现有光伏和太阳能并网系统的电池后备电源选项

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。

还应当指出的是，“一刀切”的AC耦合解决方案确实需要分流负荷来转移系统中多余的能量(光伏功率过大/蓄电池组储能过小，都会为电池带来危险的充电电平)。虽然可以使用这些能量来烧水或运行泵，但实际生活中往往没有这样的需求;此外，如果分流负荷无法再接纳现有的能量，那么仍然需要关闭并网逆变器。除了操作上的复杂性，分流负荷的实现成本也比较高昂，需要安装许多不良的侵入式装置，因此，对于那些希望简化AC耦合系统并降低成本的用户来说，这一方案并非良策。所有相关的控制和连接硬件的花费以及昂贵的逆变器/充电器往往促使用户使用低等级的电池和附件来节省储能，最终会降低系统的整体性能和效用。

OutBack公司的AC耦合解决方案

另一种简单的方法是，粗略勾勒出一个简单的电池逆变器、蓄电池组和遥控继电器的基本规格和操作指南，从而将这些装置增加到现有的并网逆变器系统，这样，在电网无法供电的时候，可以将建筑物的可用光伏功率输送给临界负荷。

接下来将讨论OutBack公司先进的机电解决方案，如果需要，可以选择自动发电机控制。不同于大多数频率抖动解决方案，OutBack公司的控制电路由该公司生产的两个逆变器辅助(AUX)端口和两个继电器组成。这种更清新、更紧凑的组件设计在电池充满电时可对并网逆变器进行安全锁定;此外，当系统中有发电机启动并运行时，还可使并网逆变器保持锁定状态。结合更先进、更智能的逆变器/充电器，如具有双AC输入和先进发电机功能的OutBack弧度系列，该系统可以在较低的实际成本内实现更高的性能。

OutBack GSLC175-AC-120/240 AC耦合解决方案的显著特征包括：

● UL-1741端到端特性—与OutBack电池架一起使用时，由于整个系统是专门针对这一应用而设计，因此可以确保完全兼容。

● 分相设计—无需昂贵、低效的变压器便可更容易地集成到标准的室内电路中。

● 动态稳定性—输出更加稳定，因此可以在负荷高峰期或变化期为系统中的并网逆变器提供清晰的信号，确保其持续以线上状态发电。

● 通用设计—可与其他品牌和型号的并网逆变器配合使用。

需要考虑的因素包括电网的不稳定性、极端天气和地震等，同时，地理和季节缺陷也会影响到最重要临界负荷的选择。以下提供了一些关于如何选择系统尺寸以及如何与两种不同类型逆变器系统进行交互的指南。

指南一

每日临界负荷瓦时不应超过可从电池组获得所有瓦时的80%。离网系统通常每天会将电池放电50%以上，从而延长电池的寿命。然而，这种情况是基于每年仅有几天或一到两周使用备用系统的假设，在这种情况下，放电深度达80%的电池的寿命才不会低于其正常寿命。根据Outback的能量电池寿命检测结果显示，密封的AGM电池放电深度为80%时，电池可使用高达600次，也就是说当使用后备电源提供一天所需能量时，可使用600天。

电池充电和放电的速度均会影响电池的整体容量。电池充电或放电的速度越慢，电池容量越大。表1展示了一至六组电池的典型容量。可以使用这些数据的80%来估测24小时内负荷所需的电能。表2中的12小时放电率也会反映出这一点。

在电网供电的正常运行条件下，Outback的电池逆变器/充电器会将电池保持在浮动充电状态，在该状态下，电池将保持低充电率，从而补充电池内部因自放电而流失的能量。然而，在电网无法供电的情况下，逆变器不再控制流入电池的充电电流。电池逆变器处于“转换”模式，并为并网逆变器提供交流电流，使并网逆变器保持在线状态并为临界负荷供电。负荷不需要的剩余能量将会以不规则充电的方式通过电池逆变器的双向H桥电路回流至电池中。

在多数情况下，光伏阵列产生的电能会通过并网逆变器输送给负荷并对电池进行不规则充电。如果系统尺寸正好合适，电池组的不规则充电率不会超过最大充电率。但是，在所有或几乎所有临界负荷都关闭的最糟糕情况下，并网逆变器中流出的电流不应超过电池组的最大充电率。Outback的遥控断路器(ROCB)可在检测到电池已充满时轻松地使并网逆变器下线。

表2给出了每组电池能提供的最大光伏功率以确保充电率不超过最大值，同时给出了在指定24小时内电池的相关可用电能。依据阵列获得的太阳辐射及负荷所需的能量，系统应选择能够使其保持平衡的尺寸。用光伏电能和负荷需求之间的关系无法预测，在晴天时，即使关掉并网逆变器，只要有阳光，电池组也可能很快会被充满，这样就可以避免电池组过度充电的现象出现。在阴天时，单纯依靠光伏阵列可能无法充满电池，因此需要一个发电机来完成对电池的充电。如果系统中没有发电机，则需要对负荷做一些取舍，看看哪些是可以留下来继续使用的，哪些可以在晴朗天气到来前暂时放弃或屏蔽的。

光伏功率一栏给出的是可通过逆变器发回给电池充电的最大功率值。在测算该值时，应假定阵列和并网逆变器中存在流失的电量。

负荷需求(kWh)需匹配表2中的一个值，从而匹配实际的光伏阵列尺寸及被转移至临界负荷面板的负荷。表3给出的典型负荷配置文件可用于估算一些典型的临界负荷。注意，冰箱每小时有十五分钟在进行制冷循环。

所以，如果将每日12.4kWh的用电量与电池容量表对比，可以发现一组电池不够用，而两组电池虽然足够用，但阵列大小必须在4kW或以下。如果阵列大小为6kW，则需要三组电池，且电池组的尺寸必须大到足以应对最糟糕情况下出现的最大不规则充电率。分流负载解决方案将被作为备选方案。然而，在综合考虑成本、分流负荷的复杂度和侵袭性以及分流负荷保护和控制时，减掉一组电池实际上起不到什么作用。

指南二

OutBack逆变器的额定功率应为并网逆变器额定功率的1.25%。在负荷需求降到0且所有可用的并网逆变器电能均输入到OutBack逆变器的情况下，本指南可确保并网逆变器不会使OutBack逆变器的充电电路失效。尽管这种情况公认不太可能发生，但出于安全和保护设备的考虑，最好遵循本指南。例如，额定功率为8kW的Radian逆变器可能会对功率不大于6kW的并网逆变器产生影响。

指南三

本指南可确保日常负荷需求或电池充电量均不超过从光伏阵列所得的电量，或可在后备系统中任选添加一个发电机。当可得光伏电量超过负荷需求的场景，当电池充满时，需要使用一个OutBack遥控断路器将并网逆变器断开。而实际上，后备系统生产出多于负荷和电池充电需求的光伏电量是不太可能的。临界负荷基本很少全部关闭，而且在很多情况下，尤其是在阴天时，需要补充电量来满足负荷和电池充电需求。

北美大部分地方平均每天有3小时~5小时的日照时间，也就是说，尽管每日发电量因为这样或那样的原因会有大量流失，但是使用6kW电池阵列每天仍可获取18kWh~30kWh的光伏电量。但是，有时光伏产量会达到或超过光伏组件标注电量，所以为了实现评估目的，将18kWh~30kWh视为正常电量，以确定阳光明媚的天气中能够获得的电量。

假设上述例子中所有负荷均同时打开，平均每小时会通过并网逆变器的光伏阵列获取1.4kW的电量。如果光伏阵列生产的电量达到其标注值，则会遗留4.6kW电量用于电池充电。如果使用3组电池组且放电深度为80%，需要4.2小时(19.5kWh÷4.6kW=4.2hrs)完成电池充电，同时还可提供1.4kW电能满足负荷所需。当电池充满，并网逆变器关闭时，在电池放电深度达到80%之前，负荷需求可以支撑14小时左右—大概从太阳落山持续至睡前，同时电池残余电量还可用于第二天早上为并网逆变器供电，这样一来，并网逆变器就可以从光伏阵列中传递电量，再一次启动这一循环。

但是，在阴天时或当冬季日照时间低于平均水平时，需要使用一台发电机来确保任何时候都有充足的后备电量。一个5kW的发电机能够花5.4小时的时间充满电池组使其再运行14小时，同时还可预留1.4kW电量满足负荷所需(19.5kWh÷(5kW-1.4kW)=5.4hrs)。如前所述，相比低负荷情况下运行的发电机，最大输出达到85%~95%的发电机每小时燃料损耗会大幅增加。因此，在电池备份逆变器系统中使用发电机不但可以获得高燃油效率，还可以解决噪声和燃料短缺问题，同时具有维护周期长的特点。下文会对OutBack GSLC175-AC-120/240交流耦合解决方案进行详细描述(包括一些图纸)，下面列出的是交流耦合解决方案中所需的交流耦合组件以及OutBack预连线交流耦合Radian负荷中心。

● 50A DPST遥控断路器(ROCB;在负荷中心中占用三个CB空间);

● OBR-16-DIN(12VDC OutBack继电器);

● OBR-XX-DIN(48VDC OutBack继电器);

● DIN导轨硬件。

ROCB和两个OutBack继电器及两个AUX端口均已预连线。并网逆变器的L1和L2导体或其AC断线开关均位于与ROCB连接的双极断路器的开口端。如果安装了发电机，则双线式启动线会被连接至48V并网闭锁/Gen启动继电器，同时发电机的L1和L2与Gen输入总线相连，接地线和中性线与相应的总线相连。其它电网输入、逆变器输出和直流电池连接均如其他Radian负荷中心应用一样。

使用ROCB而不用固态继电器的优势包括：当系统因某些原因发生故障时，可手动断开并网逆变器。手动断开方式可以使用旁路连接，这样一来，当电池逆变器因为某些原因必须使用旁路连接时，电网中同样可以使用并网逆变器。使用固态继电器是无法达到这种效果的，此外，固态继电器还需要使用可提供频移方案的外部硬件。综上所述，ROCB是交流耦合实现的更简单且更划算的选择。

除了ROCB和继电器设备，MATE3用户界面还增加了交流耦合功能。该功能在现有的主动充电模式下使用温度补偿充电设定值，当电池电压比正常电池电压多0.4VDC时，会断开并网逆变器，起到保护电池的作用;而当电池电压比现有温度补偿充电设定值低0.4VDC时，会重连并网逆变器;如果并网逆变器能够提供大量剩余电量，则ROCB会以高达六分钟的频率运行。手动打开更多连接至临界负荷面板的负荷或使用分流负荷可以缩短运行周期，同时不会对ROCB造成影响，因为断路器和ROCB电机寿命超过10,000次。如果系统尺寸合适且临界负荷都处于运行中，则频繁的循环不会产生太大的影响而且不会损坏任何OutBack设备。

交流耦合MATE3功能还有其他一些智能特性：当用户手动关闭了应处于打开状态的ROCB时，该功能会每隔15s对电池最高设定值进行检查并重新打开ROCB以确保不会因使用者的操作不当而导致电池满溢;另一个特性是当ROCB处于打开状态时，MATE3功能会检查处于活动状态的电网，这样，如果电网电力供应在ROCB处于打开状态时恢复，MATE3功能就会重新关闭ROCB并允许并网逆变器与电网连接。GSLC175-AC-120/240交流耦合负荷中心提供一份《快速入门指南》，其中包括控制电路和MATE3逆变器设置的详细参数表格。

从整体来看，OutBack提供的交流耦合解决方案有很大的优势：容易调整尺寸、易安装、无需额外硬件且造价低廉。如果系统中使用发电机，该解决方案会提供智能温度补偿控制和反馈保护功能。相较于依靠频率抖动的“一刀切”交流耦合解决方案，OutBack方案不仅更简单、更划算，而且还更安全、更稳定，同时还能为已有高达6kW的并网逆变器系统提供电池后备电量，使所有光伏电能不必遗留至灾难性事故发生时。如果使用OutBack的Radian系列逆变器，不仅组装占地更小、更划算，而且还会获得更高的性能和稳定性，使用户能够投入更高质量的能量存储并整体提升再生能源系统。