安科瑞 陳聰

【摘要】在能源轉型和可持續發(fā)展的背景下，多能互補技術(shù)成為提高可再生能源利用率和增強電網(wǎng)靈活性的關(guān)鍵。提出了一種基于多能互補的光伏儲能系統設計方案，包括能量轉換、穩定功率輸出、智能充放電管理和實(shí)時(shí)狀態(tài)監測等功能。硬件設計涵蓋了光伏陣列模塊、儲能電池系統、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(jìn)行了系統測試，驗證了系統功能和性能的可靠性。

【關(guān)鍵詞】多能互補；光伏儲能；系統設計；儲能管理。

0引言

在全球能源需求增長(cháng)與環(huán)境問(wèn)題日益嚴峻的背景下，光伏儲能系統可緩解光伏發(fā)電的間歇性問(wèn)題。然而，單一的光伏發(fā)電系統難以滿(mǎn)足復雜多變的需求，研究多能互補下的光伏儲能系統設計具有重要意義。本文旨在探討如何利用多能互補技術(shù)，設計一個(gè)穩定和智能的光伏儲能系統，以實(shí)現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工作原理

多能互補下的光伏儲能系統整合光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、電池儲能等能源形式，實(shí)現能源的優(yōu)化配置和利用。光伏發(fā)電負責捕獲太陽(yáng)能并將其轉化為電能；風(fēng)能發(fā)電作為輔助，提高系統的整體能源輸入；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(shí)使用。智能管理系統根據能源需求和供給情況，自動(dòng)調節各種能源的使用，確保電力供應的穩定性和可靠性（圖1）。

圖1多能互補下的光伏儲能系統工作原理圖

2多能互補下的光伏儲能系統設計

2.1需求分析

在功能需求方面，系統需實(shí)現大功率點(diǎn)跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）、功率補償、動(dòng)態(tài)負載平衡、自動(dòng)調節充放電、智能充電時(shí)間控制、設備運行參數監測和能源存儲狀態(tài)監控等功能，以提高系統的能量轉換效率和穩定性。在性能需求方面，系統需滿(mǎn)足高能量轉換效率、低總諧波失真（totalharmonicdistortion，THD）效果、快速動(dòng)態(tài)響應和低數據傳輸延遲等性能指標，以保證系統在各種工況下都能穩定運行。

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(dòng)觀(guān)察法，每0.5s進(jìn)行一次迭代，以確保光伏陣列始終運行在其大功率點(diǎn)附近。使用了基于STM32微控制器的硬件平臺來(lái)實(shí)現MPPT算法，該控制器能夠根據光伏陣列的實(shí)時(shí)電壓和電流數據調整脈沖寬度調制信號的占空比，從而改變光伏陣列的工作點(diǎn)。直流—交流轉換器（DCtoACconverter，DC-AC）是基于TMS320F28379D微控制器進(jìn)行設計的，采用了一種改進(jìn)的空間矢量脈沖寬度調制算法，以提高逆變器的效率和輸出波形質(zhì)量。

2.2.2穩定功率輸出功能

（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(lái)一段時(shí)間內的光伏出力和負荷需求。預測算法結合了歷史氣象數據和負荷曲線(xiàn)，采用時(shí)間序列分析技術(shù)，如差分自回歸移動(dòng)平均模型，來(lái)預測未來(lái)的光伏出力和電網(wǎng)負荷。當預測到光伏出力不足時(shí)，系統將自動(dòng)啟動(dòng)儲能系統放電，以補償功率缺口；反之，當預測到光伏出力過(guò)剩時(shí)，儲能系統會(huì )將多余的電能儲存起來(lái)。

（2）動(dòng)態(tài)負載平衡。動(dòng)態(tài)負載平衡算法根據光伏出力、儲能狀態(tài)和電網(wǎng)需求的實(shí)時(shí)數據動(dòng)態(tài)調整系統的充放電策略。具體來(lái)說(shuō)，當光伏出力過(guò)剩時(shí)，系統會(huì )優(yōu)先考慮將多余的能量?jì)Υ娴絻δ芟到y中；當光伏出力不足時(shí)，儲能系統會(huì )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(dòng)調節充放電電流。自動(dòng)調節充放電電流功能基于電池的狀態(tài)和系統需求，通過(guò)算法實(shí)現自動(dòng)調整，以確保電池的健康狀態(tài)并能延長(cháng)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，系統可以監測電池的SOC和溫度，動(dòng)態(tài)調整充放電電流。當SOC低于預定閾值（如30%）時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)增加充電電流，以快速恢復電池電量；反之，系統會(huì )減少充電電流。

（2）智能充電時(shí)間控制。智能充電時(shí)間控制策略能夠根據天氣預報和負荷預測未來(lái)一段時(shí)間內的光伏出力和電網(wǎng)需求。系統通過(guò)分析預測數據，自動(dòng)規劃較佳的充電時(shí)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(shí)，系統會(huì )在夜間預先充電，使儲能系統具有充足的能量?jì)?，以備明天使用；相反，如果預測到陰雨天氣，系統則會(huì )在前一天白天光伏出力較高時(shí)充電，以減少對電網(wǎng)的依賴(lài)。

2.2.4實(shí)時(shí)狀態(tài)監測功能

（1）設備運行參數監測。為了實(shí)現設備運行參數的實(shí)時(shí)監測，本文設計了一個(gè)綜合監測系統。該系統能夠監測光伏儲能系統中各組件的關(guān)鍵運行參數，包括但不限于光伏陣列的輸出電壓和電流、儲能系統的充放電電流、電池溫度等。使用高性能的傳感器和數據采集模塊來(lái)獲取數據，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將數據實(shí)時(shí)傳輸到中央監控系統。此外，系統還采用了卡爾曼濾波器等數據處理算法，用于過(guò)濾噪聲并提高數據的準確性。

（2）能源存儲狀態(tài)監控。為了實(shí)現能源存儲狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控，本文設計了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的監控模塊。該模塊能夠持續監測儲能系統的狀態(tài)，包括SOC、電池溫度、充放電次數等關(guān)鍵指標。使用高精度的傳感器來(lái)監測這些參數，并通過(guò)智能算法進(jìn)行數據處理。系統還具備電池健康評估功能，能夠根據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(diǎn)電壓（Ump）為35.7V、電流（Imp）為8.7A。光伏陣列將多個(gè)組件以并聯(lián)和串聯(lián)的形式組合起來(lái)，形成矩陣布局。串聯(lián)連接通過(guò)將組件的正*與下一個(gè)組件的負*相連，以增加整個(gè)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。根據光照強度和負載需求動(dòng)態(tài)調整光伏陣列，確保了大功率點(diǎn)跟蹤的運行。

2.3.2儲能電池系統

儲能電池系統選用型號為L(cháng)F100L的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）電池，其單體容量為100A·h，電壓為3.2V，這些參數設置確保了電池的高能量密度與長(cháng)循環(huán)壽命。系統設計中，采用電池管理系統進(jìn)行電池狀態(tài)監測與管理，包括電壓、電流、溫度的實(shí)時(shí)監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%。逆變器具有先進(jìn)的電能質(zhì)量管理功能，能夠實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)狀態(tài)，調整輸出，以滿(mǎn)足并網(wǎng)標準。其內置的通信模塊支持多種協(xié)議，確保了與智能電網(wǎng)的無(wú)縫對接和數據交互。

2.3.4能量管理控制單元

能量管理控制單元（energymanagementcontrolunit，EMCU）選用具備高速數據處理與實(shí)時(shí)控制能力的高性能微處理器STM32F407VGT6。EMCU集成了光伏陣列、儲能系統與逆變器的數據采集與控制功能，利用算法實(shí)現能量的優(yōu)化調度。系統支持Wi-Fi與5G通信，確保遠程監控與故障診斷的實(shí)時(shí)性。

3系統測試

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，涵蓋了光伏陣列模塊、儲能電池系統、智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器以及能量管理控制單元等關(guān)鍵組件。測試環(huán)境包括用于模擬真實(shí)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系統功能測試

由表1測試結果可知，系統在大功率點(diǎn)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(dòng)態(tài)負載平衡功能的負載匹配誤差僅為8.7%，確保了系統的穩定運行。智能充電時(shí)間控制功能的預測準確率達到86.2%，設備運行參數監測功能的監測精度為0.7%，確保了數據的準確性。能源存儲狀態(tài)監控功能的SOC預估偏差為2.5%，有效預防了潛在的故障。

3.3系統功能測試

表2測試結果顯示，在DC-AC轉換效率方面，系統的大輸出功率達到了4.9kW，轉換效率達到了97.8%，超過(guò)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(dòng)態(tài)響應時(shí)間僅為1.8s，確保了系統能夠快速響應功率變化。數據傳輸延遲為487ms，保證了數據的實(shí)時(shí)性。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統介紹

4.1平臺簡(jiǎn)介

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、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(zhuān)門(mén)用于設備管理的一套軟件系統平臺。

4.2產(chǎn)品規格

4.3系統功能

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設計方案，集成能量轉換、穩定功率輸出、智能充放電管理和實(shí)時(shí)狀態(tài)監測等功能，有效提升了系統的整體性能。未來(lái)，將進(jìn)一步優(yōu)化系統結構，探索更多應用場(chǎng)景，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的能源需求，并促進(jìn)能源系統的可持續發(fā)展。

參考文獻

[1].劉述波，楊斌，仲春林，等.基于多能互補的儲能系統需求響應策略研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應用，2023，42（11）：137-141.

[2].左濤，劉建濤，李敏，等.面向碳中和的園區多能互補微電網(wǎng)研究[J].電氣時(shí)代，2023（8）：36-43.

[3].張鵬飛，馬超，李時(shí)雨.混合抽蓄-風(fēng)-光多能互補系統容量配置研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2024，43（10）：1-16.

[4].安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

[5].袁高峰.多能互補下的光伏儲能系統設計研究