模块化光伏离网储能系统设计与试验

郭雪松+侯丽娜+刘文平+赵治国

摘 要：文章研究了一种模块化的小型光伏离网储能发电系统，从光伏离网储能系统的设计与应用方面进行阐述，并通过试验验证其发电系统的可靠性与稳定性。该模块化光伏离网储能系统建成后，可应用于偏远山区、海岛及搭接电网成本较高的落后地区，根据其用电功率、需求性能和经济成本配备模块组数，形成成套发电设备。本系统组装灵活，成本较低，实用性强，解决了无电地区用电难的问题。

关键词：离网储能逆变器；蓄电池组；光伏组件；模块化；并联试验

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：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

目前我国诸多偏远山区及无电区域仍然存在，保证居民生活用电是一个亟待解决的问题。随着可再生能源开发利用的不断深入和电力能源存储等技术的不断发展，以及小型、微型电网具备了单点接入、多模式切换等优势，并且具备了智能电网的雏形。针对偏远山区及无电区域，海岛生活舱等的供能问题，选取丰富的太阳能可再生资源，配合储能蓄电池建立一种模块化的光伏离网储能发电系统，解决居民的用电需求，保证对海岛的开发利用进行研究，具有重要的价值和战略意义。

1 光伏离网储能系统设计

（1）本系统由光伏组件、防雷汇流箱、离网储能逆变器、蓄电池组、上位机监控系统及柴油发电机（可选）组成。柴油发电机做为备用电源，主要以太阳能发电为主。

参考海岛生活舱的用电情况如表1，错峰使用大功率用电设备且海水淡化项目尽量在太阳光照较好的白天使用，累计耗能23kWh。按照日光照有效时间为4h，光伏系统的整体效率为0.6，估算该系统光伏组件容量为：23kWh÷4h÷0.6=9.58kW。假设蓄电池的放电深度为50%，连续阴雨天暂考虑1天，则估算蓄电池的储存能量为：23kWh÷0.5=46kWh。

（2）考虑生活舱用电情况、系统可靠运行及经济成本等因素，设计方案如图1。采用三台离网储能逆变器并联，输出交流母线共接，智能化双电源自动切换开关ATS控制柴油发电机的启停。

2 光伏离网储能系统构成

2.1 离网储能逆变器

系统的核心设备是离网储能逆变器，选用上海煦达新能源科技有限公司（型号GMDE-105K48P）逆变器。该逆变器具有离网MPPT功能，蓄电池充放电管理功能，且根据太阳光照调节能量的使用，其性能参数如表2。

2.2 光伏组件

多晶体硅太阳能电池组件的价格要比单晶硅低，且转化效率低2%-4%，从控制工程造价方面考虑，选用性价比较高的多晶硅电池组件，如英利260Wp多晶硅太阳能组件，其性能主要參数如表3。结合逆变器的配置输入，选择光伏组件方阵为3串4并，同时配备4进1出的光伏防雷汇流箱。

2.3 蓄电池组

根据逆变器的性能参数及估算的电池储能容量，选取单体免维护胶体蓄电池。注意要选择储能型蓄电池，可以增加蓄电池的使用寿命。实际应用中要尽量减少并联数目，主要考虑为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般并联数目不超过6组。针对海岛生活舱蓄电池的容量的选取一般考虑阴雨天数为3-5天，本系统只考虑1天，主要根据项目预算有关，同时也体现了离网储能系统的缺陷，项目预算允许的条件下可以考虑增加蓄电池的容量，或者配备柴油发电机组，已满足供能系统与经济利益的平衡。

3 光伏离网储能系统试验

3.1 单机试验

试验组成：英利260Wp组件3串4并（计12块），光伏防雷汇流箱（4进1出），离网储能逆变器GMDE-105K48P，免维护胶体蓄电池4串3并（单体容量12V/100Ah，总容量14.4kWh），这种离网储能系统是海岛生活舱设计系统结构的单机组成的一部分。

试验说明：离网储能逆变器选择光伏优先向负载供电模式。运行情况：〔Ⅰ〕光伏能量完全满足负载供电，且有多余能量还可以向蓄电池充电；〔Ⅱ〕光伏能量无法向所有负载供电，蓄电池可在同一时间一起向负载供电。〔Ⅲ〕光伏能源不可获得，且蓄电池电压降至低级警告电压（程序可设置此警告电压），此时逆变器报警，且逆变器的干接点信号引出（常闭打开，常开关闭），ATS动作，柴油发电机启动。若方案中不考虑柴油发电机，逆变器根据蓄电池警告电压切断逆变部分即无交流输出，逆变器根据光伏能量完全转向蓄电池充电模式，直至蓄电池电压恢复到浮充电压值，才会启动逆变功能，交流输出恢复。endprint

试验方法：运用太阳强度照射计（型号CEM DT-1307），间隔0.5h对每块组件的中心位置进行光照度测量，并记录数据。通过RS485通信间隔2min保存逆变器的运行数据，考察系统的运行情况。

试验分析：

（1）选取单相可调负载1900W左右，运行时间9：00至16：30（持续7.5h），系统不间断连续运行。测试结果如下：

图2中左上图是光伏组件的平均光照强度曲线图（x轴测试时间，y轴关照强度w/m2），测试时间正值天津的夏季，夏季光照时间充足且持续长，但光照强度有效值不理想，光照强度从曲线图来看验证了这个结论。有效光照时间较短以光照强度≥700w/m2为目标曲线，约4h（10：30-14：30），等同于理论上计算的全年平均有效光照时间4h。

右上图是PV输入侧电压电流与蓄电池组电压随测试时间变化的曲线图。蓄电池组测试前的容量约80%，电压49V，随着负载的连续运行，电压缓慢下降，随着有效光照时间段的增强，电压缓慢恢复，测试结束的时候蓄电池组容量约75%，电压48.8V。测试过程中蓄电池组的容量与电压随光照强度的变化而变化，测试系统基本满足负载1900W的连续运行7.5h，且蓄电池组容量基本不变。PV侧电压与电流随着负载的运行情况进行调节，PV侧能量不足时，由蓄电池组补给保证负载运行；PV侧能量充足时，离网储能逆变器以最大功率输出，电压与电流的曲线图看出电压与电流趋势平稳。

左下图是蓄电池组充放电电流与时间的变化曲线。蓄电池组在光照强度不理想时补给能量与PV侧同时给负载供电，蓄电池组放电较大；随着有效光照强度的增强，蓄电池组放电缓慢，当PV侧能量完全满足负载运行时，充放电为0A；光照强度不断增强，PV侧能量满足负载使用的同时开始给蓄电池充电，图中充电电流X轴上方的半弧形图形。变化曲线图同时验证了离网储能逆变器的工作方式ⅠandⅡ。

右下图是AC输出的电压与频率曲线，系统输出的交流AC230V、频率50HZ，且曲线平稳。

（2）选取单相可调负载2100W左右，运行时间9：15至16：15（持续7h），系统不间断连续运行。测试结果如下：

图3中左上图光照强度曲线的变化比较缓慢，但有效光照强度≥700w/m2时长为5.5h（10：15-15：45），较上次的光照强度持续时间长。右上图的PV侧电压电流与测试时间的变化曲线较上次平稳区间较长，说明充分利用了离网储能逆变器的MPPT功能，保证系统多利用光伏的能量，较少的利用蓄电池组的能量。左下图蓄电池组的充放电曲线图对比可以看出，充放电平衡持续时间加长，给蓄电池组充电的持续时间变短，说明满足负载运行后多余能量变少。右下图逆变AC输出电压与频率比较平稳，无波动。

试验结论：设计的这组光伏离网储能系统，系统有功功率4kW，光伏输入3kW，良好的完成1900W和2100W的带载连续运行试验，在光照强度一般的情况下，基本上能保证负载的不间断运行，同时多余能量给蓄电池组充电。系统经济性比较可观，且系统输出稳定、可靠，安全运行。

3.2 并联试验

本系统考虑的阴雨天数较少，但智能化的离网储能系统的使用过程中，尽量大功率设备在白天有效光照时间段开启，以减少蓄电池组过度放电，保证蓄电池的有效使用寿命。这组离网储能系统可以用于偏远山区且最大功率不超过4kW居民使用，安装方便，经济可观，解决偏远山区居民无电问题，具有一定的推广性和使用性。该组系统可随着负载的增加或者考虑满足负载阴雨天数不断电的情况下，设计系统的并联使用，且蓄电池组容量配备擴增，同时也可以配置柴油发电机，来满足一些用电功率大，且不间断断电的需求。

由于光伏组件安装场地需求及数量问题，本试验系统的光伏组件容量及蓄电池组容量较小主要验证系统并联运行情况，试验组成如下：英利260Wp光伏组件3串3并（计9块），光伏防雷汇流箱（3进3出），离网储能逆变器GMDE-105K48P（3台并联），免维护胶体蓄电池4串3并（单体容量12V/100Ah，总容量14.4kWh）。

试验背景：并联试验选取单相可调负载1400W左右，运行时间10：20至16：10（持续近7h）。采用三台离网储能逆变器编码为#014（主机）、#007和#008（从机），对试验数据整理分析，如图4：

图4中左上图是三台离网储能逆变器的PV侧输入电压随时间变化的曲线，同一批次同一型号的光伏组件PV输入电压波动不大。右上图PV侧电流随时间变化的曲线，可见主机#014的输入电流稍微偏大，结合电压曲线看，主机PV侧电压偏低，在保证每台逆变器输出能量基本相同的情况下，主机的MPPT跟踪效率相对较高。右下图三台逆变器输出功率跟随时间变化的曲线，可表明并联系统的输出稳定，每台逆变器的输出功率相差不大，均流效果较好。左下图是蓄电池组电压与总充电电流变化曲线，并联试验系统在有效光照时间内基本满足负载的连续运行，多余能量能给蓄电池组充电，保证系统的平衡状态。

4 结束语

模块化的光伏离网储能系统的应用其经济成本与用电量需求有着两面性，本文通过选用智能化的离网储能逆变器，在基本满足用电需求的情况下，设计了经济性能可观、系统稳定可靠、安全运行的模块化光伏离网储能发电系统，按用户需求可随时扩展系统容量（模块组数增加），安装灵活方便。通过对模块化光伏离网系统进行单机与并联试验，能良好的满足系统运行条件。模块化光伏离网储能系统能有效解决偏远山区、海岛、跨接电网成本较高等一些无电地区居民用电需求，具有一定的市场应用及推广性。

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