光儲充一體化實訓(xùn)平臺研制與應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］光儲充一體化；實訓(xùn)平臺；汽車充電

隨著國家“碳達(dá)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(fā)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(shù)也向著大功率、快充方向快速迭代，大規(guī)模的快充需求給電網(wǎng)帶來了較大的負(fù)荷壓力，光儲充一體化技術(shù)由此產(chǎn)生。該技術(shù)將光伏發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和智慧充電技術(shù)有機(jī)融合，有效地提高了新能源的利用率。應(yīng)用該技術(shù)的新能源充電站正在快速建設(shè)。為快速掌握光儲充發(fā)電技術(shù)，獨(dú)立完成該系統(tǒng)的運(yùn)維檢修工作，亟需開發(fā)獨(dú)立光儲充一體化實訓(xùn)平臺。

相對于光儲充一體化技術(shù)的理論研究，供教學(xué)培訓(xùn)和實際操作的相關(guān)資源有限，無法滿足相關(guān)從業(yè)人員的培訓(xùn)需求。光儲充一體化電站正常運(yùn)行期間，無法直觀地為維保人員展示各個系統(tǒng)的部件和電氣原理，且系統(tǒng)運(yùn)行過程，維保人員難以進(jìn)行故障診斷及故障處理類的直觀學(xué)習(xí)。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(xùn)平臺，該實訓(xùn)平臺將理論和工程實踐融為一體，避免了實訓(xùn)教學(xué)與工程應(yīng)用、理論及實踐相脫節(jié)的問題。該實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)合理、功能齊備、便于維護(hù)、易于擴(kuò)展兼容，可模擬光儲充一體化系統(tǒng)運(yùn)行過程及設(shè)置實際故障工況，使學(xué)員能夠在實際場景中學(xué)習(xí)和掌握光儲充發(fā)電技術(shù)，并獨(dú)立完成多次檢修、維護(hù)、故障處理等培訓(xùn)，達(dá)到桌面教育和實操培訓(xùn)相結(jié)合，快速提升全員技能水平目的。此外，該實訓(xùn)平臺對類似系統(tǒng)的建設(shè)和實現(xiàn)運(yùn)營成本最低化提供了范本。

1 光儲充一體化實訓(xùn)平臺總體設(shè)計

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

1.1 電氣控制系統(tǒng)

光儲充一體化實訓(xùn)平臺電氣控制系統(tǒng)主要由運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)和光功率氣象站裝置構(gòu)成。在實訓(xùn)平臺微電網(wǎng)中，當(dāng)光照充足時，光伏平臺產(chǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)送電。當(dāng)光照不充足時，儲能裝置由電網(wǎng)通過DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換為直流電為儲能裝置蓄能，由儲能裝置和電網(wǎng)一起為充電樁供電，滿足大功率充電樁充電需求，減少電網(wǎng)波動。該實訓(xùn)平臺電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括光功率氣象站、逆變器、充電樁監(jiān)控軟件、人機(jī)交互界面以及匯流箱。其中，人機(jī)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(shù)并設(shè)置變量。該系統(tǒng)通過光功率氣象站實時采集光輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后可確定光伏組件的最佳安裝角度。此外，該系統(tǒng)還具備環(huán)境監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前溫度、濕度和風(fēng)向等信息，從而幫助操作人員全面了解現(xiàn)場環(huán)境狀況。該系統(tǒng)集成了逆變器和充電樁監(jiān)控軟件，利用藍(lán)牙、WiFi、4G或GPRS等通信方式與逆變器或充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使操作人員可實時查看設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時，通過該軟件，操作人員還可以對逆變器的國家安規(guī)、電網(wǎng)參數(shù)、功率限制以及通信參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定，并對充電樁的充電模式進(jìn)行靈活配置。

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)逆變裝置的控制核心，主要有功率控制、雙向電量監(jiān)測與斷路器組成。逆變器采用固德威GW30K-ET，具有RS48通信和遠(yuǎn)程4G數(shù)據(jù)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(xué)員觀察。

防雷系統(tǒng)對電氣設(shè)備進(jìn)行雷電保護(hù)，主要在光伏組件的金屬支架上通過接地線串聯(lián)在一起，首尾端通過接地扁鐵接地。其能夠?qū)⒗纂娨氲叵?，防止對設(shè)備和人員造成傷害。接地系統(tǒng)應(yīng)設(shè)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(tǒng)的核心部件，其能夠吸收和分散雷電產(chǎn)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(guān)鍵部位。可在逆變器輸出、輸入回路采用并聯(lián)防浪涌保護(hù)。防雷接地電阻一般小于4Ω。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)逆變裝置的控制核心，主要有功率控制、雙向電量監(jiān)測與斷路器組成。逆變器采用固德威GW30K-ET，具有RS48通信和遠(yuǎn)程4G數(shù)據(jù)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(xué)員觀察。

防雷系統(tǒng)對電氣設(shè)備進(jìn)行雷電保護(hù)，主要在光伏組件的金屬支架上通過接地線串聯(lián)在一起，首尾端通過接地扁鐵接地。其能夠?qū)⒗纂娨氲叵?，防止對設(shè)備和人員造成傷害。接地系統(tǒng)應(yīng)設(shè)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(tǒng)的核心部件，其能夠吸收和分散雷電產(chǎn)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(guān)鍵部位。可在逆變器輸出、輸入回路采用并聯(lián)防浪涌保護(hù)。防雷接地電阻一般小于4Ω。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。在光儲充一體化實訓(xùn)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(wǎng)互動時，一方面可以通過有序充電幫助電網(wǎng)實現(xiàn)“削峰填谷”，另一方面，基于“光+儲+充”的優(yōu)勢，有效解決了新能源發(fā)電間歇性和不穩(wěn)定等問題。整個系統(tǒng)可通過切換與電網(wǎng)實現(xiàn)智能互動，賦能清潔能源智慧化，極大地提升了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低了廠區(qū)用電率。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列與MPPT兩個部分構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖2所示。

光伏陣列由光伏組件串并聯(lián)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(shù)成熟、效率高、使用壽命長而被廣泛應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件通常由半導(dǎo)體硅制成，光線照射半導(dǎo)體時，可吸收光能激發(fā)出電子和空穴，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電壓（流），稱為“光生伏特效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”。其原理為當(dāng)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(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴向P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子向N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流，并在PN結(jié)中形成電勢差，當(dāng)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(chǎn)生一定的輸出功率。

當(dāng)光伏組件受到光照強(qiáng)度影響時，MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤，MaximumPowerPointTracking）作為光儲充一體化系統(tǒng)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(diǎn)。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(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬及輸出占空比D，改變充電電流，再次進(jìn)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(yōu)過程可保證太陽能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。

1.3 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、調(diào)頻調(diào)壓、電能質(zhì)量治理等功能。其在風(fēng)電、光伏遇到棄風(fēng)、棄光限制發(fā)電時可將多余電能存入儲能電池內(nèi)，并在風(fēng)光發(fā)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(nèi)電能送入電網(wǎng)。儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)削峰填谷時，可利用峰谷電價差創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，提高系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)能力，有效解決大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電接入電網(wǎng)所面臨的問題。

1.4 電動車充電系統(tǒng)

電動車充電系統(tǒng)是光儲充一體化系統(tǒng)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(yùn)用光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電，通過充電器轉(zhuǎn)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(wǎng)交流電轉(zhuǎn)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(jīng)過充電樁的輸入端口進(jìn)入充電樁的電源模塊。電源模塊將交流電轉(zhuǎn)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(jù)電動汽車的需求調(diào)整輸出電流、電壓和功率，以實現(xiàn)快速充電。

交流充電樁運(yùn)用電網(wǎng)或逆變器產(chǎn)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(jī)、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(xùn)平臺試驗方案

利用光儲充一體化實訓(xùn)平臺，設(shè)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(fā)電性能。其中，第1階段研究污穢程度、導(dǎo)水夾性能、清洗時長、發(fā)電量之間的關(guān)系；第2階段研究環(huán)境溫度（組件溫度）、傾斜角度、發(fā)電量的關(guān)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(xì)分為6組短期試驗和3組長期試驗，短期試驗主要測試環(huán)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(fā)電量的變化、不同導(dǎo)水夾在光伏組件上應(yīng)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(yùn)行后形成熱斑彩虹帶，導(dǎo)致光伏組件發(fā)電效率降低并影響使用壽命。通過安裝不同類型的導(dǎo)水夾，并進(jìn)行了應(yīng)用效果的對比觀測試驗，試驗結(jié)果表明，導(dǎo)水夾能夠快速地導(dǎo)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(fā)電效率。目前，市面上導(dǎo)水夾材質(zhì)主要有工程塑料和金屬兩大類，通過測試不同類型的導(dǎo)水夾的排水效果和經(jīng)濟(jì)性，綜合效果較好的為ASA工程塑料加親水膜復(fù)合型材料的導(dǎo)水夾。ASA材料還具有抗紫外線的特點(diǎn)，耐老化特性較好?？稍诠夥M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(xùn)平臺完成對光伏組件、導(dǎo)水夾、光功率氣象站、污穢度監(jiān)測、單軸可調(diào)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(guān)試驗，實現(xiàn)提高光伏發(fā)電效率、光儲充合理配合以及培養(yǎng)專業(yè)光伏運(yùn)維技術(shù)人員等目的。

3 結(jié)束語

光儲充一體化實訓(xùn)平臺不僅革新了光伏、儲能等設(shè)備故障處理與檢修的傳統(tǒng)模式，通過遠(yuǎn)程與仿真技術(shù)有效降低了培訓(xùn)與運(yùn)維過程中的電量損失，還極大地提升了學(xué)員的專業(yè)技能與實際操作能力，可為光儲充領(lǐng)域培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)人才提供支持。展望未來，堅信該平臺的廣泛應(yīng)用與推廣，不僅將催生更多高效能、專業(yè)化的技術(shù)團(tuán)隊，提升整體運(yùn)營效益，更將攜手教育界與業(yè)界伙伴，共同推動光儲充技術(shù)的普及與發(fā)展，引領(lǐng)行業(yè)邁向更加智能化、綠色化的未來。