淺析基于雙碳目標的光儲充一體化電站狀態評估技術

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：全國碳市場拉開了我國能源結構加速轉型的大幕，催生了光伏、儲能和新能源汽車等一批綠色產業的興起，同時隨著利好政策扶植和消費者的青睞，光伏、儲能和新能源汽車市場均加快發展。但傳統的充電樁和光伏電站都是分開建設，且大多未同步配備儲能系統，用電高峰時充電樁對電網沖擊大、充電費用高，嚴重影響了新能源車主的用車體驗，降低了充電樁的運營收益。光儲充一體化電站的大規模推廣和建設是解決當前局面的突破口。但光儲充一體化建設，系統復雜度高，運維保養要求高，傳統的定期巡檢模式，難以應對大規模爆發式建設的光儲充一體化電站，而基于雙碳目標的光儲充一體化電站狀態評估技術是解決光儲充大規模建設運維難題的關鍵。

關鍵詞：光儲充一體化電站；狀態評估；雙碳目標

0引言

光儲充一體化電站能夠利用儲能系統在夜間進行儲能，充電高峰期間通過儲能電站和電網一同為充電站供電，既實現了削峰填谷，又能節省配電增容費用，解決了在有限的土地資源上同時發電和充電的難題，同時能有效解決新能源發電間歇性和不穩定等問題。以“光儲

充”一體化電站為代表的“綠電”被視為推動交通運輸領域從“低碳”向“脫碳”發展的重要措施，也正在從地區性示范運營走向大規模商用落地。與此同時，大規模的光儲充一體化電站運維則成為一大難題。

1光伏發電系統狀態評估

我國光照資源豐富，2021年我國新增光伏發電并網裝機容量約5300萬kW，截至2021年底，我國光伏發電并網總裝機容量達到3.06億kW。西北地區是我國光照資源豐富的地區，然而這些區域也是典型的風沙大、揚塵多的缺水地帶。長時間運行后灰塵覆蓋在光伏電池板表面形成積灰，積灰給光伏電站的運行帶來多重危害：同等氣象條件下發電量減少，降低光伏板使用壽命，侵蝕鋼化玻璃表面。所以光伏板積灰狀態的實時監測具有顯著的安全、經濟效益。盡管清洗可以有效地去除積灰，但是光伏板積灰到何種程度開始清洗仍無法定量確定。目前主要研究結果在于說明光伏板積灰密度與發電效率損失的關聯度，光伏板積灰程度暫無有效的評估方法。針對光伏板積灰影響的狀態監測與清洗周期優化問題，本文提出了積灰工況下光伏板發電效率在線計算方法，構建積灰對電功率損失率影響的動態特性預測模型，以年累計電量損失費與清洗維護費之和小化來確定光伏板佳清洗周期，在佳清洗時間點采用光伏板清潔機器人清洗。同時，實時監測光伏板的健康狀態，實現光儲充一體化電站光伏發電系統全面的自動化運維。依據國標GB/T39857-2021算法，光伏組件轉換效率為：

光伏板清洗周期優化需要考慮兩個方面：①清洗周期過大，過多的灰塵沉積大幅度降低了光伏板的總輻照度，造成了嚴重的發電量損失；②連續清洗，清洗過程中的經濟成本可能比維持電池板表面清潔狀態所節約的經濟損失還要大。這時便存在一個合理的清洗周期，使得灰塵沉積和清洗過程產生的經濟損失之。

清洗周期包括清洗時間和清洗間隔，清洗間隔內灰塵沉積，因積灰增長造成的光伏電站發電量損失稱為電量損失費；清洗時間內積灰被清洗，光伏板清洗過程產生的費用稱為清洗維護費。基于構建的積灰對電功率損失率影響的動態特性預測模型，從積灰造成電量損失費和清洗維護費兩個方面來建立積灰經濟損失評估方法，以年累計電量損失費與清洗維護費之和來確定清洗周期。分析光伏電站裝機容量、并網電價和單位面積清洗費對清洗周期的影響，可以為光儲充一體化系統中實施光伏板積灰狀態監測與清洗周期優化提供依據。

把光伏組件里的每個單體對應看作是二極管，當存在物體的遮蔽后，會導致被影響的電池片所生成的電流比電路電流小，故障的電池片帶負電壓，將其他電池片發出的能量轉換成熱量消耗，即出現熱斑現象。常見的熱斑故障類型如圖1所示。

在采用光伏清潔機器人全自動清潔的同時，通過在該機器人上內置紅外熱成像模塊，實時監測光伏板上的熱斑故障，避免熱斑的擴散和惡化，提高光伏板的使用壽命。

2儲能系統狀態評估

當前我國電力系統中形成規模化試點的儲能方式主要有鋰電池、鉛酸電池、釩液流電池。光儲充一體化充電站雖然占地面積不大，但有兩個方面要求：①儲能系統應具備良好的倍率充放電和比能量性能，②充電電池輸出電壓大、容量高、無毒或少毒、工作溫度范圍廣。這兩個要求和磷酸鐵鋰的技術特點很吻合，即充放電倍率高、安全可靠、不會爆炸，在100%DOD和室溫條件下，循環壽命大于7500次。

現有的電池健康狀態判定方法主要是基于長循環周期的容量測試，該方法試驗周期長且只能在實驗室環境下進行。而采用多正弦疊加電流信號作為激勵源的手段，能夠在光儲充一體化電站中實時監測儲能系統的健康狀態，大幅度降低測量成本，提高儲能系統的工作效率和安全性。其測試原理如圖2所示。

由圖2可知，采用溫度試驗及直流內阻特性試驗方法，結合內特性參數，提煉表征電池健康狀態的阻抗特征頻率點，提出不連續阻抗頻率點的阻抗譜反演算法，實現從不連續特征頻率點到全頻阻抗譜的準確反演，研究光儲充一體化電站磷酸鐵鋰模塊中單體電池直流內阻與溫度、荷電狀態和倍率的關系，評估單體電池SOH，并補償溫度、SOC、倍率對SOH估計的影響，從而快速、有效地評估儲能電池的健康狀態。

3電樁狀態評估

充電樁在長期的使用過程中，因為電能質量、零配件質量和不合理使用難免出現故障。充電樁一旦出現嚴重的故障，不僅影響新能源車主的充電體驗，更容易引發自燃和爆炸等危險，嚴重威脅新能源車主的人身安全。新能源汽車充電樁健康狀態綜合評估作為一個系統工程，其指標體系建立過程是一個運用系統思想分析問題的過程，在建立體系和指標選取的過程中，應遵循一般性綜合評價指標體系構造的基本準則。本文從充電樁電氣性能和安全性能兩個角度出發，構建如圖3所示的新能源汽車充電樁健康狀態綜合評估指標體系。

利用數據挖掘技術及特征分析等方法，對充電樁在充電過程中收集到的數據進行分析判斷，評估此充電樁的充電狀態，預測出有可能發生的故障，并以界面展示的方式向監控人員提出輔助決策建議，使其及時對充電樁進行終端維護。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故qian10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

6結束語

隨著雙碳目標的推進、新能源汽車保有量的增加，規模化的光儲充一體化電站也應運而生，而由于積灰嚴重影響光伏板發電效率，儲能系統長時間使用過程中存在衰減及其它健康問題，電動汽車充電過程中安全事故頻發，采用基于雙碳目標的光儲充一體化電站狀態評估技術可以有效解決光伏板發電效率低、儲能系統管理不到位和充電安全問題，提高整體收益率。

參考文獻

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作者介紹：
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。