储能光伏系统的拓扑结构的应用性比较分析以及设计注意事项(二)

储能系统的设计难点在于多且繁琐，电池系统的一系列设计事项也让储能系统相比于并网系统的设计难度又高了一些。在设计过程中，不如像“庖丁解牛”一样化繁为简，化整为零，分为不同的区域系统进行设计。然而有一条主线是必须贯穿自始至终的，它也是各分区系统设计的参照，这就是“用户日用电量”和“用电器峰值瓦数”。

首先我们需要明确下“用户日用电量”(kWh)和“用电器峰值瓦数”(kW)这两个参数的区别和用途。日用电量指的是用户在一天24小时内平均使用的电能(kWh)，这也是电池系统或电池系统以及电网每天在电池“SOC”范围内至少要提供的电能。不同用电器有不同的额定功率(kW)而逆变器需要提供足够的电功在诸多大功率用电器同时运作时。所以“kWh”和“kW”对于蓄电池库和逆变器的选择至关重要。日均用电量可以从用户电费单上计算得出而用电器功率则需要从用户端收集,通常是通过表格采集，如图一所示：

图一：负载采集表模板

在采集kW值时，要注意部分用电器的脉动因数(surge factor)与逆变器的五秒输出峰值功率(5 sec output power)的匹配，这是因为部分用电器在启动时会需求一个相当大的瞬时功率，若逆变器的瞬时释放功率不能满足的话，用电器就有可能被伤害或无法启动。

当获取到用户日均用电量kWh信息后，下一步需要对于电池库进行设计。首先要确定的是电池库的电压，可以参照图二：

图二：电池库电压选择参照表

打个比方，一用户系统日均用电量大约4度电左右，也就是4kWh，那么可以建议其采用24V的电池库。目前市面上的铅酸蓄电池电压大约在2.0Vdc ± 0.2Vdc, 那么该用户建议需要12块电池串联。

其次，需要确定蓄电池的容量大小(安培小时Ah)。蓄电池的放电量可以通过式(一)计算得出。

(式(一))

然而167Ah并不等于电池的实际容量，如之前段落提到的SOC，这167Ah实际上是代表蓄电池的放电深度DOD(Depth of Discharge)。不同类型的蓄电池放电深度都是不一样的，最好是参照制造商提供的参数表，然而一旦超过这个DOD，就有可能对蓄电池造成永久性的损坏并且会迅速减少其循环寿命(Life Cycle)。澳大利亚的储能系统常用“GEL”蓄电池，其放电深度额定为15%至20%左右，在这里我们取20%，那么所需要的蓄电池容量大小可以通过式(二)计算得出。

(式(二))

当你拿到蓄电池的参数表时，会看到不同的C – Rating，有C5，C10，C24，C120等等，而且不同的C – Rating对应的容量值Ah也不一样，见图三。其实这些角标反应的就是蓄电池每次充电循环的放电时间，对于稳定电网的并网用户，需要蓄电池持续放电时间往往小于5个小时，那么选择C5在835Ah的蓄电池即可。然而对于电网较不稳定，可能出现一天或者几天持续断电情况下的用户，C24或C120的电池则更为推荐。这里有一个非常重要的细节需要设计师和用户注意。对于C5的835Ah电池，其持续放电电流大小可以达到167A，然而对于C24的835Ah电池，仅仅只有35A。这就表示如果在持续使用蓄电池长达24小时的情况下，大功率耗能用电器是不建议全开或者使用的。如果用户有该方面的强制性需求，则需要更大容量的蓄电池来补足。如果该系统是一个额定2kW逆变器系统，假设逆变器转化效率为0.9，那么最大输入直流电需要93A左右，显然C24的835Ah的电流无法满足。当然，对于同一个电池来说，放电时间越短，放电电流越大，其实际放电电量也就越少，如图三所示，GFM-100的C1的放电电流可以达到55A，C10的电流只有10A，然而C10的放电量却约是C1的两倍(100Ah Vs 55Ah)。

对于离网用户，还需要考虑另外一个参数，叫“自给天数”autonomy days。这是因为没有电网的支持，对于连续阴雨或光照不佳的天气，光伏系统不能持续每天给蓄电池库充电而导致的蓄电池放电过度，这就需要我们设计容量较大的电池库来预防这类情况，通常假设自给天数为3至5天，也就是用蓄电池容量乘以3或5，来达到实际需求。此时单排的蓄电池串联往往无法满足容量需求，我们还需要额外并联一组蓄电池，进而达到电压不变，容量加倍的目的。

图三：某蓄电池参数表

对于光伏系统的设计相对简单很多，因为充电控制器会调节到适合给蓄电池充电的电压，所以我们唯一需要注意的就是组件的输出电压是在充电控制器的安全工作电压范围内。接上面的系统，对于日用电量4kWh的用户，这4kWh既是需要从蓄电池导出到用电器的电能，也是需要从光伏系统充电给蓄电池的电能。考虑进系统效率，通常AC Coupled系统效率为0.7-0.8，DC Coupled的系统效率为0.5-0.6，那么光伏AC Coupled系统日均发电量应为5.7kWh，DC Coupled系统日均发电量为8kWh。假设该地区的峰值日照时间为4小时，那么AC Coupled光伏系统为1.5kW，DC Coupled光伏系统为2kW。同样，对于离网系统考虑进Autonomy Days因素之后，光伏系统也需要适当的扩容以满足日均充电需求，然而并不需要3倍至5倍的增加。

至此，本文部分的介绍了储能系统的设计方法，然而实际设计的复杂程度要远大于此。电缆的宽度，保险丝的选择，电池库的位置，蓄电池的维护等等，这些都需要详细的一体化的标准来规范要求。不同的蓄电池，如Flood Lead Acid, Valved Lead Acid, Lithium, NiCd等等，都有各自的操作守则和注意事项。系统之初需标准先行，在全球储能系统的比重越来越大的趋势下，我建议安全标准以及设计规范相关的文件也可以在国内同步发展和推出。