浅谈双碳能源技术中的光储充一体微电网能量系统设计与性能分析----安科瑞张云18217...

安科瑞张云 发表于 2024-11-29 17:09

摘要：随着全球对可再生能源的关注不断增加，双碳能源技术成为应对气候变化和实现碳中和目标的重要方向之一。双碳能源技术是一种绿色、可持续的能源发展方向，光储充一体系统作为其中的重要组成部分，具有将光能转化为电能并进行储存和供电的功能。文章对光储充一体系统的设计与性能进行分析，以期为双碳能源技术的推广和应用提供技术支持。

关键词：双碳能源技术；光储充一体系统；光伏发电；电能储存

1、双碳能源技术和光储充一体系统分析

1.1双碳能源技术

双碳能源技术是一项综合运用多种*进技术的战略性能源方案，旨在降低能源生产与利用过程中的 CO2和甲烷排放，实现能源系统的低碳与低甲烷化。该技术涵盖清洁能源生产、能源储存与调度、碳排放控制与碳利用、甲烷排放控制及能效提升等关键技术领域。通过采用太阳能光伏、风力发电等清洁能源生产技术，以及电化学储能、氢能储存等能源储存技术，实现了对可再生能源的*效利用。同时，通过碳捕获与封存、碳利用技术，有效减少 CO2排放并实现其资源化利用。在甲烷排放方面，生物甲烷控制技术和监测技术有望降低甲烷排放水平。智能能源管理系统和*效用能技术的应用则有助于提高整体能源系统的效能。

1.2光储充一体系统

光储充一体系统是一种综合利用太阳能的技术，其包括太阳能光伏发电、能量存储和电池充电等功能。该系统的核心在于将太阳能转化为电能，并将其储存起来，以供电池充电或供电使用。光储充一体系统是一种集成化的解决方案，有助于提高太阳能利用效率，减少电能浪费，以及实现可持续能源的管理和利用。光储充一体系统（图1）包括太阳能光伏发电组件、能量存储装置（如锂电池或电容器）及智能电池管理系统。太阳能光伏发电组件通过光电效应将太阳辐射转化为直流电能，然后，能量存储装置将电能存储起来，以备不时之需，*后，智能电池管理系统监控和管理电池的充放电过程，确保系统的稳定性和可靠性 。

EEWORLDIMGTK0

2、光储充一体系统设计

2.1 太阳能光伏组件选择与设计

在太阳能光伏组件选择与设计方面，采用*效的单晶硅太阳能电池板，提高能量转换效率，具备*越的适应性和耐候性。通过*密布局和倾斜角设置，*大程度地优化电池板的日照接收，并通过详尽的阴影分析，*小化阴影损失。选择效率超过20% 的单晶硅太阳能电池板，确保系统在有限空间内获得*大能量收集。在电池和充电控制器选择方面，采用高能量密度、轻量和长寿命的锂离子电池，搭配*进的*大功率点跟踪（MPPT）充电控制器，以*大化充电效率并对电池进行保护。通过高度优化的固定支架或双轴追踪系统，确保光伏组件在不同季节和天气条件下*大程度地接收太阳辐射。引入多层次的实时监控系统及远程监控和报警系统，监测电池状态、光伏组件性能和充电控制器运行情况等，以保障实时性的数据记录。*后，为确保光储充一体系统的可持续运行，引入自动清洁系统，并制订了定期巡检计划，以定期检查电缆连接和系统组件，以充分发挥光储充一体系统在能源收集和利用方面的潜力。

2.2 储能设备选择与设计

在储能设备选择与设计方面，选择锂离子电池储能系统作为*佳解决方案，考虑其高能量密度、长寿命和轻量特性。通过进行系统能量需求分析，确定额定容量和*大充放电功率，以适应周期性和突发性负载需求。优化连接方案，将储能系统与太阳能光伏组件和充电控制器集成，*小化能量转换损失。考虑循环寿命，实施深度充放电管理、温度控制和充电电流控制，以*大程度延长电池寿命。集成*家法规标准，采用安全措施，如温度传感器和电流限制，以预防安全风险。进行*面的经济性分析，考虑投资成本、运营维护成本和电池寿命成本，以确保经济可行性。制订定期的维护计划，监测电池健康状态、检查连接线路和系统软硬件，以确保储能系统长期稳定运行。

2.3 电力转换器设计

在电力转换器设计中，选用*效的直流 – 交流逆变器，以*小化能量损耗，满足系统直流电能向交流电能转换的需求。通过功率容量匹配、电流和电压稳定性控制，确保逆变器适应各种负载变化，同时优化响应时间和效率。引入智能控制策略，实时监测电力需求和太阳能光伏系统输出，以*大化能量利用。配置过载和短路保护机制，保障系统安全运行。整合温度管理系统，提高逆变器在高温环境下的运行效率和寿命。通过遥测与监控系统，远程监测逆变器性能，记录关键参数，实现故障诊断和性能优化。这一系列措施旨在提高电力转换器的效能，为光储充一体系统提供稳定、*效的电能转换。

2.4 控制系统设计

在控制系统设计方面，采用*进的 MPPT 算法，提高光伏组件的能量利用效率。结合智能充放电控制，优化储能设备的运行，以适应动态的电能需求。配置远程监控系统，实现对系统状态的实时监测与远程管理。这一*面的控制系统设计旨在*大程度地提高系统整体性能，确保光储充一体系统在不同工况下实现*效稳定的运行。

3、光储充一体系统性能分析

3.1 能量转换效率分析

太阳能光伏组件中的*效单晶硅电池板选择和*密设计的布局使得系统在不同日照条件下能够*大化吸收太阳辐射，从而实现高能量转换效率。采用的单晶硅太阳能电池板具有超过20% 的效率，这使得系统在有限的空间内能够获得*大的能量收集。通过电池和充电控制器的*效设计，系统有效地将太阳能转化为直流电能，并通过储能设备中的锂离子电池实现能量的*效储存。在电力转换器方面，选用了*效的直流 – 交流逆变器，逆变器在将储存的直流电能转换为交流电能时，通过*进的 MPPT 算法，光伏组件的能量输出得到*大化。同时，系统实时监测电力需求、光伏发电和储能状态，通过智能控制策略优化能量的分配，使得系统在动态电能需求变化中保持*效运行。某遥测与监控系统的实时数据记录显示，在不同天候和负载条件下，系统的总体能量转换效率维持在85% 以上。

3.2 储能效率分析

储能效率直接关系到储能系统对太阳能的有效吸收和释放。储能效率的主要影响因素包括充电和放电的过程效率及电池的自放电损失。经过深度充放电管理、温度控制和适当的充电电流控制，系统成功降低了充电和放电阶段的能量损失。根据 IEC 61683，充电阶段的效率可达到95% 以上，而放电阶段的效率维持在90% 以上。这一数据表明，系统在能量的储存和释放过程中表现*色，有效地优化了能源管理并降低了损耗。在电池管理系统（BMS）的引导下，系统成功实现了对电池循环寿命的*大化控制。通过*密的电池监控系统，实时监测电池的状态，包括电压、电流和温度等参数。此外，系统采用*进的 BMS 算法对电池进行均衡管理，进一步确保电池组件的寿命得到有效延长。根据 IEC 61683，在标准运行条件下，整个储能系统的总体储能效率维持在85% 以上。这一储能效率的高水平表明系统在吸收太阳能并将其转化为电能，以及在需要时有效释放电能方面取得了显著成功。

3.3 供电稳定性分析

光伏组件的*效能量转换和电池的高能量密度确保了系统在太阳能供应下能够产生稳定的直流电源。具体而言，采用的单晶硅太阳能电池板在典型日照条件下实现了超过20% 的转换效率，有效提高了光伏组件的能量输出。此外，系统通过高度优化的固定支架或双轴追踪系统，确保光伏组件在不同季节和天气条件下都能*大程度地接收太阳辐射，从而提高了系统的稳定供电能力。通过深度充放电管理和温度控制，系统成功维护了储能设备的*效运行，确保了在非太阳能供应时能够提供稳定的电能输出。在储能系统的充电和放电过程中，根据IEC 61683可知，系统能够保持95% 以上的能量转换效率，从而提高了系统对电能的可靠利用。电力转换器作为能量传递的关键环节，通过采用*效率的直流 – 交流逆变器，实现了直流电能向交流电能的稳定转换。在标准操作条件下，这些逆变器的转换效率可达到90% 以上，确保系统在交流电能输出时*小化能量损耗，显著提高了供电的稳定性。这些性能指标来源于行业标准测试报告和逆变器制造商的技术规格，保证了数据的准确性和可靠性。

3.4 可靠性与寿命分析

采用的单晶硅太阳能电池板具有较低的光衰减率，从而保证了系统在多年的运行中能够保持较高的能量输出。系统的阴影分析和组件布局设计有效减小了阴影损失，*大程度地提高了光伏组件的可靠性。储能设备方面，锂离子电池以其低自放电率和较长的循环寿命为系统提供了可靠的储能媒介。深度充放电管理和温度控制有助于减缓电池的寿命衰减过程。实时电池监控系统对电池状态进行细致监测，可及时发现异常情况并采取措施，有效提升了电池的寿命。根据相关数据可知，电池组件在正常运行条件下能够保持高达10 a 以上的寿命。根据 IEC 62040可知，这些逆变器的设计寿命在标准操作条件下能够达到15 a 以上，体现了其*越的可靠性。这种持久的性能确保了系统整体的连续稳定性，为长期的能源供应提供了可靠的技术保障。

EEWORLDLINKTK04.6.15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*定和随意修改。

EEWORLDIMGTK1

图29事故追忆

5、硬件及其配套产品

<table>
<tbody>
<tr>
<td>
序号
</td>
<td>
设备
</td>
<td>
型号
</td>
<td>
图片
</td>
<td>
说明
</td>
</tr>
<tr>
<td>
1
</td>
<td>
能量管理系统
</td>
<td>
Acrel-2000MG
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK2
</td>
<td>
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
</td>
</tr>
<tr>
<td>
2
</td>
<td>
显示器
</td>
<td>
25.1英寸液晶显示器
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK3
</td>
<td>
系统软件显示载体
</td>
</tr>
<tr>
<td>
3
</td>
<td>
UPS电源
</td>
<td>
UPS2000-A-2-KTTS
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK4
</td>
<td>
为监控主机提供后备电源
</td>
</tr>
<tr>
<td>
4
</td>
<td>
打印机
</td>
<td>
HP108AA4
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK5
</td>
<td>
用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
</td>
</tr>
<tr>
<td>
5
</td>
<td>
音箱
</td>
<td>
R19U
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK6
</td>
<td>
播放报警事件信息
</td>
</tr>
<tr>
<td>
6
</td>
<td>
工业网络交换机
</td>
<td>
D-LINKDES-1016A16
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK7
</td>
<td>
提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
</td>
</tr>
<tr>
<td>
7
</td>
<td>
GPS时钟
</td>
<td>
ATS1200GB
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK8
</td>
<td>
利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
</td>
</tr>
<tr>
<td>
8
</td>
<td>
交流计量电表
</td>
<td>
AMC96L-E4/KC
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK9
</td>
<td>
电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、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。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
</td>
</tr>
<tr>
<td>
9
</td>
<td>
直流计量电表
</td>
<td>
PZ96L-DE
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK10
</td>
<td>
可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
</td>
</tr>
<tr>
<td>
10
</td>
<td>
电能质量监测
</td>
<td>
APView500
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK11
</td>
<td>
实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
</td>
</tr>
<tr>
<td>
11
</td>
<td>
防孤岛装置
</td>
<td>
AM5SE-IS
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK12
</td>
<td>
防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
</td>
</tr>
<tr>
<td>
12
</td>
<td>
箱变测控装置
</td>
<td>
AM6-PWC
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK13
</td>
<td>
置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
</td>
</tr>
<tr>
<td>
13
</td>
<td>
通信管理机
</td>
<td>
ANet-2E851
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK14
</td>
<td>
能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总:

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:
</td>
</tr>
<tr>
<td>
14
</td>
<td>
串口服务器
</td>
<td>
Aport
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK15
</td>
<td>
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
</td>
</tr>
<tr>
<td>
15
</td>
<td>
遥信模块
</td>
<td>
ARTU-K16
</td>
<td>
EEWORLDIMGTK16
</td>
<td>
1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器:

读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等)

2)采集水浸传感器信息，并转发3)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
</td>
</tr>
</tbody>
</table>

<ol>
<li>结束语</li>
</ol>

随着“双碳”目标推进，我国光伏、储能、新能源汽车发展不断进步，“光伏 + 储能 + 充电”组合也被越来越多地应用到市场中。光储充一体系统通过精心选择与设计，在太阳能光伏组件、储能设备和电力转换器方面取得了显著成果。优化的太阳能电池板、锂离子电池和*效逆变器，使系统在能量转换效率、储能效率和供电稳定性方面表现*越。监测机制和管理策略确保了系统在长期运行中的可靠性和寿命。电池组件10 a 以上的寿命和逆变器15 a以上的设计寿命突显了系统的可靠性。这一综合性能的提升为清洁能源的应用提供了可行的、可持续的解决方案，为可再生能源的推广和发展作出巨大贡献。

参考文献

 梁淑烨 .“双碳”目标下资源型城市能源治理困境及对策研究. 大庆：东北石油大学，2023.

 王晋伟 . 低碳能源技术追踪预测决策支持系统的开发设计. 中国市场，2022（13）：128-132.

 刘金豆，成杰，俞高伟 . 基于低压直流配电网并网的并离网一体光储发电系统研究 . 华电技术，2021（4）：63- 70.

 高文韬 . 低碳能源技术发展战略研究 . 科技风，2016 （23）：91.

 梁永全 . 分布式光储一体并网发电系统的设计与研究 . 通讯世界，2018（5）：132-133.

 朱立刚，郑小敏.双碳能源技术中的光储充一体系统设计与性能分析.电力系统，2024

 安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05

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