1 背景与应用需求
工商业储能系统在峰谷套利、能量优化以及电网调频等并网型应用场景中得到广泛应用。当市电停电时，恩玖科技的储能PCS可以运行在离网模式，为负载提供电源。但如何为重要负载提供不间断的后备电源呢？
1.1 从“储能”到“后备电源”的跨越
1.1.1 为什么PCS无法独自完成无缝切换？
绝大多数工商业储能PCS在正常运行时，工作在并网模式（PQ模式）。此时，PCS本质上是一个“跟网型”（Grid-Following）电流源，它跟随电网提供的电压和频率作为基准，通过锁相环追踪市电相位，能量管理系统EMS控制PCS的充电放电策略，仅负责PCS的有功或无功电流。
一旦电网发生故障（如短路、断线），电压基准瞬间消失，PCS的锁相环会立即失锁。为了防止PCS向故障电网反送电（危及检修人员安全），所有并网标准（如GB/T34120）都强制要求PCS在检测到电网失压后，必须立即断开连接并停止输出，这个称之为防孤岛保护。
1.1.2 离网模式的挑战：从“跟随”到“主导”
若需要储能系统在停电后继续供电，PCS必须切换到离网模式（VF模式）。此时，PCS从“电流源”转变为电压源，独立为负载建立稳定的电压和频率。由于很多负载是单相负载，因此PCS被要求提供3P4W的输出，并提供100%三相不平衡带载能力。
1.1.3 如何从并网模式切换为离网模式？
在传统的储能系统中，从“并网运行”到“并网停机”，到“离网重启”，通常依赖人工操作或慢速的机械投切，其过程如下：
- 市电故障，PCS停机，负载断电。
- 人工确认故障，拉开电网侧断路器（防止反送电）。
- 将PCS工作模式修改为离网模式。
- 向发送开机指令，PCS软起动建压。
整个过程耗时通常在1分钟至15分钟不等。这个过程意味着重要负载无法避免被停机！
1.2 静态切换开关（STS）的核心价值
为了让储能系统能为重要负载提供不间断的后背电源，必须引入能够以毫秒级速度响应电网状态的智能设备——静态切换开关STS（Static Transfer Switch）。
2 STS的技术原理和拓扑方案
2.1 STS的核心部件与工作原理
如图所示，STS主要由双向可控硅（SCR）模组组成，串联在电网侧和负载侧的主回路中。
- 采样与控制：主控电路（MCU/DSP）对两侧电压、电流进行高频采样，实时计算幅值、频率、相位、相序及波形畸变率（THD）。
- 驱动执行：通过光耦隔离的驱动电路精准控制SCR的过零投切，实现毫秒级动作。
- 通讯协同：STS提供两路隔离通讯接口：CAN接口与PCS进行毫秒级的数据交互（如下发相位角、协同模式切换）；RS485接口连接EMS进行状态监控。
- 供电保障：必须配置不间断的24Vdc辅助电源，确保在电网完全失电的极端工况下，STS控制器仍能执行逻辑判断和驱动动作。
2.2 STS应用的典型拓扑与容量选型
2.2.1 STS应用的典型拓扑结构
将重要负载接STS与PCS中间，普通负载接STS与电网中间，实现分级保护。
2.2.2 STS的容量选型原则
STS是系统并网点（PCC）的总闸，其容量选择应遵循“就大不就小”原则：
标准原则：STS额定容量大于等于最大重要负载功率+PCS最大充电功率。
受控原则：在有些场景，市电只是后备电源，且EMS通过对PCS的充放电策略进行控制能确保STS不会过载运行，这时也可以将STS的容量缩减成PCS的充电功率。
2.3 STS应用的关键切换时序解析
2.3.1 市电故障导致的并网切换至离网状态
故障隔离：STS检测到电网故障（欠过压/欠过频/电压暂降/畸变），在<2ms内快速封锁SCR驱动信号，物理切断电网连接。
模式指令：STS通过CAN总线向PCS发送最高优先级的“离网（Go Off-grid）”指令。
电压建立：PCS收到指令后，立即从PQ（电流源）模式切换至VF（电压源）模式，并通过软起动（SoftStart）平滑建立输出电压，避免对变压器或负载产生励磁涌流冲击。
2.3.2 市电恢复导致的离网状态切换至并网状态
恢复判断：STS确认电网电压、频率、相位恢复正常并保持稳定。
相位下发（Phase Dispatch）：STS锁定电网相位，通过CAN总线将实时相位角打包发送给PCS。
主动追踪：PCS调整输出频率，使自身相位逼近电网相位。
无缝闭合：当STS检测到相位差小于预设阈值（如5°）时，发出合闸指令：STS导通SCR的同时，PCS立即切换回PQ模式。这一动作的同步性至关重要，确保了平滑并网无冲击。
3 STS工程应用指南：硬件配置与接线
3.1 物理接线的核心规范
为确保纳秒级同步精度与系统安全，请严格遵守以下规范：
- N线（零线）处理：在TN-S系统中，建议N线不经过STS（即N线直通），以确保切换过程中N-G电位恒定，防止中性点漂移损坏单相负载 。
- 维修旁路：必须配置带机械互锁的维修旁路开关，确保STS维护时负载不停电 。
- CAN通讯线要求 ：
- 必须使用双绞屏蔽线，两端加装抗干扰磁环。
- 长度限制：STS与PCS间的CAN总线长度严禁超过15米（推荐控制在10米以内），防止高频同步信号衰减影响锁相精度。
- 拓扑要求：必须采用“手拉手”线性拓扑，严禁星型连接。
3.2 STS与PCS的CAN通讯的硬件拨码配置（CAN地址与终端电阻）
STS与PCS通过CAN总线实现毫秒级数据交互（如相位同步、模式切换指令）。为了确保通讯稳定，需正确设置CAN地址拨码与终端电阻。
- 地址分配规则：PCS地址：从1开始连续编号（1,2,…,N），最大支持4台并机。STS地址：固定设置为5。
- 终端电阻配置规则
CAN总线必须采用“手拉手”线性拓扑。仅在总线物理距离最远的两端设备上开启120Ω终端电阻，中间设备的电阻拨码必须处于断开（OFF）状态。
- PCS和STS的CAN地址拨码、终端电阻的拨码定义
- 典型配置示例（1台STS与4台PCS）
在一个由1台STS与4台PCS构成的并离网储能系统中，4台PCS采用并机运行架构。其中，PCS1被指定为离网模式下的主机（Master），负责与其他PCS从机（Slave）进行协同控制。在通讯拓扑方面，STS与所有PCS设备均挂载于同一条CAN总线上；该总线采用线性拓扑结构（手拉手连接），其物理链路的首尾两端终端节点分别为STS和PCS4。
物理链路：STS <-> PCS1 <-> PCS2 <-> PCS3 <-> PCS4
STS：地址设为5，终端电阻 ON。
PCS1~3：地址设为1~3，终端电阻 OFF。PCS4：地址设为4，终端电阻 ON。
4 STS工程应用指南：软件参数设置
4.1 PCS的关键参数(通过EMS/上位机)
在系统上电调试前，需对PCS进行以下参数配置：
4.1.1 PCS的基础电气参数
- 电压/频率等级(0x5001/0x5002)：必须与STS接入的现场电网电压/频率保持严格一致（如400V/50Hz）。注意：若PCS与STS之间存在变压器，此处应填变压器PCS侧的电压，而非电网侧电压。
- 接线方式(0x501C)：
- 默认设置为0-3P4W(三相四线)。
- 若PCS与STS之间存在Delta/Wye隔离变压器，PCS侧无N线，必须设置为1-3P3W(三相三线)，否则会报电压采样故障，这是因为Delta绕组侧无物理中性点（N线），PCS无法采样相电压。若错误设为3P4W，PCS会因检测不到N线电位而误报采样故障。变压器角度差 (0x1669)：若PCS与STS之间存在 Delta/Wye 隔离变压器，以常见的DYn11绕组为例，PCS变压器角度差需要设置为300，即代表滞后30°，以弥补变压器产生的超前30°角度差的问题。
4.1.2 PCS的运行模式与逻辑
- 运行模式(0x5066)：设置为离网模式，以确保存储系统具备建立电压源的能力，这是配合STS工作的软件基础。
- 主从设置(0x5068)：多机并联时，指定唯一一台PCS为“主机(1)”，其余为“从机(0)”。
4.1.3 PCS的通讯目标
- STS主机地址(0x1012)：填入STS实际设定的CAN地址（如5）。
- 通讯使能(0x506C)：设置为1-使能，开启与STS的握手功能。
4.2 STS的关键参数设置
4.2.1 STS的通讯目标
- PCS主机地址(0x1012)：填入PCS主机的CAN地址（通常为1），确保STS知道向谁发送同步指令。
4.2.2 STS的特殊场景模式的配置(严禁设错)
- 柴发模式(0x506E)：
- 连接市电时：设为0-电网模式。
- 连接柴油发电机时：设为1-柴发模式。此模式会放宽频率保护范围以适应柴发的波动，设错可能导致STS误保护或拒动。
- 变压器模式(0x506F)：
当PCS与负载之间存在Delta-Wye(Δ/Y)隔离变压器时，设为1-使能。启用此模式，STS会在电网向变压器反向充电（PCS未运行）或黑启动带变压器投运时，启用导通角软启动策略，抑制励磁涌流。在同步并网切换瞬间，STS将执行快速过零闭合，确保波形完整。。
5 辅助电源和EMS监控系统
必要性：在全系统失电（电网掉电且PCS未建压）的工况下，STS控制器必须保持在线以执行逻辑判断。 方案：配置APS模块，支持 HVDC(电池) + AC(市电) + AC(PCS输出) 三路冗余输入，输出稳定的24Vdc 。
5.1 关键配件APS电源
STS如果没有辅助电源，将无法保障与PCS的通讯，也无法保障对市电和PCS侧电压的采样分析，更无法完成正常的投切。
为了采用多路冗余，确保STS的24Vdc有可靠的电源输入，我们提供一个APS配件。
它具备三路输入，可分别从市电侧、PCS交流侧和电池直流侧获取电源，并输出24Vdc，确保STS的正常运行和通讯。确保在电网掉电（AC Grid Loss）且PCS尚未建压（AC Load Loss）的全系统失电工况，STS控制器依然有电来执行逻辑判断和CAN通讯。
5.2 EMS监控方案
在一个完整的储能系统中，EMS可以通过RS485与STS进行通讯，实现对STS的监控，也可以通过PCS的PCS Modbus寄存器0x2212获取STS的工作状态。对于一些存量的储能系统增补STS，即便EMS不做任何改变，但在完成PCS和STS的设置后，PCS与STS可以完成正常的并网/离网的切换。
6 PCS与STS的标准操作流程
6.1 并网开机流程
- 上电等待：市电接入，STS侦测正常。
- 状态：POWER灯常亮，FAULT灯熄灭，RUN灯闪烁（Standby）。
- 链路导通：PCS向STS下发“导通”指令（通过CAN）。
- 状态：STSRUN灯长亮，SCR导通，主回路闭合。RUN灯常亮。
- 并网运行：EMS向PCS下发“开机”指令。
- 动作：PCS开始逆变，系统进入并网运行状态。
6.2 离网/黑启动开机流程
- 状态确认：系统未接入市电。
- 状态：STSPOWER灯灭，FAULT灯点亮（市电缺相/异常）。
- 逻辑：此时不满足导通条件，PCS不会向STS下发导通指令。
- 黑启动：EMS向PCS下发“开机”指令。
- 动作：PCS在VF模式下输出电压，支撑负载。STS保持断开，实现物理隔离。
7 常见问题排查
7.1 同步并网失败
- 现象：市电恢复后，系统一直处于“预同步”状态，不闭合。
- 原因分析：
- 通讯延时：单机CAN线太长，导致相位数据包滞后，锁相精度差。
- 相位偏差：系统存在Δ/Y变压器但未开启“变压器模式”。
- 源端抖动：市电或柴发波动过大，PLL无法锁定。
7.2 切换瞬间掉电
- 现象：切换时继电器跳开或设备重启。
- 原因：PCS建压时间过长（>20ms）；或STS保护门限设置过宽（电压跌落太深才动作）。
7.3 EMS监控数据异常
- 排查：检查方案B中PCS的0x2212寄存器映射地址是否偏移；检查CAN通讯心跳包是否正常。
7.4 相序错误导致短路损坏
严重警告：STS输入侧（Grid）与PCS输出侧的A/B/C物理相序必须严格一致。 软件无法修正物理接线的相序错误。若相序接反（如A-C倒置），在并网闭合瞬间将形成相间短路，导致设备严重损坏。务必在投运前使用相序表进行双侧校核。
7.5 辅助电源的冗余配置要求
严禁仅依赖AC市电为STS供电。在电网掉电且PCS尚未建立离网电压的“全系统失电工况”下，STS若失去控制电源，将无法维持通讯和逻辑判断，导致切换失败。 强制要求：必须连接 APS（24Vdc），并确保APS接入了电池侧直流电（HVDC）作为最终保底电源。
8 维护与环境
8.1 日常巡检项目
- 需对变流器的输入、输出电压电流以及运行状态进行实时监控，并定人定点观察，发现变流器工作异常或电压电流异常需及时进行维护。
- 听变流器无异常响声。
- 闻变流器内无异味。
- 读取变流器内部温度，观察温度在正常范围内。
8.2 定期维护
- 检查变流器外观无破损、生锈。
- 用测温仪器检测变流器内部温度无异常。
- 检查变流器周围的通风、环境温度、湿度、灰尘等环境满足要求。
- 检查线缆无缘层老化、破损等现象，若出现需增加相应的绝缘措施或更换线缆。
- 检查接线螺栓处无老化、烧焦的痕迹，并用手晃动，确认处于拧紧的状态。
8.3 应用环境说明
在高盐雾、高沙尘环境下，需采用特殊安装工艺，无法按常规方式进行安装部署。注意清洁和防腐蚀，在恶劣的环境条件应当缩短维护间隔。
STS模块的冷却方式采用强制风冷，模块散热方式为前进风后出风，装在集成系统中时，机柜的进出风口要正对着模块，模块进风口距离机柜进风口≥110mm，模块出风口需加出风道，直接将热风送到机柜出风口，避免热风在柜内回流。