安科(kē)瑞 陳聰

【摘(zhāi)要】在能(néng)源轉型和可持續發(fā)展的(dí)背景(jǐng)下(xià)，多(duō)能(néng)互補(bǔ)技(jì)術成(chéng)為(wéi)提(tí)高(gāo)可再(zài)生能(néng)源利(lì)用率和增強(qiáng)電網靈活性(xìng)的(dí)關鍵(jiàn)。提出了(liǎo)一(yī)種基於(yú)多(duō)能(néng)互補的光(guāng)伏儲(chǔ)能係(xì)統設計(jì)方(fāng)案(àn)，包括(kuò)能(néng)量(liáng)轉換，穩(wěn)定(dìng)功(gōng)率輸出(chū)，智能充放電管理和實時狀態(tài)監測等功能(néng)。硬件設(shè)計(jì)涵(hán)蓋了光伏(fú)陣(zhèn)列模塊，儲能(néng)電池(chí)係統(tǒng)，智能電網(wǎng)並網(wǎng)逆(nì)變器和能量(liáng)管理(lǐ)控製單元。搭建(jiàn)了測試環(huán)境並(bìng)進行(háng)了係(xì)統測(cè)試，驗證了(liǎo)係(xì)統功能和(hé)性能(néng)的可(kě)靠(kào)性(xìng)。

【關鍵詞】多(duō)能互(hù)補(bǔ)；光(guāng)伏儲能；係統設計(jì)；儲(chǔ)能管理。

0引言

在(zài)全球能源(yuán)需求(qiú)增長與環境問(wèn)題日益(yì)嚴(yán)峻的背(bèi)景(jǐng)下，光伏(fú)儲(chǔ)能係統可緩(huǎn)解光(guāng)伏(fú)發(fā)電的(dí)間(jiān)歇性問題。然而，單(dān)一(yī)的光伏發電係統難以滿足(zú)復雜多變的需(xū)求(qiú)，研究(jiū)多能互補下(xià)的(dí)光伏儲(chǔ)能係(xì)統設(shè)計具(jù)有重(zhòng)要(yào)意義。本(běn)文(wén)旨(zhǐ)在(zài)探(tàn)討(tǎo)如(rú)何利用多能(néng)互補(bǔ)技術，設計一(yī)個穩定和智能(néng)的光(guāng)伏儲能(néng)係(xì)統，以(yǐ)實(shí)現可(kě)再(zài)生能(néng)源的利用和(hé)能(néng)源結構(gòu)的(dí)優(yōu)化。

1多能互補下的(dí)光伏(fú)儲能係(xì)統(tǒng)工作原理

多(duō)能(néng)互補下的光(guāng)伏(fú)儲(chǔ)能係統整合光伏(fú)發(fā)電(diàn)，風能發(fā)電，電(diàn)池儲能等(děng)能(néng)源形式(shì)，實(shí)現能源(yuán)的(dí)優(yōu)化配置(zhì)和利用。光伏(fú)發(fā)電負責捕(bǔ)獲太(tài)陽(yáng)能(néng)並將其轉化為電能；風(fēng)能發(fā)電(diàn)作(zuò)為(wéi)輔助，提(tí)高係統(tǒng)的(dí)整(zhěng)體(tǐ)能源(yuán)輸(shū)入(rù)；而電(diàn)池(chí)存儲(chǔ)單(dān)元則(zé)用(yòng)於儲(chǔ)存(cún)多(duō)餘的電(diàn)能(néng)，以(yǐ)備光(guāng)伏(fú)發(fā)電不(bù)足時(shí)使用(yòng)。智(zhì)能管(guǎn)理係(xì)統(tǒng)根據能(néng)源需求和供(gōng)給(gěi)情(qíng)況，自(zì)動調(tiáo)節各種(zhǒng)能(néng)源(yuán)的使(shǐ)用，確保(bǎo)電力供應的穩定性和可(kě)靠(kào)性（圖1）。

圖(tú)1多能互補下的(dí)光(guāng)伏(fú)儲能(néng)係(xì)統工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)圖

2多能(néng)互補下(xià)的光伏(fú)儲(chǔ)能(néng)係統設計(jì)

2.1需求分(fēn)析

在功(gōng)能需求方麵，係統(tǒng)需實現大(dà)功(gōng)率點(diǎn)跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT），功率(shuài)補(bǔ)償，動態負(fù)載平(píng)衡，自動調(tiáo)節充(chōng)放(fàng)電(diàn)，智能充(chōng)電時(shí)間控製(zhì)，設(shè)備(bèi)運行參(cān)數監測和能(néng)源(yuán)存(cún)儲狀態(tài)監(jiān)控等功(gōng)能(néng)，以提(tí)高係統的能量轉換效率(shuài)和穩定性(xìng)。在性(xìng)能(néng)需(xū)求方麵(miàn)，係(xì)統(tǒng)需滿(mǎn)足高能量(liáng)轉換效(xiào)率，低總諧(xié)波(bō)失(shī)真(zhēn)（totalharmonicdistortion，THD）效果，快速(sù)動(dòng)態響(xiǎng)應(yīng)和(hé)低數據(jù)傳輸(shū)延(yán)遲(chí)等性(xìng)能(néng)指標，以保證係統(tǒng)在(zài)各種工況(kuàng)下(xià)都能(néng)穩定(dìng)運行(háng)。

2.2功能(néng)設計

2.2.1能(néng)量(liáng)轉換功(gōng)能

能量轉換(huàn)功(gōng)能基(jī)於(yú)擾(rǎo)動(dòng)觀察法(fǎ)，每(měi)0.5s進行一次迭代，以(yǐ)確(què)保光(guāng)伏(fú)陣列(liè)始終運行在(zài)其大(dà)功率(shuài)點附(fù)近。使(shǐ)用了基於STM32微(wēi)控製器(qì)的硬件平台(tái)來實(shí)現(xiàn)MPPT算(suàn)法，該控(kòng)製器能夠根據(jù)光(guāng)伏(fú)陣(zhèn)列的實(shí)時(shí)電壓(yā)和(hé)電流(liú)數(shù)據(jù)調整(zhěng)脈衝寬度調製信(xìn)號(hào)的(dí)占空比(bǐ)，從而(ér)改(gǎi)變光伏陣列的工作點(diǎn)。直流(liú)—交流轉(zhuǎn)換(huàn)器(qì)（DCtoACconverter，DC-AC）是基(jī)於(yú)TMS320F28379D微控(kòng)製器(qì)進行設(shè)計(jì)的，采(cǎi)用了(liǎo)一種改進的(dí)空間矢(shǐ)量(liáng)脈(mài)衝(chōng)寬度(dù)調(tiáo)製(zhì)算(suàn)法，以提(tí)高逆變(biàn)器的效(xiào)率(shuài)和輸(shū)出(chū)波(bō)形質(zhì)量(liáng)。

2.2.2穩定功率輸出(chū)功(gōng)能(néng)

（1）功(gōng)率補償功能。功率補償(cháng)功(gōng)能基於(yú)預測算法(fǎ)，能夠提前預(yù)測(cè)未來(lái)一(yī)段時間內的光伏(fú)出力(lì)和負(fù)荷(hé)需求。預測算(suàn)法結合了歷史(shǐ)氣象(xiàng)數(shù)據和(hé)負(fù)荷曲綫，采(cǎi)用(yòng)時間序列(liè)分析技(jì)術(shù)，如(rú)差分(fēn)自回歸(guī)移動平(píng)均(jūn)模型，來預(yù)測未來的光伏出力(lì)和電網負(fù)荷(hé)。當預測到光(guāng)伏(fú)出(chū)力(lì)不足(zú)時，係統將(jiāng)自動(dòng)啟動(dòng)儲能(néng)係(xì)統放(fàng)電，以(yǐ)補償功(gōng)率缺口；反之，當預測(cè)到光(guāng)伏出力(lì)過(guò)剩時，儲(chǔ)能(néng)係(xì)統會將(jiāng)多餘的(dí)電能儲存(cún)起來(lái)。

（2）動態負載平衡(héng)。動態(tài)負載平(píng)衡(héng)算(suàn)法根據光伏(fú)出(chū)力，儲能(néng)狀態和(hé)電網需(xū)求(qiú)的實(shí)時數據動態調整(zhěng)係統(tǒng)的(dí)充(chōng)放電策略。具(jù)體(tǐ)來說，當(dāng)光伏(fú)出(chū)力(lì)過剩時，係統會(huì)優先考(kǎo)慮將多(duō)餘的能量(liáng)儲存到儲能(néng)係統(tǒng)中；當光伏出(chū)力不足(zú)時(shí)，儲(chǔ)能係統會釋(shì)放能量(liáng)以(yǐ)彌補功率缺口。

2.2.3智(zhì)能充放電管(guǎn)理功(gōng)能

（1）自動調節充放電(diàn)電流(liú)。自(zì)動調(tiáo)節充(chōng)放電電流功能(néng)基於(yú)電(diàn)池(chí)的(dí)狀態(tài)和係統需(xū)求，通(tōng)過算法(fǎ)實現(xiàn)自(zì)動(dòng)調整，以確保電池(chí)的(dí)健康(kāng)狀態(tài)並能延長其(qí)使(shǐ)用壽命。采(cǎi)用基於(yú)電池剩(shèng)餘(yú)電(diàn)量(liáng)（stateofcharge，SOC）和(hé)溫度(dù)的控製(zhì)策(cè)略，係統可(kě)以監測(cè)電池(chí)的(dí)SOC和溫度，動態(tài)調(tiáo)整(zhěng)充放(fàng)電電(diàn)流。當SOC低於預(yù)定閾值（如30%）時(shí)，係統會自動(dòng)增加充電電(diàn)流(liú)，以快速恢(huī)復電(diàn)池電(diàn)量；反(fǎn)之，係統(tǒng)會(huì)減少充(chōng)電(diàn)電流。

（2）智(zhì)能(néng)充電時(shí)間控製。智(zhì)能(néng)充(chōng)電時間(jiān)控製策(cè)略(lüè)能夠根據天氣(qì)預報和負(fù)荷預測未來一段(duàn)時間內的(dí)光(guāng)伏(fú)出力(lì)和電(diàn)網需求(qiú)。係統(tǒng)通過(guò)分析預測(cè)數(shù)據，自動(dòng)規劃較佳的充電(diàn)時(shí)間，以充分利(lì)用(yòng)光伏(fú)出力高峰(fēng)期間的電(diàn)能。當(dāng)預測(cè)到(dào)明天是(shì)晴朗天氣時(shí)，係統會(huì)在(zài)夜間(jiān)預先充電(diàn)，使儲(chǔ)能係統具(jù)有充(chōng)足的(dí)能量儲備，以備明天使(shǐ)用(yòng)；相反(fǎn)，如果預測到(dào)陰雨(yǔ)天(tiān)氣，係(xì)統則會在前一天白(bái)天光伏出(chū)力較高時充(chōng)電，以(yǐ)減少對電網(wǎng)的依賴。

2.2.4實時狀態(tài)監(jiān)測功能

（1）設備運行(háng)參(cān)數監測。為了(liǎo)實(shí)現(xiàn)設備運(yùn)行參(cān)數(shù)的實時監測，本(běn)文設計(jì)了一個綜合監(jiān)測(cè)係(xì)統。該係統能(néng)夠監測(cè)光伏儲(chǔ)能(néng)係(xì)統(tǒng)中(zhōng)各(gè)組件(jiàn)的(dí)關鍵(jiàn)運行(háng)參數，包(bāo)括但不(bù)限於光(guāng)伏陣(zhèn)列的輸出電壓和(hé)電(diàn)流，儲能(néng)係統(tǒng)的(dí)充(chōng)放電(diàn)電(diàn)流，電池(chí)溫度(dù)等。使(shǐ)用高(gāo)性(xìng)能的傳感器和數(shù)據采集模塊來獲取數(shù)據，無(wú)綫通信技(jì)術(shù)將數(shù)據(jù)實時傳輸到(dào)中央監控係統(tǒng)。此外(wài)，係統(tǒng)還采用(yòng)了(liǎo)卡(qiǎ)爾(ěr)曼濾波器等數(shù)據處理算法(fǎ)，用(yòng)於(yú)過濾噪(zào)聲(shēng)並提高(gāo)數(shù)據的準確(què)性。

（2）能(néng)源存儲狀(zhuàng)態監(jiān)控。為了(liǎo)實現(xiàn)能源存(cún)儲狀態(tài)的實時監控，本(běn)文(wén)設計了(liǎo)一個專(zhuān)門(mén)的監控模(mó)塊。該模(mó)塊(kuài)能(néng)夠(gòu)持(chí)續監測(cè)儲能係(xì)統(tǒng)的狀(zhuàng)態(tài)，包括SOC，電(diàn)池溫(wēn)度，充放(fàng)電次數等關鍵(jiàn)指標(biāo)。使用高精(jīng)度(dù)的(dí)傳(chuán)感器(qì)來(lái)監測這些參數(shù)，並(bìng)通過智(zhì)能算法進(jìn)行數(shù)據處(chǔ)理。係(xì)統還具備電池(chí)健康評(píng)估(gū)功能，能夠根(gēn)據電(diàn)池的使用情況(kuàng)和老(lǎo)化(huà)程度預(yù)測電池(chí)的(dí)剩(shèng)餘使用壽命。

2.3硬(yìng)件(jiàn)設(shè)計(jì)

2.3.1光(guāng)伏陣列模塊

在(zài)光伏陣(zhèn)列(liè)模(mó)塊設(shè)計中(zhōng)，采用型號為JKM310M-60的多晶矽光(guāng)伏電(diàn)池組(zǔ)件，每塊組件(jiàn)的峰值功(gōng)率為(wéi)310W，大功率點電壓（Ump）為(wéi)35.7V，電流（Imp）為(wéi)8.7A。光(guāng)伏(fú)陣(zhèn)列將多(duō)個(gè)組件(jiàn)以(yǐ)並(bìng)聯(lián)和(hé)串(chuàn)聯(lián)的形式(shì)組(zǔ)合(hé)起(qǐ)來(lái)，形成矩陣布(bù)局(jú)。串(chuàn)聯連接通(tōng)過(guò)將(jiāng)組件(jiàn)的(dí)正*與下一個組(zǔ)件的(dí)負(fù)*相(xiāng)連，以增(zēng)加整個(gè)陣列的電壓；而並聯(lián)連接則是(shì)將組件的(dí)正*與正*，負(fù)*與負*相(xiāng)連，以(yǐ)增(zēng)加(jiā)陣列的(dí)電流。根據光(guāng)照強(qiáng)度和負載需(xū)求(qiú)動態調整光伏(fú)陣(zhèn)列，確保了(liǎo)大(dà)功率(shuài)點(diǎn)跟蹤的運(yùn)行。

2.3.2儲能(néng)電池(chí)係統

儲(chǔ)能電池(chí)係統(tǒng)選用(yòng)型(xíng)號為LF100L的磷(lín)酸鐵(tiě)鋰（LiFePO4，LFP）電池，其單(dān)體容量(liáng)為(wéi)100A·h，電(diàn)壓為3.2V，這些(xiē)參(cān)數(shù)設(shè)置確保(bǎo)了電池(chí)的高(gāo)能量(liáng)密度與長循(xún)環壽(shòu)命。係統(tǒng)設(shè)計中(zhōng)，采(cǎi)用電池管(guǎn)理係(xì)統進行電池狀態監測與管理，包(bāo)括電壓，電流，溫(wēn)度(dù)的(dí)實時監控與(yǔ)均衡充電的管(guǎn)理，有效(xiào)保障了電池(chí)安(ān)全運行(háng)。

2.3.3智能電網(wǎng)並(bìng)網(wǎng)逆變器

智能電(diàn)網(wǎng)並(bìng)網逆(nì)變器采用型(xíng)號為SUN2000-50KTL-C2的(dí)光伏逆變(biàn)器，大輸出功率為50kW，支持三相並網(wǎng)，具(jù)有的能量轉換(huàn)能力，轉換效(xiào)率達(dá)98.6%。逆(nì)變(biàn)器具有先(xiān)進的電能質(zhì)量管(guǎn)理功(gōng)能，能(néng)夠(gòu)實時(shí)監(jiān)測(cè)電網狀(zhuàng)態(tài)，調(tiáo)整(zhěng)輸(shū)出(chū)，以(yǐ)滿足並網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)置的(dí)通信(xìn)模(mó)塊支持多種協(xié)議，確保了與(yǔ)智(zhì)能(néng)電(diàn)網(wǎng)的無(wú)縫(féng)對(duì)接和數據(jù)交互(hù)。

2.3.4能(néng)量(liáng)管理控(kòng)製(zhì)單元(yuán)

能量管理控(kòng)製單元（energymanagementcontrolunit，EMCU）選(xuǎn)用(yòng)具備(bèi)高速(sù)數據處(chǔ)理(lǐ)與實時控製能力的高性能微(wēi)處理器(qì)STM32F407VGT6。EMCU集成(chéng)了光伏(fú)陣(zhèn)列，儲能係(xì)統(tǒng)與逆變器(qì)的數據(jù)采(cǎi)集與(yǔ)控製(zhì)功能，利(lì)用(yòng)算(suàn)法實現(xiàn)能量的優化(huà)調(tiáo)度。係(xì)統(tǒng)支(zhī)持Wi-Fi與5G通(tōng)信(xìn)，確(què)保遠程監控(kòng)與故(gù)障診斷的(dí)實(shí)時(shí)性(xìng)。

3係(xì)統(tǒng)測(cè)試(shì)

3.1搭建測試(shì)環(huán)境(jìng)

測試(shì)環(huán)境包括一套完整的(dí)基於物聯(lián)網的光伏(fú)儲(chǔ)能(néng)係統(tǒng)，涵蓋(gài)了光(guāng)伏(fú)陣列(liè)模塊，儲能(néng)電池係統(tǒng)，智(zhì)能電(diàn)網並網(wǎng)逆變器以及(jí)能量管理(lǐ)控製(zhì)單(dān)元(yuán)等關鍵組(zǔ)件。測試環境(jìng)包括(kuò)用於模擬真實(shí)世界條件(jiàn)的氣候(hòu)控製(zhì)室，以確保(bǎo)測試結(jié)果的(dí)準(zhǔn)確(què)性(xìng)和(hé)可靠性。

3.2係(xì)統(tǒng)功能(néng)測試(shì)

由(yóu)表1測試(shì)結果可知，係統在大(dà)功率點(diǎn)跟(gēn)蹤方麵(miàn)的能量(liáng)轉換(huàn)效率達到了95.3%，功(gōng)率補償功能的精度達到了(liǎo)3.8W，動(dòng)態負(fù)載(zǎi)平(píng)衡(héng)功(gōng)能(néng)的負載匹配(pèi)誤差(chà)僅(jǐn)為(wéi)8.7%，確保(bǎo)了係統的穩定運行(háng)。智能(néng)充電時(shí)間(jiān)控製功能的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率(shuài)達(dá)到86.2%，設備(bèi)運行(háng)參(cān)數(shù)監測功能(néng)的監(jiān)測精度為0.7%，確保了數據(jù)的(dí)準確(què)性。能源存儲(chǔ)狀(zhuàng)態監控(kòng)功能的SOC預(yù)估(gū)偏差為(wéi)2.5%，有效預防(fáng)了潛在(zài)的(dí)故障(zhàng)。

3.3係(xì)統(tǒng)功能測試(shì)

表(biǎo)2測試結果(guǒ)顯(xiǎn)示(shì)，在DC-AC轉換(huàn)效(xiào)率(shuài)方麵(miàn)，係(xì)統(tǒng)的(dí)大(dà)輸(shū)出功率達到了4.9kW，轉(zhuǎn)換效率達到了(liǎo)97.8%，超(chāo)過了(liǎo)97.5%的(dí)目標(biāo)。在THD效(xiào)果方(fāng)麵，輸出電(diàn)流的THD僅(jǐn)為(wéi)4.2%，低於5.0%的閾(yù)值(zhí)。動態(tài)響應時(shí)間僅(jǐn)為1.8s，確(què)保了係統能(néng)夠(gòu)快速響(xiǎng)應功(gōng)率(shuài)變化。數(shù)據(jù)傳(chuán)輸延(yán)遲為(wéi)487ms，保(bǎo)證(zhèng)了數據(jù)的實(shí)時性。

4安科(kē)瑞Acrel-2000ES儲能能量管理係(xì)統介紹(shào)

4.1平台簡介(jiè)

安科(kē)瑞Acrel-2000ES儲能能量(liáng)管(guǎn)理係統具(jù)有(yǒu)*的儲能監控與管理功能,涵蓋了(liǎo)儲能係統設(shè)備(PCS，BMS，電表，消防，空調等)的(dí)詳(xiáng)細(xì)信息,實(shí)現了(liǎo)數據采集(jí)，數(shù)據(jù)處理，數據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據查詢(xún)與分(fēn)析，可視化(huà)監(jiān)控，報警(jǐng)管(guǎn)理，統(tǒng)計報(bào)表等功能。在(zài)應(yīng)用上(shàng)支持能(néng)量調度,具備計劃曲(qū)綫(xiàn)，削峰填(tián)穀(gǔ)，需(xū)量控製，備用(yòng)電源等控製(zhì)功(gōng)能(néng)。既可以(yǐ)用於儲(chǔ)能(néng)一體櫃,也(yě)可(kě)以用於(yú)儲能(néng)集(jí)裝箱,是專門用於設備管理的一套軟件(jiàn)係統平(píng)台(tái)。

4.2產(chǎn)品規(guī)格(gé)

4.3係統(tǒng)功(gōng)能

4.4應用(yòng)範圍

4.5配套產品

5結論

本文(wén)提出了一(yī)種(zhǒng)基(jī)於(yú)多能互(hù)補的光伏儲(chǔ)能係統設(shè)計方(fāng)案，集成能量轉換(huàn)，穩定(dìng)功(gōng)率輸出，智能充放(fàng)電管理(lǐ)和實時狀(zhuàng)態監測(cè)等功(gōng)能，有效提(tí)升了(liǎo)係(xì)統(tǒng)的(dí)整(zhěng)體性能(néng)。未來，將(jiāng)進一步優(yōu)化(huà)係(xì)統(tǒng)結(jié)構，探索更多應用場景(jǐng)，以滿足日益增(zēng)長(cháng)的(dí)能源需求(qiú)，並促進(jìn)能(néng)源(yuán)係統的可持(chí)續(xù)發(fā)展(zhǎn)。

參考文獻

[1].劉述(shù)波，楊斌，仲(zhòng)春(chūn)林，等.基於(yú)多能(néng)互補(bǔ)的儲(chǔ)能係(xì)統(tǒng)需求響應(yīng)策(cè)略(lüè)研究[J].自動化(huà)技術與(yǔ)應用(yòng)，2023，42（11）：137-141.

[2].左(zuǒ)濤，劉建濤，李敏，等(děng).麵(miàn)向碳中和的園(yuán)區(qū)多(duō)能互補(bǔ)微(wēi)電網研(yán)究[J].電(diàn)氣時代，2023（8）：36-43.

[3].張(zhāng)鵬飛，馬超(chāo)，李時(shí)雨.混合抽(chōu)蓄(xù)-風(fēng)-光多(duō)能(néng)互補係(xì)統(tǒng)容(róng)量(liáng)配(pèi)置(zhì)研究[J].水力發電(diàn)學報，2024，43（10）：1-16.

[4].安科瑞企業(yè)微(wēi)電(diàn)網設(shè)計與應用(yòng)手(shǒu)冊(cè).2020.06版.

[5].袁高峰(fēng).多能(néng)互(hù)補下的(dí)光伏儲(chǔ)能(néng)係統設計(jì)研究