淺析光儲一體化屋頂光伏電站的設計要點與優化

安科瑞 劉秋霞

　　摘要：從系統結構的組成以及項目需要解決的關鍵技術出發，設計基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站方案，通過實際組裝運行案例驗證了該方案的可行性，為基于光儲一體化的屋頂光伏發電找到了一條切實可行的解決方案。

　　關鍵詞：屋頂；分布式光伏電站；光儲一體化；運行效果

　　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。

　　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*效利用，提高系統的穩定性和可靠性。

　　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*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。

　　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）。

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*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。

　　2.1光伏組件選型與設計

　　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*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*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、*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*技術，實現更智能的儲能系統控制。

　　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*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。

　　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5000m2。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。

　　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LONGiSolarLR6-72HPH450W單晶硅組件，共計560片，總裝機容量為252kWp。逆變器：選用SungrowSG110CX三相組串式逆變器，共計2臺，總容量為220kW。儲能系統：選用CATLLFP鋰離子電池，儲能容量為300kW·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*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305MW·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。

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LONGiSolarLR6-72HPH450W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SungrowSG110CX三相組串式逆變器，具有較高的*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CATLLFP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.安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統

　　4.1概述

　　Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專門針對工商業儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經濟運行。

　　4.2應用場景

　　適用于工商業儲能電站、新能源配儲電站。

　　4.3系統結構

4.4系統功能

　　（1）實時監管

　　對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

　　對系統環境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監測，掌握微電網系統的運行狀況。

（3）功率預測

　　對分布式發電系統進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

　　實現整個微電網系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。

（5）可視化運行

　　實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監控。

（6）優化控制

　　通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態，實現經濟優化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業綜合用電成本。

（7）收益分析

　　用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

　　通過分析光伏、風電、儲能設備的發電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態。

（9）策略配置

　　微電網配置主要對微電網系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.硬件及其配套產品

　　6.結論

　　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。

　　參考文獻

　　[1]陳禹萌.基于光儲一體化的屋頂分布式光伏電站設計與實現.

　　[2]支理想，李蓓.屋頂分布式光伏電站的設計與實現[J].集成電路應用，2023，40（3）：52-54.

　　[3]葉洪吉，衛東，郭倩，等.基于設計信息的分布式光伏電站預測發電量計算方法[J].太陽能學報，2021，42（4）：253-259.

　　[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版