2023智能光伏十大趋势白皮书

智能光伏十大趋势 光储融合，全面智能 加速光伏成为主力能源，让绿色电力惠及千行百业、千家万户 版权所有©华为技术有限公司2023。保留一切权利。 非经华为技术有限公司书面同意，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本手册内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 商标声明 HUAWEI、华为、是华为技术有限公司的商标或者注册商标。 在本手册中以及本手册描述的产品中，出现的其他商标、产品名称、服务名称以及公司名称，由其各自的所有人拥有。 免责声明 本文档可能含有预测信息，包括但不限于有关未来的财务、运营、产品系 列、新技术等信息。由于实践中存在很多不确定因素，可能导致实际结果与预测信息有很大的差别。因此，本文档信息仅供参考，不构成任何要约或承诺。华为可能不经通知修改上述信息，恕不另行通知。 华为数字能源技术有限公司 深圳市福田区华为数字能源 安托山基地邮编:518043 solar.huawei.com 2022年12月 前言 自2016年《巴黎协定》正式进入实施阶段以来，能源清洁化转型方兴未艾，尤其是近两年，碳中和已成为全球共识，超过140个国家和地区提出承诺，将引发新一轮的能源革命，加速能源清洁、低碳化转型。落实“两个替代”（能源生产清洁替代和能源消费电能替代）将成为实现碳中和的重要举措。 第二，要持续提升运营与运维效率 随着大型地面电站的规模越建越大，且一般多处于高海拔的戈壁、荒漠，甚至近海区域，给运维工作带来了较大困难；而分布式场景中，则面临点多量散、安全要求高的挑战。 第四，安全发展是产业的基石 第三，要让高比例光伏实现稳定并网与消纳 随着新能源占比的不断提升，给电网的稳定性带来了冲击。诸如澳洲、英国等多个新能源占比较高的国家和地区，都出现过由于新能源脱网导致的大规模停电事故。因此，如何在提升电网对于新能源消纳能力的同时，保持电网的稳定性，是需要业界共同面对的难题。 发电侧清洁替代： 根据2022年英国独立气候智库Ember发布的报告显示，为实现全球温控1.5℃的目标，到2030年，风能和太阳能发电量需保持每年20%的增长速度。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发展规划。今年5、6月，中国和欧洲分别颁布了《“十四五”可再生能源规划》与《RepowerEU》，提出了更加明确的新能源发展规划。正如IRENA2022对未来的预测，预计2030年光伏装机将达到5200GW，2050年达到14000GW，成为绝对的主力能源。 消费侧电能替代： 根据IRENA预测，2050年电力在全球能源消费占比将超过50%，替代传统化石能源，成为消费主力。以电代煤、以电代油、以电代气，电气化比重将大幅提升。另外，随着光伏发电走进千行百业、千家万户，向着光储充用全场景融合发展，也加速了电力在消费侧的比重。未来，零碳工厂、零碳建筑、零碳园区甚至零碳城市也将成为现实。 然而，在光伏产业高速发展的同时，依然存在很多的挑战要去解决，最终让光伏成为最经济，最可靠的主力能源： 第一，应持续降低光储系统的度电成本 光伏产业的高速发展，离不开度电成本的持续降低，如何通过技术创新持续优化度电成本，让光储系统的部署在更多的地区与场景加速实现商业闭环？ 近年来，光伏与储能电站的安全事故时有发生，尤其随着光储设备功率越做越大，以及光伏上屋顶、储能进园区/家庭成为趋势，如何端到端地实现整个系统层面安全防护成为亟需关注的要点。 我们正置身于能源清洁化转型的大浪潮中，针对上述挑战，光伏的发展未来将走向何方，让我们共同揭晓。 目录 趋势一光储发电机01 趋势二高密高可靠04趋势三组件级电力电子器件06趋势四组串式储能10趋势五电芯级精细管理12 趋势六“光储网”融合14 趋势七重构极致安全17趋势八安全可信25趋势九全面数字化28趋势十AI增效31 成为主力能源 趋势一 光储发电机 澳大利亚： 2016年9月28日下午，新能源渗透率达50%的南澳州发生强台风、暴雨，引起电网累计6次电压跌落，造成风电机组大规模脱网，导致全州长达50h的大停电事故。这是世界上第一起由极端天气诱发新能源大规模脱网导致的局部电网大停电事件，也成为澳洲电网不断加严并网标准的“导火索”，对澳洲发展新能 智能光伏十大趋势白皮书 背景 源带来了一定的影响。图2：故障时频率崩溃与电压崩溃波形 （来源：中国电科院，可再生能源发电装备与电 网的融合、互动与控制） 随着能源清洁化转型的发展，未来以光伏为代表的新能源将替代传统火力发电成为主力能源。 根据IEA预测，2022-2027年间，全球可再生能源装机容量将增长2400GW，其中，光伏将占所有可再生能源新增量的60%，新增接近1500GW。2025年初，光伏发电将超越煤炭，成为全球最主要的电力来源。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 英国： 2019年8月9日下午5点左右，英国发生因风电脱网导致大规模停电事故。大停电起源于英格兰的中东部地区及东北部海域，最终造成英格兰与威尔士大部分地区停电，约有100万人受到停电影响。 中国： 截至2021年底，青海省风电装机896万千瓦、光伏装机1632万 图3：英国大停电事故分析 （来源：PSD电力系统研究所） 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。 图1：Renewables2022 （来源：IEAAnalysisandforecastto2027） 千瓦，占比分别为21.8%、39.7%，新能源总装机占比达61.5%，全国最高，但本省最高负荷仅1051万千瓦，电力外送需求强烈。其中，以100%输送新能源的青豫直流最具代表性。然而，因高比例新能源在直流双极闭锁后电压快速变化期间出现的无功反调问题，导致新能源场站暂态过电压超过1.3倍，成为制约青豫直流送出的主要因素。 趋势 图4：青豫直流近区暂态过电压问题 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， 从全球新能源发展历程来看，不同渗透率阶段新能源接入面临的消纳瓶颈和关键技术挑战各异： 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。 01新能源渗透率＜30%时，为保证系统供需实时平衡，并网地区的调峰调频灵活性资源需求急剧增加，由于可再生能源是在局部集中接入，灵活性资源不足带来的问题主要体现为局部地区的弃风弃光。 02新能源渗透率30~50%之间时，电力系统运行场景更加多样化，新能源功率的波动性使得传统发电机组不得不快速调整出力适应平衡的需要，对大型煤电、热电联产等火电机组的调频调峰能力提出了进一步要求，同时电力资源需要通过在全系统内进行资源协调配置。 03新能源渗透率水平50%~60%时，由于大型火电比例降低，系统强度不断下降，同步电网的惯性将大幅度下降，有功功率控制和无功功率控制的难度不断加大，造成系统频率和电压波动幅度增大，暂态稳定性问题突出，提高新能源电网友好性与配置一定比例的储能是提高新能源并网的重要措施。 04新能源渗透率超过60%时，如大型新能源基地+特高压送出模式，受政策限制与成本因素，无法新建火电厂或高比例配置同步调相机，系统少同步甚至无同步电源支撑，传统新能源的控制逻辑已无法稳定并网。 因此，改变新能源控制模式，提高有功和无功控制与响应能力，主动缓解频率和电压波动，让光伏发 趋势二 高密高可靠 背景 近年来，传统化石能源的度电成本随着其资源 电从GridFollowing走向GridForming，将成为解决光伏并网消纳的重要举措。 通过光储融合+GridForming技术，打造智能光储发电机，将新能源的控制逻辑，从电流源型控制转为电压源型控制，并具备强惯量支撑、瞬时稳压与故障穿越能力，让光伏发电从适应电网走向支撑电网，加速光伏成为主力能源。 应用探索 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生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（GridForming）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。作为全球首个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%光储清洁供电的重要实践。 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。 图5：部分新能源度电成本变化趋势 （来源：IRENAWORLDENERGYTRANSITIONSOUTLOOK2022） 趋势 高功率密度：光伏的度电成本的快速下降，很大程度依赖于设备的功率密度的提升。 趋势三 组件级电力电子（MLPE） 01子阵功率由1MW以下提升到3MW以上； 02组件的功率密度从200W提升到500W+； 03逆变器直流电压由1100V提升到1500V。同时高密度碳化硅、氮化镓等材料科学的兴起，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加重要。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�、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。 应用探索 2020年9月30日，国家电投黄河水电携手华为打造全球单体规模最大的光伏电站⸺青海省海南州2.2GW特高压光伏电站正式并网发电。截至2022年，9216台华为智能光伏控制器仍稳定运行在海拔3100米的环境中，每年将50亿kWh清洁电力通过青豫直流送至远在1500多公里外的 背景 分布式光伏在产业政策和技术发展的驱动下近年来迎来蓬勃发展。据HIS的统计数据，2016年-2021年，全球分布式光伏年新增装机量占比从24%快速增长到47%，但随着装机总量的快速增长，大面积适装光伏的屋顶资源变得越来越少。面对有遮挡或者多朝向屋顶的场景，如何在保障发电量的同时充分利用屋顶资源成为需要解决的要点问题。另外，分布式光伏多以屋顶为载体，直流侧高压带来安全防护问题需要引起重视，且分布式电站点多面广，只依靠人工难以实现精细化的运维管理。因此，如何进一步提分布式光伏的发电和运维效率，保障用电安全，实现精细化管理与运维运营成为关键。 河南驻马店，智能光伏控制器的总可用时长超过2千万小时，可用度高达99.999%。 图6：青海海南州2.2GW特高压项目（逆变器可用度调查） 图7：分布式光伏装机增长趋势 趋势 组件级电力电子器件（Module-LevelPowerElectronics,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