基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站設計與實現

陳禹萌

（國網鄂州供電公司， 湖北 鄂州 436000）

0 引言

近年來，光伏發電技術取得顯著的發展，成本逐漸降低，應用領域不斷拓展。屋頂分布式光伏電站，憑借其獨特的優勢，成為了光伏發電的重要應用形式。然而，光伏發電存在一定的不穩定性，如光照強度和天氣條件的影響，使得光伏發電量波動較大。為解決這一問題，光儲一體化技術應運而生。光儲一體化技術通過將光伏發電與儲能系統相結合，實現了光伏發電量的平滑輸出，提高了系統穩定性和可靠性，拓寬了光伏發電的應用領域。

1 基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站系統結構

1.1 系統總體框架

基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的系統總體框架，包括光伏陣列與逆變器、儲能系統、電力調度與能量管理系統。光伏陣列將太陽能轉化為直流電能；逆變器將直流電能轉換為交流電能，供電網或負載使用；儲能系統負責在光伏發電不足以滿足負載需求時向負載供電，以及在光伏發電過剩時儲存電能；電力調度與能量管理系統根據負載需求和光伏發電情況，實現對光伏發電和儲能系統的協調控制。通過以上各部分的緊密協作，基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站系統能夠實現對太陽能的高效利用，提高系統的穩定性和可靠性[1]。

1.2 光伏陣列與逆變器

光伏陣列是基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站系統的核心部分，主要負責將太陽能轉化為直流電能。光伏陣列的選型和設計應考慮光伏組件的性能、成本和可靠性等等，要根據不同的應用需求來選取合適的光伏陣列。同時，為實現最大功率跟蹤和提高系統效率，逆變器的選型和控制策略也至關重要[2]。

1.3 儲能系統

儲能系統可以根據不同的應用場景和需求選擇不同類型的儲能技術，如鋰離子電池、釩液流電池等。儲能系統的容量設計需要充分考慮光伏發電量的波動性、負載需求以及系統成本等因素。此外，儲能系統的控制策略也是保證系統穩定運行的重要環節。根據不同的應用場景要選擇合適自己的儲能系統，以下是常見的儲能類型的對比（見表1）。

表1 常見儲能類型

1.4 電力調度與能量管理系統

電力調度與能量管理系統負責對光伏發電和儲能系統進行協調控制，實現光伏發電量的平滑輸出，提高系統的穩定性和可靠性。電力調度與能量管理系統需要實時監測光伏發電量、儲能系統狀態和負載需求，制定合理的調度策略。典型的調度策略包括峰谷平滑、優先滿足負載需求、充放電策略優化等。為提高系統的智能化程度，可以結合人工智能、大數據分析等技術進行電力調度與能量管理。

2 關鍵技術

基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站系統中的關鍵技術，包括高效光伏組件選型與設計、逆變器技術、儲能系統技術和電力調度與能量管理策略，以及屋頂結構優化與安全性設計[3]。

2.1 高效光伏組件選型與設計

高效光伏組件的性能直接影響整個系統的發電效率。在選擇光伏組件時，應充分考慮組件的性能參數、成本、可靠性和壽命等因素。當前市場上常見的光伏組件類型包括晶硅太陽能電池組件、薄膜太陽能電池組件等。此外，根據屋頂的具體條件和需求，可以設計合理的光伏陣列布局，使系統在不同光照條件下實現最大發電量。

2.2 逆變器技術

逆變器是光伏發電系統中的關鍵設備，負責將光伏陣列產生的直流電能轉換為交流電能。逆變器的性能和控制策略對整個系統的效率和穩定性具有重要影響。目前，市場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型。在選擇逆變器時，應根據系統規模、組件特性、安裝條件等因素綜合考慮。同時，逆變器的最大功率點追蹤（MPPT）算法和保護功能也對系統性能產生重要影響。

2.3 儲能系統技術

儲能系統是光儲一體化屋頂分布式光伏電站中的關鍵部分，其性能和設計直接影響系統的穩定性和可靠性。

2.3.1 儲能類型選擇

根據不同的應用場景和需求，可選擇不同類型的儲能技術，如鋰離子電池、釩液流電池、超級電容器等。在選擇儲能類型時，應考慮儲能設備的性能、成本、壽命、安全性等因素。

2.3.2 儲能容量設計

儲能容量的設計需要充分考慮光伏發電量的波動性、負載需求以及系統成本等因素。合理的儲能容量設計可確保系統在不同光照和負載條件下的穩定運行，同時避免過度投資。通常采用能量平衡分析、概率統計分析等方法進行儲能容量的計算和優化。

2.3.3 儲能系統控制策略

儲能系統的控制策略對于保證系統穩定運行和提高發電效率具有重要作用。常見的控制策略包括充放電策略優化、狀態估計、故障診斷和保護等。同時，可以結合人工智能、大數據分析等先進技術，實現更智能、高效的儲能系統控制。

2.4 電力調度與能量管理策略

電力調度與能量管理策略對于實現光伏發電與儲能系統的協同運行具有關鍵作用。典型的調度策略包括峰谷平滑、優先滿足負載需求、充放電策略優化等。電力調度與能量管理策略應根據實際負載需求、光伏發電情況和儲能系統狀態進行動態調整，以實現系統的穩定運行和高效發電。

2.5 屋頂結構優化與安全性設計

屋頂結構優化與安全性設計對確保屋頂分布式光伏電站的穩定運行和延長系統壽命至關重要。在設計過程中，應充分考慮屋頂承重能力、結構形式、安裝方式、防雷、防火、防風等因素。此外，還需對光伏組件、逆變器、儲能系統等設備進行合理布局，以便于系統的安裝、維護和故障排除。在安全性設計方面，應遵循國家和地區的標準和規范，確保系統在各種環境條件下的安全運行[5]。

3 實現案例

根據以上的設計理念及關鍵技術在某大型商業綜合體進行了實際應用。該綜合體屋頂面積約為5 000 m2。為提高能源利用效率并降低電力成本，在屋頂安裝光儲一體化分布式光伏電站。該項目的設計目標是滿足商業綜合體約60%的日常用電需求[4]。

3.1 設計方案與實施

根據屋頂面積和業主需求，選取相應的硬件。光伏組件：選用LONGi Solar LR6-72HPH 450 W 單晶硅組件，共計560 片，總裝機容量為252 kWp。逆變器：選用Sungrow SG110CX 三相組串式逆變器，共計2臺，總容量為220 kW。儲能系統：選用CATL LFP 鋰離子電池，儲能容量為300 kW·h。在實施過程中，光伏組件按照南傾角20°布置在屋頂，使發電量最大化。同時，逆變器和儲能系統安裝在屋頂附近的機房內，以減小線路損耗。

3.2 性能評估與優化

經過一年的運行，該光伏電站的發電量達到了約305 MW·h，滿足了預期目標。儲能系統在日間將光伏發電的剩余電量儲存起來，夜間釋放，使商業綜合體在用電高峰期能夠實現峰谷平滑。以下是電站運行后的主變負荷變化（見表2）。通過對系統性能的監控和分析，發現光伏組件的發電效率有待進一步提高，因此增加了清洗頻率，以確保光伏組件的長期穩定運行。

表2 電站運行后主變負荷變化

3.3 經濟效益分析

該項目的總投資約為150 萬元人民幣。經過一年的運行，節省了約18 萬元的電費支出。同時，根據當地政府的補貼政策，項目每年還可獲得約7 萬元的補貼收入。綜合考慮，該項目的投資回收期約為6 年，具有較好的經濟效益。

3.4 項目分析

該案例根據商業綜合體的實際用電需求，合理配置了光伏組件、逆變器和儲能系統，使得整個系統能夠滿足約60%的日常用電需求，降低了對外部電網的依賴。選用的LONGi Solar LR6-72HPH 450W 單晶硅組件，具有較高的轉換效率（20.6%），確保了光伏發電系統的高性能和穩定性。此外，采用了Sungrow SG110CX 三相組串式逆變器，具有較高的最大效率，能夠適應不同光照條件下的運行，提高了整個系統的能量輸出。同時，采用了CATL LFP 鋰離子電池作為儲能系統，具有較高的能量密度、長壽命和安全性，能夠實現光伏發電量的有效儲存和利用。通過電力調度與能量管理系統，實現了日間光伏發電量的儲存和夜間釋放，降低了用電高峰期的電力負荷，提高了整個系統的穩定性。后期還進行了優化，發現并解決了光伏組件發電效率的問題，增加了清洗頻率，確保了光伏組件的長期穩定運行。

4 結語

光儲一體化屋頂分布式光伏電站將光伏發電和儲能系統相結合，具有顯著的能源優化和經濟效益。系統結構包括光伏陣列、逆變器、儲能系統和電力調度與能量管理系統。關鍵技術涉及光伏組件選型與設計、逆變器技術、儲能系統技術以及電力調度與能量管理策略。通過實際應用案例分析，可以發現光儲一體化屋頂分布式光伏電站在建筑物上具有廣泛的應用前景。隨著光伏和儲能技術的進一步發展以及政策支持，光儲一體化屋頂分布式光伏電站的技術優勢和經濟效益將更加明顯。未來，光儲一體化屋頂分布式光伏電站將為更多建筑物提供清潔、可持續的能源解決方案，為應對能源危機和應對氣候變化做出積極貢獻。