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光储配比的持续提升与光储充一体化的趋势
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光储配比的持续提升与光储充一体化的趋势

2022-10-20 16:13:19 来源:半导体器件应用网 作者:丘水林 点击:1169

【哔哥哔特导读】2021年国内光储累计装机规模达3.5GW,并网发电的光伏项目配储比为4%,同时宁德时代、中石油、中石化等巨头企业也纷纷入局,正逐步推动光储充一体化进入发展快车道,随着大部分省份十四五规划的出台,光储充一体化未来有着怎样的发展机遇?

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增速超100% 光储即将引来爆发

2021年全球光储累计装机规模约11.5GW,中国约3.5GW,过去两年增速也均在100%以上,实现并网发电的大型光伏项目中配建储能项目的占比为4%。

全球及中国光伏储能累计装机规模

数据来源:CNESA、彭博新能源财经,哔哥哔特资讯整理

配储比例提高至10% 为光储充一体化爆发奠定基础

根据各省十四五期间光伏、储能发展规划看,其中超大部分省份划定的比例不低于10%,仅已公布配储比例的省份,储能装机规划已超过29GW,假设其他尚未公布的省份也采用10%的配储比例,预计十四五期间储能装机规模将超41GW,奠定了四十五期间光伏储能市场爆发的基础。

十四五期间光储市场规模预估

十四五期间光储市场规模预估,哔哥哔特资讯整理

2021年,我国分布式光伏新增装机规模首次超过集中式,今年5月,国家发改委、国家能源局发布的规划中提到,到2025年公共机构新建建筑屋顶光伏覆盖率力争达到50%。光储充一体化通常搭配分布式光伏出现,对分布式光伏装机比例提出要求后,将进一步推动光储充一体化的落地,扩大光储充一体化装机规模。丰宾电子高级经理徐格威提到,一般情况下户用光伏才会搭配储能,光储充一体化未来的增长点主要来自225kW~320kW功率段产品。

光储充一体化落地的思考

从以往已光储充一体化项目落地的实际情况来看,光储充一体化一般搭配充电站出现,一方面光储充一体化电站会吸纳电网的电,另一方面受安装面积所限,其储能装机功率通常是光伏装机功率的2.5倍,储能装机时长通常为2-4小时,从各省份十四五期间储能发展规划看,应该是吸收了光储充一体化落地经验,大多数省份的装机时长都设置为2小时。

光储充一体化项目装机情况汇总

光储充一体化项目装机情况汇总,数据来源于网络,哔哥哔特资讯整理

民生证券研究院预计,2021年到2025年期间,光储充一体化的储能系统需求约 6.8 GWh,其中 2025年储能系统需求约 3.62GWh,到2030年储能系统需求约44.8GWh。假设以2小时装机时长计算,光储充一体化对应的储能装机规模为3.9GW,可覆盖32500个120kW快充桩或8125个480kW超充桩。

光储充一体化缘何受到众多车企青睐

目前单个直流快充桩的功率在60kW以上,大约相当于二三十个家庭的用电量,以广汽为代表的超充,其功率达到360-480kW,随着新能源汽车保有量、车桩比的提升以及超级快充的普及,未来势必会对电网造成更大冲击。

2022年上半年,我国新能源汽车保有量已突破1000万辆,产业发展初具规模。根据东南大学电气工程学院教授黄学良的研究,2030年,我国新能源汽车保有量将达到8300万辆,等效储能容量将达50亿千瓦时,届时车辆充电需求将占社会用电量的6%~7%,最大充电负荷将占电网负荷的11%~12%,提前布局光储充一体化缓解电网负荷显得尤为重要,也正因此特斯拉、宁德时代、特来电、星星充电以及中石油、中石化等汽车行业相关企业都纷纷投身到光储充一体化的建设中。

布局光储充企业汇总.png

布局光储充企业汇总,资料来源于网络,哔哥哔特资讯整理

9月初,宁德时代董事长曾毓群率队到访阳光电源集团总部,就进一步深化宁德时代与阳光电源在储能等新能源领域的全球合作进行探讨,并正式签署战略合作协议,携手开拓全球光储一体化市场。

兆易创新产品市场总监金光一表示,近几年来,光储充一体化一直是新能源界的热门组合,通过配置储能系统能够实现削峰填谷,维持电网稳定,再通过充电桩为新能源汽车提供“绿色电能”,有效缓解大规模充电桩用电对局域电网的冲击。基于光储充一体化系统,可降低传统能源的使用,减少污染气体排放,提高能源利用率,并实现长期可持续的经济收益。

虽然近十年间太阳能光伏发电平均成本下降了近九成 ,2021年并网的家庭光伏发电项目估算装机成本是0.9/度,但仍高于0.6元/度的民电价格,而光储充则可摆脱这种电价的天花板限制,无论是光伏自发,还是凌晨把电存起来的电,最后会以度电1.5元-2元的价格卖给车主,这基本覆盖了光储充一体化的建设成本。

IGBT、MCU迎国产替代良机

IGBT芯片。IGBT等功率器件作为光储充逆变器及储能变流器的核心半导体部件,对电能起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能,因此IGBT 等功率器件将充分受益储能及光储充一体化的高速发展。根据天风证券的测算,全球风电、光伏及储能对IGBT的需求价值量将由2021年的86.7亿元增长至2025年的182.50 亿元。

因为IGBT器件的性能直接影响光伏发电效率,故而对其性能和可靠性要求较高。以英飞凌EconoDUAL™ 3模块为例,其工作电流900 A ,工作电压1200 V,过载时最高工作温度可达175℃,IGBT在设计时电流一般都会留有10%以上的裕量。与进口部件相比,产品稳定性、技术指标存在一定差异,未能完全产品技术要求,IGBT 器件国内生产商较少,市场份额主要被英飞凌、安森美、意法半导体、瑞萨等国际大厂占据,尤其是英飞凌,在IGBT模块和IGBT分立器件都以超过30%的市占比占据绝对优势。2020 年国内光伏储能国产化率接近为零,但以分布式光伏为基础的光储充一体化推进望改变这一状况。

相对于集中式光伏而言,光储充一体化主要采用 IGBT 单管或模块(分布式光伏单相一般采用IGBT 单管,三相可选择 IGBT 单管或模块),整体功率相对更低,光储充对IGBT技术要求相对较低,而国内功率器件厂商在低功率段技术上已取得一定突破,成本方面则有优势。2021 年,斯达半导、士兰微、时代电气、扬杰科技、新洁能光伏 IGBT 收入均为几千万,随着光储充一体化的落地,未来有望迎来快速放量增长。

东海半导体总经理夏华忠在接受采访时表示,目前已有40A/200V,50A/650V,75A/1200V等光储充一体化IGBT在批量生产,并成导入阳光电源、上能电气等头部企业。

光储充一体化1

光储充一体化项目

MCU芯片。在光储充一体化系统中,MCU 主要用于对蓄电池的充放电进行管理,收集光储充一体化系统蓄电池电压、开关信号及输出电流等信息,根据事先写入的程序运算处理后输出电池管理及电路保护等控制信号,MCU 也能提供过载、短路保护等,其中MPPT(最大功率点跟踪)是光伏发电效率最大化的关键技术,MCU是其中不可或缺的关键部件,MCU硬件处理性能和软件算法共同决定了MPPT的工作效率。其中硬件效率主要由MCU采样电路的精度,MPPT电压范围,MPPT路数决定,软件效率主要是由MCU控制算法来决定。

兆易创新GD32 MCU在光储充一体化系统的光伏逆变器、储能系统和充电桩三大核心系统中都有着广泛地应用。以光伏逆变器为例,GD32F4系列MCU凭借主频高达240MHz的Arm® Cortex®-M4内核,大容量存储优势,可以高效地处理逆变器的复杂控制算法。多达两组能够输出三相互补PWM波形的高级定时器、3个高达2.6MHz采样率的12位高速ADC,更有助于精准测量面板的电压和电流,满足逆变器驱动电路所需的高精度控制要求。

此外,GD32F4系列MCU还可用于光储一体化充系统内的通信监控和HMI等模块,包括提供多达8路USART/UART、6路SPI、3路I2C、2路CAN总线、以太网MAC,USB2.0全速和高速通信接口,并集成了TFT LCD控制器和硬件图形加速器IPA。可以对配电网内的发电、充电、变流器、储能等设备进行实时监测,以及对光储充一体化系统相关的环境、告警传感器等进行集中监控和管理,并满足光储充一体化系统与外界通讯、数据采集和传输、人机交互等更多智能化控制的需求。

金光一认为,如今在供货保障和降本增效的要求下,不少逆变器厂商开始采用高性能MCU替代DSP。兆易创新GD32E5系列高性能MCU采用主频高达180MHz的Arm® Cortex®-M33内核,内置硬件乘/除法器,并提供完整的DSP指令集和单精度浮点运算单元,配备硬件三角函数加速器,以增强的计算能力实现数字信号处理和开关电源控制,可替换传统DSP,运行MPPT算法实现光储充一体化系统光伏模块的最大功率跟踪,并实现数据采集、通讯监控和快速关断功能。

灵动微采购经理龚丹提到,相比于光伏,光储充一体化需要的MCU种类和数量更多,主要原因是光储充系统里增加了储能部分,增加的MCU需求如电池双向充放电(DC-DC)模块、BMS模块。光储充一体化系统里核心产品是逆变器,逆变器对主控MCU要求高,需要快速准确采集电压电流,输出精准PWM控制信号,同时满足监控保护要求,即主控MCU必须具有高采样率的ADC模块,及高精度的定时器来实现这些功能。逆变器主控MCU目前市场上以DSP为主,但随着微型逆变器的兴起,有厂商在使用ARM 内核32位MCU做主控,这块是灵动发力的方向之一。除此之外,光储充一体化逆变器中通讯传输MCU需要支持多种外设接口,如多路的UART,SPI,I2C,CAN 等。

目前灵动微MM32F0140、MM32F3270以及MM32F5270系列等产品在光储充市场已经广泛应用,支持2.0~5.5V 宽压工作范围,工作温度范围包含-40℃~85℃工业型及-40℃~105℃扩展工业型,ESD高达±8kV,满足光储充应用需求。龚丹表示:“未来灵动微也将持续推出性价比高、资源更丰富的Cortex-M0 内核产品如MM32F0160,支持更多外设接口;同时我们在布局更高性能的MCU,以星辰内核为主导,去满足光储充市场对高性能MCU的需求。”

国内厂商芯片设计与制造能力均在快速发展,目前在光储充领域已部分具备了国产替代基础。从设计能力看,国产 MCU 的技术参数在部分领域可以比肩意法半导体等国际大厂,国内头部 MCU 厂商兆易创新GD32V 系列更是全球首个基于 RISC-V 内核的通用 MCU 产品,未来也具备进一步迭代更新、在更高端领域实现技术突破的实力。从工艺制造看,光储充需要的MCU 工艺节点集中在 40 nm 及以上的成熟制程,国内代工厂已经具备相应的制造能力,随着代工厂在 28 nm 技术的持续优化,国内 MCU 厂商与上游代工厂加强协作,有望共同推动国产 MCU 性能再上一个台阶。

光储充一体化2

光储充一体化项目

电容等被动元件或将首先迎来机会

光储充一体化同样也会给国内的被动元件厂商带来机会,相对于技术门槛较高的IGBT和MCU,要求较低的电容等被动元件将更快实现国产替代。光伏逆变器DC-Link、输入/输出滤波以及逆变系统缓冲电路等都需要薄膜电容器用以吸收高脉冲电流,使逆变器端的电压波动处在可接受范围内,防止瞬时过电压的影响,在直流输入、交流输出的EMI及LCL滤波电路,逆变系统中的缓冲电路中都需要用到薄膜电容器。直流充电桩随输出功率的增长,也需要大容量、高价值的 DC-Link 电容进行缓冲。

根据固德威披露的成本结构显示,2017 年-2019 年电容在原材料中的成本占比分别为 10.1%、10.2%和 8.4%,三年平均为 9.6%;2016~2018年,锦浪科技电容器采购金额分别占总采购金额的7.1%、9.1%、10.4%。电容器成本占逆变器成本约6.6%~9.7%,占逆变器销售价格的4.3%~6.4%。两家公司毛利率在30%~40%之间波动,直接材料占营业成本比例在93%左右。据此,估算电容器成本占逆变器成本约6.6%~9.7%,占逆变器销售价格的4.3%~6.4%。按照假设电容器成本占到光伏逆变器及储能PCS价值量的5.4%左右,2025年预计将达到29.1亿元,而这一市场或将更早迎来爆发。

丰宾电子高级经理徐格威在采访中表示,目前是牛角电容、SMD电容和固态电容三种产品有向逆变器前10的客户群体供货,年交易额在2亿~3亿。其中微型用户光伏以310电容为主,250kW~320kW工商业分布式光伏以410V和550V电容为主,国产化是未来的主要趋势。

光储充一体化未来发展趋势

光储充还处于政策驱动向市场驱动的转变商业化初期,标准缺失、安全、成本等方面存在不少问题,电池检测存在技术壁垒,投资回收周期也较长(5年半左右),但越来越多的新能源车上路对便捷的充电设施需求越发迫切,未来随着组件成本的进一步降低,商业运作模式更加成熟,在强有力政策引导、政府补贴和头部企业试点示范项目的引导下,光储充一体化大规模落地有望为国内厂商提供更多的市场发展机遇。另一方面,随着试点项目的不断探索,光储充也呈变电站+充电站+数据中心站+直流配电站+光伏站+储能站+加油+加气+换电等多功能综合体的趋势发展。

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