模塊化光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)設(shè)計與試驗

郭雪松+侯麗娜+劉文平+趙治國

摘 要：文章研究了一種模塊化的小型光伏離網(wǎng)儲能發(fā)電系統(tǒng)，從光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用方面進行闡述，并通過試驗驗證其發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。該模塊化光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)建成后，可應(yīng)用于偏遠山區(qū)、海島及搭接電網(wǎng)成本較高的落后地區(qū)，根據(jù)其用電功率、需求性能和經(jīng)濟成本配備模塊組數(shù)，形成成套發(fā)電設(shè)備。本系統(tǒng)組裝靈活，成本較低，實用性強，解決了無電地區(qū)用電難的問題。

關(guān)鍵詞：離網(wǎng)儲能逆變器；蓄電池組；光伏組件；模塊化；并聯(lián)試驗

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0112-03

Abstract： In this paper， a modularized small photovoltaic off-grid energy storage system is studied. The design and application of the system are described， and the reliability and stability of the system are verified by experiments. The modular photovoltaic off-grid energy storage system can be used in remote mountainous areas， islands and backward areas with high overlay network cost. According to its power consumption， demand performance and economic cost， it can be equipped with modules. Form a complete set of generating equipment. The system has the advantages of flexible assembly， low cost and strong practicability.

Keywords： off-grid energy storage inverter； battery group； photovoltaic module； modularization； parallel test

目前我國諸多偏遠山區(qū)及無電區(qū)域仍然存在，保證居民生活用電是一個亟待解決的問題。隨著可再生能源開發(fā)利用的不斷深入和電力能源存儲等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及小型、微型電網(wǎng)具備了單點接入、多模式切換等優(yōu)勢，并且具備了智能電網(wǎng)的雛形。針對偏遠山區(qū)及無電區(qū)域，海島生活艙等的供能問題，選取豐富的太陽能可再生資源，配合儲能蓄電池建立一種模塊化的光伏離網(wǎng)儲能發(fā)電系統(tǒng)，解決居民的用電需求，保證對海島的開發(fā)利用進行研究，具有重要的價值和戰(zhàn)略意義。

1 光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)設(shè)計

（1）本系統(tǒng)由光伏組件、防雷匯流箱、離網(wǎng)儲能逆變器、蓄電池組、上位機監(jiān)控系統(tǒng)及柴油發(fā)電機（可選）組成。柴油發(fā)電機做為備用電源，主要以太陽能發(fā)電為主。

參考海島生活艙的用電情況如表1，錯峰使用大功率用電設(shè)備且海水淡化項目盡量在太陽光照較好的白天使用，累計耗能23kWh。按照日光照有效時間為4h，光伏系統(tǒng)的整體效率為0.6，估算該系統(tǒng)光伏組件容量為：23kWh÷4h÷0.6=9.58kW。假設(shè)蓄電池的放電深度為50%，連續(xù)陰雨天暫考慮1天，則估算蓄電池的儲存能量為：23kWh÷0.5=46kWh。

（2）考慮生活艙用電情況、系統(tǒng)可靠運行及經(jīng)濟成本等因素，設(shè)計方案如圖1。采用三臺離網(wǎng)儲能逆變器并聯(lián)，輸出交流母線共接，智能化雙電源自動切換開關(guān)ATS控制柴油發(fā)電機的啟停。

2 光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 離網(wǎng)儲能逆變器

系統(tǒng)的核心設(shè)備是離網(wǎng)儲能逆變器，選用上海煦達新能源科技有限公司（型號GMDE-105K48P）逆變器。該逆變器具有離網(wǎng)MPPT功能，蓄電池充放電管理功能，且根據(jù)太陽光照調(diào)節(jié)能量的使用，其性能參數(shù)如表2。

2.2 光伏組件

多晶體硅太陽能電池組件的價格要比單晶硅低，且轉(zhuǎn)化效率低2%-4%，從控制工程造價方面考慮，選用性價比較高的多晶硅電池組件，如英利260Wp多晶硅太陽能組件，其性能主要參數(shù)如表3。結(jié)合逆變器的配置輸入，選擇光伏組件方陣為3串4并，同時配備4進1出的光伏防雷匯流箱。

2.3 蓄電池組

根據(jù)逆變器的性能參數(shù)及估算的電池儲能容量，選取單體免維護膠體蓄電池。注意要選擇儲能型蓄電池，可以增加蓄電池的使用壽命。實際應(yīng)用中要盡量減少并聯(lián)數(shù)目，主要考慮為了盡量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響，并聯(lián)的組數(shù)越多，發(fā)生蓄電池不平衡的可能性就越大。一般并聯(lián)數(shù)目不超過6組。針對海島生活艙蓄電池的容量的選取一般考慮陰雨天數(shù)為3-5天，本系統(tǒng)只考慮1天，主要根據(jù)項目預(yù)算有關(guān)，同時也體現(xiàn)了離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的缺陷，項目預(yù)算允許的條件下可以考慮增加蓄電池的容量，或者配備柴油發(fā)電機組，已滿足供能系統(tǒng)與經(jīng)濟利益的平衡。

3 光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)試驗

3.1 單機試驗

試驗組成：英利260Wp組件3串4并（計12塊），光伏防雷匯流箱（4進1出），離網(wǎng)儲能逆變器GMDE-105K48P，免維護膠體蓄電池4串3并（單體容量12V/100Ah，總?cè)萘?4.4kWh），這種離網(wǎng)儲能系統(tǒng)是海島生活艙設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單機組成的一部分。

試驗說明：離網(wǎng)儲能逆變器選擇光伏優(yōu)先向負載供電模式。運行情況：〔Ⅰ〕光伏能量完全滿足負載供電，且有多余能量還可以向蓄電池充電；〔Ⅱ〕光伏能量無法向所有負載供電，蓄電池可在同一時間一起向負載供電。〔Ⅲ〕光伏能源不可獲得，且蓄電池電壓降至低級警告電壓（程序可設(shè)置此警告電壓），此時逆變器報警，且逆變器的干接點信號引出（常閉打開，常開關(guān)閉），ATS動作，柴油發(fā)電機啟動。若方案中不考慮柴油發(fā)電機，逆變器根據(jù)蓄電池警告電壓切斷逆變部分即無交流輸出，逆變器根據(jù)光伏能量完全轉(zhuǎn)向蓄電池充電模式，直至蓄電池電壓恢復(fù)到浮充電壓值，才會啟動逆變功能，交流輸出恢復(fù)。endprint

試驗方法：運用太陽強度照射計（型號CEM DT-1307），間隔0.5h對每塊組件的中心位置進行光照度測量，并記錄數(shù)據(jù)。通過RS485通信間隔2min保存逆變器的運行數(shù)據(jù)，考察系統(tǒng)的運行情況。

試驗分析：

（1）選取單相可調(diào)負載1900W左右，運行時間9：00至16：30（持續(xù)7.5h），系統(tǒng)不間斷連續(xù)運行。測試結(jié)果如下：

圖2中左上圖是光伏組件的平均光照強度曲線圖（x軸測試時間，y軸關(guān)照強度w/m2），測試時間正值天津的夏季，夏季光照時間充足且持續(xù)長，但光照強度有效值不理想，光照強度從曲線圖來看驗證了這個結(jié)論。有效光照時間較短以光照強度≥700w/m2為目標曲線，約4h（10：30-14：30），等同于理論上計算的全年平均有效光照時間4h。

右上圖是PV輸入側(cè)電壓電流與蓄電池組電壓隨測試時間變化的曲線圖。蓄電池組測試前的容量約80%，電壓49V，隨著負載的連續(xù)運行，電壓緩慢下降，隨著有效光照時間段的增強，電壓緩慢恢復(fù)，測試結(jié)束的時候蓄電池組容量約75%，電壓48.8V。測試過程中蓄電池組的容量與電壓隨光照強度的變化而變化，測試系統(tǒng)基本滿足負載1900W的連續(xù)運行7.5h，且蓄電池組容量基本不變。PV側(cè)電壓與電流隨著負載的運行情況進行調(diào)節(jié)，PV側(cè)能量不足時，由蓄電池組補給保證負載運行；PV側(cè)能量充足時，離網(wǎng)儲能逆變器以最大功率輸出，電壓與電流的曲線圖看出電壓與電流趨勢平穩(wěn)。

左下圖是蓄電池組充放電電流與時間的變化曲線。蓄電池組在光照強度不理想時補給能量與PV側(cè)同時給負載供電，蓄電池組放電較大；隨著有效光照強度的增強，蓄電池組放電緩慢，當PV側(cè)能量完全滿足負載運行時，充放電為0A；光照強度不斷增強，PV側(cè)能量滿足負載使用的同時開始給蓄電池充電，圖中充電電流X軸上方的半弧形圖形。變化曲線圖同時驗證了離網(wǎng)儲能逆變器的工作方式ⅠandⅡ。

右下圖是AC輸出的電壓與頻率曲線，系統(tǒng)輸出的交流AC230V、頻率50HZ，且曲線平穩(wěn)。

（2）選取單相可調(diào)負載2100W左右，運行時間9：15至16：15（持續(xù)7h），系統(tǒng)不間斷連續(xù)運行。測試結(jié)果如下：

圖3中左上圖光照強度曲線的變化比較緩慢，但有效光照強度≥700w/m2時長為5.5h（10：15-15：45），較上次的光照強度持續(xù)時間長。右上圖的PV側(cè)電壓電流與測試時間的變化曲線較上次平穩(wěn)區(qū)間較長，說明充分利用了離網(wǎng)儲能逆變器的MPPT功能，保證系統(tǒng)多利用光伏的能量，較少的利用蓄電池組的能量。左下圖蓄電池組的充放電曲線圖對比可以看出，充放電平衡持續(xù)時間加長，給蓄電池組充電的持續(xù)時間變短，說明滿足負載運行后多余能量變少。右下圖逆變AC輸出電壓與頻率比較平穩(wěn)，無波動。

試驗結(jié)論：設(shè)計的這組光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)有功功率4kW，光伏輸入3kW，良好的完成1900W和2100W的帶載連續(xù)運行試驗，在光照強度一般的情況下，基本上能保證負載的不間斷運行，同時多余能量給蓄電池組充電。系統(tǒng)經(jīng)濟性比較可觀，且系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、可靠，安全運行。

3.2 并聯(lián)試驗

本系統(tǒng)考慮的陰雨天數(shù)較少，但智能化的離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的使用過程中，盡量大功率設(shè)備在白天有效光照時間段開啟，以減少蓄電池組過度放電，保證蓄電池的有效使用壽命。這組離網(wǎng)儲能系統(tǒng)可以用于偏遠山區(qū)且最大功率不超過4kW居民使用，安裝方便，經(jīng)濟可觀，解決偏遠山區(qū)居民無電問題，具有一定的推廣性和使用性。該組系統(tǒng)可隨著負載的增加或者考慮滿足負載陰雨天數(shù)不斷電的情況下，設(shè)計系統(tǒng)的并聯(lián)使用，且蓄電池組容量配備擴增，同時也可以配置柴油發(fā)電機，來滿足一些用電功率大，且不間斷斷電的需求。

由于光伏組件安裝場地需求及數(shù)量問題，本試驗系統(tǒng)的光伏組件容量及蓄電池組容量較小主要驗證系統(tǒng)并聯(lián)運行情況，試驗組成如下：英利260Wp光伏組件3串3并（計9塊），光伏防雷匯流箱（3進3出），離網(wǎng)儲能逆變器GMDE-105K48P（3臺并聯(lián)），免維護膠體蓄電池4串3并（單體容量12V/100Ah，總?cè)萘?4.4kWh）。

試驗背景：并聯(lián)試驗選取單相可調(diào)負載1400W左右，運行時間10：20至16：10（持續(xù)近7h）。采用三臺離網(wǎng)儲能逆變器編碼為#014（主機）、#007和#008（從機），對試驗數(shù)據(jù)整理分析，如圖4：

圖4中左上圖是三臺離網(wǎng)儲能逆變器的PV側(cè)輸入電壓隨時間變化的曲線，同一批次同一型號的光伏組件PV輸入電壓波動不大。右上圖PV側(cè)電流隨時間變化的曲線，可見主機#014的輸入電流稍微偏大，結(jié)合電壓曲線看，主機PV側(cè)電壓偏低，在保證每臺逆變器輸出能量基本相同的情況下，主機的MPPT跟蹤效率相對較高。右下圖三臺逆變器輸出功率跟隨時間變化的曲線，可表明并聯(lián)系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，每臺逆變器的輸出功率相差不大，均流效果較好。左下圖是蓄電池組電壓與總充電電流變化曲線，并聯(lián)試驗系統(tǒng)在有效光照時間內(nèi)基本滿足負載的連續(xù)運行，多余能量能給蓄電池組充電，保證系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。

4 結(jié)束語

模塊化的光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用其經(jīng)濟成本與用電量需求有著兩面性，本文通過選用智能化的離網(wǎng)儲能逆變器，在基本滿足用電需求的情況下，設(shè)計了經(jīng)濟性能可觀、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、安全運行的模塊化光伏離網(wǎng)儲能發(fā)電系統(tǒng)，按用戶需求可隨時擴展系統(tǒng)容量（模塊組數(shù)增加），安裝靈活方便。通過對模塊化光伏離網(wǎng)系統(tǒng)進行單機與并聯(lián)試驗，能良好的滿足系統(tǒng)運行條件。模塊化光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)能有效解決偏遠山區(qū)、海島、跨接電網(wǎng)成本較高等一些無電地區(qū)居民用電需求，具有一定的市場應(yīng)用及推廣性。

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