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图表诠释:全球光伏微型逆变器十年江湖,因高效生,以安全赢

发表于:2021-12-18 00:03:35     作者:Mr曹宇

来源:索比光伏网

光伏微逆,十年沉浮

光伏微型逆变器(简称“微逆”)的诞生始于2006年,一个光伏电价超过4元/W的时代,任何一种能够提升电站效率,挽回损失发电量的技术都值得尝试;随后光伏标杆电价逐年下调,微逆企业变者生存,在性能与成本方面寻找平衡。

微逆企业的发展历程可以用八个字概括:“因高效生,以安全赢”。用了十几年,微逆成本与技术终于双双步入成熟期的方案,而为了易于表述,本文将“组串+优化器”和“组串+关断器”的方案,通归为微逆的技术流派:都是通过组件级的控制(简称:MLPE技术)来实现更高效或更安全的目的。

随着户用市场的逐步发展与完善,微逆在安全方面的优势得到了越来越多的重视,微型逆变器系统采用全并联电路设计,可优先将每块组件的直流电逆变为交流电后并入电网,仅存在60V左右的直流电压,具有天然无直流高压的优势,彻底解决了由于高压直流拉弧引起火灾的风险,同时也解决了当房屋起火时,因光伏电站直流高压而阻碍了施救的问题。美国户用市场已为微逆“量身”立法,未来预计中国等市场也会对电站工作电压有进一步要求,刺激微逆市场进一步兴起。

于是出于安全与经济性的双重考量,市场开始出现组串+关断器的产品。微逆以及同类技术市场正在蓬勃发展,而随着各国光伏市场对安全标准的进一步加严,更低成本微逆和更高精度组串发展势在必行。

技术方案安全性与经济型对比

微逆及组件功率优化器主要玩家

进入微逆与组件级优化器领域时间与经营周期

除华为、SMA外,其他微逆企业产品线只聚焦在微逆和组件级优化解决方案上,很少跨界。这是因为微型逆变器包含电力电子、微电子和固体电子、嵌入式软件和数据库平台、载波通讯、可靠性设计及生产工艺等5项技术集成在一起,其中核心的微电子技术与组串式或集中式的电力电子技术有很多不同之处。所以虽然全球光伏逆变器厂家曾经爆增至数百家,但微逆企业始终数量不算多。

而未来微逆的技术竞争,也围绕着微电子技术进一步展开。

微逆企业存续之道

从存续情况与企业特性可以得到微逆企业生存之道:

美国国家半导体和SolarBridge退出的主要原因是成本问题,这一问题曾经困扰了几乎所有微逆企业,早期微逆成本1美元/W,而且美国国家半导体并没有定位细分领域,但在集中式电站中,如此高的成本显然不可接受。

而存续下来的企业中,Enphase也曾长期陷入亏损,但作为微逆技术的开创者,一直保持着技术领先性。2018年6月,Enphase公司以现金和股份的混合收购SunPower微型逆变器公司。收购完成后Enphase将成为SunPower微型逆变器的独家供应商,营收迅速上升,并通过进一步技术创新和降本措施,在当年Q4首次扭亏为盈,2019年起随着美国户用市场屡创新高,同时随着华为退出美国市场后,美国逆变器企业受益匪浅。

虽然营业额不及华为与阳光电源,但如果只从净利润上看,SolarEdge可以称得上是2019-2020年的逆变器王者,2019年四季度光伏业务毛利率为37.3%。

SolarEdge采用DC-DC Optimizer(直直变换优化部件)技术,这种解决方案与微逆变器有相似之处,其原理是将第一级的DC/DC Boost部分从逆变器中拿出来,单独做在电池板后面的POWERBOX里,每个Booster均带有MPPT功能,从而可以实现每块电池板的最大功率点跟踪;这些Booster输出的直流电再汇总起来,集中输入到逆变器里面。这是种介于集中式逆变器和微逆变器之间的一种解决方案。在前级分布式上像微型逆变器,而在后级逆变上又像集中式逆变器。SolarEdge的优化器采用专有的ASIC(专有集成电路)和专利PLC(电力载波通信技术),使得产品的可靠性、技术壁垒得到了保证,同时造价也得到了有效的控制。相比Enphase只以技术取胜,SolarEdge则更加灵活,主要制造商为广州捷普电子,降低劳动力成本同时,广东的电子产业配套能力也为其降低物料成本和研发测试提供良好环境。

SolarEdge和Enphase也是美式商业规则的资深玩家,2020年1月1日 通过强制安装(扩大市场)、提升安全标准(只能选用微逆或快速关断)、专利保护(保护到设计理念级)三步完成对美国市场的牢牢把控,2020年这两家企业合计占据美国住宅光伏市场80%左右的份额。

中国企业中,昱能科技是最早成立的微逆企业之一,创始人凌志敏与罗宇浩两位博士拥有光伏和微电子背景,因此选择了二者结合的微逆技术作为创业起点。中国企业更加务实,较早思考微逆成本与性能的平衡,2013年,昱能科技推出了三相微逆及单相双体微型逆变器,均为全球首创并获得了欧美市场认证。创立了多体微逆架构,很好地平衡了性能和系统投资成本。后来国内许多逆变器企业都在沿用这个架构,可以降低30%以上的成本。此外,三相微型逆变器是微逆向工商业光伏系统渗透的重要产品,相比单相微型逆变器,其在功能和性能上具有优势,更加适合工商业光伏项目。2013年至2020年,昱能科技一直是微型逆变器市场唯一一家三相微型逆变器供应商,直至禾迈于2020年推出了其三相多体微逆产品。

光伏行业处于最低谷的2013年,也是微逆非常重要的变革之年,这一年除了有较高技术护城河的Enphase和架构创新有成本优势的昱能等少数几个企业之外,大多微逆企业陷入破产窘境。

与国外企业相比,中国微逆厂商在售价方面有较大的优势,尤其随着多体微逆功率的不断升级,多体微型逆变器已经成为微型逆变器市场的主流产品之一,价格优势进一步扩大。根据Wood mackenzie数据,2020年昱能在微逆市场出货量位列全球第二,国内第一。目前,昱能科技推出的第四代高功率大电流产品,可以匹配功率达670W的光伏组件,单瓦成本大幅下降,已与组串逆变器价差不大,是多体微型逆变器领域的又一次重要技术引领与突破

微逆的几次突破创新与飞跃

微逆技术发展历程与开创企业

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2017年以前,国产微逆企业以成本取胜,但技术与产品性能与国外企业略有差距,但到2017年以后,中国微逆厂商着手解决智能微型逆变器应具备的支撑智能电网的要求,具备了无功补偿、高低电压穿越等能力,也是在这一年,中国国产微逆厂商的技术水平与国外厂商处于同一台阶,并继续处于技术发展的快车道。

到2021年,中国企业在部分技术上实现了反超。昱能科技发布了第四代产品,采用新型直流升压拓扑电路和软件控制算法,发布了全球最大功率的微型逆变器,输出功率高达3600W,直流输入电流20A,而目前其他微逆企业的支持电流在14-15A之间。随着210mm大硅片组件的大规模应用,组件电流已达到了18A以上。如果因逆变器电流小而限制大组件的应用,那么便无法享受600W+时代带来的微逆降本红利。同时期,昱能科技对其组件级快速关断产品也做了革新,完成了从一拖一到一拖二的升级,提高了产品的性价比,同样支持20A直流输入电流,加之以产品安装简便,可直接卡在组件边框或黏贴在组件背板上,助推产品的进一步大规模商业化应用。

微逆价格曲线(来源Wood Mackenzie )

近年来,微逆价格总体呈现下降趋势,但由于2020年底以来,全球芯片短缺,逆变器价格在2021年有约10%的小幅攀升。于此同时,随着光伏组件功率大幅增加,多体微逆功率的进一步升级,微逆单瓦成本也被摊薄,未来微逆价格趋于稳定。索比咨询预计当国内市场分布式微逆市场启动后,微逆价格有望在市场带动下,进一步所有下降。

微逆市占率 (索比咨询制表)

根据索比咨询数据显示,2020年微逆全球出货量2.28GW,占全球185GW总新增装机的1.2%,其中海外主要市场中,欧洲微逆占比1.1%,北美5.1%占全球微逆装机的三分之二以上,拉美1.3%。从市占率来看,Enphase稳坐头把交椅,市占率达到83%左右,第二名昱能科技自2013年以来稳居微逆占有率第二的位置,并且从最初的8%扩大至2020年的13%,两家加一起占据了96%的市场份额(不含优化器市场)。

北美市场是最容易催生垄断型企业,相信随着微逆在全球范围发展后,市场会呈多元化发展,尤其是中国分布式市场一旦启动,对于中国光伏微逆企业将带来跨越式增长机遇。

微逆未来市场拉动几大主因

根据Wood Mackenzie预测,2021年微逆市场体量大约2.5GW,较去年上升9%,并且这一比例呈进一步上升趋势。

微逆市场发展有几大利好,可以细分为:

█ 安全规范不断加严

电气系统都有因电流而起火的风险。另外,光伏系统从最初的600V设计提高至1000V,最近又逐渐向1500V升级,更高的电压更容易导致起火。光伏电站起火向消防队提出了很大的挑战。系统发生火灾后,仍然会产生几百乃至上千伏的高电压,如果消防员贸然施救,会对消防员的生命造成威胁。

2014年美国国家电工规范(National Electrical Code,简称NEC) 提出“光伏系统的快速关断”概念,2017版的NEC690.12中,对快速关断又做了严格的要求——以距离到光伏矩阵305mm为界限,在快速关断装置启动后30S内,界限范围外电压降低到30V以下,界线范围内电压降低到80V以下,也就是要求实现“组件级关断”。在最新2020版的标准中,将“快速关断”的说法进一步修改扩大,提出了“光伏危险控制系统”(PV hazard control systems)。新标准要求光伏系统中具有“光伏危险控制系统”,使光伏系统在危急情况时是一个可控制的状态,也就是说可以利用“光伏危险控制系统”,实现组件级别的关断,在快速关断启动后30S内,界线范围内电压降低到80V以下。

截至2021年8月1日,2020版NEC在美国13个州生效,2017版NEC在24个州生效,2014版NEC在7个州生效,2008版NEC在2个州生效。

德国也规定,由于户用光伏可能存在高压,在房屋起火时,如果屋顶装了光伏电站,消防员不得救火以免触电。

尽管国内对于快速关断还没有出台强制性的标准法规,但相关行业和部分地方政府对光伏电站直流电压也提出了要求,并且这一数量还在不断增加。

索比咨询认为,随着碳中和进程推进,光伏及储能系统与人们日常生产生活结合更紧密,人身与财产安全更应得到重视,美国市场之所以率先启动安全规范,更多是强有力的企业在背后推动,而随着昱能、华为的推动与呼吁,对安全的要求会进一步加严,进而促使更多的企业投身微逆或快速关断功能的研发。

█ 碳中和下能源生产与消费的重大变革

碳中和作为二十一世纪最重要的“广泛而深刻的系统性变革”,将给能源的生产和消费带来重大改变。能源消费形式全面电力化,能源网、信息网、物流网等多网合一,电力的分散和可移动……都会让光伏更深度的融入生活,并且要求被更好的应用和管理。而微逆,将随着这个万物互联的趋势,向“能源传感器”转型,提升能源管控精度。

目前主流微逆企业也都在推动微逆项目的专业数字化运维和精准运维,做到与场景深度融合,应用和运维家电化。

█ 大功率组件提升微逆性价比

微逆诞生之初,单块组件功率仅有200W-250W,而目前业内采用210N型电池+高密度技术的组件,功率已经达到了700W,组件功率增大,大幅降低了微逆的投资成本。支持大功率组件对逆变器的首要要求就是大电流支持,通过满足低电压、大电流,才能充分发挥大功率组件的发电增益和成本优势。逆变器如果没有大电流支撑能力,那么无法享受大功率组件带来的降本红利。目前,昱能科技是唯一一家可以做到20A大电流微逆产品的企业,产品可支持600W+以上的大功率大组件。

█ 精度更高

未来光伏成为主力电时,微逆的这项优势会越来越明显:能够更快、更精细的相应电网的调度,在这个过程中精确到每一块组件,能够更好的保障发电量。

总结:微逆经过十余年发展,在技术方案不断优化、组件功率不断攀升、用户安全意识提升的多重利好下,成本、性能都取得了长足的发展,已经在分布式市场具备较高的性价比,而随着碳中和变革进程推进,微逆市场与相关企业前景值得期待。

 

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