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，在電能富余時將電能存儲，電能不足時將存儲的電能逆變后向電網(wǎng)輸出，起到削峰填谷的作用，是未來的主要發(fā)展方向之一。
光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制中樞，能夠?qū)⒔M件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)為交流電以實現(xiàn)并網(wǎng)或負載使用。光伏逆變器主要由功率轉(zhuǎn)換模塊、微機控制模塊、EMI模 塊、保護電路、監(jiān)測模塊、人機交互模塊等組成，其發(fā)展依賴于電子電路技術(shù)、半導體器件技術(shù)及現(xiàn)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(jù)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：
(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(zhuǎn)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(tǒng)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(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(wǎng)，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(jīng)過逆變并入交流電網(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 分布式戶用及小型分布式工商業(yè)屋頂電站，但價格高昂，一旦出現(xiàn)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(jù)GTM統(tǒng)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(jù)CPIA統(tǒng)計，2020年國內(nèi)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(fā)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(shè)周期長，占地面積大，主要建設(shè)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(wěn)定的太陽能資源，通過建設(shè)大型光伏電站，接入高壓輸電系統(tǒng)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)電標桿電價收購全部電量并同意調(diào)配向用戶供電。
分布式光伏電站投資門檻低，建設(shè)快，占地面積小，裝機靈活，是未來光伏發(fā) 展的主要方向。分布式發(fā)電指位于用戶所在地附近的供電系統(tǒng)，其生產(chǎn)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?shù)嘏潆娋W(wǎng)。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(fā)電的天然優(yōu)勢。由于集中式投資門檻 低，園區(qū)、大工業(yè)、工商業(yè)等高電價用戶利用分布式發(fā)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(yōu)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(fā)電量、高 可靠性、安全性高、易安裝維護等優(yōu)點，當一塊組件被陰影阻擋或發(fā)生故障時，但 因為具有多路MPPT，因此只會影響對應少數(shù)幾個組串的發(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。
此前組串式逆變器未能大規(guī)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(shù)不斷發(fā)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(jù)PV-tech統(tǒng)計，在2020年已公布的國內(nèi)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(nèi)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(xù)增長。
(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。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(gòu)件以及輔助材料，產(chǎn)品定價主要基于成本 加成、品牌定位及對當?shù)厥袌龈偁帒B(tài)勢等因素綜合判斷。
(1)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化推動采購成本下降：國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展迅猛，多數(shù)原材料已實現(xiàn)國產(chǎn)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(shù)門檻較高，仍由 海外廠商提供，國產(chǎn)化后有望帶動采購成本的進一步下降。
(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(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)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(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著，加速出海優(yōu)化出貨 結(jié)構(gòu)。海外市場對產(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兩家廠商憑借技 術(shù)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(yè)為主。
由于海外終端客戶對價格敏感性 較弱，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著，產(chǎn)品性能已不輸進口，出口海外的產(chǎn)品價格及毛 利率都顯著高于國內(nèi)，國內(nèi)逆變器企業(yè)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(chǎn)值：2025年翻倍不止，海外市場空間更為廣闊。根據(jù)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 市場超過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
逆變器可根據(jù)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(tǒng)并網(wǎng)光伏逆變只能進行從直流電到交流電的單向轉(zhuǎn)換，僅在白天發(fā)電，發(fā)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(wǎng)發(fā)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(wǎng)輸出，平衡晝夜及不同季節(jié)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(xiàn)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(nèi)，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(guān)政策，國內(nèi)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，光儲平價刺激需求爆發(fā)。長期來看，考慮光伏等新能源發(fā)電的波動性特征以及調(diào)峰調(diào)頻成本考慮，新能源配儲是必然選擇，需求將從政策推動轉(zhuǎn)為由內(nèi)部經(jīng)濟性推動。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(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)向內(nèi)部經(jīng)濟性自發(fā)驅(qū)動。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(jié)構(gòu) 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。在并網(wǎng)應用上，根據(jù)儲能系統(tǒng)所處發(fā)、輸、配、用不同環(huán)節(jié)，可分為發(fā)電側(cè)儲能、 配電側(cè)儲能和用電側(cè)儲能。
發(fā)電側(cè)儲能主要解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的波動性和消納問題，配電側(cè)儲能則主要實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻功能，發(fā)電側(cè)和配電側(cè)儲能系統(tǒng)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(wǎng)變電站等領(lǐng)域。用電側(cè)可分為戶用和工商業(yè)光伏儲能，主要用于提升發(fā)電收益、降低用電成本。
根據(jù)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(chǎn)值超680億元，從而使得整個逆變器行業(yè)產(chǎn) 值超1500億元。
光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制中樞，能夠?qū)⒔M件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)為交流電以實現(xiàn)并網(wǎng)或負載使用。光伏逆變器主要由功率轉(zhuǎn)換模塊、微機控制模塊、EMI模 塊、保護電路、監(jiān)測模塊、人機交互模塊等組成，其發(fā)展依賴于電子電路技術(shù)、半導體器件技術(shù)及現(xiàn)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(jù)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：
(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(zhuǎn)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(tǒng)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(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(wǎng)，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(jīng)過逆變并入交流電網(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 分布式戶用及小型分布式工商業(yè)屋頂電站，但價格高昂，一旦出現(xiàn)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(jù)GTM統(tǒng)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(jù)CPIA統(tǒng)計，2020年國內(nèi)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(fā)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(shè)周期長，占地面積大，主要建設(shè)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(wěn)定的太陽能資源，通過建設(shè)大型光伏電站，接入高壓輸電系統(tǒng)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)電標桿電價收購全部電量并同意調(diào)配向用戶供電。
分布式光伏電站投資門檻低，建設(shè)快，占地面積小，裝機靈活，是未來光伏發(fā) 展的主要方向。分布式發(fā)電指位于用戶所在地附近的供電系統(tǒng)，其生產(chǎn)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?shù)嘏潆娋W(wǎng)。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(fā)電的天然優(yōu)勢。由于集中式投資門檻 低，園區(qū)、大工業(yè)、工商業(yè)等高電價用戶利用分布式發(fā)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(yōu)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(fā)電量、高 可靠性、安全性高、易安裝維護等優(yōu)點，當一塊組件被陰影阻擋或發(fā)生故障時，但 因為具有多路MPPT，因此只會影響對應少數(shù)幾個組串的發(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。
此前組串式逆變器未能大規(guī)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(shù)不斷發(fā)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(jù)PV-tech統(tǒng)計，在2020年已公布的國內(nèi)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(nèi)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(xù)增長。
(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。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(gòu)件以及輔助材料，產(chǎn)品定價主要基于成本 加成、品牌定位及對當?shù)厥袌龈偁帒B(tài)勢等因素綜合判斷。
(1)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化推動采購成本下降：國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展迅猛，多數(shù)原材料已實現(xiàn)國產(chǎn)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(shù)門檻較高，仍由 海外廠商提供，國產(chǎn)化后有望帶動采購成本的進一步下降。
(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(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)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(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著，加速出海優(yōu)化出貨 結(jié)構(gòu)。海外市場對產(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兩家廠商憑借技 術(shù)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(yè)為主。
由于海外終端客戶對價格敏感性 較弱，國產(chǎn)逆變器成本優(yōu)勢顯著，產(chǎn)品性能已不輸進口，出口海外的產(chǎn)品價格及毛 利率都顯著高于國內(nèi)，國內(nèi)逆變器企業(yè)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(chǎn)值：2025年翻倍不止，海外市場空間更為廣闊。根據(jù)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 市場超過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
逆變器可根據(jù)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(tǒng)并網(wǎng)光伏逆變只能進行從直流電到交流電的單向轉(zhuǎn)換，僅在白天發(fā)電，發(fā)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(wǎng)發(fā)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(wǎng)輸出，平衡晝夜及不同季節(jié)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(xiàn)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(nèi)，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(guān)政策，國內(nèi)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，光儲平價刺激需求爆發(fā)。長期來看，考慮光伏等新能源發(fā)電的波動性特征以及調(diào)峰調(diào)頻成本考慮，新能源配儲是必然選擇，需求將從政策推動轉(zhuǎn)為由內(nèi)部經(jīng)濟性推動。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(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)向內(nèi)部經(jīng)濟性自發(fā)驅(qū)動。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(jié)構(gòu) 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。在并網(wǎng)應用上，根據(jù)儲能系統(tǒng)所處發(fā)、輸、配、用不同環(huán)節(jié)，可分為發(fā)電側(cè)儲能、 配電側(cè)儲能和用電側(cè)儲能。
發(fā)電側(cè)儲能主要解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的波動性和消納問題，配電側(cè)儲能則主要實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻功能，發(fā)電側(cè)和配電側(cè)儲能系統(tǒng)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(wǎng)變電站等領(lǐng)域。用電側(cè)可分為戶用和工商業(yè)光伏儲能，主要用于提升發(fā)電收益、降低用電成本。
根據(jù)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(chǎn)值超680億元，從而使得整個逆變器行業(yè)產(chǎn) 值超1500億元。