模塊化光伏離網儲能系統設計與試驗

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儲能發電系統，從光伏離網儲能系統的設計與應用方面進行闡述，并通過試驗驗證其發電系統的可靠性與穩定性。該模塊化光伏離網儲能系統建成后，可應用于偏遠山區、海島及搭接電網成本較高的落后地區，根據其用電功率、需求性能和經濟成本配備模塊組數，形成成套發電設備。本系統組裝靈活，成本較低，實用性強，解決了無電地區用電難的問題。

關鍵詞：離網儲能逆變器；蓄電池組；光伏組件；模塊化；并聯試驗

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及無電區域仍然存在，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利用的不斷深入和電力能源存儲等技術的不斷發展，以及小型、微型電網具備了單點接入、多模式切換等優勢，并且具備了智能電網的雛形。針對偏遠山區及無電區域，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儲能發電系統，解決居民的用電需求，保證對海島的開發利用進行研究，具有重要的價值和戰略意義。

1 光伏離網儲能系統設計

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

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，光伏系統的整體效率為0.6，估算該系統光伏組件容量為：23kWh÷4h÷0.6=9.58kW。假設蓄電池的放電深度為50%，連續陰雨天暫考慮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、系統可靠運行及經濟成本等因素，設計方案如圖1。采用三臺離網儲能逆變器并聯，輸出交流母線共接，智能化雙電源自動切換開關ATS控制柴油發電機的啟停。

2 光伏離網儲能系統構成

2.1 離網儲能逆變器

系統的核心設備是離網儲能逆變器，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MPPT功能，蓄電池充放電管理功能，且根據太陽光照調節能量的使用，其性能參數如表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，其性能主要參數如表3。結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

根據逆變器的性能參數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。實際應用中要盡量減少并聯數目，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，并聯的組數越多，發生蓄電池不平衡的可能性就越大。一般并聯數目不超過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為3-5天，本系統只考慮1天，主要根據項目預算有關，同時也體現了離網儲能系統的缺陷，項目預算允許的條件下可以考慮增加蓄電池的容量，或者配備柴油發電機組，已滿足供能系統與經濟利益的平衡。

3 光伏離網儲能系統試驗

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，總容量14.4kWh），這種離網儲能系統是海島生活艙設計系統結構的單機組成的一部分。

試驗說明：離網儲能逆變器選擇光伏優先向負載供電模式。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，常開關閉），ATS動作，柴油發電機啟動。若方案中不考慮柴油發電機，逆變器根據蓄電池警告電壓切斷逆變部分即無交流輸出，逆變器根據光伏能量完全轉向蓄電池充電模式，直至蓄電池電壓恢復到浮充電壓值，才會啟動逆變功能，交流輸出恢復。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，并記錄數據。通過RS485通信間隔2min保存逆變器的運行數據，考察系統的運行情況。

試驗分析：

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

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，測試結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，測試系統基本滿足負載1900W的連續運行7.5h，且蓄電池組容量基本不變。PV側電壓與電流隨著負載的運行情況進行調節，PV側能量不足時，由蓄電池組補給保證負載運行；PV側能量充足時，離網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。

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，系統輸出的交流AC230V、頻率50HZ，且曲線平穩。

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

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時間長。右上圖的PV側電壓電流與測試時間的變化曲線較上次平穩區間較長，說明充分利用了離網儲能逆變器的MPPT功能，保證系統多利用光伏的能量，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，充放電平衡持續時間加長，給蓄電池組充電的持續時間變短，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，無波動。

試驗結論：設計的這組光伏離網儲能系統，系統有功功率4kW，光伏輸入3kW，良好的完成1900W和2100W的帶載連續運行試驗，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。系統經濟性比較可觀，且系統輸出穩定、可靠，安全運行。

3.2 并聯試驗

本系統考慮的陰雨天數較少，但智能化的離網儲能系統的使用過程中，盡量大功率設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。這組離網儲能系統可以用于偏遠山區且最大功率不超過4kW居民使用，安裝方便，經濟可觀，解決偏遠山區居民無電問題，具有一定的推廣性和使用性。該組系統可隨著負載的增加或者考慮滿足負載陰雨天數不斷電的情況下，設計系統的并聯使用，且蓄電池組容量配備擴增，同時也可以配置柴油發電機，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量問題，本試驗系統的光伏組件容量及蓄電池組容量較小主要驗證系統并聯運行情況，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），離網儲能逆變器GMDE-105K48P（3臺并聯），免維護膠體蓄電池4串3并（單體容量12V/100Ah，總容量14.4kWh）。

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

圖4中左上圖是三臺離網儲能逆變器的PV側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，結合電壓曲線看，主機PV側電壓偏低，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，可表明并聯系統的輸出穩定，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，并聯試驗系統在有效光照時間內基本滿足負載的連續運行，多余能量能給蓄電池組充電，保證系統的平衡狀態。

4 結束語

模塊化的光伏離網儲能系統的應用其經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儲能逆變器，在基本滿足用電需求的情況下，設計了經濟性能可觀、系統穩定可靠、安全運行的模塊化光伏離網儲能發電系統，按用戶需求可隨時擴展系統容量（模塊組數增加），安裝靈活方便。通過對模塊化光伏離網系統進行單機與并聯試驗，能良好的滿足系統運行條件。模塊化光伏離網儲能系統能有效解決偏遠山區、海島、跨接電網成本較高等一些無電地區居民用電需求，具有一定的市場應用及推廣性。

參考文獻：

[1]高帥.海島生活艙風光柴互補發電系統優化設計研究[D].天津大學，2015.

[2]楊金煥，于化從，葛亮.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3]太陽能光伏產業處.光伏逆變器的發展及現狀[Z].陜西工業和信息化廳，2011-11-25.

[4]劉棟.離網型光伏發電系統的研制[D].廣州：華南理工大學，2011.

[5]王明舜.中國海島經濟發展模式及其實現途徑研究[D].中國海洋大學，2009.

[6]鄧贊高，王泉河.風光柴蓄混合能源系統功率優化配比研究[J].珠江現代建設，2015，4（2）：29-32.

[7]張建華，于雷，劉念，等.含風/光/柴/蓄及海水淡化負荷的微電網容量優化配置[J].電工技術學報，2014，29（2）.

[8]陳穎.淺析國內外海島能源資源開發利用方式[J].農村經濟與科技，2015，02：44-46.endprint