淺析智慧光伏儲能充電樁能源管理方法

摘要：隨著全球能源需求的增長和環境保護意識的提高，光伏發電和儲(chu) 能技術得到了廣泛應用。然而，光伏發電的間歇性和傳(chuan) 統充電樁能源管理效率低下的問題仍然存在。基於(yu) 此，針對智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統展開分析，設計了一套優(you) 化的能源管理方法，以提高能源利用效率、降低成本並減少碳排放，推動綠色能源的可持續發展。 

關(guan) 鍵詞：智慧光伏、儲(chu) 能、充電樁、能源管理、可持續發展 

1、引言 

全球能源需求的持續增長和環境保護意識的提高推動了新能源技術的發展，光伏發電作為(wei) 一種清潔、可再生的能源形式，近年來得到了廣泛應用。然而，光伏發電的間歇性和波動性限製了其在電網中的直接應用，儲(chu) 能技術的引入有效地解決(jue) 了這一問題，通過儲(chu) 存過剩的光伏能量並在需求高峰期釋放，提高了能源利用效率。電動汽車的普及推動了充電樁的廣泛部署，然而傳(chuan) 統充電樁在能源管理方麵存在效率低下和能源浪費的問題。智慧光伏儲(chu) 能充電樁的出現，不僅(jin) 能夠實現光伏發電、儲(chu) 能和充電的有機結合，還能夠通過先進的能源管理方法優(you) 化能源的使用效率，降低能源成本。文章旨在探討智慧光伏儲(chu) 能充電樁的係統構架及其能源管理方法，提出基於(yu) 模型預測控製和機器學習(xi) 的優(you) 化算法，並通過仿真和實際應用案例驗證其有效性，以期為(wei) 智慧能源管理提供科學依據和技支持。 

2、智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統構架 

2.1係統整體(ti) 架構設計 

智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統的整體(ti) 架構由光伏發電模塊、儲(chu) 能係統模塊和充電樁模塊組成。光伏發電模塊負責將太陽能轉換為(wei) 電能，並提供給儲(chu) 能係統或直接供給充電樁。儲(chu) 能係統模塊用於(yu) 存儲(chu) 多餘(yu) 的電能，並在光伏發電不足時進行電能釋放，以平衡供需。充電樁模塊則為(wei) 電動汽車提供充電服務，同時能夠根據係統的實時狀態調節充電功率。整個(ge) 係統通過數據采集與(yu) 通信模塊實現各模塊間的數據交換與(yu) 狀態監控，確保係統運行的智化與(yu) 有效化。 

2.2各模塊功能及相互關(guan) 係 

光伏發電模塊是係統的能源來源，其輸出直接影響儲(chu) 能係統和充電樁的運行。儲(chu) 能係統在光伏發電過剩時進行電能存儲(chu) ，在需求高峰時釋放電能，以穩定係統輸出。充電樁模塊則根據儲(chu) 能係統和光伏發電模塊的實時狀態，智能調節充電過程，以實現較好的能源利用效率。數據采集與(yu) 通信模塊負責實時監測各模塊的運行狀態和能量流動情況，並通過先進的算法對整個(ge) 係統進行優(you) 化控製，實現光伏發電、儲(chu) 能和充電的無縫銜接與(yu) 有效協同。 

3、能源管理方法設計 

3.1能源管理目標 

能源管理目標是設計能源管理方法的基礎和前提。智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統的主要管理目標包括提高光伏發電的利用率、控製整體(ti) 能源成本、優(you) 化充電樁的使用效率以及保障係統的穩定性和可靠性。係統應在光伏發電充足時優(you) 先利用太陽能進行充電和儲(chu) 能，避免能源浪費；在光伏發電不足時，通過儲(chu) 能係統提供補充電力，以滿足充電需求；係統需考慮電力市場的價(jia) 格波動，通過合理的調度策略降低購電成本。 

3.2能源管理算法 

為(wei) 了實現這些管理目標，需要設計科學、有效的能源管理算法。基於(yu) 模型預測控製（MPC）的能源管理算法可用於(yu) 預測未來一段時間內(nei) 的光伏發電量、儲(chu) 能狀態和充電需求，並製定相應的調度計劃。基於(yu) 機器學習(xi) 的預測與(yu) 優(you) 化方法，通過對曆史數據的分析與(yu) 學習(xi) ，提高預測精度和調度策略的有效性。動態調度與(yu) 實時優(you) 化策略能夠在實際運行過程中，根據實時數據和係統狀態進行調整和優(you) 化，確保係統始終處於(yu) 良好的運行狀態。通過這些先進算法的應用，智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統能夠實現有效的能源管理，提升整體(ti) 效能，促進新能源的有效利用。 

4、算法實現與(yu) 仿真 

4.1算法實現過程 

算法實現過程包括數據預處理、模型構建和參數設置。數據預處理需要對光伏發電數據、儲(chu) 能狀態數據和充電需求數據進行清洗、歸一化和特征提取，以確保數據質量和算法輸入的有效性。模型構建依據能源管理算法，建立模型預測控製（MPC）和機器學習(xi) 模型。對於(yu) MPC算法，需要定義(yi) 係統狀態變量、控製變量和約束條件，並建立係統動態模型。對於(yu) 機器學習(xi) 算法，需要選擇合適的模型類型，如時間序列預測模型或深度學習(xi) 模型，並進行訓練和驗證。參數設置需要根據係統特性和實際需求，設定優(you) 化目標、權重係數和約束參數，以確保算法在不同場景下的適用性和魯棒性。 

4.2仿真測試及結果分析 

仿真測試是評估算法性能的重要手段。設計多個(ge) 仿真場景，包括光伏發電波動、儲(chu) 能狀態變化和充電需求波動等條件，多麵考察算法的適應性和魯棒性。在仿真平台上運行算法，收集光伏發電利用率、儲(chu) 能效率、充電樁使用效率和係統能源成本等性能數據。通過對比不同算法在相同仿真場景下的表現，分析其優(you) 劣和適用條件。對仿真測試數據進行統計分析和可視化展示，找出影響算法性能的關(guan) 鍵因素，並提出改進建議。 

5、係統實際應用案例分析 

5.1具體(ti) 應用場景介紹 

在一個(ge) 位於(yu) 市中心的大型公共充電站，安裝了智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統。該充電站配備了100kW的光伏組件和50kWh的儲(chu) 能係統，光伏組件在白天將太陽能轉換為(wei) 電能，為(wei) 充電站提供能源，多餘(yu) 的電能被存儲(chu) 在儲(chu) 能係統中，夜間或陰天時用於(yu) 補充供電。充電站每天為(wei) 約200輛電動汽車提供充電服務，需求高峰期集中在早晚上下班時間。與(yu) 此同時，在一家大型製造企業(ye) 內(nei) 部，部署了智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統。該企業(ye) 的充電設施包括200kW的光伏組件和100kWh的儲(chu) 能係統，覆蓋了企業(ye) 內(nei) 部50輛電動物流車的充電需求，光伏係統安裝在廠房屋頂，每天為(wei) 車輛提供充電，儲(chu) 能係統在光伏發電不足時補充電能，充電設施整天運行，但充電需求高峰主要集中在白天工作時間。

5.2應用效果評估 

通過對該城市公共充電站的運行數據進行分析，係統的光伏發電利用率顯著提升。數據顯示，光伏發電利用率從(cong) 傳(chuan) 統係統的65%提升至95%。儲(chu) 能係統在高峰期釋放電能，有效平抑了電網負荷，節省電力成本約為(wei) 20%，同時碳排放減少約15%。在企業(ye) 內(nei) 部充電設施的應用中，係統同樣表現出彩。數據顯示，光伏發電利用率從(cong) 原來的70%提升至90%。儲(chu) 能係統在電價(jia) 高峰期充電，在電價(jia) 低穀期放電，節約了大量電力成本，整體(ti) 電力成本節省約25%，碳排放減少約20%。 

表智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統在不同應用場景中的效果評估

這些案例數據表明，智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統在不同應用場景下均表現出顯著的經濟效益和環保效益。係統通過優(you) 化能源利用，提高光伏發電利用率和儲(chu) 能效率，降低整體(ti) 能源成本，並減少碳排放，為(wei) 新能源的有效利用和可持續發展提供了有力支持。應用效果評估為(wei) 係統的進一步推廣和優(you) 化提供了堅實的依據和實踐經驗。 

6hth下载地址產(chan) 品介紹

Acrel-2000MG微電網能量管理係統，是我司根據新型電力係統下微電網監控係統與(yu) 微電網能量管理係統的要求，總結國內(nei) 外的研究和生產(chan) 的經驗，專(zhuan) 門研製出的企業(ye) 微電網能量管理係統。本係統滿足光伏係統、風力發電、儲(chu) 能係統以及充電樁的接入，整天進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲(chu) 能係統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個(ge) 集監控係統、能量管理為(wei) 一體(ti) 的管理係統。該係統在安全穩定的基礎上以經濟優(you) 化運行為(wei) 目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償(chang) 負荷波動；有效實現用戶側(ce) 的需求管理、消除晝夜峰穀差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為(wei) 企業(ye) 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(jue) 方案。

微電網能量管理係統應采用分層分布式結構，整個(ge) 能量管理係統在物理上分為(wei) 三個(ge) 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(wei) 光纖、網線、屏蔽雙絞線等。係統支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT 等通信規約。

6.1 應用場所

係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

6.2係統架構

本平台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係統組網方式

6.3 係統功能

6.3.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係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(chu) 能、充電樁等各回路電壓、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(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係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(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

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

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及總體(ti) 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(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖2 係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.3.2 光伏界麵

圖 3 光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

6.3.3 儲(chu) 能界麵

圖 4 儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖 5 儲(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖 6 儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對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 7 儲(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖 8 儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 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(ce) 的異常信息進行告警。

圖 9 儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖 10 儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對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 11 儲(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖 12 儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。

6.3.4 風電界麵

圖 13風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

6.3.5 充電樁界麵

圖 14 充電樁界麵

本界麵用來展示對充電樁係統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個(ge) 充電樁的運行數據等。

6.3.6 視頻監控界麵

圖 15 微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

6.3.7發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、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，並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，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖 16 光伏預測界麵

6.3.8策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體(ti) 策略根據項目實際情況（如儲(chu) 能櫃數量、負載功率、光伏係統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定製化需求。

圖 17 策略配置界麵

6.3.9運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備規定時間的運行參數，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、尖峰平穀時段電量等。

圖 18 運行報表

6.3.10實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 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；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖 19 實時告警

6.3.11曆史事件查詢

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(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖 20 曆史事件查詢

6.3.12 電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係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係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵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：係統應能實時顯示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(yu) 閃變：係統應能顯示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(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示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，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 的統計數據，包括均值、大值、小值、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 21 微電網係統電能質量界麵

6.3.13 遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖 22 遙控功能

6.3.14 曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，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 23 曲線查詢

6.3.15 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係統正常運行以來任意時間段內(nei) 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(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、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；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖 24 統計報表

6.3.16 網絡拓撲圖

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

圖 25 微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.3.17 通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 、MQTT等通信規約。

圖 26 通信管理

6.3.18 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(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖 27 用戶權限

6.3.19 故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 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、提高電力係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(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖 28 故障錄波

6.3.20事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 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(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故*10個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖 29 事故追憶

6.4 係統硬件配置

7、結論

智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統在提升能源利用效率、降低能源成本以及減少碳排放方麵展現出顯著優(you) 勢。係統架構結合了光伏發電、儲(chu) 能係統和充電樁模塊，通過先進的能源管理算法，實現了有效的能量調度和優(you) 化。在具體(ti) 應用中，城市公共充電站和企業(ye) 內(nei) 部充電設施的案例分析顯示，係統不僅(jin) 提高了光伏發電的利用率，還顯著降低了電力成本和碳排放。隨著新能源技術和智能算法的進一步發展，智慧光伏儲(chu) 能充電樁係統有望在更多場景中得到廣泛應用，推動綠色能源的有效利用和可持續發展。同時，進一步的研究和優(you) 化將持續提升係統的穩定性和經濟效益，為(wei) 全球能源轉型和環境保護貢獻更大的力量。 

參考文獻

[1]何國棟,方昌勇,洪淩,等.智慧光伏儲(chu) 能充電樁能源管理策略[J].能源工程,2024,44(01):91-96.

[2]徐子力,馮(feng) 慶燎,餘(yu) 飛鷗,等.基於(yu) 數據規則技術的充電樁共享多能源平台管理係統[J].製造業(ye) 自動化,2023,45(08):91-95+107.

[3]鄭根水.數字化轉型讓光伏行業(ye) 更智慧[J].信息化建設,2023,(01):61-62.

[4]企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05版.