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展趨勢。本文詳細闡述了光儲充技術的原理、構成、發展現狀，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，并對未來發展趨勢進行了展望。
關鍵詞：光儲充；光伏發電；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，其光伏發電技術得到了快速發展。然而，光伏發電的間歇性和不穩定性限制了其大規模應用。光儲充技術的出現，通過將光伏發電與儲能系統和充電設施相結合，有效解決了這一問題，為實現能源的高效利用和可持續供應提供了新的途徑。
二、光儲充技術的原理與構成
（一）光伏發電原理
光伏發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）儲能系統原理
儲能系統主要用于存儲電能，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）光儲充系統構成
光儲充系統通常由光伏發電設備、儲能裝置、充電設施以及能量管理系統組成。光伏發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；能量管理系統則對整個系統的能量流動進行監測、控制和優化，以實現能源的高效利用和穩定供應。
三、光儲充技術的發展現狀

3.系統功能

3.1實時監測

微電網能量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。

微電網能量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。

3.2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。3.6.1.2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。

3.6.1.3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。

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。

3.6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

3.6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

3.6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

3.6.5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

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

3.6.7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

3.6.8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

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量交換進行統計分析；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

3.6.11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。

3.6.12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。

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）。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。

3.6.14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。

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、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
四、光儲充技術的應用領域
（一）分布式能源系統
在家庭、企業和社區等場所，光儲充系統可以實現自發自用、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。通過光儲充系統的應用，該家庭不僅實現了能源的自給自足，還減少了對電網的依賴和電費支出。
（二）工業園區
工業園區通常具有較大的用電需求和屋頂面積，適合大規模部署光儲充系統。通過整合光伏發電、儲能和充電設施，可以為園區內的企業提供穩定的電力供應，同時實現節能減排。
某工業園區建設了兆瓦級的光儲充一體化項目，光伏發電系統覆蓋了園區內的廠房和倉庫屋頂，儲能系統用于平衡光伏發電的波動和應對用電高峰，充電設施為園區內的電動叉車、物流車輛等提供充電服務。該項目不僅降低了園區的用電成本，還減少了二氧化碳排放，提升了園區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，光伏發電為充電樁提供部分電力，儲能系統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）偏遠地區和海島
在電網覆蓋困難的偏遠地區和海島，光儲充系統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，光伏發電和風力發電作為主要電源，儲能系統保障電力的穩定供應，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，促進了當地旅游業的發展。
五、光儲充技術的應用效益
（一）經濟效益
降低能源成本
通過光伏發電和儲能系統的協同作用，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，多余的光伏發電還可以出售給電網，獲得收益。
減少設備投資
光儲充系統可以替代部分傳統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，大大減少了傳統化石能源發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境質量具有重要意義。
促進資源循環利用
儲能系統中使用的電池在壽命結束后，可以通過回收和再利用，減少對環境的污染，實現資源的有效循環利用。
（三）社會效益
提高能源供應可靠性
光儲充系統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。
促進就業和產業發展
光儲充技術的發展帶動了相關產業的興起，創造了大量的就業機會，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
（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，儲能系統的管理和控制技術也需要不斷優化，以提高其性能和可靠性。
能量管理系統
光儲充系統的高效運行依賴于精確的能量管理系統，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）標準和規范缺失
目前，光儲充技術在設備標準、系統集成、安全規范等方面還缺乏統一的標準和規范，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、光儲充技術的發展趨勢
（一）技術創新
高效光伏材料和電池技術
研發更高轉換效率的光伏材料和電池結構，進一步降低光伏發電成本。
新型儲能技術
探索如固態電池、液流電池等新型儲能技術，提高儲能系統的性能和安全性。
智能能量管理
結合人工智能、大數據等技術，實現光儲充系統的智能化能量管理和優化調度。
（二）規模擴大
隨著技術進步和成本降低，光儲充系統的應用規模將不斷擴大，從分布式系統向集中式、規模化的能源站發展。
（三）融合發展
光儲充技術將與智能電網、能源互聯網等深度融合，實現能源的雙向流動和優化配置，提高整個能源系統的效率和靈活性。
（四）商業模式創新
探索多樣化的商業模式，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發展。
八、結論
光儲充技術作為一種創新的能源解決方案，在提高能源利用效率、促進可再生能源發展、保障能源供應安全等方面具有顯著的優勢和潛力。盡管目前還面臨一些挑戰，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揮重要作用，為實現全球能源轉型和可持續發展目標做出貢獻。
在未來的研究和實踐中，需要進一步加強技術研發、完善政策法規、建立標準規范、創新商業模式，推動光儲充技術的廣泛應用和健康發展，共同構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系。

審核編輯 黃宇