现有光伏和太阳能并网系统的电池后备电源选项
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随着太阳能系统在家庭和企业中的安装和使用，分布式电源的理念已经转变为现实。而促使太阳能产能显著增加的因素有很多，其中包括联邦税收优惠政策、可再生能源激励措施、廉价光伏(PV)太阳能电池组件、能源成本的直接和预期增长以及对能源独立日益强烈的渴望。 几乎所有的住宅区、社区和轻型商用光伏/太阳能系统可分为以下三种类型，其中第一种最常见： ● 并网型，能够降低对设备依赖性并节约成本; ● 离网型，能够在不连接到电网的情况下供电; ● 电网互动型，即通常以电池组形式存在的连接型储能系统，使用户在享有离网独立性带来益处的同时还可获得并网的益处。 电网互动型系统尤其适用于以下情况：因各种原因导致电网出现故障、电网电力不足或出现问题时，或使用可再生方式生成的储存电能来“抵消”高昂的电网电力成本时。对电网稳定性甚至可用性的关注程度比以往任何时候都要多，甚至在发达国家也是如此。因为历史性的暴风雨、海啸等其他足以改变人类生活的突发性灾害事件总是伴随着愈加常见的限电、停电及其他断电状况，导致全球民众都在担忧电力供应能否满足不断增长的全球需求。 在某些地区，电网中接入了大量的可再生能源，而这些额外的“高峰需求”电力实际上会破坏依赖于较传统且灵活性或“动态性”较差电源的“负荷需求”电网的稳定性—因为一旦没有日照或风吹，光伏阵列和涡轮机就会有效关闭，而高峰电力的缺失反过来会对无法持续满足需求的弹性相对较差的电网带来更高的需求。 基于这样或那样的原因，存储可再生电力的好处因其自身的优势显而易见。储能可以抵消高峰时段的用电量，在断电和紧急情况下提供离网独立性，有助于提高电网的稳定性，以确保可再生电力继续维持其在能源结构中重要而积极的地位。这就是为什么储能系统在太阳能产品中增长最快的原因，也是为什么业内调查显示，未来两年，电池充电逆变器将使并网“串”逆变器黯然失色的原因(德国光伏杂志Photon International 2012)。 基本原理 迄今为止，最常见的光伏发电系统配置是在光伏组件阵列中增加一个并网(GT)逆变器。该逆变器可将直流电转换成交流电，然后通过建筑物上的服务面板将电能输送到电网中(见图1)。电网的作用就如同电池，而电网上的可再生能源则用于集体消费，这反过来也减少了其他发电源的使用。电池电网(grid-as-a-battery)真的是一个绝妙的理念，只要存在一天，并网逆变器就要按照UL1741的安全性要求来确保电网的供电。如果电网电力无法维持并网逆变器的运行，则可用的光伏功率只能被闲置在屋顶，这样，在电力中断期间，使用光伏发电的家庭或企业可能会和其他人一样也处于黑暗之中。
图1：典型的并网逆变器设备连接。 电池(BB)逆变器系统无需电网即可运行，主要用于使用离网型系统的家庭、企业和工业设施，如手机广播塔等。智能型“电网/混合”逆变技术采用电池离网技术，能够使用光伏、风能、水电等其他可再生直流电源为电池充电，并将多余的电能出售给电网，这一点与将电网用作电池的并网装置一样(见图2)。
图2：典型的电网/混合系统。 对于那些尚未安装太阳能系统但希望拥有备用电源的用户来说，具有电池备份功能的电网/混合逆变器/充电器正是最佳之选。如果光伏可再生能源系统在停电期间可以一直供电直到电网恢复运行，那么就可以将太阳能卖回给电网。 当电网出现故障、完全无法使用且断电时间持续数天甚至数周时，你只会盯着满是光伏组件的屋顶感叹，并无数次地抱怨为什么不从一开始就购买一个电网/混合逆变器?而购买并网系统的用户在购买时可能也还没有意识到屋顶上没有光伏电源所带来的后果，当然也许他们认为这种事情永远不会发生在自己身上。最后还有一点就是在一开始他们可能不愿意在智能电网互动型逆变器/充电器与电池上花费额外开销。 通过AC耦合添加储能系统 拥有常见的并网逆变器和电网依赖型逆变器的用户，可以使用AC耦合的方法来并网到电池备份逆变器系统。出于建筑物的临界负荷考虑，AC耦合法通常需要添加一个负荷中心，该负荷中心由断路器和电气连接。这样，并网逆变器和电池逆变器就可以在某一点进行“耦合”，将其能量添加到负荷中。在电网供电的正常运行模式下，电能从光伏阵列流经并网逆变器到临界负荷面板，而多余的电能则流经负荷面板到达电池逆变器，最后到达电网(见图3)。
图3：电网供电时的电流路径。 电网断电后，电池逆变器会激活内部转换开关，促使其打开与电网的连接。这样就可以阻止逆变器为电网上的其他家庭供电，同时还可切断电源线的电量，保证施工人员不会触电。电池逆变器还会为并网逆变器提供电源，使其保持联网状态，并将直流电转换为交流电，用于临界负荷(见图4)。
图4：电网断电时的电流路径。 当太阳落山后且光伏功率不再经由并网逆变器流向负荷时，储存在电池中的电力将开始输送给临界负荷面板，直到第二天早晨(见图5)。
图5：光伏与电网均断电时源于电池逆变器的电流路径。 当第二天太阳升起时，系统恢复到图3所示的功率流，而额外的能量则用于给电池充电。如果没有多余的能量可用，则有必要通过关闭临界负荷面板连接的设备进行手动甩负荷操作(放弃较不重要的临界负荷，优先考虑照明和制冷设备等最重要的临界负荷)，直至电池完成充电。如果所有临界负荷都是绝对必要的且无法进行甩负荷操作，则可以在备份系统中增加一台发电机，如此既可为电池充电又可满足临界负荷的需求。 有人可能会问：“为什么不直接使用发电机取代电池逆变器?”这可能是个可行的选择，但在这样做之前还需要考虑几个重要的问题： 1. 在建筑物所要求的电能负荷期间，发电机都要保持运行状态，可能一天需要运行12小时~18小时。除了噪声影响，许多低成本的发电机需要频繁的维护，且在低功率输出时效率低下。 2. 举个例子，如果电池备份系统上的发电机一天运行几个小时，那么较高效率意味着以一天一次或一周一次的频率加满5加仑油箱的不同。每当极端天气和其他突发事件发生后，我们总能在新闻照片和视频中看到人们在加油站旁排起长队，而即便如此也并不总能够保证汽油的顺利供应。因为缺乏足够的电网电力，很多加油站根本无法从储油罐中抽吸出汽油! 3. 在电池逆变器系统中增加发电机供电功能后，电池会大大延长发电机的运行时间—由于发电机无需全天候运行，因此相同的燃料所能维持的运行时间更长。 典型的AC耦合解决方案 与所有解决方案一样，细节决定成败。将并网逆变器和电池逆变器结合起来的AC耦合并没有什么不同，尤其适用于希望对所有应用采取“一刀切”解决方案的用户。“一刀切”方案通常包括一个或多个分流负荷，可能使用断电继电器或其他方法使并网逆变器下线，以防止对电池逆变器的电池充电过度。这就需要大量的前期设计，以确保系统中的所有设备可以处理所有可能发生的情况。 一些电池逆变器制造商会“抖动”或改变为并网逆变器输送电力的频率，使其超出运行窗口的频率范围(59.5Hz~60.5Hz)，希望藉此简化AC耦合的实现过程。这样，当电池充满时，无需使用断电继电器即可有效地关闭电源，从而节约了继电器的成本。然而，在许多情况下，如果发生频率抖动则不允许使用发电机，因为发电机的频率并不是很稳定，导致并网逆变器无法与之保持同步。而即便能够同步，在低负荷或无负荷条件下，也存在反向馈电的风险，可能会损坏发电机。 |
