光储充一体化智能微网建设

摘 要：智能微网适用于分布式光伏发电灵活接入，光储充一体化工程项目集成度高。利用厂房屋顶和车棚顶部空间，布置光伏发电组件，供给办公区域和车棚直流充电桩用能;配置适当比例的铅酸电池储能单元，平衡发电功率和负载功率;通信管理机实时监测各设备功率数据，执行PC主机的微网运行控制策略。测算项目经济效益，为后续工程提供参考。

关键词：智能微网;光储充一体化;双向PCS;通信管理;分布式光伏接入

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：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

“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的提出，推动我国新能源建设驶入快车道，同时，新型电力系统规划确立了以新能源为主体的发展方向[1-3]。光伏并网在两个维度实现，即大规模集中并网和分布式多点并网，前者容量大，后者覆盖面广、接入形式更为灵活。分布式光伏接入分为并网型和离网型，并网型与公共电网相连，离网型控制逻辑更为复杂，配置一定容量的储能单元、负载，源-网-荷-储-控架构也称为微网（或微电网），微网建设呈现集成化、智能化发展趋势[4]。

1 工程概况

以某工业园区光储充一体化智能微网示范工程为例。在厂房建筑物屋顶和充电桩车棚上铺装分布式太阳能电池板，车棚内安装直流充电桩，配电室内安装储能单元和控制单元。

厂房建筑物屋顶东西长32 m，南北宽14 m，总面积448 m2;充电桩车棚东西长10 m，南北宽5.5 m，总面积55 m2。选用高光电转化率的单晶硅光伏组件，单块功率370 W。厂房建筑物屋顶安装96块光伏组件，采用双排布置形式，与屋顶平面安装夹角为25°，总容量为35.52 kWp，匹配40 kW并网逆变器;直流充电桩车棚安装22块光伏组件，采用双排对称平铺形式，总容量8.14 kWp，匹配10 kW并网逆变器。

负载为办公区域内照明系统、视频监控系统、电脑和打印机等办公设备，以及冷热两用空调和换气扇。

2 光储充一体化智能微网拓扑结构

基于泛在电力物联网技术，实现电网、负载、储能和充电桩分层控制[5]，各设备与控制中心信息交互，光储充一体化智能微网拓扑结构如图1所示。动态感知光伏板逆变器、双向PCS、直流充电桩实时电气参数，动态调整充电时间和功率，优化直流充电桩负荷运行曲线，实现有效填谷，提升微网系统运行效率。

太阳能光伏组件发出直流电，经由逆变器完成直-交变换，连接至380 V母线，母线连接储能柜、直流充电桩和其他用电负载，负载包括交流负载和直流负载，其中储能柜是微网调节的实现单元。

3 关键技术

3.1 光伏组件性能对比与选型

太阳能电池板以硅基材料为主，单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜市场占比超过九成。非晶薄膜技术水平高，应用于特殊场景，单晶硅、多晶硅是工业应用的主力产品，二者间的性能对比见表1。

可见，单晶硅组件的光电转换效率高于多晶硅组件，土地空间利用率高。单晶硅半片高效组件成为屋顶光伏的首选，光伏发电系统用PERC单晶光伏组件峰值功率约为445～550 Wp[6]。综合光电转换效率、市场占有率和成熟度，本工程选用兼具性价比的540 Wp单晶半片PERC组件。

3.2 储能配置方案

按照光储充一体化智能微网功能需求，配置一套铅酸电池储能系统，用于光伏发电系统并网消纳后剩余电量的储存，并在用电高峰时段释放储存电能。根据2023年度用电量及电费统计情况，工业园区办公楼冬季采暖和夏季制冷，采用电采暖和空调制冷方式，夏季和冬季为用电负荷高峰月份。执行光伏发电时段“全消纳、储能用、零上网”的控制方式，通信管理机完成功率分配和用能控制。

春、秋季节光伏发电效率高，采用负荷控制模式，将光伏剩余电量储存至蓄电池组，晚上用电高峰时段储能电池出力。夏季为空调用能高峰季节，利用峰谷电价差，发挥储能系统最大效能，实现套利。即：在用电低谷时段，以填谷形式给蓄电池组充电，在上午10—12点用电高峰时段进行放电，实现峰谷电价套利[7]。冬季为电采暖用电高峰时段，而此时光伏发电效率较低，输出功率不足以满足负载设备运行需求，故不考虑光伏发电剩余电量消纳情况，夏季发电功率不能满足空调用能需求时，同样适用该策略。

根据光伏系统装机容量，计划选用2台光伏并网逆变器，40 kW、10 kW各1台，储能电池组按满载发电量的80%匹配，选用1台40 kW双向储能变流器（PCS）。配套布置两面直流蓄电池安装屏，储能系统采用一充一放工作模式，配置65 Ah/12 V蓄电池50节，串联接线，系统电压600 V，理论储能电量39 kWh。设备安装在新建配电室内，层高2.8 m，配电柜底座高0.1 m。

3.3 储能变流器（PCS）

PCS 执行储能单元（蓄电池）充电与放电功能，布置于储能柜和380 V母线之间，通过A/D、D/A模块完成交直流变换。配置硬件故障保护和软件保护单元，保护功能配置依据“交叉冗余”原则，杜绝死区，确保各种故障状态下的系统安全。

3.3.1 储能变流器（PCS）的调节功能

1）有功功率控制功能。PCS可根据微电网运行控制系统指令控制其有功功率输出。为实现有功功率调节功能，电池储能系统能接收并实时跟踪执行微电网运行控制系统发送的有功功率控制信号，根据微电网运行控制系统控制指令等信号自动调节有功输出，输出有功功率与设置值偏差不超过3%。

2）电压/无功调节功能。PCS可根据微电网运行控制系统控制指令等信号实时跟踪调节无功输出，其参数为无功功率、功率因数等参数可由微电网运行控制系统远程设定。

3）PCS具备主动孤岛检测功能。孤岛状态下，能够在2 s内检测出孤岛状态，同时通过监控系统上报故障信息。

4）PCS具备一定程度的异常电压耐受能力。交流输出端三相电压的允许偏差为额定电压的-15%～+10%。

5）PCS电池充电时满足电池对电能质量要求。恒流充电时，稳流精度小于等于1%（在20%～100%输出额定电流时），电流纹波小于等于5%。

6）PCS接入电网后，公共连接点的三相电压不平衡度不超过GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》规定的限值，公共连接点的负序电压不平衡度应不超过2%，短时不得超过4%[8];其中由PCS引起的负序电压不平衡度不超过1.3%，短时不超过2.6%。

7）PCS具有人机交互界面和通信功能，方便工作人员就地和远程操作，人机界面能显示如下：数据显示/电池信息/状态显示/故障信息/工作记录/历史查询/控制操作/参数设置。

8）PCS具备一定程度的过电流耐受能力。1.1倍10 min，1.2倍1 min，即当PCS输出电流为额定电流的1.1倍时，连续运行10 min;当PCS输出电流为额定电流的1.2倍时，连续运行1 min[9]。

3.3.2 储能变流器（PCS）的保护功能

1）PCS具有过载保护功能。当PCS输出的功率超过其允许的最大直流输入功率时，PCS应自动限流工作在允许的最大交流输出功率处。

2）PCS具有过热保护功能。当PCS内部主要发热元件如IGBT温度、变压器温度、电抗器温度超过允许值的任一情况下，PCS停止向电网供电。恢复正常后PCS应能正常工作。

3）PCS具有三相不平衡和相位保护功能。当PCS交流输出侧三相不平衡时或接入电网后检测到的相位发生错误时，PCS即停止工作。

4）PCS具有防反接保护功能。当上述故障类型发生时，PCS保护停机，人机交互界面显示故障信息，当故障排除后，需手动操作完成复位。

3.4 微网监测控制系统

监测控制系统是微网各类设备协调运行的逻辑执行单元，覆盖充电桩系统、冷热源系统、配用电系统，通信系统架构如图2所示。维持发电功率与负载功率的实时平衡，RS-485通信监测车棚和厂房屋顶逆变器功率，记录发电功率;RS-485通信监测充电桩、冷热空调、换气扇和其他办公类负载功率，记录负载功率;RS-485通信监测储能柜双向变流器功率，填补发电与负载功率差值，实现380 V母线功率平衡。通信管理机与PC主机间网线互联，执行TCP/IP协议;配置55英寸大屏，HDMI高清线连接，实时显示各设备功率数据;PC主机可以分析线路损耗、变损和电能质量。

3.5 充电控制系统

充电控制系统具有如下技术优势。

3.5.1 多重加密

为确保数据安全，监控系统支持多重加密：链路层进行通道加密;业务层进行二维码加密、蓝牙连接双向身份认证、数据交互加密等技术手段。

3.5.2 可靠充电

系统网络正常通信时，以常规方式充电，PC主机与双向变流器以双通道互备份方式进行数据传输，在通信管理机端，充电指令先到先处理、后到忽略，提高数据传输实时性。通信网络发生系统故障时，以用户充电需求响应为优先原则，依据充电场景的不同，为用户提供差异化服务，通过本地蓝牙通道发起继续充电申请或执行应急充电，确保不低于现有充电方式的可靠性。

3.5.3 便捷操作

用户无需手动开启蓝牙热点、输入充电桩编号，可通过扫描二维码，即可自动开启蓝牙连接，实现充电桩与车辆的配对绑定，实现车辆即停即充。

4 经济效益

4.1 发电量计算

根据太阳能在斜面的日照辐射总量，结合光伏组件供应商提供的衰减参数，高效单晶硅太阳电池组件第1年总衰减比为2%，以后逐年衰减0.55%。首年发电量L1=50 kW×1 397.7 h×81%×98%=55.47 MW·h，其中1 397.7 h为项目所在地区年平均发电小时数。光伏发电项目投资回报周期为25年，由等比数列求和公式得，项目投资周期总发电量为

La=L1=55.47×=1 298.97 MW·h，年平均发电量为51.96 MW·h。

4.2 电价计算

根据项目所在地工商业用电各时段电价，见表2。采用加权电费计算，电价=（8×0.549 4+8×0.759 5）/16=0.654元/度（测算电价取峰、平时段加权，不包括谷时）。

本项目发电收入按经营期平均上网电价和上网电量计算，自用电价按工商业用电峰、平加权计算为0.654元/度，年平均电费收入为3.40万元。

4.3 经济评价

工程静态投资459.6万元，年维护费用占固定资产的比率：运营期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%。固定资产折旧提取采用直线法，残值按固定资产原值的5%计取，折旧年限取20年，折旧还贷率100%。测算出项目投资财务内部收益率5.07%（税后），资本金财务内部收益率6.19%，满足新能源项目投资要求，项目在经济上可行。

5 结束语

光储充一体化智能微网项目基于分布式微网监控平台，融合了工业园区的配电系统、分布式光伏系统、储能系统、直流充电桩、办公负载及线路损耗和电能质量监测系统等功能。控制系统基于现场各监测仪表、智能控制设备，实现数据集成采集和处理，通过通信管理机执行PC主机控制策略，实现工业园区微网“清洁型”“智慧化”“近零功耗”用能需求，有效降低电网功率消耗。

参考文献：

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作者简介：陈亚威（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为新能源项目投资及建设。