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四個階段解讀中國光伏逆變器發展史:弱到強,跟跑到領跑,占據領先地位

光伏逆變器雖然只占光伏電站造價的5%,但卻是整個光伏系統的核心。傳統的光伏逆變器只是簡單地將光伏直流電轉化為電網所需的交流電,在智能電站概念提出后,逆變器的重要性越來越突出,還承載了支撐電網、信息交互、數據分析、電站管理、光儲結合等重要功能。

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數據平臺

不同于光伏組件制造幾乎只看成本和效率,光伏逆變器的設計和制造更多要從整個系統角度考慮,除了轉換效率,還要兼顧綜合防護、穩定運行、安全可靠和電網友好性;隨著光伏電站管理越來越精細化,光伏逆變器承載著數據采集的任務;而當新型組件出現和跟蹤支架推出后,逆變器還要考慮如何與這些直流側部件進行深度結合。可以說,逆變器是連接發電設備(組件)和電網的橋梁,也是光伏電站最重要的核心部件。

逆變器最主要的使命分兩部分:

在直流側實現系統優化,從而達到降本、增效、減耗目的;在交流側,隨著滲透率的提升,不斷滿足電網越來越高的調度與支撐功能。

中國主要的光伏逆變器廠商有陽光電源、華為、上能、特變電工、固德威、古瑞瓦特、錦浪、正泰電源、三晶、首航、盛能杰等企業,近年來這些企業在海外也進行了廣泛的拓展,并在與國際巨頭的競爭中逐步占據上風。其中陽光電源與華為連續數年占據全球光伏逆變器前二位置,固德威、古瑞瓦特、錦浪、三晶、盛能杰等一批專注生產中小型工商業及戶用逆變器的企業齊頭并進,勢頭良好。

從2004年德國頒布可再生能源法至今,光伏產業已經快速發展15年時間,這期間,中國逆變器從弱到強,從跟跑到領跑,最終占據全球領先地位。筆者根據產業發展脈絡,結合這些主要企業提供的大事記,梳理光伏逆變器在推動平價上網方面的歷史貢獻,探討產業未來。其中,陽光電源完整參與全過程并經歷幾乎全部重大歷史節點,資料最為完整,因此很多史料來自陽光電源,在此表示感謝。

第一階段:提質增效

逆變器中的MPPT(最大功率點跟蹤)控制器能夠實時偵測太陽能板的發電電壓,并追蹤最高電壓電流值(VI),使系統以最大功率輸出。

早期的光伏企業曾經非常重視MPPT效率,有時也將MPPT效率與轉換效率混為一談。但MPPT效率并不完全代表逆變器工作效率,最終還要看整體的轉換效率。隨著MPPT技術成熟,這一概念只作為評判逆變器性能的指標之一,而不再過分強調。實際上市場最認可的仍然還是各種加權效率,比如歐洲效率(歐洲)、CEC效率(北美)、中國效率(中國)。

在這期間,中國光伏逆變器還處于萌芽階段,即使是國內客戶,也對國產逆變器持懷疑態度。

這個階段從2003年12月,陽光電源推出中國首臺擁有自主知識產權的10kW光伏并網逆變器開始,其間經歷了甘肅敦煌特許權招標、金太陽工程、中國出臺上網電價、風電出現脫網情況后光伏電站也要求低電壓穿越功能等標志性事件,至魚柴實驗結束為止。

專家組在魚卡開關站至柴達木變電站線路進行了對中國光伏行業尤其是逆變器行業具有劃時代意義的實驗:“魚柴短路實驗”。

“魚柴短路試驗”是對光伏電站進行大擾動試驗,所有電站都同時進入低電壓穿越狀態。這次測試結果有兩個重要意義:

第一、國外光伏逆變器全部脫網,而國內領先的逆變器表現良好,其中以陽光電源逆變器無一脫網,表現最為優異,這個實驗打破了國外逆變器產品性能最優的神話。

第二、確實存在很多國產逆變器表現很差,讓逆變器群雄割據、連年混戰的局面逐步結束,具有品牌和技術的企業開始脫穎而出。

在此期間光伏逆變器經歷了幾個方面的提升:

電網友好性提升:逆變器先后經歷了低電壓、零電壓、高電壓穿越、大面積脫網事故檢驗、有功無功調度支持、諧波要求等,不斷提升逆變器技術門檻要求和實際應用案例參考。

防護性提升:市場多為高海拔、溫差大、風沙大等惡劣環境,對逆變器在隔熱、散熱、防塵、高溫降額等方面的要求越來越高。

整體方案及成本發展:匯流、配電、逆變、升壓、通訊等各個方面的整合和提升,以及對用戶的電站建設、維護檢測成本降低。

第二階段:智能與場景化應用階段

2013年中國光伏市場興起后,中國逆變器廠家不斷在細分技術領域有所突破。相關企業在銷售產品時,也開始推薦全套的光伏電站智能化解決方案,更多地參與到不同場景下的系統設計中,這些實證的經驗也得以反饋給制造企業,用于開發下一代產品。

同時,逆變器技術呈現百花齊放的模式,既有傳統的大型集中式逆變器,組串式逆變器,又出現了集散式逆變器,以及直流高壓逆變器等技術。作為行業領頭羊,陽光電源在此時提出了“因地制宜 科學設計”的口號,率先指出在不同場景、不同氣候條件下,只有選擇不同的逆變器和解決方案,才能使系統收益最大化。

這個階段,中國大型地面光伏電站蓬勃發展,中國逆變器企業在積累了大量的實踐經驗后推出和驗證了很多先進技術,中國的逆變器產品在這期間實現了彎道超車,躋身國際一線水準,甚至在很多方面性能超過國際同行。

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第三階段:系統深度優化助力平價上網

第三階段與智能化發展的第二階段相互交錯,未來也將共同發展。當技術做到極致之后,中國光伏逆變器企業開始尋求對整個光伏系統進行深度優化。

此外,更大功率的逆變器開始廣泛應用,同時不斷提升功率密度和系統效率,最直觀的例子是逆變器的“外殼”逆變柜:2011年,中國第一臺箱式逆變器在陽光電源廠房下線,替代了傳統的土建房。隨后通過三電平等新技術的應用、拓撲結構優化、功能集成等技術,不斷投入、不斷升級,集中逆變器占地面積從最初的20平,逐步縮小至10平米、7平米、3平米,到目前的SG1250UD成為首款可直接在戶外應用的集中型逆變器,降低了土地、建設和運維成本,并明顯縮短施工周期。

而直流1500V電壓等級也在這期間開始應用,2015年,陽光電源率先推出了1500V電壓等級的系統解決方案,這項技術首先被用于國外電站項目,憑借更低的BOS成本和更低損耗,成為光伏電站邁向平價的重要助力。隨著中國市場競價政策推出,2019年也被認為是中國1500V電壓系統廣泛應用元年。采用新的“1500V電壓系統+大方陣+高超配”技術,可以將發電曲線做得更加平滑,讓新能源變成更穩定的能源,同時可以大幅降低光伏度電成本5%以上。

第四階段:逆變器的未來,光儲融合實現高比例可再生能源利用

從目前光伏逆變器發展水平來看,當前產品的最大效率已經達到了99%,在提升效率和降低損耗方面,短期內可能會接近性能的“天花板”。但這并不意味著逆變器產業發展趨于停滯。

陽光電源是最早在業內提出“逆變器的未來在交流側”的企業。他們認為,光伏產業實現平價上網之后,未來面臨最大的挑戰是能源替代問題,屆時滲透率越來越高的新能源可能會對電網造成沖擊。如果這一問題沒有得到很好的解決,可能對電網安全造成不利影響。“剛開始光伏在電力系統中的占比很小,主要的目標是適應電網,與電網提出的要求相匹配。但隨著新能源比重增加,甚至在未來會成為最主力的能源,這時我們的職責就發生了變化,必須要支撐起一個堅強的電網。”陽光電源技術部門表示,除了逆變器技術繼續朝這個方向努力之外,光儲融合、最大化利用可再生能源是解決這個問題的必要途徑。

在逆變器發展的新階段,逆變器將作為橋梁,深度對接與控制整個光伏系統,在直流側與新型組件、跟蹤系統融合,在交流側突出電網友好性;和光儲融合,以加強光伏系統的可調度性,并且平滑光伏電站的輸出,降低對電網的沖擊與影響。

作者:曹宇

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