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    光伏逆變器技術趨勢

    核心提示:光伏逆變器技術趨勢
    儲能逆變器集成了光伏并網發電+儲能電站的功能,在電能富余時將電能存儲,電能不足時將存儲的電能逆變后向電網輸出,起到削峰填谷的作用,是未來的主要發展方向之一。

    光伏逆變器光伏發電系統的控制中樞,能夠將組件產生的直流電轉為交流電以實現并網或負載使用。光伏逆變器主要由功率轉換模塊、微機控制模塊、EMI模 塊、保護電路、監測模塊、人機交互模塊等組成,其發展依賴于電子電路技術、半導體器件技術及現代控制技術的發展。

    (一)技術趨勢一:功率模塊化加速組串式滲透,新增與替換需求共振

    光伏逆變器可根據工作原理分為集中式、組串式及微型逆變器。由于各類逆變器工作原理不同,應用場景也有所不同:

    光伏逆變器

    (1)集中式逆變器先匯流、再逆變,主要適用在光照均勻的大型集中式電站場景。集中式逆變器先將多路并行的組串匯流到直流輸入端,進行最大功率峰值跟 蹤后,再集中轉換為交流電,通常單體容量都在500kw以上。由于集中式逆變器系 統集成度高,功率密度大,因而成本低,主要應用日照均勻的大型廠房,荒漠電站 等大型集中式光伏電站中。

    (2)組串式逆變器先逆變、再匯流,主要適用于中小型屋頂、小型地面電站 等場景。組串式逆變器基于模塊化概念,對1-4組光伏組串進行單獨的最大功率峰 值跟蹤后,先將其產生的直流電逆變先為交流電,再匯流升壓、并網,因此功率相 對集中式更小,但應用場景更為豐富,可適用于集中式電站、分布式電站及屋頂電 站等各類電站,價格略高于集中式。

    (3)微型逆變器直接逆變并網,主要適用于戶用及小型分布式場景。微型逆 變器是對每個光伏組件進行單獨的最大功率峰值跟蹤,再經過逆變并入交流電網, 相比于前兩種逆變器,其體積最小,功率最小,一般功率在1kw以下,主要適用于 分布式戶用及小型分布式工商業屋頂電站,但價格高昂,一旦出現故障難以維護。

    受益分布式發電占比提升及加速滲透大型電站,組串式逆變器市占率逐步提升。根據GTM統計,2019年全球組串式逆變器市占率為52%,較2015年提升11個 pct。根據CPIA統計,2020年國內組串式逆變器市占率為67%,較2016年提升34.5 個pct。具體原因如下:

    (1)分布式光伏發電首選組串式方案,占比提高直接帶動組串式份額增加:

    集中式光伏電站投資大,建設周期長,占地面積大,主要建設在光照均勻的大型地面。集中式光伏電站能夠充分利用空曠豐富且穩定的太陽能資源,通過建設大型光伏電站,接入高壓輸電系統供給遠距離復合,其所發電能將直接輸送至電網, 由電網以光伏發電標桿電價收購全部電量并同意調配向用戶供電。

    分布式光伏電站投資門檻低,建設快,占地面積小,裝機靈活,是未來光伏發 展的主要方向。分布式發電指位于用戶所在地附近的供電系統,其生產的電力除用 戶自用和就近利用外,還可以將多余電力送入當地配電網。由于太陽能資源具有分散、能量密度低的特點,本身具有分布式發電的天然優勢。由于集中式投資門檻 低,園區、大工業、工商業等高電價用戶利用分布式發電的意愿正在不斷加強,直 接推動組串式逆變器市場份額的逐步提升。

    (2)組串式逆變器MPPT賦能及維修便利性優勢顯著,伴隨單機功率大型化逐步縮小與集中式價差,加速滲透大型電站市場:

    組串式逆變器具有高發電量、高 可靠性、安全性高、易安裝維護等優點,當一塊組件被陰影阻擋或發生故障時,但 因為具有多路MPPT,因此只會影響對應少數幾個組串的發電量,可以將損壞降至 最低,陣列失配損失小,效率更高,逐步應用在大型電站市場。

    此前組串式逆變器未能大規模替代集中式逆變器的主要原因在于成本高昂,單機最大功率也受到功率器件、線路布置等限制,但得益于上游IGBT和MOSFET等核心元器件的迭代升級,疊加功率模塊技術不斷發展,組串式逆變器單機功率密度不斷提高,價格快速下降,性價比凸顯, 越來越多大型電站選擇采用組串式逆變器方案。據PV-tech統計,在2020年已公布的國內央企逆變器集采項目中,組串式逆變器招標比例再創新高,占比達74%。

    “新增+替換”需求加速光伏逆變器市場爆發。與光伏組件25-30年使用壽命不同,光伏逆變器所使用的IGBT等電子元器件的使用壽命普遍為10-15年,因此在光 伏電站運行周期內至少需要更換一次逆變器,2010年時全球光伏新增裝機已達到 17.5GW, 隨著不斷有光伏電站進入存量技改時期,替換需求將持續增長。

    (二)優化空間一:產業鏈國產化疊加技術升級迭代,國產加速出海

    光伏逆變器原材料成本剛性,是降本核心重點。光伏逆變器原材料成本占比高達80%以上,主要包括電子元器件、機構件以及輔助材料,產品定價主要基于成本 加成、品牌定位及對當地市場競爭態勢等因素綜合判斷。

    (1)產業鏈國產化推動采購成本下降:國內制造業發展迅猛,多數原材料已實現國產化,通用性材料市場 充分競爭,采購價格逐年下降,而集成電路及半導體器件由于技術門檻較高,仍由 海外廠商提供,國產化后有望帶動采購成本的進一步下降。

    (2)電子及電路技術升級助力降本增效:在光伏發電應用中,基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統 10%左右,卻是系統能量損耗的主要來源之一,使用SiC MOSFET功率模塊的光伏 逆變器轉換效率可從96%提升至99%以上,能量損耗降低50%以上,設備循環壽命提升50倍,從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命。

    美日等市場滲透仍有提升潛力,國產逆變器成本優勢顯著,加速出海優化出貨 結構。海外市場對產品性能及售后要求相對較高,競爭氛圍寬松,美日等國家光伏 電站的逆變器仍主要由本土品牌提供;例如SolarEdge和Enphase兩家廠商憑借技 術和專利壁壘,占美國住宅逆變器80%以上份額;日本準入門檻較高,逆變器廠商 以TMEIC、Moron、Panasonic等本土企業為主。

    由于海外終端客戶對價格敏感性 較弱,國產逆變器成本優勢顯著,產品性能已不輸進口,出口海外的產品價格及毛 利率都顯著高于國內,國內逆變器企業正在加速開拓海外市場,不斷建立海外渠道 及擴大品牌影響力,出貨量前10大廠商中的中國逆變器廠商市占率已從2012年的 13%快速上升至2020年的54%。

    光伏逆變器產值:2025年翻倍不止,海外市場空間更為廣闊。根據測算,全 球光伏逆變器產值將在2025年達889億元,2020-2025年CAGR為18%,其中海外 市場超過700億元。

    (三)技術趨勢二:儲能蓄勢待發,賦予逆變器百億級新興市場

    逆變器可根據能量是否存儲分為光伏并網逆變器和光伏儲能逆變器。傳統并網光伏逆變只能進行從直流電到交流電的單向轉換,僅在白天發電,發電功率也會受到天氣影響,具有不可預見性等問題,而儲能逆變器集成了光伏并網發電+儲能電站的功能,在電能富余時將電能存儲,電能不足時將存儲的電能逆變后向電網輸出,平衡晝夜及不同季節的用電差異,起到削峰填谷的作用。

    光儲一體化是必然趨勢,政策先行推動新能源配儲。理論上,在一個完全由光伏供電的情境下,需配置 1:3 至 1:5的儲能后才能實現不間斷電源供給,光儲 一體有望成為未來的清潔能源解決方案。短期內,儲能裝機需求主要受政策端推 動,受制消納空間及電力波動性等影響,各國政府加速出臺了一系列鼓勵儲能市場 的相關政策,國內部分省市甚至強制要求新能源配儲。

    成本下探抬升儲能經濟性,光儲平價刺激需求爆發。長期來看,考慮光伏等新能源發電的波動性特征以及調峰調頻成本考慮,新能源配儲是必然選擇,需求將從政策推動轉為由內部經濟性推動。儲能變流器(PCS)作為智能電網與儲能裝置的接口,主要用于控制儲能系統中蓄電池的充電和放電過程,負責進行交直流的雙向變換,目前占儲能系統成本約15.5%,電池成本占比接近60%,隨著二者成本的進 一步下探,光儲平價后需求將由政策推動轉向內部經濟性自發驅動。而儲能逆變器 與并網逆變器技術同源,雖然保護回路、緩沖回路有差別,但硬件平臺和拓撲結構 相似,因而降本路徑與光伏逆變器基本一致。

    儲能逆變器產值:儲能商業模式日趨多元,孕育儲能逆變器百億級新興市場。在并網應用上,根據儲能系統所處發、輸、配、用不同環節,可分為發電側儲能、 配電側儲能和用電側儲能。

    發電側儲能主要解決可再生能源并網發電的波動性和消納問題,配電側儲能則主要實現調峰調頻功能,發電側和配電側儲能系統應用通常具有容量大、占地面積大、投資成本高等特點,主要應用于大型集中式地面電站和電網變電站等領域。用電側可分為戶用和工商業光伏儲能,主要用于提升發電收益、降低用電成本。

    根據儲能在各類能源裝機配比的滲透率情況,預計2025年儲能裝機需求超過140GW,儲能逆變器產值超680億元,從而使得整個逆變器行業產 值超1500億元。

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