光電互補儲能技術在升降式車庫項目的應用設計

張雅端

（科華數據股份有限公司，福建 廈門 361000）

1 光伏離網發電系統概述

離網光伏系統通常由太陽能組件、控制器、逆變器、蓄電池組和支架系統組成。該系統將白天光能轉換為直流電并將其逆變為交流電用于供電；將多余的直流電能儲存在蓄電池中，在夜間以及多云或下雨時為系統提供電力。離網光伏系統方案是一種獨立的解決方案，由于其可安裝在大多數地方且易于本地維護，因此它是可替代柴油發電機的可靠、清潔且成本低廉的有效解決方案[1]。

2 設計場景說明

項目描述如下：該文擬在升降式車庫項目中采用光電互補儲能系統方案。

2.1 項目用電量統計

該項目的用電情況如下：1） 共2臺車庫制動設備。由三相交流380 V電源為其供電，每臺設備功率為9.3 kW。每臺制動設備包括1臺提升電機和多臺橫移電機，提升電機的功率為7.5 kW，提升電機的工作電流為17 A～20 A，啟動狀態的電流約為額定電流的2倍（約40 A）；橫移電機的功率為0.2 kW。2） 車庫照明。由單相交流220 V電源為其供電，根據現場情況設置，負載功率預計不超過500 W。3） 其他設備。功率共10.6 kW，由單相交流220 V電源為其供電，包括自動售賣機、ATM取款機等。

以上設備正常工作時的總功率為23.7 kW，提升電機總功率為15 kW。啟動狀態時，2倍啟動電流折算后為30 kW。因此，考慮啟動狀態的電流需求，逆變器總功率需要達到30+3.6+0.5+10.6=44.7 kW。

2.2 電池要求

后備電量按市電停電后至少運行3 h進行設計。電池類型可選用鉛酸類的電池，例如管式膠體電池、鉛碳電池等。

2.3 主要設計功能要求

系統可實現市電與光伏供電間的轉換，轉換過程不停電；當光伏發電充足時，優先使用光伏發電；當光伏發電不足時，通過蓄電池供電；當蓄電池電量不足或達到預定放電量后，轉為市電供電（或根據峰谷電價設定轉換條件）；在電網停電的情況下，系統可作為UPS（不間斷電源）繼續為負載供電。

3 設計方案

3.1 配置方案

3.1.1 光伏離網逆變器（Inverter）

光伏離網逆變器是一種可以將光伏組件產生的或蓄電池提供的直流電轉變為交流電的電子設備。在該項目中推薦使用光伏離網逆變器FR-UK3360-SPO-A。該逆變器輸出帶隔離變壓器，具有較好的負載適應能力和較高的可靠性，60 kVA/48 kW可滿足輸出功率的要求，并具有短時1.5倍的過載能力，可靠性較高，而且該逆變器可實現逆變輸出與市電輸出切換時間為0的目標，即轉換過程不停電。該逆變器須配置電壓為348 V DC的電池。

3.1.2 蓄電池（Battery）

蓄電池是一種可以貯存化學能量且在必要時放出電能的一種電氣化學設備[2]。根據該項目選用的逆變器對輸入電壓的要求，可采用29節12 V蓄電池串聯方案。由于控制器充電電流最大可達35 A（根據組件功率），因此蓄電池容量不能配置得太小，應滿足短時不超過0.2 C充電電流的要求，即建議蓄電池容量至少配置200 Ah。根據項目的負載及用電量情況，電池組須至少儲備135 kW·h的電量，即須配置容量為135 kW·h/348 V=388 Ah的蓄電池；因此可配置400 Ah的電池組或者由2組200 Ah電池組并聯。

3.1.3 光伏組件（PV Moudle）

光伏組件又稱太陽電池組件，它是一種由若干單體太陽電池串、并聯連接并嚴密封裝成的、可將太陽能轉化為電能的組合發電裝置。根據該項目配置的組件規格、數量以及控制器的參數，按照38～40塊組件串聯，分4組并聯接入控制器。

光伏組件的安裝角度應按照冬季多發電的原則，即安裝傾角應該偏大。具體角度可根據安裝現場的條件（屋頂或地面）及軟件計算的最優值來確定。

3.1.4 光伏控制器（PV Controller）

光伏控制器是用于控制光伏組件為蓄電池充電以及蓄電池為逆變器負載供電的自動控制電子設備。該項目可選用1臺帶MPPT智能最大功率跟蹤功能的控制器SPC348075-M，控制器額定輸出電流為75 A，最大輸出功率為30 kWp。該產品可顯著提高光伏系統的能量利用率，對充電過程進行智能管理，有效延長蓄電池的使用壽命，同時它還具有完善的保護功能。光伏控制器柜體可集成直流配電功能，以減少柜體的使用。

3.1.5 充電器（Charger）

充電器是一種可將交流電轉換為直流電的電子設備。充電器可以在電池欠壓且市電正常時及時對蓄電池進行充電，以達到快速補充蓄電池電量的目的。該項目推薦采用ZL404-M40充電器，該產品可將交流380 V市電轉換為直流400 V/40 A，并輸出給蓄電池充電，具體充電電壓可按照系統設計需要在出廠前對其進行標定。

3.1.6 系統配置設備清單

根據前面對各設備的功能介紹及型號推薦，確定該項目系統設計方案如下：系統由光伏離網逆變器、蓄電池、光伏組件、光伏控制器、充電器、控制充電一體柜（用于集成光伏控制器和充電器等）及交流配電柜組成。

系統配置設備型號及數量等信息見表1。

表1 光伏離網發電系統配置方案

3.2 光伏離網系統連接圖設計

如圖1所示，該系統由光伏組件通過光伏控制器的直流輸出和蓄電池組作為主要輸入。該系統的直流母線電壓來源如下：1） 4路光伏組件通過帶MPPT模塊的光伏控制器SPC348075-M進行匯流輸出。2） 充電器ZL404-M40對市電進行整流后的輸出。3） 2組蓄電池組并聯輸出。直流母線的能量通過光伏離網逆變器逆變為交流后輸出至交流配電柜，為用戶負載供電。市電作為充電器及逆變器的輸入，它可以在異常情況下進行補充供電。防雷器在雷雨天氣時，可以保護系統免于遭受雷擊的傷害。

圖1 系統配置連接圖

3.3 系統工作模式

3.3.1 光伏發電功率大于負載功率

當光伏發電功率大于負載消耗功率時，由光伏發電給負載供電，并將多余的電量儲存在蓄電池組中，此時充電器根據電池電壓情況決定是否需要額外為電池充電。

3.3.2 光伏發電功率小于負載功率但蓄電池電壓高于預設值

當光伏發電功率不足時，即光伏組件的發電量小于負載所需要的功率且電池電量高于預設值（電池有儲能）時，由光伏發電與蓄電池共同為負載供電。

3.3.3 光伏發電功率小于負載功率且蓄電池電壓低于預設值

由于電池組至少需要預留3 h后備時間以備市電停電時使用，因此當光伏發電不足且蓄電池放電到預設值時，逆變器切換至市電為負載供電（此時逆變器處于旁路狀態），光伏發電為蓄電池充電。充電器根據電池電壓情況決定是否需要額外為電池充電。當蓄電池充電到滿容量時，逆變器自動切換至光伏供電。

3.3.4 市電停電

市電停電分2種情況：1） 逆變器工作在逆變狀態。此時停電不影響逆變器原工作狀態，但會使充電器停止對蓄電池充電。此時，由光伏發電和蓄電池共同為負載供電。2） 逆變器工作在旁路狀態，此時逆變模塊處于準備狀態，當市電停電時，逆變器快速切換至逆變狀態，確保輸出不停電，由蓄電池和光伏發電繼續為負載供電。

充電器的作用旨在因市電停電而導致蓄電池電量放完后，在市電恢復正常的情況下，快速地對蓄電池進行充電，以便快速恢復蓄電池的電量，防止短時間內出現頻繁停電的情況。此時，如果光伏有電可同時對蓄電池進行充電。

4 效益分析

作為一種新興的能源供應方案，光電互補儲能技術的應用在經濟及環保方面都有較為明顯的優勢。下面筆者將對成本、電網供電及發電機發電進行對比，從不同方面分析經濟效益。

4.1 系統成本估算

在該系統中，離網光伏逆變器及控制器成套柜價格約為6萬元，光伏組件單價為1.8元/W，該方案需求組件為80.6 W×152=12 251.2 W，組件價格約為2.2萬元（1 2251.2 W×1.8 元/W），單只電池價格為1 500元，需求58只，電池總價為8.7萬元。施工及管理費用設為1 000元，則該方案成本為6+2.2+8.7+0.4=17.3萬元。

4.2 與電網供電相比的經濟效益

已知該地區為華南沿海地區，參考常年日照時數，按每年日照1 878 h進行計算，12.25 kW的光伏組件年發電量為12.25 kW×1 878h=23 005.5 kW·h。根據現行的商用電價0.6元/kW·h， 每年23 005.5 kW·h的商業用電量的費用約為1.38萬元（注：該計算未考慮市場拉線施工等費用）。綜上可得，投資回收期為12.54a，即折算為電網供電，從第十三年起，便無須在用電方面投入資金。

4.3 與發電機供電相比的經濟效益

假設該項目位于市電未分布到的區域，則須采用發電機供電。1臺15 kW的發電機價格約為3 000元，12.25 kW功率發電每小時需要耗油3.275 L，當前柴油價格為6.77元/L，根據光伏發電量折算，每年需用柴油3.275×1878=6 150.45 L，費用約為4.16萬元。由此可得投資回收期為4.16 a，即折算為發電機供電，從第五年起，便無須在用電方面投入資金。

4.4 節能減排效益

火力發電作為人類早期使用的發電方式，它是人類使用最普遍的發電方式之一，也是我國目前主要的發電方式。它的基本發電原理就是通過燃燒煤炭、天然氣等方式，將化學能轉換成熱能，再由熱能帶動汽輪機旋轉，將熱能轉換成機械能，最后再由機械能的動力帶動發電工作，將機械能轉換成電能，從而實現發電的目標。火力發電帶來的污染不可小覷，火力發電會排放一些有害氣體到空氣中，對周圍的生態環境造成破壞。而且，由于地球上化石燃料的短缺，火力發電有面臨資源短缺的風險。光伏發電運用的是太陽能，太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源，具有清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、資源的充足性及潛在的經濟性等特點。

火力發電每產生1 kW·h的電能，平均消耗標準煤0.308 kg，而燃燒1 kg的標準煤，就會排放二氧化碳2.6 kg、二氧化硫24 g和氮氧化物7 g。該系統發電量為23 005.5 kW·h電的光伏電站，首年節約標準煤7 085.7 kg，減排二氧化碳18 422.8 kg，減排二氧化硫170 kg，減排氮氧化物49.6 kg。該系統的設計壽命周期為30 a，30 a內共節約標準煤212 571 kg，總減排二氧化碳552 684 kg，二氧化硫5 100 kg，氮氧化物1 488 kg。該系統在壽命周期內，可對節能減排做出的貢獻見表2。

表2 光伏離網發電系統壽命周期內減排匯總表

由此可見，采用光伏儲能發電方案可有效實現節能減排的目標。

4.5 效益分析總結

通過光伏儲能供電，可較大程度地取代傳統電網供電。采用光電互補儲能系統方案可以達到有效節能減排、保護環境的效果。同時，該方案與柴油發電相比，可收獲較大的經濟效益。綜上所述，光電互補儲能系統是一個集環保與經濟于一身的、既可靠又可持續的方案。

5 結語

儲能是構建以新能源為主體的新型電力系統，促進能源綠色低碳轉型，實現“碳達峰、碳中和”目標的關鍵技術，也是保障我國能源安全的重要支撐之一。光電互補儲能系統的技術不復雜，容易推廣，具有可靠性及應用靈活性的特點，可實現新能源+儲能的高效結合，促進雙碳目標達成，既環保又可節約能源。從長遠看來，該系統方案可以節省大量的設備運行維護費用，值得大力推薦。特別對新開發的項目，如果在設計初期便把光電互補儲能技術融入設計方案中，將獲取較大的便利，創造可觀的經濟效益。