光伏儲(chǔ)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(guó)光伏逆變器公司，逆變器全球出貨量累計(jì)已超過(guò)70GW。在日驅(qū)火爆的儲(chǔ)能市場(chǎng)上，SMA迄今也已安裝并網(wǎng)了超過(guò)1GW的儲(chǔ)能逆變器，其旗下最為成熟的并離網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器Sunny Island系列，自2001年上市以來(lái)，更是累計(jì)已售出超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，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(chǔ)能逆變器系列

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

圖1 - SMA儲(chǔ)能逆變器系列

本文重點(diǎn)介紹Sunny Island系列儲(chǔ)能逆變器。Sunny Island為交流耦合型儲(chǔ)能逆變器，主要應(yīng)用在各種島嶼、礦山、農(nóng)場(chǎng)、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(kuò)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(chǎng)景。

圖2– 交流耦合系統(tǒng)

圖3– 直流耦合系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上一些廠家也推出了集光伏逆變器與儲(chǔ)能逆變器與一體的光儲(chǔ)一體機(jī)hybrid Inverter，光伏與儲(chǔ)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(diǎn)是更為經(jīng)濟(jì)，但由于在單機(jī)里集成了光伏與儲(chǔ)能功能，對(duì)其系統(tǒng)可靠性運(yùn)行是個(gè)大的考驗(yàn)，且后續(xù)負(fù)載增加給系統(tǒng)擴(kuò)容會(huì)帶來(lái)一些不便。

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

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

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

• 可擴(kuò)展性強(qiáng)，在原有光伏系統(tǒng)增添儲(chǔ)能電池及Sunny Island即可。方便后續(xù)負(fù)載擴(kuò)容。

• 轉(zhuǎn)換率高，最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95.8%。

• 產(chǎn)品可靠性高，標(biāo)配10年質(zhì)保。

• 人機(jī)界面友好，支持RS485和Wifi通訊。

Sunny Island系列有三個(gè)型號(hào)，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(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。白天光照充足時(shí)，太陽(yáng)能通過(guò)光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電，再通過(guò)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(guò)Sunny Island儲(chǔ)能逆變器儲(chǔ)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(chǔ)存的能量通過(guò)Sunny Island轉(zhuǎn)換供負(fù)載使用，電池能量不足時(shí)由電網(wǎng)供電供負(fù)載使用。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，Sunny Island可以制造出一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)，通過(guò)光伏組件和電池儲(chǔ)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(chǎng)景

Sunny Island支持WLAN通訊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至SMA的監(jiān)控平臺(tái)Sunny Portal，方便用戶隨時(shí)隨地通過(guò)電腦和移動(dòng)終端進(jìn)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(tái)Sunny Island并聯(lián)接入，額定充放電功率最大可以達(dá)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(tái)Sunny Island可組成三相電網(wǎng)（一臺(tái)作為主機(jī)Master，另兩臺(tái)為從機(jī)Slave；最高可使用12組共36臺(tái)Sunny Island組成三相系統(tǒng)）。下圖為典型的三相離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣連接圖。

圖6 – 三相離網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣連接圖

太陽(yáng)能、儲(chǔ)能電池、柴油發(fā)電機(jī)組成一個(gè)微電網(wǎng)。光伏組件通過(guò)三相逆變器或者3臺(tái)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(shí)，多余的能量通過(guò)Sunny Island儲(chǔ)存到電池中；當(dāng)光照不足，光伏出力小于負(fù)載消耗時(shí)，Sunny Island可啟動(dòng)電池輸出能量供負(fù)載使用，當(dāng)電池達(dá)到低電量（比如SOC=20%，此參數(shù)可通過(guò)Sunny Island調(diào)整）時(shí)，Sunny Island可開啟柴油發(fā)電機(jī)，與柴油機(jī)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(jī)的電氣連接

Sunny Island的柴油機(jī)控制功能避免了當(dāng)光照不足時(shí)電池放電過(guò)深而影響電池壽命。當(dāng)連接柴油機(jī)時(shí)，柴油機(jī)控制此獨(dú)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(shí)，Sunny Island可斷開柴油機(jī)，從而避免逆電流輸回柴油機(jī)并減少油耗。

Sunny Island還具備調(diào)頻降載功能，避免電池過(guò)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(huì)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(guò)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(jī)的離網(wǎng)系統(tǒng)中，Sunny Island可通過(guò)負(fù)載控制功能來(lái)避免當(dāng)光照不足時(shí)電池過(guò)度放電而影響電池壽命。Sunny Island具備兩個(gè)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(guò)低（比如SOC=30%，可由Sunny Island進(jìn)行設(shè)置）時(shí)，啟動(dòng)多功能繼電器斷開非關(guān)鍵性負(fù)載，以防止電池過(guò)度放電。

圖9– Sunny Island負(fù)載控制

光儲(chǔ)柴離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

本節(jié)以某光伏+儲(chǔ)能+柴油發(fā)電機(jī)的離網(wǎng)系統(tǒng)為案例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹。當(dāng)?shù)毓庹漳攴逯敌r(shí)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(jì)

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(jìn)行計(jì)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(chǔ)能電池容量設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電池容量方面，按照系統(tǒng)采用儲(chǔ)能電池作為唯一供電源可以支撐2天時(shí)間來(lái)進(jìn)行考慮。儲(chǔ)能電池的放電效率取0.95，儲(chǔ)能逆變器的效率取0.94；為了更好的保護(hù)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(chǔ)能逆變器選型

儲(chǔ)能逆變器選型方面需考慮系統(tǒng)負(fù)載日最大功率與儲(chǔ)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(tái)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(tái)Sunny Island6.0H即可滿足需求。

4、柴油發(fā)電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)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(guò)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(jī)的額定功率可在 0.8 * 4.6KW = 3.68 KW ~ 4.6KW之間進(jìn)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(chǔ)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(chǎng)景，可以搭配柴油發(fā)電機(jī)，匹配所有蓄電池以及超過(guò)20多種鋰電池。隨著儲(chǔ)能以及微電網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，SMA 將堅(jiān)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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