太阳能电池系统类型 - 交流耦合与直流耦合

 什么是交流和直流耦合？

简而言之，交流或直流耦合是指太阳能电池板如何耦合或链接到电池系统。太阳能电池阵列和电池之间的电气连接类型可以是交流电 (AC) 或直流电 (DC)。交流是电流快速向前和向后流动（这是电网运行的方式），而直流是电流单向流动。大多数电子电路使用直流电，而太阳能电池板产生直流电，电池储存直流电。然而，大多数电器都是使用交流电运行的。这就是为什么所有家庭和企业都有交流电路的原因。可以使用逆变器将直流电转换为交流电，但如下所述，总会损失一些能量。

快速总结

使用太阳能充电控制器的直流耦合是房车和大篷车中使用的小型移动系统以及小型住宅离网系统的最佳选择。对于并网储能系统和大型离网系统来说，使用太阳能逆变器的交流耦合效率要高得多，特别是在白天负载较高时。下面详细解释了每种系统类型的全部优点和缺点。

四种主要的太阳系类型

1. 直流耦合系统 - 离网

2. 交流耦合系统 - 离网

3. 交流耦合电池系统 - 并网

4. 直流耦合混合系统 - 并网

一般来说，离网太阳能装置仅使用直流或交流耦合系统。我们解释了以下原因，并对离网电力系统的交流与直流耦合太阳能进行了比较。

---

1. 直流耦合系统- 离网

几十年来，直流耦合系统一直用于离网太阳能装置和小容量汽车/船用电力系统。最常见的直流耦合系统使用太阳能充电控制器（也称为太阳能调节器）直接从太阳能为电池充电。这些系统通常使用电池逆变器为家用电器提供交流电源，如下图所示。

对于微型系统，例如大篷车、船只或小屋中使用的系统，简单的 PWM 型太阳能控制器是连接 1 或 2 个太阳能电池板为 12 伏电池充电的一种非常低成本的方式。PWM（脉冲宽度调制）控制器有多种尺寸，小型 10A 版本的成本低至 35 美元。

对于较大的系统，MPPT 太阳能充电控制器的效率最高可提高 30%，并且可提供高达 200A 的电流。与简单的 PWM 控制器不同，MPPT 充电控制器可以在更高的串电压下运行，通常高达 450 伏直流电压。然而，与通常在 200-800 伏直流电压下运行的并网太阳能串式逆变器相比，这仍然相对较低。由于许多低成本MPPT太阳能控制器常见的150V上限电压限制，最多可以串联3块电池板，这意味着对于3kW以上的大型太阳能系统，安装可能会变得更加复杂，需要将电池板串组合在一起与保险丝并联。

优点

• 效率非常高 - 电池充电效率高达 99%（使用 MPPT）

• 非常适合离网系统并提供黑启动功能

• 模块化 - 如果需要，可以轻松添加额外的面板和控制器。

• 非常适合为直流电器和负载供电。

• 如果电网服务提供商限制或限制并网太阳能逆变器的容量（即最大 5kW），则可以通过直流耦合电池系统和 MPPT 充电控制器来添加额外的太阳能。

缺点

• 对于 6kW 以上的系统来说，它可能会变得昂贵，因为需要多个更高电压的太阳能充电控制器。

• 如果白天为大型交流负载供电，由于从直流到直流，然后从直流到交流的转换，效率会降低。

• 设置更大的系统更加复杂，因为需要并行多个字符串以及字符串熔断。

• 一些太阳能充电控制器与“托管”锂电池系统不兼容，例如 LG Chem RESU 或 BYD B-Box

推荐的直流耦合离网系统

• Victron Energy Multiplus逆变器和太阳能充电控制器。

• Selectrconic SP PRO多模式逆变器与AERL充电控制器直流耦合。

• Outback Power Radian、FXR 逆变器和 FLEXmax MPPT 太阳能控制器。

• 带有 Conext MPPT 控制器的 Schneider Conext XW+（参见视频评论）。

---

2. 交流耦合系统 -离网

先进的交流耦合系统通常用于大型离网系统，并使用普通串式太阳能逆变器与多模式逆变器或逆变器充电器相结合来管理电池和电网/发电机。虽然设置相对简单且功能强大，但与直流耦合系统 (98%) 相比，它们在电池充电方面的效率 (90-94%) 稍低。然而，这些系统在白天为高交流负载供电时效率更高，有些系统还可以通过多个太阳能逆变器进行扩展以形成微电网。交流耦合系统非常适合使用太阳能为电动汽车 (EV) 充电，因为普通家用壁箱式电动汽车充电器均由交流电供电，充电负载通常非常高。

由于使用具有较高直流电压（高达 600V 或更高）的串式太阳能逆变器的优势，许多现代离网家庭都使用交流耦合系统。与需要多个 MPPT 充电控制器的直流耦合系统相比，这使得能够以更低的成本和复杂性轻松安装更大的太阳能电池阵列。较大的三相商业系统需要更大的太阳能电池阵列，使用交流耦合和更大的 10 至 20kW+ 太阳能逆变器。

优点

• 白天为空调、泳池泵和热水系统等交流负载供电时，效率更高（效率高达 97%）。

• 使用常规家用墙盒电动汽车充电器时，非常适合太阳能电动汽车充电

• 6kW 以上的大型系统通常安装成本较低。

• 可以在多个地点使用多个串式太阳能逆变器（交流耦合微电网）

• 大多数3kW以上的串式太阳能逆变器都具有双MPPT输入，因此长串电池板可以以不同的方向和倾斜角度安装。

• 先进的交流耦合系统可以使用交流和直流耦合的组合（注意：对于某些“管理”锂电池来说这是不可能的）

缺点

• 电池系统充电时效率较低 - 大约 86% 至 92%

• 太阳能逆变器容量可能会受到逆变器充电器尺寸的限制（即 Victron 1:1 比率）。

• 对于小型系统来说，高质量的太阳能逆变器可能会很昂贵。

• 为直流负载供电时效率低。

推荐的交流耦合系统

• S electronics SP PRO逆变器充电器和 FIMER 或Fronius 太阳能逆变器。

• SMA Sunny Island和 SMA sunny boy 逆变器。

• Victron Energy Multiplus 或 Quattro 逆变器和 Fronius 太阳能逆变器。

---

3. 交流耦合电池- 并网

交流耦合电池，或简称交流电池，使电池可以轻松地交流耦合到新的或现有的太阳能装置。交流电池由锂电池模块、电池管理系统 (BMS) 和逆变器组成，位于一个紧凑的单元中，可以轻松连接到大多数家庭。

这些系统通常只为并网家庭设计，而不是离网家庭，因为（无变压器）逆变器通常不够强大，无法完全离网运行家庭，并且无法处理许多电器的浪涌负载。最著名的交流电池是Tesla Powerwall 2以及 SonnenBatterie ，后者在欧洲和澳大利亚更为常见。领先的微型逆变器公司Enphase Energy还生产家用交流电池系统。

另一种选择是使用“改造”交流耦合逆变器来创建交流电池系统。这些系统使用专门的交流耦合逆变器（例如SMA sunny boy 存储）以及常见的直流电池（例如流行的LG chem RESU或 BYD HVM）。

优点

• 轻松改造 - 可以添加到现有太阳能装置的家庭中

• 增加能量存储的经济方式。

• 一般情况下安装简单。

• 模块化系统允许扩展。

缺点

• 由于转换（直流 - 交流 - 直流），效率较低 - 约 90%

• 某些交流电池无法用作备用电源

• 通常不适合离网安装。

推荐的交流电池系统

• 太阳能电池ECO

• 特斯拉 Powerwall 2

• 塞内克之家

• 固德威SBP系列-交流改造逆变器

---

4. 直流耦合混合系统- 并网

混合系统可以描述为并网直流耦合太阳能电池系统。它们有许多不同的配置，通常使用混合（多模式）逆变器。现代混合逆变器在一个公共单元内集成了高压 MPPT 控制器和电池逆变器。第一代混合逆变器与48V铅酸或锂电池系统兼容。然而，更高电压（400V+）的电池系统已变得越来越流行。

查看大图

高电压与低电压系统

与传统的 48V 电池系统不同，高压电池的工作电压范围为 200-500V DC（标称值 400V）。这具有多种优点，包括降低电缆损耗和提高效率，因为太阳能电池阵列通常在 300-600V 下运行，这与电池电压非常相似。更高电压 (400V) 电池和兼容的混合逆变器使用在 120-500V 而不是 48V 之间运行的锂电池系统。

由于大多数太阳能电池阵列在约 300-600V 的高压下运行，因此高压电池使用损耗极低的高效 DC-DC 转换器。比亚迪 HVM 系列电池是最受欢迎的高压电池系统之一，与许多混合逆变器兼容，包括 SolarEdge StorEdge 和 Fronius GEN24 Plus。

优点

• 经济、紧凑、安装简单

• 高效率电池充电 - 约 96%

• 紧凑、模块化的电池选项

• 使用高压电池，电缆尺寸更小，损耗更低

• 可以对“一些”现有的太阳能装置进行改造。

• 现在有越来越多的混合逆变器可供使用

缺点

• 某些系统无法充当备用电源

• 许多有备份的系统在停电期间会有 3-5 秒的延迟

• 由于无变压器混合逆变器具有低浪涌额定值且无发电机控制，因此通常不适合离网安装。