浅谈新能源光储充一体化电站设计方案

孟新元18721502664

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：为探讨新能源光储充一体化电站建设的核心要素，并解决相关建设问题，推动新能源领域的发展，文章对新能源光储充一体化电站建设展开了具体研究。通过对环保与可持续发展、能源利用效率、新能源产业升级和经济效益等方面的分析，阐明了新能源光储充一体化电站建设的现实意义；在核心要素方面，*点探讨了光伏电池出力、负荷特性、储能系统、充电桩设备和耦合技术等；通过保证充电的有序性、优化设计滤波器和充放电储能协同调度等策略，提出了新能源光储充一体化电站建设的有效策略。

关键词：新能源；光储充一体化电站；充电桩；耦合技术

0引言

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，新能源的开发与利用已成为全球关注的焦点。光储充一体化电站作为一种集光伏发电、储能和充电于一体的综合能源系统，不仅能够有效提高能源利用效率，还能推动新能源产业的升级，对其建设进行研究具有重要的现实意义。

1新能源光储充一体化电站建设的现实意义

1.1符合环保与可持续发展要求

光储充一体化电站利用太阳能、风能等可再生能源为新能源汽车提供充电服务，有效减少碳排放，保护环境。符合目前全球推动绿色、低碳、可持续发展的趋势，有助于应对气候变化和环境恶化等全球性问题。

1.2有效提高能源利用效率

光储一体化电站能够实现对能源的统一管理和调度，根据实时需求和电价进行智能调度，有效降低能源成本，有效增强能源利用效率。同时，储能系统可以解决可再生能源的间歇性和波动性问题，实现电力在发电侧、电网侧和用户侧的稳定运行。

1.3推动新能源产业升级

光储充一体化电站的建设是推动新能源产业升级的重要力量。随着可再生能源的快速发展和储能技术的不断进步，光储充一体化将在未来发挥更加举足轻重的作用，为新能源产业的高质量发展提供有力支持。

1.4提高经济效益

虽然光储充一体化电站的建设成本较高，但其*效、节能、环保的特点可以获得更稳定的用户群体和更多的使用频次。同时，电站的建设和运营成本相对较低，提供*效充电服务，可以获得稳定的收益。此外，电站还可以为当地的旅游产业和商业活动提供便利，进一步增加经济效益。

2新能源光储充一体化电站建设的核心要素

新能源光储充一体化电站的利用时间受多种因素影响，如设计、设备选型、建设、调度、运行、维护等。例如，某5MW光储系统设计的多年平均时间为3000h，实测全年累计利用时间达到3329.4h；10MW光储系统设计的多年平均利用时间为2500h，实测全年累计利用时间为2710.3h，这些数据都显示光储系统在实际运行中的效率较高，能够达到设计预期。

2.1光伏电池出力

新能源光储充一体化电站建设的核心技术中，光伏电池出力是举足轻重的一环。

光伏电池是将太阳能转化为电能的核心组件，其出力大小直接影响整个电站的发电效率和运行稳定性。在光伏电池出力的核心技术方面，单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜等不同类型的太阳能电池技术各有特点。单晶硅电池具有较高的转换效率和稳定性，但成本也相对较高；多晶硅电池具有成本优势和良好的性能表现；非晶硅电池和薄膜电池具有更高的灵活性和广泛的应用范围。

为有效增强光伏电池的出力效率和稳定性，研究者致力于优化电池结构设计、有效增强材料性能及改善生产工艺等方面。例如，通过及时优化完善电池表面的抗反射涂层和电*结构，减少光损失和有效增强电流收集效率；通过优化材料的晶体结构和掺杂工艺，进一步有效增强电池的光电转换效率。

在实际应用中，光伏电池会受到温度、光照强度、阴影遮挡等多种因素的影响，导致出力波动。因此，研究者还致力于开发智能控制算法和预测模型，以实现对光伏电池出力的*准控制和预测，有效增强电站的运行效率和稳定性。例如，2023年全年的实证实验数据显示，光伏电池在面临不同技术类型的情况下，其出力规律呈现一致性。具体来说，隧穿氧化层钝化接触太阳能电池（TOPCon）和叉指式背接触电池（IBC）相比钝化发射*和背面电池（PERC），分别具有更高的发电量。其中，TOPCon比PERC高出2.87%，IBC比PERC高出1.71%。这些数据提供了不同技术类型光伏电池出力性能的直接证据。此外，实证数据还显示，不同厂家的PERC182mm组件在发电量方面存在偏差，*大偏差达到1.63%。这可能是由于个别厂家在组件工艺控制方面存在问题，导致光伏组件匹配损失过大，达到2.36%。这也表明，在光伏电池出力的优化上，除了技术选择外，还需要关注生产工艺和组件匹配等因素。

2.2负荷特性

新能源光储充一体化电站建设中的负荷特性是关键技术之一，它涉及电站运行时的电力需求、波动情况及峰谷时段等，以下是一些关于负荷特性的相关数据参数。

（1）负荷峰值与谷值。负荷峰值：在一天或特定时间段内，电站所需的*大电力负荷。例如，某电站的负荷峰值可能达到10MW。负荷谷值：相对较低的电力负荷时段，如深夜时段，某电站的负荷谷值可能降至2MW。

（2）负荷波动率。负荷波动率反映了负荷随时间变化的程度，如某电站的负荷波动率可能在10%～20%，意味着负荷在1d内会有较明显的起伏。

（3）峰谷差。峰谷差是指负荷峰值与谷值之间的差值，反映了电站负荷的波动幅度，如某电站的峰谷差可能达到8MW。

（4）负荷率。负荷率是指电站实际负荷与额定负荷之比，反映了电站设备的利用情况，如某电站的负荷率可能维持在70%～90%。

（5）负荷曲线。负荷曲线是反映负荷随时间变化情况的图形表示。通过分析负荷曲线可以了解电站的负荷变化规律，如负荷的日变化、周变化或季节性变化等。

（6）负荷特性系数。负荷特性系数用于描述负荷的特定属性，如负荷的功率因数、不平衡度等，这些系数有助于更*确地描述和分析负荷特性。

（7）充电与放电负荷。充电负荷：电站中充电设施所需的电力负荷，通常与充电站的规模和充电功率有关。放电负荷：在需要为电网提供支撑或调节时，储能设施放电所产生的负荷。

需要注意的是，这些数据参数可能会因电站的具体配置、地理位置、气候条件及用户用电习惯等因素而有所不同。因此，在实际建设中，需要根据具体情况进行详细的负荷特性分析和预测，以指导电站的设计、配置和运营管理。同时，随着技术的不断进步和市场的变化，这些数据参数也可能会有更新和调整。

2.3储能系统

在新能源光储充一体化电站建设中，储能系统是其核心技术之一。储能系统的主要作用在于平滑电力输出、削峰填谷、提高供电可靠性及优化能源配置，以下是关于储能系统的一些实证数据。

（1）能量容量。以某10MW光储充一体化电站为例，其储能系统的能量容量达到了5MW·h，这意味着该储能系统能够储存大量的电能，以满足高峰时段的电力需求或应对突发情况。

（2）功率容量。以某10MW光储充一体化电站为例，其储能系统的功率容量为10MW，这表示储能系统能够在短时间内快速充放电，以响应电网的调度需求或平衡电力负荷。

（3）循环寿命。经过实际运行测试，某储能系统的循环寿命达5000次以上，这意味着在完全充放电的状态下，储能系统能够重复进行充放电循环，保证了其长期稳定运行的能力。

（4）效率。在充放电过程中，某储能系统的能量转化效率达90%以上，这表示在能量转换过程中损失较小，储能系统的性能较为优越。

（5）响应时间。某储能系统的响应时间小于1s，这意味着在电网出现波动或需要快速调整电力输出时，储能系统能够迅速响应，确保电力供应的稳定性。

2.4充电桩设备

充电桩设备是一种专门为电动汽车或其他电池供电设备设计的充电设备，它的主要功能是向电动汽车等提供电能，让车辆能够完成充电，以延长其行驶里程。充电桩设备通常由电源单元、一组电池和一组充电插座组成，能够将电能转化为电流并存储在电池中，以供用户随时使用。它可以通过电源单元将电能转化为电流，并通过充电插座将电能传输到电动汽车的电池中。此外，充电桩设备通常还配备了监控系统，以实时监测充电电流、电压等参数，有效保证充电过程的安全可靠。根据不同形式的充电方式和功能特点，充电桩设备可分为以下类型：

（1）慢速充电桩。通常通过标准的电源插座（如家庭插座）向电动车辆提供充电，充电功率较低（通常为1.4kW）。它适用于长时间停放的场所，如住宅区、商场等，充电时间相对较长，一般需要几个小时或更长时间才能充满电。

（2）快速充电桩。通常安装在公共场所，如停车场、加油站等，提供较高的充电功率（通常为7～22kW）。

（3）直流快充桩：具有高功率充电能力，可以在短时间内给电动车辆充满电。其充电功率通常在50kW以上。

（4）特快充电桩：*新一代的高功率充电设备，充电功率超过150kW，能够提供非常快的充电速度。

2.5耦合技术

耦合技术主要分为交流耦合和直流耦合两种。在交流耦合系统中，光伏系统和储能系统既可以独立运行，也可以脱离电网组成微网系统。光伏系统所发电力可通过光伏逆变器为负载供电或输入电网，也可通过储能逆变器为电池充电。这种方案的连接灵活，增减设备方便，可应用于光伏存量和新增市场。在直流耦合方案中，光伏组件、光储一体机和电池等部分为串行状态，设备增减比较复杂，灵活性一般。它主要应用于光伏新增市场，如新装的光储系统，需要根据用户的负载功率和用电量来设计。

3新能源光储充一体化电站建设的有效策略

3.1保证充电的有序性

在光储充一体化电站中，充电的有序性对有效保证系统的稳定运行至关重要。为实现充电的有序性，可以科学选用以下策略：科学制订严格的充电计划和规定，有效保证充电过程按照规定进行；安装智能充电设备监控和控制充电过程，避免过充或过放电；对充电设备进行定期维护和检查，有效保证设备的正常运行。

3.2优化滤波器设计

滤波器在光储充一体化电站中起着举足轻重的作用，可以有效减少电网中的谐波和干扰信号。为优化设计滤波器，可以科学选用以下策略：根据实际情况和需求，选择合适的滤波器类型和规格；对滤波器进行定期检查和维护，有效保证其正常运行；针对滤波效果不佳的问题，*一时间进行调整和优化滤波器设计。

3.3协同调度充放电储能

协同调度充放电储能可以有效提高光储充一体化电站的能源利用效率和增强系统稳定性。为实现充放电储能的协同调度，可以科学选用以下策略：科学制定合理的充放电策略和调度方案，根据系统需求和能源情况进行优化；科学构建充放电储能之间的通信和协调机制，实现信息共享和协同运行；结合智能控制技术，实现充放电储能的自动调度和优化运行。

4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

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、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站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平台适用场合

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。

4.3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

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1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，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、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：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、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、充电站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1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、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图2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。

5.1.2储能界面

图3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4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5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6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7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8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9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10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11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，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图12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。

5.1.4充电站界面

图13充电站界面

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

5.1.5视频监控界面

图14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。

5.1.6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15光伏预测界面

5.1.7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、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*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、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

5.1.9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18实时告警

5.1.10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19历史事件查询

5.1.11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*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*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、*值、*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20微电网系统电能质量界面

5.1.12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21遥控功能

5.1.13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。

图22曲线查询

5.1.14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发电、用电、充放电情况，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23统计报表

5.1.15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24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。

5.1.16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。

图25通信管理

5.1.17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。

图26用户权限

5.1.18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。

图27故障录波

5.1.19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随意修改。

5.2硬件及其配套产品

6结束语

光储充一体化电站建设对于实现环保与可持续发展具有重要意义。通过优化设计与协同调度策略，可以有效提高能源利用效率和经济效益，推动新能源产业的升级。未来研究应进一步探索光储充一体化电站的技术创新和应用模式，以适应不断变化的能源市场需求。文章研究方法包括综合分析和实验研究，通过对相关领域的综述和实验验证，为新能源领域的发展提供了参考和指导。