隨著太陽能系統在家庭和企業中的安裝和使用，分布式電源的理念已經轉變為現實。而促使太陽能產能顯著增加的因素有很多，其中包括聯邦稅收優惠政策、可再生能源激勵措施、廉價光伏(pV)太陽能電池組件、能源成本的直接和預期增長以及對能源獨立日益強烈的渴望。

幾乎所有的住宅區、社區和輕型商用光伏/太陽能系統可分為以下三種類型，其中第一種最常見：

●并網型，能夠降低對設備依賴性并節約成本;

●離網型，能夠在不連接到電網的情況下供電;

●電網互動型，即通常以電池組形式存在的連接型儲能系統，使用戶在享有離網獨立性帶來益處的同時還可獲得并網的益處。

電網互動型系統尤其適用于以下情況：因各種原因導致電網出現故障、電網電力不足或出現問題時，或使用可再生方式生成的儲存電能來“抵消”高昂的電網電力成本時。對電網穩定性甚至可用性的關注程度比以往任何時候都要多，甚至在發達國家也是如此。因為歷史性的暴風雨、海嘯等其他足以改變人類生活的突發性災害事件總是伴隨著愈加常見的限電、停電及其他斷電狀況，導致全球民眾都在擔憂電力供應能否滿足不斷增長的全球需求。

在某些地區，電網中接入了大量的可再生能源，而這些額外的“高峰需求”電力實際上會破壞依賴于較傳統且靈活性或“動態性”較差電源的“負荷需求”電網的穩定性—因為一旦沒有日照或風吹，光伏陣列和渦輪機就會有效關閉，而高峰電力的缺失反過來會對無法持續滿足需求的彈性相對較差的電網帶來更高的需求。

基于這樣或那樣的原因，存儲可再生電力的好處因其自身的優勢顯而易見。儲能可以抵消高峰時段的用電量，在斷電和緊急情況下提供離網獨立性，有助于提高電網的穩定性，以確保可再生電力繼續維持其在能源結構中重要而積極的地位。這就是為什么儲能系統在太陽能產品中增長最快的原因，也是為什么業內調查顯示，未來兩年，電池充電逆變器將使并網“串”逆變器黯然失色的原因(德國光伏雜志photonInternational2012)。

基本原理

迄今為止，最常見的光伏發電系統配置是在光伏組件陣列中增加一個并網(GT)逆變器。該逆變器可將直流電轉換成交流電，然后通過建筑物上的服務面板將電能輸送到電網中(見圖1)。電網的作用就如同電池，而電網上的可再生能源則用于集體消費，這反過來也減少了其他發電源的使用。電池電網(grid-as-a-battery)真的是一個絕妙的理念，只要存在一天，并網逆變器就要按照UL1741的安全性要求來確保電網的供電。如果電網電力無法維持并網逆變器的運行，則可用的光伏功率只能被閑置在屋頂，這樣，在電力中斷期間，使用光伏發電的家庭或企業可能會和其他人一樣也處于黑暗之中。

圖1：典型的并網逆變器設備連接。

電池(BB)逆變器系統無需電網即可運行，主要用于使用離網型系統的家庭、企業和工業設施，如手機廣播塔等。智能型“電網/混合”逆變技術采用電池離網技術，能夠使用光伏、風能、水電等其他可再生直流電源為電池充電，并將多余的電能出售給電網，這一點與將電網用作電池的并網裝置一樣(見圖2)。

圖2：典型的電網/混合系統。

對于那些尚未安裝太陽能系統但希望擁有備用電源的用戶來說，具有電池備份功能的電網/混合逆變器/充電器正是最佳之選。如果光伏可再生能源系統在停電期間可以一直供電直到電網恢復運行，那么就可以將太陽能賣回給電網。

當電網出現故障、完全無法使用且斷電時間持續數天甚至數周時，你只會盯著滿是光伏組件的屋頂感嘆，并無數次地抱怨為什么不從一開始就購買一個電網/混合逆變器?而購買并網系統的用戶在購買時可能也還沒有意識到屋頂上沒有光伏電源所帶來的后果，當然也許他們認為這種事情永遠不會發生在自己身上。最后還有一點就是在一開始他們可能不愿意在智能電網互動型逆變器/充電器與電池上花費額外開銷。

通過AC耦合添加儲能系統

擁有常見的并網逆變器和電網依賴型逆變器的用戶，可以使用AC耦合的方法來并網到電池備份逆變器系統。出于建筑物的臨界負荷考慮，AC耦合法通常需要添加一個負荷中心，該負荷中心由斷路器和電氣連接。這樣，并網逆變器和電池逆變器就可以在某一點進行“耦合”，將其能量添加到負荷中。在電網供電的正常運行模式下，電能從光伏陣列流經并網逆變器到臨界負荷面板，而多余的電能則流經負荷面板到達電池逆變器，最后到達電網(見圖3)。

圖3：電網供電時的電流路徑。

電網斷電后，電池逆變器會激活內部轉換開關，促使其打開與電網的連接。這樣就可以阻止逆變器為電網上的其他家庭供電，同時還可切斷電源線的電量，保證施工人員不會觸電。電池逆變器還會為并網逆變器提供電源，使其保持聯網狀態，并將直流電轉換為交流電，用于臨界負荷(見圖4)。

圖4：電網斷電時的電流路徑。當太陽落山后且光伏功率不再經由并網逆變器流向負荷時，儲存在電池中的電力將開始輸送給臨界負荷面板，直到第二天早晨(見圖5)。

圖5：光伏與電網均斷電時源于電池逆變器的電流路徑。

當第二天太陽升起時，系統恢復到圖3所示的功率流，而額外的能量則用于給電池充電。如果沒有多余的能量可用，則有必要通過關閉臨界負荷面板連接的設備進行手動甩負荷操作(放棄較不重要的臨界負荷，優先考慮照明和制冷設備等最重要的臨界負荷)，直至電池完成充電。如果所有臨界負荷都是絕對必要的且無法進行甩負荷操作，則可以在備份系統中增加一臺發電機，如此既可為電池充電又可滿足臨界負荷的需求。

有人可能會問：“為什么不直接使用發電機取代電池逆變器?”這可能是個可行的選擇，但在這樣做之前還需要考慮幾個重要的問題：

1.在建筑物所要求的電能負荷期間，發電機都要保持運行狀態，可能一天需要運行12小時~18小時。除了噪聲影響，許多低成本的發電機需要頻繁的維護，且在低功率輸出時效率低下。

2.舉個例子，如果電池備份系統上的發電機一天運行幾個小時，那么較高效率意味著以一天一次或一周一次的頻率加滿5加侖油箱的不同。每當極端天氣和其他突發事件發生后，我們總能在新聞照片和視頻中看到人們在加油站旁排起長隊，而即便如此也并不總能夠保證汽油的順利供應。因為缺乏足夠的電網電力，很多加油站根本無法從儲油罐中抽吸出汽油!

3.在電池逆變器系統中增加發電機供電功能后，電池會大大延長發電機的運行時間—由于發電機無需全天候運行，因此相同的燃料所能維持的運行時間更長。

典型的AC耦合解決方案

與所有解決方案一樣，細節決定成敗。將并網逆變器和電池逆變器結合起來的AC耦合并沒有什么不同，尤其適用于希望對所有應用采取“一刀切”解決方案的用戶。“一刀切”方案通常包括一個或多個分流負荷，可能使用斷電繼電器或其他方法使并網逆變器下線，以防止對電池逆變器的電池充電過度。這就需要大量的前期設計，以確保系統中的所有設備可以處理所有可能發生的情況。

一些電池逆變器制造商會“抖動”或改變為并網逆變器輸送電力的頻率，使其超出運行窗口的頻率范圍(59.5Hz~60.5Hz)，希望藉此簡化AC耦合的實現過程。這樣，當電池充滿時，無需使用斷電繼電器即可有效地關閉電源，從而節約了繼電器的成本。然而，在許多情況下，如果發生頻率抖動則不允許使用發電機，因為發電機的頻率并不是很穩定，導致并網逆變器無法與之保持同步。而即便能夠同步，在低負荷或無負荷條件下，也存在反向饋電的風險，可能會損壞發電機。

還應當指出的是，“一刀切”的AC耦合解決方案確實需要分流負荷來轉移系統中多余的能量(光伏功率過大/蓄電池組儲能過小，都會為電池帶來危險的充電電平)。雖然可以使用這些能量來燒水或運行泵，但實際生活中往往沒有這樣的需求;此外，如果分流負荷無法再接納現有的能量，那么仍然需要關閉并網逆變器。除了操作上的復雜性，分流負荷的實現成本也比較高昂，需要安裝許多不良的侵入式裝置，因此，對于那些希望簡化AC耦合系統并降低成本的用戶來說，這一方案并非良策。所有相關的控制和連接硬件的花費以及昂貴的逆變器/充電器往往促使用戶使用低等級的電池和附件來節省儲能，最終會降低系統的整體性能和效用。

OutBack公司的AC耦合解決方案

另一種簡單的方法是，粗略勾勒出一個簡單的電池逆變器、蓄電池組和遙控繼電器的基本規格和操作指南，從而將這些裝置增加到現有的并網逆變器系統，這樣，在電網無法供電的時候，可以將建筑物的可用光伏功率輸送給臨界負荷。

接下來將討論OutBack公司先進的機電解決方案，如果需要，可以選擇自動發電機控制。不同于大多數頻率抖動解決方案，OutBack公司的控制電路由該公司生產的兩個逆變器輔助(AUX)端口和兩個繼電器組成。這種更清新、更緊湊的組件設計在電池充滿電時可對并網逆變器進行安全鎖定;此外，當系統中有發電機啟動并運行時，還可使并網逆變器保持鎖定狀態。結合更先進、更智能的逆變器/充電器，如具有雙AC輸入和先進發電機功能的OutBack弧度系列，該系統可以在較低的實際成本內實現更高的性能。

OutBackGSLC175-AC-120/240AC耦合解決方案的顯著特征包括：

●UL-1741端到端特性—與OutBack電池架一起使用時，由于整個系統是專門針對這一應用而設計，因此可以確保完全兼容。

●分相設計—無需昂貴、低效的變壓器便可更容易地集成到標準的室內電路中。

●動態穩定性—輸出更加穩定，因此可以在負荷高峰期或變化期為系統中的并網逆變器提供清晰的信號，確保其持續以線上狀態發電。

●通用設計—可與其他品牌和型號的并網逆變器配合使用。

需要考慮的因素包括電網的不穩定性、極端天氣和地震等，同時，地理和季節缺陷也會影響到最重要臨界負荷的選擇。以下提供了一些關于如何選擇系統尺寸以及如何與兩種不同類型逆變器系統進行交互的指南。

指南一

每日臨界負荷瓦時不應超過可從電池組獲得所有瓦時的80%。離網系統通常每天會將電池放電50%以上，從而延長電池的壽命。然而，這種情況是基于每年僅有幾天或一到兩周使用備用系統的假設，在這種情況下，放電深度達80%的電池的壽命才不會低于其正常壽命。根據Outback的能量電池壽命檢測結果顯示，密封的AGM電池放電深度為80%時，電池可使用高達600次，也就是說當使用后備電源提供一天所需能量時，可使用600天。

電池充電和放電的速度均會影響電池的整體容量。電池充電或放電的速度越慢，電池容量越大。表1展示了一至六組電池的典型容量。可以使用這些數據的80%來估測24小時內負荷所需的電能。表2中的12小時放電率也會反映出這一點。

在電網供電的正常運行條件下，Outback的電池逆變器/充電器會將電池保持在浮動充電狀態，在該狀態下，電池將保持低充電率，從而補充電池內部因自放電而流失的能量。然而，在電網無法供電的情況下，逆變器不再控制流入電池的充電電流。電池逆變器處于“轉換”模式，并為并網逆變器提供交流電流，使并網逆變器保持在線狀態并為臨界負荷供電。負荷不需要的剩余能量將會以不規則充電的方式通過電池逆變器的雙向H橋電路回流至電池中。在多數情況下，光伏陣列產生的電能會通過并網逆變器輸送給負荷并對電池進行不規則充電。如果系統尺寸正好合適，電池組的不規則充電率不會超過最大充電率。但是，在所有或幾乎所有臨界負荷都關閉的最糟糕情況下，并網逆變器中流出的電流不應超過電池組的最大充電率。Outback的遙控斷路器(ROCB)可在檢測到電池已充滿時輕松地使并網逆變器下線。

表2給出了每組電池能提供的最大光伏功率以確保充電率不超過最大值，同時給出了在指定24小時內電池的相關可用電能。依據陣列獲得的太陽輻射及負荷所需的能量，系統應選擇能夠使其保持平衡的尺寸。用光伏電能和負荷需求之間的關系無法預測，在晴天時，即使關掉并網逆變器，只要有陽光，電池組也可能很快會被充滿，這樣就可以避免電池組過度充電的現象出現。在陰天時，單純依靠光伏陣列可能無法充滿電池，因此需要一個發電機來完成對電池的充電。如果系統中沒有發電機，則需要對負荷做一些取舍，看看哪些是可以留下來繼續使用的，哪些可以在晴朗天氣到來前暫時放棄或屏蔽的。

光伏功率一欄給出的是可通過逆變器發回給電池充電的最大功率值。在測算該值時，應假定陣列和并網逆變器中存在流失的電量。

負荷需求(kWh)需匹配表2中的一個值，從而匹配實際的光伏陣列尺寸及被轉移至臨界負荷面板的負荷。表3給出的典型負荷配置文件可用于估算一些典型的臨界負荷。注意，冰箱每小時有十五分鐘在進行制冷循環。

所以，如果將每日12.4kWh的用電量與電池容量表對比，可以發現一組電池不夠用，而兩組電池雖然足夠用，但陣列大小必須在4kW或以下。如果陣列大小為6kW，則需要三組電池，且電池組的尺寸必須大到足以應對最糟糕情況下出現的最大不規則充電率。分流負載解決方案將被作為備選方案。然而，在綜合考慮成本、分流負荷的復雜度和侵襲性以及分流負荷保護和控制時，減掉一組電池實際上起不到什么作用。

指南二

OutBack逆變器的額定功率應為并網逆變器額定功率的1.25%。在負荷需求降到0且所有可用的并網逆變器電能均輸入到OutBack逆變器的情況下，本指南可確保并網逆變器不會使OutBack逆變器的充電電路失效。盡管這種情況公認不太可能發生，但出于安全和保護設備的考慮，最好遵循本指南。例如，額定功率為8kW的Radian逆變器可能會對功率不大于6kW的并網逆變器產生影響。

指南三

本指南可確保日常負荷需求或電池充電量均不超過從光伏陣列所得的電量，或可在后備系統中任選添加一個發電機。當可得光伏電量超過負荷需求的場景，當電池充滿時，需要使用一個OutBack遙控斷路器將并網逆變器斷開。而實際上，后備系統生產出多于負荷和電池充電需求的光伏電量是不太可能的。臨界負荷基本很少全部關閉，而且在很多情況下，尤其是在陰天時，需要補充電量來滿足負荷和電池充電需求。

北美大部分地方平均每天有3小時~5小時的日照時間，也就是說，盡管每日發電量因為這樣或那樣的原因會有大量流失，但是使用6kW電池陣列每天仍可獲取18kWh~30kWh的光伏電量。但是，有時光伏產量會達到或超過光伏組件標注電量，所以為了實現評估目的，將18kWh~30kWh視為正常電量，以確定陽光明媚的天氣中能夠獲得的電量。

假設上述例子中所有負荷均同時打開，平均每小時會通過并網逆變器的光伏陣列獲取1.4kW的電量。如果光伏陣列生產的電量達到其標注值，則會遺留4.6kW電量用于電池充電。如果使用3組電池組且放電深度為80%，需要4.2小時(19.5kWh÷4.6kW=4.2hrs)完成電池充電，同時還可提供1.4kW電能滿足負荷所需。當電池充滿，并網逆變器關閉時，在電池放電深度達到80%之前，負荷需求可以支撐14小時左右—大概從太陽落山持續至睡前，同時電池殘余電量還可用于第二天早上為并網逆變器供電，這樣一來，并網逆變器就可以從光伏陣列中傳遞電量，再一次啟動這一循環。

但是，在陰天時或當冬季日照時間低于平均水平時，需要使用一臺發電機來確保任何時候都有充足的后備電量。一個5kW的發電機能夠花5.4小時的時間充滿電池組使其再運行14小時，同時還可預留1.4kW電量滿足負荷所需(19.5kWh÷(5kW-1.4kW)=5.4hrs)。如前所述，相比低負荷情況下運行的發電機，最大輸出達到85%~95%的發電機每小時燃料損耗會大幅增加。因此，在電池備份逆變器系統中使用發電機不但可以獲得高燃油效率，還可以解決噪聲和燃料短缺問題，同時具有維護周期長的特點。下文會對OutBackGSLC175-AC-120/240交流耦合解決方案進行詳細描述(包括一些圖紙)，下面列出的是交流耦合解決方案中所需的交流耦合組件以及OutBack預連線交流耦合Radian負荷中心。

●50ADpST遙控斷路器(ROCB;在負荷中心中占用三個CB空間);

●Obr-16-DIN(12VDCOutBack繼電器);

●Obr-XX-DIN(48VDCOutBack繼電器);

●DIN導軌硬件。

ROCB和兩個OutBack繼電器及兩個AUX端口均已預連線。并網逆變器的L1和L2導體或其AC斷線開關均位于與ROCB連接的雙極斷路器的開口端。如果安裝了發電機，則雙線式啟動線會被連接至48V并網閉鎖/Gen啟動繼電器，同時發電機的L1和L2與Gen輸入總線相連，接地線和中性線與相應的總線相連。其它電網輸入、逆變器輸出和直流電池連接均如其他Radian負荷中心應用一樣。

使用ROCB而不用固態繼電器的優勢包括：當系統因某些原因發生故障時，可手動斷開并網逆變器。手動斷開方式可以使用旁路連接，這樣一來，當電池逆變器因為某些原因必須使用旁路連接時，電網中同樣可以使用并網逆變器。使用固態繼電器是無法達到這種效果的，此外，固態繼電器還需要使用可提供頻移方案的外部硬件。綜上所述，ROCB是交流耦合實現的更簡單且更劃算的選擇。

除了ROCB和繼電器設備，MATE3用戶界面還增加了交流耦合功能。該功能在現有的主動充電模式下使用溫度補償充電設定值，當電池電壓比正常電池電壓多0.4VDC時，會斷開并網逆變器，起到保護電池的作用;而當電池電壓比現有溫度補償充電設定值低0.4VDC時，會重連并網逆變器;如果并網逆變器能夠提供大量剩余電量，則ROCB會以高達六分鐘的頻率運行。手動打開更多連接至臨界負荷面板的負荷或使用分流負荷可以縮短運行周期，同時不會對ROCB造成影響，因為斷路器和ROCB電機壽命超過10,000次。如果系統尺寸合適且臨界負荷都處于運行中，則頻繁的循環不會產生太大的影響而且不會損壞任何OutBack設備。

交流耦合MATE3功能還有其他一些智能特性：當用戶手動關閉了應處于打開狀態的ROCB時，該功能會每隔15s對電池最高設定值進行檢查并重新打開ROCB以確保不會因使用者的操作不當而導致電池滿溢;另一個特性是當ROCB處于打開狀態時，MATE3功能會檢查處于活動狀態的電網，這樣，如果電網電力供應在ROCB處于打開狀態時恢復，MATE3功能就會重新關閉ROCB并允許并網逆變器與電網連接。GSLC175-AC-120/240交流耦合負荷中心提供一份《快速入門指南》，其中包括控制電路和MATE3逆變器設置的詳細參數表格。

從整體來看，OutBack提供的交流耦合解決方案有很大的優勢：容易調整尺寸、易安裝、無需額外硬件且造價低廉。如果系統中使用發電機，該解決方案會提供智能溫度補償控制和反饋保護功能。相較于依靠頻率抖動的“一刀切”交流耦合解決方案，OutBack方案不僅更簡單、更劃算，而且還更安全、更穩定，同時還能為已有高達6kW的并網逆變器系統提供電池后備電量，使所有光伏電能不必遺留至災難性事故發生時。如果使用OutBack的Radian系列逆變器，不僅組裝占地更小、更劃算，而且還會獲得更高的性能和穩定性，使用戶能夠投入更高質量的能量存儲并整體提升再生能源系統。