光储充一体化电站建设关键技术：深入剖析与研究

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：光储充一体化电站的建设已然迈入高速发展的轨道。本研究先对光储充一体化电站建设的关键意义与实际现状予以简要阐述，进而深入剖析光储充电站建设的系统架构与控制模式，并进一步探讨光储充一体电站的运行技术细节，旨在促进光储充一体化电站与现有配电网的顺利衔接，推动新能源领域的健康发展，助力电动汽车产业的持续进步。与此同时，保障发电质量的稳定可靠，并提升充电效率。

关键词：光储充一体化电站；电动汽车；低碳经济

0引言

面对日益加剧的环境污染困境以及国内能源结构调整与优化的紧迫压力，大力扶持可再生能源已成为能源建设领域的核心任务。在低碳经济蓬勃发展的浪潮中，我国新能源产业迎来了前所未有的繁荣与快速发展机遇。电动汽车的广泛普及，无疑是我国交通领域践行车用能源绿色变革的关键举措。光能作为一种极具推广潜力的可再生能源，我国在光能发电技术研究方面持续发力，已取得显著进展。光储充一体化电站的建设，为改善光能发电的稳定性并确保负载输出的高效性开辟了极为有效的途径，极具推广价值与应用前景。我国电网建设正处于高速发展阶段，为进一步提升其安全性与可靠性，加大相应的电站建设力度势在必行。将光能发电技术与电网建设有机融合，推进光储充一体化电站建设，对于整体电网建设的完善以及国内基础设施建设水平的提升具有不可忽视的重要意义。

在零碳目标引领下，新能源与储能技术正加速规模化发展，这为技术创新带来了全新机遇。通过更为科学合理的系统方案设计，深入挖掘并提升储能的服务价值，推动储能与电网从被动适应向主动安全、主动支撑转变，为构建上下游产业链紧密相连的命运共同体、促进储能产业健康可持续发展筑牢根基。

1光储充一体式充电站建设意义

光储充一体化模式是将光伏发电系统、储能电池组与充电桩整合为一个微电网系统。借助光伏发电，所产生的电量存储于储能电池中，当发电出现不稳定状况时，储能电池可为充电桩提供电量支持。充电桩则通过光储充系统，为新能源汽车输送清洁电力，实现智能化柔性充电。此模式契合当下 “双碳” 政策导向，顺应时代发展潮流。

其次，光储充电站能够有效缓解对电网的冲击。据了解，当前市面上公共直流快充桩功率多在 60kW 及以上，在大型城市中广泛使用此类快充桩会对电网运行造成显著冲击。而光储充电站中的储能系统可发挥削峰填谷作用，平衡大电流对电网的影响，保障电网稳定运行。

最后，光储充电站为动力电池回收利用开辟了新路径。我国正步入动力电池退役高峰期，退役电池可回收作为光储充电站的储能电池，实现动力电池价值最大化，同时降低环境污染风险。

通常，为满足充电站用电需求，建设过程中需构建完备的供电系统，并与公共电网相连以实现购电功能。因此，引入并推进光储充一体化电站建设至关重要，且建设时需充分考量充电站占地面积等因素。一般而言，需打造完整的光储充配电系统，以契合实际用电需要。在光储充一体化电站系统进行子系统连接时，常采用三相交流母线接入方式，将光伏系统设备线路与存储系统、设备线路以及充电设备线路相互连接，随后进行并网设置，从而有效解决集中大功率充电可能引发的问题，确保光储充电站能够实现自发自用，达成良好的储电用电保障功效。

2光储充一体化电站系统研究

光储充一体化电站的关键技术涵盖范畴广泛，包括整体系统与子系统相关技术、建设过程中所需安装的各类设备，以及建成后对整个系统运行状况的全面管控，以此保障光储充一体化电站的稳定运行。

2.1光储充一体化电站设备

总体来说，光储充一体化电站的设备主要由光伏设备、储能设备以及充电设备3个部分组成。

光伏设备是将光能或太阳能转化为电能的设备，光伏设备本身的电力输出能力与太阳辐射强度、周围环境温度有关。光伏发电设备如图1所示。

图1光伏发电设备

储能设备的配置需充分考量储能容量的实际需求，在充放电过程中，需对充放电周期与实际效率予以关注，并严格控制充放电的上下限值。在储能设备与系统运行期间，需运用储能设备或系统的使用寿命模型，对其建设成本与效益进行预估，从而得出在运行全周期内能够产生的最终效益。当前，较为常见的储能方式之一是采用电池储能。由于电池充放电次数有限，需对整体效益进行精确估算。依据现有技术，电池充放电循环次数与电池工作环境密切相关，且受充放电深度影响显著。影响储能系统或设备成本的关键因素在于日常使用过程中的维护与运营工作，其不仅需要投入成本，且对储能系统的使用寿命有着重要影响。

2.2光储充电站建设的系统结构

光储充一体化电站系统结构如图 2，在新能源汽车领域应用广泛，独立设置的光伏模块、储能模块以及充电模块相互连接，并接入统一配电线路，形成完整微电网。对于光储充一体化电站而言，此微电网需具备接入城市供电系统及供电线路的基础功能。

在电站建设过程中，基础部分涵盖光伏系统、储能系统以及充电系统。在此基础上，还需配备相应的监控系统，用于监测电站的充放电情况，采集各项数据，合理分配电站功率，以满足不同用电设备与区域的实际需求。

此外，可借助现有的自动化技术与信息技术，搭建完整的云端综合控制管理平台，对采集到的数据进行综合处理、预测与分析，优化系统电力配置与调度工作，精准下达控制指令，完善与提升光储充一体化电站的功能。

图2光储充一体化电站系统结构

2.3光储充一体化电站的控制方式

当前较为常见的控制模式主要有并网控制与离网控制两种。

在并网控制模式下，借助上述云端综合控制管理平台获取次日天气数据与信息，以及历史光伏发电功率数据，结合次日光伏功率预测情况，对整体发电状况进行预估，进而向各监控系统下发具体的电力调度曲线，对光储充一体化电站的发电功率进行限制、补充与调整，确保发电稳定，且不对电网电能稳定性与发电质量造成干扰。而当接入电网因自然条件、气候因素变化或用电高峰等问题，无法良好满足整个工业园区用电需求时，可切换至离网运行模式。在此模式下，即便外接电网出现故障，工厂仍可通过对储电、储能、光伏发电等设备的实际运行功率进行调整与联合，维持稳定的生产工作，保障最终发电的稳定性。

2.4持续优化设备整体配置情况

通通过构建光储充一体化电气设备的整体系统模型，优化用电设施设备的资源配置，以实现电站净收益的最大化。因此，需持续优化设备整体配置，革新与改进各项技术，确保电站建成后效益达到最优。

3能量管理系统各功能的实现

光伏电站对整体电网会产生较为显著的冲击与影响，致使其自给率较低，且在并网工作中存在诸多限制。而单独的充电设施在用电高峰时易对电网造成波动，集中性充电增加了电网运行负担。总体而言，城市电路系统建设在大规模充电设施规划方面存在不足。若直接将充电设备接入配网，需对变电设备与线路进行改造，这无疑会增加建设成本。而光储充一体化电站的建设，能够在用电量较大时，通过光储充电站补充设备用电，减少接入电网时可能引发的系统干扰问题，提升企业经济效益，促进企业绿色发展，具有显著的社会效益。

为满足电动汽车充电的稳定性要求，降低电站运营成本，运行控制策略遵循以下原则：一是确保电能输出稳定；二是最大程度吸纳光电能；三是充分发挥削峰填谷作用；四是降低对电网的冲击。

根据西安市阶梯电价运行原则（见表1），结合运行控制策略原则，设计优化策略。

根据峰平谷电价的时间段分布进行控制阶段的设定，为3级调控方式，具体如下。

在用电谷值期间，其电价成本低，可由市电进行充电供能并给储能模块进行充电作业，保证在平或峰值期间储能模块的电量供给。在谷值期间，市电总负荷量也处于低位，在此期间进行供电和储能充电作业可提高夜间用电量，达到“填谷”的作用。

在平值期间，电价为中等档次。此时控制策略采取光伏供电预先形式：如果光伏电量能够满足电动汽车需求，则单独供电；如果光伏电量无法满足电动汽车需求时，则利用储能设备进行供电（储能设备电能余量需满足在高峰期与光伏整体的稳定输出），仍然不足时需采取市电供电措施。

在峰值期间，电价为高档。此时应尽量避免采取市电供电：首先，用光伏进行供电，利用储能设备进行稳定输出配合；其次，如果光能源电量将出现缺口时，则应采用储能设备进行补充，稳定输出；后，在二者均无法满足供电需求时，补充市电进行充电作业。光储充一体式充电站运行控制如图3所示。

图3光储充一体式充电站运行控制图

4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

4.1概述

安科瑞 Acrel - 2000ES 储能能量管理系统具备完善的储能监控与管理功能，全面涵盖储能系统设备（PCS、BMS、电表、消防、空调等）信息，实现数据采集、处理、存储、查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等多项功能。在应用层面支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统可对电池组性能进行实时监测与历史数据分析，并依据分析结果采用智能化分配策略对电池组进行充放电控制，优化电池性能，延长电池寿命。系统支持 Windows 操作系统，数据库采用 SQLServer。该系统既适用于储能一体柜，也可应用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的软件系统平台。

4.2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量管理需求。

工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

微电网能量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。

微电网能量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。

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。

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。

储能界面

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，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

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。

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。

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。

4.4.2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

4.4.3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

4.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，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

4.4.5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

4.4.6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

4.4.7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、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/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、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

4.4.8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

4.4.9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

4.4.10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量交换进行统计分析；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

4.4.11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。

4.4.12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

4.4.13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

4.4.14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

4.4.15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规定和随意修改。

图29事故追忆

4.5系统硬件配置清单

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acre1-2000ES

	内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。
2	工业平板电脑	PPX133L		承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息
3	交流计量电表	DTSD1352

	集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有2~31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485通信接口，可选用MODBUS-RTU或DL/T645协议。
4	直流计量电表	DJSF1352

	表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能；
5	通信管理机	ANet-2E8S1		能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据；
6	串口服务器	Aport

	功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
7	遥信模块	ARTU-K16

反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器； 读消防I/0信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报)

5结论

本文将光伏发电、储能系统与电动汽车充电站结合，并对光储充一体式充电站设备、结构、运行策略进行了分析，确立了以运行成本为控制主目标、以储能底循环电量为辅助目标的运行控制策略。本文在运行控制策略模型中对智能算法进行了初步探索，下一步研究中将引进智能算法体系，实现多目标优配置，并结合实例数据进行效果验证，保证控制策略的可行性。

参考文献:

[1]李梓楠.蒙西工业园区网架规划[D].保定:华北电力大学,2013.

[2]王艳松,赵惺,李强,等.基于油气开采的海上油田中长期电力负荷预测[J].中国石油大学学报(自然科学版),2021,45(2):127-133.

[3]吉小鹏,金强,乔峰,等.海岛微网能量管理系统的设计与实现[J].中南大学学报:自然科学版,2013,S1:420-424.

[4]姚力文，白小明，陈轶.基于灰理论的电力负荷预测模型[J].南昌大学学报（理科版），2010,34(5):507-510.

[5]李瑞杰.配电网网格化规划中的空间负荷预测技术研究[D].郑州：郑州大学,2020.

[6]王骁.电力系统空间负荷密度预测研究[D].上海:上海交通大学,2018.

[7]刘思.配电网空间负荷聚类及预测方法研究[D].杭州:浙江大学,2017.

[8]申超群.基于负荷密度法与Logistic模型法的饱和负荷预测研究[D].郑州:郑州大学,2016.

[9]崔帅帅,李启航,冯朝阳,范积亮.光储充一体化电站建设关键技术研究.

[10]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版.

审核编辑 黄宇