太阳能加存储。如果您从事能源行业，而不仅仅是替代能源行业，那么您可能每天都会听到这个词。甚至一天多次。将电池与太阳能结合起来的一个合乎逻辑的目标隐藏在众目睽睽之下：我们已安装的千兆瓦光伏资源。总部位于北卡罗来纳州的美国最大的公用事业公司之一杜克能源 (Duke Energy) 正在寻求利用这一机会。杜克大学已将储能装置安装到其现有的一些光伏阵列中，以期在未来做更多事情。
在本文中，我们与位于北卡罗来纳州夏洛特的 Duke Energy 业务开发部的 Tom Fenimore 一起阐述了从这些努力中收集到的经验教训。Fenimore 为 Duke 领导了多项此类工作，并选择分享他执行此类项目的经验，以造福于更广泛的行业。这些知识包括在现有光伏电站中安装储能系统的动机，以及这样做时需要注意的实际技术挑战（以及应对这些挑战的一些解决方案！）。
为什么公用事业或任何其他光伏电站所有者想要将储能安装到现有光伏资产中？
根据其网站，到 2020 年底，杜克能源的发电组合中将拥有超过 15 吉瓦的可再生能源，其中很大一部分当然包括太阳能。
“随着越来越多的可再生能源进入电路，优化该电路的需求将会增加，因为需要提供电压和频率稳定性。Fenimore 解释说，最简单的方法之一是利用储能，并让储能与太阳能相互作用。“提供电网稳定性是我们作为受监管公用事业公司章程的明确组成部分。”
Duke Energy 受监管服务领域的最大部分位于北卡罗来纳州。就已安装的太阳能光伏发电而言，北卡罗来纳州在全国排名第二，仅次于加利福尼亚州。北卡罗来纳州和加利福尼亚州之间的主要区别之一是屋顶太阳能仅占北卡罗来纳州太阳能装置的一小部分，这意味着光伏电站通常是较大的地面安装系统。这一事实意味着每个光伏装置对给定配电或输电电路的功率贡献较大。
为什么太阳能+储能的直流耦合对将储能安装到现有光伏电站有意义
在寻求为现有光伏资产增加储能时，杜克能源等系统所有者有两种选择——交流或直流耦合。当太阳能电池板和电池连接在逆变器的交流侧，即“逆变器后面”时，实现了太阳能和储能的交流耦合。相比之下，在直流耦合拓扑中，太阳能和储能连接在逆变器的直流侧，即“逆变器前面”。
虽然对于不同的太阳能加储能应用使用交流或直流耦合方法可能有可行的理由，但在将储能安装到现有光伏系统中时，Fenimore 先生认为直流耦合比交流耦合具有一些非常引人注目的优势。
作为将储能集成到现有光伏电站的技术，直流耦合的主要优势之一是有机会利用不断增加的 DC:AC 比率的趋势。直流：交流比率是指安装的光伏电池板数量相对于逆变器交流铭牌的数量，它由交流互连到配电网的尺寸决定。
近年来，由于光伏面板价格的下降和逆变器技术的改进，出现了提高直流交流比的趋势。多年前，光伏电站的设计采用适度的 DC:AC 比率，通常在 1.05 到 1.1 之间。基于刚刚解释的因素，近年来，大型太阳能发电厂的直流电与交流电之比已从 1.5 增加到 1.8 直流电：交流电。有些 PV 逆变器甚至能够处理两倍于 PV 到电站额定 AC 容量的 DC overbuild。您可以从最近的这篇文章中了解有关 DC:AC 比率注意事项的更多信息。
所有这些 PV 过度建设都会导致大量潜在削波能量的可能性，即当 PV 发电量超过逆变器的额定功率时，逆变器会削减 PV 发电量。将太阳能和储能相结合的直流耦合技术允许在生产过剩期间将多余的发电量转移到电池中。然后可以在当天晚些时候或晚上释放这些捕获的发电量，以平稳光伏电站的生产，将太阳能等间歇性能源资源转变为真正可调度的能源资源。如果您是一家受监管的公用事业公司，与数百万最终用户签订合同，以确保只要他们在家中或公司按下开关，电灯就会亮起，那么能够准确控制发电容量的调度至关重要。
除了有机会捕获否则可能被削减（即丢弃）的能量，直流耦合还为系统所有者提供了一些独特的经济利益。根据现行政府规定，储能只能在直接从光伏充电时根据投资税收抵免 (ITC) 申请。
“成功安装储能系统的关键是获得优惠的税收或其他经济利益。一旦我们弄清楚如何作为一个有规律的行业来做到这一点，我们就会真正看到针头移动，”Fenimore 解释道。“我们在存储方面遇到的挑战之一是利用投资税收抵免。直流耦合比交流耦合更容易发生这种情况，因为我们只能通过太阳能为电池充电。这样做从财务角度来看是一个明确的案例，即电池充电的千瓦时来自何处。”
将储能安装到现有光伏系统中的实际挑战
与许多新的尝试一样，虽然使用直流耦合将电池安装到现有光伏阵列中很有意义，但“在纸面上看起来总是更容易，”Fenimore 指出。
“对现有光伏电站进行直流耦合存储改造的挑战之一是了解和处理现有站点和所有物理基础设施的布线实践。在框图上总是更容易。一旦进入该领域，要使其全部发挥作用可能会更具挑战性，”Fenimore 解释道。
杜克能源公司于 2019 年在其 McAlpine 太阳能发电厂进行的储能改造中出现了这样一个无法预料的挑战，即将浮动电池整合到接地光伏阵列中的问题。
“我们遇到了带有正接地太阳能电池板的直流耦合存储问题。克服这一挑战需要安装 Alencon Systems 的电隔离直流优化器，以在光伏系统和电池之间创建浮动接地。当我们开始时，这是完全出乎意料的，”Fenimore 解释道。
“小组需要这种意想不到的需求。最初，我们认为我们可以通过仅在逆变器级别进行更改来解决这个问题。事实证明，唯一的解决方案是在光伏阵列和电池之间建立隔离。太阳能模块制造时代可能会使现有光伏阵列中的储能安装变得复杂。”
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图 1 2019 年，Duke Energy 部署了直流耦合太阳能加储能系统，他们将电池储能系统安装到现有的光伏阵列中。这样做的一个技术关键是安装 Alencon 的电隔离 DC-DC 优化器，以将正接地光伏系统与公共直流总线上的浮动电池隔离开来。
电隔离 DC-DC 优化器如何促进现有光伏电站的储能改造
如上所述，杜克能源公司在其对现有光伏电站的最后一次储能直流耦合改造储能中吸取的技术教训之一是需要将光伏系统的接地与新安装的电池隔离开来。这通常不是交流耦合太阳能加存储系统的问题，因为光伏和电池后面的各个逆变器会自动创建这种接地隔离。
为了更详细地解决这一挑战，已安装的光伏系统，特别是那些连接到中央逆变器的系统通常都接地。在许多情况下，已安装的光伏系统是负极接地的。在 Duke Energy 最近的 McAlpine 项目中，现有的光伏电站使用的是老式的 SunPower 面板，这些面板具有正极接地要求。PV 面板可能出于多种原因需要接地，包括需要在 20 到 25 年内保持其性能并防止潜在诱导退化 (PID)等情况。
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图 2 一个典型的标注是在旧的、已安装的带有 SunPower 面板的光伏系统上的建筑图纸。此类标注表明将阵列保持在正接地配置中的重要性。相反，出于安全考虑，电池通常需要浮置。
另一方面，电池储能系统需要有浮动接地。对浮动接地的需求是电池的一项关键安全要求。具体而言，此要求对于大型电池系统是必要的，因为浮动接地允许发生两个故障，从而引发严重的安全情况。通过允许两个故障，车载故障检测系统可以检测到第一个故障，并在问题发生之前安全地断开电池。由于最近在韩国、亚利桑那州和其他地方发生的事件导致 ESS 起火，所有注意力都集中在 ESS 火灾上，因此注意电池制造商的安全指南当然至关重要。
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图 3 电流隔离用于两个或多个电路必须通信的地方，但它们的 接地 可能处于不同的 电位。Alencon Systems 的 DC-DC 转换器由一个逆变器和一个整流器部分组成，它们之间有一个隔离变压器，以实现输入和输出之间的完全电流隔离。碳化硅电力电子的应用让Alencon的设备变得非常高效和小巧。
电流隔离用于两个或多个电路必须通信的地方，但它们的 接地 可能处于不同的 电位。电流隔离是 通过防止不需要的电流在共享接地 导体的两个单元之间流动来断开接地回路的有效方法. 当直流耦合太阳能和储能时，需要一个直流-直流转换器来映射光伏系统和电池之间的电压差。电流隔离的 DC-DC 转换器，例如由 Alencon Systems 制造的转换器，具有将 PV 电压映射到电池电压的双重目的，同时隔离可能存在的差分接地方案。就 Alencon 的产品而言，他们能够通过应用尖端的碳化硅电力电子技术，在高度紧凑和高效的封装中实现这一优势。
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图 4 Alencon 的 DC-DC 转换器用于绘制 PV 系统和放置在同一 DC 总线上的电池之间的差分电压。该映射在上面进行了演示。