浅析微电网能量管理系统解决方案在充电站行业的研究和应用

摘要：提出“双碳”目标后，深度降碳减排和可再生能源的大规模开发成为我国能源行业发展的新方向。在汽车新能源革命中，光储一体化充电技术作为关键要素备受关注。本文通过对新能源充电的国内外发展现状进行调查研究，揭示在光储一体化充电站建设中存在的技术难题。目前光储一体化充电站存在安装与适应性不灵活、消防系统不完善以及缺乏智能管理系统等问题。为应对这些挑战，本文提出了一种创新的装配式光储+人工智能一体化充电站设计方案。该设计方案集成了车棚和光伏发电功能、人工智能管理系统、智慧消防系统于一体，采用装配式模块化设计，使充电站更加智能、灵活。这一设计不仅满足了用户充电需求，还注入了智能科技元素，为未来新能源充电基础设施的建设提供了创新思路。

关键词：新能源；光储一体化充电站；双碳

1光储一体化充电站发展现状

1.1国外发展现状

顺应世界发展形势，欧美汽车大国均积极推进新能源汽车的发展，加大对新能源产业的投人和研发力度，在光伏充电站领域也取得了重大突破。在2013年，美国就设计制造出了EVARC电动车充电站，这是世界上全自动、可移动、不需要地基开挖、建设审批、并网和更新变压器开关装置的独立光伏充电站，还配备EnvisionTrak跟踪系统，能让太阳能阵列随着太阳辐射角度自动调整方向，从而使发电量提升18%~25%，并且该充电站的尺寸与车位尺寸相同，也不会额外占用空间!。EVARC电动充电站的出现对美国及其他的光伏充电站建设产生了深远影响。

1.2国内发展现状

积极响应绿色环保和节能减排的倡议，适应新发展形势，光伏产业建设规模不断扩大。近年来，我国光伏行业装机容量逐年攀升，正处于快速发展阶段。2018年，我国设计研究出了全球首座集“光伏、充电、储能”于一体的智慧车棚，并在我国投入使用，该车棚集智慧能源、智慧交通、智慧信息技术于一体，实现削峰填谷充电，运用大数据分析存储、人机交互、智能监控和诊断、智慧泊车、双向传输、智能管理等功能，让“光伏、充电、储能”车棚更加智能化，全方位满足人们的需求。该智慧车棚的投入运营，不仅是我国光伏产业创新能力的体现，而且是在世界光伏十一体化建设领域的尝试。

1.3天津地区现状

天津是光伏产业的发源地，具有良好的地理优势，集聚了国内多家具有较高水平的光伏科研院所，研发能力和技术水平在全国处于地位。新能源产业已成为天津市的八大优势产业之一，太阳能利用技术已十分成熟。2023年，天津市多个光伏充电站项目建设完成并投人使用，例如，9月份津蓟高速温泉城服务区光储充一体化超级充电站正式投入运营，10月份天津地区规模大的集中式光储充放检一体化智慧超级充电站在滨海新区投人使用，这一个个项目成果的落地，为天津光伏产业发展带来了新机遇。然而，由于天津各个区域发展不均衡，地区差异明显，光储一体化充电站建设尚未得到充分发展，仍需不断探索。

2光储一体化充电站技术难题

2.1安装与适应性不灵活

目前，光伏充电站通常采用一次性安装，位置一旦固定，将无法移动。由于充电站构件数量众多且结构复杂，因此组件的安装需要进行的测算和专业技术，这将涉及大量人力、物力和财力的消耗，导致施工效率降低，使日常维护和维修变得更为困难。大规模布置充电桩存在一定的地形适应性问题，地形和地势的不规则性可能导致光伏组件的安装受限，为工程选址带来一定限制。现阶段我国光储一体化充电站的建设和推广还存在一些瓶颈，只在少数示范点进行了建设，缺乏光伏与新能源汽车一体化的规范和标准，光储一体化集成技术仍不够完善，导致其工作效率降低。

2.2消防系统不完善

目前，安装在新能源汽车充电上的消防系统存在缺陷，未能充分预防和检测火灾。光储一体化充电站涉及太阳能电池板、电池储能系统以及充电设备，由于电气设备和大量电能的储存增加了火灾的风险，因电池故障、过充、过放、电气线路短路等问题引起的火灾也时有发生。一些光储一体化充电站的消防系统配置不足，仅包括烟雾探测器、灭火器等，在火灾初期无法及时发现并控制火源，增加了火势蔓延的可能性。电气设备因老化、维护不当或故障而导致的漏电问题也随处可见，特别是在潮湿的环境中，增加了火灾发生的可能性。部分光储一体化充电站还缺乏智能监控设备，不能对火源位置和火势变化等信息进行实时监测和报警，降低了对火灾的及时响应能力。

2.3缺乏智能管理系统

目前光储一体化充电站的运营模式相对简单，缺乏智能化管理系统，使光伏发电、能量存储和高效充电之间的协调与管理面临一系列挑战。光伏发电能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳照射受制于天气、环境、温度等因素，天气情况的随机、多变，使得光伏发电工作缺乏连续性，降低光伏组件的出力,导致电量供不应求，影响汽车用户的充电速度和体验。在现有光伏发电系统中，太阳能电池板朝向固定，大多数仅通过人工调整光伏板倾角来提高发电效率，以保证太阳能发电系统的正常运行，但无法根据太阳辐射方向进行实时调整，从而影响光能转化率。同时，目前的光伏充电站缺乏智能监控设备，无法实时监控和管理新能源汽车的充电情况，不能满足人们的个性化需求。

3装配式光储+人工智能一体化充电站设计方案

3.1总体设想

装配式光储+人工智能一体化充电站是在现有光储充一体化充电站基础上发展而来的一种更加智能、灵活的新型充电站。通过创新地融合光伏充电和人工智能管理，旨在解决新能源汽车所面临的技术难题。项目采用装配式模块化设计，以两个车位并排连接组成一个小结构模块，一个车位设置一个充电桩，以方便汽车充电，并将雨棚、发电、充电、储能等功能融为一体，从而显著提高空间利用率。

基于光生伏特效应原理，充电站的设计充分利用光伏板将太阳光转化为电能，并进行储存，为充电站提供主要电力。同时，电池储能系统根据储电量择机吸收低价谷电，以作为电力的补充，吸收低价谷电有助于节省配电增容费用，弥补太阳能发电在阴天、夜间等环境不连续的端，有效减少充电站的负荷峰谷差，提高系统运行效率。车棚在光储充一体化的基础上还安装了人工智能调度技术，根据用户的需求和充电情况进行智能调度和优化，为电动汽车提供快速、高效、安全的充电服务。同时，改设计方案还具备远程监控和管理功能，方便用户随时随地进行操作和管理。

3.2场地位置和外观

调查发现，天津地区的土地资源、电网资源以及自然资源的匹配度较低，在市内六区以及环城四区的电网负荷相对较大，虽然消纳条件较好，但是开发空间受限。然而远郊五区和滨海新区的土地资源相对宽裕，但面临着资源担负与支撑不足的难题，消纳条件也相对较差，实际可开发量和技术可开发量之间存在差距。

考虑到人流量、周边环境和学校日益增长的新能源汽车数量等因素，我们将该项目设置在某高校教学楼附近的停车场，以满足学校新能源汽车的充电需求。该处遮挡物较少且较为空旷，能使光伏车棚大化地发挥作用，提高太阳能的利用率，同时车棚还有遮挡太阳直射，保护车辆免受雨雪天气影响等作用，从而延长汽车使用寿命。根据我国《汽车库建筑设计规范》（JGJ100一98）规定，设计一个汽车的停车位长为5.4m、宽为2.7m，每排放10辆车，共两排，总长54m，能一次性满足20辆小汽车同时停放和充电需求，并且每个小模块左右分别设置两根圆形支撑柱（在图1中用小圆点表示），以保持光伏车棚结构的稳定性和安全性，如图1所示。

3.3模块化主体结构设计率

装配式光储十人工智能一体化充电站的设计采用了的装配式模块化理念，使安拆变得轻松便捷。这种模块化设计不仅可根据不同使用场景和需求进行灵活组合，还地提高了充电站的整体使用效率。用户可根据具体需求定制充电站的配置，从而更好地满足其个性化需求。

此外，采用装配式构件还在维护和运输阶段展现出显著的便利性。维修人员可以更轻松地对充电站进行维护，通过替换或升级单个模块，实现快速而高效的维护服务。运输方面，装配式构件的轻量化设计降低了运输难度，使得充电站的部署更为灵活和高效。

由于采用了装配式模块，光储一体化充电站的选址也变得更加灵活多样化。充电站可灵活地安置在各种场景，包括但不限于高速公路服务区、工业园区、露天停车场和景区停车场等相对空旷且遮挡物较少的地方。这为充电站的部署提供了更多的选择，以更好地服务于不同地域和使用需求。

3.4光伏板倾角

天津地区的太阳照射时间通常集中在早上9点至下午3点，其中光照条件在中午12点至下午1点左右达到峰值。这一时段，太阳直射太阳能表面的角度大，约为垂直90°，是发电效率高的时刻。为了大程度吸收光能，我们将太阳能板的方阵朝向正南，确保太阳能板的表面大限度地接收阳光。太阳能板的发电量能够达到大值的前提是，方阵的垂直面与正南方向的夹角为0°。一旦太阳能板朝东或朝西偏离正南30°，发电量就会相应减少10%~15%。因此，确保太阳能板的正确朝向至关重要，任何偏离方位角的调整都可能导致发电量减少。此外，我们还采用智能追光系统，使用双轴追踪支架连接光伏板，通过传感器实时监测太阳位置、天气状况等因素，自动调整光伏板倾斜角度，以大限度地吸收太阳辐射，确保光伏系统持续高效运行。结合遥控技术或自动化系统，使用户可以通过远程控制或预设程序来调整光伏板倾斜角度，提高系统的灵活性。

3.5智慧消防系统

装配式光储+人工智能一体化充电站搭载智慧消防系统，通过红外温感和烟火视频分析进行双重监测。一旦充电过程中发生火情，系统即刻启动报警机制，迅速通知消防部门进行扑救。同时，充电站内的智能灭火设备也会立即启动，有力地遏制火势的蔓延。

智慧消防系统在火灾发生时能够及时准确地捕捉信息，实现了对火灾的早期预警，具备迅捷响应机制，从而在关键时刻迅速采取措施，有效地控制事态发展。这不仅意味着消防扑救能力的升级，也为充电站提供了全方位的安全保障。

3.6智能充储管理系统

充电站通过人工智能系统，对充电过程的实时监控和智能管理，为用户提供个性化服务；同时配备高效的储能系统，将光伏板所产生的电量和廉价“谷电”存储在蓄电装置中，使新能源汽车充电使用时间不受限制。此外，系统能够根据太阳辐射情况智能确定发电和储存能量的时间，为车主提供更为稳定的充电服务。

4Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

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、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站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ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.2平台适用场合

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。

4.3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

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1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、充电站等各回路电压、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、充电站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1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、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图2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。

5.1.2储能界面

图3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4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5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6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7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8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9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10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11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，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图12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。

5.1.4充电站界面

图13充电站界面

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

5.1.5视频监控界面

图14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。

5.1.6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15光伏预测界面

5.1.7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16策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*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17运行报表

5.1.9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18实时告警

5.1.10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19历史事件查询

5.1.11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、*值、*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20微电网系统电能质量界面

5.1.12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21遥控功能

5.1.13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22曲线查询

5.1.14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23统计报表

5.1.15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24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。

5.1.16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。

图25通信管理

5.1.17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26用户权限

5.1.18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27故障录波

5.1.19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随意修改。

6结束语

装配式光储+人工智能一体化充电站这一概念为光伏发电、能量存储和电动汽车充电的有机整合提供了创新的途径，为新时代的能源替代和低碳减排需求提供前瞻性解决方案。光储一体化技术作为推动新能源产业发展的重要因素，通过提高能源利用效率、减少碳排放，推动电动汽车的普及等途径，推动社会的发展。面对国际社会的广泛关注和积极推动，我国应继续加大对光储一体化技术的研发力度，提升自主创新能力，促进光伏产业的发展，向新能源领域不断迈进。同时，应出台相关政策措施，加大对光储一体化项目的扶持力度，推动其在环保、能源、交通等领域的广泛应用，为建设美丽促进全球可持续发展做出贡献。