储能变流器工作原理及市场前景分析

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PCS工作原理及功能

PCS由IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、PCB板(印刷电路板)、电线电缆等硬件组成,可以分为单相机与三相机。

PCS按功率大小又可分为高频隔离、工频隔离、不隔离三种方式。单相机和20KW以下三相PCS采用高频隔离的方式,50KW到250KW采用工频隔离的方式,500KW以上采用不隔离的方式。

PCS的工作模式主要有并网和离网两种。

在并网模式下,PCS实现储能电池与电网之间的双向能量转换。主要功能是根据微网监控指令进行恒功率或恒流控制,给电池充电或放电,同时平滑风电光伏等波动性较强的输出。

在离网模式中,PCS可以根据实际需求,给本地部分负荷提供满足电网电能质量要求的交流电能。

PCS的主要功能包括过欠压、过载、过流、短路、过温等的保护、具备孤岛检测能力进行模式切换、实现对上级控制系统及能量交换机的通信功能、并网-离网平滑切换控制等。

PCS的主要特点包括充、放电一体化设计,实现交流系统和直流系统的能量双向流动;可以实现并网与离网的无缝切换;功率因数任意可调,在容量范围内可以全发无功,实现无功补偿;

此外,特点还包括多台PCS可多机并联运行,且总输出功率不小于叠加总功率的95%;10KW换流器单体之间相互独立;主功率回路采用高可靠性功率模块;支持多种储能电池,不同型号仅只有控制器的软件不同;完善的极端保护功能,有效防止逆变器的异常损坏等。

应用场景及国内厂商

按照应用场景的不同,PCS可以分为储能电站、集中式、工商业及户用四大类,主要区别是功率大小。

储能电站PCS的功率一般大于10MW,选取级联型多电平拓扑,采用IGBT模块设计,一般N个交流器安装到集装箱内部,支持多机并联运行,需变压器升压接入电网。

集中式PCS的功率在250KW以上,当前多采用两电平拓扑,同样采用IGBT模块化设计,使用功率器件较少,单机功率可达MW级,对系统可靠性要求较高。

工商业PCS的功率一般在250KW以下,当前多采用三电平拓扑,与分布式光伏相结合,可以实现自发自用,在国外还可利用电网峰谷差价获利。

家庭户用PCS的功率在10KW以下,与户用光伏相结合,作为应急电源、电费管理等,对安全规范、噪声等要求较高。

PCS与传统光伏逆变器的技术大抵相当,所以早先切入PCS的企业基本都是逆变器产商。

从PCS产业链来说,上游是IGBT、PCB板等,中游是各类型储能变流器,下游是风光电站、电网系统等。

PCS上游材料的核心是IGBT,不过IGBT对设计及工艺的要求较高,我国企业起步晚,目前主要以国外跨国企业为主,以英飞凌、三菱电机、富士电机等,其中占比最高的是英飞凌,达15.9%。不过近年来,我国IGBT自给率在逐步提升,国产有替代海外的趋势。

PCS中游、下游与光伏逆变器生产厂商基本是同一批,国内主要的企业包括阳光电源、比亚迪、科华数据、上能电气、固德威、昆兰新能源、盛弘股份、索英电器、科陆电子等。不过由于PCS不同技术存在一定壁垒,应用领域均有不同,目前暂无绝对龙头。

阳光电源:主打大型电源侧储能PCS产品,以配套自身储能系统为主,部分对外销售,阳光电源储能业务的定位是提供储能系统解决方案。

上能电气:公司主要产品为交流储能变流器和直流储能变流器,分别应用于发电侧新能源并网和火电储能联合调频领域、电网侧调频调峰领域、用户侧工商业领域储能等。

固德威:拥有较齐全的储能产品系列和能源解决方案,涵盖单相、三相、高压、低压、直流耦合、交流耦合等全系逆变器和储能电池产品。

科士达:公司现有产品有模块化储能变流器、集中式储能变流器,储能业务占总营收比重达10%。

盛弘股份:盛弘股份首创多分支储能变流器,将多组电池分散接入储能变流器,减少电池簇并联,降低电池损耗,能够更大化利用电池。

未来展望

全球气候变暖已成为全球最大的生态难题,全球开始向“低碳化”转型,我国也提出“30·60”的战略目标,当前人们获得可再生能源最有效的方式就是发电,因此储能作为实现“30·60”目标不可或缺的一环,其市场规模不断增长,PCS又是储能装置中不可替代的器件之一,存在巨大发展机遇。

储能PCS市场目前市场规模相当可观,且还有着足够的发展潜力。各PCS企业目前并不在硬件成本比拼,而是朝着市场端、客户服务、售后服务等方向发展,具有较高的毛利润。

据悉,2015年我国PCS产量仅有5.5万KW,当时市场均价在1元/W左右,到2021年,PCS产量已增长至194.75万KW,年增长率超80%,市场均价也达到了1.135元/W。

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