光伏儲能逆變器中的ACCoupling與DCCoupling_附光儲柴離網系統(tǒng)設計案例

前言

SMA作為一家有著37年歷史的德國光伏逆變器公司，逆變器全球出貨量累計已超過70GW。在日驅火爆的儲能市場上，SMA迄今也已安裝并網了超過1GW的儲能逆變器，其旗下最為成熟的并離網儲能逆變器Sunny Island系列，自2001年上市以來，更是累計已售出超過10萬臺，遍布在非洲、南極、西伯利亞、南太平洋、阿爾卑斯山等全球各地。??

SMA儲能逆變器系列

SMA提供單機功率自2.5KW-3MW功率的儲能逆變器。針對使用高壓儲能電池的家庭用戶，推薦使用Sunny Boy Storage系列儲能逆變器；針對300KW以下的并/離網儲能系統(tǒng)，推薦使用Sunny Island系列；針對大型電站級的儲能系統(tǒng)，推薦使用Sunny Central Storage系列。

圖1 - SMA儲能逆變器系列

本文重點介紹Sunny Island系列儲能逆變器。Sunny Island為交流耦合型儲能逆變器，主要應用在各種島嶼、礦山、農場、及偏遠地帶等電力匱乏區(qū)域。交流耦合與直流耦合方式相比，系統(tǒng)可以方便的與各種類型能源相結合且后續(xù)擴容也更方便。而直流耦合系統(tǒng)更適合于負載單一且以照明為主的小型應用場景。

圖2– 交流耦合系統(tǒng)

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圖3– 直流耦合系統(tǒng)

目前市場上一些廠家也推出了集光伏逆變器與儲能逆變器與一體的光儲一體機hybrid Inverter，光伏與儲能輸出共直流母線，其總的交流輸出受hybrid Inverter的最大輸出功率限制。hybrid Inverter的優(yōu)點是更為經濟，但由于在單機里集成了光伏與儲能功能，對其系統(tǒng)可靠性運行是個大的考驗，且后續(xù)負載增加給系統(tǒng)擴容會帶來一些不便。

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Sunny Island作為交流耦合型儲能逆變器可以工作在并網/離網狀態(tài)。其主要特點如下：

• 單臺SunnyIsland為單相機；如接三相負載，可使用三臺Sunny Island進行組合。

• 電池側可接48V的鋰電池或者鉛酸電池，單臺Sunny Isand支持10000Ah容量電池接入。支持所有鉛酸電池以及超過20多鐘主流鋰電池：LG Chem、Sony、BYD、Tesvolt

• 可擴展性強，在原有光伏系統(tǒng)增添儲能電池及Sunny Island即可。方便后續(xù)負載擴容。

• 轉換率高，最大轉換效率可達到95.8%。

• 產品可靠性高，標配10年質保。

• 人機界面友好，支持RS485和Wifi通訊。

Sunny Island系列有三個型號，Sunny Island 4.4M/6.0H/8.0H。以Sunny Island 8.0H 為例，其額定功率為6KW， 25℃下可以持續(xù)30min輸出8KW功率。其主要技術參數如下表：

圖4- Sunny Island主要技術參數

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SunnyIsland應用介紹

下圖為典型的家庭單相儲能應用場景。白天光照充足時，太陽能通過光伏組件轉化為直流電，再通過Sunny Boy單相光伏逆變器轉換成交流電供負載使用，多余的能量通過Sunny Island儲能逆變器儲存到電池里，當電池充滿后，多余的能量則饋入電網。白天光照不足或者夜晚，電池儲存的能量通過Sunny Island轉換供負載使用，電池能量不足時由電網供電供負載使用。當電網發(fā)生故障時，Sunny Island可以制造出一個獨立的電網，通過光伏組件和電池儲能的能量供交流負載使用。

圖5-Sunny Island單相并網應用場景

Sunny Island支持WLAN通訊，通過網絡上傳數據至SMA的監(jiān)控平臺Sunny Portal，方便用戶隨時隨地通過電腦和移動終端進行查看每日發(fā)電量以及故障情況等關鍵數據。

單相系統(tǒng)中，最多可以支持3臺Sunny Island并聯接入，額定充放電功率最大可以達到18KW，足以勝任絕大多數單相系統(tǒng)應用。如果負載為三相負載，采用3臺Sunny Island可組成三相電網（一臺作為主機Master，另兩臺為從機Slave；最高可使用12組共36臺Sunny Island組成三相系統(tǒng)）。下圖為典型的三相離網儲能系統(tǒng)電氣連接圖。

圖6 – 三相離網儲能系統(tǒng)電氣連接圖

太陽能、儲能電池、柴油發(fā)電機組成一個微電網。光伏組件通過三相逆變器或者3臺以上單相逆變器發(fā)電輸出三相交流電供負載使用，當光照充足，光伏組件輸出功率大于負載消耗時，多余的能量通過Sunny Island儲存到電池中；當光照不足，光伏出力小于負載消耗時，Sunny Island可啟動電池輸出能量供負載使用，當電池達到低電量（比如SOC=20%，此參數可通過Sunny Island調整）時，Sunny Island可開啟柴油發(fā)電機，與柴油機產生的交流電網同步并且傳輸能量供負載消耗。

圖7– Sunny Island與柴油發(fā)電機的電氣連接

Sunny Island的柴油機控制功能避免了當光照不足時電池放電過深而影響電池壽命。當連接柴油機時，柴油機控制此獨立電網的電壓和頻率。當光伏出力大于負載且電池充滿時，Sunny Island可斷開柴油機，從而避免逆電流輸回柴油機并減少油耗。

Sunny Island還具備調頻降載功能，避免電池過充。當日照充足，光伏發(fā)電大于負載消耗且電池已充滿的情況下，Sunny Island會按照下圖曲線調整電網的頻率以減少PV光伏逆變器的輸出，避免過量充電而損耗電池。

圖8– Sunny Island調頻降載功能曲線

在不具備柴油發(fā)電機的離網系統(tǒng)中，Sunny Island可通過負載控制功能來避免當光照不足時電池過度放電而影響電池壽命。Sunny Island具備兩個多功能繼電器口，搭配一段式減負荷用接觸器，在電池SOC過低（比如SOC=30%，可由Sunny Island進行設置）時，啟動多功能繼電器斷開非關鍵性負載，以防止電池過度放電。

圖9– Sunny Island負載控制

光儲柴離網系統(tǒng)設計案例

本節(jié)以某光伏+儲能+柴油發(fā)電機的離網系統(tǒng)為案例進行系統(tǒng)設計介紹。當地光照年峰值小時數為1450 h，年平均用電為4500 Kwh，日最大負載為5KW，所有負載均為單相負載。

1、光伏系統(tǒng)容量設計

按照光伏系統(tǒng)提供70%的年總用電量，光伏系統(tǒng)的效率取0.8進行計算，則光伏系統(tǒng)的容量至少為??。

考慮到光伏系統(tǒng)效率的逐年衰減，光伏系統(tǒng)可選用3KW的組件，光伏逆變器選用額定功率為3KW的Sunny boy 3.0。

2、儲能電池容量設計

儲能電池容量方面，按照系統(tǒng)采用儲能電池作為唯一供電源可以支撐2天時間來進行考慮。儲能電池的放電效率取0.95，儲能逆變器的效率取0.94；為了更好的保護電池，鋰電池的放電深度DOD取80%，鉛蓄電池的放電深度DOD取50%。

如果系統(tǒng)采用鋰電池，則鋰電池容量至少為?，換算為Ah的話，則至少為。

如果系統(tǒng)采用鉛蓄電池，則鉛蓄電池容量至少為??，換算為Ah的話，則至少為?? 。

3、儲能逆變器選型

儲能逆變器選型方面需考慮系統(tǒng)負載日最大功率與儲能逆變器30分鐘最大輸出功率的比值，該系統(tǒng)負載日最大功率為5KW， SunnyIsland 6.0H的30分鐘最大輸出功率為6KW，額定功率為4.6KW，單臺Sunny Island 6.0H在 PV側可支撐的最大輸出功率為9.2KW > 3KW。則采用1臺Sunny Island6.0H即可滿足需求。

4、柴油發(fā)電機額定功率設計

柴油發(fā)電機的額定功率范圍為80% ~ 120% *（系統(tǒng)總的Sunny Island額定功率之和），且不宜超過系統(tǒng)總的Sunny Island額定功率之和的100%，Sunny Island 6.0H的額定功率為4.6KW，則柴油發(fā)電機的額定功率可在 0.8 * 4.6KW = 3.68 KW ~ 4.6KW之間進行選擇。

總結

Sunny Island系列作為SMA出產并可靠使用17年的儲能逆變器，可以在單相或三相系統(tǒng)中應用，支持并網以及離網場景，可以搭配柴油發(fā)電機，匹配所有蓄電池以及超過20多種鋰電池。隨著儲能以及微電網系統(tǒng)的廣泛應用，SMA 將堅持高品質，應用更多與Sunny Island一樣的優(yōu)質產品為廣大用戶提供可靠的能源解決方案！

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