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。因為歷史性的暴風雨、海嘯等其他足以改變?nèi)祟惿畹耐话l(fā)性災害事件總是伴隨著愈加常見的限電、停電及其他斷電狀況，導致全球民眾都在擔憂電力供應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吹，光伏陣列和渦輪機就會有效關閉，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?？稍偕娏^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photonInternational2012)。

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)恢復運行，那么就可以將太陽能賣回給電網(wǎng)。

當電網(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，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?shù)诙焯柹饡r，系統(tǒng)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。如果沒有多余的能量可用，則有必要通過關閉臨界負荷面板連接的設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。每當極端天氣和其他突發(fā)事件發(fā)生后，我們總能在新聞照片和視頻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。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計，以確保系統(tǒng)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“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，當電池充滿時，無需使用斷電繼電器即可有效地關閉電源，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險，可能會損壞發(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，那么仍然需要關閉并網(wǎng)逆變器。除了操作上的復雜性，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，OutBack公司的控制電路由該公司生產(chǎn)的兩個逆變器輔助(AUX)端口和兩個繼電器組成。這種更清新、更緊湊的組件設計在電池充滿電時可對并網(wǎng)逆變器進行安全鎖定;此外，當系統(tǒng)中有發(fā)電機啟動并運行時，還可使并網(wǎng)逆變器保持鎖定狀態(tài)。結(jié)合更先進、更智能的逆變器/充電器，如具有雙AC輸入和先進發(fā)電機功能的OutBack弧度系列，該系統(tǒng)可以在較低的實際成本內(nèi)實現(xiàn)更高的性能。

OutBackGSLC175-AC-120/240AC耦合解決方案的顯著特征包括：

●UL-1741端到端特性—與OutBack電池架一起使用時，由于整個系統(tǒng)是專門針對這一應用而設計，因此可以確保完全兼容。

●分相設計—無需昂貴、低效的變壓器便可更容易地集成到標準的室內(nèi)電路中。

●動態(tài)穩(wěn)定性—輸出更加穩(wěn)定，因此可以在負荷高峰期或變化期為系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器提供清晰的信號，確保其持續(xù)以線上狀態(tài)發(fā)電。

●通用設計—可與其他品牌和型號的并網(wǎng)逆變器配合使用。

需要考慮的因素包括電網(wǎng)的不穩(wěn)定性、極端天氣和地震等，同時，地理和季節(jié)缺陷也會影響到最重要臨界負荷的選擇。以下提供了一些關于如何選擇系統(tǒng)尺寸以及如何與兩種不同類型逆變器系統(tǒng)進行交互的指南。

指南一

每日臨界負荷瓦時不應超過可從電池組獲得所有瓦時的80%。離網(wǎng)系統(tǒng)通常每天會將電池放電50%以上，從而延長電池的壽命。然而，這種情況是基于每年僅有幾天或一到兩周使用備用系統(tǒng)的假設，在這種情況下，放電深度達80%的電池的壽命才不會低于其正常壽命。根據(jù)Outback的能量電池壽命檢測結(jié)果顯示，密封的AGM電池放電深度為80%時，電池可使用高達600次，也就是說當使用后備電源提供一天所需能量時，可使用600天。

電池充電和放電的速度均會影響電池的整體容量。電池充電或放電的速度越慢，電池容量越大。表1展示了一至六組電池的典型容量?？梢允褂眠@些數(shù)據(jù)的80%來估測24小時內(nèi)負荷所需的電能。表2中的12小時放電率也會反映出這一點。

在電網(wǎng)供電的正常運行條件下，Outback的電池逆變器/充電器會將電池保持在浮動充電狀態(tài)，在該狀態(tài)下，電池將保持低充電率，從而補充電池內(nèi)部因自放電而流失的能量。然而，在電網(wǎng)無法供電的情況下，逆變器不再控制流入電池的充電電流。電池逆變器處于“轉(zhuǎn)換”模式，并為并網(wǎng)逆變器提供交流電流，使并網(wǎng)逆變器保持在線狀態(tài)并為臨界負荷供電。負荷不需要的剩余能量將會以不規(guī)則充電的方式通過電池逆變器的雙向H橋電路回流至電池中。在多數(shù)情況下，光伏陣列產(chǎn)生的電能會通過并網(wǎng)逆變器輸送給負荷并對電池進行不規(guī)則充電。如果系統(tǒng)尺寸正好合適，電池組的不規(guī)則充電率不會超過最大充電率。但是，在所有或幾乎所有臨界負荷都關閉的最糟糕情況下，并網(wǎng)逆變器中流出的電流不應超過電池組的最大充電率。Outback的遙控斷路器(ROCB)可在檢測到電池已充滿時輕松地使并網(wǎng)逆變器下線。

表2給出了每組電池能提供的最大光伏功率以確保充電率不超過最大值，同時給出了在指定24小時內(nèi)電池的相關可用電能。依據(jù)陣列獲得的太陽輻射及負荷所需的能量，系統(tǒng)應選擇能夠使其保持平衡的尺寸。用光伏電能和負荷需求之間的關系無法預測，在晴天時，即使關掉并網(wǎng)逆變器，只要有陽光，電池組也可能很快會被充滿，這樣就可以避免電池組過度充電的現(xiàn)象出現(xiàn)。在陰天時，單純依靠光伏陣列可能無法充滿電池，因此需要一個發(fā)電機來完成對電池的充電。如果系統(tǒng)中沒有發(fā)電機，則需要對負荷做一些取舍，看看哪些是可以留下來繼續(xù)使用的，哪些可以在晴朗天氣到來前暫時放棄或屏蔽的。

光伏功率一欄給出的是可通過逆變器發(fā)回給電池充電的最大功率值。在測算該值時，應假定陣列和并網(wǎng)逆變器中存在流失的電量。

負荷需求(kWh)需匹配表2中的一個值，從而匹配實際的光伏陣列尺寸及被轉(zhuǎn)移至臨界負荷面板的負荷。表3給出的典型負荷配置文件可用于估算一些典型的臨界負荷。注意，冰箱每小時有十五分鐘在進行制冷循環(huán)。

所以，如果將每日12.4kWh的用電量與電池容量表對比，可以發(fā)現(xiàn)一組電池不夠用，而兩組電池雖然足夠用，但陣列大小必須在4kW或以下。如果陣列大小為6kW，則需要三組電池，且電池組的尺寸必須大到足以應對最糟糕情況下出現(xiàn)的最大不規(guī)則充電率。分流負載解決方案將被作為備選方案。然而，在綜合考慮成本、分流負荷的復雜度和侵襲性以及分流負荷保護和控制時，減掉一組電池實際上起不到什么作用。

指南二

OutBack逆變器的額定功率應為并網(wǎng)逆變器額定功率的1.25%。在負荷需求降到0且所有可用的并網(wǎng)逆變器電能均輸入到OutBack逆變器的情況下，本指南可確保并網(wǎng)逆變器不會使OutBack逆變器的充電電路失效。盡管這種情況公認不太可能發(fā)生，但出于安全和保護設備的考慮，最好遵循本指南。例如，額定功率為8kW的Radian逆變器可能會對功率不大于6kW的并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生影響。

指南三

本指南可確保日常負荷需求或電池充電量均不超過從光伏陣列所得的電量，或可在后備系統(tǒng)中任選添加一個發(fā)電機。當可得光伏電量超過負荷需求的場景，當電池充滿時，需要使用一個OutBack遙控斷路器將并網(wǎng)逆變器斷開。而實際上，后備系統(tǒng)生產(chǎn)出多于負荷和電池充電需求的光伏電量是不太可能的。臨界負荷基本很少全部關閉，而且在很多情況下，尤其是在陰天時，需要補充電量來滿足負荷和電池充電需求。

北美大部分地方平均每天有3小時~5小時的日照時間，也就是說，盡管每日發(fā)電量因為這樣或那樣的原因會有大量流失，但是使用6kW電池陣列每天仍可獲取18kWh~30kWh的光伏電量。但是，有時光伏產(chǎn)量會達到或超過光伏組件標注電量，所以為了實現(xiàn)評估目的，將18kWh~30kWh視為正常電量，以確定陽光明媚的天氣中能夠獲得的電量。

假設上述例子中所有負荷均同時打開，平均每小時會通過并網(wǎng)逆變器的光伏陣列獲取1.4kW的電量。如果光伏陣列生產(chǎn)的電量達到其標注值，則會遺留4.6kW電量用于電池充電。如果使用3組電池組且放電深度為80%，需要4.2小時(19.5kWh÷4.6kW=4.2hrs)完成電池充電，同時還可提供1.4kW電能滿足負荷所需。當電池充滿，并網(wǎng)逆變器關閉時，在電池放電深度達到80%之前，負荷需求可以支撐14小時左右—大概從太陽落山持續(xù)至睡前，同時電池殘余電量還可用于第二天早上為并網(wǎng)逆變器供電，這樣一來，并網(wǎng)逆變器就可以從光伏陣列中傳遞電量，再一次啟動這一循環(huán)。

但是，在陰天時或當冬季日照時間低于平均水平時，需要使用一臺發(fā)電機來確保任何時候都有充足的后備電量。一個5kW的發(fā)電機能夠花5.4小時的時間充滿電池組使其再運行14小時，同時還可預留1.4kW電量滿足負荷所需(19.5kWh÷(5kW-1.4kW)=5.4hrs)。如前所述，相比低負荷情況下運行的發(fā)電機，最大輸出達到85%~95%的發(fā)電機每小時燃料損耗會大幅增加。因此，在電池備份逆變器系統(tǒng)中使用發(fā)電機不但可以獲得高燃油效率，還可以解決噪聲和燃料短缺問題，同時具有維護周期長的特點。下文會對OutBackGSLC175-AC-120/240交流耦合解決方案進行詳細描述(包括一些圖紙)，下面列出的是交流耦合解決方案中所需的交流耦合組件以及OutBack預連線交流耦合Radian負荷中心。

●50ADpST遙控斷路器(ROCB;在負荷中心中占用三個CB空間);

●Obr-16-DIN(12VDCOutBack繼電器);

●Obr-XX-DIN(48VDCOutBack繼電器);

●DIN導軌硬件。

ROCB和兩個OutBack繼電器及兩個AUX端口均已預連線。并網(wǎng)逆變器的L1和L2導體或其AC斷線開關均位于與ROCB連接的雙極斷路器的開口端。如果安裝了發(fā)電機，則雙線式啟動線會被連接至48V并網(wǎng)閉鎖/Gen啟動繼電器，同時發(fā)電機的L1和L2與Gen輸入總線相連，接地線和中性線與相應的總線相連。其它電網(wǎng)輸入、逆變器輸出和直流電池連接均如其他Radian負荷中心應用一樣。

使用ROCB而不用固態(tài)繼電器的優(yōu)勢包括：當系統(tǒng)因某些原因發(fā)生故障時，可手動斷開并網(wǎng)逆變器。手動斷開方式可以使用旁路連接，這樣一來，當電池逆變器因為某些原因必須使用旁路連接時，電網(wǎng)中同樣可以使用并網(wǎng)逆變器。使用固態(tài)繼電器是無法達到這種效果的，此外，固態(tài)繼電器還需要使用可提供頻移方案的外部硬件。綜上所述，ROCB是交流耦合實現(xiàn)的更簡單且更劃算的選擇。

除了ROCB和繼電器設備，MATE3用戶界面還增加了交流耦合功能。該功能在現(xiàn)有的主動充電模式下使用溫度補償充電設定值，當電池電壓比正常電池電壓多0.4VDC時，會斷開并網(wǎng)逆變器，起到保護電池的作用;而當電池電壓比現(xiàn)有溫度補償充電設定值低0.4VDC時，會重連并網(wǎng)逆變器;如果并網(wǎng)逆變器能夠提供大量剩余電量，則ROCB會以高達六分鐘的頻率運行。手動打開更多連接至臨界負荷面板的負荷或使用分流負荷可以縮短運行周期，同時不會對ROCB造成影響，因為斷路器和ROCB電機壽命超過10,000次。如果系統(tǒng)尺寸合適且臨界負荷都處于運行中，則頻繁的循環(huán)不會產(chǎn)生太大的影響而且不會損壞任何OutBack設備。

交流耦合MATE3功能還有其他一些智能特性：當用戶手動關閉了應處于打開狀態(tài)的ROCB時，該功能會每隔15s對電池最高設定值進行檢查并重新打開ROCB以確保不會因使用者的操作不當而導致電池滿溢;另一個特性是當ROCB處于打開狀態(tài)時，MATE3功能會檢查處于活動狀態(tài)的電網(wǎng)，這樣，如果電網(wǎng)電力供應在ROCB處于打開狀態(tài)時恢復，MATE3功能就會重新關閉ROCB并允許并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)連接。GSLC175-AC-120/240交流耦合負荷中心提供一份《快速入門指南》，其中包括控制電路和MATE3逆變器設置的詳細參數(shù)表格。

從整體來看，OutBack提供的交流耦合解決方案有很大的優(yōu)勢：容易調(diào)整尺寸、易安裝、無需額外硬件且造價低廉。如果系統(tǒng)中使用發(fā)電機，該解決方案會提供智能溫度補償控制和反饋保護功能。相較于依靠頻率抖動的“一刀切”交流耦合解決方案，OutBack方案不僅更簡單、更劃算，而且還更安全、更穩(wěn)定，同時還能為已有高達6kW的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)提供電池后備電量，使所有光伏電能不必遺留至災難性事故發(fā)生時。如果使用OutBack的Radian系列逆變器，不僅組裝占地更小、更劃算，而且還會獲得更高的性能和穩(wěn)定性，使用戶能夠投入更高質(zhì)量的能量存儲并整體提升再生能源系統(tǒng)。