解鎖能源密碼，光儲充-能量管理系統(tǒng)登場

程瑜

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：隨著全球對可再生能源的重視和能源轉型的加速，光儲充技術作為一種整合了光伏發(fā)電、儲能和充電功能的綜合能源解決方案，正逐漸成為能源領域的研究熱點和發(fā)展趨勢。本文詳細闡述了光儲充技術的原理、構成、發(fā)展現(xiàn)狀，深入分析了其在不同領域的應用案例和效益，探討了當前面臨的挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。
關鍵詞：光儲充；光伏發(fā)電；儲能；充電；能源轉型
一、引言
在全球應對氣候變化和能源危機的背景下，可再生能源的開發(fā)和利用已成為能源領域的核心任務。太陽能作為最豐富和清潔的可再生能源之一，其光伏發(fā)電技術得到了快速發(fā)展。然而，光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性限制了其大規(guī)模應用。光儲充技術的出現(xiàn)，通過將光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)和充電設施相結合，有效解決了這一問題，為實現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)供應提供了新的途徑。
二、光儲充技術的原理與構成
（一）光伏發(fā)電原理
光伏發(fā)電是利用半導體材料的光電效應，將太陽能直接轉化為電能。當太陽光照射到光伏電池板上時，光子的能量被半導體材料吸收，產生電子-空穴對。在內部電場的作用下，電子和空穴分別向不同方向移動，形成電流。
（二）儲能系統(tǒng)原理
儲能系統(tǒng)主要用于存儲電能，以便在需要時釋放。常見的儲能技術包括電池儲能（如鋰離子電池、鉛酸電池等）、超級電容器儲能和飛輪儲能等。其工作原理是在電能過剩時將電能轉化為化學能、勢能或其他形式的能量存儲起來，在電能不足時將存儲的能量重新轉化為電能輸出。
（三）充電設施原理
充電設施是為電動車輛提供電能補充的設備。根據充電速度和方式的不同，可分為交流慢充、直流快充等。其原理是將電網的交流電或直流電經過變壓、整流等處理后，以合適的電壓和電流為電動汽車的電池充電。
（四）光儲充系統(tǒng)構成
光儲充系統(tǒng)通常由光伏發(fā)電設備、儲能裝置、充電設施以及能量管理系統(tǒng)組成。光伏發(fā)電設備負責將太陽能轉化為電能；儲能裝置用于存儲多余的電能或在光伏發(fā)電不足時放電；充電設施為電動汽車等提供充電服務；能量管理系統(tǒng)則對整個系統(tǒng)的能量流動進行監(jiān)測、控制和優(yōu)化，以實現(xiàn)能源的高效利用和穩(wěn)定供應。
三、光儲充技術的發(fā)展現(xiàn)狀

3.系統(tǒng)功能

3.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)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(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)信息進行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)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(tǒng)計列表等。

3.2光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。3.6.1.2儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)PCS狀態(tài)界面

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

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)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。

3.6.1.3風電界面

圖13風電系統(tǒng)界面

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

3.4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(tǒng)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。

3.5視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

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

3.6發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)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(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

3.6策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)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(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

3.6運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、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

3.6.5實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)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(fā)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

3.6.6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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

3.6.7電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)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(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)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(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統(tǒng)電能質量界面

3.6.8遙控功能

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

圖22遙控功能

3.6.9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。

3.6.10統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)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(tǒng)計報表

3.6.11網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)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(tǒng)拓撲界面

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

3.6.12通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)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(guī)約。

3.6.13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）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.6.14故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(fā)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。

3.6.15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(tài)、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(fā)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(jiān)視的數據點可由用戶指定和隨意修改。

圖29事故追憶
四、光儲充技術的應用領域
（一）分布式能源系統(tǒng)
在家庭、企業(yè)和社區(qū)等場所，光儲充系統(tǒng)可以實現(xiàn)自發(fā)自用、余電上網，提高能源自給率，降低用電成本。
例如，某家庭安裝了屋頂光伏發(fā)電設備和儲能電池，并配備了電動汽車充電樁。在白天陽光充足時，光伏發(fā)電滿足家庭用電需求，多余電能存儲在電池中；夜間或陰天，儲能電池放電供應家庭用電，同時為電動汽車充電。通過光儲充系統(tǒng)的應用，該家庭不僅實現(xiàn)了能源的自給自足，還減少了對電網的依賴和電費支出。
（二）工業(yè)園區(qū)
工業(yè)園區(qū)通常具有較大的用電需求和屋頂面積，適合大規(guī)模部署光儲充系統(tǒng)。通過整合光伏發(fā)電、儲能和充電設施，可以為園區(qū)內的企業(yè)提供穩(wěn)定的電力供應，同時實現(xiàn)節(jié)能減排。
某工業(yè)園區(qū)建設了兆瓦級的光儲充一體化項目，光伏發(fā)電系統(tǒng)覆蓋了園區(qū)內的廠房和倉庫屋頂，儲能系統(tǒng)用于平衡光伏發(fā)電的波動和應對用電高峰，充電設施為園區(qū)內的電動叉車、物流車輛等提供充電服務。該項目不僅降低了園區(qū)的用電成本，還減少了二氧化碳排放，提升了園區(qū)的綠色形象和競爭力。
（三）公共交通領域
在公交場站、出租車服務區(qū)等場所建設光儲充設施，可以為電動公交車和出租車提供便捷的充電服務，促進公共交通的電動化轉型。
例如，某城市的公交場站安裝了光儲充一體化充電站，光伏發(fā)電為充電樁提供部分電力，儲能系統(tǒng)在夜間低谷電價時段充電，白天為公交車充電。通過這種方式，降低了公交運營成本，減少了城市交通的碳排放。
（四）偏遠地區(qū)和海島
在電網覆蓋困難的偏遠地區(qū)和海島，光儲充系統(tǒng)可以作為獨立的能源供應解決方案，滿足當地居民和設施的用電需求。
在某偏遠海島，建設了光儲充微電網系統(tǒng)，光伏發(fā)電和風力發(fā)電作為主要電源，儲能系統(tǒng)保障電力的穩(wěn)定供應，充電設施為島上的電動汽車和電動船只提供充電服務。該系統(tǒng)解決了海島長期以來的供電難題，提高了居民的生活質量，促進了當地旅游業(yè)的發(fā)展。
五、光儲充技術的應用效益
（一）經濟效益
降低能源成本
通過光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的協(xié)同作用，用戶可以在電價低谷時存儲電能，在高峰時使用，降低用電成本。同時，多余的光伏發(fā)電還可以出售給電網，獲得收益。
減少設備投資
光儲充系統(tǒng)可以替代部分傳統(tǒng)的電力基礎設施投資，如變電站擴容、輸電線路建設等，降低了能源供應的總體成本。
（二）環(huán)境效益
減少溫室氣體排放
光儲充技術以太陽能等清潔能源為主要能源來源，大大減少了傳統(tǒng)化石能源發(fā)電所產生的二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體和污染物排放，對緩解氣候變化和改善環(huán)境質量具有重要意義。
促進資源循環(huán)利用
儲能系統(tǒng)中使用的電池在壽命結束后，可以通過回收和再利用，減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)資源的有效循環(huán)利用。
（三）社會效益
提高能源供應可靠性
光儲充系統(tǒng)在電網故障或自然災害等情況下，可以作為獨立的電源為重要設施和用戶提供電力保障，提高了能源供應的可靠性和安全性。
促進就業(yè)和產業(yè)發(fā)展
光儲充技術的發(fā)展帶動了相關產業(yè)的興起，創(chuàng)造了大量的就業(yè)機會，包括光伏制造、儲能設備生產、安裝運維等領域。
六、光儲充技術面臨的挑戰(zhàn)
（一）成本問題
盡管光儲充技術的成本在不斷下降，但初始投資仍然較高，包括光伏發(fā)電設備、儲能電池和充電設施等的采購和安裝費用。這限制了其在一些地區(qū)和用戶中的廣泛應用。
（二）技術瓶頸
儲能技術
儲能電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性和成本等方面仍有待進一步提高。同時，儲能系統(tǒng)的管理和控制技術也需要不斷優(yōu)化，以提高其性能和可靠性。
能量管理系統(tǒng)
光儲充系統(tǒng)的高效運行依賴于精確的能量管理系統(tǒng)，但目前的能量管理算法和策略還存在一定的局限性，需要進一步研究和改進。
（三）標準和規(guī)范缺失
目前，光儲充技術在設備標準、系統(tǒng)集成、安全規(guī)范等方面還缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，導致市場上產品質量參差不齊，增加了用戶的選擇難度和系統(tǒng)的運行風險。
（四）政策和市場機制不完善
在電力市場中，光儲充系統(tǒng)的接入、交易和補貼政策還不夠完善，影響了其投資回報和市場推廣。同時，缺乏有效的市場機制來激勵用戶參與需求響應和能源管理。
七、光儲充技術的發(fā)展趨勢
（一）技術創(chuàng)新
高效光伏材料和電池技術
研發(fā)更高轉換效率的光伏材料和電池結構，進一步降低光伏發(fā)電成本。
新型儲能技術
探索如固態(tài)電池、液流電池等新型儲能技術，提高儲能系統(tǒng)的性能和安全性。
智能能量管理
結合人工智能、大數據等技術，實現(xiàn)光儲充系統(tǒng)的智能化能量管理和優(yōu)化調度。
（二）規(guī)模擴大
隨著技術進步和成本降低，光儲充系統(tǒng)的應用規(guī)模將不斷擴大，從分布式系統(tǒng)向集中式、規(guī)模化的能源站發(fā)展。
（三）融合發(fā)展
光儲充技術將與智能電網、能源互聯(lián)網等深度融合，實現(xiàn)能源的雙向流動和優(yōu)化配置，提高整個能源系統(tǒng)的效率和靈活性。
（四）商業(yè)模式創(chuàng)新
探索多樣化的商業(yè)模式，如能源合同管理、虛擬電廠、共享儲能等，促進光儲充技術的廣泛應用和可持續(xù)發(fā)展。
八、結論
光儲充技術作為一種創(chuàng)新的能源解決方案，在提高能源利用效率、促進可再生能源發(fā)展、保障能源供應安全等方面具有顯著的優(yōu)勢和潛力。盡管目前還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷進步、政策的支持和市場的成熟，光儲充技術必將在未來的能源領域發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)全球能源轉型和可持續(xù)發(fā)展目標做出貢獻。
在未來的研究和實踐中，需要進一步加強技術研發(fā)、完善政策法規(guī)、建立標準規(guī)范、創(chuàng)新商業(yè)模式，推動光儲充技術的廣泛應用和健康發(fā)展，共同構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系。

審核編輯 黃宇