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碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

“碳中和”背景下,大力发展清洁能源已经是大势所趋,光伏和风力发电在能源结构中的占比不断提升。IGBT作为能源变换与传输的核心器件,在新能源汽车、光伏、风电等领域应用极为广泛。

“碳中和”背景下,大力发展清洁能源已经是大势所趋,光伏和风力发电在能源结构中的占比不断提升。IGBT作为能源变换与传输的核心器件,在新能源汽车、光伏、风电等领域应用极为广泛。

在传统能源的消耗端,IGBT在工业领域的应用能够有效减少电力消耗,帮助实现节能减排。2021年,我国光伏发电市场蓬勃发展的同时,海外光伏芯片大厂因疫情交期延长,逆变器IGBT芯片供需矛盾凸显。未来随着国产替代进程的开启,IGBT需求及其国产化替代将迎来黄金发展期。

近期,开源证券电子团队发布行业深度报告《功率半导体专题系列二:风光发电及储能前景广阔,IGBT深度受益——行业深度报告》,为您深入分析“碳中和”背景下IGBT 等功率半导体器件的行业发展机会。

“碳中和”背景下,新能源发电和储能迎来发展良机

1、“碳中和”是全球共识,能源结构亟待改善

在气候恶化、全球变暖形势日益严峻的今天,“碳中和”已成为全球共识。要实现“碳中和”,采用新能源,改善能源结构是重要途径。目前全球能源结构中煤炭、石油、天然气等传统化石能源所占比例仍然较高,世界主要经济体都对发展清洁能源、新能源做出了规划和顶层设计。未来以光伏、风电为主的可再生能源将实现快速发展。据美国能源信息署(EIA),至2025年可再生能源在全球能源消耗中的占比将提升至28%,超越煤炭、天然气、石油及其他液体能源成为第一大能源。

全球能源消费结构中可再生能源占比有望持续提升

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

资料来源:EIA

据《中国能源革命进展报告(2020)》, 2019年,煤炭在我国一次能源消费总量中的占比约为57.7%,比2015年下降6个百分点;石油约占18.9%,较2015年略高0.6个百分点;天然气约占8.1%,提高2.2个百分点;非化石能源约占15.3%,提高3.2个百分点。风、光等非化石能源占比提升明显,且占比与全球平均水平基本持平。

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2019年全球能源结构中石油占比最高

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数据来源:《中国能源革命进展报告(2020)》、开源证券研究所

2019年我国能源结构中煤炭占比最高

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:《中国能源革命进展报告(2020)》、开源证券研究所

2、风、光发电占比提升助推储能发展

随着新能源发电在整体能源结构中的占比不断提升,发电侧的储能建设需求将实现快速增长。光伏、风电等新能源发电具有季节性、间歇性、波动性等不稳定因素,储能系统能对此进行平抑、消纳、平滑新能源发电的输出。

在实际应用中,光伏发电功率受阳光强度、角度影响,且阳光与气候、季节、区域强烈相关,甚至一日内的变化也极度明显,随机性强。风力发电则受风速影响大,自然风不是恒定的,导致风力发电输出的电能也具有间歇性的特点。此外,风力发电具有逆调峰特性,即风力发电功率大的时段是用电负荷低的时段,进一步增加的电网的调峰难度。

光伏发电功率随机性强

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资料来源:融通新能云

风力发电具有逆调峰特性

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资料来源:融通新能云

因此,将光伏、风电发电系统与蓄电池储能系统并网,可以合理安排蓄电池的充放电、光伏电池和风机的出力,从而达到最大限度延长并网供电时间的目的。

例如针对光伏发电弃光的问题,需要将白天发出的剩余电量进行储存以备晚上放电,实现可再生能源的能量时移,提高风、光资源的利用效率。而针对风电,由于风力的不可预测性,导致风电的出力波动较大,需要监控其运行负荷,将其出力进行平滑。

储能系统针对光伏、风电的间歇性实现能量时移

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资料来源:索比光伏网

因此国内各地方政府纷纷出台政策,对新建新能源发电项目做了配套储能建设的要求,以解决以上新能源发电并网占比提升带来的问题。

国内各省份对新建新能源发电项目做了配套储能建设的要求

数据来源:北极星储能网、开源证券研究所

此外,储能系统在输配电侧能够用于调峰调频,增加电网稳定性,在用户侧能够作为备用电源,亦能够削峰填谷实现电价套利,发展前景广阔。

储能在发电侧、电网侧及用户侧发挥作用

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资料来源:CIES

国内和全球的电化学储能累计装机量在过去几年快速增长,未来随着电池及变流器等核心部件成本降低以及新能源发电的储能配套装机要求提升,储能装机发展速度有望进一步提升。

全球电化学储能累计装机量快速增长

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资料来源:CNESA

国内电化学储能累计装机量快速增长

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资料来源:CNESA

逆变器/变流器市场大发展,IGBT深度受益

1、逆变器连接发电端与电网,IGBT是核心半导体器件

光伏逆变器作用是“直-交”逆变

光伏逆变器将光伏组件发电产生的直流电逆变成交流电,并入交流输电网(或接入家庭交流负载),而IGBT等功率器件是逆变器实现逆变功能的核心。

光伏逆变器将光伏组件产生的直流电逆变成交流电

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资料来源:chinaprecede

逆变器主要由半导体功率器件(和驱动)、控制电路两大部分组成。逆变器的工作原理是通过功率半导体器件的高频开关,把直流电能变换成交流电能。

逆变电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件(如IGBT、MOSFET等),由控制电路周期性地对功率器件发出开、关脉冲控制信号(如PWM脉宽调制信号),控制各个功率器件轮流导通和关断,再经过变压器藕合升压或降压后,整形滤波输出符合要求的正弦波交流电。

逆变器主要由控制电路和功率半导体器件组成

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资料来源:全球电气资源

直流电经由功率开关器件后整形输出成交流电

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资料来源:全球电气资源

以英飞凌的三相组串式逆变器方案为例,其电路可分为两部分。Boost电路部分采用SiC MOSFET或IGBT的单管/模组方案,将光伏面板发电产生的电能进行升压。之后的DC/AC逆变电路可根据情况选用SiC MOSFET或IGBT的单管/模组方案,将升压后的直流电逆变成为交流电输入电网或接入负载。

英飞凌三相组串式光伏逆变器使用功率器件

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资料来源:英飞凌

根据逆变器适用场合,可将光伏逆变器分为集中式逆变器、组串式逆变器以及微型逆变器。

集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端,一般用于大型光伏电站。集中式逆变器最大特点是系统的功率高,成本低,但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配,采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低的下降。

组串逆变器是基于模块化概念,每个光伏组串(1-5kW)通过一个逆变器,已成为现在国际市场上最流行的逆变器。其优点是不受组串间模块差异和遮影的影响,同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本,也增加了系统的可靠性。

微型逆变器的逆变系统中,每一块电池板分别接入一台微型逆变器,当电池板中有一块不能良好工作,则只有这一块都会受到影响。

集中式逆变器相较组串式逆变器连接更多光伏阵列

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资料来源:索比光伏网

不同功率段的光伏发电场景选取不同的逆变器。以英飞凌方案为例,1.5kW以下项目(家庭户用光伏发电系统)选用微型逆变器;1KW-6KW(如中小型屋顶光伏发电系统,小型地面电站)选用单相组串式逆变器;5KW-200KW选用三相组串式逆变器,600KW以上的项目(如大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型发电系统)选用集中式逆变器。

近年以来组串型逆变器的价格与集中式逆变器价格逐步拉进,并且凭借多路MPPT(最大功率点跟踪)实现更高的发电效率,开始在大型地面电站市场中跃升主流地位。组串型逆变器相比集中式逆变器亦能更精准的识别每个组串故障,精准运维,效率大幅提升。因此,未来组串式逆变器的渗透率有望进一步提升。

2020年低功率三相逆变器占据市场主要份额

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数据来源:IHS MARKIT、开源证券研究所

组串式逆变器在我国渗透率不断提升

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:CIIA、开源证券研究所

对应到IGBT的选型,通常微型逆变器、部分小功率的组串式逆变器采用IGBT单管、MOS分立器件作为功率开关;而大功率的组串式逆变器、集中式逆变器则采用额定功率更高的IGBT或SiC MOSFET模块产品。随着IGBT单管的设计和制造工艺水平不断提升,其所能承受的电流电压也愈来愈大。以往必须要IGBT模块才能胜任的一些高功率的工作场景,现在使用IGBT单管也能较好地运行。因此IGBT单管在光伏逆变器中的使用渗透率总体呈现上升趋势。

IGBT单管内封装单颗IGBT芯片

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资料来源:英飞凌

IGBT模块内封装多颗IGBT芯片

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

资料来源:systemplus consulting

风电变流器起“交-直-交”的整流和逆变作用

风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一,将风机发出的变化的电压和频率的电能,经过交直转换变为稳定电压和频率的电能馈入电网。

风电变流器起整流和逆变作用

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资料来源:英飞凌

风力发出来的电本身是交流电,但由于风力发电有很大的不稳定性,且风速和设备本身等都会直接影响发电机转动,因此需要通过风电变流器对电能进行整理:发电机产生的幅值频率不断变化的交流电,通过机侧变流器整流为直流电,经直流支撑电容稳压后输送至网侧变流器,控制系统通过PWM矢量控制技术将直流电转换为频率幅值稳定的交流电,馈入电网。风电变流器的整流和逆变过程亦是通过IGBT等功率器件的的高频开关来实现的。

风电变流器起“交-直-交”的整流和逆变作用

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资料来源:CDEIA

储能变流器起双向逆变作用

储能变流器(Power Conversion System—PCS)由DC-AC双向变流器、控制单元等构成。储能变流器的主要功能是系统根据监控指令进行恒功率或恒流控制,给电池充电或放电。

储能变流器相对光伏逆变器承担更多的作用,通过其传输的电能方向是双向的:储能变流器既参与光伏组件及公共电网对电池的充电过程(AC-DC),又参与电池对家用负载供电、对电网送电的电能调节过程(DC-AC)。

储能PCS在光伏-储能系统中起到电能双向流动的作用

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资料来源:TI

以户用光伏储能系统为例,在白天光照充足时,光伏面板发电量充足,可以供应家庭负载,同时也通过储能变流器向蓄电池充电,若仍有多余电量可进行并网售电。在光照不充足时,光伏面板和蓄电池同时给家庭负载供电。在夜晚谷电电价时间段,电网给电池补电。

储能变流器连接太阳能组件、电网、负载及电池

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资料来源:德业股份

2、新能源发电和储能市场蓬勃发展,IGBT未来空间广阔

展望未来, “碳中和”事业将持续推进,光伏/风电等可再生能源及配套电化学储能有望持续快速发展,将显著带动IGBT的市场需求。

我们基于以下核心假设,预计风电+光伏+储能新增装机市场对IGBT的需求规模将由2021年的86.7亿美元上升至2025年的182.5亿美元:

假设1:容配比为1.1;风电和光伏逆变器/变流器实际需求量是当年装机量的1.2倍;

假设2:2025年风电和光伏全球新增装机量分别为200/300GW;

假设3:2021年全球光伏和风电的储能配套装机比例为6%,至2025年上升至27%;

假设4:2020年储能变流器单位成本是光伏逆变器的2.5倍,至2025年降至2倍。

光伏、风电及储能对IGBT的需求量有望不断增加

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数据来源:国家能源局、北极星太阳能光伏网、开源证券研究所

我国光伏逆变器已全球领先,导入国产IGBT势在必行

1、新能源领域国产IGBT渗透率低,多因素助推有望开启国产替代

光伏需求旺盛,海外芯片供应紧张,助推国产替代。IGBT器件的性能直接影响新能源发电的效率,因此客户对功率半导体的价格敏感度较低,而对其性能和可靠性要求较高。过去我国逆变器企业在器件选用过程中往往偏好性能更为卓越、稳定性更好的海外IGBT产品。

2021年,光伏发电市场蓬勃发展,2021前三季度我国光伏新增装机量合计25.56GW,同比实现快速增长。光伏逆变器中的核心器件IGBT需求持续旺盛,然而受疫情等因素影响,海外光伏芯片大厂交期延长,逆变器IGBT芯片供需矛盾凸显,因此我国光伏逆变器企业加快了对国产IGBT器件的验证和导入工作。此外在中美贸易摩擦等地缘政治事件影响下,部分逆变器企业建立国产供应链体系的迫切性日益凸显,正加速引入国产核心器件供应商。

2021前三季度我国光伏新增装机量同比快速增长

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:国家能源局、开源证券研究所

分布式光伏大力推进,IGBT单管需求旺盛。结构上来看,2021年我国分布式光伏推进十分迅速,2021年前三季度装机量占比达64.19%。分布式光伏逆变器功率较小,主要采用IGBT单管方案。因此在快速增长的需求下,IGBT单管相较IGBT模块更为紧缺,国产替代的迫切性更高。技术上来说,IGBT单管的封装难度较IGBT模块更低,厂商更容易把握单管产品的性能指标和产品稳定性、一致性。因此,我国功率半导体企业总体将先通过IGBT单管供应实现光伏IGBT替代的突破。

2021年9月,国家能源局发布整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点名单,全国31个省市自治区共报送试点676个。国家政策对光伏发电整县推进的支持,也将持续带动光伏IGBT单管的用量。海外功率大厂扩产总体谨慎,在无法保障供应的情况下,光伏IGBT国产替代势在必行。

2021年分布式光伏装机比例大幅上升

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:国家能源局、开源证券研究所

光伏去补贴,全产业链有降本需求,国产器件有望凭借性价比优势持续渗透。2021年是我国光伏行业正式开启实行平价上网的第一年,新备案集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目和新核准陆上风电等新建项目不再享受财政补贴,未来光伏产业将摆脱依赖政府补贴的状况。光伏全产业链将面临更加市场化的竞争,各个环节具有更迫切的降成本要求。IGBT等功率半导体占光伏逆变器的成本可达15-20%,逆变器企业采用更具性价比的国产IGBT器件将有效实现降本。

我国光伏发电标杆电价不断下降

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数据来源:国际太阳能光伏网、开源证券研究所

2、光伏逆变器国产厂商实力雄厚,为国产IGBT持续导入提供土壤

我国光伏产业在政府的补贴支持下取得蓬勃发展,新增装机量不断提升。目前我国已经建立了完善的光伏产业链,在硅料、硅片、组件、逆变器、整机等产业链的各个环节涌现出一批领军企业。

我国具备完善的光伏产业链

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资料来源:各公司官网

我国企业在逆变器环节实力雄厚,全球市场占有率领先,为国产IGBT等器件的导入提供了深厚的土壤。2020年全球前十大光伏逆变器厂商中,我国企业占据6家。其中华为和阳光电源分别占有全球23%和19%的市占率。因此,国产IGBT企业相较海外企业,更有希望凭借本土供应优势,实现与逆变器客户的密切对接和持续服务,逐步提升渗透率,最终有望占据全球光伏逆变器IGBT市场的多数份额。

我国新增光伏装机量在2020年明显提升

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数据来源:国家能源局、开源证券研究所

2020年我国光伏逆变器企业市占率高

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:伍德麦肯兹、开源证券研究所

我国风电变流器和储能变流器的国产化程度仍然较低,随着国内厂商的不断研发投入,未来有望实现快速发展,为导入国产IGBT产品创造更优越的产业链条件。

储能变流器与光伏逆变器的技术总体同源,国内光伏逆变器企业在储能变流器市场具有绝佳的发展机会。对于国产IGBT供应商来说,亦有希望借助国内逆变器厂商导入储能市场。

2020年装机量排名靠前的储能变流器企业大部分为光伏逆变器企业

碳中和+国产替代,IGBT前景广阔

数据来源:CNESA、开源证券研究所

受益标的

受益公司盈利预测与估值

数据来源:Wind、开源证券研究所

来源:金融界

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作者: 杆子新闻

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