現(xiàn)有光伏和太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)的電池后備電源選項

隨著太陽能系統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實。而促使太陽能產(chǎn)能顯著增加的因素有很多，其中包括聯(lián)邦稅收優(yōu)惠政策、可再生能源激勵措施、廉價光伏(PV)太陽能電池組件、能源成本的直接和預(yù)期增長以及對能源獨立日益強烈的渴望。

幾乎所有的住宅區(qū)、社區(qū)和輕型商用光伏/太陽能系統(tǒng)可分為以下三種類型，其中第一種最常見：

● 并網(wǎng)型，能夠降低對設(shè)備依賴性并節(jié)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)互動型，即通常以電池組形式存在的連接型儲能系統(tǒng)，使用戶在享有離網(wǎng)獨立性帶來益處的同時還可獲得并網(wǎng)的益處。

電網(wǎng)互動型系統(tǒng)尤其適用于以下情況：因各種原因?qū)е码娋W(wǎng)出現(xiàn)故障、電網(wǎng)電力不足或出現(xiàn)問題時，或使用可再生方式生成的儲存電能來“抵消”高昂的電網(wǎng)電力成本時。對電網(wǎng)穩(wěn)定性甚至可用性的關(guān)注程度比以往任何時候都要多，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?nèi)祟惿畹耐话l(fā)性災(zāi)害事件總是伴隨著愈加常見的限電、停電及其他斷電狀況，導(dǎo)致全球民眾都在擔(dān)憂電力供應(yīng)能否滿足不斷增長的全球需求。

在某些地區(qū)，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”電力實際上會破壞依賴于較傳統(tǒng)且靈活性或“動態(tài)性”較差電源的“負荷需求”電網(wǎng)的穩(wěn)定性—因為一旦沒有日照或風(fēng)吹，光伏陣列和渦輪機就會有效關(guān)閉，而高峰電力的缺失反過來會對無法持續(xù)滿足需求的彈性相對較差的電網(wǎng)帶來更高的需求。

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。儲能可以抵消高峰時段的用電量，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(wěn)定性，以確保可再生電力繼續(xù)維持其在能源結(jié)構(gòu)中重要而積極的地位。這就是為什么儲能系統(tǒng)在太陽能產(chǎn)品中增長最快的原因，也是為什么業(yè)內(nèi)調(diào)查顯示，未來兩年，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，最常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)配置是在光伏組件陣列中增加一個并網(wǎng)(GT)逆變器。該逆變器可將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后通過建筑物上的服務(wù)面板將電能輸送到電網(wǎng)中(見圖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，這反過來也減少了其他發(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的安全性要求來確保電網(wǎng)的供電。如果電網(wǎng)電力無法維持并網(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(shè)備連接。

電池(BB)逆變器系統(tǒng)無需電網(wǎng)即可運行，主要用于使用離網(wǎng)型系統(tǒng)的家庭、企業(yè)和工業(yè)設(shè)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)，這一點與將電網(wǎng)用作電池的并網(wǎng)裝置一樣(見圖2)。

圖2：典型的電網(wǎng)/混合系統(tǒng)。

對于那些尚未安裝太陽能系統(tǒng)但希望擁有備用電源的用戶來說，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(tǒng)在停電期間可以一直供電直到電網(wǎng)恢復(fù)運行，那么就可以將太陽能賣回給電網(wǎng)。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障、完全無法使用且斷電時間持續(xù)數(shù)天甚至數(shù)周時，你只會盯著滿是光伏組件的屋頂感嘆，并無數(shù)次地抱怨為什么不從一開始就購買一個電網(wǎng)/混合逆變器?而購買并網(wǎng)系統(tǒng)的用戶在購買時可能也還沒有意識到屋頂上沒有光伏電源所帶來的后果，當(dāng)然也許他們認為這種事情永遠不會發(fā)生在自己身上。最后還有一點就是在一開始他們可能不愿意在智能電網(wǎng)互動型逆變器/充電器與電池上花費額外開銷。

通過AC耦合添加儲能系統(tǒng)

擁有常見的并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)依賴型逆變器的用戶，可以使用AC耦合的方法來并網(wǎng)到電池備份逆變器系統(tǒng)。出于建筑物的臨界負荷考慮，AC耦合法通常需要添加一個負荷中心，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進行“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)(見圖3)。

圖3：電網(wǎng)供電時的電流路徑。

電網(wǎng)斷電后，電池逆變器會激活內(nèi)部轉(zhuǎn)換開關(guān)，促使其打開與電網(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，同時還可切斷電源線的電量，保證施工人員不會觸電。電池逆變器還會為并網(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(zhuǎn)換為交流電，用于臨界負荷(見圖4)。

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

圖5：光伏與電網(wǎng)均斷電時源于電池逆變器的電流路徑。

當(dāng)?shù)诙焯柹饡r，系統(tǒng)恢復(fù)到圖3所示的功率流，而額外的能量則用于給電池充電。如果沒有多余的能量可用，則有必要通過關(guān)閉臨界負荷面板連接的設(shè)備進行手動甩負荷操作(放棄較不重要的臨界負荷，優(yōu)先考慮照明和制冷設(shè)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法進行甩負荷操作，則可以在備份系統(tǒng)中增加一臺發(fā)電機，如此既可為電池充電又可滿足臨界負荷的需求。

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

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~18小時。除了噪聲影響，許多低成本的發(fā)電機需要頻繁的維護，且在低功率輸出時效率低下。

2. 舉個例子，如果電池備份系統(tǒng)上的發(fā)電機一天運行幾個小時，那么較高效率意味著以一天一次或一周一次的頻率加滿5加侖油箱的不同。每當(dāng)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隊，而即便如此也并不總能夠保證汽油的順利供應(yīng)。因為缺乏足夠的電網(wǎng)電力，很多加油站根本無法從儲油罐中抽吸出汽油!

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

典型的AC耦合解決方案

與所有解決方案一樣，細節(jié)決定成敗。將并網(wǎng)逆變器和電池逆變器結(jié)合起來的AC耦合并沒有什么不同，尤其適用于希望對所有應(yīng)用采取“一刀切”解決方案的用戶?！耙坏肚小狈桨竿ǔ０ㄒ粋€或多個分流負荷，可能使用斷電繼電器或其他方法使并網(wǎng)逆變器下線，以防止對電池逆變器的電池充電過度。這就需要大量的前期設(shè)計，以確保系統(tǒng)中的所有設(shè)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“抖動”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)，希望藉此簡化AC耦合的實現(xiàn)過程。這樣，當(dāng)電池充滿時，無需使用斷電繼電器即可有效地關(guān)閉電源，從而節(jié)約了繼電器的成本。然而，在許多情況下，如果發(fā)生頻率抖動則不允許使用發(fā)電機，因為發(fā)電機的頻率并不是很穩(wěn)定，導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器無法與之保持同步。而即便能夠同步，在低負荷或無負荷條件下，也存在反向饋電的風(fēng)險，可能會損壞發(fā)電機。

還應(yīng)當(dāng)指出的是，“一刀切”的AC耦合解決方案確實需要分流負荷來轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中多余的能量(光伏功率過大/蓄電池組儲能過小，都會為電池帶來危險的充電電平)。雖然可以使用這些能量來燒水或運行泵，但實際生活中往往沒有這樣的需求;此外，如果分流負荷無法再接納現(xiàn)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(fù)雜性，分流負荷的實現(xiàn)成本也比較高昂，需要安裝許多不良的侵入式裝置，因此，對于那些希望簡化AC耦合系統(tǒng)并降低成本的用戶來說，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使用低等級的電池和附件來節(jié)省儲能，最終會降低系統(tǒng)的整體性能和效用。

OutBack公司的AC耦合解決方案

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

接下來將討論OutBack公司先進的機電解決方案，如果需要，可以選擇自動發(fā)電機控制。不同于大多數(shù)頻率抖動解決方案，O