家商两用光储混合系统设计要点简析

家商两用光储混合系统设计要点简析在刚刚结束的 2015 德国 INTERSOLAR展会上，众多大厂商（特斯拉、 BMS、奔驰、 LG、三星等）均推出了自己的家庭、商用储能系统，说明此领域已经受到了越来越多的瞩目。相对于已经日趋成熟的家用 /商用光伏并网系统来说， 家用 /商用光储混合系统（本文中提到的储能系统均假定为基于储能电池） 的设计要复杂很多， 而且由于其应用领域众多而容易引起混淆导致系统设计不合理。 本文对光储混合系统在实际应用中需要考虑的系统设计要素进行简要分析供大家参考讨论。1.系统安装目的：为什么要安装光储混合 （或纯储能） 系统， 安装此系统的目的是什么？这是在设计一个合理的光储混合系统之前必须要明确的问题。 根据不同系统设计目的其系统设计结果无疑差别很大。在现阶段， 不同国家的用户对安装光储混合系统会有不同的需求， 但基本上可以确定为以下几类：A.提高太阳能（也包括风能等 )自发自用率：此类应用目前在欧洲、澳洲、英国有广泛的需求。其主要背景是由于在此类区域， 现在太阳能并网发电补贴逐渐下降，而同时家用、 商用电费价格逐年上升， 另外因为新能源 （尤其是太阳能） 的日发电功率曲线和负荷的用电曲线不匹配， 对于家庭用户来说， 一般情况下只有 20%-30%的新能源发电量能被自己使用， 而其余电量均反馈入电网， 所以在上述背景下， 终端用户希望将太阳能发出来的电尽量都由自己消耗掉而不是反馈到电网。 在此情况下， 安装光储混合系统， 通过系统控制来尽量提高太阳能的自发自用率、让太阳能尽量为用户服务为系统主要安装目的。B.消峰填谷： 此类应用主要集中在峰谷电费差价较大的一些行业或国家， 一般只需要安装纯储能系统就可以。 用户安装此系统的目的就是希望在负荷较轻、 电价较低的时候对储能系统充电， 在负荷较重、 电价较高的时候由储能系统放电， 利用峰谷电价差来达到减少用户电费的目的。C.UPS工作模式：此类应用主要集中在电网供电可靠性较差的区域、国家，如非洲、东南亚等。 安装此类系统的目的就是希望在电网工作正常时， 由电网对用户进行供电， 同时由太阳能或电网对电池进行充电， 使电池在电网正常时尽量保持在满充状态。 当电网故障时， 转由光储混合（或纯储能）储能系统对用户进行供电，以保证用户供电的持续性。上述三种模式中，模式 A 和 B 均为并网为主、离网为辅的运行方式。模式 C 为离网为主、并网为辅。除上述三种主要模式外， 在电网应用级别的储能系统还有对电网频率进行调整的要求， 本文主要针对家用、商用的光储混合系统进行分析，所以对于此类应用模式不再进行讨论。2.系统配置在明确了系统安装目的之后才可以针对不同的运行目的来详细设计系统的主要配置。 在整个光储混合系统配置的设计中， 最核心的部分就是针对电池储能部分进行设计， 关键还是要同时兼顾到功率平衡和能量平衡来优化系统成本。 坦率的说， 此方面的设计计算非常复杂 （尤其是在提供太阳能自发自用率领域） ， 需要考虑诸多因素才可以得到一个合适的结果。 本文只是针对不同安装目的进行简要分析以供大家参考讨论：A.提高太阳能自发自用率 : 在此类应用中，其实也应该分为两种情况来考虑 :已安装太阳能的用户和未安装太阳能的用户。(1)对于已安装太阳能的用户 :由于已有太阳能发电系统，所以采用交流耦合方案来组建光储混合系统比较合适 :即原有的太阳能面板 +太阳能逆变器构成太阳能发电系统， 同时安装电池双向充放电逆变器 +储能电池构成电池储能系统，两者能量在交流测进行耦合。由于太阳能的发电功率、 日发电量和用户负荷的峰值功率及日耗电量均可预测， 所以设计电池储能系统的时候主要从功率平衡和能量平衡两个角度考虑即可：功率平衡： 其目的就是通过太阳能的日发电功率曲线、 用户的日负荷功率曲线选择合适功率(KW)的电池逆变器。 电池逆变器的功率不宜选的过大， 过大会导致成本增高而不实用， 因为太阳能不一定能提供足够的充电功率； 若电池逆变器功率过小， 会导致太阳能的自发自用率下降，过多的电量被反馈到电网中而未达到系统设计目的，同时储能电池也不一定能充满。一般而言，电池逆变器的功率为光伏功率的 60%-80%是一个比较合适的选择范围。能量平衡： 其目的就是要通过太阳能的日发电量、 负荷的日耗电量及预期的太阳能自发自用率来确定储能电池的容量 （ KWH） 。 跟功率平衡类似，储能电池容量过大会导致电池不能被充满而造成系统成本过高， 容量过小可能会导致储能电池非常容易被充满， 而太阳能发出的电量不得不被反馈到电网而使得太阳能自发自用率过低。 综合下来， 结合笔者多年来的设计经验，电池容量 (KWH)是电池功率的 (KW)的 1-1.5 倍 (数值上 )为宜。(2)对于未安装太阳能的用户，采用直流耦合方案比较合适，即太阳能 （配 MPPT 追踪器）和储能电池 （配一个双向 DC-DC变换器） 能量在直流母线侧进行耦合， 同时两者共用一个 DC-AC逆变器。 太阳能部分的设计可以直接参照纯光伏并网系统的设计进行， 电池部分和上面已安装太阳能的用户的设计思路相同。B.消峰填谷：针对此类应用， 因为不需要考虑太阳能， 所以其系统设计比较清晰。 主要就是根据客户要求决定储能系统的充放电功率， 再根据峰谷的不同时段来决定储能电池容量即可。 不过需要注意的是，由于一天中可能有多个峰、 谷、 平时段，所以会导致储能电池一天中多次进行深充深放循环，这种情况下储能电池的使用年限是一个必须考虑的问题。C.UPS工作模式：在此模式下的光储混合系统设计直接从功率平衡和能量平衡两个角度考虑即可：功率平衡：只要保证光储混合系统的最大功率要大于负荷的最大瞬时功率。能量平衡： 按照最坏情况没有太阳能考虑， 根据客户要求的备电时间即可决定储能电池容量。3.系统运行年限评估整个光储混合系统中所占成本最高、 最易损坏的部分就是储能电池， 所以整个系统的运行年限基本上就是由储能电池的循环次数、使用年限来决定。 (注：逆变器一般保修年限都是 5年，基本上可以使用到 7 年左右。一般若到了使用寿命后直接进行更换 ) 系统运行中，决定储能电池运行年限的主要因素就是 DOD(放电深度 )和充放电电流，同时一个具备良好均衡功能的电池管理系统对储能电池的使用寿命影响巨大 （尤其是锂电池） 。 如何延长电池的使用寿命是光储混合系统领域中另外一个非常重要的技术课题， 此处不进行过多讨论， 此处只列出现在市场上的一些专门针对应用在提高太阳能自发自用率领域的储能电池保修年限供大家参考：在一定的 DOD 和充放电电流的使用环境下：一般铅酸电池： 1 年胶体铅酸电池： 2-3 年铅碳电池： 5-7 年锂类储能电池： 7-10 年此外，现在市场也出现了一些 20 年保修的电池，但价格较高还未成为市场主流。在考虑到以上三个系统要素以后， 一个光储混合系统的设计方案可以大致确定下来。 但是除以上三个设计要素之外， 系统各关键部分通讯整合、 系统现场安装调试等因素也必须要考虑进来， 这些都需要一定的现场安装经验积累， 此处本文不再赘述。 希望通过本文对光储混合系统一些设计要素的描述分析， 让更多用户对光储混合系统的理解更深刻， 更有利于推动整个储能行业的发展。