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光伏逆变器的崛起:技术争锋二十年

返回列表 来源: 发布日期: 2022.05.18 浏览次数:

32%、51%、60.4%、66.5%、69.6%……

这一串看似普通却快速增长的数字演绎的正是光伏逆变器技术路线之一凶猛攻城略地的铿锵之声。

技术迭代则意味着市场变换甚至生死存亡,这在风云变幻的光伏行业尤为印象深刻。

从2003年我国第一台并网逆变器应用,不足20年时间,随着逆变器技术的升级以及终端市场变化,光伏逆变器行业几经洗牌,企业消失、退出,当然还有长青和崛起(《光伏逆变器“极致内卷”》)。

就逆变器技术路线而言,行业普遍区分为集中式、集散式、组串式和微逆,其中又以占据九成市场的集中式和组串式为主,前者被俗称为“大机”,后者则是“小机”。

大小机之间的割据之战仍未停歇,在新型电力系统的全新诉求下,光伏逆变器的技术演变又将走向何方呢?

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小机逆袭

熟悉光伏行业的人士不难猜测,文章开头的数字正是组串式逆变器的节节战果。而小机市占率的逆袭,有天时更有人为。

时间拉回至2003年,由学院派掌门曹仁贤率领的阳光电源推出了我国首台拥有自主知识产权的10kW并网光伏逆变器,但直至2009年,我国在产的逆变器企业少之又少,大量设备依赖进口下,艾默生、SMA、西门子、施耐德、ABB等大量海外品牌备受推崇。

但与此同时,高达200~300%的利润也刺激了国内逆变器企业如雨后春笋般冒出,2011~2012年我国光伏逆变器企业数量激增至140家以上。玩家暴增,价格战随之而来,此轮惨烈厮杀下海外品牌逐渐退出国内市场。

接下来,便是国内市场的沸腾时刻。从2011年起,为进一步培育国内光伏终端市场需求,补贴政策出台,正式开启了地面光伏电站期盼已久的“黄金时代”。此时,囿于成本因素,地面光伏电站的标配为大型集中式逆变器,阳光电源、上能电气等国内大机企业驰骋市场。

当然,时代终有“孤勇者”,通信巨头华为开始盯上了逆变器,并且选择all in 组串式逆变器。

不可否认,华为定义下的组串式逆变器颠覆传统,将数字技术与电力电子技术融合,以智能控制器为核心,打造更优度电成本的智能光伏解决方案,其所倡导的无风扇无熔丝、智能IV诊断技术、“0-Touch”运维、SDS智能跟踪支架优化算法等一系列概念,将组串式逆变器价值发挥至极致的同时,引领了逆变器市场的概念革新。

以华为领衔,组串式逆变器开始逐渐挤入地面电站市场的同时,转机再现,从2016年起本就备受政策热捧的分布式光伏开始爆发,在海外打拼的一众小机企业古瑞瓦特、固德威、锦浪等杀回国内,并快速抢占市场份额。

“受规模、并网电压限制,大多数分布式光伏电站采用的都是组串式逆变器。”上能电气指出,“而且随着组串式逆变器价格逐年下降,在地面电站的竞争力也会进一步加大。”

组串式逆变器占比将继续升高成为主流逆变器企业的一致判断,华为更是预期2022年组串式逆变器的的市占将攀升至80%。

但技术派阳光电源试图打破藩篱,其于去年推出“1+X”模块化逆变器,宣称独立于组串式和集中式逆变器范畴外,可满足分布式、地面电站多场景应用。

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市场变局?

就逆变器选型,适应不同应用场景需求,“因地制宜”可谓业内普遍法则。

如集中式逆变器单机容量大、设备数量少、安装维护便捷、适配各类型组件,上能电气介绍,集中式逆变器在全球大型平地电站及水面电站中仍是主流方案。

组串式逆变器,“基于多路MPPT跟踪的固有特点,在电站全生命周期内具备发电量提升、智能运维便捷性、单机故障影响颗粒度小等多方优势。”科华数能市场人员介绍。组串式逆变器以分布式电站和复杂山地应用为主。

而光伏终端市场,在全球碳减排的强势飓风下,也正悄然生变。落实碳达峰、碳中和目标,国内加快推动以沙漠、戈壁、荒漠地区大型风电、光伏基地建设,到2030年规划装机高达455GW,成为未来十年新增装机的绝对潜力市场。

“大基地以三北地区的沙漠、戈壁为建设主阵地,以平坦地形为主,性价比更高的集中式逆变器在基地项目中的应用比例将提升。”上能电气认为。

“也不尽然。”深圳市禾望电气股份有限公司光伏渠道部产品总监韩光表示,随着组串逆变器的容量越做越大,目前已经做到单机300kW+,未来有可能会做到500kW,随之带来的将是组串逆变器的成本进一步下降,集中式逆变器的成本优势将没那么显著。此外,沙漠环境下,传统集中式逆变器IP54的防护等级可能将无法满足风沙恶劣环境下的长期稳定运行,组串逆变器IP65/IP66的防护等级使其可靠性会更高一些。

但特变电工也强调,该公司的集中式逆变器具备IP65的防护能力,在环境适应性上完全可以对标组串式逆变器。

对此,阳光电源仍旧强调“因地制宜、科学设计”,应选择最优的方案应用于戈壁、荒漠等大型光伏基地场景中。

再次回归实际应用场景,在清洁能源大基地中,以风光为主的新能源占比或超过60%,电站的并网稳定性无疑将成为主要挑战。以100%输送新能源电力的青豫直流为例,因直流送端近区缺少电压支撑,受到暂态过电压的影响,新能源发电越多,青豫直流输送能力越小。

因此,电网对光伏逆变器的并网特性提出了更高的要求。2019年12月,GB/T 37408-2019《光伏发电并网逆变器技术要求》、GB 37855-2019《电力系统稳定导则》相继颁布实施,前者要求逆变器在高电压穿越过程中有功变化率不超过10%,后者首次提出了短路比(SCR)概念。

针对清洁能源基地对电网适应性的更高要求,华为力挺组串式逆变器:“华为引入阻抗重塑的AI自学习算法,融合动态阻尼适配算法、智能串补自适应算法、主动谐波抑制算法等多种领先并网算法,通过AI自学习动态地调整电站本身的电气特性来匹配电网,使电网保持稳定。”

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分久必合

事实上,不仅仅是清洁能源基地,在构建以新能源为主的新型电力系统重压下,光伏发电亟待从“适应电网”走向“支撑电网”。

在此命题下,作为光伏系统的“大脑”担当,以及光伏发电单元与电网之间的“桥梁”,光伏逆变器的技术变革仍将汹涌。

“2008年地面电站主流集中式逆变器功率是250kW,今天地面电站主流组串式逆变器功率同样是250kW。分久必合,‘合’成为趋势。”上能电气预期。

惊喜的是,不仅仅是上能电气,阳光电源、华为、特变电工、科华数能、禾望电气等主流逆变器企业预判出奇一致,未来逆变器的技术路线形态将越来越模糊。

围绕高可靠性、高效率以及低成本的核心诉求,光伏逆变器的技术演进包含以下五大趋势:

第一,高压高密。

系统电压提升是LCOE降低的重要途径,从600V到1000V再到1500V,未来将走向更高电压。系统电压提升的同时,子阵越来越大,目前国内主流还是2.5MW、3.125MW方阵,以后或达到5MW、6.25MW甚至更大,大子阵可以降低逆变器、变压器及集电线路成本,实现更低度电成本。

在华为看来,随着碳化硅、氮化镓材料、芯片散热、拓扑架构等根技术的发展,到2025年逆变器功率密度将提升50%以上。

其中,集中式逆变器,上能电气预期单机功率将从3.125MW逐步升级至4.4MW及更高的功率等级;而组串式逆变器,目前已做到单机300kW+,未来有可能做到500kW。

第二,光储一体。

逆变器以光储协同控制算法,实现虚拟惯量等同步机特性,光伏发电技术指标向火电靠拢,可储可控,进一步增强电网。华为预计到2025年,光储共生比例将达到30%以上。

第三,智能化。

3D电站孪生、智能功率预测、智能IV扫描、开放式智能支架跟踪系统、光储智能化健康诊断等智能化AI技术深入应用,使能系统自主协同优化,创造无限可能。

第四,支撑电网。

高穿有功稳定性、高低电压穿越能力、频率适应性……光伏逆变器需具备更精准的并网算法。

第五,模块化。

模块化设计可以实现免专家维护,极大降低运维成本、提升系统可用度,将支撑更长电站生命周期,助力LCOE降低25%。

此外,智能关断、国产元器件替代等技术趋势也多次被企业重点提及。

4

潜伏中的微逆和功率优化器

保证光伏阵列的最大输出功率,光伏逆变器的最大功率点跟踪(MPPT)技术被奉为圭臬。在此,微型逆变器和功率优化器的优势可谓无可比拟。

微型逆变器,据科华数能介绍,其主要特点为针对每块组件进行独立的MPPT跟踪及逆变并网,一板一逆,完全不受组件串的遮挡、倾向等影响,最大化利用屋顶面积,使得一些存在阴影遮挡的非优质光伏屋顶资源也可以得到开发。

功率优化器同样具备,“不仅如此,随着光伏的大规模发展,系统安全问题也越来越凸显,屋顶光伏高压为用户及运维人员带来潜在风险,紧急情况下对消防救援也会造成阻碍。安装功率优化器,光伏组件电压可快速关断至零V,保障人员和财产安全。”华为补充。

当然,据微逆企业介绍,微型逆变器仍属于逆变器的范畴,承担直交流转换任务,而优化器并非是逆变器。此外,在组件级关断功能上,微型逆变器和功率优化器的方案有显著区别。

当下,微型逆变器和功率优化器的应用市场主要聚集于海外。如美国首先提出组件级关断要求,澳洲也更新了直流隔离器关断标准,欧盟对屋顶光伏限制了最高电压分布式光伏装机占比的提高,这些标准及要求的出台成为微型逆变器和功率优化器在对应国家普及应用的基础。

而着眼国内市场,一方面,分布式光伏对应的组件级关断及安全要求的政策有待出台以及强制推广。

另一方面,也是核心所在,经济型相对较弱。“微逆的单W成本在组串逆变器的2倍以上,其首要任务应当是通过技术革新,将成本降至一定合理的范围内。”韩光透露。

但机遇同样蓄势待发,“我国加大了峰谷价差同时打开碳交易市场、个人碳排,使得绿电的附加值提升,当火电成本提升/绿电附加值提升,达到一个阈值之后,就是微逆爆发的时候。”特变电工预期。

“优化器的应用并不局限在分布式场景中,在大型地面电站中也有应用。”华为强调,“组件随着时间衰减,而组件之间的衰减存在不一致性,这就导致即使同一型号的组件在经过一段时间后发电量也会有所差异,易造成串联失配影响发电量。并且组件运行过程中受环境变化影响,如杂草遮挡、侧边积灰等都会影响发电量。优化器则可以规避以上问题造成的影响,显著提升发电量。”

政策调整、市场变幻、技术碰撞,光伏逆变器的技术格局仍在激烈动荡之中。

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