“碳达峰、碳中和”背景下我国电力芯片发展研究

葛婕 赵聪鹏

[摘    要]电力行业关乎国计民生，在“碳达峰、碳中和”背景下电力芯片是实现电力系统智能化、网联化、自动化的重要基石。电力调控、企业管理等涉及的相关设备、系统、软件等基本已全部实现国产化，但芯片方面国产化率仍较低。从各环节看，用电环节芯片对外依赖有所缓解，但是电力生产和输/配电环节，核心芯片仍主要依赖进口。建议加强电力芯片技术攻关，突破关键核心技术和产品;加强产用对接，优化国产电力芯片应用生态;加强应用牵引，畅通国产电力芯片替代通道。

[关键词]碳达峰;碳中和;电力芯片;发展路径

[中图分类号]F426.63 [文献标志码]A [文章编号]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”背景下我国电力芯片发展趋势

（1）电力系统加快向自动化、智能化、网联化转型升级。“碳达峰、碳中和”要求电力系统加快低碳转型，完善智能电网建设，建成能源互联网、智能能源系统、智能电力系统等。电力载波通信凭借其基于电力线传输信号，无需额外布线，抗干扰能力强等优点，已逐渐成为智能电网自动抄表系统、智慧城市物联系统、智能建筑和智能小区底层通讯方式的首选。用电信息采集及运维的自动化，基于大数据的采集智能运维技术应用，低能耗、广域无线通信技术在多表集抄应用，智能城市电、水、气、热表集抄系物联网技术研究等技术路线日渐清晰化，成为行业发展重要方向。

（2）“新基建”中特高压电网建设推动电力芯片需求爆发增长。“碳达峰、碳中和”要求加快提升光伏、风电等新能源发电量。风电、光伏等新能源发电具有随机性、波动性，必须建立清洁能源大规模开发、大范围配置、高效利用的能源互联网，即“智能电网+特高压电网+清洁能源”。特高压输电网络是能源互联网重要的一环，是“新基建”重要领域之一。特高压产业链包括电源、电工装备、用能设备、原材料等。其中电工装备、电源和用能设备等均需要大量的控制、电源管理、安全防护、传感器等芯片，是电力芯片发展的重要驱动力。

（3）电力系统的信息安全和供应链安全亟需加快发展国产芯片。国内电力芯片发展滞后，无法与国内电网建设规划相匹配。随着我国电网建设不断推进，电力芯片对外依存度不断升高，问题日益凸显。①信息安全风险，芯片中若有后门，会严重威胁电网运行安全;②供应链风险较高，如早期国内智能电表RTC模块依赖日本，后日本发生“311”大地震，并引发海啸和核电站泄漏事故，造成芯片断供，国内的智能电表生产出现停滞;③芯片采购昂贵，国外芯片售价在国内替代品出现之前，价格通常会高出30%，这些因素都驱动我国加快发展电力芯片。

2 电力行业各环节对芯片需求分析

2.1 发电环节

火电、水电等对芯片的需求主要集中在发电设备控制系统中，光伏、风电等新能源发电直接生成的是直流电，需要通过逆变器将直流变为交流。光伏发电中用到的芯片设备主要是组件和逆变器。其中，光伏组件接线盒中一般会使用三个二极管，用于防止硅电池片因热斑效应而烧毁。在光伏逆变器中，用到的芯片类型比较多，包括IGBT/MOSFET、控制器、AD/DA、电源管理芯片以及传感器等。在集中式逆变器中，芯片成本占比约为17.8%，占比最大的主要是功率器件，包括IGBT和MOSFET等，占比为13.3%;组串逆变器也类似，MOSFET等占比约为9.73%。由于逆变器有三相，所以逆变器IGBT的数量是3的倍数。小功率的逆变器可能是三个或者多个。拓扑结构不同，数量也会不同，特别是小机，在兼顾成本和供货等因素下，也会通过2个或者多个IGBT并联的方式，这样IGBT数量就会大幅增加。对于目前500 kW以上的大功率逆变器而言，通常采用IGBT并联或逆变模块并联的方式，对IGBT的需求在36个左右。

2.2 输电环节

在输电系统中，对芯片需求量比较大的主要是直流特高压的换流环节，即在换流阀中将会使用到大量的晶闸管等电力电子产品。换流阀是交直流电能转换的核心单元，通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压值，并实现对功率的控制。此外，传输过程中，对传感器芯片的需求量也较大。电网输电线路平均每0.5 km需要导线测温、倾角、风偏、振动、覆冰雪，微气象、交流泄漏电流等诸多传感器组，每个传感器组包含多枚传感器芯片。

2.3 变电/配电环节

在变电/配电环节主要是将电压等级不断降低，并且将电力逐步延伸至用户，降压过程中需要继电保护系统实施保护，出现故障可快速将故障元件或线路从电力系统中切除，保证无故障部分继续运行。变电/配电环节所需的电气设备主要有高压断路器、高压负荷开关、电力变压器、继电保护设备、直流蓄电池屏等，继电保护各环节对芯片的需求主要有MCU、DSP、FPGA、ADC、存储芯片、电源芯片等。

2.4 用电环节

用电环节中，用户用电信息采集系统主要是用来计量用户的用电额度，为售电和用户双方的交易提供数据支撑，该系统主要包括智能电表、采集器、集中器等设备。设备使用的主要有安全芯片、主控（MCU）芯片、通信芯片、时钟芯片、计量芯片等，以及EEPROM、电源、液晶显示屏等元器件。

2.5 调度环节

在调度环节，调度控制相关系统中使用的电力芯片产品主要分两类。①后台的硬件基础设施和办公终端。②前端采集、远端工控、继电保护、电网安全稳定等环节的各类工控设备。其中所涉及的芯片主要包括主控、安全、通信、电源、授时等多类产品。

3 我国电力芯片发展面临困难

（1）电力芯片对稳定性、可靠性、工艺技术等要求严苛，国产芯片突破困难。国内芯片供应大都集中在用电环节，发电、输电、变/配电、调度环节发展缓慢。①国内在发电、输电、变/配电环节芯片方面的技术水平较低，部分生产线生产诀窍（know-how）并未掌握，如国内在IGBT生产过程中的正面绝缘钝化，背面退火、离子注入和减薄，先进封装等工艺与国外存在较大差距。②电力行业芯片生产工艺復杂，原辅料要求高，生产监控严格，流片成本较高。例如，通常在封装过程中额外掺杂一定材料以保证封装的温度稳定性、采用电阻率径向变化更加一致的区熔硅片等。生产过程中，与消费级芯片相比，电力芯片各环节的晶圆检测点密度至少提高几倍，大幅增加了生产成本和难度。

（2）电力芯片品种多、市场分散、验证周期长等特点，导致国内企业难以进入。电力芯片生产成本较高，量小类多，消费级芯片企业不愿进入。电力芯片大多是非标准件且寿命（更换周期）长，每种产品市场并不大，芯片企业很难通过规模盈利来弥补前期技术投入，极大阻碍了芯片企业的技术攻关热情。此外，发电、输电、变/配电等环节对芯片使用周期和安全稳定性要求更高，产品验证周期普遍较长（通常为3～5 a），为增加盈利，国内芯片供应商大都选择从芯片验证周期较短的用电端芯片市场切入，如PLC芯片、安全芯片、电表主控芯片等。

（3）“换芯”成本高、风险大、生态不完善，电力系统应用企业动力不足。对国外芯片进行替代不是简单的“换芯”，而是基于芯片的整个业务系统的替换和重构。由于国产芯片生态环境还很不完善，给用户带来了许多额外的工作量，有些甚至不具备可行性，比如一些行业的工业软件采用国外产品，无源码、无知识产权，难以迁移到国产技术平台上;换芯之后的整机和系统需要重新进行大量的考核测试与验证才能定型、真正投入使用需要耗费大量的时间和成本。更重要是的，电力行业“换芯”是个系统工程，一旦国产芯片因性能、稳定性、可靠性等发生问题，导致电力核心系统故障或停止运行，将可能带来灾难性的影响，引发人员伤亡、经济损失等严重后果，应用企业动力不足。

4 发展建议

（1）加强电力芯片技术攻关，突破关键核心技术和产品。瞄准发电、输电、变/配电等薄弱环节，重点针对变压器、换流阀等关键设备用晶闸管、IGBT、主控MCU等电力电子短板产品开展联合攻关。提高国内芯片企业在电气设备研发过程中的参与度，设备企业和芯片企业开展广泛合作，围绕核心环节的国产芯片开展新型或替代型电力电子设备的设计、组装与验证。

（2）加强产用对接，优化国产电力芯片应用生态。发挥电力行业企业优势，创新产业链上下游合作模式，建议电网企业、电气设备供应商共同入股芯片设计企业，为研发与产品验证投入提供资金保障。建议集中资源支持龙头芯片企业，做大做强企业规模。鼓励电网公司持续推进电力芯片国产化进程，特别是发电、输电、变/配电、调度等环节，积极开展国产化设备/系统的应用试点工作，加速我国电力芯片的应用推广。

（3）加强应用牵引，畅通国产电力芯片替代通道。建立电力行业国产芯片应用容错机制，研究制定国产产品应用容错机制，对确因使用国产芯片导致的系统故障或安全事故，免除或减轻重点行业用户单位及直接责任人的相关责任。支持电力企业开展国产芯片测试验证、基于国产芯片的系统迁移改造等工作，探索将采购国产芯片、基于国产芯片的迁移改造等投入在利润中予以抵扣。

参考文献

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