“碳達峰、碳中和”背景下我國電力芯片發(fā)展研究

葛婕 趙聰鵬

[摘 ? ?要]電力行業(yè)關乎國計民生，在“碳達峰、碳中和”背景下電力芯片是實現(xiàn)電力系統(tǒng)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、自動化的重要基石。電力調(diào)控、企業(yè)管理等涉及的相關設備、系統(tǒng)、軟件等基本已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，但芯片方面國產(chǎn)化率仍較低。從各環(huán)節(jié)看，用電環(huán)節(jié)芯片對外依賴有所緩解，但是電力生產(chǎn)和輸/配電環(huán)節(jié)，核心芯片仍主要依賴進口。建議加強電力芯片技術攻關，突破關鍵核心技術和產(chǎn)品;加強產(chǎn)用對接，優(yōu)化國產(chǎn)電力芯片應用生態(tài);加強應用牽引，暢通國產(chǎn)電力芯片替代通道。

[關鍵詞]碳達峰;碳中和;電力芯片;發(fā)展路徑

[中圖分類號]F426.63 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–0–02

[Abstract]The power industry is related to the national economy and people's livelihood， in the context of "carbon peak， carbon neutral"， power chip is an important cornerstone to realize the power system intelligence， networking， automation. The relevant equipment， systems and software involved in power regulation and enterprise management have basically been localized， but the localization rate of chips is still low. From the perspective of each link， the external dependence of power consumption chips has eased， but the core chips still mainly rely on imports in power production and transmission / distribution. It is suggested to strengthen the research of power chip technology， break through the key core technology and products， strengthen the docking of production and use， optimize the application ecology of domestic power chip， strengthen the application traction， and smooth the channel of domestic power chip substitution.

[Keywords]carbon peaking; carbon neutralization; power chip; development path

1 “碳達峰、碳中和”背景下我國電力芯片發(fā)展趨勢

（1）電力系統(tǒng)加快向自動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化轉(zhuǎn)型升級。“碳達峰、碳中和”要求電力系統(tǒng)加快低碳轉(zhuǎn)型，完善智能電網(wǎng)建設，建成能源互聯(lián)網(wǎng)、智能能源系統(tǒng)、智能電力系統(tǒng)等。電力載波通信憑借其基于電力線傳輸信號，無需額外布線，抗干擾能力強等優(yōu)點，已逐漸成為智能電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)、智慧城市物聯(lián)系統(tǒng)、智能建筑和智能小區(qū)底層通訊方式的首選。用電信息采集及運維的自動化，基于大數(shù)據(jù)的采集智能運維技術應用，低能耗、廣域無線通信技術在多表集抄應用，智能城市電、水、氣、熱表集抄系物聯(lián)網(wǎng)技術研究等技術路線日漸清晰化，成為行業(yè)發(fā)展重要方向。

（2）“新基建”中特高壓電網(wǎng)建設推動電力芯片需求爆發(fā)增長?！疤歼_峰、碳中和”要求加快提升光伏、風電等新能源發(fā)電量。風電、光伏等新能源發(fā)電具有隨機性、波動性，必須建立清潔能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍配置、高效利用的能源互聯(lián)網(wǎng)，即“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”。特高壓輸電網(wǎng)絡是能源互聯(lián)網(wǎng)重要的一環(huán)，是“新基建”重要領域之一。特高壓產(chǎn)業(yè)鏈包括電源、電工裝備、用能設備、原材料等。其中電工裝備、電源和用能設備等均需要大量的控制、電源管理、安全防護、傳感器等芯片，是電力芯片發(fā)展的重要驅(qū)動力。

（3）電力系統(tǒng)的信息安全和供應鏈安全亟需加快發(fā)展國產(chǎn)芯片。國內(nèi)電力芯片發(fā)展滯后，無法與國內(nèi)電網(wǎng)建設規(guī)劃相匹配。隨著我國電網(wǎng)建設不斷推進，電力芯片對外依存度不斷升高，問題日益凸顯。①信息安全風險，芯片中若有后門，會嚴重威脅電網(wǎng)運行安全;②供應鏈風險較高，如早期國內(nèi)智能電表RTC模塊依賴日本，后日本發(fā)生“311”大地震，并引發(fā)海嘯和核電站泄漏事故，造成芯片斷供，國內(nèi)的智能電表生產(chǎn)出現(xiàn)停滯;③芯片采購昂貴，國外芯片售價在國內(nèi)替代品出現(xiàn)之前，價格通常會高出30%，這些因素都驅(qū)動我國加快發(fā)展電力芯片。

2 電力行業(yè)各環(huán)節(jié)對芯片需求分析

2.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

火電、水電等對芯片的需求主要集中在發(fā)電設備控制系統(tǒng)中，光伏、風電等新能源發(fā)電直接生成的是直流電，需要通過逆變器將直流變?yōu)榻涣?。光伏發(fā)電中用到的芯片設備主要是組件和逆變器。其中，光伏組件接線盒中一般會使用三個二極管，用于防止硅電池片因熱斑效應而燒毀。在光伏逆變器中，用到的芯片類型比較多，包括IGBT/MOSFET、控制器、AD/DA、電源管理芯片以及傳感器等。在集中式逆變器中，芯片成本占比約為17.8%，占比最大的主要是功率器件，包括IGBT和MOSFET等，占比為13.3%;組串逆變器也類似，MOSFET等占比約為9.73%。由于逆變器有三相，所以逆變器IGBT的數(shù)量是3的倍數(shù)。小功率的逆變器可能是三個或者多個。拓撲結構不同，數(shù)量也會不同，特別是小機，在兼顧成本和供貨等因素下，也會通過2個或者多個IGBT并聯(lián)的方式，這樣IGBT數(shù)量就會大幅增加。對于目前500 kW以上的大功率逆變器而言，通常采用IGBT并聯(lián)或逆變模塊并聯(lián)的方式，對IGBT的需求在36個左右。

2.2 輸電環(huán)節(jié)

在輸電系統(tǒng)中，對芯片需求量比較大的主要是直流特高壓的換流環(huán)節(jié)，即在換流閥中將會使用到大量的晶閘管等電力電子產(chǎn)品。換流閥是交直流電能轉(zhuǎn)換的核心單元，通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓值，并實現(xiàn)對功率的控制。此外，傳輸過程中，對傳感器芯片的需求量也較大。電網(wǎng)輸電線路平均每0.5 km需要導線測溫、傾角、風偏、振動、覆冰雪，微氣象、交流泄漏電流等諸多傳感器組，每個傳感器組包含多枚傳感器芯片。

2.3 變電/配電環(huán)節(jié)

在變電/配電環(huán)節(jié)主要是將電壓等級不斷降低，并且將電力逐步延伸至用戶，降壓過程中需要繼電保護系統(tǒng)實施保護，出現(xiàn)故障可快速將故障元件或線路從電力系統(tǒng)中切除，保證無故障部分繼續(xù)運行。變電/配電環(huán)節(jié)所需的電氣設備主要有高壓斷路器、高壓負荷開關、電力變壓器、繼電保護設備、直流蓄電池屏等，繼電保護各環(huán)節(jié)對芯片的需求主要有MCU、DSP、FPGA、ADC、存儲芯片、電源芯片等。

2.4 用電環(huán)節(jié)

用電環(huán)節(jié)中，用戶用電信息采集系統(tǒng)主要是用來計量用戶的用電額度，為售電和用戶雙方的交易提供數(shù)據(jù)支撐，該系統(tǒng)主要包括智能電表、采集器、集中器等設備。設備使用的主要有安全芯片、主控（MCU）芯片、通信芯片、時鐘芯片、計量芯片等，以及EEPROM、電源、液晶顯示屏等元器件。

2.5 調(diào)度環(huán)節(jié)

在調(diào)度環(huán)節(jié)，調(diào)度控制相關系統(tǒng)中使用的電力芯片產(chǎn)品主要分兩類。①后臺的硬件基礎設施和辦公終端。②前端采集、遠端工控、繼電保護、電網(wǎng)安全穩(wěn)定等環(huán)節(jié)的各類工控設備。其中所涉及的芯片主要包括主控、安全、通信、電源、授時等多類產(chǎn)品。

3 我國電力芯片發(fā)展面臨困難

（1）電力芯片對穩(wěn)定性、可靠性、工藝技術等要求嚴苛，國產(chǎn)芯片突破困難。國內(nèi)芯片供應大都集中在用電環(huán)節(jié)，發(fā)電、輸電、變/配電、調(diào)度環(huán)節(jié)發(fā)展緩慢。①國內(nèi)在發(fā)電、輸電、變/配電環(huán)節(jié)芯片方面的技術水平較低，部分生產(chǎn)線生產(chǎn)訣竅（know-how）并未掌握，如國內(nèi)在IGBT生產(chǎn)過程中的正面絕緣鈍化，背面退火、離子注入和減薄，先進封裝等工藝與國外存在較大差距。②電力行業(yè)芯片生產(chǎn)工藝復雜，原輔料要求高，生產(chǎn)監(jiān)控嚴格，流片成本較高。例如，通常在封裝過程中額外摻雜一定材料以保證封裝的溫度穩(wěn)定性、采用電阻率徑向變化更加一致的區(qū)熔硅片等。生產(chǎn)過程中，與消費級芯片相比，電力芯片各環(huán)節(jié)的晶圓檢測點密度至少提高幾倍，大幅增加了生產(chǎn)成本和難度。

（2）電力芯片品種多、市場分散、驗證周期長等特點，導致國內(nèi)企業(yè)難以進入。電力芯片生產(chǎn)成本較高，量小類多，消費級芯片企業(yè)不愿進入。電力芯片大多是非標準件且壽命（更換周期）長，每種產(chǎn)品市場并不大，芯片企業(yè)很難通過規(guī)模盈利來彌補前期技術投入，極大阻礙了芯片企業(yè)的技術攻關熱情。此外，發(fā)電、輸電、變/配電等環(huán)節(jié)對芯片使用周期和安全穩(wěn)定性要求更高，產(chǎn)品驗證周期普遍較長（通常為3～5 a），為增加盈利，國內(nèi)芯片供應商大都選擇從芯片驗證周期較短的用電端芯片市場切入，如PLC芯片、安全芯片、電表主控芯片等。

（3）“換芯”成本高、風險大、生態(tài)不完善，電力系統(tǒng)應用企業(yè)動力不足。對國外芯片進行替代不是簡單的“換芯”，而是基于芯片的整個業(yè)務系統(tǒng)的替換和重構。由于國產(chǎn)芯片生態(tài)環(huán)境還很不完善，給用戶帶來了許多額外的工作量，有些甚至不具備可行性，比如一些行業(yè)的工業(yè)軟件采用國外產(chǎn)品，無源碼、無知識產(chǎn)權，難以遷移到國產(chǎn)技術平臺上;換芯之后的整機和系統(tǒng)需要重新進行大量的考核測試與驗證才能定型、真正投入使用需要耗費大量的時間和成本。更重要是的，電力行業(yè)“換芯”是個系統(tǒng)工程，一旦國產(chǎn)芯片因性能、穩(wěn)定性、可靠性等發(fā)生問題，導致電力核心系統(tǒng)故障或停止運行，將可能帶來災難性的影響，引發(fā)人員傷亡、經(jīng)濟損失等嚴重后果，應用企業(yè)動力不足。

4 發(fā)展建議

（1）加強電力芯片技術攻關，突破關鍵核心技術和產(chǎn)品。瞄準發(fā)電、輸電、變/配電等薄弱環(huán)節(jié)，重點針對變壓器、換流閥等關鍵設備用晶閘管、IGBT、主控MCU等電力電子短板產(chǎn)品開展聯(lián)合攻關。提高國內(nèi)芯片企業(yè)在電氣設備研發(fā)過程中的參與度，設備企業(yè)和芯片企業(yè)開展廣泛合作，圍繞核心環(huán)節(jié)的國產(chǎn)芯片開展新型或替代型電力電子設備的設計、組裝與驗證。

（2）加強產(chǎn)用對接，優(yōu)化國產(chǎn)電力芯片應用生態(tài)。發(fā)揮電力行業(yè)企業(yè)優(yōu)勢，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作模式，建議電網(wǎng)企業(yè)、電氣設備供應商共同入股芯片設計企業(yè)，為研發(fā)與產(chǎn)品驗證投入提供資金保障。建議集中資源支持龍頭芯片企業(yè)，做大做強企業(yè)規(guī)模。鼓勵電網(wǎng)公司持續(xù)推進電力芯片國產(chǎn)化進程，特別是發(fā)電、輸電、變/配電、調(diào)度等環(huán)節(jié)，積極開展國產(chǎn)化設備/系統(tǒng)的應用試點工作，加速我國電力芯片的應用推廣。

（3）加強應用牽引，暢通國產(chǎn)電力芯片替代通道。建立電力行業(yè)國產(chǎn)芯片應用容錯機制，研究制定國產(chǎn)產(chǎn)品應用容錯機制，對確因使用國產(chǎn)芯片導致的系統(tǒng)故障或安全事故，免除或減輕重點行業(yè)用戶單位及直接責任人的相關責任。支持電力企業(yè)開展國產(chǎn)芯片測試驗證、基于國產(chǎn)芯片的系統(tǒng)遷移改造等工作，探索將采購國產(chǎn)芯片、基于國產(chǎn)芯片的遷移改造等投入在利潤中予以抵扣。

參考文獻

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