多能互補(bǔ)下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：在能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的背景下，多能互補(bǔ)技術(shù)成為提高可再生能源利用率和增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性的關(guān)鍵。提出了一種基于多能互補(bǔ)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括高效能量轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定功率輸出、智能充放電管理和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。硬件設(shè)計(jì)涵蓋了光伏陣列模塊、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器和能量管理控制單元。搭建了測(cè)試環(huán)境并進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能和性能的可靠性。

關(guān)鍵詞：多能互補(bǔ)；光伏儲(chǔ)能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；功能分析；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273；TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在全球能源需求增長(zhǎng)與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的背景下，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可緩解光伏發(fā)電的間歇性問(wèn)題。然而，單一的光伏發(fā)電系統(tǒng)難以滿足復(fù)雜多變的需求，研究多能互補(bǔ)下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文旨在探討如何利用多能互補(bǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、穩(wěn)定和智能的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 多能互補(bǔ)下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

多能互補(bǔ)下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)整合光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、電池儲(chǔ)能等能源形式，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置和高效利用[1]。光伏發(fā)電負(fù)責(zé)捕獲太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能；風(fēng)能發(fā)電作為輔助，提高系統(tǒng)的整體能源輸入；而電池存儲(chǔ)單元?jiǎng)t用于儲(chǔ)存多余的電能，以備光伏發(fā)電不足時(shí)使用。智能管理系統(tǒng)根據(jù)能源需求和供給情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)各種能源的使用，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性（圖1）。

2 多能互補(bǔ)下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

在功能需求方面，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking， MPPT）、功率補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡、自動(dòng)調(diào)節(jié)充放電、智能充電時(shí)間控制、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)和能源存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)控等功能，以提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。在性能需求方面，系統(tǒng)需滿足高能量轉(zhuǎn)換效率、低總諧波失真（total harmonic distortion，THD）抑制效果、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和低數(shù)據(jù)傳輸延遲等性能指標(biāo)，以保證系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 高效能量轉(zhuǎn)換功能

高效能量轉(zhuǎn)換功能基于擾動(dòng)觀察法，每0.5 s進(jìn)行一次迭代，以確保光伏陣列始終運(yùn)行在其最大功率點(diǎn)附近。使用了基于STM32 微控制器的硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT 算法，該控制器能夠根據(jù)光伏陣列的實(shí)時(shí)電壓和電流數(shù)據(jù)調(diào)整脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比，從而改變光伏陣列的工作點(diǎn)[2]。高效率的直流—交流轉(zhuǎn)換器（DC to AC converter，DC-AC）是基于TMS320F28379D 微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用了一種改進(jìn)的空間矢量脈沖寬度調(diào)制算法，以提高逆變器的效率和輸出波形質(zhì)量。

2.2.2 穩(wěn)定功率輸出功能

（1）功率補(bǔ)償功能。功率補(bǔ)償功能基于預(yù)測(cè)算法，能夠提前預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的光伏出力和負(fù)荷需求。預(yù)測(cè)算法結(jié)合了歷史氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷曲線，采用時(shí)間序列分析技術(shù)，如差分自回歸移動(dòng)平均模型，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的光伏出力和電網(wǎng)負(fù)荷。當(dāng)預(yù)測(cè)到光伏出力不足時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，以補(bǔ)償功率缺口；反之，當(dāng)預(yù)測(cè)到光伏出力過(guò)剩時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)[3]。

（2）動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡。動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡算法根據(jù)光伏出力、儲(chǔ)能狀態(tài)和電網(wǎng)需求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的充放電策略。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)光伏出力過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先考慮將多余的能量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能系統(tǒng)中；當(dāng)光伏出力不足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)釋放能量以彌補(bǔ)功率缺口。

2.2.3 智能充放電管理功能

（1）自動(dòng)調(diào)節(jié)充放電電流。自動(dòng)調(diào)節(jié)充放電電流功能基于電池的狀態(tài)和系統(tǒng)需求，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以確保電池的健康狀態(tài)并能延長(zhǎng)其使用壽命。采用基于電池剩余電量（state of charge，SOC）和溫度的控制策略，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)電池的SOC 和溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電電流。當(dāng)SOC 低于預(yù)定閾值（如30%）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加充電電流，以快速恢復(fù)電池電量[4]；反之，系統(tǒng)會(huì)減少充電電流。

（2）智能充電時(shí)間控制。智能充電時(shí)間控制策略能夠根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和負(fù)荷預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的光伏出力和電網(wǎng)需求。系統(tǒng)通過(guò)分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)規(guī)劃最佳的充電時(shí)間，以充分利用光伏出力高峰期間的電能[5]。當(dāng)預(yù)測(cè)到第二天是晴朗天氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在夜間預(yù)先充電，使儲(chǔ)能系統(tǒng)具有充足的能量?jī)?chǔ)備，以備第二天使用；相反，如果預(yù)測(cè)到陰雨天氣，系統(tǒng)則會(huì)在前一天白天光伏出力較高時(shí)充電，以減少對(duì)電網(wǎng)的依賴。

2.2.4 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

（1）設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中各組件的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，包括但不限于光伏陣列的輸出電壓和電流、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電流、電池溫度等。使用高性能的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)獲取數(shù)據(jù)，無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還采用了卡爾曼濾波器等數(shù)據(jù)處理算法，用于過(guò)濾噪聲并提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）能源存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)能源存儲(chǔ)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的監(jiān)控模塊。該模塊能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)，包括SOC、電池溫度、充放電次數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。使用高精度的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)，并通過(guò)智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)還具備電池健康評(píng)估功能，能夠根據(jù)電池的使用情況和老化程度預(yù)測(cè)電池的剩余使用壽命。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 光伏陣列模塊

在光伏陣列模塊設(shè)計(jì)中， 采用型號(hào)為JKM310M-60 的高效多晶硅光伏電池組件，每塊組件的峰值功率為310 W，最大功率點(diǎn)電壓（Ump）為35.7 V、電流（Imp）為8.7 A。光伏陣列將多個(gè)組件以并聯(lián)和串聯(lián)的形式組合起來(lái)，形成矩陣布局。串聯(lián)連接通過(guò)將組件的正極與下一個(gè)組件的負(fù)極相連，以增加整個(gè)陣列的電壓；而并聯(lián)連接則是將組件的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極相連，以增加陣列的電流。根據(jù)光照強(qiáng)度和負(fù)載需求動(dòng)態(tài)調(diào)整光伏陣列，確保了最大功率點(diǎn)跟蹤的高效運(yùn)行。

2.3.2 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)選用型號(hào)為L(zhǎng)F100L 的磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）電池，其單體容量為100 A·h，電壓為3.2 V，這些參數(shù)設(shè)置確保了電池的高能量密度與長(zhǎng)循環(huán)壽命。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用電池管理系統(tǒng)進(jìn)行電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與管理，包括電壓、電流、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與均衡充電的管理，有效保障了電池安全運(yùn)行。

2.3.3 智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器

智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器采用型號(hào)為SUN2000-50KTL-C2 的光伏逆變器，最大輸出功率為50 kW，支持三相并網(wǎng)，具有高效的能量轉(zhuǎn)換能力，轉(zhuǎn)換效率達(dá)98.6%。逆變器具有先進(jìn)的電能質(zhì)量管理功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)，調(diào)整輸出，以滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)置的通信模塊支持多種協(xié)議，確保了與智能電網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)接和數(shù)據(jù)交互。

2.3.4 能量管理控制單元

能量管理控制單元（energy management controlunit，EMCU）選用具備高速數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)控制能力的高性能微處理器STM32F407VGT6。EMCU集成了光伏陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)與逆變器的數(shù)據(jù)采集與控制功能，利用算法實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)支持Wi-Fi 與5G 通信，確保遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷的實(shí)時(shí)性。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 搭建測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境包括一套完整的基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，涵蓋了光伏陣列模塊、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器以及能量管理控制單元等關(guān)鍵組件。測(cè)試環(huán)境包括用于模擬真實(shí)世界條件的氣候控制室，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

由表1 測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)跟蹤方面的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了95.3%，功率補(bǔ)償功能的精度達(dá)到了3.8 W，動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能的負(fù)載匹配誤差僅為8.7%，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。智能充電時(shí)間控制功能的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到86.2%，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)功能的監(jiān)測(cè)精度為0.7%，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。能源存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)控功能的SOC 預(yù)估偏差為2.5%，有效預(yù)防了潛在的故障。

3.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

表2 測(cè)試結(jié)果顯示，在DC-AC 轉(zhuǎn)換效率方面，系統(tǒng)的最大輸出功率達(dá)到了4.9 kW，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了97.8%，超過(guò)了97.5% 的目標(biāo)。在THD 抑制效果方面，輸出電流的THD 僅為4.2%，低于5.0%的閾值。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅為1.8 s，確保了系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)功率變化。數(shù)據(jù)傳輸延遲為487 ms，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于多能互補(bǔ)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集成高效能量轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定功率輸出、智能充放電管理和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，有效提升了系統(tǒng)的整體性能。未來(lái)，將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，探索更多應(yīng)用場(chǎng)景，以滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，并促進(jìn)能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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