基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站设计与实现

陈禹萌

（国网鄂州供电公司， 湖北 鄂州 436000）

0 引言

近年来，光伏发电技术取得显著的发展，成本逐渐降低，应用领域不断拓展。屋顶分布式光伏电站，凭借其独特的优势，成为了光伏发电的重要应用形式。然而，光伏发电存在一定的不稳定性，如光照强度和天气条件的影响，使得光伏发电量波动较大。为解决这一问题，光储一体化技术应运而生。光储一体化技术通过将光伏发电与储能系统相结合，实现了光伏发电量的平滑输出，提高了系统稳定性和可靠性，拓宽了光伏发电的应用领域。

1 基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站系统结构

1.1 系统总体框架

基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站的系统总体框架，包括光伏阵列与逆变器、储能系统、电力调度与能量管理系统。光伏阵列将太阳能转化为直流电能；逆变器将直流电能转换为交流电能，供电网或负载使用；储能系统负责在光伏发电不足以满足负载需求时向负载供电，以及在光伏发电过剩时储存电能；电力调度与能量管理系统根据负载需求和光伏发电情况，实现对光伏发电和储能系统的协调控制。通过以上各部分的紧密协作，基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站系统能够实现对太阳能的高效利用，提高系统的稳定性和可靠性[1]。

1.2 光伏阵列与逆变器

光伏阵列是基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站系统的核心部分，主要负责将太阳能转化为直流电能。光伏阵列的选型和设计应考虑光伏组件的性能、成本和可靠性等等，要根据不同的应用需求来选取合适的光伏阵列。同时，为实现最大功率跟踪和提高系统效率，逆变器的选型和控制策略也至关重要[2]。

1.3 储能系统

储能系统可以根据不同的应用场景和需求选择不同类型的储能技术，如锂离子电池、钒液流电池等。储能系统的容量设计需要充分考虑光伏发电量的波动性、负载需求以及系统成本等因素。此外，储能系统的控制策略也是保证系统稳定运行的重要环节。根据不同的应用场景要选择合适自己的储能系统，以下是常见的储能类型的对比（见表1）。

表1 常见储能类型

1.4 电力调度与能量管理系统

电力调度与能量管理系统负责对光伏发电和储能系统进行协调控制，实现光伏发电量的平滑输出，提高系统的稳定性和可靠性。电力调度与能量管理系统需要实时监测光伏发电量、储能系统状态和负载需求，制定合理的调度策略。典型的调度策略包括峰谷平滑、优先满足负载需求、充放电策略优化等。为提高系统的智能化程度，可以结合人工智能、大数据分析等技术进行电力调度与能量管理。

2 关键技术

基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站系统中的关键技术，包括高效光伏组件选型与设计、逆变器技术、储能系统技术和电力调度与能量管理策略，以及屋顶结构优化与安全性设计[3]。

2.1 高效光伏组件选型与设计

高效光伏组件的性能直接影响整个系统的发电效率。在选择光伏组件时，应充分考虑组件的性能参数、成本、可靠性和寿命等因素。当前市场上常见的光伏组件类型包括晶硅太阳能电池组件、薄膜太阳能电池组件等。此外，根据屋顶的具体条件和需求，可以设计合理的光伏阵列布局，使系统在不同光照条件下实现最大发电量。

2.2 逆变器技术

逆变器是光伏发电系统中的关键设备，负责将光伏阵列产生的直流电能转换为交流电能。逆变器的性能和控制策略对整个系统的效率和稳定性具有重要影响。目前，市场上主要有集中式逆变器、组串式逆变器和微逆变器等不同类型。在选择逆变器时，应根据系统规模、组件特性、安装条件等因素综合考虑。同时，逆变器的最大功率点追踪（MPPT）算法和保护功能也对系统性能产生重要影响。

2.3 储能系统技术

储能系统是光储一体化屋顶分布式光伏电站中的关键部分，其性能和设计直接影响系统的稳定性和可靠性。

2.3.1 储能类型选择

根据不同的应用场景和需求，可选择不同类型的储能技术，如锂离子电池、钒液流电池、超级电容器等。在选择储能类型时，应考虑储能设备的性能、成本、寿命、安全性等因素。

2.3.2 储能容量设计

储能容量的设计需要充分考虑光伏发电量的波动性、负载需求以及系统成本等因素。合理的储能容量设计可确保系统在不同光照和负载条件下的稳定运行，同时避免过度投资。通常采用能量平衡分析、概率统计分析等方法进行储能容量的计算和优化。

2.3.3 储能系统控制策略

储能系统的控制策略对于保证系统稳定运行和提高发电效率具有重要作用。常见的控制策略包括充放电策略优化、状态估计、故障诊断和保护等。同时，可以结合人工智能、大数据分析等先进技术，实现更智能、高效的储能系统控制。

2.4 电力调度与能量管理策略

电力调度与能量管理策略对于实现光伏发电与储能系统的协同运行具有关键作用。典型的调度策略包括峰谷平滑、优先满足负载需求、充放电策略优化等。电力调度与能量管理策略应根据实际负载需求、光伏发电情况和储能系统状态进行动态调整，以实现系统的稳定运行和高效发电。

2.5 屋顶结构优化与安全性设计

屋顶结构优化与安全性设计对确保屋顶分布式光伏电站的稳定运行和延长系统寿命至关重要。在设计过程中，应充分考虑屋顶承重能力、结构形式、安装方式、防雷、防火、防风等因素。此外，还需对光伏组件、逆变器、储能系统等设备进行合理布局，以便于系统的安装、维护和故障排除。在安全性设计方面，应遵循国家和地区的标准和规范，确保系统在各种环境条件下的安全运行[5]。

3 实现案例

根据以上的设计理念及关键技术在某大型商业综合体进行了实际应用。该综合体屋顶面积约为5 000 m2。为提高能源利用效率并降低电力成本，在屋顶安装光储一体化分布式光伏电站。该项目的设计目标是满足商业综合体约60%的日常用电需求[4]。

3.1 设计方案与实施

根据屋顶面积和业主需求，选取相应的硬件。光伏组件：选用LONGi Solar LR6-72HPH 450 W 单晶硅组件，共计560 片，总装机容量为252 kWp。逆变器：选用Sungrow SG110CX 三相组串式逆变器，共计2台，总容量为220 kW。储能系统：选用CATL LFP 锂离子电池，储能容量为300 kW·h。在实施过程中，光伏组件按照南倾角20°布置在屋顶，使发电量最大化。同时，逆变器和储能系统安装在屋顶附近的机房内，以减小线路损耗。

3.2 性能评估与优化

经过一年的运行，该光伏电站的发电量达到了约305 MW·h，满足了预期目标。储能系统在日间将光伏发电的剩余电量储存起来，夜间释放，使商业综合体在用电高峰期能够实现峰谷平滑。以下是电站运行后的主变负荷变化（见表2）。通过对系统性能的监控和分析，发现光伏组件的发电效率有待进一步提高，因此增加了清洗频率，以确保光伏组件的长期稳定运行。

表2 电站运行后主变负荷变化

3.3 经济效益分析

该项目的总投资约为150 万元人民币。经过一年的运行，节省了约18 万元的电费支出。同时，根据当地政府的补贴政策，项目每年还可获得约7 万元的补贴收入。综合考虑，该项目的投资回收期约为6 年，具有较好的经济效益。

3.4 项目分析

该案例根据商业综合体的实际用电需求，合理配置了光伏组件、逆变器和储能系统，使得整个系统能够满足约60%的日常用电需求，降低了对外部电网的依赖。选用的LONGi Solar LR6-72HPH 450W 单晶硅组件，具有较高的转换效率（20.6%），确保了光伏发电系统的高性能和稳定性。此外，采用了Sungrow SG110CX 三相组串式逆变器，具有较高的最大效率，能够适应不同光照条件下的运行，提高了整个系统的能量输出。同时，采用了CATL LFP 锂离子电池作为储能系统，具有较高的能量密度、长寿命和安全性，能够实现光伏发电量的有效储存和利用。通过电力调度与能量管理系统，实现了日间光伏发电量的储存和夜间释放，降低了用电高峰期的电力负荷，提高了整个系统的稳定性。后期还进行了优化，发现并解决了光伏组件发电效率的问题，增加了清洗频率，确保了光伏组件的长期稳定运行。

4 结语

光储一体化屋顶分布式光伏电站将光伏发电和储能系统相结合，具有显著的能源优化和经济效益。系统结构包括光伏阵列、逆变器、储能系统和电力调度与能量管理系统。关键技术涉及光伏组件选型与设计、逆变器技术、储能系统技术以及电力调度与能量管理策略。通过实际应用案例分析，可以发现光储一体化屋顶分布式光伏电站在建筑物上具有广泛的应用前景。随着光伏和储能技术的进一步发展以及政策支持，光储一体化屋顶分布式光伏电站的技术优势和经济效益将更加明显。未来，光储一体化屋顶分布式光伏电站将为更多建筑物提供清洁、可持续的能源解决方案，为应对能源危机和应对气候变化做出积极贡献。