程瑜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著“雙碳”目標的提出，光伏發電已經成為了新能源發電領域重要的發電方式之一。本文提出了火力發電廠光儲充一體化發電系統設計方案，對光儲充系統設計過程進行了分析闡述，在查閱相關文獻資料后，設計了可靠、合理的方案，對火力發電廠發展光儲充一體化具有參考意義。

關鍵詞：分布式；光儲充；火電廠；光伏+

0 引言

“光伏+”應用場景雖然已經在我國已遍地開花，但“光伏+”是一種以光伏為主，附加其他能源為輔的新型清潔能源。特別是“光伏+儲能+充電樁”的模式，既能滿足清潔能源發電的特點，也能滿足利用儲能達到削峰填谷的作用，還能給新能源汽車（負荷）即發即用，越來越收到大眾的廣泛接受。因此，分析光儲存初步設計，對節能減排，助力碳中和碳達峰，是一件非常有意義的事情。

1項目概況

某火力發電廠光儲充一體化項目位于廣東省內，項目由73.5kW光伏發電系統、100kWh儲能系統、2臺直流充電系統以及后臺監控系統組成。

白天，光伏組件的硅電池在陽光的照射下，利用硅半導體的光生伏打效應將光能轉化為電能，通過單塊組件的串聯把電壓升高到逆變器的額定電壓，再通過并聯將電流匯流，使得光伏發電直流側電壓和電流達到光伏發電系統輸入額定電壓、電流轉為交流側的要求。儲能系統分為直流側儲能和交流側儲能，目前應用較廣的是交流側儲能，它們之間的唯*區別是儲能變流器（PCS）放置直流側還是交流側。光伏控制器控制光伏發電量，類似于水龍頭的閥門一樣。因此，蓄電池能夠充多少電，能不能穩定地充電與充放電控*器有關系。儲能控*器和電池系統、發電系統一起將光能轉化為電能儲存起來，使得電能能夠在合適的時機充分被利用。

晚上，電力不夠用時，儲能系統將發揮作用，通過PCS將蓄電池的電釋放出來給負荷使用。在整個儲能系統的充放電中，由能源管理系統（EMS）控制，EMS根據負荷的用電情況，控制著蓄電池釋放電量的多少和時間段。可以看出，光伏控*器和EMS是整個光儲存系統的兩大核心控制裝置系統。此外，為了以防設備被雷擊等過電壓損壞設備，造成*員和設備的損失，在整個系統中需要設計完備的過電壓保護和過負荷等保護，以此來保護整個系統的安全運行。

2光儲充一體化系統設計過程和思路

本項目的光伏組件安裝在發電廠內的汽車車棚頂，光伏所發的電優先給電動汽車充電，用不完的電量利用蓄電池儲存起來，并入到廠用電低壓柜380V母線

3光伏發電系統設計

光伏組件是太陽能光伏發電系統*核心部件，在整個光伏發電系統生命周期中，光伏組件的發電效率和造價成本是我們選擇光伏組件要考慮的兩個首要因素。目前，應用于商業性質的太陽能光伏組件主要有太陽能晶硅電池、薄膜太陽能電池。

薄膜電池由于轉化效率低，功率衰減相對較快，僅適用于小批量示范項目；晶體硅電池轉化效率高、產量大、性能穩定、使用壽命長、技術成熟、應用范圍廣、并網電站用量多，適合在分布式光伏電站中應用。綜合價*、規模、轉化效率等因素，在火力發電廠光儲充一體化發電項目中分別選擇發電效率高、制造技術成熟單晶硅太陽能組件；弱光性能好的、碲化鎘太陽能電池組件、銅銦硒太陽能組件組件。

4充電樁系統設計

表1常見充電樁電氣參數配置
輸入方式	電氣配置參數	應用場景
三相	AC／DC：15kW，雙向；DC／DC：60kW、120kWh,雙向；儲能電池：≥60kWh。城市商業綜合體、城市中*停車場等用戶臨時補電或者應急充電需求場所	城市商業綜合體、城市停車場等用戶臨時補電或者應急充電需求場所
單相	AC／DC：7kW，雙向；DC／DC：60kWh、120kWh，雙向；儲能電池：≥60kWh	別*、住宅區等三相電拉取比較困難的場所，可利用空閑時間如間將儲能電池充滿，滿足用戶臨時補電或應急充電需求

目前市場處比較常見的充電樁有交流充電樁和直流充電樁，功率有60kW、120kW、240kW等，也有單槍和雙槍設置，它們的電氣參數表1。結合本項目的情況，選擇2臺120kWh直流充電樁。

5儲能系統設計

儲能系統是電網“發-輸-變-配-用”環節的重要組成部分，是能源互聯網和智慧能源的必不可少的組成部分，整個系統包括發電部分、充電控制部分和交流逆變三個部分。

5.1蓄電池的選擇

目前我國電力市場中儲能的方式有很多種，其中形成規模化應用的儲能方式主要有三種，分別是鉛酸電池儲能、鋁電池儲能和液流電池儲能。儲能對于用戶來說，通常有2個指標需要考慮。首先要求電池要有很大的瞬時能源，即要求滿足短時間內輸出較大的功率來滿足負荷的瞬時波動；其次要求有較高的安全性能，需要滿足大電流、寬電壓、高溫度的生產環境，不能釋放有毒的物質，更不能產生爆*；*后要有較長的壽命周期，即要滿足較高的循環次數。相對于其他的儲能方式，鋰電池由于具備了以上較多的優點，它的放電深*DOD在100%的條件下也能達到循環次數7500，目前是儲能領域首*性價比*高的儲能方式。根據火力發電廠重要負荷月平均用電量4000kWh計算，日平均用電量=4000kWh/m÷30d=133kWh/d，因此滿足1d用電量存儲的蓄電池，可以采用120節12V100AH的蓄電池，為了保證絕*的電量供應不間斷，對于電廠通信保護這樣的重要負荷，一般至少要考慮按照5個白天的電量存儲，那么需要300節蓄電池。

5.2電氣系統的設計

光儲充一體化充電設施低壓母線設置于戶外匯流箱內，低壓母線采用一進四出的接線形式，自上級配電房取電，為監控攝*頭、充電樁、光儲并網系統提供電能，電氣主接線方案見圖1。光儲并網逆變器保護測控回路、充電樁保護測控回路、監控攝*頭信號回路等二次回路接入上級配電房監控系統總線，實現上級配電房對一體化充電設施的實時監控。

6監控系統的設計

光儲充監控系統能源管理系統運行方式有并網運行方式、離網運行方式和并網和離網切換運行方式三類。*一種是并網運行方式，這種方式是光伏發電直接電網市電直接連

接。儲能系統對光伏發電的波動電壓、功率和頻率進行平衡，使其達到合適的范圍。*二種是離網運行方式。儲能系統協同主電源工作，在能源關系系統的統一協調和控制下，對負荷和發電量進行調節控制，當光伏發電量大于負荷用電時，將光伏發電多余的電量儲存起來，提高了能源的利用效率。*三種是分時段并網與離網切換運行的方式。EMS利用低谷時段和高峰用電時段，將并網和離網運行方式相互轉換，實現系統的穩定*優運行，實現用戶的節約能源。

7 Acrel-2000MG微電網能源管理系統概述

7.1概述

Acrel-2000MG微電網能源管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能源管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能源管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能源管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能源管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能源管理系統應采用分層分布式結構，整個能源管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

7.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能源管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網*1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則

7.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能源管理需求。

7.4型號說明

8系統配置

8.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能源管理系統組網方式

9系統功能

9.1實時監測

微電網能源管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能源管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

9.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

9.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的*大、*小電壓、溫度值及所對應的位置。

9.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

9.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

9.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

9.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

9.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

9.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備指定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

9.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

9.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

9.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分百和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

9.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

9.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

9.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能源交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

9.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

9.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

9.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

9.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

9.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指定和隨意修改。

圖29事故追憶

10結束語

火力發電廠消耗大量的化石能源，也產生較大的污染，建設太陽能光儲充一體化直流系統，對火力發電廠節約能源具有非常重要的意義。通過光伏建筑一體化把火電廠應用場景與光儲充相結合來產生電能，滿足火電廠重要的廠用電負荷用電，既節約了火力發電廠的燃煤消耗，也讓多余的電能能夠充分地得到利用。作兩種方式，相較于其他控制方法，獲得更好的準確性、效率性和可靠性。為電源管理的研究提供一些積*的理論建議，供業界人士參考。

配電房監控系統總線配電房低壓母線

光儲并網逆變器

低壓母線

戶外匯流箱

監控攝*頭

圖1電氣主接線方案示意圖

參考文獻

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審核編輯 黃宇