超导电缆具有广阔的应用前景。但超导材料和配套的制冷系统成本高昂,这使得目前国内外实际工程中的超导输电技术应用受限。南方电网公司将持续开展超导材料研究,解决超导材料临界温度过低的难题,从工程管理、技术创新等多角度发力以降低制冷成本,为未来新型电力系统超导材料大规模应用铺平道路。

交、直流电缆料研发与应用。交、直流电缆是清洁能源送出的关键电力设备。然而,超高压交联聚乙烯电缆用绝缘料和屏蔽料、高压直流电缆绝缘料和屏蔽料等基础性材料被国外企业长期垄断。另外,广东海域海上风电资源丰富,大规模海上风电送出用交、直流海底电缆使用环境复杂,对材料要求更高。南方电网公司正在积极联合电缆制造企业和相关科研机构,形成完整的产、学、研、用协同创新体系,加大材料、结构、性能、寿命方面的长期试验投入,开展国产高压电缆材料研发及规模化生产攻关、电缆制造工艺适应性研究、电缆样品生产与试验、型式试验和示范工程建设等工作。通过牵头产业链共同努力,国产超高压交、直流电缆的制造技术有望取得突破性进展。

三、为清洁能源存储提供支撑

锂电池隔膜研发及应用。利用储能技术应对光伏、风电的随机性和波动,提高吸纳清洁能源的能力,是建设新型电力系统亟需突破的关键技术难点。锂离子电池是性能优异的储能元件,其关键组件隔膜的性能优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环寿命以及安全性能。然而,隔膜却是目前唯一没有实现国产化的锂电池电工材料。开展高性能锂电池隔膜材料关键技术攻关,重点在于改进国产化隔膜材料加工制造设备,完善隔膜孔隙率控制技术及工艺,提升其化学稳定性、浸润性、热稳定性、机械强度等性能,进一步提高锂离子电池的比能量及安全性,推动锂电池储能技术取得突破,为大规模储能技术提供基础支撑,并积极谋划国产化锂电池储能工程示范应用。

四、为清洁能源监测提供支撑

传感光纤材料研发及应用。光纤传感器是未来新型电力系统数字化与智能化感知层的核心部件,具有全分布式感知、灵敏度高、抗电磁干扰等优点。目前,光CT是特高压直流工程领域的优选方案,但核心传感光纤材料技术落后于欧美国家,近年来由于国产光CT故障而引起的直流工程闭锁时有发生,严重威胁电力系统的安全稳定运行。电力企业需加强传感光纤材料改性和添加技术攻关,探索传感光纤材料耦合机制,提升传感光纤材料恶劣气象、振动环境的适应性和可靠性,解决其在宽温湿区环境下的工作特性变化带来的测量误差问题,实现传感光纤材料的技术突破和引领。

五、多措并举全面加强自主可控材料攻关

电工材料是电力装备的最基础元素,其自主可控是构建新型电力系统的基本保障。电力企业须联合产学研用各方创新主体,统筹开展技术攻关、示范应用、标准制定等系列工作,从而全面解决制约电力装备的关键电工材料自主化难题,保障新型电力系统供应链安全。一是给予应用自主化材料的电力装备制造企业政策倾斜,促进制造企业尽快实现自主可控;二是围绕电工材料国产化及设备工程应用,布局谋划重大科研专项;三是打造全国产化电力设备技术示范区,以平台建设促进技术落地;四是加强电工材料标准研究和制定,针对已应用的国产电工材料,完善其产品的企标、行标,使其满足市场准入条件。

(南网科学研究院高电压技术研究所 

南方电网先进电工材料及装备基础联合实验室)

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