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四个阶段解读中国光伏逆变器发展史:弱到强,跟跑到领跑,占据领先地位

四个阶段解读中国光伏逆变器发展史:弱到强,跟跑到领跑,占据领先地位

 
关键词: 光伏逆变器 光伏电站 光伏技术

光伏逆变器虽然只占光伏电站造价的5%,但却是整个光伏系统的核心。传统的光伏逆变器只是简单地将光伏直流电转化为电网所需的交流电,在智能电站概念提出后,逆变器的重要性越来越突出,还承载了支撑电网、信息交互、数据分析、电站管理、光储结合等重要功能。

不同于光伏组件制造几乎只看成本和效率,光伏逆变器的设计和制造更多要从整个系统角度考虑,除了转换效率,还要兼顾综合防护、稳定运行、安全可靠和电网友好性;随着光伏电站管理越来越精细化,光伏逆变器承载着数据采集的任务;而当新型组件出现和跟踪支架推出后,逆变器还要考虑如何与这些直流侧部件进行深度结合。可以说,逆变器是连接发电设备(组件)和电网的桥梁,也是光伏电站最重要的核心部件。

逆变器最主要的使命分两部分:

在直流侧实现系统优化,从而达到降本、增效、减耗目的;在交流侧,随着渗透率的提升,不断满足电网越来越高的调度与支撑功能。

中国主要的光伏逆变器厂商有阳光电源、华为、上能、特变电工、固德威、古瑞瓦特、锦浪、正泰电源、三晶、首航、盛能杰等企业,近年来这些企业在海外也进行了广泛的拓展,并在与国际巨头的竞争中逐步占据上风。其中阳光电源与华为连续数年占据全球光伏逆变器前二位置,固德威、古瑞瓦特、锦浪、三晶、盛能杰等一批专注生产中小型工商业及户用逆变器的企业齐头并进,势头良好。

从2004年德国颁布可再生能源法至今,光伏产业已经快速发展15年时间,这期间,中国逆变器从弱到强,从跟跑到领跑,最终占据全球领先地位。笔者根据产业发展脉络,结合这些主要企业提供的大事记,梳理光伏逆变器在推动平价上网方面的历史贡献,探讨产业未来。其中,阳光电源完整参与全过程并经历几乎全部重大历史节点,资料最为完整,因此很多史料来自阳光电源,在此表示感谢。

第一阶段:提质增效

逆变器中的MPPT(最大功率点跟踪)控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值(VI),使系统以最大功率输出。

早期的光伏企业曾经非常重视MPPT效率,有时也将MPPT效率与转换效率混为一谈。但MPPT效率并不完全代表逆变器工作效率,最终还要看整体的转换效率。随着MPPT技术成熟,这一概念只作为评判逆变器性能的指标之一,而不再过分强调。实际上市场最认可的仍然还是各种加权效率,比如欧洲效率(欧洲)、CEC效率(北美)、中国效率(中国)。

在这期间,中国光伏逆变器还处于萌芽阶段,即使是国内客户,也对国产逆变器持怀疑态度。

这个阶段从2003年12月,阳光电源推出中国首台拥有自主知识产权的10kW光伏并网逆变器开始,其间经历了甘肃敦煌特许权招标、金太阳工程、中国出台上网电价、风电出现脱网情况后光伏电站也要求低电压穿越功能等标志性事件,至鱼柴实验结束为止。

专家组在鱼卡开关站至柴达木变电站线路进行了对中国光伏行业尤其是逆变器行业具有划时代意义的实验:“鱼柴短路实验”。

“鱼柴短路试验”是对光伏电站进行大扰动试验,所有电站都同时进入低电压穿越状态。这次测试结果有两个重要意义:

第一、国外光伏逆变器全部脱网,而国内领先的逆变器表现良好,其中以阳光电源逆变器无一脱网,表现最为优异,这个实验打破了国外逆变器产品性能最优的神话。

第二、确实存在很多国产逆变器表现很差,让逆变器群雄割据、连年混战的局面逐步结束,具有品牌和技术的企业开始脱颖而出。

在此期间光伏逆变器经历了几个方面的提升:

电网友好性提升:逆变器先后经历了低电压、零电压、高电压穿越、大面积脱网事故检验、有功无功调度支持、谐波要求等,不断提升逆变器技术门槛要求和实际应用案例参考。

防护性提升:市场多为高海拔、温差大、风沙大等恶劣环境,对逆变器在隔热、散热、防尘、高温降额等方面的要求越来越高。

整体方案及成本发展:汇流、配电、逆变、升压、通讯等各个方面的整合和提升,以及对用户的电站建设、维护检测成本降低。

第二阶段:智能与场景化应用阶段

2013年中国光伏市场兴起后,中国逆变器厂家不断在细分技术领域有所突破。相关企业在销售产品时,也开始推荐全套的光伏电站智能化解决方案,更多地参与到不同场景下的系统设计中,这些实证的经验也得以反馈给制造企业,用于开发下一代产品。

同时,逆变器技术呈现百花齐放的模式,既有传统的大型集中式逆变器,组串式逆变器,又出现了集散式逆变器,以及直流高压逆变器等技术。作为行业领头羊,阳光电源在此时提出了“因地制宜 科学设计”的口号,率先指出在不同场景、不同气候条件下,只有选择不同的逆变器和解决方案,才能使系统收益最大化。

这个阶段,中国大型地面光伏电站蓬勃发展,中国逆变器企业在积累了大量的实践经验后推出和验证了很多先进技术,中国的逆变器产品在这期间实现了弯道超车,跻身国际一线水准,甚至在很多方面性能超过国际同行。

第三阶段:系统深度优化助力平价上网

第三阶段与智能化发展的第二阶段相互交错,未来也将共同发展。当技术做到极致之后,中国光伏逆变器企业开始寻求对整个光伏系统进行深度优化。

此外,更大功率的逆变器开始广泛应用,同时不断提升功率密度和系统效率,最直观的例子是逆变器的“外壳”逆变柜:2011年,中国第一台箱式逆变器在阳光电源厂房下线,替代了传统的土建房。随后通过三电平等新技术的应用、拓扑结构优化、功能集成等技术,不断投入、不断升级,集中逆变器占地面积从最初的20平,逐步缩小至10平米、7平米、3平米,到目前的SG1250UD成为首款可直接在户外应用的集中型逆变器,降低了土地、建设和运维成本,并明显缩短施工周期。

而直流1500V电压等级也在这期间开始应用,2015年,阳光电源率先推出了1500V电压等级的系统解决方案,这项技术首先被用于国外电站项目,凭借更低的BOS成本和更低损耗,成为光伏电站迈向平价的重要助力。随着中国市场竞价政策推出,2019年也被认为是中国1500V电压系统广泛应用元年。采用新的“1500V电压系统+大方阵+高超配”技术,可以将发电曲线做得更加平滑,让新能源变成更稳定的能源,同时可以大幅降低光伏度电成本5%以上。

第四阶段:逆变器的未来,光储融合实现高比例可再生能源利用

从目前光伏逆变器发展水平来看,当前产品的最大效率已经达到了99%,在提升效率和降低损耗方面,短期内可能会接近性能的“天花板”。但这并不意味着逆变器产业发展趋于停滞。

阳光电源是最早在业内提出“逆变器的未来在交流侧”的企业。他们认为,光伏产业实现平价上网之后,未来面临最大的挑战是能源替代问题,届时渗透率越来越高的新能源可能会对电网造成冲击。如果这一问题没有得到很好的解决,可能对电网安全造成不利影响。“刚开始光伏在电力系统中的占比很小,主要的目标是适应电网,与电网提出的要求相匹配。但随着新能源比重增加,甚至在未来会成为最主力的能源,这时我们的职责就发生了变化,必须要支撑起一个坚强的电网。”阳光电源技术部门表示,除了逆变器技术继续朝这个方向努力之外,光储融合、最大化利用可再生能源是解决这个问题的必要途径。

在逆变器发展的新阶段,逆变器将作为桥梁,深度对接与控制整个光伏系统,在直流侧与新型组件、跟踪系统融合,在交流侧突出电网友好性;和光储融合,以加强光伏系统的可调度性,并且平滑光伏电站的输出,降低对电网的冲击与影响。



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