淺談多種能源互補下的光伏儲能系統(tǒng)設計與研究

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】在能源轉型和可持續(xù)發(fā)展的背景下，多能互補技術成為提高可再生能源利用率和增強電網(wǎng)靈活性的關鍵。提出了一種基于多能互補的光伏儲能系統(tǒng)設計方案，包括能量轉換、穩(wěn)定功率輸出、智能充放電管理和實時狀態(tài)監(jiān)測等功能。硬件設計涵蓋了光伏陣列模塊、儲能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器和能量管理控制單元。搭建了測試環(huán)境并進行了系統(tǒng)測試，驗證了系統(tǒng)功能和性能的可靠性。

【關鍵詞】多能互補；光伏儲能；系統(tǒng)設計；儲能管理。

0引言

在全球能源需求增長與環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，光伏儲能系統(tǒng)可緩解光伏發(fā)電的間歇性問題。然而，單一的光伏發(fā)電系統(tǒng)難以滿足復雜多變的需求，研究多能互補下的光伏儲能系統(tǒng)設計具有重要意義。本文旨在探討如何利用多能互補技術，設計一個穩(wěn)定和智能的光伏儲能系統(tǒng)，以實現(xiàn)可再生能源的利用和能源結構的優(yōu)化。

1多能互補下的光伏儲能系統(tǒng)工作原理

多能互補下的光伏儲能系統(tǒng)整合光伏發(fā)電、風能發(fā)電、電池儲能等能源形式，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置和利用。光伏發(fā)電負責捕獲太陽能并將其轉化為電能；風能發(fā)電作為輔助，提高系統(tǒng)的整體能源輸入；而電池存儲單元則用于儲存多余的電能，以備光伏發(fā)電不足時使用。智能管理系統(tǒng)根據(jù)能源需求和供給情況，自動調(diào)節(jié)各種能源的使用，確保電力供應的穩(wěn)定性和可靠性（圖1）。

圖1多能互補下的光伏儲能系統(tǒng)工作原理圖

2多能互補下的光伏儲能系統(tǒng)設計

2.1需求分析

在功能需求方面，系統(tǒng)需實現(xiàn)大功率點跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）、功率補償、動態(tài)負載平衡、自動調(diào)節(jié)充放電、智能充電時間控制、設備運行參數(shù)監(jiān)測和能源存儲狀態(tài)監(jiān)控等功能，以提高系統(tǒng)的能量轉換效率和穩(wěn)定性。在性能需求方面，系統(tǒng)需滿足高能量轉換效率、低諧波失真（totalharmonicdistortion，THD）效果、快速動態(tài)響應和低數(shù)據(jù)傳輸延遲等性能指標，以保證系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定運行。

2.2功能設計

2.2.1能量轉換功能

能量轉換功能基于擾動觀察法，每0.5s進行一次迭代，以確保光伏陣列始終運行在其大功率點附近。使用了基于STM32微控制器的硬件平臺來實現(xiàn)MPPT算法，該控制器能夠根據(jù)光伏陣列的實時電壓和電流數(shù)據(jù)調(diào)整脈沖寬度調(diào)制信號的占空比，從而改變光伏陣列的工作點。直流—交流轉換器（DCtoACconverter，DC-AC）是基于TMS320F28379D微控制器進行設計的，采用了一種改進的空間矢量脈沖寬度調(diào)制算法，以提高逆變器的效率和輸出波形質量。

2.2.2穩(wěn)定功率輸出功能

（1）功率補償功能。功率補償功能基于預測算法，能夠提前預測未來一段時間內(nèi)的光伏出力和負荷需求。預測算法結合了歷史氣象數(shù)據(jù)和負荷曲線，采用時間序列分析技術，如差分自回歸移動平均模型，來預測未來的光伏出力和電網(wǎng)負荷。當預測到光伏出力不足時，系統(tǒng)將自動啟動儲能系統(tǒng)放電，以補償功率缺口；反之，當預測到光伏出力過剩時，儲能系統(tǒng)會將多余的電能儲存起來。

（2）動態(tài)負載平衡。動態(tài)負載平衡算法根據(jù)光伏出力、儲能狀態(tài)和電網(wǎng)需求的實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的充放電策略。具體來說，當光伏出力過剩時，系統(tǒng)會優(yōu)先考慮將多余的能量儲存到儲能系統(tǒng)中；當光伏出力不足時，儲能系統(tǒng)會釋放能量以彌補功率缺口。

2.2.3智能充放電管理功能

（1）自動調(diào)節(jié)充放電電流。自動調(diào)節(jié)充放電電流功能基于電池的狀態(tài)和系統(tǒng)需求，通過算法實現(xiàn)自動調(diào)整，以確保電池的健康狀態(tài)并能延長其使用壽命。采用基于電池剩余電量（stateofcharge，SOC）和溫度的控制策略，系統(tǒng)可以監(jiān)測電池的SOC和溫度，動態(tài)調(diào)整充放電電流。當SOC低于預定閾值（如30%）時，系統(tǒng)會自動增加充電電流，以快速恢復電池電量；反之，系統(tǒng)會減少充電電流。

（2）智能充電時間控制。智能充電時間控制策略能夠根據(jù)天氣預報和負荷預測未來一段時間內(nèi)的光伏出力和電網(wǎng)需求。系統(tǒng)通過分析預測數(shù)據(jù)，自動規(guī)劃較佳的充電時間，以充分利用光伏出力高峰期間的電能。當預測到明天是晴朗天氣時，系統(tǒng)會在夜間預先充電，使儲能系統(tǒng)具有充足的能量儲備，以備明天使用；相反，如果預測到陰雨天氣，系統(tǒng)則會在前*白天光伏出力較高時充電，以減少對電網(wǎng)的依賴。

2.2.4實時狀態(tài)監(jiān)測功能

（1）設備運行參數(shù)監(jiān)測。為了實現(xiàn)設備運行參數(shù)的實時監(jiān)測，本文設計了一個綜合監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測光伏儲能系統(tǒng)中各組件的關鍵運行參數(shù)，包括但不限于光伏陣列的輸出電壓和電流、儲能系統(tǒng)的充放電電流、電池溫度等。使用高性能的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊來獲取數(shù)據(jù)，無線通信技術將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還采用了卡爾曼濾波器等數(shù)據(jù)處理算法，用于過濾噪聲并提高數(shù)據(jù)的準確性。

（2）能源存儲狀態(tài)監(jiān)控。為了實現(xiàn)能源存儲狀態(tài)的實時監(jiān)控，本文設計了一個專門的監(jiān)控模塊。該模塊能夠持續(xù)監(jiān)測儲能系統(tǒng)的狀態(tài)，包括SOC、電池溫度、充放電次數(shù)等關鍵指標。使用高精度的傳感器來監(jiān)測這些參數(shù)，并通過智能算法進行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)還具備電池健康評估功能，能夠根據(jù)電池的使用情況和老化程度預測電池的剩余使用壽命。

2.3硬件設計

2.3.1光伏陣列模塊

在光伏陣列模塊設計中，采用型號為JKM310M-60的多晶硅光伏電池組件，每塊組件的峰值功率為310W，大功率點電壓（Ump）為35.7V、電流（Imp）為8.7A。光伏陣列將多個組件以并聯(lián)和串聯(lián)的形式組合起來，形成矩陣布局。串聯(lián)連接通過將組件的正*與下一個組件的負*相連，以增加整個陣列的電壓；而并聯(lián)連接則是將組件的正*與正*、負*與負*相連，以增加陣列的電流。根據(jù)光照強度和負載需求動態(tài)調(diào)整光伏陣列，確保了大功率點跟蹤的運行。

2.3.2儲能電池系統(tǒng)

儲能電池系統(tǒng)選用型號為LF100L的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）電池，其單體容量為100A·h，電壓為3.2V，這些參數(shù)設置確保了電池的高能量密度與長循環(huán)壽命。系統(tǒng)設計中，采用電池管理系統(tǒng)進行電池狀態(tài)監(jiān)測與管理，包括電壓、電流、溫度的實時監(jiān)控與均衡充電的管理，有效保障了電池安全運行。

2.3.3智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器

智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器采用型號為SUN2000-50KTL-C2的光伏逆變器，大輸出功率為50kW，支持三相并網(wǎng)，具有的能量轉換能力，轉換效率達98.6%。逆變器具有*的電能質量管理功能，能夠實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，調(diào)整輸出，以滿足并網(wǎng)標準。其內(nèi)置的通信模塊支持多種協(xié)議，確保了與智能電網(wǎng)的無縫對接和數(shù)據(jù)交互。

2.3.4能量管理控制單元

能量管理控制單元（energymanagementcontrolunit，EMCU）選用具備高速數(shù)據(jù)處理與實時控制能力的高性能微處理器STM32F407VGT6。EMCU集成了光伏陣列、儲能系統(tǒng)與逆變器的數(shù)據(jù)采集與控制功能，利用算法實現(xiàn)能量的優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)支持Wi-Fi與5G通信，確保遠程監(jiān)控與故障診斷的實時性。

3系統(tǒng)測試

3.1搭建測試環(huán)境

測試環(huán)境包括一套完整的基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏儲能系統(tǒng)，涵蓋了光伏陣列模塊、儲能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器以及能量管理控制單元等關鍵組件。測試環(huán)境包括用于模擬真實世界條件的氣候控制室，以確保測試結果的準確性和可靠性。

3.2系統(tǒng)功能測試

由表1測試結果可知，系統(tǒng)在大功率點跟蹤方面的能量轉換效率達到了95.3%，功率補償功能的精度達到了3.8W，動態(tài)負載平衡功能的負載匹配誤差僅為8.7%，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。智能充電時間控制功能的預測準確率達到86.2%，設備運行參數(shù)監(jiān)測功能的監(jiān)測精度為0.7%，確保了數(shù)據(jù)的準確性。能源存儲狀態(tài)監(jiān)控功能的SOC預估偏差為2.5%，有效預防了潛在的故障。

3.3系統(tǒng)功能測試

表2測試結果顯示，在DC-AC轉換效率方面，系統(tǒng)的大輸出功率達到了4.9kW，轉換效率達到了97.8%，過了97.5%的目標。在THD效果方面，輸出電流的THD僅為4.2%，低于5.0%的閾值。動態(tài)響應時間僅為1.8s，確保了系統(tǒng)能夠快速響應功率變化。數(shù)據(jù)傳輸延遲為487ms，保證了數(shù)據(jù)的實時性。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)介紹

4.1平臺簡介

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

4.2產(chǎn)品規(guī)格

4.3系統(tǒng)功能

4.4應用范圍

4.5配套產(chǎn)品

5結論

本文提出了一種基于多能互補的光伏儲能系統(tǒng)設計方案，集成能量轉換、穩(wěn)定功率輸出、智能充放電管理和實時狀態(tài)監(jiān)測等功能，有效提升了系統(tǒng)的整體性能。未來，將進一步優(yōu)化系統(tǒng)結構，探索更多應用場景，以滿足日益增長的能源需求，并促進能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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