基于火力发电厂光储充一体化系统设计

程瑜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：随着“双碳”目标的提出，光伏发电已经成为了新能源发电领域重要的发电方式之一。本文提出了火力发电厂光储充一体化发电系统设计方案，对光储充系统设计过程进行了分析阐述，在查阅相关文献资料后，设计了可靠、合理的方案，对火力发电厂发展光储充一体化具有参考意义。

关键词：分布式；光储充；火电厂；光伏+

0 引言

“光伏+”应用场景虽然已经在我国已遍地开花，但“光伏+”是一种以光伏为主，附加其他能源为辅的新型清洁能源。特别是“光伏+储能+充电桩”的模式，既能满足清洁能源发电的特点，也能满足利用储能达到削峰填谷的作用，还能给新能源汽车（负荷）即发即用，越来越收到大众的广泛接受。因此，分析光储存初步设计，对节能减排，助力碳中和碳达峰，是一件非常有意义的事情。

1项目概况

某火力发电厂光储充一体化项目位于广东省内，项目由73.5kW光伏发电系统、100kWh储能系统、2台直流充电系统以及后台监控系统组成。

白天，光伏组件的硅电池在阳光的照射下，利用硅半导体的光生伏打效应将光能转化为电能，通过单块组件的串联把电压升高到逆变器的额定电压，再通过并联将电流汇流，使得光伏发电直流侧电压和电流达到光伏发电系统输入额定电压、电流转为交流侧的要求。储能系统分为直流侧储能和交流侧储能，目前应用较广的是交流侧储能，它们之间的唯*区别是储能变流器（PCS）放置直流侧还是交流侧。光伏控制器控制光伏发电量，类似于水龙头的阀门一样。因此，蓄电池能够充多少电，能不能稳定地充电与充放电控*器有关系。储能控*器和电池系统、发电系统一起将光能转化为电能储存起来，使得电能能够在合适的时机充分被利用。

晚上，电力不够用时，储能系统将发挥作用，通过PCS将蓄电池的电释放出来给负荷使用。在整个储能系统的充放电中，由能源管理系统（EMS）控制，EMS根据负荷的用电情况，控制着蓄电池释放电量的多少和时间段。可以看出，光伏控*器和EMS是整个光储存系统的两大核心控制装置系统。此外，为了以防设备被雷击等过电压损坏设备，造成*员和设备的损失，在整个系统中需要设计完备的过电压保护和过负荷等保护，以此来保护整个系统的安全运行。

2光储充一体化系统设计过程和思路

本项目的光伏组件安装在发电厂内的汽车车棚顶，光伏所发的电优先给电动汽车充电，用不完的电量利用蓄电池储存起来，并入到厂用电低压柜380V母线

3光伏发电系统设计

光伏组件是太阳能光伏发电系统*核心部件，在整个光伏发电系统生命周期中，光伏组件的发电效率和造价成本是我们选择光伏组件要考虑的两个首要因素。目前，应用于商业性质的太阳能光伏组件主要有太阳能晶硅电池、薄膜太阳能电池。

薄膜电池由于转化效率低，功率衰减相对较快，仅适用于小批量示范项目；晶体硅电池转化效率高、产量大、性能稳定、使用寿命长、技术成熟、应用范围广、并网电站用量多，适合在分布式光伏电站中应用。综合价*、规模、转化效率等因素，在火力发电厂光储充一体化发电项目中分别选择发电效率高、制造技术成熟单晶硅太阳能组件；弱光性能好的、碲化镉太阳能电池组件、铜铟硒太阳能组件组件。

4充电桩系统设计

表1常见充电桩电气参数配置
输入方式	电气配置参数	应用场景
三相	AC／DC：15kW，双向；DC／DC：60kW、120kWh,双向；储能电池：≥60kWh。城市商业综合体、城市中*停车场等用户临时补电或者应急充电需求场所	城市商业综合体、城市停车场等用户临时补电或者应急充电需求场所
单相	AC／DC：7kW，双向；DC／DC：60kWh、120kWh，双向；储能电池：≥60kWh	别*、住宅区等三相电拉取比较困难的场所，可利用空闲时间如间将储能电池充满，满足用户临时补电或应急充电需求

目前市场处比较常见的充电桩有交流充电桩和直流充电桩，功率有60kW、120kW、240kW等，也有单枪和双枪设置，它们的电气参数表1。结合本项目的情况，选择2台120kWh直流充电桩。

5储能系统设计

储能系统是电网“发-输-变-配-用”环节的重要组成部分，是能源互联网和智慧能源的必不可少的组成部分，整个系统包括发电部分、充电控制部分和交流逆变三个部分。

5.1蓄电池的选择

目前我国电力市场中储能的方式有很多种，其中形成规模化应用的储能方式主要有三种，分别是铅酸电池储能、铝电池储能和液流电池储能。储能对于用户来说，通常有2个指标需要考虑。首先要求电池要有很大的瞬时能源，即要求满足短时间内输出较大的功率来满足负荷的瞬时波动；其次要求有较高的安全性能，需要满足大电流、宽电压、高温度的生产环境，不能释放有毒的物质，更不能产生爆*；*后要有较长的寿命周期，即要满足较高的循环次数。相对于其他的储能方式，锂电池由于具备了以上较多的优点，它的放电深*DOD在100%的条件下也能达到循环次数7500，目前是储能领域首*性价比*高的储能方式。根据火力发电厂重要负荷月平均用电量4000kWh计算，日平均用电量=4000kWh/m÷30d=133kWh/d，因此满足1d用电量存储的蓄电池，可以采用120节12V100AH的蓄电池，为了保证绝*的电量供应不间断，对于电厂通信保护这样的重要负荷，一般至少要考虑按照5个白天的电量存储，那么需要300节蓄电池。

5.2电气系统的设计

光储充一体化充电设施低压母线设置于户外汇流箱内，低压母线采用一进四出的接线形式，自上级配电房取电，为监控摄*头、充电桩、光储并网系统提供电能，电气主接线方案见图1。光储并网逆变器保护测控回路、充电桩保护测控回路、监控摄*头信号回路等二次回路接入上级配电房监控系统总线，实现上级配电房对一体化充电设施的实时监控。

6监控系统的设计

光储充监控系统能源管理系统运行方式有并网运行方式、离网运行方式和并网和离网切换运行方式三类。*一种是并网运行方式，这种方式是光伏发电直接电网市电直接连

接。储能系统对光伏发电的波动电压、功率和频率进行平衡，使其达到合适的范围。*二种是离网运行方式。储能系统协同主电源工作，在能源关系系统的统一协调和控制下，对负荷和发电量进行调节控制，当光伏发电量大于负荷用电时，将光伏发电多余的电量储存起来，提高了能源的利用效率。*三种是分时段并网与离网切换运行的方式。EMS利用低谷时段和高峰用电时段，将并网和离网运行方式相互转换，实现系统的稳定*优运行，实现用户的节约能源。

7 Acrel-2000MG微电网能源管理系统概述

7.1概述

Acrel-2000MG微电网能源管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能源管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能源管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能源管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能源管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能源管理系统应采用分层分布式结构，整个能源管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

7.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能源管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

7.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能源管理需求。

7.4型号说明

8系统配置

8.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能源管理系统组网方式

9系统功能

9.1实时监测

微电网能源管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能源管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

9.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

9.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。

9.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

9.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

9.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

9.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

9.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

9.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

9.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

9.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

9.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度百分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

9.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

9.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

9.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能源交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

9.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

9.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

9.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

9.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

9.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户指定和随意修改。

图29事故追忆

10结束语

火力发电厂消耗大量的化石能源，也产生较大的污染，建设太阳能光储充一体化直流系统，对火力发电厂节约能源具有非常重要的意义。通过光伏建筑一体化把火电厂应用场景与光储充相结合来产生电能，满足火电厂重要的厂用电负荷用电，既节约了火力发电厂的燃煤消耗，也让多余的电能能够充分地得到利用。作两种方式，相较于其他控制方法，获得更好的准确性、效率性和可靠性。为电源管理的研究提供一些积*的理论建议，供业界人士参考。

配电房监控系统总线配电房低压母线

光储并网逆变器

低压母线

户外汇流箱

监控摄*头

图1电气主接线方案示意图

参考文献

[1]曹轶婷,欧方浩,王建兴.公交光储充一体化充电站设计[J].农村电气化，2021(03):60-62.

[2]林青瑜,洪智勇.光储充一体化电站关键技术设计[J].中国新通信，2020,22(06):80.

[3]宋蕾.3kWp户用型光储发电系统的设计与实现[D].哈尔滨：东北农业大学，2018.

[4]晏阳,袁简,王梦蔚.光储充一体化充电设施设计方案研究[J].电工技术，2019,(23):28-30.

[5]常金旺,刘波,薛建明,等.风光储供给火电厂厂用电的消纳技术及其可靠性研究[J].供用电，2020,37(07):81-87.

[6]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.

[7]肖利坤.火力发电厂光储充一体化系统设计.

审核编辑 黄宇