浅析智慧光伏储能充电桩能源管理方法

摘要：随着全球能源需求的增长和环境保护意识的提高，光伏发电和储能技术得到了广泛应用。然而，光伏发电的间歇性和传统充电桩能源管理效率低下的问题仍然存在。基于此，针对智慧光伏储能充电桩系统展开分析，设计了一套优化的能源管理方法，以提高能源利用效率、降低成本并减少碳排放，推动绿色能源的可持续发展。 

关键词：智慧光伏、储能、充电桩、能源管理、可持续发展 

1、引言 

全球能源需求的持续增长和环境保护意识的提高推动了新能源技术的发展，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来得到了广泛应用。然而，光伏发电的间歇性和波动性限制了其在电网中的直接应用，储能技术的引入有效地解决了这一问题，通过储存过剩的光伏能量并在需求高峰期释放，提高了能源利用效率。电动汽车的普及推动了充电桩的广泛部署，然而传统充电桩在能源管理方面存在效率低下和能源浪费的问题。智慧光伏储能充电桩的出现，不仅能够实现光伏发电、储能和充电的有机结合，还能够通过先进的能源管理方法优化能源的使用效率，降低能源成本。文章旨在探讨智慧光伏储能充电桩的系统构架及其能源管理方法，提出基于模型预测控制和机器学习的优化算法，并通过仿真和实际应用案例验证其有效性，以期为智慧能源管理提供科学依据和技支持。 

2、智慧光伏储能充电桩系统构架 

2.1系统整体架构设计 

智慧光伏储能充电桩系统的整体架构由光伏发电模块、储能系统模块和充电桩模块组成。光伏发电模块负责将太阳能转换为电能，并提供给储能系统或直接供给充电桩。储能系统模块用于存储多余的电能，并在光伏发电不足时进行电能释放，以平衡供需。充电桩模块则为电动汽车提供充电服务，同时能够根据系统的实时状态调节充电功率。整个系统通过数据采集与通信模块实现各模块间的数据交换与状态监控，确保系统运行的智化与有效化。 

2.2各模块功能及相互关系 

光伏发电模块是系统的能源来源，其输出直接影响储能系统和充电桩的运行。储能系统在光伏发电过剩时进行电能存储，在需求高峰时释放电能，以稳定系统输出。充电桩模块则根据储能系统和光伏发电模块的实时状态，智能调节充电过程，以实现较好的能源利用效率。数据采集与通信模块负责实时监测各模块的运行状态和能量流动情况，并通过先进的算法对整个系统进行优化控制，实现光伏发电、储能和充电的无缝衔接与有效协同。 

3、能源管理方法设计 

3.1能源管理目标 

能源管理目标是设计能源管理方法的基础和前提。智慧光伏储能充电桩系统的主要管理目标包括提高光伏发电的利用率、控制整体能源成本、优化充电桩的使用效率以及保障系统的稳定性和可靠性。系统应在光伏发电充足时优先利用太阳能进行充电和储能，避免能源浪费；在光伏发电不足时，通过储能系统提供补充电力，以满足充电需求；系统需考虑电力市场的价格波动，通过合理的调度策略降低购电成本。 

3.2能源管理算法 

为了实现这些管理目标，需要设计科学、有效的能源管理算法。基于模型预测控制（MPC）的能源管理算法可用于预测未来一段时间内的光伏发电量、储能状态和充电需求，并制定相应的调度计划。基于机器学习的预测与优化方法，通过对历史数据的分析与学习，提高预测精度和调度策略的有效性。动态调度与实时优化策略能够在实际运行过程中，根据实时数据和系统状态进行调整和优化，确保系统始终处于良好的运行状态。通过这些先进算法的应用，智慧光伏储能充电桩系统能够实现有效的能源管理，提升整体效能，促进新能源的有效利用。 

4、算法实现与仿真 

4.1算法实现过程 

算法实现过程包括数据预处理、模型构建和参数设置。数据预处理需要对光伏发电数据、储能状态数据和充电需求数据进行清洗、归一化和特征提取，以确保数据质量和算法输入的有效性。模型构建依据能源管理算法，建立模型预测控制（MPC）和机器学习模型。对于MPC算法，需要定义系统状态变量、控制变量和约束条件，并建立系统动态模型。对于机器学习算法，需要选择合适的模型类型，如时间序列预测模型或深度学习模型，并进行训练和验证。参数设置需要根据系统特性和实际需求，设定优化目标、权重系数和约束参数，以确保算法在不同场景下的适用性和鲁棒性。 

4.2仿真测试及结果分析 

仿真测试是评估算法性能的重要手段。设计多个仿真场景，包括光伏发电波动、储能状态变化和充电需求波动等条件，多面考察算法的适应性和鲁棒性。在仿真平台上运行算法，收集光伏发电利用率、储能效率、充电桩使用效率和系统能源成本等性能数据。通过对比不同算法在相同仿真场景下的表现，分析其优劣和适用条件。对仿真测试数据进行统计分析和可视化展示，找出影响算法性能的关键因素，并提出改进建议。 

5、系统实际应用案例分析 

5.1具体应用场景介绍 

在一个位于市中心的大型公共充电站，安装了智慧光伏储能充电桩系统。该充电站配备了100kW的光伏组件和50kWh的储能系统，光伏组件在白天将太阳能转换为电能，为充电站提供能源，多余的电能被存储在储能系统中，夜间或阴天时用于补充供电。充电站每天为约200辆电动汽车提供充电服务，需求高峰期集中在早晚上下班时间。与此同时，在一家大型制造企业内部，部署了智慧光伏储能充电桩系统。该企业的充电设施包括200kW的光伏组件和100kWh的储能系统，覆盖了企业内部50辆电动物流车的充电需求，光伏系统安装在厂房屋顶，每天为车辆提供充电，储能系统在光伏发电不足时补充电能，充电设施整天运行，但充电需求高峰主要集中在白天工作时间。

5.2应用效果评估 

通过对该城市公共充电站的运行数据进行分析，系统的光伏发电利用率显著提升。数据显示，光伏发电利用率从传统系统的65%提升至95%。储能系统在高峰期释放电能，有效平抑了电网负荷，节省电力成本约为20%，同时碳排放减少约15%。在企业内部充电设施的应用中，系统同样表现出彩。数据显示，光伏发电利用率从原来的70%提升至90%。储能系统在电价高峰期充电，在电价低谷期放电，节约了大量电力成本，整体电力成本节省约25%，碳排放减少约20%。 

表智慧光伏储能充电桩系统在不同应用场景中的效果评估

这些案例数据表明，智慧光伏储能充电桩系统在不同应用场景下均表现出显著的经济效益和环保效益。系统通过优化能源利用，提高光伏发电利用率和储能效率，降低整体能源成本，并减少碳排放，为新能源的有效利用和可持续发展提供了有力支持。应用效果评估为系统的进一步推广和优化提供了坚实的依据和实践经验。 

6安科瑞产品介绍

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，整天进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT 等通信规约。

6.1 应用场所

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

6.2系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1 典型微电网能量管理系统组网方式

6.3 系统功能

6.3.1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，实时监测光伏、风电、储能、充电桩等各回路电压、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：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、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。

6.3.2 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。

6.3.3 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。

6.3.4 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。

6.3.5 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。

6.3.6 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。

6.3.7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

6.3.8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、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图 17 策略配置界面

6.3.9运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，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、尖峰平谷时段电量等。

图 18 运行报表

6.3.10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

6.3.11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

6.3.12 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、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/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

6.3.13 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

6.3.14 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。

图 23 曲线查询

6.3.15 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发电、用电、充放电情况，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

6.3.16 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。

6.3.17 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Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 、MQTT等通信规约。

图 26 通信管理

6.3.18 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。

图 27 用户权限

6.3.19 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。

图 28 故障录波

6.3.20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*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规定和随意修改。

图 29 事故追忆

6.4 系统硬件配置

7、结论

智慧光伏储能充电桩系统在提升能源利用效率、降低能源成本以及减少碳排放方面展现出显著优势。系统架构结合了光伏发电、储能系统和充电桩模块，通过先进的能源管理算法，实现了有效的能量调度和优化。在具体应用中，城市公共充电站和企业内部充电设施的案例分析显示，系统不仅提高了光伏发电的利用率，还显著降低了电力成本和碳排放。随着新能源技术和智能算法的进一步发展，智慧光伏储能充电桩系统有望在更多场景中得到广泛应用，推动绿色能源的有效利用和可持续发展。同时，进一步的研究和优化将持续提升系统的稳定性和经济效益，为全球能源转型和环境保护贡献更大的力量。 

参考文献

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[3]郑根水.数字化转型让光伏行业更智慧[J].信息化建设,2023,(01):61-62.

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