解锁能源密码，光储充-能量管理系统登场

程瑜

安科瑞电气股份有限公司

摘要：随着全球对可再生能源的重视和能源转型的加速，光储充技术作为一种整合了光伏发电、储能和充电功能的综合能源解决方案，正逐渐成为能源领域的研究热点和发展趋势。本文详细阐述了光储充技术的原理、构成、发展现状，深入分析了其在不同领域的应用案例和效益，探讨了当前面临的挑战，并对未来发展趋势进行了展望。
关键词：光储充；光伏发电；储能；充电；能源转型
一、引言
在全球应对气候变化和能源危机的背景下，可再生能源的开发和利用已成为能源领域的核心任务。太阳能作为最丰富和清洁的可再生能源之一，其光伏发电技术得到了快速发展。然而，光伏发电的间歇性和不稳定性限制了其大规模应用。光储充技术的出现，通过将光伏发电与储能系统和充电设施相结合，有效解决了这一问题，为实现能源的高效利用和可持续供应提供了新的途径。
二、光储充技术的原理与构成
（一）光伏发电原理
光伏发电是利用半导体材料的光电效应，将太阳能直接转化为电能。当太阳光照射到光伏电池板上时，光子的能量被半导体材料吸收，产生电子-空穴对。在内部电场的作用下，电子和空穴分别向不同方向移动，形成电流。
（二）储能系统原理
储能系统主要用于存储电能，以便在需要时释放。常见的储能技术包括电池储能（如锂离子电池、铅酸电池等）、超级电容器储能和飞轮储能等。其工作原理是在电能过剩时将电能转化为化学能、势能或其他形式的能量存储起来，在电能不足时将存储的能量重新转化为电能输出。
（三）充电设施原理
充电设施是为电动车辆提供电能补充的设备。根据充电速度和方式的不同，可分为交流慢充、直流快充等。其原理是将电网的交流电或直流电经过变压、整流等处理后，以合适的电压和电流为电动汽车的电池充电。
（四）光储充系统构成
光储充系统通常由光伏发电设备、储能装置、充电设施以及能量管理系统组成。光伏发电设备负责将太阳能转化为电能；储能装置用于存储多余的电能或在光伏发电不足时放电；充电设施为电动汽车等提供充电服务；能量管理系统则对整个系统的能量流动进行监测、控制和优化，以实现能源的高效利用和稳定供应。
三、光储充技术的发展现状

3.系统功能

3.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

3.2光伏界面

 

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。3.6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。

3.6.1.3风电界面

 

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

3.4充电桩界面

 

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

3.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

3.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

3.6策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

 

图17策略配置界面

3.6运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

3.6.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

3.6.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

3.6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度百分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

3.6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

3.6.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

3.6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

3.6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

3.6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

3.6.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

3.6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户指定和随意修改。

图29事故追忆
四、光储充技术的应用领域
（一）分布式能源系统
在家庭、企业和社区等场所，光储充系统可以实现自发自用、余电上网，提高能源自给率，降低用电成本。
例如，某家庭安装了屋顶光伏发电设备和储能电池，并配备了电动汽车充电桩。在白天阳光充足时，光伏发电满足家庭用电需求，多余电能存储在电池中；夜间或阴天，储能电池放电供应家庭用电，同时为电动汽车充电。通过光储充系统的应用，该家庭不仅实现了能源的自给自足，还减少了对电网的依赖和电费支出。
（二）工业园区
工业园区通常具有较大的用电需求和屋顶面积，适合大规模部署光储充系统。通过整合光伏发电、储能和充电设施，可以为园区内的企业提供稳定的电力供应，同时实现节能减排。
某工业园区建设了兆瓦级的光储充一体化项目，光伏发电系统覆盖了园区内的厂房和仓库屋顶，储能系统用于平衡光伏发电的波动和应对用电高峰，充电设施为园区内的电动叉车、物流车辆等提供充电服务。该项目不仅降低了园区的用电成本，还减少了二氧化碳排放，提升了园区的绿色形象和竞争力。
（三）公共交通领域
在公交场站、出租车服务区等场所建设光储充设施，可以为电动公交车和出租车提供便捷的充电服务，促进公共交通的电动化转型。
例如，某城市的公交场站安装了光储充一体化充电站，光伏发电为充电桩提供部分电力，储能系统在夜间低谷电价时段充电，白天为公交车充电。通过这种方式，降低了公交运营成本，减少了城市交通的碳排放。
（四）偏远地区和海岛
在电网覆盖困难的偏远地区和海岛，光储充系统可以作为独立的能源供应解决方案，满足当地居民和设施的用电需求。
在某偏远海岛，建设了光储充微电网系统，光伏发电和风力发电作为主要电源，储能系统保障电力的稳定供应，充电设施为岛上的电动汽车和电动船只提供充电服务。该系统解决了海岛长期以来的供电难题，提高了居民的生活质量，促进了当地旅游业的发展。
五、光储充技术的应用效益
（一）经济效益
降低能源成本
通过光伏发电和储能系统的协同作用，用户可以在电价低谷时存储电能，在高峰时使用，降低用电成本。同时，多余的光伏发电还可以出售给电网，获得收益。
减少设备投资
光储充系统可以替代部分传统的电力基础设施投资，如变电站扩容、输电线路建设等，降低了能源供应的总体成本。
（二）环境效益
减少温室气体排放
光储充技术以太阳能等清洁能源为主要能源来源，大大减少了传统化石能源发电所产生的二氧化碳、二氧化硫等温室气体和污染物排放，对缓解气候变化和改善环境质量具有重要意义。
促进资源循环利用
储能系统中使用的电池在寿命结束后，可以通过回收和再利用，减少对环境的污染，实现资源的有效循环利用。
（三）社会效益
提高能源供应可靠性
光储充系统在电网故障或自然灾害等情况下，可以作为独立的电源为重要设施和用户提供电力保障，提高了能源供应的可靠性和安全性。
促进就业和产业发展
光储充技术的发展带动了相关产业的兴起，创造了大量的就业机会，包括光伏制造、储能设备生产、安装运维等领域。
六、光储充技术面临的挑战
（一）成本问题
尽管光储充技术的成本在不断下降，但初始投资仍然较高，包括光伏发电设备、储能电池和充电设施等的采购和安装费用。这限制了其在一些地区和用户中的广泛应用。
（二）技术瓶颈
储能技术
储能电池的能量密度、循环寿命、安全性和成本等方面仍有待进一步提高。同时，储能系统的管理和控制技术也需要不断优化，以提高其性能和可靠性。
能量管理系统
光储充系统的高效运行依赖于精确的能量管理系统，但目前的能量管理算法和策略还存在一定的局限性，需要进一步研究和改进。
（三）标准和规范缺失
目前，光储充技术在设备标准、系统集成、安全规范等方面还缺乏统一的标准和规范，导致市场上产品质量参差不齐，增加了用户的选择难度和系统的运行风险。
（四）政策和市场机制不完善
在电力市场中，光储充系统的接入、交易和补贴政策还不够完善，影响了其投资回报和市场推广。同时，缺乏有效的市场机制来激励用户参与需求响应和能源管理。
七、光储充技术的发展趋势
（一）技术创新
高效光伏材料和电池技术
研发更高转换效率的光伏材料和电池结构，进一步降低光伏发电成本。
新型储能技术
探索如固态电池、液流电池等新型储能技术，提高储能系统的性能和安全性。
智能能量管理
结合人工智能、大数据等技术，实现光储充系统的智能化能量管理和优化调度。
（二）规模扩大
随着技术进步和成本降低，光储充系统的应用规模将不断扩大，从分布式系统向集中式、规模化的能源站发展。
（三）融合发展
光储充技术将与智能电网、能源互联网等深度融合，实现能源的双向流动和优化配置，提高整个能源系统的效率和灵活性。
（四）商业模式创新
探索多样化的商业模式，如能源合同管理、虚拟电厂、共享储能等，促进光储充技术的广泛应用和可持续发展。
八、结论
光储充技术作为一种创新的能源解决方案，在提高能源利用效率、促进可再生能源发展、保障能源供应安全等方面具有显著的优势和潜力。尽管目前还面临一些挑战，但随着技术的不断进步、政策的支持和市场的成熟，光储充技术必将在未来的能源领域发挥重要作用，为实现全球能源转型和可持续发展目标做出贡献。
在未来的研究和实践中，需要进一步加强技术研发、完善政策法规、建立标准规范、创新商业模式，推动光储充技术的广泛应用和健康发展，共同构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系。

审核编辑 黄宇