电网停电时会发生什么?了解转换开关

当公用电网发生故障时,户用电池可能已经充满电,却仍然无法立即为已接入备用电源的回路供电。储存的能量只是问题的一部分。在这些回路能够被安全供电之前,系统必须识别电网条件已不再可接受,将住宅中受保护的部分与公用电网隔离,建立本地电源,然后为实际位于备用系统内的负载送电。转换开关,或执行同等转换功能的设备,有助于控制正常并网运行与有意备用运行之间的边界。

住宅中接入备用电源的部分必须成为一个有意孤岛

并网太阳能与储能通常与公用电网并行运行。当公用电力消失时,它们不能在不改变同一电气网络的情况下继续送电。装置中将继续供电的部分必须先有意与公用电网隔离。SMA 的电池备用文档提供了一个具体示例:在电网故障期间,自动转换开关设备会先将备用系统与公用电网断开,然后逆变器建立本地备用电网。这种隔离背后的安全原则是防孤岛。与公用电网交互的发电设备不得在公用电力丧失后无意中继续为外部电网区段送电。(UL) (SMA)
这形成了一个重要区别:非期望孤岛与有意备用。防孤岛关注的是防止本地发电在停电后继续向公用电网侧送电。备用运行则是在已验证隔离点的受保护侧执行相反操作:一旦隔离,具备备用能力的逆变器即可建立本地负载所需的电压和频率。U.S. Department of Energy 描述了太阳能+储能系统在检测到电网电力丧失后,会在停电期间切换到孤岛模式。在这种情况下,孤岛是有意隔离的用户侧系统,而不是故障电网的意外延伸。(U.S. Department of Energy)
确切的切换顺序取决于设备,因此有必要将通用功能与某一制造商的实现方式区分开来。在 SMA 记录的设计中,逆变器检测到电网故障,联络开关将备用系统与公用电网断开,反馈监测确认切换状态后,再为已连接的备用负载供电。其他系统可能以不同方式封装这些功能,但底层要求类似:在与公用电网完成所需隔离之前,备用电源不应将受保护回路作为有意孤岛送电。(SMA)
转换功能并不总是表现为一个标有 “ATS” 的传统独立箱体。例如,Tesla 使用 Backup Gateway、Backup Switch 和 Gateway 3 等设备,在不同 Powerwall 系统配置中检测停电并启用电池备用。因此,即使电气任务仍然清晰可辨,硬件布局也可能有所不同:检测异常电网条件,维持所需隔离点,并支持向本地供电的转换。(Tesla)
这种转换也解释了为什么电池备用系统不应自动被视为 UPS。在系统检测停电、改变切换状态并建立备用电源期间,可能会出现实际中断。SMA 表示,其一种户用备用方案在转换过程中会使负载约五到七秒无供电,并明确说明该方案不满足 UPS 要求;无法承受这种中断的负载需要单独的 UPS 保护。五到七秒这一数值属于该文档所述系统,并不代表所有备用系统,但它说明了为什么“有电池”和“有不间断电源”是不同的主张。(SMA)

备用边界决定哪些负载可以供电

一旦受保护区段与公用电网隔离,备用边界的物理位置就会以实际方式显现。全屋备用方案可能将主配电盘置于备用侧。部分住宅备用设计则可能使用专用 Backup Panel,其中只包含选定回路。Tesla 发布了这两类 Powerwall 配置。在部分住宅备用方案中,Backup Panel 之外的回路不会仅仅因为电池中仍有能量,就突然具备电池供电资格。(Tesla)
这就是为什么两栋住宅使用相同电池,在同一次停电中却可能表现不同。一个装置可能把大多数家庭回路放在备用设备之后,而另一个装置可能只保护制冷、照明、通信或其他选定负载。转换架构决定哪些回路在电气上连接到本地备用系统。电池和逆变器是否实际能够同时支撑所有这些负载,以及能持续多久,是另一个功率与能量问题。
因此,从功能层面看,无需假设每种产品都使用相同的内部状态机,也可以理解停电转换。电网条件变得不可接受,装置中受保护的部分与公用电网隔离,本地电源建立,位于该边界之后的回路随后可以供电。关键不在于每个系统是否以相同毫秒级时序执行相同继电器动作,而在于有意备用依赖经过验证的电气边界,而不是电池仅仅开始放电。
公用电力恢复也必须受到控制。备用系统不应仅因为可接受电压瞬间出现,就重新连接受保护区段。SMA 记录了公用电力恢复后的电网监测期;一旦监测成功完成,备用运行结束,系统重新连接到公用电网。所需等待时间取决于适用的国家设置和要求。(SMA)
开头的情形现在看起来不同了。满电电池本身并不能让住宅在电网消失的瞬间就具备备用能力。系统必须先创建安全的电气边界,建立本地供电,并且只服务属于该边界内的回路。转换开关之所以重要,是因为它有助于使这种电气状态变化成为有意操作。电池提供储存的能量;转换架构决定停电期间这些能量何时、何地可以使用。