1、由离网型蓄电池逆变器构建的混合系统发展新趋势I.介绍在过去的几年中，混合系统和微型电网的核心部件-逆变充电一体机（又称蓄电池逆变器或双向逆变器）的技术水平已经取得很大的发展。舆论普遍认为，是因为应用了新型拓扑结构的功率电路，然而更为重要原因是，数字控制技术使用，智能化大大提高。新技术使得各种不同层次产品，都可以采用高级算法，组建智能控制系统。这种先进的控制方式还提供很多灵活性，可以建立新型系统拓扑结构-即太阳能、风力、发电机和蓄电池混合在一起。作为系统集成的核心逆变充电一体机，使直流母线和交流母线智能的耦合在一起。基本的示意图，参考图 1。系统中，逆变器被用于调节能量流，作为不同交流能量源（来
2、自 ACIN 侧/来自 ACOUT 侧）之间的接口，管理交流负载和控制直流和交流母线。通过阅读参考文献 1 得知，现在业界已经普遍接受，混合系统可以为边远地区的电气化提供一个可靠的解决方案。现在标准的配置分：直流母线应用、交流母线应用，或者是交流和直流母线混合使用。项目集成商倾向于，针对组成每个系统要求，对部件进行特别的组合，以优化系统性能。目前市面上的产品能提供很多好的方法，来调节能量流和管理能量源。本报告采取举例的方式介绍一些新的功能，启发系统集成商找到合适的优化方案。首先，是能量协助功能（智能增强），这个功能帮助降低发电机的配置容量，从而提高混合系统的效率。第二个案例是，通过先进的算法，
3、形象得解释，根据系统不同的状态，选择能量源来自直流或交流。几年以前，已经有人提出交流母线并接的概念，这是一个典型的，利用现有的太阳能并网逆变器，通过增加一些智能控制技术实现新功能的技术方案，参考文献 4 和 5。为了能够兼容这种系统，逆变器需要具有相对应的电压/频率控制模式。但是，即使并网逆变器没有电压/频率下垂模式，通过新的办法仍然可以实现交流并接。本文中案例展示了，来自两个不同厂家的逆变充电一体机（离网）和并网逆变器如何实现交流并接。 II.能量补充（电流）在很多领域里，已经实现了蓄电池向电机智能补充电能（辅助动力）。这种概念常见的成功应用就是混合动力汽车。这种概念可以帮助降低发电机配置容
4、量（通常是按照负载峰值功率配置发电机），并使发电机更多工作在高效区持续功率输出。边远地区的离网电气化系统，发电机、蓄电池和双向逆变器组和在一起，也可实现同样概念：对于已经具备储能装置的系统，逆变器在发电机和负载之间承担接口功能。我们开发了一种控制方法来自动实现能量补充。这种能量协助的模式必须可以应对各种类型负载（电子负载，能耗低谐波含量高的灯泡，电机和补偿不当带强感性部件的荧光灯等等）。实现解决方案是，主动提供适当的能量协助来确认负载的曲线，以馈电流方式帮助输入的交流源。通过非常快速的调节，使得注射电流自动适用负载要求。STUDER 逆变器可以实现这种模式，称之为“智能增强 Smart-Boo
5、st“。智能增强是一种电流补充，不是功率补偿。因此，可以将逆变器自身的能量适当地补充到其它交流源里（如发电机或市电），即使是特殊负载也没有问题。图 2 展示了，在混合系统里，新一代的逆变器如何实现能量管理。关于更多智能增强功能的案例和细节可以参考文献2。智能增强功能如何能提高效率来节省发电机的燃料混合系统中，通常发电机的配置容量要大于负载的峰值功率。如果选择带电流补充的逆变器（带蓄电池），发电机的设计容量为负载的峰值功率减去逆变器功率。通过降容，可以选择容量小一些的发电机，从而降低初始投资。除了这个收益，当规划一个发电装置时，如果选择发电机降容和智能增强功能，系统整个效率提升比较可观。计算运行
6、成本时可以节省一些。逆变器智能补充的能量是来自，以前通过双向逆变器充入到蓄电池的能量。充进去的能量和智能增强放出能量之间的关系是 。合理的蓄电池逆变器平均效率是 （实际上会更高），蓄电池能量循环效率。我们发现一定的能量，充进去然后放出来（智能增强）比值是 1.48（67%效率）。这是一个非常高的值，对于评估系统的效率，我们必须要考虑发电机的耗油量。通过图 4，可以发现容量越小的发电机对于小负荷耗油越少。独立系统的负载曲线，精确的展示基本负荷和峰值负载之间巨大的差异。峰值负荷持续时间短，只需要这时启动逆变器增强功能就可以，峰值负荷结束后，能量重新补充回蓄电池。这意味着以下部分能量，循环效率是 6
7、7%。但是，我们可以发现使用降容的发电机，对于基本负荷供电的燃油效率得到了提高。现在模拟两套系统，对同一个的运行模式的典型负载供电，分别配置 6KW发电机不带智能增强，4KW 发电机带智能增强，见图 5。为了方便比较，我们模拟以下方式运行的混合系统，发电机只是在白天运转，晚上蓄电池通过逆变器来供电。测试结果是，6KW 的发电机消耗 15.65 升燃料，而 4KW 发电机耗油是13.38 升，少消耗 14%的燃油，1 年是 828 升。在设计系统时，降低发电机容量后降低了初始投资。而且发电机降容的模式，提高了燃油效率，可以节省燃油并且减少长期运行成本。即使是不想对系统发电进行机降容，当发电机运行
8、时，智能增强功能可以使系统功率更加的强大（应对更高的峰值负荷），然而没有任何额外的投资。这种模式还可以适应未来增加更多的负载。通过智能增强功能，集成和优化可再生能源上文介绍的智能增强功能，还可以实现直流侧只向负载馈电流的运行模式。并不影响连接在逆变器 ACIN 侧的交流源电网。蓄电池逆变器在直流母线和交流母线之间，扮演一个功率接口的角色，来智能的管理各种可用的能量。为了更好利用接在直流侧的（蓄电池）上的可再生能源，蓄电池逆变器可以设置功能，实现直流侧优先（太阳能优先）。图 6 直流优先直流优先的原则是，根据蓄电池电压，自动降低 ACIN 输入能量（输入交流源电流）。例如，直流侧有可再生能源发电
9、，逆变器会检测到蓄电池电压上升，会逐渐减小来自 ACIN 的能量输入。智能增强功能可以用于限制输入交流源的电流（避免其过载），通过直流侧能量的补充，使系统可以应对更大功率的负载。如果蓄电池电压下降到设定的直流优先电压，系统返回到原来只有降容发电机供电模式。III.通过移频方式管理交流并接孤岛系统与自然性的离网太阳能市场相比，并网市场规模巨大。由于并网市场的投资极大，因此有性价比很高的太阳能板和逆变器可供使用。这些产品对于小型的离网系统是不适合的，但可用于中等规模的系统，从几个到几十千瓦，典型的小型电网（Mini-grid）。并网逆变器输出端需连接交流电网，此电网可由双向逆变器（逆变充电一体机）
10、建立。如果电压和频率在可接受的范围内，并网逆变器将会认可这就是电网，连接在这个孤岛系统的电网上，开始正常太阳能并网发电。并网逆变器均带 MPPT 最大功率跟踪功能，能将所有的太阳能发电回馈到公共电网上，使投资效益最大化。但在离网系统里，情况有所不同，能量输出与负载消耗需要进行匹配。如果，太阳能发电比负载消耗多，多余的能量会充到蓄电池里。如果蓄电池满了，太阳能发电需要减少或停止或消费掉，避免蓄电池过充。这种对并网逆变器的输出管理，可简单通过改变电网频率来实现。并网逆变器被设定成只接受，电网规定的极限频率范围内。比如德国可再生能源法（EEG）相关指令要求是 47.5 到 50.2Hz。逆变充电一体
11、机设置本地电网的电压和频率，在设定条件下，电网频率可以提高，当超过极限值时，并网逆变器就会自动关闭(防孤岛保护)。在 2009 年，德国的可再生能源法（EEG）中电网规范已经设定新的要求（参考文献 6 和 7），其中一条对于微型电网/交流并接的应用具有特别的吸引力。频率与动态的功率下降成函数关系。当电网频率上升时，并网逆变器不是简单的停机，而是其功率输出在 50.2Hz 到 51.5Hz 之间线性下调。目前这个规定只是针对高压和中压系统，还没有广泛应用在低压的系统上。如果将来这个规定广泛被应用，对于离网系统将是非常有意义的。通过微小改变输出频率，蓄电池逆变器（双向逆变器），就可以控制孤岛系统里
12、太阳能的发电，实现发电-耗能-存储的平衡。比 ON/OFF 移频模式，能量管理更加精确。使用太阳能/风能并网逆变器，通过双向逆变器接口功能，与蓄电池组和在一起，可以简化大型离网系统（微型电网）的设计。例如，可以使光伏组件远离蓄电池。双向逆变器和蓄电池之间的电缆必须尽可能短而且粗（75-90 平方毫米），原因是标准的蓄电池电压是很低的（12-24-48Vdc）。 测试经验测试系统使用不同规格的 StuderInnotec 生产的逆变充电一体机，及许多品牌的并网逆变器。测试系统是几年前根据 Studer 的 Solsafe 概念（并网系统装置防断电备用系统）搭建起来，不断收集起来的测试经验（参考文
13、献 3）。逆变充电一体机（带蓄电池）与并网逆变器在交流母线上并接并不是只存在理论上的概念，通过测试证明是可行的。然而，我们观察到一个问题。因为电网防孤岛检测功能（ENS）导致并网逆变器经常断开。因此有时为系统正常工作，必须将 ENS 功能关闭，这对于独立系统是绝对合法的。这种现象产生是因为，逆变充电一体机交流输出阻抗比公共电网要高。但是目前，对于孤岛效应的检测技术已经更加智能化，不仅仅只取决于电网的电阻。然而，采取各种方式检测孤岛，如果“电压源“（VoltageSource）没有问题，并网逆变器与离网逆变器就可以工作在一起。近期的测试采用的 Studer 的 Xtender 系列逆变充电一体机
14、和 SolarmaxS3000 并网逆变器（瑞士 Sputnik 公司）。并网逆变器采用默认设置（德国规则）没有做参数修改，系统工作良好，这归功于更加智能和可靠的电网检测功能。总结测试经验，系统地各个部件的要求如下：“逆变充电一体机必须是双向的，能接受来自其交流输出端 ACOUT 的“反向“能量。还必须拥有能控制并网逆变器的功能，通过频率或继电器信号或通讯方式。Studer 的 Xtender 系列采用频率控制，Studer 的 Compact 系列使用了继电器信号。“逆变充电一体机的功率必须等于或大于并网逆变器的功率，当没有负载消耗时，所有发电都会通过逆变充电一体机进入到蓄电池。“相比老的阻
15、抗法，电网连接测试的标准要必须更加的智能化，否则存在风险，并网逆变器会打开-关闭很多次（终端效应）。因此，ENS 防孤岛功能（老的阻抗法测试）必须屏蔽。目前并网逆变器采取新的测试模式，无需屏蔽。最新测试过的 Solarmax 的 S 系列，就无需屏蔽其 ENS 孤岛保护。“为了实现可靠性和效率的最佳设计，需将所有的太阳能板合理分配到直流母线端（通过太阳能控制器，直流并接）和交流母线端（通过并网逆变器，交流并接）。图 7 见。考虑系统的可靠性非常有必要，如果有时因某些原因导致没有交流电，蓄电池就无法得到维护。比如，蓄电池没有电了，逆变充电一体机就会停止交流输出。即使太阳出来了，如果没有逆变充电一
16、体机提供的电网，并网逆变器也不会启动，交流并接系统进入了死循环。如果直流母线上有光伏组件，可给蓄电池充电，所有的系统就会重新启动，可以打破死循环。 IV.结论本篇问章我们展示了一些新型的离网系统设计模式，都是通过更加智能的双向逆变器（蓄电池逆变器）来实现。这些概念不是停留在理论研究，在商业实践中已经得到验证。大量的测试帮助我们找到，多个逆变器并联时启动智能增强功能或者各种不同容量的柴油机 1KVA 到 60KVA，产品的问题和限制。同样，并网逆变器与独立逆变器一起工作的交流并接模式，我们对很多组合进行测试，事实证明可以在实际工程中使用采用。这些大量实践测试经验，使得 STUDER 逆变器具有非常可靠的功能，适用于各种实际应用。
