光电互补储能技术在升降式车库项目的应用设计

张雅端

（科华数据股份有限公司，福建 厦门 361000）

1 光伏离网发电系统概述

离网光伏系统通常由太阳能组件、控制器、逆变器、蓄电池组和支架系统组成。该系统将白天光能转换为直流电并将其逆变为交流电用于供电；将多余的直流电能储存在蓄电池中，在夜间以及多云或下雨时为系统提供电力。离网光伏系统方案是一种独立的解决方案，由于其可安装在大多数地方且易于本地维护，因此它是可替代柴油发电机的可靠、清洁且成本低廉的有效解决方案[1]。

2 设计场景说明

项目描述如下：该文拟在升降式车库项目中采用光电互补储能系统方案。

2.1 项目用电量统计

该项目的用电情况如下：1） 共2台车库制动设备。由三相交流380 V电源为其供电，每台设备功率为9.3 kW。每台制动设备包括1台提升电机和多台横移电机，提升电机的功率为7.5 kW，提升电机的工作电流为17 A～20 A，启动状态的电流约为额定电流的2倍（约40 A）；横移电机的功率为0.2 kW。2） 车库照明。由单相交流220 V电源为其供电，根据现场情况设置，负载功率预计不超过500 W。3） 其他设备。功率共10.6 kW，由单相交流220 V电源为其供电，包括自动售卖机、ATM取款机等。

以上设备正常工作时的总功率为23.7 kW，提升电机总功率为15 kW。启动状态时，2倍启动电流折算后为30 kW。因此，考虑启动状态的电流需求，逆变器总功率需要达到30+3.6+0.5+10.6=44.7 kW。

2.2 电池要求

后备电量按市电停电后至少运行3 h进行设计。电池类型可选用铅酸类的电池，例如管式胶体电池、铅碳电池等。

2.3 主要设计功能要求

系统可实现市电与光伏供电间的转换，转换过程不停电；当光伏发电充足时，优先使用光伏发电；当光伏发电不足时，通过蓄电池供电；当蓄电池电量不足或达到预定放电量后，转为市电供电（或根据峰谷电价设定转换条件）；在电网停电的情况下，系统可作为UPS（不间断电源）继续为负载供电。

3 设计方案

3.1 配置方案

3.1.1 光伏离网逆变器（Inverter）

光伏离网逆变器是一种可以将光伏组件产生的或蓄电池提供的直流电转变为交流电的电子设备。在该项目中推荐使用光伏离网逆变器FR-UK3360-SPO-A。该逆变器输出带隔离变压器，具有较好的负载适应能力和较高的可靠性，60 kVA/48 kW可满足输出功率的要求，并具有短时1.5倍的过载能力，可靠性较高，而且该逆变器可实现逆变输出与市电输出切换时间为0的目标，即转换过程不停电。该逆变器须配置电压为348 V DC的电池。

3.1.2 蓄电池（Battery）

蓄电池是一种可以贮存化学能量且在必要时放出电能的一种电气化学设备[2]。根据该项目选用的逆变器对输入电压的要求，可采用29节12 V蓄电池串联方案。由于控制器充电电流最大可达35 A（根据组件功率），因此蓄电池容量不能配置得太小，应满足短时不超过0.2 C充电电流的要求，即建议蓄电池容量至少配置200 Ah。根据项目的负载及用电量情况，电池组须至少储备135 kW·h的电量，即须配置容量为135 kW·h/348 V=388 Ah的蓄电池；因此可配置400 Ah的电池组或者由2组200 Ah电池组并联。

3.1.3 光伏组件（PV Moudle）

光伏组件又称太阳电池组件，它是一种由若干单体太阳电池串、并联连接并严密封装成的、可将太阳能转化为电能的组合发电装置。根据该项目配置的组件规格、数量以及控制器的参数，按照38～40块组件串联，分4组并联接入控制器。

光伏组件的安装角度应按照冬季多发电的原则，即安装倾角应该偏大。具体角度可根据安装现场的条件（屋顶或地面）及软件计算的最优值来确定。

3.1.4 光伏控制器（PV Controller）

光伏控制器是用于控制光伏组件为蓄电池充电以及蓄电池为逆变器负载供电的自动控制电子设备。该项目可选用1台带MPPT智能最大功率跟踪功能的控制器SPC348075-M，控制器额定输出电流为75 A，最大输出功率为30 kWp。该产品可显著提高光伏系统的能量利用率，对充电过程进行智能管理，有效延长蓄电池的使用寿命，同时它还具有完善的保护功能。光伏控制器柜体可集成直流配电功能，以减少柜体的使用。

3.1.5 充电器（Charger）

充电器是一种可将交流电转换为直流电的电子设备。充电器可以在电池欠压且市电正常时及时对蓄电池进行充电，以达到快速补充蓄电池电量的目的。该项目推荐采用ZL404-M40充电器，该产品可将交流380 V市电转换为直流400 V/40 A，并输出给蓄电池充电，具体充电电压可按照系统设计需要在出厂前对其进行标定。

3.1.6 系统配置设备清单

根据前面对各设备的功能介绍及型号推荐，确定该项目系统设计方案如下：系统由光伏离网逆变器、蓄电池、光伏组件、光伏控制器、充电器、控制充电一体柜（用于集成光伏控制器和充电器等）及交流配电柜组成。

系统配置设备型号及数量等信息见表1。

表1 光伏离网发电系统配置方案

3.2 光伏离网系统连接图设计

如图1所示，该系统由光伏组件通过光伏控制器的直流输出和蓄电池组作为主要输入。该系统的直流母线电压来源如下：1） 4路光伏组件通过带MPPT模块的光伏控制器SPC348075-M进行汇流输出。2） 充电器ZL404-M40对市电进行整流后的输出。3） 2组蓄电池组并联输出。直流母线的能量通过光伏离网逆变器逆变为交流后输出至交流配电柜，为用户负载供电。市电作为充电器及逆变器的输入，它可以在异常情况下进行补充供电。防雷器在雷雨天气时，可以保护系统免于遭受雷击的伤害。

图1 系统配置连接图

3.3 系统工作模式

3.3.1 光伏发电功率大于负载功率

当光伏发电功率大于负载消耗功率时，由光伏发电给负载供电，并将多余的电量储存在蓄电池组中，此时充电器根据电池电压情况决定是否需要额外为电池充电。

3.3.2 光伏发电功率小于负载功率但蓄电池电压高于预设值

当光伏发电功率不足时，即光伏组件的发电量小于负载所需要的功率且电池电量高于预设值（电池有储能）时，由光伏发电与蓄电池共同为负载供电。

3.3.3 光伏发电功率小于负载功率且蓄电池电压低于预设值

由于电池组至少需要预留3 h后备时间以备市电停电时使用，因此当光伏发电不足且蓄电池放电到预设值时，逆变器切换至市电为负载供电（此时逆变器处于旁路状态），光伏发电为蓄电池充电。充电器根据电池电压情况决定是否需要额外为电池充电。当蓄电池充电到满容量时，逆变器自动切换至光伏供电。

3.3.4 市电停电

市电停电分2种情况：1） 逆变器工作在逆变状态。此时停电不影响逆变器原工作状态，但会使充电器停止对蓄电池充电。此时，由光伏发电和蓄电池共同为负载供电。2） 逆变器工作在旁路状态，此时逆变模块处于准备状态，当市电停电时，逆变器快速切换至逆变状态，确保输出不停电，由蓄电池和光伏发电继续为负载供电。

充电器的作用旨在因市电停电而导致蓄电池电量放完后，在市电恢复正常的情况下，快速地对蓄电池进行充电，以便快速恢复蓄电池的电量，防止短时间内出现频繁停电的情况。此时，如果光伏有电可同时对蓄电池进行充电。

4 效益分析

作为一种新兴的能源供应方案，光电互补储能技术的应用在经济及环保方面都有较为明显的优势。下面笔者将对成本、电网供电及发电机发电进行对比，从不同方面分析经济效益。

4.1 系统成本估算

在该系统中，离网光伏逆变器及控制器成套柜价格约为6万元，光伏组件单价为1.8元/W，该方案需求组件为80.6 W×152=12 251.2 W，组件价格约为2.2万元（1 2251.2 W×1.8 元/W），单只电池价格为1 500元，需求58只，电池总价为8.7万元。施工及管理费用设为1 000元，则该方案成本为6+2.2+8.7+0.4=17.3万元。

4.2 与电网供电相比的经济效益

已知该地区为华南沿海地区，参考常年日照时数，按每年日照1 878 h进行计算，12.25 kW的光伏组件年发电量为12.25 kW×1 878h=23 005.5 kW·h。根据现行的商用电价0.6元/kW·h， 每年23 005.5 kW·h的商业用电量的费用约为1.38万元（注：该计算未考虑市场拉线施工等费用）。综上可得，投资回收期为12.54a，即折算为电网供电，从第十三年起，便无须在用电方面投入资金。

4.3 与发电机供电相比的经济效益

假设该项目位于市电未分布到的区域，则须采用发电机供电。1台15 kW的发电机价格约为3 000元，12.25 kW功率发电每小时需要耗油3.275 L，当前柴油价格为6.77元/L，根据光伏发电量折算，每年需用柴油3.275×1878=6 150.45 L，费用约为4.16万元。由此可得投资回收期为4.16 a，即折算为发电机供电，从第五年起，便无须在用电方面投入资金。

4.4 节能减排效益

火力发电作为人类早期使用的发电方式，它是人类使用最普遍的发电方式之一，也是我国目前主要的发电方式。它的基本发电原理就是通过燃烧煤炭、天然气等方式，将化学能转换成热能，再由热能带动汽轮机旋转，将热能转换成机械能，最后再由机械能的动力带动发电工作，将机械能转换成电能，从而实现发电的目标。火力发电带来的污染不可小觑，火力发电会排放一些有害气体到空气中，对周围的生态环境造成破坏。而且，由于地球上化石燃料的短缺，火力发电有面临资源短缺的风险。光伏发电运用的是太阳能，太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，具有清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等特点。

火力发电每产生1 kW·h的电能，平均消耗标准煤0.308 kg，而燃烧1 kg的标准煤，就会排放二氧化碳2.6 kg、二氧化硫24 g和氮氧化物7 g。该系统发电量为23 005.5 kW·h电的光伏电站，首年节约标准煤7 085.7 kg，减排二氧化碳18 422.8 kg，减排二氧化硫170 kg，减排氮氧化物49.6 kg。该系统的设计寿命周期为30 a，30 a内共节约标准煤212 571 kg，总减排二氧化碳552 684 kg，二氧化硫5 100 kg，氮氧化物1 488 kg。该系统在寿命周期内，可对节能减排做出的贡献见表2。

表2 光伏离网发电系统寿命周期内减排汇总表

由此可见，采用光伏储能发电方案可有效实现节能减排的目标。

4.5 效益分析总结

通过光伏储能供电，可较大程度地取代传统电网供电。采用光电互补储能系统方案可以达到有效节能减排、保护环境的效果。同时，该方案与柴油发电相比，可收获较大的经济效益。综上所述，光电互补储能系统是一个集环保与经济于一身的、既可靠又可持续的方案。

5 结语

储能是构建以新能源为主体的新型电力系统，促进能源绿色低碳转型，实现“碳达峰、碳中和”目标的关键技术，也是保障我国能源安全的重要支撑之一。光电互补储能系统的技术不复杂，容易推广，具有可靠性及应用灵活性的特点，可实现新能源+储能的高效结合，促进双碳目标达成，既环保又可节约能源。从长远看来，该系统方案可以节省大量的设备运行维护费用，值得大力推荐。特别对新开发的项目，如果在设计初期便把光电互补储能技术融入设计方案中，将获取较大的便利，创造可观的经济效益。