储能光伏系统的拓扑结构的应用性比较分析以及设计注意事项（一）

2014年将会是全球储能光伏系统进一步加温甚至大热的一年，主要原因是由于其广泛的适用性和兼容性。由于光伏发电自身的不稳定性和发电时间段的局限性，商业用的系统依然是传统的光伏系统的最优选峰值日照时段通常是商业楼用电高峰期，可以实现有效的自发自用并且最大化的消化太阳能发的电。然而屋顶住户的分布式系统近几年也发展十分迅速，在部分地区的渗透率甚至远高于商用系统。此时就出现了两个不可避免的问题，其一，在正午时分系统满功率发电时，由于屋内没有运行足够消化电量的负载，这些电将会直接注入当地电网。如果一个街道接连数家住户都安装了太阳能系统，该街道的电网的相电压在正午时分非常容易超出标准范围。此时，有些逆变器就无法启动，甚至用户部分的用电器出于自身保护也将会断开电网，造成意外停机。其二，现在全球大环境是在不断地削减上网电价的。澳大利亚的部分州政府甚至让当地电网公司自己定价，这就导致所谓的余电上网变得更不经济，尤其是这种“屋中无人”的大批量电能“流失”的情况。储能系统的概念作为一种解决方案在业内被提出，并且由于其可以令人满意的兼容在独立系统，微网系统以及并网系统中而逐渐被重视并流行起来。

储能光伏系统指的是光伏阵列匹配蓄电池来改变传统的光伏系统对于负载的输电量和放电时间。由于储能系统的引入，峰值区间内负载不能消化的电量可以被蓄电池库储存起来，当无光伏发电或光伏供电量不够时进行发电补偿。储能系统可以有效的改善系统供电时间段以及供电的合理性，常见系统结构的可以分为三类

1． 独立储能系统

2． 并网储能系统

3． 储能配备发电机系统

相比于前两种系统，配发电机的系统因为需要燃料，较大噪音以及低效率等原因处在逐渐被淘汰的趋势，除了特殊的地区和特定的条件，目前鲜有储能系统选择匹配发电机。该系统也将不在本文讨论范围之内。而对于独立和并网的储能系统，目前比较主流的是“DC Coupling”和“AC Coupling”两种拓扑结构，本文也将分析和比较两种拓扑结构的优缺点以及在实际情况下的适用性。

DC Coupling 拓扑通常包含如下部分光伏组件，调节器（Regulator）或叫充电控制器（Charge Controller），蓄电池库和逆变器。这里对于逆变器的定义需要额外分析下，DC Coupling的逆变器可以理解为是蓄电池的逆变器，这和我们常说的并网逆变器是有很大差别的。首先，并网的逆变器通常都自带MPPT，然而蓄电池逆变器却是不匹配的，其中原因主要是因为光伏组件和蓄电池的放电特性不同的特点。另外，并网逆变器是不会允许交流变直流，回流给组件充电的，但是并网储能系统的蓄电池逆变器是双向的逆变器（bi－directional），蓄电池可以通过逆变器放电，电网也可以通过逆变器给蓄电池充电。最后也是最大区别的一点，并网逆变器是持续稳定的输出从光伏系统传输来的电功，然而蓄电池逆变器，因为蓄电池的放电特性，是有不同放电功程度的，常见的有“持续供电功率”或“60分钟放电功率“，“1分钟放电功率”以及“30秒放电功率”。这是因为在用户负载突然断网的瞬间，蓄电池需要释放相当大量的电功来补足用电需求，所以通常一个3千瓦的蓄电池逆变器在瞬时功率可以额定到7千瓦至7．5千瓦。总的来说蓄电池的放电以及和逆变器之间的协调相较于普通光伏系统并网逆变器是要复杂许多的，这个我们在将来的文章里会再做说明。独立储能无配备发电机系统由于其系统结构，该蓄电池逆变器放电都是单向的，当蓄电池充电达到设定的SOC（State of Charge）， 充电控制器将会断开光伏和蓄电池库的连接；同样当蓄电池放电过深，超过设定的DOD（Depth of Discharge）后，逆变器将停止供电，切断蓄电池与负载之间的连接。

在此我们先来比较下独立储能系统和并网储能系统在使用DC Coupling拓扑结构上的优缺点。这个拓扑结构是怎么工作的？其实这两个系统核心运行原理都一样，就是蓄电池负责主要的供能任务，而光伏在这里仅仅是一个充能的作用，而这也是理解DC Coupling拓扑结构的关键。简单来说，当光伏系统运行时，可以通过自带MPPT的调节器来给蓄电池充电；当用电器负载有需求时，蓄电池将会释放以安培小时（Ah）为单位的电量，而具体电流的大小根据放电时间来定，也就是所谓的“短时间大电流，长时间小电流”的放电原理。而并网储能系统的优势在于最大化的利用光伏发电的同时，保证了蓄电池容量的健康程度。当储能系统连接在可靠的电网系统上，如果在无负载的情况下蓄电池满电而光伏系统依然能够发电时，充电控制器会通信蓄电池逆变器，开始向电网供电，这可以等同于光伏发电上网从而有效地提高了系统的光能利用率。当负载需求大于系统实际发电量时，电网则开始向负载供电，同时通过双向逆变器为蓄电池充电。可以这么理解，对于拥有可靠的电网，并网储能系统对于蓄电池库的大小需求理论上为零，然而这点既是该系统的优势也是劣势。相比于独立储能系统，并网储能系统的缺点就是由于其灵活性非常大而往往造成在设计上的缺陷。由于是并网系统，那么用户不可避免需要在某些时段在从电网购电。对于考虑不足的设计，如果用户需要在峰值电价时从电网购电来为蓄电池充电，而在峰谷电价时利用蓄电池电量来给负载供电的话，这无疑既不经济，又不实用。其二，并网储能系统一系列的优势是在稳定的电网供给前提下，如果在没有检测当地电网稳定性的情况下来设计储能系统，很容易造成蓄电池使用过度甚至造成永久性的伤害。这些设计时需要注意的细节将会在下一篇中详细介绍讨论。另外，在一些偏远地区不经济或不现实从电网拉线供电的情况下，独立储能系统的独立性优势便体现出来。

AC Coupling拓扑结构通常包含两个部分光伏供电系统和蓄电池供电系统。光伏系统由光伏阵列和并网逆变器组成；蓄电池系统由蓄电池库和双向逆变器组成。AC Coupling拓扑的运行原理十分类似微型逆变器的设计拓扑原理，即若干个交流源并联。在独立储能系统的应用中，双向逆变器内部会模拟电网信号给并网逆变器参考，来支持光伏供电系统的运行。当不需要光伏系统运行时，双向逆变器将会变化参考信息来启动逆变器的防孤岛保护来断开连接。这种控制方式的弊端是对于并网逆变器的继电器开关寿命有损耗，同时如果并网逆变器和双向逆变器的通信出问题，则非常容易出现充电过量或用电过度的问题。并网系统在这个拓扑上优势依然明显，在有条件并网的情况下，多余的电量和不足的电量均可以导入或从电网摄取。由于大家对于“交流源并联”的拓扑结构都比较熟悉，在此就不再过多赘述。

最后我们来比较下DC Coupling和AC Coupling两种拓扑结构的优劣，主要从系统可靠性和可行性两个方面来分析。

就我个人观点，就目前的主流系统科技而言，两种拓扑的可靠性都有待改进，最主要是在通信这块。DC Coupling需要设置充电控制器和逆变器之间的通信，这里面主要存在两个问题。第一，充电控制器通过自己的shunt对于蓄电池电量状态有一个测量和计算，而逆变器也有一个shunt来计算蓄电池电量，而充电控制器和逆变器往往不是同一个生产制造商，shunt的精准度，核心处理器的测算方法以及测算误差都不一样，这样就会存在一个对于蓄电池是否该充电的逻辑决定分歧。同样，AC Coupling需要设置 并网逆变器与蓄电池逆变器之间的通信，如果在此期间出现任何通信故障，则很容易出现过度充电的情况，并且具有失火隐患。由于蓄电池内部是化学反应，一旦发生火灾也会是属于化学火灾，其危害程度绝对不容小视。第二点就是逆变器的报错通信，据我的了解范围内，目前的产品除了个别一线品牌的具备报错功能外，大部分的双向逆变器都不具备报警通信错误，或者生产商默认不存在机器的通信错误。其实归根究底还是拓扑结构的问题，因为通信是两方面的，如果双向逆变器的通信功能正常，而并网逆变器通信故障，这样依然会造成通信故障。目前澳洲比较常用的在微网系统中的解决方案是在采购阶段双向逆变器和并网逆变器从同一制造商选购，例如SMA和Selectronic均有AC Coupling储能系统的套餐，同时采用蓄电池安全状态的感应器监控。

在可行性方面两种拓扑结构都非常的优秀。言简意赅就是彻底的颠覆了传统太阳能系统的发电时段和用户的用电习惯。对于传统系统，如果用户需要使用大功率用电器，最好在太阳能峰值时段区间内使用，这对于大多数民用系统来说都不太可行。储能系统的引入从“shifting load”的概念改变为“shifting power”并且提供了UPS供电的选项。在微网系统中偶尔的断电属于正常现象，而持续时间又不方面确定，UPS可以确保部分必须24小时持续运行的机器的安全性和稳定性，目前澳大利亚几乎大部分的政府机构，银行以及医院都已经配备了相当成熟的这种系统。然而安全性的确是阻挠储能系统可行性推广的一个挑战，尤其在我国人口密集分布的地区。试想你在居民楼楼顶或楼内放十几个二十个质量保证未知的蓄电池，因为种种原因发生了火灾，还是那种你喷水都不一定灭的掉的化学反应，后果实在不堪设想。澳大利亚标准AS 4089和AS 62040专门对蓄电池库的安装和选址进行了严格的要求和规范，然而近几年的电池库火灾摧毁整栋别墅的例子依然不少。

由于储能系统的理念相对较新，对于设计要求也比传统的光伏系统高一些，下一篇我们将会着重介绍设计方面的注意事项以及方法。

作者张帅杰