光伏逆變器技術(shù)趨勢
光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊
發(fā)布日期：2021-12-07
核心提示：
光伏逆變器技術(shù)趨勢
儲能逆變器集成了光伏并網(wǎng)發(fā)電+儲能電站的功能，在電能富余時(shí)將電能存儲，電能不足時(shí)將存儲的電能逆變后向電網(wǎng)輸出，起到削峰填谷的作用，是未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。
光伏逆變器是光伏發(fā)電系統的控制中樞，能夠將組件產(chǎn)生的直流電轉為交流電以實(shí)現并網(wǎng)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(fā)展依賴(lài)于電子電路技術(shù)、半導體器件技術(shù)及現代控制技術(shù)的發(fā)展。
(一)技術(shù)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(lèi)逆變器工作原理不同，應用場(chǎng)景也有所不同：
(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(chǎng)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(jìn)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(chǎng)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(chǎng)景。組串式逆變器基于模塊化概念，對1-4組光伏組串進(jìn)行單獨的最大功率峰 值跟蹤后，先將其產(chǎn)生的直流電逆變先為交流電，再匯流升壓、并網(wǎng)，因此功率相 對集中式更小，但應用場(chǎng)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(lèi)電站，價(jià)格略高于集中式。
(3)微型逆變器直接逆變并網(wǎng)，主要適用于戶(hù)用及小型分布式場(chǎng)景。微型逆 變器是對每個(gè)光伏組件進(jìn)行單獨的最大功率峰值跟蹤，再經(jīng)過(guò)逆變并入交流電網(wǎng)， 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(hù)用及小型分布式工商業(yè)屋頂電站，但價(jià)格高昂，一旦出現故障難以維護。
受益分布式發(fā)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(gè) 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(gè)pct。具體原因如下：
(1)分布式光伏發(fā)電首選組串式方案，占比提高直接帶動(dòng)組串式份額增加：
集中式光伏電站投資大，建設周期長(cháng)，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(yáng)能資源，通過(guò)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(fā)電能將直接輸送至電網(wǎng)， 由電網(wǎng)以光伏發(fā)電標桿電價(jià)收購全部電量并同意調配向用戶(hù)供電。
分布式光伏電站投資門(mén)檻低，建設快，占地面積小，裝機靈活，是未來(lái)光伏發(fā) 展的主要方向。分布式發(fā)電指位于用戶(hù)所在地附近的供電系統，其生產(chǎn)的電力除用 戶(hù)自用和就近利用外，還可以將多余電力送入當地配電網(wǎng)。由于太陽(yáng)能資源具有分散、能量密度低的特點(diǎn)，本身具有分布式發(fā)電的天然優(yōu)勢。由于集中式投資門(mén)檻 低，園區、大工業(yè)、工商業(yè)等高電價(jià)用戶(hù)利用分布式發(fā)電的意愿正在不斷加強，直 接推動(dòng)組串式逆變器市場(chǎng)份額的逐步提升。
(2)組串式逆變器MPPT賦能及維修便利性?xún)?yōu)勢顯著(zhù)，伴隨單機功率大型化逐步縮小與集中式價(jià)差，加速滲透大型電站市場(chǎng)：
組串式逆變器具有高發(fā)電量、高 可靠性、安全性高、易安裝維護等優(yōu)點(diǎn)，當一塊組件被陰影阻擋或發(fā)生故障時(shí)，但 因為具有多路MPPT，因此只會(huì )影響對應少數幾個(gè)組串的發(fā)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(chǎng)。
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(xiàn)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(shù)不斷發(fā)展，組串式逆變器單機功率密度不斷提高，價(jià)格快速下降，性?xún)r(jià)比凸顯， 越來(lái)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(chuàng )新高，占比達74%。
“新增+替換”需求加速光伏逆變器市場(chǎng)爆發(fā)。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(shí)全球光伏新增裝機已達到 17.5GW， 隨著(zhù)不斷有光伏電站進(jìn)入存量技改時(shí)期，替換需求將持續增長(cháng)。
(二)優(yōu)化空間一：產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化疊加技術(shù)升級迭代，國產(chǎn)加速出海
光伏逆變器原材料成本剛性，是降本核心重點(diǎn)。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(chǎn)品定價(jià)主要基于成本 加成、品牌定位及對當地市場(chǎng)競爭態(tài)勢等因素綜合判斷。
(1)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化推動(dòng)采購成本下降：國內制造業(yè)發(fā)展迅猛，多數原材料已實(shí)現國產(chǎn)化，通用性材料市場(chǎng) 充分競爭，采購價(jià)格逐年下降，而集成電路及半導體器件由于技術(shù)門(mén)檻較高，仍由 海外廠(chǎng)商提供，國產(chǎn)化后有望帶動(dòng)采購成本的進(jìn)一步下降。
(2)電子及電路技術(shù)升級助力降本增效：在光伏發(fā)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(lái)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(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長(cháng)器件使用壽命。
美日等市場(chǎng)滲透仍有提升潛力，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著(zhù)，加速出海優(yōu)化出貨 結構。海外市場(chǎng)對產(chǎn)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(chǎng)商憑借技 術(shù)和專(zhuān)利壁壘，占美國住宅逆變器80%以上份額;日本準入門(mén)檻較高，逆變器廠(chǎng)商 以TMEIC、Moron、Panasonic等本土企業(yè)為主。
由于海外終端客戶(hù)對價(jià)格敏感性 較弱，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著(zhù)，產(chǎn)品性能已不輸進(jìn)口，出口海外的產(chǎn)品價(jià)格及毛 利率都顯著(zhù)高于國內，國內逆變器企業(yè)正在加速開(kāi)拓海外市場(chǎng)，不斷建立海外渠道 及擴大品牌影響力，出貨量前10大廠(chǎng)商中的中國逆變器廠(chǎng)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(chǎn)值：2025年翻倍不止，海外市場(chǎng)空間更為廣闊。根據測算，全 球光伏逆變器產(chǎn)值將在2025年達889億元，2020-2025年CAGR為18%，其中海外 市場(chǎng)超過(guò)700億元。
(三)技術(shù)趨勢二：儲能蓄勢待發(fā)，賦予逆變器百億級新興市場(chǎng)
逆變器可根據能量是否存儲分為光伏并網(wǎng)逆變器和光伏儲能逆變器。傳統并網(wǎng)光伏逆變只能進(jìn)行從直流電到交流電的單向轉換，僅在白天發(fā)電，發(fā)電功率也會(huì )受到天氣影響，具有不可預見(jiàn)性等問(wèn)題，而儲能逆變器集成了光伏并網(wǎng)發(fā)電+儲能電站的功能，在電能富余時(shí)將電能存儲，電能不足時(shí)將存儲的電能逆變后向電網(wǎng)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(dòng)新能源配儲。理論上，在一個(gè)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(shí)現不間斷電源供給，光儲 一體有望成為未來(lái)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(dòng)，受制消納空間及電力波動(dòng)性等影響，各國政府加速出臺了一系列鼓勵儲能市場(chǎng) 的相關(guān)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(jīng)濟性，光儲平價(jià)刺激需求爆發(fā)。長(cháng)期來(lái)看，考慮光伏等新能源發(fā)電的波動(dòng)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(dòng)轉為由內部經(jīng)濟性推動(dòng)。儲能變流器(PCS)作為智能電網(wǎng)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(guò)程，負責進(jìn)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(zhù)二者成本的進(jìn) 一步下探，光儲平價(jià)后需求將由政策推動(dòng)轉向內部經(jīng)濟性自發(fā)驅動(dòng)。而儲能逆變器 與并網(wǎng)逆變器技術(shù)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(chǎn)值：儲能商業(yè)模式日趨多元，孕育儲能逆變器百億級新興市場(chǎng)。在并網(wǎng)應用上，根據儲能系統所處發(fā)、輸、配、用不同環(huán)節，可分為發(fā)電側儲能、 配電側儲能和用電側儲能。
發(fā)電側儲能主要解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的波動(dòng)性和消納問(wèn)題，配電側儲能則主要實(shí)現調峰調頻功能，發(fā)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(diǎn)，主要應用于大型集中式地面電站和電網(wǎng)變電站等領(lǐng)域。用電側可分為戶(hù)用和工商業(yè)光伏儲能，主要用于提升發(fā)電收益、降低用電成本。
根據儲能在各類(lèi)能源裝機配比的滲透率情況，預計2025年儲能裝機需求超過(guò)140GW，儲能逆變器產(chǎn)值超680億元，從而使得整個(gè)逆變器行業(yè)產(chǎn) 值超1500億元。
光伏逆變器是光伏發(fā)電系統的控制中樞，能夠將組件產(chǎn)生的直流電轉為交流電以實(shí)現并網(wǎng)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(fā)展依賴(lài)于電子電路技術(shù)、半導體器件技術(shù)及現代控制技術(shù)的發(fā)展。
(一)技術(shù)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(lèi)逆變器工作原理不同，應用場(chǎng)景也有所不同：
(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(chǎng)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(jìn)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(chǎng)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(chǎng)景。組串式逆變器基于模塊化概念，對1-4組光伏組串進(jìn)行單獨的最大功率峰 值跟蹤后，先將其產(chǎn)生的直流電逆變先為交流電，再匯流升壓、并網(wǎng)，因此功率相 對集中式更小，但應用場(chǎng)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(lèi)電站，價(jià)格略高于集中式。
(3)微型逆變器直接逆變并網(wǎng)，主要適用于戶(hù)用及小型分布式場(chǎng)景。微型逆 變器是對每個(gè)光伏組件進(jìn)行單獨的最大功率峰值跟蹤，再經(jīng)過(guò)逆變并入交流電網(wǎng)， 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(hù)用及小型分布式工商業(yè)屋頂電站，但價(jià)格高昂，一旦出現故障難以維護。
受益分布式發(fā)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(gè) 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(gè)pct。具體原因如下：
(1)分布式光伏發(fā)電首選組串式方案，占比提高直接帶動(dòng)組串式份額增加：
集中式光伏電站投資大，建設周期長(cháng)，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(yáng)能資源，通過(guò)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(fā)電能將直接輸送至電網(wǎng)， 由電網(wǎng)以光伏發(fā)電標桿電價(jià)收購全部電量并同意調配向用戶(hù)供電。
分布式光伏電站投資門(mén)檻低，建設快，占地面積小，裝機靈活，是未來(lái)光伏發(fā) 展的主要方向。分布式發(fā)電指位于用戶(hù)所在地附近的供電系統，其生產(chǎn)的電力除用 戶(hù)自用和就近利用外，還可以將多余電力送入當地配電網(wǎng)。由于太陽(yáng)能資源具有分散、能量密度低的特點(diǎn)，本身具有分布式發(fā)電的天然優(yōu)勢。由于集中式投資門(mén)檻 低，園區、大工業(yè)、工商業(yè)等高電價(jià)用戶(hù)利用分布式發(fā)電的意愿正在不斷加強，直 接推動(dòng)組串式逆變器市場(chǎng)份額的逐步提升。
(2)組串式逆變器MPPT賦能及維修便利性?xún)?yōu)勢顯著(zhù)，伴隨單機功率大型化逐步縮小與集中式價(jià)差，加速滲透大型電站市場(chǎng)：
組串式逆變器具有高發(fā)電量、高 可靠性、安全性高、易安裝維護等優(yōu)點(diǎn)，當一塊組件被陰影阻擋或發(fā)生故障時(shí)，但 因為具有多路MPPT，因此只會(huì )影響對應少數幾個(gè)組串的發(fā)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(chǎng)。
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(xiàn)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(shù)不斷發(fā)展，組串式逆變器單機功率密度不斷提高，價(jià)格快速下降，性?xún)r(jià)比凸顯， 越來(lái)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(chuàng )新高，占比達74%。
“新增+替換”需求加速光伏逆變器市場(chǎng)爆發(fā)。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(shí)全球光伏新增裝機已達到 17.5GW， 隨著(zhù)不斷有光伏電站進(jìn)入存量技改時(shí)期，替換需求將持續增長(cháng)。
(二)優(yōu)化空間一：產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化疊加技術(shù)升級迭代，國產(chǎn)加速出海
光伏逆變器原材料成本剛性，是降本核心重點(diǎn)。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(chǎn)品定價(jià)主要基于成本 加成、品牌定位及對當地市場(chǎng)競爭態(tài)勢等因素綜合判斷。
(1)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化推動(dòng)采購成本下降：國內制造業(yè)發(fā)展迅猛，多數原材料已實(shí)現國產(chǎn)化，通用性材料市場(chǎng) 充分競爭，采購價(jià)格逐年下降，而集成電路及半導體器件由于技術(shù)門(mén)檻較高，仍由 海外廠(chǎng)商提供，國產(chǎn)化后有望帶動(dòng)采購成本的進(jìn)一步下降。
(2)電子及電路技術(shù)升級助力降本增效：在光伏發(fā)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(lái)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(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長(cháng)器件使用壽命。
美日等市場(chǎng)滲透仍有提升潛力，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著(zhù)，加速出海優(yōu)化出貨 結構。海外市場(chǎng)對產(chǎn)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(chǎng)商憑借技 術(shù)和專(zhuān)利壁壘，占美國住宅逆變器80%以上份額;日本準入門(mén)檻較高，逆變器廠(chǎng)商 以TMEIC、Moron、Panasonic等本土企業(yè)為主。
由于海外終端客戶(hù)對價(jià)格敏感性 較弱，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著(zhù)，產(chǎn)品性能已不輸進(jìn)口，出口海外的產(chǎn)品價(jià)格及毛 利率都顯著(zhù)高于國內，國內逆變器企業(yè)正在加速開(kāi)拓海外市場(chǎng)，不斷建立海外渠道 及擴大品牌影響力，出貨量前10大廠(chǎng)商中的中國逆變器廠(chǎng)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(chǎn)值：2025年翻倍不止，海外市場(chǎng)空間更為廣闊。根據測算，全 球光伏逆變器產(chǎn)值將在2025年達889億元，2020-2025年CAGR為18%，其中海外 市場(chǎng)超過(guò)700億元。
(三)技術(shù)趨勢二：儲能蓄勢待發(fā)，賦予逆變器百億級新興市場(chǎng)
逆變器可根據能量是否存儲分為光伏并網(wǎng)逆變器和光伏儲能逆變器。傳統并網(wǎng)光伏逆變只能進(jìn)行從直流電到交流電的單向轉換，僅在白天發(fā)電，發(fā)電功率也會(huì )受到天氣影響，具有不可預見(jiàn)性等問(wèn)題，而儲能逆變器集成了光伏并網(wǎng)發(fā)電+儲能電站的功能，在電能富余時(shí)將電能存儲，電能不足時(shí)將存儲的電能逆變后向電網(wǎng)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(dòng)新能源配儲。理論上，在一個(gè)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(shí)現不間斷電源供給，光儲 一體有望成為未來(lái)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(dòng)，受制消納空間及電力波動(dòng)性等影響，各國政府加速出臺了一系列鼓勵儲能市場(chǎng) 的相關(guān)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(jīng)濟性，光儲平價(jià)刺激需求爆發(fā)。長(cháng)期來(lái)看，考慮光伏等新能源發(fā)電的波動(dòng)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(dòng)轉為由內部經(jīng)濟性推動(dòng)。儲能變流器(PCS)作為智能電網(wǎng)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(guò)程，負責進(jìn)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(zhù)二者成本的進(jìn) 一步下探，光儲平價(jià)后需求將由政策推動(dòng)轉向內部經(jīng)濟性自發(fā)驅動(dòng)。而儲能逆變器 與并網(wǎng)逆變器技術(shù)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(chǎn)值：儲能商業(yè)模式日趨多元，孕育儲能逆變器百億級新興市場(chǎng)。在并網(wǎng)應用上，根據儲能系統所處發(fā)、輸、配、用不同環(huán)節，可分為發(fā)電側儲能、 配電側儲能和用電側儲能。
發(fā)電側儲能主要解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的波動(dòng)性和消納問(wèn)題，配電側儲能則主要實(shí)現調峰調頻功能，發(fā)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(diǎn)，主要應用于大型集中式地面電站和電網(wǎng)變電站等領(lǐng)域。用電側可分為戶(hù)用和工商業(yè)光伏儲能，主要用于提升發(fā)電收益、降低用電成本。
根據儲能在各類(lèi)能源裝機配比的滲透率情況，預計2025年儲能裝機需求超過(guò)140GW，儲能逆變器產(chǎn)值超680億元，從而使得整個(gè)逆變器行業(yè)產(chǎn) 值超1500億元。