光儲充一體化實訓平臺研制與應用

［關鍵詞］光儲充一體化；實訓平臺；汽車充電

隨著國家“碳達峰、碳中和”理念的提出，我國逐漸減少化石能源使用并大力發展清潔能源。在此背景下，新能源汽車銷量迎來增長，其配套的充電樁技術也向著大功率、快充方向快速迭代，大規模的快充需求給電網帶來了較大的負荷壓力，光儲充一體化技術由此產生。該技術將光伏發電技術、儲能技術和智慧充電技術有機融合，有效地提高了新能源的利用率。應用該技術的新能源充電站正在快速建設。為快速掌握光儲充發電技術，獨立完成該系統的運維檢修工作，亟需開發獨立光儲充一體化實訓平臺。

相對于光儲充一體化技術的理論研究，供教學培訓和實際操作的相關資源有限，無法滿足相關從業人員的培訓需求。光儲充一體化電站正常運行期間，無法直觀地為維保人員展示各個系統的部件和電氣原理，且系統運行過程，維保人員難以進行故障診斷及故障處理類的直觀學習。文章以實際光儲充一體化電站為模型，搭建了光儲充一體化實訓平臺，該實訓平臺將理論和工程實踐融為一體，避免了實訓教學與工程應用、理論及實踐相脫節的問題。該實訓平臺結構合理、功能齊備、便于維護、易于擴展兼容，可模擬光儲充一體化系統運行過程及設置實際故障工況，使學員能夠在實際場景中學習和掌握光儲充發電技術，并獨立完成多次檢修、維護、故障處理等培訓，達到桌面教育和實操培訓相結合，快速提升全員技能水平目的。此外，該實訓平臺對類似系統的建設和實現運營成本最低化提供了范本。

1 光儲充一體化實訓平臺總體設計

光儲充一體化實訓平臺（含6車位的光伏車棚1座），是龍源電力集團股份有限公司首個光伏類型實訓平臺，由風電場員工自行設計，除土建施工外，安裝調試均由員工自行完成。該平臺主要包含電氣控制系統、光伏發電系統、儲能裝置、電動車充電系統、智能管理系統5個部分。實訓平臺基本涵蓋光伏發電的主要要素，接網方式靈活，既可并網運行也可孤網運行，且安裝在站內地面上，便于員工開展培訓、實操。

1.1 電氣控制系統

光儲充一體化實訓平臺電氣控制系統主要由運行監測系統、功率調節系統、防雷系統和光功率氣象站裝置構成。在實訓平臺微電網中，當光照充足時，光伏平臺產生電量的一部分可用于儲能蓄電池充能，另一部分可和儲能裝置一起通過DC/AC逆變器轉換為交流電，為汽車充電樁供電，不使用汽車充電樁時，多余電量也可并網送電。當光照不充足時，儲能裝置由電網通過DC/AC逆變器轉換為直流電為儲能裝置蓄能，由儲能裝置和電網一起為充電樁供電，滿足大功率充電樁充電需求，減少電網波動。該實訓平臺電氣系統結構如圖1所示。

運行監控系統主要構成部分包括光功率氣象站、逆變器、充電樁監控軟件、人機交互界面以及匯流箱。其中，人機交互界面不僅提供了友好的用戶界面，還便于操作人員直觀地查看各項參數并設置變量。該系統通過光功率氣象站實時采集光輻射強度數據，經過計算后可確定光伏組件的最佳安裝角度。此外，該系統還具備環境監測功能，能夠實時顯示當前溫度、濕度和風向等信息，從而幫助操作人員全面了解現場環境狀況。該系統集成了逆變器和充電樁監控軟件，利用藍牙、WiFi、4G或GPRS等通信方式與逆變器或充電樁進行數據交互，使操作人員可實時查看設備的運行數據。同時，通過該軟件，操作人員還可以對逆變器的國家安規、電網參數、功率限制以及通信參數等進行設定，并對充電樁的充電模式進行靈活配置。

功率調節系統是光伏并網逆變裝置的控制核心，主要有功率控制、雙向電量監測與斷路器組成。逆變器采用固德威GW30K-ET，具有RS48通信和遠程4G數據傳輸功能。此外，電流、電壓、功率、電量、溫度隨時間變化的情況可直觀地顯示，以便學員觀察。

防雷系統對電氣設備進行雷電保護，主要在光伏組件的金屬支架上通過接地線串聯在一起，首尾端通過接地扁鐵接地。其能夠將雷電引入地下，防止對設備和人員造成傷害。接地系統應設計合理，確保接地電阻夠小，能夠有效地將雷電引入地下。避雷器是防雷系統的核心部件，其能夠吸收和分散雷電產生的過電壓和過電流，防止直接作用在逆變器上。避雷器通常安裝在逆變器的輸入端和輸出端，以及可能受到雷電影響的其他關鍵部位。可在逆變器輸出、輸入回路采用并聯防浪涌保護。防雷接地電阻一般小于4Ω。

1.2 光伏發電系統

功率調節系統是光伏并網逆變裝置的控制核心，主要有功率控制、雙向電量監測與斷路器組成。逆變器采用固德威GW30K-ET，具有RS48通信和遠程4G數據傳輸功能。此外，電流、電壓、功率、電量、溫度隨時間變化的情況可直觀地顯示，以便學員觀察。

防雷系統對電氣設備進行雷電保護，主要在光伏組件的金屬支架上通過接地線串聯在一起，首尾端通過接地扁鐵接地。其能夠將雷電引入地下，防止對設備和人員造成傷害。接地系統應設計合理，確保接地電阻夠小，能夠有效地將雷電引入地下。避雷器是防雷系統的核心部件，其能夠吸收和分散雷電產生的過電壓和過電流，防止直接作用在逆變器上。避雷器通常安裝在逆變器的輸入端和輸出端，以及可能受到雷電影響的其他關鍵部位。可在逆變器輸出、輸入回路采用并聯防浪涌保護。防雷接地電阻一般小于4Ω。

1.2 光伏發電系統

光伏發電系統分為集中式光伏發電系統與分布式光伏發電系統。在光儲充一體化實訓平臺中，平臺能源方式廣泛以及具備一定的儲能能力特征，光伏、儲能參與電網互動時，一方面可以通過有序充電幫助電網實現“削峰填谷”，另一方面，基于“光+儲+充”的優勢，有效解決了新能源發電間歇性和不穩定等問題。整個系統可通過切換與電網實現智能互動，賦能清潔能源智慧化，極大地提升了整個系統的經濟效益，降低了廠區用電率。光伏發電系統主要由光伏陣列與MPPT兩個部分構成，系統框架如圖2所示。

光伏陣列由光伏組件串并聯組成，光伏組件有單晶硅、多晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等類型，其中單晶硅組件因技術成熟、效率高、使用壽命長而被廣泛應用于分布式光伏發電系統。光伏組件通常由半導體硅制成，光線照射半導體時，可吸收光能激發出電子和空穴，在半導體中產生電壓（流），稱為“光生伏特效應”或簡稱“光伏效應”。其原理為當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，PN結中，N型半導體的空穴向P型區移動，而P型區中的電子向N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流，并在PN結中形成電勢差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。

當光伏組件受到光照強度影響時，MPPT（最大功率點跟蹤，MaximumPowerPointTracking）作為光儲充一體化系統的核心部分，通過直流電壓，判斷直流功率的變化，從而搜索到最大功率點。其原理為太陽能電池電壓V和電流I相乘得到功率P，然后判斷太陽能電池此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，則調整脈寬及輸出占空比D，改變充電電流，再次進行即時采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣的尋優過程可保證太陽能電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。

1.3 儲能系統

儲能系統可實現削峰填谷、負荷跟蹤、調頻調壓、電能質量治理等功能。其在風電、光伏遇到棄風、棄光限制發電時可將多余電能存入儲能電池內，并在風光發電量低于限幅值或晚上用電高峰時通過儲能逆變器將電池內電能送入電網。儲能系統參與電網削峰填谷時，可利用峰谷電價差創造更大的經濟效益，提高系統自身的調節能力，有效解決大規模可再生能源發電接入電網所面臨的問題。

1.4 電動車充電系統

電動車充電系統是光儲充一體化系統中的輸出部分，電動汽車的充電方式主要有兩種，一種是交流充電方式，即慢充，另一種是直流充電方式，即快充。

直流充電樁運用光伏系統產生的直流電，通過充電器轉化作為充電樁電源，為電動汽車充電，可快速完成充電，滿足電動汽車用戶快充需求。直流充電樁原理是將電網交流電轉換為直流電，并通過直流輸出口向電動汽車充電。首先交流電經過充電樁的輸入端口進入充電樁的電源模塊。電源模塊將交流電轉換為直流電，并通過充電樁的輸出端口輸出給電動汽車。在整個過程中，充電樁還可以根據電動汽車的需求調整輸出電流、電壓和功率，以實現快速充電。

交流充電樁運用電網或逆變器產生的交流電為電動汽車充電。交流充電的部件主要由車載充電機、交流充電插座（交流充電插座線束）、充電線、交流充電樁或220V交流電源和車輛控制器（VCU、BMS）等組成，可滿足電動汽車用戶慢充需要。

2 光儲充一體化實訓平臺試驗方案

利用光儲充一體化實訓平臺，設計了光伏組件性能測試試驗方案，分3個階段對比和測試組件在不同工況下的發電性能。其中，第1階段研究污穢程度、導水夾性能、清洗時長、發電量之間的關系；第2階段研究環境溫度（組件溫度）、傾斜角度、發電量的關系；第3階段研究智能清潔以及光儲充一體化的有效配合。3個階段的工作細分為6組短期試驗和3組長期試驗，短期試驗主要測試環境溫度（組件溫度）對光伏組件出力的影響、不同污穢程度下發電量的變化、不同導水夾在光伏組件上應用的效果、不同污穢程度在相同清洗條件下的清洗時長以及不同污穢程度在不同傾斜角度下的清洗時長。

光伏組件由于安裝傾角、平整度等原因，表面積灰遇到雨雪天氣后，會在組件下邊緣積水、積塵和滋生微生物，長期運行后形成熱斑彩虹帶，導致光伏組件發電效率降低并影響使用壽命。通過安裝不同類型的導水夾，并進行了應用效果的對比觀測試驗，試驗結果表明，導水夾能夠快速地導水排泥，有效清除光伏組件下邊緣的積水積塵，從而保證光伏板的透明度和發電效率。目前，市面上導水夾材質主要有工程塑料和金屬兩大類，通過測試不同類型的導水夾的排水效果和經濟性，綜合效果較好的為ASA工程塑料加親水膜復合型材料的導水夾。ASA材料還具有抗紫外線的特點，耐老化特性較好。可在光伏組件下邊緣的左右下角安裝，并在項目施工階段一次性安裝到位。

期間利用光儲充一體化實訓平臺完成對光伏組件、導水夾、光功率氣象站、污穢度監測、單軸可調式支架、組件定時噴淋清洗裝置、儲能裝置之間相互配合等相關試驗，實現提高光伏發電效率、光儲充合理配合以及培養專業光伏運維技術人員等目的。

3 結束語

光儲充一體化實訓平臺不僅革新了光伏、儲能等設備故障處理與檢修的傳統模式，通過遠程與仿真技術有效降低了培訓與運維過程中的電量損失，還極大地提升了學員的專業技能與實際操作能力，可為光儲充領域培養高素質的技術人才提供支持。展望未來，堅信該平臺的廣泛應用與推廣，不僅將催生更多高效能、專業化的技術團隊，提升整體運營效益，更將攜手教育界與業界伙伴，共同推動光儲充技術的普及與發展，引領行業邁向更加智能化、綠色化的未來。