华为2023年智能光伏十大趋势白皮书（附下载）

  今天分享的是智能光伏系列深度研究报告：《华为2023年智能光伏十大趋势白皮书 》。（报告出品方：华为 ）

  根据IEA预测,2022-2027年间,全球可再次生产的能源装机容量将增长2400GW,其中,光伏将占所有可再次生产的能源新增量的60%,新增接近1500GW。2025年初光伏发电将超越煤炭，成为全世界最主要的电力来源。传统以同步发电机为主体的电力系统，将向高比例新能源、高比例电力电子装备的“双高”新型电力系统转变。然而,新能源的稳定并网与消纳却成为限制新型电力系统发展的主要瓶颈。

  当前电力系统通过涡轮机、同步发电机与多时间尺度储能,构建了以机械+电磁为基础的电力网络.具有一次能源可储、二次能源可控的特性。然而，随着新型电力系统向全面半导体化发展,将面临系统稳定性、功率平衡以及电能质量等多种复杂技术问题,全球高比例新能源区域已出现电网事故。

  2021年，国网青海电力公司联合中国电科院、清华大学、浙江大学、华为技术有限公司成立专业研究团队,历时四个多月，开展《大规模储能支撑高比例可再次生产的能源电力系统安全稳定运行研究》,全面系统地分析了电流型、电压支撑型等不同性能电化学储能支持复杂高比例交直流电网的机理特性和适应性,提出了电压主动支撑型储能(Grid Forming)优化功率分配和控制的策略,为释放新能源发电和直流输电能力提供了新的技术手段。

  2022年ACWAPOWER、山东电建三公司、华为携手建设了全球最大的光储微网项目-沙特红海新城项目。作为全世界首个100%使用新能源供电的城市,也是沙特王国2030碳中和愿景规划的重点项目。该项目规划建设400MW光伏、1.3GWh储能,完全由光储系统支撑电网,替代传统油机,为100万人口提供清洁稳定电力,助力沙特王国打造全球清洁能源和绿色经济中心,也成为面向未来,全球实现100%光储洁洁供电的重要实践。

  近年来,传统化石能源的度电成本随着其资源枯竭和碳税的应用不断升高，而新能源经济前景却令人瞩目。根据IRENA分析,过去10年光伏的度电成本下降近10倍,已低于传统化石能源度电成本，而正是因为不断涌现的创新技术的驱动,加速了这一趋势的到来。

  高功率密度:光伏的度电成本的迅速下降,很大程度依赖于设备的功率密度的提升。

  03/ 逆变器直流电压由1100V提升到1500V。同时高密度碳化硅、氮化锦等材料科学的兴起,预计未来5年逆变器的功率密度将再提升~50%。

  高可靠保障:提升功率密度的同时让设备的高可靠性变得比以往更重要。通过磁集成技术、配电单板集成技术、风道散热布局优化、模块化设计和独立分腔设计可有效提升设备的可靠性。同时，需在极其严酷环境的验证可靠性设计,如高盐雾、高温、高湿、台风、沙尘等环境等。

  华为历经4年研发、测试与验证,将智能光伏控制器的功率由200kW功率段提升到300kW功率以上,在提升功率密度的同时保障了更高的可靠性。

  组件级电力电子器件(Module-Level Power Electronics,MLPE)在光伏系统中指能对单个或几个光伏组件进行精细化控制的电力电子设备,包括微型逆变器、功率优化器和关断器,组件级发电、监控和安全关断是其独特价值。随着更多客户对于安全、高发电量等特性的重视,MLPE的市场价值得到进一步发掘,市场接受度和份额快速提升。以功率优化器为例,根据IHS统计多个方面数据显示,2021年全球优化器年出货量为8.2GW,占分布式光伏当年装机量的7.47%。预计到2027年,全球优化器年出货量将增长到77GW,优化器的渗透率将达到20%~30%。回顾光伏电力电子设备的发展历史不难发现,从集中式逆变器到组串式逆变器的迭代发展,实现了从系统级MPPT到组串级MPPT的升级,系统发电量提升3%以上.而从组串式逆变器到到以微型逆变器为代表的MLPE解决方案的演进,通过实现光伏系统的组件级优化发电和监控，将会让系统发电量和安全性得到逐步提升。光伏系统的发电“拉度”呈不断细化的趋势,而系统“粒度”的细化转化为更智能的发电和更高的安全特性。

  组串式逆变器在组串级别执行上限功率点追踪时,受失配影响的组件工作点会随电流减小而发生偏移,因此导致整条组串的输出功率降低。基于MLPE技术,可以独立追踪每一块组件的上限功率点,从而消除各种组件级失配导致的发电量损失,相对于传统光伏方案带来可观的发电量提升和更高收益。

  在屋顶光伏项目中,直流侧组件串联电压通常可达600V到1100V,当出现例如火灾等紧急事故时,由于光伏阵列携带高压,没有办法进行直接灭火,造成更多的人身财产损失。近年来,各国光伏RSD(Rapidshutdown快速关断)标准逐步出台落地,美国UL1699B规定在检测到拉弧发生的情况下2秒内关断系统,欧洲VDE-AR-E2100-712安全标准已强制执行,澳洲AS5033:2020、泰国EIT Standard等正计划执行MLPE能够给大家提供组件级的快速关断,从而消除直流高压带来的安全风险隐患,并实时检测线缆端子温度,提前识别线缆短接、破损等常见故障,真正的完成主动安全防护。

  正如过去,逆变器从集中式向组串式发展,实现了组串级的精细化管理一样,由2000+电芯组成的储能系统更需要应用精细化、智能化的管理模式,提高可用容量与安全标准。当前,大部分集中式储能系统由电芯直接串并联而成，没办法实现精细化的充放电与温度管理,受电芯间串并联失配与温度差异的影响,展增添了一抹灰色。

  电芯不等于储能系统”一智能组串式储能融合了数字技术、电力电子技术与储能技术,采用组串式、智能化与模块化的设计的理念,以此来实现电芯的精细化、智能化管理,提升生命周期充放电量与系统安全。

  组串式;通过电池包优化器,实现每一个电池包的满充满放;通过电池簇控制器,充放电过程中均衡电池簇容量,避免簇间环流,提升储能系统的可用容量。分布式智能温控,降低电芯间温度差异，延长系统寿命。

  智能化:应用数字化、云、AI等数字技术,搭建预测模型,识别电芯健康度,预估电芯寿命,降低初始电池配置;根据电池充放电曲线、温度、内阻与电压等电芯参数的对比,可提前识别电芯内短路故障,及时预警电池火灾隐患。另外,配合电池包优化器与电池簇控制器,在日常充放电过程中,就可以实现电池包级主动SOC标定免人工上站。

  在东南亚地区最大的储能电站项目-新加坡200MW/200Mwh项目中，针对客户电网调频和旋转备用的应用场景，智能组串式储能通过充放电精细化管理实现更长时间的恒功率输出,保障调频收益。同时，通过电池包级自动SOC标定功能,节省人力开支，大幅度的提高运维效率。

  在全球首个100%新能源供电的GWh级离网项目一沙特红海新城1.3GWh项目中,智能组串式储能解决方案通过Grid Forming特性建立稳定的电网;通过分布式温控保障高温场景下系统的可靠运行;支持带板运输,现场无需内部安装与接线个月。

  鲤电池储能系统中,生命周期综合能效和系统安全无疑是最关键的要点。而随着电力电子技术、电化学技术、热管理技术与数字技术在储能领域的融合加深,储能系统的管理颗粒度也从最初针对集中式系统的粗放式管理,发展到电池簇级、电池包级的精细化管理。即便如此,键电池储能系统在追求更高能效和更安全的方向上仍有很长的路要走。

  近两年,储能安全事故时有发生,而由于电芯析鲤等问题导致的内部短路,进而引发热失控,在早期更是不易察觉,如何能有效做到储能系统安全风险隐患的提前发现、提前预警是整个业界需解决的难题。

  正如光伏系统向组件级电力电子(MLPE)发展一样,电池储能系统也一定会朝着更小的管理颗粒度进发。只有针对电芯开展精细化管理,才能更有效地应对上述效能与安全问题。当前,传统端侧BMS只能将有限的数据来进行汇总和简单分析,几乎不可能做到故障的早期发现与预警。因此,需要让BMS(Battery Management System)“更敏感”、“更智能”,甚至要“预知未来”,这有赖于大量数据的采集与运算处理,并结合AI技术找到最优点、对趋势做出预判。

  应用云BMS解决方案,通过部署在储能系统中数量众多的的电压、电流与温度传感，将海量数据来进行采集与上云，结合AI算法与模型，能有效监控电芯状态、并预知态势发展。在电芯针刺试验中，通过直径1mm的钢针,模拟衍生型内短路,通过云BMS实现小时级电芯热失控预警，将险情控制在萌芽阶段,避免造成更大的损失。云BMS技术已在数据量更大、时效性要求更高的电动汽车中得到可靠验证。

  未来三十年,能源清洁化转型已成为必然的发展的新趋势。根据2022年英国独立气候智库Ember发布的报告数据显示,为实现全球温控1.5°C的目标,到2030年,风能和太阳能发电量需保持每年20%的上涨的速度2021年,全球风光发电量占比首次突破10%,未来仍然有很大的发展空间。因此,全球主要区域都提出了未来清洁能源的发展规划。

  2022年6月,中国颁布了《“十四五”可再次生产的能源规划》,提出到2025年可再次生产的能源发电量从2020年的2.2亿千瓦时提升到3.3亿千瓦时其中风电、光伏发电量实现翻番。在发电侧,集中建设“九大”清洁能源基地,利用特高压输电送至负荷中心总装机量在2025年预计超过500GW;在用电侧推进新建厂房和公共建筑开展光伏建筑一体化开发，实施“千家万户沐光行动”,成为落实以上描述的目标的重要举措。

  在欧洲,为解决能源安全的问题,欧盟于今年5月颁布《Repower EU》,将2030年可再次生产的能源装机目标从1069GW提高至1236GW(511GW @2011),其中光伏装机在2030年达到600GW,到2027年抵消90亿立方米的天然气消费量,落实以“光”代“气”。为实现以上描述的目标,在发电侧,英国将在北非摩洛哥建设10.5GW光伏、5GW/20GWh储能,通过3800km特高压输电线TWh清洁电力送至英国,满足本国7.5%的用电需求。在用电侧,欧委会也提出一项具有法律约束力的欧洲光伏屋顶计划(European Solar RooftopsInitiative),到2026年,欧盟所有屋顶面积大于250平方米的新建公共建筑和商业楼,必须强制安装屋顶光伏;到2027年,所有满足条件的现存建筑屋顶必须强制安装光伏;到2029年,所有新建的住宅楼一定得安装屋顶光伏。

  发电侧,在光照资源富集区域建设光储清洁能源基地,利用特高压送至负荷中心,在全世界内展开试点,也将加速区域之间特高压电网建设,实现更灵活的时空互济与相互连通。清洁能源基地依托传统能源格局规划,具有“多(多种能源结构)、高(高比例新能源、高比例电力电子装备)、大(占地面积大)、荒(地处偏远)”的特征,需通过技术解决光伏稳定并网、多种能源协同调度与智能化运维。

  用电侧,把分布式光伏、储能及可控负荷相结合,将分散的发电单元、储电单元灵活调度,实现用户侧可调节资源参与市场交易、负荷侧响应,实现电网削峰填谷,成为一种全新的商业模式。

  因此,构建“光储网”融合的稳定能源系统,支撑光伏送出与消纳,将成为解决能源安全与能源独立的关键举措。通过融合数字技术、电力电子技术与储能技术,落实多种能源的智能化调度,从发用平衡,走向发储用平衡,实现多能互补、协调互济;建设智能化运维平台,实现GW级清洁能源基地“无人值守、少人值班”。应用5G、A1、云技术,将海量分布式光储系统来进行智能化管理、运营与电力交易,构建VPP虚拟电厂，为用户侧可调节资源参与市场交易、负荷侧响应,实现电网削峰填谷提供坚强的技术保障。

  2022年,雅袭江水电携手华为建设的全球装机顶级规模、海拔最高的水光互补电站--柯拉1GW光伏发电项目,郑重进入施工阶段,预计在2023年并网发电。未来五年,规划光伏装机容量达3.2GW,成为雅碧江流域清洁能源基地中的一颗闪亮的明珠。

  该项目通过水电站机组负荷增减和水库库容调节,可以弥补光伏电站负荷的波动,平抑光能的波动性,实现水、光互补,协调互济,将原本不稳定的光伏电源,调整为均衡、优质、安全,更加友好的平滑稳定电源。

  利用水电送出通道(四川锦屏-江苏苏州士800千伏特高压直流通道,和雅中-江西800千伏特高压直流通道),无需新建特高压交/直流线路,同时提升原有水电送出通道的利用率,极大地提高经济效益。华为全工况电网适应能力及优良的电能质量,有效支撑整个新能源场站的送出。

  在欧洲,VPP已相对成熟,以德国某知名VPP运营商为例,其主要盈利模式是将风电和光伏发电等电力资源直接参与电力交易,获取利润分成,并根据每15分钟一次、每天96次的电力市场行情报价波动,调节分布式能源出力,实现低谷用电,高峰售电,获取最大利润。2022年,该VPP运营商已管理超1万个分布式发电系统，包括水电站、风光电站等，总体管理负荷规模超过10 GW。

  （本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）