微型逆变器交流耦合混合逆变器实现电池备用供电

微型逆变器与混合逆变器为何常常组合使用

微型逆变器在屋顶上将每块组件的直流电转换为交流电，因此直流电只存在于组件与其微型逆变器 （打开外部网站）之间的短引线上，电压远低于快速关断规定在阵列边界内允许的 80 V。电网失电或关断开关断开时，并网微型逆变器即停止向输出端供电，离开阵列的导线不再带电。这正是微型逆变器系统无需另装关断装置即可满足 NEC 690.12 的原因。规范沿革与工作原理，请参阅我们关于纽约屋顶退距与快速关断以及逆变器安全功能原理的指南。

业主需要储能时，局限便显现出来。微型逆变器品牌自身的备用电源系统只在该品牌体系内运行：根据 Enphase 的兼容性资料 （打开外部网站），Enphase 备用电源须使用其自有的系统控制器和 IQ 电池；无需电池、停电时即可利用日照发电的 Sunlight Backup 功能，则要求使用 IQ8 或 IQ9 微型逆变器。业主若希望使用更大容量或其他品牌的电池，或希望系统日后可接入电动车，往往会改为考虑开放式混合逆变器。

混合逆变器集电池逆变器与太阳能逆变器于一体，通常通过自带的 MPPT 输入直接连接组件。最大功率点跟踪（MPPT） （打开外部网站）会调整每一组串的工作电压，以获得最大功率。现有微型逆变器阵列以交流耦合方式接入后，这些输入端在日后加装组件之前处于闲置状态。Sol-Ark 的《交流耦合住宅指南》 （打开外部网站）指出，交流耦合最常见的用途是改造现有逆变器系统，并且可保留组件级监控。我们的现有太阳能加装电池指南将这一方案与同品牌电池及 Powerwall 3 进行了对比；本文则说明耦合后系统的运行方式。

跟网运行与构网运行

并网微型逆变器属于跟网（grid following）设备：它测量端子处的电压和频率，与之同步后注入电流。没有电网可跟随时，它无法启动；IEEE 1547-2018 规定的防孤岛保护还要求它在出现非计划孤岛 （打开外部网站）后 2 秒内停止供电。所谓孤岛，是指市电中断后仍处于带电状态的一段电网。

混合逆变器由电池供电运行时属于构网（grid forming）设备：它像电力公司一样自行建立电压和频率。电网故障时，混合逆变器断开内部转换继电器，使住宅与市电隔离，并为备用回路供电。接在其发电机端口或交流耦合端口上的微型逆变器随即检测到稳定的电源，完成自身的重新并网检查后恢复发电。整个过程中市电线路始终处于隔离状态，因此这一孤岛是计划内的，且仅限于住宅内部。基于逆变器的电源 （打开外部网站）条目对这两种控制模式有更一般的介绍。

Sol-Ark 规定，所有交流耦合电源均须符合 UL 1741、UL 1741 SA 或 UL 1741 SB，因为只有符合这些标准，电源才能把 Sol-Ark 视为构网电源，并在 Sol-Ark 实施限发时断开。该指南还指出，耦合电源接在发电机端子上时，转换时间为 5 ms。

通过频率偏移和频率-功率响应限制发电

停电期间，负载用不完的太阳能电力只有一个去处：电池。电池接近充满时必须降低发电量，但混合逆变器通常与微型逆变器之间没有数据连接，于是改用本地电网的频率 （打开外部网站）作为信号。Enphase 与 Victron 联合技术简报 （打开外部网站）指出，频率偏移是大多数电池逆变器控制光伏功率的方法。

微型逆变器一侧的响应称为频率-功率（frequency-watt），也称频率下垂：频率超出一个很小的死区后，逆变器按频率升高的幅度成比例降低输出；超过过频跳闸设定值时则断开。IEEE 1547-2018 （打开外部网站） 将频率-功率列为必备功能，UL 1741 SB 依此对逆变器进行测试。

提交给纽约州并网工作组的新英格兰地区电力公司设定文件列出了 Category III 默认值 （打开外部网站）：死区 0.036 Hz、下垂 5%、开环响应时间 5 秒，并注明频率-功率功能不得关闭；过频跳闸设定为 61.2 Hz 持续 300 秒、62.0 Hz 持续 0.16 秒。下垂 5% 是指超出死区后，频率升高额定值的 5%，即 60 Hz 系统上升高 3 Hz 时，输出由满功率降至零。

Sol-Ark 明确表示，它只能开启或关闭交流耦合电源，无法调节其功率；并建议离网时在电池荷电状态（SOC）为 90% 时关闭耦合电源，60% 时重新开启。Sol-Ark 还建议交流耦合电力只将电池充至约 95%，因为充至 100% 有过充风险；充满应依靠直流耦合的组件。

微型逆变器的电网参数配置

电网参数配置（grid profile）是逆变器采用的一整套跳闸限值、故障穿越时间和电网支撑功能。电网正常时，混合逆变器将输入端直接接通输出端，微型逆变器看到的就是市电本身。Enphase 与 Victron 的简报明确指出：微型逆变器必须完全符合当地电网规范，运行合规的电网参数配置，电网运营方有要求时还须加装 IQ Relay。在纽约州，《标准化并网要求》 （打开外部网站）规定设备须通过包括 Supplement SB 在内的 UL 1741 认证，并采用电力公司指定的参数。

混合逆变器本身的参数配置同样须正确设定。Sol-Ark 指出，启用交流耦合之前必须先设定电网类型，因为它决定防孤岛行为和频率偏移的限值；设定错误可能导致控制失常、误停机，或不符合电力公司及安全标准。

实际要点是：备用运行时选用的限发频率必须处于电力公司参数配置允许的范围内，不应为了方便耦合而让微型逆变器脱离电力公司的参数配置。已并网系统若要更改运行模式，例如允许电池向电网送电，须向电力公司重新提交申请。

在北美以外，同样的设计运行于 50 Hz 电网。Enphase 简报列出了 EN 50549-1、VDE-AR-N 4105 以及英国 G98、G99 等电网规范，各国的频率偏移起始点为 50.2 至 50.5 Hz，断开点为 51.5 至 52.0 Hz。

按 Factor 1.0 规则确定容量

Victron 的 Factor 1.0 规则 （打开外部网站）规定，光伏最大功率必须等于或小于逆变充电一体机在 25 °C 时的持续输出功率。原因在于时序：太阳能满发时若有大负载突然断开，微型逆变器会在频率升高之前继续发电，这段时间内全部余电只能流入电池。电池接近充满时，由此产生的电压尖峰可能使电池逆变器跳闸，甚至损坏设备。

Victron 举例说明：额定持续功率 2,400 W 的 MultiPlus-II 48/3000 可接 2,400 W 的耦合太阳能，Quattro 48/8000 的额定值为 6,400 W。计算时取阵列峰值输出与光伏逆变器总额定功率中较低的一个。Enphase 简报则按逆变充电一体机的 VA 额定值表述该规则，允许 8,000 VA 的 Quattro 接入最多 8,000 W 的微型逆变器，即不超过 21 台 IQ7A 或 27 台 IQ7+；Victron 本身对该型号给出的 6,400 W 是更保守的上限。Victron 还规定了锂电池的最小容量：每 1.5 kWp 交流耦合太阳能需配 4.8 kWh。

Powerwall 3 的数据出自 Tesla 交流耦合容量设计指南 （打开外部网站）。其他品牌应以厂家安装手册中的限值为准，不能以论坛数据代替。

阵列接入位置：发电机端口、电网侧与母排

Sol-Ark 列出了三种接入位置。发电机（GEN）端子是其推荐方式：可保留大部分逆变器功能，停电时耦合阵列继续运行，发电量也会显示在监控平台中，但必须配置电池。电网侧耦合无需电池，但须加装外置电流互感器，以便逆变器计量送电量；电网故障时，耦合阵列会随之停机。负载侧耦合不受支持。

实际工程中有两项 Sol-Ark 限制尤为重要。其住宅机型的 GEN 端子只接受 120/240 V 单相三线电源，因此采用 120/208 V 三相供电的住宅必须在电网侧耦合。系统若另有备用发电机，由于 GEN 端子已接微型逆变器，发电机必须接在电网侧，可能还需配合自动转换开关；有耦合电力输入时，逆变器不接受发电机输入。

配电箱也必须能够承接混合逆变器的输出。按照 NEC 705.12 的母排规定，即常说的 120% 规则 （打开外部网站），逆变器断路器装在母排上与主开关相对的一端时，逆变器持续输出电流的 125% 加上主开关额定值，不得超过母排额定值的 120%。以 200 A 母排、200 A 主开关为例，可用余量为 40 A，对应 32 A 的逆变器。混合逆变器应按哪一电流计算（包括穿越电流），须依厂家的并网接入指引和电工的设计确定，且各版 NEC 的条款编号不同。配电箱容量不足时，可采用供电侧接入，或进行配电箱升级。

设计前须确认的限制与问题

• 送电：Sol-Ark 指出，仅有交流耦合太阳能时，即使关闭 Grid Sell 功能，电力仍可能回送电网；因此在不允许送电的场合，不建议采用交流耦合。签有不送电并网协议的系统须特别注意这一点。
• 离网恢复：电网缺失时若电池停机，微型逆变器无法为其充电，因为微型逆变器需要混合逆变器建立的电网才能运行。为此，Victron 要求离网和长时间备用系统配置直流耦合太阳能充电器，Sol-Ark 也不建议把单纯的交流耦合作为长期离网方案。
• 效率：储存的太阳能先在屋顶由直流转为交流，再转回直流为电池充电，供负载使用时又转为交流，因此交流耦合的能量损耗略高于直流耦合。
• 较早的微型逆变器：只通过 UL 1741 认证、早于 Supplement SA 的设备可能直接跳闸而非逐步降低输出，导致太阳能反复启停。Enphase 指出，与其 IQ 电池配合使用且电力公司要求符合 IEEE 1547-2018 时，M 系列微型逆变器必须更换为 IQ7、IQ8 或 IQ9 系列。
• 厂家立场：Enphase 发布过一份 2023 年 5 月的欧洲技术简报，介绍其 IQ 微型逆变器与 Victron 电池逆变器的耦合。我们未找到 Enphase 现行的美国文件认可 IQ8 搭配第三方电池逆变器，因此设计前应确认微型逆变器厂家的书面立场及保修条款。
• 监控：混合逆变器和微型逆变器分别通过各自的系统上报数据。我们的基于 RS485 与 Modbus 的开放式太阳能监控指南介绍了如何在本地读取两套系统的数据。

为何这是合规的方案

这一设计中的每个部件都可以取得认证：通过 UL 1741 SB 认证的微型逆变器、通过 UL 1741 SB 认证的混合逆变器，以及与该逆变器一同按 UL 9540 列名的储能电池系统。设备经过认证、参数符合电力公司配置，系统即可走正常的审批程序：在纽约市，须申领 DOB 开工许可和电路工程许可，电池须持有 FDNY 认可证书（Certificate of Approval）并安装在合规位置，加装储能还须向电力公司提交 Appendix K 申请。我们的电池改造指南列明了纽约市的安装位置规定。电路工程由合作的持证电工施工。

同一台混合逆变器日后在有认证方案可用时，例如经认证的双向充电桩，也可作为接入电动车的基础。我们在电动车电池接入混合逆变器和退役电动车电池用作家庭储能两篇指南中讨论的电动车电池与家用逆变器之间的自制接口，技术上可行，但按照 NEC、UL 认证要求、电力公司并网规定及纽约市消防规范，一般不属于经认证或获批准的系统，往往不获许可。此类做法可能使车辆、电池和逆变器失去保修，并影响保险；高压直流电可致命，锂离子电池可能起火。开展任何此类项目之前，请咨询主管机关、电力公司、各设备厂家及持证专业人员。

具备储能条件的系统还有其公共价值。PSEG Long Island 的电池储能奖励计划 （打开外部网站）将参与计划的家用电池描述为一个协同运行的网络，在炎热的夏日缓解电网压力，补偿金额由第三方聚合商确定。住宅中的储能，以及日后电动车中的储能，还可以吸收原本会被弃用的中午太阳能，并在停电时为住宅供电；相应的代价是转换损耗、电池损耗和设备成本。经认证的产品、标准化的参数设定和公开的接口，才能让这种贡献安全、常态化；电动车电池指南对此有完整论述。