儲(chǔ)能光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用性比較分析以及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（一）

2014年將會(huì)是全球儲(chǔ)能光伏系統(tǒng)進(jìn)一步加溫甚至大熱的一年，主要原因是由于其廣泛的適用性和兼容性。由于光伏發(fā)電自身的不穩(wěn)定性和發(fā)電時(shí)間段的局限性，商業(yè)用的系統(tǒng)依然是傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)的最優(yōu)選峰值日照時(shí)段通常是商業(yè)樓用電高峰期，可以實(shí)現(xiàn)有效的自發(fā)自用并且最大化的消化太陽(yáng)能發(fā)的電。然而屋頂住戶的分布式系統(tǒng)近幾年也發(fā)展十分迅速，在部分地區(qū)的滲透率甚至遠(yuǎn)高于商用系統(tǒng)。此時(shí)就出現(xiàn)了兩個(gè)不可避免的問題，其一，在正午時(shí)分系統(tǒng)滿功率發(fā)電時(shí)，由于屋內(nèi)沒有運(yùn)行足夠消化電量的負(fù)載，這些電將會(huì)直接注入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。如果一個(gè)街道接連數(shù)家住戶都安裝了太陽(yáng)能系統(tǒng)，該街道的電網(wǎng)的相電壓在正午時(shí)分非常容易超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。此時(shí)，有些逆變器就無(wú)法啟動(dòng)，甚至用戶部分的用電器出于自身保護(hù)也將會(huì)斷開電網(wǎng)，造成意外停機(jī)。其二，現(xiàn)在全球大環(huán)境是在不斷地削減上網(wǎng)電價(jià)的。澳大利亞的部分州政府甚至讓當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司自己定價(jià)，這就導(dǎo)致所謂的余電上網(wǎng)變得更不經(jīng)濟(jì)，尤其是這種“屋中無(wú)人”的大批量電能“流失”的情況。儲(chǔ)能系統(tǒng)的概念作為一種解決方案在業(yè)內(nèi)被提出，并且由于其可以令人滿意的兼容在獨(dú)立系統(tǒng)，微網(wǎng)系統(tǒng)以及并網(wǎng)系統(tǒng)中而逐漸被重視并流行起來(lái)。

儲(chǔ)能光伏系統(tǒng)指的是光伏陣列匹配蓄電池來(lái)改變傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載的輸電量和放電時(shí)間。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入，峰值區(qū)間內(nèi)負(fù)載不能消化的電量可以被蓄電池庫(kù)儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)無(wú)光伏發(fā)電或光伏供電量不夠時(shí)進(jìn)行發(fā)電補(bǔ)償。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效的改善系統(tǒng)供電時(shí)間段以及供電的合理性，常見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可以分為三類

1． 獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)

2． 并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

3． 儲(chǔ)能配備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

相比于前兩種系統(tǒng)，配發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)因?yàn)樾枰剂希^大噪音以及低效率等原因處在逐漸被淘汰的趨勢(shì)，除了特殊的地區(qū)和特定的條件，目前鮮有儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇匹配發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)也將不在本文討論范圍之內(nèi)。而對(duì)于獨(dú)立和并網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前比較主流的是“DC Coupling”和“AC Coupling”兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文也將分析和比較兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及在實(shí)際情況下的適用性。

DC Coupling 拓?fù)渫ǔ０缦虏糠止夥M件，調(diào)節(jié)器（Regulator）或叫充電控制器（Charge Controller），蓄電池庫(kù)和逆變器。這里對(duì)于逆變器的定義需要額外分析下，DC Coupling的逆變器可以理解為是蓄電池的逆變器，這和我們常說(shuō)的并網(wǎng)逆變器是有很大差別的。首先，并網(wǎng)的逆變器通常都自帶MPPT，然而蓄電池逆變器卻是不匹配的，其中原因主要是因?yàn)楣夥M件和蓄電池的放電特性不同的特點(diǎn)。另外，并網(wǎng)逆變器是不會(huì)允許交流變直流，回流給組件充電的，但是并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的蓄電池逆變器是雙向的逆變器（bi－directional），蓄電池可以通過(guò)逆變器放電，電網(wǎng)也可以通過(guò)逆變器給蓄電池充電。最后也是最大區(qū)別的一點(diǎn)，并網(wǎng)逆變器是持續(xù)穩(wěn)定的輸出從光伏系統(tǒng)傳輸來(lái)的電功，然而蓄電池逆變器，因?yàn)樾铍姵氐姆烹娞匦裕怯胁煌烹姽Τ潭鹊?，常見的有“持續(xù)供電功率”或“60分鐘放電功率“，“1分鐘放電功率”以及“30秒放電功率”。這是因?yàn)樵谟脩糌?fù)載突然斷網(wǎng)的瞬間，蓄電池需要釋放相當(dāng)大量的電功來(lái)補(bǔ)足用電需求，所以通常一個(gè)3千瓦的蓄電池逆變器在瞬時(shí)功率可以額定到7千瓦至7．5千瓦?？偟膩?lái)說(shuō)蓄電池的放電以及和逆變器之間的協(xié)調(diào)相較于普通光伏系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器是要復(fù)雜許多的，這個(gè)我們?cè)趯?lái)的文章里會(huì)再做說(shuō)明。獨(dú)立儲(chǔ)能無(wú)配備發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該蓄電池逆變器放電都是單向的，當(dāng)蓄電池充電達(dá)到設(shè)定的SOC（State of Charge）， 充電控制器將會(huì)斷開光伏和蓄電池庫(kù)的連接；同樣當(dāng)蓄電池放電過(guò)深，超過(guò)設(shè)定的DOD（Depth of Discharge）后，逆變器將停止供電，切斷蓄電池與負(fù)載之間的連接。

在此我們先來(lái)比較下獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在使用DC Coupling拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的優(yōu)缺點(diǎn)。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是怎么工作的？其實(shí)這兩個(gè)系統(tǒng)核心運(yùn)行原理都一樣，就是蓄電池負(fù)責(zé)主要的供能任務(wù)，而光伏在這里僅僅是一個(gè)充能的作用，而這也是理解DC Coupling拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)自帶MPPT的調(diào)節(jié)器來(lái)給蓄電池充電；當(dāng)用電器負(fù)載有需求時(shí)，蓄電池將會(huì)釋放以安培小時(shí)（Ah）為單位的電量，而具體電流的大小根據(jù)放電時(shí)間來(lái)定，也就是所謂的“短時(shí)間大電流，長(zhǎng)時(shí)間小電流”的放電原理。而并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于最大化的利用光伏發(fā)電的同時(shí)，保證了蓄電池容量的健康程度。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)連接在可靠的電網(wǎng)系統(tǒng)上，如果在無(wú)負(fù)載的情況下蓄電池滿電而光伏系統(tǒng)依然能夠發(fā)電時(shí)，充電控制器會(huì)通信蓄電池逆變器，開始向電網(wǎng)供電，這可以等同于光伏發(fā)電上網(wǎng)從而有效地提高了系統(tǒng)的光能利用率。當(dāng)負(fù)載需求大于系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量時(shí)，電網(wǎng)則開始向負(fù)載供電，同時(shí)通過(guò)雙向逆變器為蓄電池充電?？梢赃@么理解，對(duì)于擁有可靠的電網(wǎng)，并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于蓄電池庫(kù)的大小需求理論上為零，然而這點(diǎn)既是該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)也是劣勢(shì)。相比于獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)，并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是由于其靈活性非常大而往往造成在設(shè)計(jì)上的缺陷。由于是并網(wǎng)系統(tǒng)，那么用戶不可避免需要在某些時(shí)段在從電網(wǎng)購(gòu)電。對(duì)于考慮不足的設(shè)計(jì)，如果用戶需要在峰值電價(jià)時(shí)從電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)為蓄電池充電，而在峰谷電價(jià)時(shí)利用蓄電池電量來(lái)給負(fù)載供電的話，這無(wú)疑既不經(jīng)濟(jì)，又不實(shí)用。其二，并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)一系列的優(yōu)勢(shì)是在穩(wěn)定的電網(wǎng)供給前提下，如果在沒有檢測(cè)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)穩(wěn)定性的情況下來(lái)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)，很容易造成蓄電池使用過(guò)度甚至造成永久性的傷害。這些設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的細(xì)節(jié)將會(huì)在下一篇中詳細(xì)介紹討論。另外，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)不經(jīng)濟(jì)或不現(xiàn)實(shí)從電網(wǎng)拉線供電的情況下，獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)的獨(dú)立性優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)出來(lái)。

AC Coupling拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常包含兩個(gè)部分光伏供電系統(tǒng)和蓄電池供電系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)由光伏陣列和并網(wǎng)逆變器組成；蓄電池系統(tǒng)由蓄電池庫(kù)和雙向逆變器組成。AC Coupling拓?fù)涞倪\(yùn)行原理十分類似微型逆變器的設(shè)計(jì)拓?fù)湓?，即若干個(gè)交流源并聯(lián)。在獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用中，雙向逆變器內(nèi)部會(huì)模擬電網(wǎng)信號(hào)給并網(wǎng)逆變器參考，來(lái)支持光伏供電系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)不需要光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，雙向逆變器將會(huì)變化參考信息來(lái)啟動(dòng)逆變器的防孤島保護(hù)來(lái)斷開連接。這種控制方式的弊端是對(duì)于并網(wǎng)逆變器的繼電器開關(guān)壽命有損耗，同時(shí)如果并網(wǎng)逆變器和雙向逆變器的通信出問題，則非常容易出現(xiàn)充電過(guò)量或用電過(guò)度的問題。并網(wǎng)系統(tǒng)在這個(gè)拓?fù)渖蟽?yōu)勢(shì)依然明顯，在有條件并網(wǎng)的情況下，多余的電量和不足的電量均可以導(dǎo)入或從電網(wǎng)攝取。由于大家對(duì)于“交流源并聯(lián)”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比較熟悉，在此就不再過(guò)多贅述。

最后我們來(lái)比較下DC Coupling和AC Coupling兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，主要從系統(tǒng)可靠性和可行性兩個(gè)方面來(lái)分析。

就我個(gè)人觀點(diǎn)，就目前的主流系統(tǒng)科技而言，兩種拓?fù)涞目煽啃远加写倪M(jìn)，最主要是在通信這塊。DC Coupling需要設(shè)置充電控制器和逆變器之間的通信，這里面主要存在兩個(gè)問題。第一，充電控制器通過(guò)自己的shunt對(duì)于蓄電池電量狀態(tài)有一個(gè)測(cè)量和計(jì)算，而逆變器也有一個(gè)shunt來(lái)計(jì)算蓄電池電量，而充電控制器和逆變器往往不是同一個(gè)生產(chǎn)制造商，shunt的精準(zhǔn)度，核心處理器的測(cè)算方法以及測(cè)算誤差都不一樣，這樣就會(huì)存在一個(gè)對(duì)于蓄電池是否該充電的邏輯決定分歧。同樣，AC Coupling需要設(shè)置 并網(wǎng)逆變器與蓄電池逆變器之間的通信，如果在此期間出現(xiàn)任何通信故障，則很容易出現(xiàn)過(guò)度充電的情況，并且具有失火隱患。由于蓄電池內(nèi)部是化學(xué)反應(yīng)，一旦發(fā)生火災(zāi)也會(huì)是屬于化學(xué)火災(zāi)，其危害程度絕對(duì)不容小視。第二點(diǎn)就是逆變器的報(bào)錯(cuò)通信，據(jù)我的了解范圍內(nèi)，目前的產(chǎn)品除了個(gè)別一線品牌的具備報(bào)錯(cuò)功能外，大部分的雙向逆變器都不具備報(bào)警通信錯(cuò)誤，或者生產(chǎn)商默認(rèn)不存在機(jī)器的通信錯(cuò)誤。其實(shí)歸根究底還是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題，因?yàn)橥ㄐ攀莾煞矫娴?，如果雙向逆變器的通信功能正常，而并網(wǎng)逆變器通信故障，這樣依然會(huì)造成通信故障。目前澳洲比較常用的在微網(wǎng)系統(tǒng)中的解決方案是在采購(gòu)階段雙向逆變器和并網(wǎng)逆變器從同一制造商選購(gòu)，例如SMA和Selectronic均有AC Coupling儲(chǔ)能系統(tǒng)的套餐，同時(shí)采用蓄電池安全狀態(tài)的感應(yīng)器監(jiān)控。

在可行性方面兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都非常的優(yōu)秀。言簡(jiǎn)意賅就是徹底的顛覆了傳統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)段和用戶的用電習(xí)慣。對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，如果用戶需要使用大功率用電器，最好在太陽(yáng)能峰值時(shí)段區(qū)間內(nèi)使用，這對(duì)于大多數(shù)民用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都不太可行。儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入從“shifting load”的概念改變?yōu)椤皊hifting power”并且提供了UPS供電的選項(xiàng)。在微網(wǎng)系統(tǒng)中偶爾的斷電屬于正?，F(xiàn)象，而持續(xù)時(shí)間又不方面確定，UPS可以確保部分必須24小時(shí)持續(xù)運(yùn)行的機(jī)器的安全性和穩(wěn)定性，目前澳大利亞幾乎大部分的政府機(jī)構(gòu)，銀行以及醫(yī)院都已經(jīng)配備了相當(dāng)成熟的這種系統(tǒng)。然而安全性的確是阻撓儲(chǔ)能系統(tǒng)可行性推廣的一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其在我國(guó)人口密集分布的地區(qū)。試想你在居民樓樓頂或樓內(nèi)放十幾個(gè)二十個(gè)質(zhì)量保證未知的蓄電池，因?yàn)榉N種原因發(fā)生了火災(zāi)，還是那種你噴水都不一定滅的掉的化學(xué)反應(yīng)，后果實(shí)在不堪設(shè)想。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 4089和AS 62040專門對(duì)蓄電池庫(kù)的安裝和選址進(jìn)行了嚴(yán)格的要求和規(guī)范，然而近幾年的電池庫(kù)火災(zāi)摧毀整棟別墅的例子依然不少。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的理念相對(duì)較新，對(duì)于設(shè)計(jì)要求也比傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)高一些，下一篇我們將會(huì)著重介紹設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng)以及方法。

作者張帥杰