光伏逆變器的崛起：技術(shù)爭鋒二十年

32%、51%、60.4%、66.5%、69.6%……

這一串看似普通卻快速增長的數(shù)字演繹的正是光伏逆變器技術(shù)路線之一兇猛攻城略地的鏗鏘之聲。

技術(shù)迭代則意味著市場變換甚至生死存亡，這在風(fēng)云變幻的光伏行業(yè)尤為印象深刻。

從2003年我國第一臺并網(wǎng)逆變器應(yīng)用，不足20年時間，隨著逆變器技術(shù)的升級以及終端市場變化，光伏逆變器行業(yè)幾經(jīng)洗牌，企業(yè)消失、退出，當(dāng)然還有長青和崛起(《光伏逆變器“極致內(nèi)卷”》)。

就逆變器技術(shù)路線而言，行業(yè)普遍區(qū)分為集中式、集散式、組串式和微逆，其中又以占據(jù)九成市場的集中式和組串式為主，前者被俗稱為“大機”，后者則是“小機”。

大小機之間的割據(jù)之戰(zhàn)仍未停歇，在新型電力系統(tǒng)的全新訴求下，光伏逆變器的技術(shù)演變又將走向何方呢?

小機逆襲

熟悉光伏行業(yè)的人士不難猜測，文章開頭的數(shù)字正是組串式逆變器的節(jié)節(jié)戰(zhàn)果。而小機市占率的逆襲，有天時更有人為。

時間拉回至2003年，由學(xué)院派掌門曹仁賢率領(lǐng)的陽光電源推出了我國首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的10kW并網(wǎng)光伏逆變器，但直至2009年，我國在產(chǎn)的逆變器企業(yè)少之又少，大量設(shè)備依賴進口下，艾默生、SMA、西門子、施耐德、ABB等大量海外品牌備受推崇。

但與此同時，高達(dá)200~300%的利潤也刺激了國內(nèi)逆變器企業(yè)如雨后春筍般冒出，2011~2012年我國光伏逆變器企業(yè)數(shù)量激增至140家以上。玩家暴增，價格戰(zhàn)隨之而來，此輪慘烈廝殺下海外品牌逐漸退出國內(nèi)市場。

接下來，便是國內(nèi)市場的沸騰時刻。從2011年起，為進一步培育國內(nèi)光伏終端市場需求，補貼政策出臺，正式開啟了地面光伏電站期盼已久的“黃金時代”。此時，囿于成本因素，地面光伏電站的標(biāo)配為大型集中式逆變器，陽光電源、上能電氣等國內(nèi)大機企業(yè)馳騁市場。

當(dāng)然，時代終有“孤勇者”，通信巨頭華為開始盯上了逆變器，并且選擇all in 組串式逆變器。

不可否認(rèn)，華為定義下的組串式逆變器顛覆傳統(tǒng)，將數(shù)字技術(shù)與電力電子技術(shù)融合，以智能控制器為核心，打造更優(yōu)度電成本的智能光伏解決方案，其所倡導(dǎo)的無風(fēng)扇無熔絲、智能IV診斷技術(shù)、“0-Touch”運維、SDS智能跟蹤支架優(yōu)化算法等一系列概念，將組串式逆變器價值發(fā)揮至極致的同時，引領(lǐng)了逆變器市場的概念革新。

以華為領(lǐng)銜，組串式逆變器開始逐漸擠入地面電站市場的同時，轉(zhuǎn)機再現(xiàn)，從2016年起本就備受政策熱捧的分布式光伏開始爆發(fā)，在海外打拼的一眾小機企業(yè)古瑞瓦特、固德威、錦浪等殺回國內(nèi)，并快速搶占市場份額。

“受規(guī)模、并網(wǎng)電壓限制，大多數(shù)分布式光伏電站采用的都是組串式逆變器。”上能電氣指出，“而且隨著組串式逆變器價格逐年下降，在地面電站的競爭力也會進一步加大。”

組串式逆變器占比將繼續(xù)升高成為主流逆變器企業(yè)的一致判斷，華為更是預(yù)期2022年組串式逆變器的的市占將攀升至80%。

但技術(shù)派陽光電源試圖打破藩籬，其于去年推出“1+X”模塊化逆變器，宣稱獨立于組串式和集中式逆變器范疇外，可滿足分布式、地面電站多場景應(yīng)用。

市場變局?

就逆變器選型，適應(yīng)不同應(yīng)用場景需求，“因地制宜”可謂業(yè)內(nèi)普遍法則。

如集中式逆變器單機容量大、設(shè)備數(shù)量少、安裝維護便捷、適配各類型組件，上能電氣介紹，集中式逆變器在全球大型平地電站及水面電站中仍是主流方案。

組串式逆變器，“基于多路MPPT跟蹤的固有特點，在電站全生命周期內(nèi)具備發(fā)電量提升、智能運維便捷性、單機故障影響顆粒度小等多方優(yōu)勢。”科華數(shù)能市場人員介紹。組串式逆變器以分布式電站和復(fù)雜山地應(yīng)用為主。

而光伏終端市場，在全球碳減排的強勢颶風(fēng)下，也正悄然生變。落實碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，國內(nèi)加快推動以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大型風(fēng)電、光伏基地建設(shè)，到2030年規(guī)劃裝機高達(dá)455GW，成為未來十年新增裝機的絕對潛力市場。

“大基地以三北地區(qū)的沙漠、戈壁為建設(shè)主陣地，以平坦地形為主，性價比更高的集中式逆變器在基地項目中的應(yīng)用比例將提升。”上能電氣認(rèn)為。

“也不盡然。”深圳市禾望電氣股份有限公司光伏渠道部產(chǎn)品總監(jiān)韓光表示，隨著組串逆變器的容量越做越大，目前已經(jīng)做到單機300kW+，未來有可能會做到500kW，隨之帶來的將是組串逆變器的成本進一步下降，集中式逆變器的成本優(yōu)勢將沒那么顯著。此外，沙漠環(huán)境下，傳統(tǒng)集中式逆變器IP54的防護等級可能將無法滿足風(fēng)沙惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行，組串逆變器IP65/IP66的防護等級使其可靠性會更高一些。

但特變電工也強調(diào)，該公司的集中式逆變器具備IP65的防護能力，在環(huán)境適應(yīng)性上完全可以對標(biāo)組串式逆變器。

對此，陽光電源仍舊強調(diào)“因地制宜、科學(xué)設(shè)計”，應(yīng)選擇最優(yōu)的方案應(yīng)用于戈壁、荒漠等大型光伏基地場景中。

再次回歸實際應(yīng)用場景，在清潔能源大基地中，以風(fēng)光為主的新能源占比或超過60%，電站的并網(wǎng)穩(wěn)定性無疑將成為主要挑戰(zhàn)。以100%輸送新能源電力的青豫直流為例，因直流送端近區(qū)缺少電壓支撐，受到暫態(tài)過電壓的影響，新能源發(fā)電越多，青豫直流輸送能力越小。

因此，電網(wǎng)對光伏逆變器的并網(wǎng)特性提出了更高的要求。2019年12月，GB/T 37408-2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求》、GB 37855-2019《電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則》相繼頒布實施，前者要求逆變器在高電壓穿越過程中有功變化率不超過10%，后者首次提出了短路比(SCR)概念。

針對清潔能源基地對電網(wǎng)適應(yīng)性的更高要求，華為力挺組串式逆變器：“華為引入阻抗重塑的AI自學(xué)習(xí)算法，融合動態(tài)阻尼適配算法、智能串補自適應(yīng)算法、主動諧波抑制算法等多種領(lǐng)先并網(wǎng)算法，通過AI自學(xué)習(xí)動態(tài)地調(diào)整電站本身的電氣特性來匹配電網(wǎng)，使電網(wǎng)保持穩(wěn)定。”

分久必合

事實上，不僅僅是清潔能源基地，在構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)重壓下，光伏發(fā)電亟待從“適應(yīng)電網(wǎng)”走向“支撐電網(wǎng)”。

在此命題下，作為光伏系統(tǒng)的“大腦”擔(dān)當(dāng)，以及光伏發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的“橋梁”，光伏逆變器的技術(shù)變革仍將洶涌。

“2008年地面電站主流集中式逆變器功率是250kW，今天地面電站主流組串式逆變器功率同樣是250kW。分久必合，‘合’成為趨勢。”上能電氣預(yù)期。

驚喜的是，不僅僅是上能電氣，陽光電源、華為、特變電工、科華數(shù)能、禾望電氣等主流逆變器企業(yè)預(yù)判出奇一致，未來逆變器的技術(shù)路線形態(tài)將越來越模糊。

圍繞高可靠性、高效率以及低成本的核心訴求，光伏逆變器的技術(shù)演進包含以下五大趨勢：

第一，高壓高密。

系統(tǒng)電壓提升是LCOE降低的重要途徑，從600V到1000V再到1500V，未來將走向更高電壓。系統(tǒng)電壓提升的同時，子陣越來越大，目前國內(nèi)主流還是2.5MW、3.125MW方陣，以后或達(dá)到5MW、6.25MW甚至更大，大子陣可以降低逆變器、變壓器及集電線路成本，實現(xiàn)更低度電成本。

在華為看來，隨著碳化硅、氮化鎵材料、芯片散熱、拓?fù)浼軜?gòu)等根技術(shù)的發(fā)展，到2025年逆變器功率密度將提升50%以上。

其中，集中式逆變器，上能電氣預(yù)期單機功率將從3.125MW逐步升級至4.4MW及更高的功率等級;而組串式逆變器，目前已做到單機300kW+，未來有可能做到500kW。

第二，光儲一體。

逆變器以光儲協(xié)同控制算法，實現(xiàn)虛擬慣量等同步機特性，光伏發(fā)電技術(shù)指標(biāo)向火電靠攏，可儲可控，進一步增強電網(wǎng)。華為預(yù)計到2025年，光儲共生比例將達(dá)到30%以上。

第三，智能化。

3D電站孿生、智能功率預(yù)測、智能IV掃描、開放式智能支架跟蹤系統(tǒng)、光儲智能化健康診斷等智能化AI技術(shù)深入應(yīng)用，使能系統(tǒng)自主協(xié)同優(yōu)化，創(chuàng)造無限可能。

第四，支撐電網(wǎng)。

高穿有功穩(wěn)定性、高低電壓穿越能力、頻率適應(yīng)性……光伏逆變器需具備更精準(zhǔn)的并網(wǎng)算法。

第五，模塊化。

模塊化設(shè)計可以實現(xiàn)免專家維護，極大降低運維成本、提升系統(tǒng)可用度，將支撐更長電站生命周期，助力LCOE降低25%。

此外，智能關(guān)斷、國產(chǎn)元器件替代等技術(shù)趨勢也多次被企業(yè)重點提及。

潛伏中的微逆和功率優(yōu)化器

保證光伏陣列的最大輸出功率，光伏逆變器的最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)被奉為圭臬。在此，微型逆變器和功率優(yōu)化器的優(yōu)勢可謂無可比擬。

微型逆變器，據(jù)科華數(shù)能介紹，其主要特點為針對每塊組件進行獨立的MPPT跟蹤及逆變并網(wǎng)，一板一逆，完全不受組件串的遮擋、傾向等影響，最大化利用屋頂面積，使得一些存在陰影遮擋的非優(yōu)質(zhì)光伏屋頂資源也可以得到開發(fā)。

功率優(yōu)化器同樣具備，“不僅如此，隨著光伏的大規(guī)模發(fā)展，系統(tǒng)安全問題也越來越凸顯，屋頂光伏高壓為用戶及運維人員帶來潛在風(fēng)險，緊急情況下對消防救援也會造成阻礙。安裝功率優(yōu)化器，光伏組件電壓可快速關(guān)斷至零V，保障人員和財產(chǎn)安全。”華為補充。

當(dāng)然，據(jù)微逆企業(yè)介紹，微型逆變器仍屬于逆變器的范疇，承擔(dān)直交流轉(zhuǎn)換任務(wù)，而優(yōu)化器并非是逆變器。此外，在組件級關(guān)斷功能上，微型逆變器和功率優(yōu)化器的方案有顯著區(qū)別。

當(dāng)下，微型逆變器和功率優(yōu)化器的應(yīng)用市場主要聚集于海外。如美國首先提出組件級關(guān)斷要求，澳洲也更新了直流隔離器關(guān)斷標(biāo)準(zhǔn)，歐盟對屋頂光伏限制了最高電壓分布式光伏裝機占比的提高，這些標(biāo)準(zhǔn)及要求的出臺成為微型逆變器和功率優(yōu)化器在對應(yīng)國家普及應(yīng)用的基礎(chǔ)。

而著眼國內(nèi)市場，一方面，分布式光伏對應(yīng)的組件級關(guān)斷及安全要求的政策有待出臺以及強制推廣。

另一方面，也是核心所在，經(jīng)濟型相對較弱。“微逆的單W成本在組串逆變器的2倍以上，其首要任務(wù)應(yīng)當(dāng)是通過技術(shù)革新，將成本降至一定合理的范圍內(nèi)。”韓光透露。

但機遇同樣蓄勢待發(fā)，“我國加大了峰谷價差同時打開碳交易市場、個人碳排，使得綠電的附加值提升，當(dāng)火電成本提升/綠電附加值提升，達(dá)到一個閾值之后，就是微逆爆發(fā)的時候。”特變電工預(yù)期。

“優(yōu)化器的應(yīng)用并不局限在分布式場景中，在大型地面電站中也有應(yīng)用。”華為強調(diào)，“組件隨著時間衰減，而組件之間的衰減存在不一致性，這就導(dǎo)致即使同一型號的組件在經(jīng)過一段時間后發(fā)電量也會有所差異，易造成串聯(lián)失配影響發(fā)電量。并且組件運行過程中受環(huán)境變化影響，如雜草遮擋、側(cè)邊積灰等都會影響發(fā)電量。優(yōu)化器則可以規(guī)避以上問題造成的影響，顯著提升發(fā)電量。”

政策調(diào)整、市場變幻、技術(shù)碰撞，光伏逆變器的技術(shù)格局仍在激烈動蕩之中。