淺談多種能源互補下的光伏儲能係統設計與研究

hth下载地址 陳聰

【摘要】在能源轉型和可持續發展的背景下，多能互補技術成為(wei) 提高可再生能源利用率和增強電網靈活性的關(guan) 鍵。提出了一種基於(yu) 多能互補的光伏儲(chu) 能係統設計方案，包括能量轉換、穩定功率輸出、智能充放電管理和實時狀態監測等功能。硬件設計涵蓋了光伏陣列模塊、儲(chu) 能電池係統、智能電網並網逆變器和能量管理控製單元。搭建了測試環境並進行了係統測試，驗證了係統功能和性能的可靠性。

【關(guan) 鍵詞】多能互補；光伏儲(chu) 能；係統設計；儲(chu) 能管理。

0引言

在全球能源需求增長與(yu) 環境問題日益嚴(yan) 峻的背景下，光伏儲(chu) 能係統可緩解光伏發電的間歇性問題。然而，單一的光伏發電係統難以滿足複雜多變的需求，研究多能互補下的光伏儲(chu) 能係統設計具有重要意義(yi) 。本文旨在探討如何利用多能互補技術，設計一個(ge) 穩定和智能的光伏儲(chu) 能係統，以實現可再生能源的利用和能源結構的優(you) 化。

1多能互補下的光伏儲(chu) 能係統工作原理

多能互補下的光伏儲(chu) 能係統整合光伏發電、風能發電、電池儲(chu) 能等能源形式，實現能源的優(you) 化配置和利用。光伏發電負責捕獲太陽能並將其轉化為(wei) 電能；風能發電作為(wei) 輔助，提高係統的整體(ti) 能源輸入；而電池存儲(chu) 單元則用於(yu) 儲(chu) 存多餘(yu) 的電能，以備光伏發電不足時使用。智能管理係統根據能源需求和供給情況，自動調節各種能源的使用，確保電力供應的穩定性和可靠性（圖1）。

圖1多能互補下的光伏儲(chu) 能係統工作原理圖

2多能互補下的光伏儲(chu) 能係統設計

2.1需求分析

在功能需求方麵，係統需實現大功率點跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）、功率補償(chang) 、動態負載平衡、自動調節充放電、智能充電時間控製、設備運行參數監測和能源存儲(chu) 狀態監控等功能，以提高係統的能量轉換效率和穩定性。在性能需求方麵，係統需滿足高能量轉換效率、低總諧波失真（totalharmonicdistortion，THD）效果、快速動態響應和低數據傳(chuan) 輸延遲等性能指標，以保證係統在各種工況下都能穩定運行。

2.2功能設計

2.2.1能量轉換功能

能量轉換功能基於(yu) 擾動觀察法，每0.5s進行一次迭代，以確保光伏陣列始終運行在其大功率點附近。使用了基於(yu) STM32微控製器的硬件平台來實現MPPT算法，該控製器能夠根據光伏陣列的實時電壓和電流數據調整脈衝(chong) 寬度調製信號的占空比，從(cong) 而改變光伏陣列的工作點。直流—交流轉換器（DCtoACconverter，DC-AC）是基於(yu) TMS320F28379D微控製器進行設計的，采用了一種改進的空間矢量脈衝(chong) 寬度調製算法，以提高逆變器的效率和輸出波形質量。

2.2.2穩定功率輸出功能

（1）功率補償(chang) 功能。功率補償(chang) 功能基於(yu) 預測算法，能夠提前預測未來一段時間內(nei) 的光伏出力和負荷需求。預測算法結合了曆史氣象數據和負荷曲線，采用時間序列分析技術，如差分自回歸移動平均模型，來預測未來的光伏出力和電網負荷。當預測到光伏出力不足時，係統將自動啟動儲(chu) 能係統放電，以補償(chang) 功率缺口；反之，當預測到光伏出力過剩時，儲(chu) 能係統會(hui) 將多餘(yu) 的電能儲(chu) 存起來。

（2）動態負載平衡。動態負載平衡算法根據光伏出力、儲(chu) 能狀態和電網需求的實時數據動態調整係統的充放電策略。具體(ti) 來說，當光伏出力過剩時，係統會(hui) 優(you) 先考慮將多餘(yu) 的能量儲(chu) 存到儲(chu) 能係統中；當光伏出力不足時，儲(chu) 能係統會(hui) 釋放能量以彌補功率缺口。

2.2.3智能充放電管理功能

（1）自動調節充放電電流。自動調節充放電電流功能基於(yu) 電池的狀態和係統需求，通過算法實現自動調整，以確保電池的健康狀態並能延長其使用壽命。采用基於(yu) 電池剩餘(yu) 電量（stateofcharge，SOC）和溫度的控製策略，係統可以監測電池的SOC和溫度，動態調整充放電電流。當SOC低於(yu) 預定閾值（如30%）時，係統會(hui) 自動增加充電電流，以快速恢複電池電量；反之，係統會(hui) 減少充電電流。

（2）智能充電時間控製。智能充電時間控製策略能夠根據天氣預報和負荷預測未來一段時間內(nei) 的光伏出力和電網需求。係統通過分析預測數據，自動規劃較佳的充電時間，以充分利用光伏出力高峰期間的電能。當預測到明天是晴朗天氣時，係統會(hui) 在夜間預先充電，使儲(chu) 能係統具有充足的能量儲(chu) 備，以備明天使用；相反，如果預測到陰雨天氣，係統則會(hui) 在前一天白天光伏出力較高時充電，以減少對電網的依賴。

2.2.4實時狀態監測功能

（1）設備運行參數監測。為(wei) 了實現設備運行參數的實時監測，本文設計了一個(ge) 綜合監測係統。該係統能夠監測光伏儲(chu) 能係統中各組件的關(guan) 鍵運行參數，包括但不限於(yu) 光伏陣列的輸出電壓和電流、儲(chu) 能係統的充放電電流、電池溫度等。使用高性能的傳(chuan) 感器和數據采集模塊來獲取數據，無線通信技術將數據實時傳(chuan) 輸到中央監控係統。此外，係統還采用了卡爾曼濾波器等數據處理算法，用於(yu) 過濾噪聲並提高數據的準確性。

（2）能源存儲(chu) 狀態監控。為(wei) 了實現能源存儲(chu) 狀態的實時監控，本文設計了一個(ge) 專(zhuan) 門的監控模塊。該模塊能夠持續監測儲(chu) 能係統的狀態，包括SOC、電池溫度、充放電次數等關(guan) 鍵指標。使用高精度的傳(chuan) 感器來監測這些參數，並通過智能算法進行數據處理。係統還具備電池健康評估功能，能夠根據電池的使用情況和老化程度預測電池的剩餘(yu) 使用壽命。

2.3硬件設計

2.3.1光伏陣列模塊

在光伏陣列模塊設計中，采用型號為(wei) JKM310M-60的多晶矽光伏電池組件，每塊組件的峰值功率為(wei) 310W，大功率點電壓（Ump）為(wei) 35.7V、電流（Imp）為(wei) 8.7A。光伏陣列將多個(ge) 組件以並聯和串聯的形式組合起來，形成矩陣布局。串聯連接通過將組件的正*與(yu) 下一個(ge) 組件的負*相連，以增加整個(ge) 陣列的電壓；而並聯連接則是將組件的正*與(yu) 正*、負*與(yu) 負*相連，以增加陣列的電流。根據光照強度和負載需求動態調整光伏陣列，確保了大功率點跟蹤的運行。

2.3.2儲(chu) 能電池係統

儲(chu) 能電池係統選用型號為(wei) LF100L的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）電池，其單體(ti) 容量為(wei) 100A·h，電壓為(wei) 3.2V，這些參數設置確保了電池的高能量密度與(yu) 長循環壽命。係統設計中，采用電池管理係統進行電池狀態監測與(yu) 管理，包括電壓、電流、溫度的實時監控與(yu) 均衡充電的管理，有效保障了電池安全運行。

2.3.3智能電網並網逆變器

智能電網並網逆變器采用型號為(wei) SUN2000-50KTL-C2的光伏逆變器，大輸出功率為(wei) 50kW，支持三相並網，具有的能量轉換能力，轉換效率達98.6%。逆變器具有先進的電能質量管理功能，能夠實時監測電網狀態，調整輸出，以滿足並網標準。其內(nei) 置的通信模塊支持多種協議，確保了與(yu) 智能電網的無縫對接和數據交互。

2.3.4能量管理控製單元

能量管理控製單元（energymanagementcontrolunit，EMCU）選用具備高速數據處理與(yu) 實時控製能力的高性能微處理器STM32F407VGT6。EMCU集成了光伏陣列、儲(chu) 能係統與(yu) 逆變器的數據采集與(yu) 控製功能，利用算法實現能量的優(you) 化調度。係統支持Wi-Fi與(yu) 5G通信，確保遠程監控與(yu) 故障診斷的實時性。

3係統測試

3.1搭建測試環境

測試環境包括一套完整的基於(yu) 物聯網的光伏儲(chu) 能係統，涵蓋了光伏陣列模塊、儲(chu) 能電池係統、智能電網並網逆變器以及能量管理控製單元等關(guan) 鍵組件。測試環境包括用於(yu) 模擬真實世界條件的氣候控製室，以確保測試結果的準確性和可靠性。

3.2係統功能測試

由表1測試結果可知，係統在大功率點跟蹤方麵的能量轉換效率達到了95.3%，功率補償(chang) 功能的精度達到了3.8W，動態負載平衡功能的負載匹配誤差僅(jin) 為(wei) 8.7%，確保了係統的穩定運行。智能充電時間控製功能的預測準確率達到86.2%，設備運行參數監測功能的監測精度為(wei) 0.7%，確保了數據的準確性。能源存儲(chu) 狀態監控功能的SOC預估偏差為(wei) 2.5%，有效預防了潛在的故障。

3.3係統功能測試

表2測試結果顯示，在DC-AC轉換效率方麵，係統的大輸出功率達到了4.9kW，轉換效率達到了97.8%，超過了97.5%的目標。在THD效果方麵，輸出電流的THD僅(jin) 為(wei) 4.2%，低於(yu) 5.0%的閾值。動態響應時間僅(jin) 為(wei) 1.8s，確保了係統能夠快速響應功率變化。數據傳(chuan) 輸延遲為(wei) 487ms，保證了數據的實時性。

4hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統介紹

4.1平台簡介

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能,涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃,也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱,是專(zhuan) 門用於(yu) 設備管理的一套軟件係統平台。

4.2產(chan) 品規格

4.3係統功能

4.4應用範圍

4.5配套產(chan) 品

5結論

本文提出了一種基於(yu) 多能互補的光伏儲(chu) 能係統設計方案，集成能量轉換、穩定功率輸出、智能充放電管理和實時狀態監測等功能，有效提升了係統的整體(ti) 性能。未來，將進一步優(you) 化係統結構，探索更多應用場景，以滿足日益增長的能源需求，並促進能源係統的可持續發展。

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