光储充一体化电站建设应用方案探究

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：光储充一体化电站在新能源领域属于创新模式，整合了太阳能发电与能量存储系统，目的是提升能源利用效率，增强应对能源需求的灵活性。此模式给传统能源供应与管理模式带来变革，为能源行业开拓新方向。本文阐述光储充一体化电站建设的重要性，深入探究其关键技术，涵盖光伏发电、储能、耦合、开关柜以及能量管理技术等，还对其未来能源领域的发展趋向予以预测，旨在为能源行业的持续创新给予理论支撑与实践指引。

关键词：光储充一体化电站；光伏发电；能量存储；智能管理

0 引言

光储充一体化电站作为新型能源利用模式，关键在于有效整合太阳能发电与电能储存系统，达成能源的高效运用与持续稳定供应。该模式不但能显著提高太阳能发电利用率，减少对传统化石燃料的依赖，而且对缓解能源危机和减轻环境污染极为关键。然而，光储充一体化电站建设面临诸多技术难点，诸如怎样提升太阳能电池转换效率、怎样构建更高效且安全的能量储存系统，以及怎样实现这些系统的优化整合与智能管理等。解决这些技术问题是实现光储充一体化电站高效运行的核心，也是推动可再生能源广泛应用的重要基础。深入剖析和探讨光储充一体化电站建设中的关键技术，对推动能源结构优化以及实现可持续发展目标有着极为重要的现实意义。

1 光储充一体化电站建设的重要意义

光储充一体化电站通过整合太阳能发电和能量存储系统，有效解决了太阳能发电的间歇性与不稳定性问题，保障能源供应的连续性与稳定性。这种模式在提高太阳能利用效率方面独具优势，对减少温室气体排放、缓解全球气候变化起到积极作用。在提升能源转换与存储效率、降低能源损耗层面，该电站模式同样优势显著，对提高能源利用效率、削减能源成本极为关键。从技术层面看，光储充一体化电站的建设推动了包括高效太阳能电池、大容量能量储存系统以及智能电站管理技术等一系列创新，既推进了电站技术发展，也为其他能源技术的进步奠定了基础。该模式在促进地区经济发展、增加就业机会等方面也发挥了重要作用。鉴于太阳能资源分布广泛，此电站模式在为偏远地区和能源匮乏地区提供稳定电力供应方面具有不可替代的价值。

2 光储充一体化电站建设的关键技术

2.1 光伏发电技术

2.1.1 光伏组件技术

光伏组件技术是光储充一体化电站中光伏发电技术的核心部分，重点关注太阳能电池光电转换效率的提升及其在电站系统中的集成应用。当前，光伏组件的发展聚焦于高效硅基太阳能电池及其创新设计。硅基太阳能电池包含单晶硅和多晶硅电池，通过采用高纯度硅材料与优化晶体生长工艺，大幅提高了电池的光电转换效率。在电池结构设计方面，运用钝化发射极和背面电池（PERC）技术、异质结技术（HJT）以及背接触电池技术，有效减少了电子 - 空穴对的复合损失，提升了电池的光电转换效率。对电池片的表面处理技术加以优化，如抗反射涂层和表面钝化技术，进一步降低了光学损耗和电子复合，增强了电池的光捕获能力。在光伏组件的封装与集成环节，采用高透光率的乙烯 - 醋酸乙烯共聚物（EVA）薄膜和耐候性强的背板材料，确保了组件的长期稳定性与耐环境性能。光伏组件的电气设计通过优化串联和并联连接方式，实现了更高的模块输出功率与更低的系统线损。智能化光伏组件的研发集成了微型逆变器或优化器，达成了单个组件的最大功率点跟踪（MPPT），提升了整个光伏阵列的能量输出效率。光伏组件技术的创新与进步，不仅提高了光伏发电效率，还强化了光储充一体化电站在不同环境与运行条件下的适应性与可靠性，为实现高效、稳定的太阳能发电筑牢了技术根基。

2.1.2 逆变器技术

逆变器技术在光储充一体化电站中的作用主要是将光伏组件产生的直流电高效转换为交流电，同时保障电能质量与系统稳定。现代逆变器凭借采用先进的功率电子技术与微电子技术，实现精准的功率控制与高效能量转换。特别是宽带隙半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，显著降低了逆变器的导通损耗和开关损耗，从而提升转换效率。多电平逆变器技术通过增加电压电平，有效减少输出电压和电流的波动，提高输出电能质量。集成的 MPPT 技术能依据光照和温度变化自动调整工作状态，最大化捕获能量。逆变器的远程监控和故障诊断功能，利用实时数据分析和预测性维护，提高系统运行可靠性和维护效率。为契合电网需求，现代逆变器还具备电网支持功能，如低电压穿越（LVRT）和电压调节，增强电网的稳定性。逆变器技术的创新不仅优化了光伏发电的能量转换流程，也为光储充一体化电站的高效稳定运行提供了技术支撑，成为可持续能源供应的关键环节。

2.2 储能技术

储能技术在光储充一体化电站中占据着极为关键的地位，主要涉及电化学储能系统、机械储能设备和热能储存技术的应用与优化。在电化学储能系统中，锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命和优良的充放电效率而成为主流选择。电池管理系统（BMS）的应用确保电池组安全稳定运行，通过实时监控电池状态和性能，优化充放电策略，延长电池寿命。此外，液流电池在大规模储能领域展现出优势，其可扩展的储能容量和较低的能量密度损耗能够满足大型电站需求。机械储能设备如抽水蓄能和飞轮储能，以其高效的能量转换和长期的储能能力适应特定场景。抽水蓄能通过高低地势间水体的移动存储能量，飞轮储能利用旋转质量的惯性存储和释放能量。热能储存技术包括相变材料储热和高温熔盐储热，为电站提供高效热能存储方式。相变材料借助物质相变吸收或释放热量，高温熔盐储热利用熔盐高比热容储存热能。储能技术的综合应用，提升了电站能量利用效率，为太阳能发电的不稳定性和间歇性提供了调节手段。精确的能量管理和调控确保电站在不同运行条件下具备高效性能，为实现可持续的能源供应奠定了坚实基础。

2.3 耦合技术

耦合技术的关键在于优化光伏和储能系统的能量流动，保障两个系统间能量的高效传递与利用。电站设计采用先进的控制算法和实时数据处理技术，动态调整光伏发电和储能系统的工作状态，以应对电站负荷变化和环境条件的波动。例如，实施最大功率点跟踪（MPPT）算法，自动调整光伏系统的工作点，优化能量捕获。同时，通过精确控制储能系统的充放电过程，平衡电站的能量供需，提高整体运行效率。耦合技术在实现光伏系统和储能系统的热管理方面同样至关重要，通过优化热控制系统，使设备保持在最佳温度下运行，延长设备寿命，降低维护成本。耦合技术通过实现光伏发电和储能系统间的有效接合与协调运行，提高了光储充一体化电站的整体能效和可靠性，对电站的持续稳定运行起着决定性作用。

2.4 开关柜技术

开关柜技术在光储充一体化电站中承担着关键的配电和保护职责，确保电站内部电气系统的安全、稳定与高效运行。开关柜主要包含断路器、隔离开关、接触器、继电器和控制单元等关键组件，负责电站内部电力的分配、控制及保护。断路器在电站系统中用于保护电气设备免受过载或短路的损害，其选择和配置需考量电流承载能力和断路能力。隔离开关用于在维修时安全地隔离电气设备，其设计需满足高压电气隔离的安全标准。接触器和继电器作为控制元件，用于远程或自动控制电站内部电气设备的开合，其性能直接影响电站的响应速度和操作可靠性。控制单元是开关柜的核心，集成先进的微处理器和控制算法，实现对电站内部电气设备的精确控制和实时监控。在设计开关柜时，还需考虑其防尘、防潮、抗震等物理性能，确保在恶劣环境下的稳定运行。开关柜的热管理也十分重要，需采用高效的散热设计，如强制通风、散热片或空调系统，以防止设备过热，保证运行效率和寿命。开关柜的智能化管理是提高电站效率和安全性的重要方向，通过集成智能监控系统，如故障诊断、状态监测和预测性维护，实现对电站运行状态的实时监控和及时维护。开关柜技术通过在电力分配、控制和保护方面的高效与可靠性，保障了光储充一体化电站内部电气系统的稳定运行，对电站的整体性能和安全性起着至关重要的作用。

2.5 能量管理技术

能量管理技术在光储充一体化电站中的应用旨在实现对光伏发电、储能系统以及电站负载之间能量流动的有效调控。该技术核心在于采用先进的管理系统和算法，对电站内部的能量产生、存储和消耗进行实时监控与智能优化。能量管理系统（EMS）集成了高级数据处理能力和人工智能算法，能够实时分析电站的能量产出、储存状态和消费需求。通过预测光伏发电的产能和负载需求的变化，EMS 调整储能设备的充放电策略，优化能量的存储和利用效率。电站的需求响应管理是能量管理的关键构成部分，涉及调节电站内部负载以及参与电网侧需求响应，包括负荷平衡、峰谷电价适应等策略，以降低电能成本并提升电网稳定性。在储能系统管理方面，EMS 不仅监控电池状态，还通过优化充放电深度、温度控制等手段延长电池寿命。EMS 还需具备与电网交互的能力，如支持电网频率调节、电压控制和应急响应功能，提高电站对电网的支持能力。在数据安全和网络通信方面，EMS 应采用高级加密技术和稳定的通信协议，确保数据传输的安全性和系统的可靠运行。借助这些高级的管理技术和策略，能量管理系统不仅提升了电站的经济效益，还增强了电站的运行可靠性和对电网的友好性，是光储充一体化电站高效稳定运行的关键环节。

3 光储充一体化电站的未来展望

光储充一体化电站在未来能源领域拥有广阔的发展前景，其核心在于达成更高效、可靠、环保的能源供应。随着太阳能电池效率的持续提升与成本的进一步降低，光伏发电将更为高效和经济，使光储充一体化电站在各类环境中的应用更为广泛。特别是钙钛矿太阳能电池、多结太阳能电池等新型高效太阳能电池技术的发展，将大幅提高光伏组件的转换效率，进一步推动光储充一体化电站的效率与成本效益。在储能技术方面，锂离子电池、液流电池等高效储能系统的研发与优化，将显著提升储能容量和寿命，降低成本，这对于平衡光伏发电的间歇性和不稳定性极为关键，可提高电站的调峰能力和可靠性。未来光储充电站将更多地采用智能化的能量管理系统，借助物联网、大数据分析和人工智能技术进行能量的高效分配与优化管理，实现对能源需求的精准预测和响应，从而提高能源的利用效率和电站的经济性。分布式能源系统和微电网的发展将使光储充一体化电站在城市和农村能源供应中发挥更为重要的作用。这种模式有助于提升能源供应的灵活性和可靠性，特别是在偏远地区或灾害情形下，能够提供稳定的能源供应。环保和可持续发展的全球趋势将进一步推动光储充一体化电站技术的创新，特别是在减少碳排放和提高能源利用效率方面。光储充一体化电站不仅能够推动能源结构的优化与转型，还能在应对气候变化和促进可持续发展方面发挥重要作用。

4 安科瑞微电网能量管理系统

Acrel - 2000MG 微电网能量管理系统能够对微电网的源、网、荷、储能系统、充电负荷进行实时监控、诊断告警、全景分析、有序管理和高级控制，满足微电网运行监视全面化、安全分析智能化、调整控制前瞻化、全景分析动态化的需求，完成不同目标下光储充资源之间的灵活互动与经济优化运行，实现能源效益、经济效益和环境效益最大化。

4.1 主要功能

实时监测。

能耗分析。

智能预测。

协调控制。

经济调度。

需求响应。

4.2 系统特点

平滑功率输出，提升绿电使用率。

削峰填谷、谷电利用，提高经济性。

降低充电设备对局部电网的冲击。

降低站内配电变压器容量。

实现源荷最高匹配效能。

4.3相关控制策略

序号	系统组成	运行模式	控制逻辑
1	市电+负荷+储能	峰谷套利	根据分时电价，设置晚上低价时段充电、白天高价时段放电，根据峰谷价差进行套利
2		需量控制	根据变压器的容量设定值，判断储能的充放电，使得变压器容量保持在设定容量值以下，降低需量电费
3		动态扩容	对于出现大功率的设备，且持续时间比较短时，可以通过控制储能放电进行补充该部分的功率需求，
4		需求响应	根据电网调度的需求，在电网出现用电高峰时进行放电、在电网出现用电低谷时进行充电；
5		平抑波动	根据负荷的用电功率变化，进行充放电的控制，如功率变化率大于某个设定值，进行放电，主要用于降低电网冲击
6		备用	当电网出现故障时，启动储能系统，对重要负荷进行供电，保证生产用电
7	市电+负荷+光伏	自发自用、余电上网	光伏发电优先供自己负荷使用，多余的电进行上网，不足的由市电补充
8		自发自用	主要针对光伏多发时，存在一个防逆流控制，调节光伏逆变器的功率输出，让变压器的输出功率接近为0
9	市电+负荷+光伏+储能	自发自用	通过设置PCC点的功率值，系统控制PCC点功率稳定在设置值。在这种状态下，系统处于自发自用的状态下，即： 1）当分布式电源输出功率大于负载功率时，不能完全被负载消耗时，增加负载或储能系统充电。 2）当分布式电源输出功率小于负载功率时，不够负载消耗时，减少负载（或者调节充电功率）或者储能系统对负载放电。
10		削峰填谷	1）根据用户用电规律，设置峰值和谷值，当电网功率大于峰值时，储能系统放电，以此来降低负荷高峰；当电网功率小于谷值时，储能系统充电，以此来填补负荷低谷，使发电、用电趋于平衡。 2)根据分布式电源发电规律，设置峰值和谷值，当电网功率大于峰值时，储能系统充电，以此来降低发电高峰；当电网功率小于谷值时，储能系统放电，以此来填补发电低谷，使发电、用电趋于平衡。
11		需量控制	在光伏系统*大化出力的情况下，如果负荷功率仍然超过设置的需量功率，则控制储能系统出力，平抑超出需量部分的功率，增加系统的经济性。
12		动态扩容	对于出现高负荷时，优先利用光储系统对负荷进行供电，保证变压器不超载
13		需求响应	根据电网调度的需求，在电网出现用电高峰时进行放电或者充电桩降功率或停止充电、在电网出现用电低谷时进行充电或者充电充电；
14		有序充电	在变压器容量范围内进行充电，如果充电功率接近变压容量限值，优先控制光伏*大功率输出或储能进行放电，如果光储仍不满足充电需求，则进行降功率运行，直至切除部分充电桩（改变充电行为），对于充电桩的切除按照后充先切，先来后切的方式进行有序的充电。（有些是以充电时间与充电功率为控制变量，以充电费用或者峰谷差*小为目标）
15		经济优化调度	对发电用进行预测，结合分时电价，以用电成本*少为目标进行策略制定
16		平抑波动	根据负荷的用电功率变化，进行充放电的控制，如功率变化率大于某个设定值，进行放电，主要用于降低电网冲击
17		力调控制	跟踪关口功率因数，控制储能PCS连续调节无功功率输出
18		电池维护策略	定期对电池进行一次100%DOD深充深放循环；通过系统下发指令，更改BMS的充满和放空保护限值，以满足100%DOD充放，系统按照正常调度策略运行
19		热管理策略	基于电池的*高温度，控制多台空调的启停

1.削峰填谷：配合储能设备、低充高放

2.需量控制：能量储存、充放电功率跟踪

3.备用电源

4.柔性扩容：短期用电功率大于变压器容量时，储能快速放电，满足负载用能要求

4.4 核心功能

多种协议：支持多种规约协议，涵盖 ModbusTCP/RTU、DL/T645 - 07/97、IEC60870 - 5 - 101/103/104、MQTT、CDT、第三方协议定制等。

多种通讯方式：支持多种通信方式，如串口、网口、WIFI、4G。

通信管理：提供通信通道配置、通信参数设定、通信运行监视和管理等功能，并提供规约调试工具，可监视收发原码、报文解析、通道状态等。

智能策略：系统支持自定义控制策略，如削峰填谷、需量控制、动态扩容、后备电源、平抑波动、有序充电、逆功率保护等策略，保障用户的经济性与安全性。

全量监控：覆盖传统 EMS 盲区，可接入多种协议和不同厂家设备实现统一监制，达成环境、安防、消防、视频监控、电能质量、计量、继电保护等多系统和设备的全量接入。

4.5系统功能

系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷情况，体现系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、告警信息、收益、环境等。

储能监控

系统综合数据：电参量数据、充放电量数据、节能减排数据；

运行模式：峰谷模式、计划曲线、需量控制等；

统计电量、收益等数据；

储能系统功率曲线、充放电量对比图，实时掌握储能系统的整体运行水平。

光伏监控

光伏系统总出力情况

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，识别低效发电电站；

发电收益统计(补贴收益、并网收益)

辐照度/风力/环境温湿度监测

并网电能质量监测及分析

光伏预测

以海量发电和环境数据为根源，以高精度数值气象预报为基础，采用多维度同构异质BP、LSTM神经网络光功率预测方法。

时间分辨率：15min

超短期未来4h预测精度＞90%

短期未来72h预测精度＞80%

短期光伏功率预测

超短期光伏功率预测

数值天气预报管理

误差统计计算

实时数据管理

历史数据管理

光伏功率预测数据人机界面

风电监控

风力发电系统总出力情况

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，识别低效发电电站；

发电收益统计(补贴收益、并网收益)

风力/风速/气压/环境温湿度监测

并网电能质量监测及分析

充电桩系统

实时监测充电系统的充电电压、电流、功率及各充电桩运行状态；

统计各充电桩充电量、电费等；

针对异常信息进行故障告警；

根据用电负荷柔性调节充电功率。

电能质量

对整个系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

4.6设备选型

序号	名称	图片	型号	功能说明	使用场景
1	微机保护装置		AM6、AM5SE	110kv及以下电压等级线路、主变、电动机、电容器、母联等回路保护、测控装置	110kV、35kV、10kV
2	电能质量在线监测装置		APView500	集谐波分析/波形采样/电压闪变监测/电压不平衡度监测、电压暂降/暂升/短时中断等暂态监测、事件记录、测量控制等功能为一体，满足A级电能质量评估标准，能够满足110kv及以下供电系统电能质量监测的要求	110kV、35kV、10kV、0.4kV
3	防孤岛保护装置		AM5SE-IS	防止分布式电源并网发电系统非计划持续孤岛运行的继电保护措施，防止电网出现孤岛效应。装置具有低电压保护、过电压保护、高频保护、低频保护、逆功率保护、检同期、有压合闸等保护功能	110kV、35kV、10kV、0.4kV
4	多功能仪表		APM520	全电力参数测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。 接口功能：带有RS485/MODBUS协议	并网柜、进线柜、母联柜以及重要回路
5	多功能仪表		AEM96	具有全电量测量，谐波畸变率、分时电能统计，开关量输入输出，模拟量输入输出。	主要用于电能计量和监测
6	电动汽车充电桩		AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S	输出功率160/120/80/60kW直流充电桩，满足快速充电的需要。	充电桩运营和充电控制
7	输入输出模块		ARTU100-KJ8	可采集8路开关量信号，提供8路继电器输出	信号采集和控制输出
8	智能网关		ANet-2E4SM	边缘计算网关，嵌入式linux系统，网络通讯方式具有Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议	电能、环境等数据采集、转换和逻辑判断

5结束语

结合*进的光伏发电技术与创新的储能解决方案，这种电站模式不仅提升了能源的利用效率，还增强了供电系统的稳定性与可靠性。从技术的角度，光伏组件、逆变器、储能系统及能量管理技术的不断进步为电站的*效运行提供了坚实基础。面对环境保护的挑战和能源需求的增长，持续推动该领域的技术创新和应用扩展，对于构建更加绿色、*效的能源体系具有深远的意义。

参考文献：

【1】 黄玮.新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析[J].电气技术与经济,2023(10):41-44.

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【4】 崔帅帅,李启航,冯朝阳,等.光储充一体化电站建设关键技术研究[J].电气技术,2022,39(23):44-47.

【5】 许立,纪锦超,冯桂贤.新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析[J].应用能源技术,2022(12):52-55.

【6】 刘政毅，光储充一体化电站建设关键技术分析

【7】 安科瑞微电网能量管理系统

审核编辑 黄宇