一文深度了解站在风口的户用储能逆变器
光储系统，包括太阳能组件、控制器、逆变器、蓄电池、负载等设备。目前主要有直流耦合和交流耦合两种技术路线，交流或直流耦合是指太阳能电池板耦合或连接到储能或电池系统的方式。太阳能组件和电池之间的连接类型可以是交流电或直流电。大多数电子电路使用直流电，太阳能组件产生直流电，电池储存直流电，然而大多数电器都在交流电上运行。
混合型光伏+储能系统，即光伏组件发出来的直流电，通过控制器，存储到蓄电池组中，电网也可以通过双向DC-AC变流器向蓄电池充电。能量的汇集点是在直流蓄电池端。白天光伏发电首先供给负载，其次通过MPPT控制器来给蓄电池充电，储能系统连接在电网上，多余的电量可以并网；晚上电池放电供给负载，不足部分由电网补充；电网停电时，光伏发电和锂电池仅供电给离网负载，并网端负载无法使用。当负载功率大于光伏发电功率时，电网和光伏可以同时向负载供电。因为光伏发电和负载用电都不是稳定的，要依赖蓄电池平衡系统能量。另外，该系统也支持用户自行设置充电及放电时间来满足用户用电需求。
直流耦合系统工作原理
资料来源：spiritenergy，海通证券研究所
混合型光伏+储能系统
资料来源：固德威光伏社区，海通证券研究所
混合逆变器集成了离并网功能，提高了充电效率。并网逆变器出于安全考虑，会在停电期间自动关闭太阳能电池板系统的电源。而混合逆变器能让用户同时拥有离网和并网功能，因此即使在停电期间也可以使用电力。混合逆变器简化了能源监控，可以通过逆变器面板或连接的智能设备检查性能和能源生产等重要数据。如果系统有两个逆变器，则必须分别监控它们。DC 耦合降低了 AC-DC 转换的损耗。电池充电效率约为 95-99%，而交流耦合则为 90%。
混合逆变器经济、紧凑、安装简单。安装带有直流耦合电池的新混合逆变器可能比将交流耦合电池改装到现有系统更便宜，因为控制器比并网逆变器要便宜一些，切换开关比配电柜也要便宜一些，直流耦合方案还可以做成控制逆变一体机，设备成本和安装成本都可以节省。尤其是对中小功率的离网系统来说，直流耦合系统极具成本效益。混逆模块化程度高，新增组件和控制器很简便，可以使用成本相对较低的直流太阳能控制器轻松添加额外的组件。且混合逆变器旨在随时集成存储，可以更轻松地添加电池组。混逆系统较为紧凑，使用高压电池，电缆尺寸更小，损耗更低。但是，混逆不适合升级现有太阳能系统，且功率较大的系统安装复杂价格较贵。如果用户想升级现有的太阳能系统以包括电池存储，选择混合逆变器可能会使情况复杂化，而电池逆变器可能更具成本效益，因为选择安装混合逆变器需要对整个太阳能电池板系统进行全面且昂贵的返工。功率较大的系统安装较复杂，且由于需要更多的高电压控制器会较贵。如果白天用电多，由于DC（PV）to DC（batt）to AC，效率会有轻微下降。耦合型光伏+储能系统，又称交流改造型光伏+储能系统，可实现光伏组件发出来的直流电经并网逆变器转换为交流电后，再经过交流耦合型储能逆变器将多余电量转换成直流电储存在电池中，能量的汇集点是在交流端。包含光伏供电系统和蓄电池供电系统。光伏系统由光伏阵列和并网逆变器组成，蓄电池系统由蓄电池组和双向逆变器组成。这两个系统既可以独立运行，互不干扰，也可以脱离大电网组成一个微网系统。
资料来源：spiritenergy，海通证券研究所交流耦合系统与电网100%兼容，安装简便，容易拓展。标准的家用安装组件都可以使用，即使是相对较大的系统（2KW到MW级）也容易拓展，可与并网和独立发电机组（柴油机组、风力涡轮机等）组合使用。大多数 3kW 以上的组串式太阳能逆变器都具有双 MPPT 输入，因此可以以不同的方向和倾斜角度安装长串面板。在更高的直流电压下，与需要多个MPPT充电控制器的直流耦合系统相比，交流耦合安装大系统更容易，复杂度更低，因此成本更低。交流耦合适合系统改造，白天使用交流负载效率更高。可将已有的并网光伏系统改造为储能系统，投入成本低。电网停电时可以给用户提供安全的电力保障。可兼容不同厂家的并网光伏系统。先进的交流耦合系统通常用于更大规模的离网系统，并使用组串式太阳能逆变器与先进的多模式逆变器或逆变器/充电器相结合来管理电池和电网/发电机。尽管设置相对简单且功能强大，但与直流耦合系统 (98%) 相比，它们在为电池充电时的效率略低 (90-94%)。然而，这些系统在白天为高交流负载供电时效率更高，可达到97%以上，有些系统还可以通过多个太阳能逆变器进行扩展以形成微电网。交流耦合充电效率更低，对小系统来说价格较贵。在交流耦合中进入电池的能量必须转换两次，当用户开始使用该能量时，必须再次对其进行转换，从而为系统增加更多损耗。因此，当使用电池系统时，交流耦合效率降至85-90%。对小系统来说交流耦合逆变器价格较贵。离网型家庭光伏+储能系统一般由光伏组件、锂电池、离网储能逆变器、负载和柴油发电机组成。该系统可实现光伏经DC-DC转换直接给电池充电，也可以实现双向的DC-AC转换用于电池的充电和放电。白天光伏发电首先供给负载，其次给电池充电；晚上电池放电供给负载，电池不足时，由柴发供给负载。可满足无电网地区的日常用电需求。可与柴油发电机结合，使柴油发电机供给负载或者给电池充电。大部分离网储能逆变器无并网认证，即使系统有电网，也无法并网。储能逆变器的适用场景
储能逆变器有三大作用，包括调峰、备用电源和独立电源。分区域来看，调峰是欧洲的需求，以德国为例，2019年德国电价已达2.3元/度，位居世界第一。近年来德国电价持续上涨， 2021年德国居民电价已达到34欧分/度，而光伏/光伏配储LCOE仅为9.3/14.1欧分每度，较居民电价低73%/59%，居民电价与光伏配储度电成本之间的差值还将持续拉大。户用光伏配储系统可以降低用电成本，因此在高电价地区用户有较强动力安装户储。资料来源：EuPD Research，海通证券研究所资料来源：EuPD Research，海通证券研究所调峰市场中，用户多选择混合逆变器和交流耦合电池系统，成本效益更高，且更易于制造。带有重型变压器的离网电池逆变器充电器更昂贵，混合逆变器和交流耦合电池系统使用带有开关晶体管的无变压器逆变器。这些紧凑的轻型逆变器具有较低的浪涌和峰值功率输出额定值，但成本效益更高，更便宜且更易于制造。
备用电源是美国、日本需要的，独立电源是刚需市场需求，包括南非等地区。根据 EIA ，2020 年美国平均停电时间超过 8 小时，主要受美国居民居住分散、部分电网老化以及自然灾害的影响。而户用光伏配储系统的应用可以降低对于电网的依赖，增加用户侧的供电可靠性。美国光伏储能系统较大，配备的电池较多，因为需要存储电量应对自然灾害。独立电源是刚需市场需求，南非、巴基斯坦、黎巴嫩、菲律宾、越南等国家在全球供应链紧张的情况下，国家的基础设施不足以支撑民众用电，因此用户要配备户用光伏储能系统。2022年6月南非开始六级限电，多地每天停电6小时混合逆变器作备用电源有一定局限性。与专用离网电池逆变器相比，混逆存在一些局限性，主要是在停电时有限的浪涌或峰值功率输出。此外，一些混合逆变器没有备用电源能力或备用电源有限，因此在停电时只能备份照明和基本电源电路等小型或必要的负载，且许多系统在停电期间会有 3-5 秒的延迟。而离网逆变器提供非常高的浪涌和峰值功率输出，并且可以处理高电感负载。如果用户计划为水泵、压缩机、洗衣机和电动工具等高浪涌设备供电，逆变器必须能够处理高感应浪涌负载。
混合逆变器输出功率对比
资料来源：clean energy reviews，海通证券研究所
目前行业内的光伏储能系统较多采用直流耦合的方式实现光储一体化设计，尤其是新增系统中，混合逆变器安装简便成本较低。在新增系统时，使用光储混合逆变器可减少设备成本和安装成本，因为一个逆变器可实现控制逆变一体化。直流耦合系统中的控制器、切换开关比交流耦合系统中的并网逆变器、配电柜价格更低，因此直流耦合方案比交流耦合方案的成本更低。直流耦合系统中控制器、蓄电池和逆变器是串行的，连接比较紧密，灵活性较差，对新装的系统来说，光伏、蓄电池、逆变器都根据用户的负载功率和用电量来设计，因此更适合直流耦合的混逆。直流耦合的混合逆变器产品是主流趋势，国内主要厂商均有布局。除昱能外国内主要逆变器厂商均布局了混合逆变器，其中上能电气、固德威、锦浪也布局了交流耦合逆变器，产品形态完善。德业的混合逆变器在直流耦合的基础上支持交流耦合，为用户存量改造的需求提供了安装的便捷性。阳光电源、华为、上能电气、固德威布局储能电池，未来电池逆变器一体化可能成为趋势。三相高压产品为各公司发力点，德业专注于低压产品市场。目前大部分混逆产品在10KW以内，6KW以下的产品多为单相低压产品，5-10KW产品多为三相高压产品。德业开发多款大功率低压产品，今年推出的低压15KW产品已开始销售。国内逆变器厂商新产品最大转换效率均达到98%左右，并离网切换时间普遍低于20ms。锦浪、阳光电源、华为产品最大转换效率均达到了98.4%，固德威最大转换效率也达到了98.2%。禾迈、德业最大转换效率略低于98%，但德业并离网切换时间仅为4ms，远低于同行的10-20ms。
国内逆变器厂商主要产品更多是针对欧洲、美国、澳洲三大市场。欧洲市场中，德国、奥地利、瑞士、瑞典、荷兰等传统光伏核心市场主要是三相市场，更青睐功率较大的产品，传统有优势的厂商是阳光和固德威，锦浪加速追赶，凭借价格优势和推出15KW以上高功率产品受到用户青睐。意大利、西班牙等南欧国家主要需要单相低压产品，固德威、锦浪和首航去年在意大利表现很好，各占约30%市场。而捷克、波兰、罗马尼亚、立陶宛等东欧国家主要需求为三相产品，但是价格接受度较低，因此首航以低价优势在此市场表现优秀。今年二季度德业开始向美国出货15KW新产品，美国储能系统较大，偏好更高功率的产品。电池逆变器分体式更受安装商欢迎，但电池逆变器一体机是未来发展趋势。光储混合逆变器又分为单独售卖混合逆变器和将逆变器和电池一起售卖的电池储能系统（BESS）。目前在经销商掌握渠道的情况下，各家直接客户比较集中，电芯、逆变器分体的产品更受欢迎，尤其是德国以外的地区，主要是安装便捷易扩容，且便于降低采购成本，电池或逆变器有一家供不上可以找二供，交付更有保障。德国、美国、日本趋势则是一体机。一体机可以省掉很多售后的麻烦，且有认证的因素，如美国的消防系统认证需要跟逆变器挂钩。目前技术趋势在往一体机走，但从市场销售上分体式在安装商那里接受程度更高一点。国内大部分厂商开始布局电池逆变器一体机。首航新能、古瑞瓦特、科华等厂家都选择了这种模式，首航新能2021年储能电池销量达3.51万pcs，较20年增长了25倍；古瑞瓦特2021年储能电池销量为5.3万套，较20年增长了5倍。艾罗储能逆变器品质优秀，拉动电池销量持续增长，2021年艾罗电池出货196.99MWh，营收3.83亿元，超过储能逆变器营收一倍。客户对做电池的逆变器厂家认可度高，因为和逆变器厂家合作关系好，对产品有信任度。直流耦合系统中，高压电池系统效率更高，但在高压电池短缺情况下成本更高。与48V 电池系统相比，高压电池的工作电压范围为 200-500V DC，有更低的电缆损耗和更高的效率，因为太阳能电池板通常在 300-600V 下运行，与电池电压相似，可以使用损耗非常低的高效 DC-DC 转换器。高压电池系统比低压系统电池价格更高，而逆变器价格更低。目前高压电池需求旺盛，供给不足，因此高压电池难以购买，在高压电池短缺情况下，使用低压电池系统成本更低。
资料来源：clean energy reviews，海通证券研究所
资料来源：clean energy reviews，海通证券研究所国内主要厂商的混合逆变器在停电时的备用功率输出未受到限制，因此适用于离网系统。部分产品备用电源功率较正常功率段稍低，但固德威、锦浪、阳光电源、禾迈新产品备用电源功率均与正常值相同，即离网运行时功率未受到更多限制，因此国内逆变器厂商的储能逆变器适用于离网系统。直流耦合系统不适合改装现有并网系统。直流耦合的方式主要存在以下问题：一是采用直流耦合的系统在对现有并网系统改装时存在接线复杂、模块设计冗余的问题；二是并离网切换的延时较长，用户用电体验较差；三是智能控制功能不够全面、控制的响应不够及时，较难实现全屋供电的微网应用。因此部分企业选用了交流耦合技术路线，如昱能。交流耦合系统使产品安装更为简便。昱能通过采用交流侧和光伏系统耦合的方式实现能量双向流动，省去了光伏直流总线的接入，使得产品安装更为简便；通过软件实时控制与硬件设计改进相结合的方式实现并离网的毫秒级切换；通过对储能逆变器的输出控制以及供电和配电系统的创新结合设计，实现了自动控制箱控制下全屋供电的微网应用。交流耦合产品最大转换效率略低于混合逆变器。锦浪、固德威也布局了交流耦合产品，主要针对存量改造市场。交流耦合产品最大转换效率为94-97%，与混合逆变器相比略低，主要是因为组件发电后要经过两次转换才能存储到电池中，降低了转换效率。
