光伏儲能逆變器中的AC Coupling與DC Coupling

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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(qū)火爆的儲能市場上，SMA迄今也已安裝并網(wǎng)了超過1GW的儲能逆變器，其旗下最為成熟的并離網(wǎng)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(wǎng)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(yīng)用在各種島嶼、礦山、農(nóng)場、及偏遠(yuǎn)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(jié)合且后續(xù)擴容也更方便。而直流耦合系統(tǒng)更適合于負(fù)載單一且以照明為主的小型應(yīng)用場景。

圖2– 交流耦合系統(tǒng)

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(jīng)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(fù)載增加給系統(tǒng)擴容會帶來一些不便。

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

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

• 電池側(cè)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(fù)載擴容。

• 轉(zhuǎn)換率高，最大轉(zhuǎn)換效率可達到95.8%。

• 產(chǎn)品可靠性高，標(biāo)配10年質(zhì)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(shù)參數(shù)如下表：

圖4- Sunny Island主要技術(shù)參數(shù)

SunnyIsland應(yīng)用介紹

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

圖5-Sunny Island單相并網(wǎng)應(yīng)用場景

Sunny Island支持WLAN通訊，通過網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)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(guān)鍵數(shù)據(jù)。

單相系統(tǒng)中，最多可以支持3臺Sunny Island并聯(lián)接入，額定充放電功率最大可以達到18KW，足以勝任絕大多數(shù)單相系統(tǒng)應(yīng)用。如果負(fù)載為三相負(fù)載，采用3臺Sunny Island可組成三相電網(wǎng)（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(wǎng)儲能系統(tǒng)電氣連接圖。

圖6 – 三相離網(wǎng)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(wǎng)。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(fù)載使用，當(dāng)光照充足，光伏組件輸出功率大于負(fù)載消耗時，多余的能量通過Sunny Island儲存到電池中；當(dāng)光照不足，光伏出力小于負(fù)載消耗時，Sunny Island可啟動電池輸出能量供負(fù)載使用，當(dāng)電池達到低電量（比如SOC=20%，此參數(shù)可通過Sunny Island調(diào)整）時，Sunny Island可開啟柴油發(fā)電機，與柴油機產(chǎn)生的交流電網(wǎng)同步并且傳輸能量供負(fù)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(dāng)光照不足時電池放電過深而影響電池壽命。當(dāng)連接柴油機時，柴油機控制此獨立電網(wǎng)的電壓和頻率。當(dāng)光伏出力大于負(fù)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(diào)頻降載功能，避免電池過充。當(dāng)日照充足，光伏發(fā)電大于負(fù)載消耗且電池已充滿的情況下，Sunny Island會按照下圖曲線調(diào)整電網(wǎng)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(diào)頻降載功能曲線

在不具備柴油發(fā)電機的離網(wǎng)系統(tǒng)中，Sunny Island可通過負(fù)載控制功能來避免當(dāng)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(fù)荷用接觸器，在電池SOC過低（比如SOC=30%，可由Sunny Island進行設(shè)置）時，啟動多功能繼電器斷開非關(guān)鍵性負(fù)載，以防止電池過度放電。

圖9– Sunny Island負(fù)載控制

光儲柴離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計案例

本節(jié)以某光伏+儲能+柴油發(fā)電機的離網(wǎng)系統(tǒng)為案例進行系統(tǒng)設(shè)計介紹。當(dāng)?shù)毓庹漳攴逯敌r數(shù)為1450 h，年平均用電為4500 Kwh，日最大負(fù)載為5KW，所有負(fù)載均為單相負(fù)載。

1、光伏系統(tǒng)容量設(shè)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(shè)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(fù)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(fù)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(cè)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(shè)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(jié)

Sunny Island系列作為SMA出產(chǎn)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(yīng)用，支持并網(wǎng)以及離網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，SMA 將堅持高品質(zhì)，應(yīng)用更多與Sunny Island一樣的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為廣大用戶提供可靠的能源解決方案！

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