并网、离网与混合储能:各类系统如何运行

两栋住宅可能拥有相似的太阳能电池板和电池,但在公用电网故障时表现截然不同。一栋断电。另一栋则让少数关键回路继续运行。在一处没有公用电网连接的偏远物业,同一事件无关紧要,因为该场址本就运行在自己的电气网络上。
差异并不只是电池大小。并网、离网和混合描述的是与公用电网的不同关系。要理解它们,可以问三个问题:正常运行时电网是否存在?电网不存在时,什么建立电压和频率?哪些能源可以持续为负载供电?

并网储能与公用电网协同运行

并网系统,或称电网连接系统,与公共电力网络并行运行。电网提供既定的 AC 电压和频率,供跟网型设备匹配。它还弥补本地供需之间的差额:当太阳能和电池输出不足时,场址可以从电网购电;在当地规则允许的情况下,也可输出富余电能。
并网电池可以储存富余太阳能,将用电转移到其他时间,或响应运行计划。因此,“并网”并不意味着“没有电池的太阳能”。它意味着储能系统设计为在正常运行期间与可用公用电网交互。
这种连接并不会自动提供备用电源。U.S. Department of Energy解释称,传统跟网型逆变器使用电网作为其波形参考,并在扰动充分超出其允许范围时断开。UL 的逆变器系统应用指南同样区分了与公用电网交互的设备、独立运行设备和多模式设备,并描述了防孤岛保护,用于防止公用电网停电后继续外送。
因此,即使已充电电池实际存在,建筑仍可能断电。继续为本地负载供电,需要一个设计为能够与故障电网隔离并作为有意孤岛运行的系统。电池容量回答的是有多少能量可用;它并不能证明装置可在停电期间使用这些能量。

离网运行需要本地电气参考

离网系统没有公共电网可依赖。在场址供应 AC 负载的情况下,系统内设备必须建立本地电压和频率,同时发电、储能和需求需要时时保持平衡。在逆变器型系统中,这一角色通常由构网型或具备独立运行能力的设备承担,而不是传统跟网型逆变器。
电池和逆变器共同帮助管理短期和长期不平衡。当电机启动或云层降低 PV 出力时,它们可以响应,并在日落后承载负载。它们仍然只是供电系统的一部分。太阳能、风能、水电或燃料发电机可能贡献能量,控制系统必须协调充电、放电、发电、备用水平,以及在设计允许时进行非关键负载切除。
这就是为什么离网设计比增加一块大电池更具要求。设计必须覆盖其计划服务负载中的峰值同时需求,并通过储存能量和任何可调度本地电源,使这些负载度过可再生能源发电预期缺口。季节性发电、天气波动、负载增长、设备损耗和备用裕度都会影响结果。
外部发电机并不会使系统成为“并网”。只要它没有连接到公共公用电网,它仍然是离网系统。IEA Photovoltaic Power Systems Programme记录了结合 PV、电池和发电机组的离网系统,而SMA 的独立系统文档提供了一个具体示例:电池逆变器形成本地电网,并协调电池、发电机和负载。在这种情况下,发电机是另一种本地能源,通常保留用于可再生能源发电和储存能量不足的时期。

“混合”描述的是能力,而不是保证结果

在本比较中,混合指的是一种旨在支持多种运行模式的并网储能系统。公用电网可用时,它可以根据场址目标和当地规则购电、送电、充电和放电。当检测到停电时,具备备用能力的配置可以隔离受保护回路并建立本地供电。DOE 的韧性指南描述了太阳能+储能系统在电网电力丧失后切换到孤岛模式,并在供电恢复时重新并网。
不过,“混合”一词使用较为宽泛。例如,IEA PVPS 报告也使用“PV hybrid system”来指代由 PV、电池和柴油发电组成的离网组合。在实践中,该标签留下了若干未回答的问题:哪些回路继续供电,转换发生得多快,以及逆变器能否在没有公用电网的情况下启动并支撑孤岛。
这些功能必须在系统层面验证。一个可运行的备用装置需要适当的电能转换能力、隔离或转换设备、兼容的电池和控制,以及明确的备用负载边界。有些系统只支持专用关键负载输出;其他系统可设计为支持建筑的更大部分。可用电池能量影响运行时长,而逆变器功率和接入备用的回路设计决定哪些负载可以同时运行。
这样来看,这三类描述的是运行安排,而不是产品等级。在公用电力服务可靠且无需停电供电的场景下,并网系统可能已经足够。没有公用电网的场址需要自成体系的电力网络。预期正常使用电网并在停电期间维持选定负载运行的场址,需要经过验证的多模式配置。其孤岛、转换、负载支撑和控制能力,比逆变器上印刷的类别更有信息量。