淺析光儲(chǔ)一體化的屋頂光伏電站設(shè)計(jì)

安科瑞 陳聰

摘要：從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成以及項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，設(shè)計(jì)基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站方案，通過(guò)實(shí)際組裝運(yùn)行案例驗(yàn)證了該方案的可行性和優(yōu)*性，為基于光儲(chǔ)一體化的屋頂光伏發(fā)電找到了一條切實(shí)可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：屋頂；分布式光伏電站；光儲(chǔ)一體化；運(yùn)行效果

0.引言

近年來(lái)，光伏發(fā)電技術(shù)取得顯著的發(fā)展，成本逐漸降低，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。屋頂分布式光伏電站，憑借其獨(dú)*的優(yōu)勢(shì)，成為了光伏發(fā)電的重要應(yīng)用形式。然而，光伏發(fā)電存在一定的不穩(wěn)定性，如光照強(qiáng)度和天氣條件的影響，使得光伏發(fā)電量波動(dòng)較大。為解決這一問(wèn)題，光儲(chǔ)一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光儲(chǔ)一體化技術(shù)通過(guò)將光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電量的平滑輸出，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，拓寬了光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域。

1. 基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)總體框架

基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站的系統(tǒng)總體框架，包括光伏陣列與逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)。光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能；逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，供電網(wǎng)或負(fù)載使用；儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)在光伏發(fā)電不足以滿足負(fù)載需求時(shí)向負(fù)載供電，以及在光伏發(fā)電過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)存電能；電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載需求和光伏發(fā)電情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。通過(guò)以上各部分的緊密協(xié)作，基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的*效利用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2光伏陣列與逆變器

光伏陣列是基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能。光伏陣列的選型和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮光伏組件的性能、成本和可靠性等等，要根據(jù)不同的應(yīng)用需求來(lái)選取合適的光伏陣列。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)*大功率跟蹤和提高系統(tǒng)效率，逆變器的選型和控制策略也至關(guān)重要。

1.3儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求選擇不同類(lèi)型的儲(chǔ)能技術(shù)，如鋰離子電池、釩液流電池等。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)需要充分考慮光伏發(fā)電量的波動(dòng)性、負(fù)載需求以及系統(tǒng)成本等因素。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景要選擇合適自己的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以下是常見(jiàn)的儲(chǔ)能類(lèi)型的對(duì)比（見(jiàn)表1）。

1.4電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)

電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電量的平滑輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電量、儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)和負(fù)載需求，制定合理的調(diào)度策略。典型的調(diào)度策略包括峰谷平滑、優(yōu)先滿足負(fù)載需求、充放電策略優(yōu)化等。為提高系統(tǒng)的智能化程度，可以結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)進(jìn)行電力調(diào)度與能量管理。

2.關(guān)鍵技術(shù)

基于光儲(chǔ)一體化的屋頂分布式光伏電站系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括*效光伏組件選型與設(shè)計(jì)、逆變器技術(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)和電力調(diào)度與能量管理策略，以及屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與安全性設(shè)計(jì)。

2.1光伏組件選型與設(shè)計(jì)

光伏組件的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。在選擇光伏組件時(shí)，應(yīng)充分考慮組件的性能參數(shù)、成本、可靠性和壽命等因素。當(dāng)前市場(chǎng)上常見(jiàn)的光伏組件類(lèi)型包括晶硅太陽(yáng)能電池組件、薄膜太陽(yáng)能電池組件等。此外，根據(jù)屋頂?shù)木唧w條件和需求，可以設(shè)計(jì)合理的光伏陣列布局，使系統(tǒng)在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)*大發(fā)電量。

2.2逆變器技術(shù)

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。逆變器的性能和控制策略對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性具有重要影響。目前，市場(chǎng)上主要有集中式逆變器、組串式逆變器和微逆變器等不同類(lèi)型。在選擇逆變器時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、組件特性、安裝條件等因素綜合考慮。同時(shí)，逆變器的*大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）算法和保護(hù)功能也對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。

2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是光儲(chǔ)一體化屋頂分布式光伏電站中的關(guān)鍵部分，其性能和設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3.1儲(chǔ)能類(lèi)型選擇

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，可選擇不同類(lèi)型的儲(chǔ)能技術(shù)，如鋰離子電池、釩液流電池、*級(jí)電容器等。在選擇儲(chǔ)能類(lèi)型時(shí)，應(yīng)考慮儲(chǔ)能設(shè)備的性能、成本、壽命、安全性等因素。

2.3.2儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)需要充分考慮光伏發(fā)電量的波動(dòng)性、負(fù)載需求以及系統(tǒng)成本等因素。合理的儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)可確保系統(tǒng)在不同光照和負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)避免過(guò)度投資。通常采用能量平衡分析、概率統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行儲(chǔ)能容量的計(jì)算和優(yōu)化。

2.3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略對(duì)于保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和提高發(fā)電效率具有重要作用。常見(jiàn)的控制策略包括充放電策略優(yōu)化、狀態(tài)估計(jì)、故障診斷和保護(hù)等。同時(shí)，可以結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制。

2.4電力調(diào)度與能量管理策略

電力調(diào)度與能量管理策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行具有關(guān)鍵作用。典型的調(diào)度策略包括峰谷平滑、優(yōu)先滿足負(fù)載需求、充放電策略優(yōu)化等。電力調(diào)度與能量管理策略應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載需求、光伏發(fā)電情況和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和*效發(fā)電。

2.5屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與安全性設(shè)計(jì)

屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與安全性設(shè)計(jì)對(duì)確保屋頂分布式光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮屋頂承重能力、結(jié)構(gòu)形式、安裝方式、防雷、防火、防風(fēng)等因素。此外，還需對(duì)光伏組件、逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行合理布局，以便于系統(tǒng)的安裝、維護(hù)和故障排除。在安全性設(shè)計(jì)方面，應(yīng)遵循國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的安全運(yùn)行。

3.實(shí)現(xiàn)案例

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)理念及關(guān)鍵技術(shù)在某大型商業(yè)綜合體進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該綜合體屋頂面積約為5000m2。為提高能源利用效率并降低電力成本，在屋頂安裝光儲(chǔ)一體化分布式光伏電站。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足商業(yè)綜合體約60%的日常用電需求。

3.1設(shè)計(jì)方案與實(shí)施

根據(jù)屋頂面積和業(yè)主需求，選取相應(yīng)的硬件。光伏組件：選用LONGiSolarLR6-72HPH450W單晶硅組件，共計(jì)560片，總裝機(jī)容量為252kWp。逆變器：選用SungrowSG110CX三相組串式逆變器，共計(jì)2臺(tái)，總?cè)萘繛?20kW。儲(chǔ)能系統(tǒng)：選用CATLLFP鋰離子電池，儲(chǔ)能容量為300kW·h。在實(shí)施過(guò)程中，光伏組件按照南傾角20°布置在屋頂，使發(fā)電量*大化。同時(shí)，逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在屋頂附近的機(jī)房?jī)?nèi)，以減小線路損耗。

3.2性能評(píng)估與優(yōu)化

經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，該光伏電站的發(fā)電量達(dá)到了約305MW·h，滿足了預(yù)期目標(biāo)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在日間將光伏發(fā)電的剩余電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，夜間釋放，使商業(yè)綜合體在用電高峰期能夠?qū)崿F(xiàn)峰谷平滑。以下是電站運(yùn)行后的主變負(fù)荷變化（見(jiàn)表2）。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)光伏組件的發(fā)電效率有待進(jìn)一步提高，因此增加了清洗頻率，以確保光伏組件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3經(jīng)濟(jì)效益分析

該項(xiàng)目的總投資約為150萬(wàn)元人民幣。經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，節(jié)省了約18萬(wàn)元的電費(fèi)支出。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)卣难a(bǔ)貼政策，項(xiàng)目每年還可獲得約7萬(wàn)元的補(bǔ)貼收入。綜合考慮，該項(xiàng)目的投資回收期約為6年，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4項(xiàng)目分析

該案例根據(jù)商業(yè)綜合體的實(shí)際用電需求，合理配置了光伏組件、逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足約60%的日常用電需求，降低了對(duì)外部電網(wǎng)的依賴。選用的LONGiSolarLR6-72HPH450W單晶硅組件，具有較高的轉(zhuǎn)換效率（20.6%），確保了光伏發(fā)電系統(tǒng)的高性能和穩(wěn)定性。此外，采用了SungrowSG110CX三相組串式逆變器，具有較高的*大效率，能夠適應(yīng)不同光照條件下的運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的能量輸出。同時(shí)，采用了CATLLFP鋰離子電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有較高的能量密度、長(zhǎng)壽命和安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電量的有效儲(chǔ)存和利用。通過(guò)電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了日間光伏發(fā)電量的儲(chǔ)存和夜間釋放，降低了用電高峰期的電力負(fù)荷，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后期還進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)并解決了光伏組件發(fā)電效率的問(wèn)題，增加了清洗頻率，確保了光伏組件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門(mén)針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測(cè)

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測(cè)，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析及錄波展示，并對(duì)電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對(duì)重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.硬件及其配套產(chǎn)品

6.結(jié)論

光儲(chǔ)一體化屋頂分布式光伏電站將光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，具有顯著的能源優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括光伏陣列、逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力調(diào)度與能量管理系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)涉及光伏組件選型與設(shè)計(jì)、逆變器技術(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)以及電力調(diào)度與能量管理策略。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例分析，可以發(fā)現(xiàn)光儲(chǔ)一體化屋頂分布式光伏電站在建筑物上具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及政策支持，光儲(chǔ)一體化屋頂分布式光伏電站的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。未來(lái)，光儲(chǔ)一體化屋頂分布式光伏電站將為更多建筑物提供清潔、可持續(xù)的能源解決方案，為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和應(yīng)對(duì)氣候變化做出積極貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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