风口中的“风口”:光伏逆变器现状调查

在全球光伏市场正处于大风口之时,扮演着光伏电站 心脏 角色的逆变器,也迎来了属于自己的高光时刻。

贰除了集中式、组串式两类已较为成熟的逆变器产品外,行业内各家厂商也正积极探索下一代 逆变器 的发展方向,而微型逆变器就是其中的代表之一。

叁光储一体化的解决方案,当下更合适那些缺电、少电以及电价高的地区,对于国内的家庭或是企业来说,落地一套光储电站确实不如直接用市电来的划算。

肆去年下半年, 芯荒 陡然席卷了逆变器行业,诸如阳光电源、固德威等头部企业均在去年的年报中明确了公司所面临的半导体部件供应风险。

8 月 7 日,立秋。我国西南边陲小城曲靖,正迎来一年中日照最长的时段。8 月份的曲靖早上六点半左右日出,到晚上七点四十分左右日落,全天日照时长能达到 13 个小时,峰值日照时数有 4.5 个小时,立秋时节正是装光伏电站的好时候。 陈琳在电话中告诉记者。

这位 85 后 的重庆女孩是江苏一家分布式光伏企业的销售工程师,夏秋之交的八九月份,通常是她一年中最忙的时候。而眼下,陈琳正在跟进自己今年最大的一个光伏电站项目的交付,就在数日以前,她随着公司的几辆重型卡车从位于常州的厂区出发,载着成套的光伏组件,翻山越岭来到了云南曲靖。 这是一个 468kW 的工商业电站,这个项目从安装到并网都由我们公司来做,综合估算下来,这个电站首年总发电量能达到 63 万度,实现二氧化碳减排 650 吨。 陈琳的语气中带着一丝骄傲。

不过,就在 8 月 7 日当天,陈琳同客户在现场一起验收清点货物的过程中,还是出现了一些小波折。 逆变器没有跟着其他组件一起送到,缺了逆变器的话,项目施工(就)需要暂缓一下。 提到逆变器,陈琳变得有些焦虑。

陈琳所在的公司属于光伏行业中的集成厂商,主要做一站式光伏解决方案,业务涵盖项目前期咨询、系统设计及运维监控。

但这家公司本身并不具备生产包括从太阳能板、配电箱、光伏支架和电缆在内的光伏组件的能力,而陈琳口中那个暂时还没有运到的逆变器,就属于整个光伏电站当中的 心脏 。

7 月 29 日,国家能源局公布了 2022 年上半年光伏发电建设运行情况,其中,上半年光伏新增装机 30.88GW,集中式光伏电站 11.22GW,分布式光伏 19.65GW。户用分布式光伏新增装机 8.91GW,同比增长 51.5%。

据浦银安盛光伏 ETF 基金经理高钢杰近日预测称,十四五期间,我国光伏年均新增光伏装机或将超过 75GW。

而在海外市场方面,今年五月,欧盟发布了一项名为 REPowerEU 的计划草案,其中提出: 到 2025 年,所有新建筑以及能耗等级 D 或以上的现有建筑,都应安装屋顶光伏设备 。 今年爆发的俄乌冲突,让欧洲对自己的能源安全变得更加重视,所以今年欧洲市场的销量十分不错。 广东欣顿电源有限公司销售经理唐涛向记者表示。

记者查询欧洲统计局数据发现,今年一季度,国内出口到欧洲的光伏组件规模为 16.7GW,同比暴增 145%。

在记者走访光伏企业的过程中,有多家企业的市场经理向记者透露,其所在公司当前均已战略性放弃国内市场,正全力挖掘跟进海外市场需求。 我们现在主要做海外市场,国内的就不用来咨询了。 深圳美世乐新能源科技有限公司的一名销售经理如此表示。

在唐涛看来,今年欧洲市场的销量增长,有部分原因在于当地采用的市场化电价结算模式。他认为,在能源供应紧张的情况下,飙涨的电价开始让很多欧洲家庭考虑光伏发电的可行性。 跟国内的大城市不一样,欧洲的居民户型,本身就很合适做屋顶发电。 唐涛说。

中信证券在近期发布的相关研究报告中称,欧洲加快光伏项目建设进度,海外装机量将保持较高速增长,2022 年全球光伏装机有望超 230GW。

而在全球光伏市场正处于大风口之时,扮演着光伏电站 心脏 角色的逆变器,也迎来了属于自己的高光时刻。

根据中商产业研究院年初的统计数据,全球光伏逆变器出货量从 2017 年的 98.5GW 快速攀升至 2020 年的 185.1GW,年 复 合 增 长 率 高 达 22.51%。 别看逆变器在整套系统中所占的成本不高,一般也就 5%,但是没有逆变器的光伏电站就等于(只是)立了几块空板子。 陈琳告诉记者。

光伏发电主要是利用了中学就学过的‘光电效应’,即当太阳光中的光子照射到光伏板上时,硅晶中的电子由于吸收了能量产生移动,从而形成了直流电。 嘉兴一家小型光伏企业的技术工程师郝哲向记者解释,对于用电侧来说,太阳能板产生的直流电是没办法直接用的,逆变器的作用就是将直流电转换为工频交流电,即我们常说的市电。

郝哲表示,逆变器作为衔接光伏组件与电网的重要设备,除了承担直交流电转换的作用外,其还能通过 MPPT 技术(最大功率点跟踪)让光伏板保持以最大功率进行工作。 除了像‘心脏’,还像是光伏电站的‘大脑’。 郝哲说。

眼下,伴随着愈吹愈猛烈的光伏之风,下游的逆变器厂商也挣得 盆满钵满 。 单子接到忙不过来,像捡钱一样,我自己上半年就做了上千万的业绩。 国内一家头部逆变器企业的销售经理王方在电话中告诉记者。

王方表示,其所在公司在今年上半年的销售额已经突破了 30 亿元,且多是主动上门来咨询合作的客户。现在的他,相比起入行之初已经 懒 了许多,除了个别大客户外,其已经很少主动出门去进行拓客拜访。 我们现在的重点是怎么做好需求对接,而不是开拓市场。 王方说。

现在的逆变器市场是集中式、组串式和微型‘三兄弟’的天下。 易文良告诉记者。

易文良是苏州一家光伏集成商在华南区域的负责人,2022 年上半年,他们在全国各地做了 20 多个工商业及户用电站项目,在逆变器的选型上,他颇有心得。

目前光伏电站大体上可分为大型地面电站、工商业和户用电站,而针对这三类主要的场景,逆变器也可以分为集中式、组串式和微型三大类,区分方式主要在于接入光伏组串的数量与最大支持功率。

你可以把它们简单地理解成排插,集中式逆变器的插孔最多,能接的光伏组件最多,而微型逆变器就一个插孔,只能接一个光伏组件。 易文良说。

记者了解到,在常见的光伏发电场景中,集中式逆变器主要被用于总功率在 1 兆瓦以上的大型光伏电站,而组串式逆变器则常被用于中小型的分布式光伏项目中。

我们在规划整体解决方案的时候,会根据会根据项目方的需求,从安全性、经济性及可靠性三个角度出发进行逆变器选型,并不拘泥于各类产品理论上的适用场景。 易文良向记者强调。

易文良用近期国内一个超大型电站的项目作为案例,向记者说明了逆变器的选配逻辑。在他向记者展示的照片中,记者看到了鳞次栉比的光伏板在大地上汇成了一片蓝色的海洋。 这个电站的装机规模达到了 1 吉瓦,光伏板就用了 200 多万块。 易文良说。他表示,对于这样的超大型电站,理论上应该选用大型集中式逆变器。 这个电站的建设地点位于四川甘孜,高原地区,地形条件复杂,占地面积较大的集中式逆变器部署困难,且可靠性较差。所以,此项目最后选用了 5000 多台组串式逆变器,通过接入云端,以智能运维的方式来保障发电。 易文良进一步解释。

记者了解到,诸如此类弃用 笨重 的集中式逆变器,转而拥抱 灵活 的组串式逆变器的案例,是近年来逆变器行业发展趋势的缩影,在当前的市场中,各家主流逆变器厂商的产品基本都属于组串式逆变器。

根据中国光伏行业协会的统计数据,在国内市场上,自 2018 年起,组串式逆变器的占比就超过了 50%,到了 2021 年已接近 70%,而集中式逆变器的市场占比则缩水至不足 30%。

除了集中式、组串式两类已较为成熟的逆变器产品外,行业内各家厂商也正积极探索下一代 逆变器 的发展方向,而微型逆变器就是其中的代表之一。

微型逆变器主要是针对传统逆变器在效率、安全、运维三个方面存在的痛点进行优化开发。 杭州禾迈股份有限公司的高级产品经理张新耀说, 关于安全层面,在传统的组串逆变器架构中,将电压在四五十伏左右单个光伏组件串联起来后,整个系统中就存在 300v-1500v 左右的高压。

在直流高压系统中,若线路中出现了故障电弧,其一旦发生燃烧便很难熄灭。 张新耀说。

张新耀展示了禾迈实验室针对 高压直流拉弧 故障所做的实验,记者看到,当系统中的直流电压达到两百伏时,光伏组件的线路两端产生了剧烈的 弧闪 (电弧闪光现象),且持续保持着燃烧状态。

在他看来,虽然当下许多光伏组件都有相关的防火认证,但目前国内的防火认证的测试温度通常在几百度左右,而直流拉弧所产生的温度却能达到八九千度。

此外,当屋顶光伏发生火灾时,由于现场依旧处在高电压状态,也会给到达现场救援的消防人员带来很大的安全隐患。

甚至有一些国外的消防员,在到达光伏电站的火灾现场之后,会等到大火完全熄灭之后再去进行抢救。 张新耀说。

在这样的背景下,通过单独接入光伏组件,以并联形式构建光伏系统的微型逆变器,在安全方面就具备得天独厚的优势。

记者了解到,在使用微型逆变器的搭建方案中,其系统电压为单组件电压,而当直流系统中的电压在四五十伏左右时,线端产生的直流拉弧便轻微很多,从而在源头上解决了屋顶光伏高电压所带来的安全隐患。

除了在安全方面具有优势,以单组件进行接入的微型逆变器还可以避免组串式系统中存在的 木桶效应 ,发电效率通常比采用传统逆变器的光伏电站高 5%-22%,且运维也更加便捷。

张新耀表示,相比传统逆变器,微型逆变器可以监控到单个组件的电压、电流、功率等信息,通过布局图可以实现故障的精准定位,并快速解决问题。

不过,易文良告诉记者,包括逆变器领域的龙头企业在内,当下并没有多少厂家急于切入微型逆变器赛道,包括他们自身也很少在项目中采用微型逆变器。

因为,在易文良看来,微型逆变器针对传统逆变器的痛点所做的优化,完全对不起其因此带来的价格上升。

据记者了解,在今年,集中式逆变器在国内的价格通常为 0.15 元 / 瓦左右,而主流的组串式逆变器价格则在 0.2 元 / 瓦左右,若以额定功率为 125kW 的组串式逆变器为例,其单台采购价格在 2.5 万元左右。

而相比之下,微型逆变器在国内市场的售价则高达 1.5 元 / 瓦,在此背景下,同样是 125kW 功率的逆变器,微型逆变器的单台售价就需要 18.75 万元,相比组串式逆变器直接翻了 7 倍多。

对于直流高压带来的潜在安全风险,传统逆变器也采用了很多方式予以规避,像是加入防直流拉弧检测模块,而对于发电效率和便于运维这两点,每个厂家就各有说法了,反正在我跟进的项目上,现在还没有采用过带微型逆变器的解决方案。 易文良说。

在今年 5 月,光伏 大市 济南下属的平阴县印发的一份文件,曾引起市场较广泛的关注。

这份文件要求平阴县未来分布式光伏的建设应就地消纳,原则上各类光伏总计开发规模不应超过其城区全年最大用电负荷 60%,要避免向 220 千伏及以上电网反送电。

该文件还指出,平阴县分布式光伏的开发要按照 光伏 + 储能 方式推进,根据具体消纳情况配建或租赁不低于 15%、2 小时的储能设施。电网消纳能力不足时,应提高储能配置比例及充放电时长,确保分布式光伏就地就近消纳、满足 95% 利用率要求。

这份文件的发布,引出了近年来分布式光伏发展面临的一个 老大难 问题—光伏消纳。

光伏发电的一大先天缺陷就是不稳定性,太阳的升起下落,天气是多云还是晴天,这都是不可控的,所以这给电力系统的稳定运行带来了很大挑战。 郝哲说, 而光伏消纳就是指如何充分地利用光伏发电量,既不产生浪费,也避免给电网带来冲击。

在中科院广州能源研究所副主任陈炯聪看来,高渗透率的分布式光伏将考验配电网地承载能力,目前国内配电网基础设施水平尚难满足源荷互动、电量平衡的需要。

因此,在电网建设尚需时日,但光伏建设却在一直加速的大背景下,推进 光伏 + 储能 建设,实现就地消纳成为了破解当下消纳难题的可行措施,而国内厂商针对这一场景专门研发的储能逆变器也就开始走向台前。

现在常见的户用储能系统包括储能逆变器、光伏组件以及锂电池储能模块,陈永告诉记者。

陈永在深圳一家专注储能逆变器生产的企业担任销售经理,据他介绍,今年上半年,其在公司非洲、东南亚以及欧洲市场获得了不少订单,但在国内的进展却并不大。

其实光储一体很好理解,在逆变器底下接上蓄电池,以前光伏发电是上电网,现在都是自发自用,用不完就充到电池里。 陈永说。

陈永以一个装机容量为 5KW 的户用电站项目为例,跟记者算了一笔账。他指出,在该户用电站的建设中,主要的成本项包括光伏板、支架、并网箱、逆变器及人工。

陈永进一步表示,单晶硅光伏板目前的价格为 4 元 / 瓦,装机 5KW 就需要 2 万元,配套相同功率的逆变器需要 1 万元,余下的支架、并网箱及人工加总费用大约 1.4 万元,合计安装费用在 4 万元 -5 万元左右。

按一天有效光照在 4 个小时来计算,这个 5KW 的电站一年的发电量能达到 7000 度以上,满足一般三口之家的日常用电需求基本没有问题。 陈永说。

你如果要做光储一体,配电池最起码要配一个能满足自家一天用电需求的吧,现在家庭日均用电在 15 度左右,储能电池对应的价格却在 2000 元 1 度电左右。 陈永说。

按照陈永的计算,仍以上述 5KW 户用电站为例,若要配一块容量在 15 度左右的储能电池,用户就需要多掏 3 万元,且在 5KW 电站刚刚满足该用户日常用电的背景下,很难有余电供给电池充电。

所以,在实际落地项目的过程中,陈永通常建议客户将电站并入电网,若要做离网电站,也会优先建议客户直接采购普通逆变器,通过加装防逆流装置达到发电不上电网的效果。 光储一体对于小型的户用电站尚且不划算,就更不用说规模再大一些的工商业电站了。 陈永略显无奈。

在陈永眼中,光储一体化的解决方案,当下更合适那些缺电、少电以及电价高的地区,对于国内的家庭或是企业来说,落地一套光储电站确实不如直接用市电来的划算。

在当前,众多积极探索不同场景下的光伏解决方案,试图帮行业解决烦恼的逆变器厂商,其实也有着自己的烦恼。

去年下半年, 芯荒 陡然席卷了逆变器行业,诸如阳光电源、固德威等头部企业均在去年的年报中明确了公司所面临的半导体部件供应风险。 公司电力电子设备中的半导体器件主要包括功率半导体器件和各类芯片,主要生产商为国外企业,目前国内生产商较少且性能指标尚有差距。叠加全球疫情对生产商产能的影响,半导体器件存在一定的供应不足和价格波动风险。 阳光电源在 2021 年年报中表示。

而固德威则在 2021 年报中指出,lGBT 芯片的产能无法匹配需求,且 IGBT 元器件国内生产商较少,与进口部件相比,产品稳定性、技术指标存在一定差异,预计短期内不能完全实现进口替代。

据深圳一家逆变器企业的客户经理吴东向记者回忆,在去年 11 月左右,他们公司采用了配额销售的方式,每月定额定量地向客户供应产品,这些排队的生产订单直到今年 3 月份才消化完毕。

那段时间逆变器属于‘有价无市’,很多客户有钱也拿不到货,只能干等。 吴东说。

这个让逆变器行业集体 心慌 的芯片名为 IGBT,中文全称为绝缘栅双极型晶体管,该芯片主要用于电力设备的电能变换和电路控制,是进行电能处理的核心器件,实现直流电转交流电的桥梁。

如果说逆变器是光伏电站的心脏,那么 lGBT 芯片就是逆变器的心脏。 郝哲向记者解释。

知名私募敦和资管曾在今年 6 月发文称,当前 1GW 光伏装机量需要消耗大约 4000 片 IGBT8 寸片,其中,采用集中式逆变器消耗 3800 片,采用组串式逆变器需消耗 4200 片。

敦和资管认为,以 2021 年以光伏 170GW 的装机量为基础,2022 年 IGBT 最多可以支撑 240GW 的装机量,若 2022 年光伏装机规模超过 250GW,IGBT 很可能成为光伏装机的一个瓶颈。

而就当下逆变器行业 IGBT 缺芯现象,记者曾向多个头部厂商表达了采访意向,但均被以 问题较为敏感 的理由婉拒。

不过,就记者在市场一线走访的情况来看,相比去年底,光伏逆变器行业的缺芯现象现已基本得到了缓解,除个别大功率逆变器的生产受 IGBT 产能影响仍需排队外,其他产品基本都能保证稳定供货。

浙江一家小型逆变器企业的副总经理李贺向记者表示,目前其公司产品所用 lGBT 芯片主要采购自英飞凌、富士、三菱等国外企业,而关于国内厂商所生产的 lGBT 芯片,他所在的公司在今年 3 月方才有所了解。

郝哲告诉记者,lGBT 芯片生产的技术壁垒较高,目前,国产 IGBT 芯片只能满足 35kW 以内的光伏应用场景,且在性能指标上仍与海外厂商的产品存在一定差距。

记者曾与阳光电源的一位区域经理就 lGBT 芯片自产的话题展开交流,该经理表示,公司目前并没有自研自产 lGBT 芯片的规划。 要是芯片那么好造,华为不早就造出来了。 他说。

中国光伏行业协会名誉理事长王勃华在 7 月份的一场研讨会上表示,光伏 lGBT 芯片在今年二季度的国产化率仅为 4% 至 5%,据其预计,到今年年底,lGBT 芯片的国产化率或能升至 10%。

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