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光伏逆变器技术趋势

发布日期:2021-11-20 14:46   来源:未知   阅读:

  光伏逆变器是光伏发电系统的控制中枢,能够将组件产生的直流电转为交流电 以实现并网或负载使用。光伏逆变器主要由功率转换模块、微机控制模块、EMI模 块、保护电路、监测模块、人机交互模块等组成,其发展依赖于电子电路技术、半 导体器件技术及现代控制技术的发展。光伏组件所发的电全部都要通过逆变器处理 后才能对外输出,因此,逆变器属于光伏发电系统的核心BOS设备。

  光伏逆变器可根据工作原理分为集中式、组串式及微型逆变器。由于各类逆变 器工作原理不同,应用场景也有所不同:

  (1)集中式逆变器先汇流、再逆变,主要适用在光照均匀的大型集中式电站 场景。集中式逆变器先将多路并行的组串汇流到直流输入端,进行最大功率峰值跟 踪后,再集中转换为交流电,通常单体容量都在500kw以上。由于集中式逆变器系 统集成度高,功率密度大,因而成本低,主要应用日照均匀的大型厂房,荒漠电站 等大型集中式光伏电站中。

  (2)组串式逆变器先逆变、再汇流,主要适用于中小型屋顶、小型地面电站 等场景。组串式逆变器基于模块化概念,对1-4组光伏组串进行单独的最大功率峰 值跟踪后,先将其产生的直流电逆变先为交流电,再汇流升压、并网,因此功率相 对集中式更小,但应用场景更为丰富,可适用于集中式电站、分布式电站及屋顶电 站等各类电站,价格略高于集中式。

  (3)微型逆变器直接逆变并网,主要适用于户用及小型分布式场景。微型逆 变器是对每个光伏组件进行单独的最大功率峰值跟踪,再经过逆变并入交流电网, 相比于前两种逆变器,其体积最小,功率最小,一般功率在1kw以下,主要适用于 分布式户用及小型分布式工商业屋顶电站,但价格高昂,一旦出现故障难以维护。

  受益分布式发电占比提升及加速渗透大型电站,组串式逆变器市占率逐步提 升。根据GTM统计,2019年全球组串式逆变器市占率为52%,较2015年提升11个 pct。根据CPIA统计,2020年国内组串式逆变器市占率为67%,较2016年提升34.5 个pct。具体原因如下:

  集中式光伏电站投资大,建设周期长,占地面积大,主要建设在光照均匀的大 型地面。集中式光伏电站能够充分利用空旷丰富且稳定的太阳能资源,通过建设大 型光伏电站,接入高压输电系统供给远距离复合,其所发电能将直接输送至电网, 由电网以光伏发电标杆电价收购全部电量并同意调配向用户供电。

  分布式光伏电站投资门槛低,建设快,占地面积小,装机灵活,是未来光伏发 展的主要方向。分布式发电指位于用户所在地附近的供电系统,其生产的电力除用 户自用和就近利用外,还可以将多余电力送入当地配电网。由于太阳能资源具有分散、能量密度低的特点,本身具有分布式发电的天然优势。由于集中式投资门槛 低,园区、大工业、工商业等高电价用户利用分布式发电的意愿正在不断加强,直 接推动组串式逆变器市场份额的逐步提升。

  (2)组串式逆变器MPPT赋能及维修便利性优势显著,伴随单机功率大型化 逐步缩小与集中式价差,加速渗透大型电站市场:组串式逆变器具有高发电量、高 可靠性、安全性高、易安装维护等优点,当一块组件被阴影阻挡或发生故障时,但 因为具有多路MPPT,因此只会影响对应少数几个组串的发电量,可以将损坏降至 最低,阵列失配损失小,效率更高,逐步应用在大型电站市场。

  此前组串式逆变器未能大规模替代集中式逆变器的主要原因在于成本高昂,单 机最大功率也受到功率器件、线路布置等限制,但得益于上游IGBT和MOSFET等 核心元器件的迭代升级,叠加功率模块技术不断发展,组串式逆变器单机功率密度 不断提高,价格快速下降,性价比凸显,越来越多大型电站选择采用组串式逆变器 方案。据PV-tech统计,在2020年已公布的国内央企逆变器集采项目中,组串式逆 变器招标比例再创新高,占比达74%。

  “新增+替换”需求加速光伏逆变器市场爆发。与光伏组件25-30年使用寿命不 同,光伏逆变器所使用的IGBT等电子元器件的使用寿命普遍为10-15年,因此在光 伏电站运行周期内至少需要更换一次逆变器,2010年时全球光伏新增装机已达到 17.5GW,随着不断有光伏电站进入存量技改时期,替换需求将持续增长。

  光伏逆变器原材料成本刚性,是降本核心重点。光伏逆变器原材料成本占比高 达80%以上,主要包括电子元器件、机构件以及辅助材料,产品定价主要基于成本 加成、品牌定位及对当地市场竞争态势等因素综合判断。(1)产业链国产化推动 采购成本下降:国内制造业发展迅猛,多数原材料已实现国产化,通用性材料市场 充分竞争,采购价格逐年下降,而集成电路及半导体器件由于技术门槛较高,仍由 海外厂商提供,国产化后有望带动采购成本的进一步下降。(2)电子及电路技术 升级助力降本增效:在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一,使用SiC MOSFET功率模块的光伏 逆变器转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命 提升50倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命。

  美日等市场渗透仍有提升潜力,国产逆变器成本优势显著,加速出海优化出货 结构。海外市场对产品性能及售后要求相对较高,竞争氛围宽松,美日等国家光伏 电站的逆变器仍主要由本土品牌提供;例如SolarEdge和Enphase两家厂商凭借技 术和专利壁垒,占美国住宅逆变器80%以上份额;日本准入门槛较高,逆变器厂商 以TMEIC、Moron、Panasonic等本土企业为主。由于海外终端客户对价格敏感性 较弱,国产逆变器成本优势显著,产品性能已不输进口,出口海外的产品价格及毛 利率都显著高于国内,国内逆变器企业正在加速开拓海外市场,不断建立海外渠道 及扩大品牌影响力,出货量前10大厂商中的中国逆变器厂商市占率已从2012年的 13%快速上升至2020年的54%。

  光伏逆变器产值:2025年翻倍不止,海外市场空间更为广阔。根据测算,全 球光伏逆变器产值将在2025年达889亿元,2020-2025年CAGR为18%,其中海外 市场超过700亿元。

  逆变器可根据能量是否存储分为光伏并网逆变器和光伏储能逆变器。传统并网 光伏逆变只能进行从直流电到交流电的单向转换,仅在白天发电,发电功率也会受 到天气影响,具有不可预见性等问题,而储能逆变器集成了光伏并网发电+储能电 站的功能,在电能富余时将电能存储,电能不足时将存储的电能逆变后向电网输 出,平衡昼夜及不同季节的用电差异,起到削峰填谷的作用。

  光储一体化是必然趋势,政策先行推动新能源配储。理论上,在一个完全由光 伏供电的情境下,需配置 1:3 至 1:5的储能后才能实现不间断电源供给,光储 一体有望成为未来的清洁能源解决方案。短期内,储能装机需求主要受政策端推 动,受制消纳空间及电力波动性等影响,各国政府加速出台了一系列鼓励储能市场 的相关政策,国内部分省市甚至强制要求新能源配储。

  成本下探抬升储能经济性,光储平价刺激需求爆发。长期来看,考虑光伏等新 能源发电的波动性特征以及调峰调频成本考虑,新能源配储是必然选择,需求将从 政策推动转为由内部经济性推动。储能变流器(PCS)作为智能电网与储能装置的 接口,主要用于控制储能系统中蓄电池的充电和放电过程,负责进行交直流的双向 变换,目前占储能系统成本约15.5%,电池成本占比接近60%,随着二者成本的进 一步下探,光储平价后需求将由政策推动转向内部经济性自发驱动。而储能逆变器 与并网逆变器技术同源,虽然保护回路、缓冲回路有差别,但硬件平台和拓扑结构 相似,因而降本路径与光伏逆变器基本一致。

  储能逆变器产值:储能商业模式日趋多元,孕育储能逆变器百亿级新兴市场。在并网应用上,根据储能系统所处发、输、配、用不同环节,可分为发电侧储能、 配电侧储能和用电侧储能。发电侧储能主要解决可再生能源并网发电的波动性和消 纳问题,配电侧储能则主要实现调峰调频功能,发电侧和配电侧储能系统应用通常 具有容量大、占地面积大、投资成本高等特点,主要应用于大型集中式地面电站和 电网变电站等领域。用电侧可分为户用和工商业光伏储能,主要用于提升发电收 益、降低用电成本。根据储能在各类能源装机配比的渗透率情况,预计2025年储 能装机需求超过140GW,储能逆变器产值超680亿元,从而使得整个逆变器行业产 值超1500亿元。

  今日科普:预计2022-2025年去全球光伏装机规模分别为220、280、330、380GW。香港最快开奖现场直播