現有光伏和太陽(yáng)能并網(wǎng)系統的電池后備電源選項

隨著(zhù)太陽(yáng)能系統在家庭和企業(yè)中的安裝和使用，分布式電源的理念已經(jīng)轉變?yōu)楝F實(shí)。而促使太陽(yáng)能產(chǎn)能顯著(zhù)增加的因素有很多，其中包括聯(lián)邦稅收優(yōu)惠政策、可再生能源激勵措施、廉價(jià)光伏(PV)太陽(yáng)能電池組件、能源成本的直接和預期增長(cháng)以及對能源獨立日益強烈的渴望。

幾乎所有的住宅區、社區和輕型商用光伏/太陽(yáng)能系統可分為以下三種類(lèi)型，其中第一種最常見(jiàn)：

● 并網(wǎng)型，能夠降低對設備依賴(lài)性并節約成本;

● 離網(wǎng)型，能夠在不連接到電網(wǎng)的情況下供電;

● 電網(wǎng)互動(dòng)型，即通常以電池組形式存在的連接型儲能系統，使用戶(hù)在享有離網(wǎng)獨立性帶來(lái)益處的同時(shí)還可獲得并網(wǎng)的益處。

電網(wǎng)互動(dòng)型系統尤其適用于以下情況：因各種原因導致電網(wǎng)出現故障、電網(wǎng)電力不足或出現問(wèn)題時(shí)，或使用可再生方式生成的儲存電能來(lái)“抵消”高昂的電網(wǎng)電力成本時(shí)。對電網(wǎng)穩定性甚至可用性的關(guān)注程度比以往任何時(shí)候都要多，甚至在發(fā)達國家也是如此。因為歷史性的暴風(fēng)雨、海嘯等其他足以改變人類(lèi)生活的突發(fā)性災害事件總是伴隨著(zhù)愈加常見(jiàn)的限電、停電及其他斷電狀況，導致全球民眾都在擔憂(yōu)電力供應能否滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的全球需求。

在某些地區，電網(wǎng)中接入了大量的可再生能源，而這些額外的“高峰需求”電力實(shí)際上會(huì )破壞依賴(lài)于較傳統且靈活性或“動(dòng)態(tài)性”較差電源的“負荷需求”電網(wǎng)的穩定性—因為一旦沒(méi)有日照或風(fēng)吹，光伏陣列和渦輪機就會(huì )有效關(guān)閉，而高峰電力的缺失反過(guò)來(lái)會(huì )對無(wú)法持續滿(mǎn)足需求的彈性相對較差的電網(wǎng)帶來(lái)更高的需求。

基于這樣或那樣的原因，存儲可再生電力的好處因其自身的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。儲能可以抵消高峰時(shí)段的用電量，在斷電和緊急情況下提供離網(wǎng)獨立性，有助于提高電網(wǎng)的穩定性，以確?？稍偕娏^續維持其在能源結構中重要而積極的地位。這就是為什么儲能系統在太陽(yáng)能產(chǎn)品中增長(cháng)最快的原因，也是為什么業(yè)內調查顯示，未來(lái)兩年，電池充電逆變器將使并網(wǎng)“串”逆變器黯然失色的原因(德國光伏雜志Photon International 2012)。

基本原理

迄今為止，最常見(jiàn)的光伏發(fā)電系統配置是在光伏組件陣列中增加一個(gè)并網(wǎng)(GT)逆變器。該逆變器可將直流電轉換成交流電，然后通過(guò)建筑物上的服務(wù)面板將電能輸送到電網(wǎng)中(見(jiàn)圖1)。電網(wǎng)的作用就如同電池，而電網(wǎng)上的可再生能源則用于集體消費，這反過(guò)來(lái)也減少了其他發(fā)電源的使用。電池電網(wǎng)(grid-as-a-battery)真的是一個(gè)絕妙的理念，只要存在一天，并網(wǎng)逆變器就要按照UL1741的安全性要求來(lái)確保電網(wǎng)的供電。如果電網(wǎng)電力無(wú)法維持并網(wǎng)逆變器的運行，則可用的光伏功率只能被閑置在屋頂，這樣，在電力中斷期間，使用光伏發(fā)電的家庭或企業(yè)可能會(huì )和其他人一樣也處于黑暗之中。

圖1：典型的并網(wǎng)逆變器設備連接。

電池(BB)逆變器系統無(wú)需電網(wǎng)即可運行，主要用于使用離網(wǎng)型系統的家庭、企業(yè)和工業(yè)設施，如手機廣播塔等。智能型“電網(wǎng)/混合”逆變技術(shù)采用電池離網(wǎng)技術(shù)，能夠使用光伏、風(fēng)能、水電等其他可再生直流電源為電池充電，并將多余的電能出售給電網(wǎng)，這一點(diǎn)與將電網(wǎng)用作電池的并網(wǎng)裝置一樣(見(jiàn)圖2)。

圖2：典型的電網(wǎng)/混合系統。

對于那些尚未安裝太陽(yáng)能系統但希望擁有備用電源的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，具有電池備份功能的電網(wǎng)/混合逆變器/充電器正是最佳之選。如果光伏可再生能源系統在停電期間可以一直供電直到電網(wǎng)恢復運行，那么就可以將太陽(yáng)能賣(mài)回給電網(wǎng)。

當電網(wǎng)出現故障、完全無(wú)法使用且斷電時(shí)間持續數天甚至數周時(shí)，你只會(huì )盯著(zhù)滿(mǎn)是光伏組件的屋頂感嘆，并無(wú)數次地抱怨為什么不從一開(kāi)始就購買(mǎi)一個(gè)電網(wǎng)/混合逆變器?而購買(mǎi)并網(wǎng)系統的用戶(hù)在購買(mǎi)時(shí)可能也還沒(méi)有意識到屋頂上沒(méi)有光伏電源所帶來(lái)的后果，當然也許他們認為這種事情永遠不會(huì )發(fā)生在自己身上。最后還有一點(diǎn)就是在一開(kāi)始他們可能不愿意在智能電網(wǎng)互動(dòng)型逆變器/充電器與電池上花費額外開(kāi)銷(xiāo)。

通過(guò)AC耦合添加儲能系統

擁有常見(jiàn)的并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)依賴(lài)型逆變器的用戶(hù)，可以使用AC耦合的方法來(lái)并網(wǎng)到電池備份逆變器系統。出于建筑物的臨界負荷考慮，AC耦合法通常需要添加一個(gè)負荷中心，該負荷中心由斷路器和電氣連接。這樣，并網(wǎng)逆變器和電池逆變器就可以在某一點(diǎn)進(jìn)行“耦合”，將其能量添加到負荷中。在電網(wǎng)供電的正常運行模式下，電能從光伏陣列流經(jīng)并網(wǎng)逆變器到臨界負荷面板，而多余的電能則流經(jīng)負荷面板到達電池逆變器，最后到達電網(wǎng)(見(jiàn)圖3)。

圖3：電網(wǎng)供電時(shí)的電流路徑。

電網(wǎng)斷電后，電池逆變器會(huì )激活內部轉換開(kāi)關(guān)，促使其打開(kāi)與電網(wǎng)的連接。這樣就可以阻止逆變器為電網(wǎng)上的其他家庭供電，同時(shí)還可切斷電源線(xiàn)的電量，保證施工人員不會(huì )觸電。電池逆變器還會(huì )為并網(wǎng)逆變器提供電源，使其保持聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，并將直流電轉換為交流電，用于臨界負荷(見(jiàn)圖4)。

圖4：電網(wǎng)斷電時(shí)的電流路徑。當太陽(yáng)落山后且光伏功率不再經(jīng)由并網(wǎng)逆變器流向負荷時(shí)，儲存在電池中的電力將開(kāi)始輸送給臨界負荷面板，直到第二天早晨(見(jiàn)圖5)。

圖5：光伏與電網(wǎng)均斷電時(shí)源于電池逆變器的電流路徑。

當第二天太陽(yáng)升起時(shí)，系統恢復到圖3所示的功率流，而額外的能量則用于給電池充電。如果沒(méi)有多余的能量可用，則有必要通過(guò)關(guān)閉臨界負荷面板連接的設備進(jìn)行手動(dòng)甩負荷操作(放棄較不重要的臨界負荷，優(yōu)先考慮照明和制冷設備等最重要的臨界負荷)，直至電池完成充電。如果所有臨界負荷都是絕對必要的且無(wú)法進(jìn)行甩負荷操作，則可以在備份系統中增加一臺發(fā)電機，如此既可為電池充電又可滿(mǎn)足臨界負荷的需求。

有人可能會(huì )問(wèn)：“為什么不直接使用發(fā)電機取代電池逆變器?”這可能是個(gè)可行的選擇，但在這樣做之前還需要考慮幾個(gè)重要的問(wèn)題：

1. 在建筑物所要求的電能負荷期間，發(fā)電機都要保持運行狀態(tài)，可能一天需要運行12小時(shí)~18小時(shí)。除了噪聲影響，許多低成本的發(fā)電機需要頻繁的維護，且在低功率輸出時(shí)效率低下。

2. 舉個(gè)例子，如果電池備份系統上的發(fā)電機一天運行幾個(gè)小時(shí)，那么較高效率意味著(zhù)以一天一次或一周一次的頻率加滿(mǎn)5加侖油箱的不同。每當極端天氣和其他突發(fā)事件發(fā)生后，我們總能在新聞?wù)掌鸵曨l中看到人們在加油站旁排起長(cháng)隊，而即便如此也并不總能夠保證汽油的順利供應。因為缺乏足夠的電網(wǎng)電力，很多加油站根本無(wú)法從儲油罐中抽吸出汽油!

3. 在電池逆變器系統中增加發(fā)電機供電功能后，電池會(huì )大大延長(cháng)發(fā)電機的運行時(shí)間—由于發(fā)電機無(wú)需全天候運行，因此相同的燃料所能維持的運行時(shí)間更長(cháng)。

典型的AC耦合解決方案

與所有解決方案一樣，細節決定成敗。將并網(wǎng)逆變器和電池逆變器結合起來(lái)的AC耦合并沒(méi)有什么不同，尤其適用于希望對所有應用采取“一刀切”解決方案的用戶(hù)?！耙坏肚小狈桨竿ǔ０ㄒ粋€(gè)或多個(gè)分流負荷，可能使用斷電繼電器或其他方法使并網(wǎng)逆變器下線(xiàn)，以防止對電池逆變器的電池充電過(guò)度。這就需要大量的前期設計，以確保系統中的所有設備可以處理所有可能發(fā)生的情況。

一些電池逆變器制造商會(huì )“抖動(dòng)”或改變?yōu)椴⒕W(wǎng)逆變器輸送電力的頻率，使其超出運行窗口的頻率范圍(59.5Hz~60.5Hz)，希望藉此簡(jiǎn)化AC耦合的實(shí)現過(guò)程。這樣，當電池充滿(mǎn)時(shí)，無(wú)需使用斷電繼電器即可有效地關(guān)閉電源，從而節約了繼電器的成本。然而，在許多情況下，如果發(fā)生頻率抖動(dòng)則不允許使用發(fā)電機，因為發(fā)電機的頻率并不是很穩定，導致并網(wǎng)逆變器無(wú)法與之保持同步。而即便能夠同步，在低負荷或無(wú)負荷條件下，也存在反向饋電的風(fēng)險，可能會(huì )損壞發(fā)電機。

還應當指出的是，“一刀切”的AC耦合解決方案確實(shí)需要分流負荷來(lái)轉移系統中多余的能量(光伏功率過(guò)大/蓄電池組儲能過(guò)小，都會(huì )為電池帶來(lái)危險的充電電平)。雖然可以使用這些能量來(lái)燒水或運行泵，但實(shí)際生活中往往沒(méi)有這樣的需求;此外，如果分流負荷無(wú)法再接納現有的能量，那么仍然需要關(guān)閉并網(wǎng)逆變器。除了操作上的復雜性，分流負荷的實(shí)現成本也比較高昂，需要安裝許多不良的侵入式裝置，因此，對于那些希望簡(jiǎn)化AC耦合系統并降低成本的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這一方案并非良策。所有相關(guān)的控制和連接硬件的花費以及昂貴的逆變器/充電器往往促使用戶(hù)使用低等級的電池和附件來(lái)節省儲能，最終會(huì )降低系統的整體性能和效用。

OutBack公司的AC耦合解決方案

另一種簡(jiǎn)單的方法是，粗略勾勒出一個(gè)簡(jiǎn)單的電池逆變器、蓄電池組和遙控繼電器的基本規格和操作指南，從而將這些裝置增加到現有的并網(wǎng)逆變器系統，這樣，在電網(wǎng)無(wú)法供電的時(shí)候，可以將建筑物的可用光伏功率輸送給臨界負荷。

接下來(lái)將討論OutBack公司先進(jìn)的機電解決方案，如果需要，可以選擇自動(dòng)發(fā)電機控制。不同于大多數頻率抖動(dòng)解決方案，O