半导体产业快速发展助力双碳目标的实现

8月16日，在由AspenCore主办的2022国际集成电路展览会暨研讨会 (IIC)上，阳光电源股份总监翁捷先生发表了题为“半导体产业快速发展助力双碳目标的实现”演讲...

“由于一些原因，今天不太方便直接到会场，所以通过视频的方式参加。下面我将从四个部分简单为业界同仁解读半导体产业快速发展何以助力双碳目标的实现。”阳光电源股份有限公司总监翁捷先生在16日举办的2022国际集成电路展览会暨研讨会 (IIC)上说。

光伏具有广阔的发展前景

翁捷介绍，光伏具有广阔的发展前景。“30·60是双碳目标”实现的有三大核心驱动力，分别是气候变化、降低碳排放和能源安全。

气候变化是最大的生态危机，当前全球气候变暖频繁出现灾难性气候。《巴黎协定》（The Paris Agreement）是由全世界178个缔约方共同签署的气候变化协定，是对2020年后全球应对气候变化的行动做出的统一安排，于2016年11月4日起正式实施。《协定》的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。

而碳排放二氧化碳是气候变化主要因素之一，2020年，我国碳排放100亿吨左右，高居世界第一，减排压力大。当前的能源安全也是我们国家大力发展双碳目标的核心驱动力，因为我们国家的石油和天然气对外依存度都非常高。

据了解，30·60双碳目标的路径是要构建以新能源为主体的新型电力系统，全球已经有130多个国家提出“碳中和”目标，中国将采取更加有力的政策和措施。2021年中国光伏累计装机量超过300GW，预计2050年将会超过5000GW，2050年光伏发电量将会占到全国总发电量的39%，是中国电力供应的主要手段，所以实现“碳中和”的重要手段也是光伏发电的期望。

如上图所示，风电和储能成本正在快速下降，过去十年光伏成本下降了90%，风电成本下降25~40%，储能成本下降超过80%。当前光伏和风电LCOE（度电成本 levelized cost of energy）已经低于煤电，风储、光伏LCOE也有望正在最近几年低于低于煤电。

“阳光电源作为专注于风光储等新能源设备制造及解决方案公司，成立至今已有25年。公司多年来我们潜心于技术发展和产品研发，现在全球市占率已经达到了约30%，其中光伏逆变器设备安装量超过200GW。”翁捷介绍说，阳光电源当前业务有十大模块，包含了光伏逆变器、风电变流器、新能源投资开发、新能源汽车驱动系统、水面光伏及智慧运维业务、电动汽车充电、光伏智能清扫等。

阳光电源股份有限公司是国内最早涉足储能领域的企业之一。2021年公司储能业务高速增长，1500V全场景储能系统解决方案降本增效显著，成为当前光储平价上网压力下，新能源+储能实现规模化发展的关键支撑技术，2021年公司储能系统发货量实现几何级增长，当年全球发货量达3GWh。

半导体器件在逆变器中的应用

演讲中，翁捷指出，光伏逆变器种类非常多，大致可以分为户用逆变器、组串逆变器和集中式逆变器，“最近也出现了新型逆变器，比如优化器+组串逆变器、微型逆变器和关断器+组串逆变器等。”

光伏逆变器使用的电力电子功率器件，从单管角度来看主要是IGBT单管、SiC二极管、CoolMos、SiC MosFet。模块方面有PrimePack系列、Econodual系列，白模块等等。除此以外，光伏逆变器使用的其他芯片还包括控制芯片、功率相关芯片、其他数字、模拟芯片，辅助电源管理芯片，翁捷说“这都是我们阳光电源的与我们电力电子功率器件供应商所潜心共同开发的。”

翁捷介绍，MCU和MPU是光伏逆变器中控制芯片主要使用的部分，里面对应ARM控制芯片为两大类，MCU用于数据采集器等设备，MPU用于逆变器电池管理系统和双向变流器。DSP系列应小型逆变器和变流器使用是第二代DSP芯片，电源电驱使用的是属于第三代DSP里面相对来说成本比较有优势的中低端芯片，而大型逆变器和变流器使用是第三代DSP比较高端类型的芯片。

“十年前我们做的光伏逆变器是利用碳化硅二极管完成组串型逆变器和其他集中式逆变器。如今，我们使用的光伏逆变器，有单机最大的SG320HX，可以匹配大组件，更低的度电成本。当前的逆变器可以使得功率密度提升80%，但是成本更是下降了80%。” 翁捷感叹道。

在碳化硅等新型电子功率期间应用上面，阳光电源也在不断地追求变化和跟踪时代脉搏，当前在高功率密度逆变器上面用碳化硅器件可以实现功率密度提升情况下最高效率达到99.2%，同时国产收款纯碳化硅单管并联电机成为了驱动器明星产品EC60。

光伏逆变技术的发展——两大挑战

逆变器不光有电子器件的加持，也要解决当前光伏行业内两大主要问题。一是碳中和要求的度电成本要更低，二是除了实现光伏发电用电平价上网，还要更好地能够支持电网发展和高渗透率的持续提升。这两大挑战的主要任务意味着，在碳达峰、碳中和目标下，新能源多场景应用趋势对度电成本和电网提出了更高的要求。光伏行业需要不断努力地降低系统的初始投资成本，同时优化系统设计，提升效率，不断优化运维方式，降低运维成本，逆变器发展方向逐步由适应电网走向支撑电网。翁捷表示，阳光电源将竭力推出更多优质产品和服务，光储并济，携手行业伙伴，加速能源结构转型和碳中和进程。

翁捷认为，“当前光伏逆变器主要发展趋势源动力来自三个方面，一是技术驱动，二是应用场景驱动，三是功能拓展。”具体来看，光伏逆变器的技术驱动有一部分是来自于光伏逆变器的精细化电子设计，面对现在高功率大密度的情况下，高频电磁设计从原来粗放型问题变成精细化需要解决的问题，为此，阳光电源提出了基于精密建模的电磁干扰正向设计方法，也突破了变流器电磁环境下精确设计难题，实现了高频工作，进一步提升了功率密度。以下两张图展示了阳光电源在磁电联合时变降维精准建模方法上所做的工作以及电磁干扰精准设计上所做的工作。

逆变器从原来的适应电网到现在的支撑电网，最主要是来自于提升电网的电能质量的要求，这个中间体现在逆变器需要支持电网的无功调度，快速功率响应，同时需要快速有功输出，实现电网调频。在无功输出响应速度上完全满足电网调度要求，可完全替代SVG。

翁捷介绍说，“应对传统电网可能出现严重故障或者出现关键设备失效的情况，我们不但要适应变化支撑电网，还要做到自主组网，比如说在单个设备压支撑电网的故障穿越，一次调频，无功支撑，低SCR。在自主组网模式下保障负荷连续稳定供电，为此阳光电源研究电压源模式运行技术，自同步和电网支撑技术，黑启动和组网技术。”

能源互联网的未来

科技创新是实现“双碳”目标的核心驱动力，要靠技术创新解决大容量、低成本的储能技术促进能源结构调整，要靠原始创新推动产业结构从中低端向中高端调整，这两个调整对于碳达峰碳中和至关重要，其关键也都是创新能力的提升。而能源互联网数字化和平台化是双碳目标实现的技术基础。

据翁捷介绍，在数字化方面，阳光电源通过智能化数字采集设备实现了光伏逆变器，储能逆变器，组件，汇流箱及环境数据智能采集，也实现了基于公共数据管理的方案，实现结构化数据管理，数据质量保证，数据密度变更管理，从而为分布式数据存储打好了条件。

在数据挖掘和数据可视化方面，积极探索设备故障定位、预警、器件寿命预测，同时也做了光伏、风电、负荷功率预测。在数字化基础之下，再做好智能化设备到站级运维管理及集团管理平台到高级管理平台这样一个平台化架构，这也是为双碳目标实现的技术基础之一。

“光有技术基础还不够，我们还需要一些技术核心，当前大数据、云计算、物联网、边缘计算、AI技术都将成为双碳目标实现的技术核心，”翁捷指出，阳光电源在针对这些技术领域做了自己的探索，例如基于大数据和云计算的光伏组件IV扫描诊断，可以更好的进行电网友好性控制策略的实施。物联网+AI技术的智能跟踪支架算法，可以进一步提高光伏系统的发电量。无人机电站巡检系统可全自动地判别组件故障信息，实时发送故障告警信息，并驱动机器人进行组件表面清洁。在边缘计算发展和AI技术加持情况下面，在新能源发电预测、设备诊断、运行调度策略优化方面做了积极探索。

“双碳目标不仅仅是技术的探索，平台的创新，更加是业务的创新，能碳一站式解决方案与服务是双碳目标实现的业务创新，其中基于核心设备和生态伙伴以及核心技术和能力，我们创建了能流和碳流分而治之的业务模式，并且提供了一站式解决方案，服务于各种可能的用能客户，比如说政府、企业、家庭等等，最终实现了基于清洁能源的系统化产品为我们进行零碳管理以及智慧核心管理一站式解决方案，为双碳目标实现作出了我们的业务创新的探索。”翁捷说。

演讲最后，翁捷说道：“能源革命的大时代已经拉开序幕。未来40年，我们要努力践行这一伟大历史使命。光伏逆变系统在半导体等技术的加持下，会朝着更高效率，更加友好，更加智能化的方向发展。数字化时代的到来，充分利用大数据、云计算、物联网、边缘计算、AI技术将助力双碳目标的更快实现，创新是双碳实现过程中的永恒主题，也是阳光电源不懈追求的目标！”

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