浅谈双碳能源技术中的光储充一体微电网能量系统设计与性能分析

孟新元18721502664

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：随着全球对可再生能源的关注不断增加，双碳能源技术成为应对气候变化和实现碳中和目标的重要方向之一。双碳能源技术是一种绿色、可持续的能源发展方向，光储充一体系统作为其中的重要组成部分，具有将光能转化为电能并进行储存和供电的功能。文章对光储充一体系统的设计与性能进行分析，以期为双碳能源技术的推广和应用提供技术支持。

关键词：双碳能源技术 ；光储充一体系统 ；光伏发电 ；电能储存

1、双碳能源技术和光储充一体系统分析

1.1双碳能源技术

双碳能源技术是一项综合运用多种*进技术的战略性能源方案，旨在降低能源生产与利用过程中的 CO2和甲烷排放，实现能源系统的低碳与低甲烷化。该技术涵盖清洁能源生产、能源储存与调度、碳排放控制与碳利用、甲烷排放控制及能效提升等关键技术领域。通过采用太阳能光伏、风力发电等清洁能源生产技术，以及电化学储能、氢能储存等能源储存技术，实现了对可再生能源的*效利用。同时，通过碳捕获与封存、碳利用技术，有效减少 CO2排放并实现其资源化利用。在甲烷排放方面，生物甲烷控制技术和监测技术有望降低甲烷排放水平。智能能源管理系统和*效用能技术的应用则有助于提高整体能源系统的效能。

1.2光储充一体系统

光储充一体系统是一种综合利用太阳能的技术，其包括太阳能光伏发电、能量存储和电池充电等功能。该系统的核心在于将太阳能转化为电能，并将其储存起来，以供电池充电或供电使用。光储充一体系统是一种集成化的解决方案，有助于提高太阳能利用效率，减少电能浪费，以及实现可持续能源的管理和利用。光储充一体系统（图1）包括太阳能光伏发电组件、能量存储装置（如锂电池或电容器）及智能电池管理系统。太阳能光伏发电组件通过光电效应将太阳辐射转化为直流电能，然后，能量存储装置将电能存储起来，以备不时之需，*后，智能电池管理系统监控和管理电池的充放电过程，确保系统的稳定性和可靠性 ^[1]。

2、光储充一体系统设计

2.1 太阳能光伏组件选择与设计

在太阳能光伏组件选择与设计方面，采用*效的单晶硅太阳能电池板，提高能量转换效率，具备*越的适应性和耐候性。通过*密布局和倾斜角设置，*大程度地优化电池板的日照接收，并通过详尽的阴影分析，*小化阴影损失。选择效率超过20% 的单晶硅太阳能电池板，确保系统在有限空间内获得*大能量收集。在电池和充电控制器选择方面，采用高能量密度、轻量和长寿命的锂离子电池，搭配*进的*大功率点跟踪（MPPT）充电控制器，以*大化充电效率并对电池进行保护。通过高度优化的固定支架或双轴追踪系统，确保光伏组件在不同季节和天气条件下*大程度地接收太阳辐射^[2]。引入多层次的实时监控系统及远程监控和报警系统，监测电池状态、光伏组件性能和充电控制器运行情况等，以保障实时性的数据记录。*后，为确保光储充一体系统的可持续运行，引入自动清洁系统，并制订了定期巡检计划，以定期检查电缆连接和系统组件，以充分发挥光储充一体系统在能源收集和利用方面的潜力。

2.2 储能设备选择与设计

在储能设备选择与设计方面，选择锂离子电池储能系统作为*佳解决方案，考虑其高能量密度、长寿命和轻量特性。通过进行系统能量需求分析，确定额定容量和*大充放电功率，以适应周期性和突发性负载需求。优化连接方案，将储能系统与太阳能光伏组件和充电控制器集成，*小化能量转换损失。考虑循环寿命，实施深度充放电管理、温度控制和充电电流控制，以*大程 度延长电池寿命。集成*家法规标准，采用安全措施，如温度传感器和电流限制，以预防安全风险。进行*面的经济性分析，考虑投资成本、运营维护成本和电池寿命成本，以确保经济可行性。制订定期的维护计划，监测电池健康状态、检查连接线路和系统软硬件，以确保储能系统长期稳定运行^[3]。

2.3 电力转换器设计

在电力转换器设计中，选用*效的直流 – 交流逆变器，以*小化能量损耗，满足系统直流电能向交流电能转换的需求。通过功率容量匹配、电流和电压稳定性控制，确保逆变器适应各种负载变化，同时优化响应时间和效率。引入智能控制策略，实时监测电力需求和太阳能光伏系统输出，以*大化能量利用。配置过载和短路保护机制，保障系统安全运行。整合温度管理系统，提高逆变器在高温环境下的运行效率和寿命。通过遥测与监控系统，远程监测逆变器性能，记录关键参数，实现故障诊断和性能优化。这一系列措施旨在提高电力转换器的效能，为光储充一体系统提供稳定、*效的电能转换^[4]。

2.4 控制系统设计

在控制系统设计方面，采用*进的 MPPT 算法，提高光伏组件的能量利用效率。结合智能充放电控制，优化储能设备的运行，以适应动态的电能需求。配置远程监控系统，实现对系统状态的实时监测与远程管理。这一*面的控制系统设计旨在*大程度地提高系统整体性能，确保光储充一体系统在不同工况下实现*效稳定的运行。

3、光储充一体系统性能分析

3.1 能量转换效率分析

太阳能光伏组件中的*效单晶硅电池板选择和*密设计的布局使得系统在不同日照条件下能够*大化吸收太阳辐射，从而实现高能量转换效率。采用的单晶硅太阳能电池板具有超过20% 的效率，这使得系统在有限的空间内能够获得*大的能量收集。通过电池和充电控制器的*效设计，系统有效地将太阳能转化为直流电能，并通过储能设备中的锂离子电池实现能量的*效储存。在电力转换器方面，选用了*效的直流 – 交流逆变器，逆变器在将储存的直流电能转换为交流电能时，通过*进的 MPPT 算法，光伏组件的能量输出得到*大化。同时，系统实时监测电力需求、光伏发电和储能状态，通过智能控制策略优化能量的分配，使得系统在动态电能需求变化中保持*效运行。某遥测与监控系统的实时数据记录显示，在不同天候和负载条件下，系统的总体能量转换效率维持在85% 以上。

3.2 储能效率分析

储能效率直接关系到储能系统对太阳能的有效吸收和释放。储能效率的主要影响因素包括充电和放电的过程效率及电池的自放电损失。经过深度充放电管理、温度控制和适当的充电电流控制，系统成功降低了充电和放电阶段的能量损失。根据 IEC 61683，充电阶段的效率可达到95% 以上，而放电阶段的效率维持在90% 以上。这一数据表明，系统在能量的储存和释放过程中表现*色，有效地优化了能源管理并降低了损耗。在电池管理系统（BMS）的引导下，系统成功实现了对电池循环寿命的*大化控制。通过*密的电池监控系统，实时监测电池的状态，包括电压、电流和温度等参数。此外，系统采用*进的 BMS 算法对电池进行均衡管理，进一步确保电池组件的寿命得到有效延长。根据 IEC 61683，在标准运行条件下，整个储能系统的总体储能效率维持在85% 以上。这一储能效率的高水平表明系统在吸收太阳能并将其转化为电能，以及在需要时有效释放电能方面取得了显著成功。

3.3 供电稳定性分析

光伏组件的*效能量转换和电池的高能量密度确保了系统在太阳能供应下能够产生稳定的直流电源。具体而言，采用的单晶硅太阳能电池板在典型日照条件下实现了超过20% 的转换效率，有效提高了光伏组件的能量输出。此外，系统通过高度优化的固定支架或双轴追踪系统，确保光伏组件在不同季节和天气条件下都能*大程度地接收太阳辐射，从而提高了系统的稳定供电能力。通过深度充放电管理和温度控制，系统成功维护了储能设备的*效运行，确保了在非太阳能供应时能够提供稳定的电能输出。在储能系统的充电和放电过程中，根据IEC 61683可知，系统能够保持95% 以上的能量转换效率，从而提高了系统对电能的可靠利用。电力转换器作为能量传递的关键环节，通过采用*效率的直流 – 交流逆变器，实现了直流电能向交流电能的稳定转换。在标准操作条件下，这些逆变器的转换效率可达到90% 以上，确保系统在交流电能输出时*小化能量损耗，显著提高了供电的稳定性。这些性能指标来源于行业标准测试报告和逆变器制造商的技术规格，保证了数据的准确性和可靠性。

3.4 可靠性与寿命分析

采用的单晶硅太阳能电池板具有较低的光衰减率，从而保证了系统在多年的运行中能够保持较高的能量输出。系统的阴影分析和组件布局设计有效减小了阴影损失，*大程度地提高了光伏组件的可靠性。储能设备方面，锂离子电池以其低自放电率和较长的循环寿命为系统提供了可靠的储能媒介。深度充放电管理和温度控制有助于减缓电池的寿命衰减过程。实时电池监控系统对电池状态进行细致监测，可及时发现异常情况并采取措施，有效提升了电池的寿命。根据相关数据可知，电池组件在正常运行条件下能够保持高达10 a 以上的寿命。根据 IEC 62040可知，这些逆变器的设计寿命在标准操作条件下能够达到15 a 以上，体现了其*越的可靠性。这种持久的性能确保了系统整体的连续稳定性，为长期的能源供应提供了可靠的技术保障。

4、Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述

4.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，*天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.2技术标准

本方案遵循的*家标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

4.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.4型号说明

4.5系统配置

4.5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

4.6系统功能

4.6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

4.6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。

4.6.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.6.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

4.6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.6.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

4.6.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

4.6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

4.6.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

4.6.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

4.6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*分百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

4.6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

4.6.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

4.6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

4.6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

4.6.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

4.6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户*定和随意修改。

图29事故追忆

5、硬件及其配套产品

1. 结束语

随着“双碳”目标推进，我国光伏、储能、新能源汽车发展不断进步，“光伏 + 储能 + 充电”组合也被越来越多地应用到市场中。光储充一体系统通过精心选择与设计，在太阳能光伏组件、储能设备和电力转换器方面取得了显著成果。优化的太阳能电池板、锂离子电池和*效逆变器，使系统在能量转换效率、储能效率和供电稳定性方面表现*越。监测机制和管理策略确保了系统在长期运行中的可靠性和寿命。电池组件10 a 以上的寿命和逆变器15 a以上的设计寿命突显了系统的可靠性。这一综合性能的提升为清洁能源的应用提供了可行的、可持续的解决方案，为可再生能源的推广和发展作出巨大贡献。