光儲充一體化智能微網建設

摘 要：智能微網適用于分布式光伏發電靈活接入，光儲充一體化工程項目集成度高。利用廠房屋頂和車棚頂部空間，布置光伏發電組件，供給辦公區域和車棚直流充電樁用能;配置適當比例的鉛酸電池儲能單元，平衡發電功率和負載功率;通信管理機實時監測各設備功率數據，執行PC主機的微網運行控制策略。測算項目經濟效益，為后續工程提供參考。

關鍵詞：智能微網;光儲充一體化;雙向PCS;通信管理;分布式光伏接入

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0146-04

Abstract： Intelligent microgrids are suitable for flexible access to distributed photovoltaic power generation， and optical storage and charging integrated engineering projects have a high degree of integration. Use the roof of the factory building and the top space of the carport to arrange photovoltaic power generation modules to supply energy to the office area and the carport DC charging piles; configure an appropriate proportion of lead-acid battery energy storage units to balance generated power and load power; the communication management machine monitors each device in real time. Power data， implement the PC host's microgrid operation control strategy， calculate the economic benefits of the project and provide reference for subsequent projects.

Keywords： intelligent microgrid; optical storage and charging integration; two-way PCS; communication management; distributed photovoltaic access

“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標的提出，推動我國新能源建設駛入快車道，同時，新型電力系統規劃確立了以新能源為主體的發展方向[1-3]。光伏并網在兩個維度實現，即大規模集中并網和分布式多點并網，前者容量大，后者覆蓋面廣、接入形式更為靈活。分布式光伏接入分為并網型和離網型，并網型與公共電網相連，離網型控制邏輯更為復雜，配置一定容量的儲能單元、負載，源-網-荷-儲-控架構也稱為微網（或微電網），微網建設呈現集成化、智能化發展趨勢[4]。

1 工程概況

以某工業園區光儲充一體化智能微網示范工程為例。在廠房建筑物屋頂和充電樁車棚上鋪裝分布式太陽能電池板，車棚內安裝直流充電樁，配電室內安裝儲能單元和控制單元。

廠房建筑物屋頂東西長32 m，南北寬14 m，總面積448 m2;充電樁車棚東西長10 m，南北寬5.5 m，總面積55 m2。選用高光電轉化率的單晶硅光伏組件，單塊功率370 W。廠房建筑物屋頂安裝96塊光伏組件，采用雙排布置形式，與屋頂平面安裝夾角為25°，總容量為35.52 kWp，匹配40 kW并網逆變器;直流充電樁車棚安裝22塊光伏組件，采用雙排對稱平鋪形式，總容量8.14 kWp，匹配10 kW并網逆變器。

負載為辦公區域內照明系統、視頻監控系統、電腦和打印機等辦公設備，以及冷熱兩用空調和換氣扇。

2 光儲充一體化智能微網拓撲結構

基于泛在電力物聯網技術，實現電網、負載、儲能和充電樁分層控制[5]，各設備與控制中心信息交互，光儲充一體化智能微網拓撲結構如圖1所示。動態感知光伏板逆變器、雙向PCS、直流充電樁實時電氣參數，動態調整充電時間和功率，優化直流充電樁負荷運行曲線，實現有效填谷，提升微網系統運行效率。

太陽能光伏組件發出直流電，經由逆變器完成直-交變換，連接至380 V母線，母線連接儲能柜、直流充電樁和其他用電負載，負載包括交流負載和直流負載，其中儲能柜是微網調節的實現單元。

3 關鍵技術

3.1 光伏組件性能對比與選型

太陽能電池板以硅基材料為主，單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜市場占比超過九成。非晶薄膜技術水平高，應用于特殊場景，單晶硅、多晶硅是工業應用的主力產品，二者間的性能對比見表1。

可見，單晶硅組件的光電轉換效率高于多晶硅組件，土地空間利用率高。單晶硅半片高效組件成為屋頂光伏的首選，光伏發電系統用PERC單晶光伏組件峰值功率約為445～550 Wp[6]。綜合光電轉換效率、市場占有率和成熟度，本工程選用兼具性價比的540 Wp單晶半片PERC組件。

3.2 儲能配置方案

按照光儲充一體化智能微網功能需求，配置一套鉛酸電池儲能系統，用于光伏發電系統并網消納后剩余電量的儲存，并在用電高峰時段釋放儲存電能。根據2023年度用電量及電費統計情況，工業園區辦公樓冬季采暖和夏季制冷，采用電采暖和空調制冷方式，夏季和冬季為用電負荷高峰月份。執行光伏發電時段“全消納、儲能用、零上網”的控制方式，通信管理機完成功率分配和用能控制。

春、秋季節光伏發電效率高，采用負荷控制模式，將光伏剩余電量儲存至蓄電池組，晚上用電高峰時段儲能電池出力。夏季為空調用能高峰季節，利用峰谷電價差，發揮儲能系統最大效能，實現套利。即：在用電低谷時段，以填谷形式給蓄電池組充電，在上午10—12點用電高峰時段進行放電，實現峰谷電價套利[7]。冬季為電采暖用電高峰時段，而此時光伏發電效率較低，輸出功率不足以滿足負載設備運行需求，故不考慮光伏發電剩余電量消納情況，夏季發電功率不能滿足空調用能需求時，同樣適用該策略。

根據光伏系統裝機容量，計劃選用2臺光伏并網逆變器，40 kW、10 kW各1臺，儲能電池組按滿載發電量的80%匹配，選用1臺40 kW雙向儲能變流器（PCS）。配套布置兩面直流蓄電池安裝屏，儲能系統采用一充一放工作模式，配置65 Ah/12 V蓄電池50節，串聯接線，系統電壓600 V，理論儲能電量39 kWh。設備安裝在新建配電室內，層高2.8 m，配電柜底座高0.1 m。

3.3 儲能變流器（PCS）

PCS 執行儲能單元（蓄電池）充電與放電功能，布置于儲能柜和380 V母線之間，通過A/D、D/A模塊完成交直流變換。配置硬件故障保護和軟件保護單元，保護功能配置依據“交叉冗余”原則，杜絕死區，確保各種故障狀態下的系統安全。

3.3.1 儲能變流器（PCS）的調節功能

1）有功功率控制功能。PCS可根據微電網運行控制系統指令控制其有功功率輸出。為實現有功功率調節功能，電池儲能系統能接收并實時跟蹤執行微電網運行控制系統發送的有功功率控制信號，根據微電網運行控制系統控制指令等信號自動調節有功輸出，輸出有功功率與設置值偏差不超過3%。

2）電壓/無功調節功能。PCS可根據微電網運行控制系統控制指令等信號實時跟蹤調節無功輸出，其參數為無功功率、功率因數等參數可由微電網運行控制系統遠程設定。

3）PCS具備主動孤島檢測功能。孤島狀態下，能夠在2 s內檢測出孤島狀態，同時通過監控系統上報故障信息。

4）PCS具備一定程度的異常電壓耐受能力。交流輸出端三相電壓的允許偏差為額定電壓的-15%～+10%。

5）PCS電池充電時滿足電池對電能質量要求。恒流充電時，穩流精度小于等于1%（在20%～100%輸出額定電流時），電流紋波小于等于5%。

6）PCS接入電網后，公共連接點的三相電壓不平衡度不超過GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》規定的限值，公共連接點的負序電壓不平衡度應不超過2%，短時不得超過4%[8];其中由PCS引起的負序電壓不平衡度不超過1.3%，短時不超過2.6%。

7）PCS具有人機交互界面和通信功能，方便工作人員就地和遠程操作，人機界面能顯示如下：數據顯示/電池信息/狀態顯示/故障信息/工作記錄/歷史查詢/控制操作/參數設置。

8）PCS具備一定程度的過電流耐受能力。1.1倍10 min，1.2倍1 min，即當PCS輸出電流為額定電流的1.1倍時，連續運行10 min;當PCS輸出電流為額定電流的1.2倍時，連續運行1 min[9]。

3.3.2 儲能變流器（PCS）的保護功能

1）PCS具有過載保護功能。當PCS輸出的功率超過其允許的最大直流輸入功率時，PCS應自動限流工作在允許的最大交流輸出功率處。

2）PCS具有過熱保護功能。當PCS內部主要發熱元件如IGBT溫度、變壓器溫度、電抗器溫度超過允許值的任一情況下，PCS停止向電網供電。恢復正常后PCS應能正常工作。

3）PCS具有三相不平衡和相位保護功能。當PCS交流輸出側三相不平衡時或接入電網后檢測到的相位發生錯誤時，PCS即停止工作。

4）PCS具有防反接保護功能。當上述故障類型發生時，PCS保護停機，人機交互界面顯示故障信息，當故障排除后，需手動操作完成復位。

3.4 微網監測控制系統

監測控制系統是微網各類設備協調運行的邏輯執行單元，覆蓋充電樁系統、冷熱源系統、配用電系統，通信系統架構如圖2所示。維持發電功率與負載功率的實時平衡，RS-485通信監測車棚和廠房屋頂逆變器功率，記錄發電功率;RS-485通信監測充電樁、冷熱空調、換氣扇和其他辦公類負載功率，記錄負載功率;RS-485通信監測儲能柜雙向變流器功率，填補發電與負載功率差值，實現380 V母線功率平衡。通信管理機與PC主機間網線互聯，執行TCP/IP協議;配置55英寸大屏，HDMI高清線連接，實時顯示各設備功率數據;PC主機可以分析線路損耗、變損和電能質量。

3.5 充電控制系統

充電控制系統具有如下技術優勢。

3.5.1 多重加密

為確保數據安全，監控系統支持多重加密：鏈路層進行通道加密;業務層進行二維碼加密、藍牙連接雙向身份認證、數據交互加密等技術手段。

3.5.2 可靠充電

系統網絡正常通信時，以常規方式充電，PC主機與雙向變流器以雙通道互備份方式進行數據傳輸，在通信管理機端，充電指令先到先處理、后到忽略，提高數據傳輸實時性。通信網絡發生系統故障時，以用戶充電需求響應為優先原則，依據充電場景的不同，為用戶提供差異化服務，通過本地藍牙通道發起繼續充電申請或執行應急充電，確保不低于現有充電方式的可靠性。

3.5.3 便捷操作

用戶無需手動開啟藍牙熱點、輸入充電樁編號，可通過掃描二維碼，即可自動開啟藍牙連接，實現充電樁與車輛的配對綁定，實現車輛即停即充。

4 經濟效益

4.1 發電量計算

根據太陽能在斜面的日照輻射總量，結合光伏組件供應商提供的衰減參數，高效單晶硅太陽電池組件第1年總衰減比為2%，以后逐年衰減0.55%。首年發電量L1=50 kW×1 397.7 h×81%×98%=55.47 MW·h，其中1 397.7 h為項目所在地區年平均發電小時數。光伏發電項目投資回報周期為25年，由等比數列求和公式得，項目投資周期總發電量為

La=L1=55.47×=1 298.97 MW·h，年平均發電量為51.96 MW·h。

4.2 電價計算

根據項目所在地工商業用電各時段電價，見表2。采用加權電費計算，電價=（8×0.549 4+8×0.759 5）/16=0.654元/度（測算電價取峰、平時段加權，不包括谷時）。

本項目發電收入按經營期平均上網電價和上網電量計算，自用電價按工商業用電峰、平加權計算為0.654元/度，年平均電費收入為3.40萬元。

4.3 經濟評價

工程靜態投資459.6萬元，年維護費用占固定資產的比率：運營期1～3年0.3%，4～10年0.4%，11～15年0.6%，16～20年0.8%，21～25年1.0%。固定資產折舊提取采用直線法，殘值按固定資產原值的5%計取，折舊年限取20年，折舊還貸率100%。測算出項目投資財務內部收益率5.07%（稅后），資本金財務內部收益率6.19%，滿足新能源項目投資要求，項目在經濟上可行。

5 結束語

光儲充一體化智能微網項目基于分布式微網監控平臺，融合了工業園區的配電系統、分布式光伏系統、儲能系統、直流充電樁、辦公負載及線路損耗和電能質量監測系統等功能。控制系統基于現場各監測儀表、智能控制設備，實現數據集成采集和處理，通過通信管理機執行PC主機控制策略，實現工業園區微網“清潔型”“智慧化”“近零功耗”用能需求，有效降低電網功率消耗。

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作者簡介：陳亞威（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為新能源項目投資及建設。