一、项目概况

1.1 项目背景

某大学规划建设一套风能、光伏、燃料电池小型光伏储能发电教学实验系统，储能单元以磷酸铁锂电池为主超级电容为辅，一方面可作为学生教学实践的平台，另一方面为校内实验室负荷进行供电，尽量减少对市电的依赖，实现节能减排的目的，同时具有示范意义。

该光伏储能发电系统利用校内的建筑屋顶建设光伏系统，为教学楼内的实验室负荷供电，白天负荷较小时光伏组件所产生电能优先对储能电池补充能量而多余电能馈入电网；晚上则优先使用储能电池对负荷供电，若储能电池能量使用完毕、系统自动切换至电网取电继续保证设备供电，并对储能电池充电。

上海当地日照资源属于三类和四类地区全年日照时数约为2200-3000小时，日照峰值时间3-3.5h，晚间10KW负载用电时间约2小时,考虑系统容量，光伏组件容量设计为：5kWp,储能系统容量为：10kWh，其中燃料电池为2台功率为2.5KW电堆，超级电容设计容量为5KW满负荷放电20秒钟。

1.2 项目意义

建设光伏储能发电系统主要实现目的如下：

Ø  为教学提供实践应用平台；

Ø  为学校实验室负载供电，节省电费支出；

Ø  鼓励低碳技术的应用，节能减排，保护生态环境，在校内启到示范效应；

二、光伏储能发电系统

5KW光伏储能发电系统主要由光伏子单元、双轴跟踪单元、储能子单元、电网接入装置和能量管理系统四大部分构成，系统主要设备包括：

1.储能电池：总容量：48V300Ah磷酸铁锂电池组、分6个单元，每个单元模组为48V50Ah；

2.BMS系统：BMS系统用以采集各单元模组的电池电压、电流、温度、等信息，通过485总线传输给系统主机

3.电池控制系统：在有效管理储能电池的同时，若出现故障、将故障信息及时反馈至主机并切断输出

4.储能逆变器：内置并、离网自动切换装置，保证电网故障时的电力供应，最大化发挥自发自用率，内置双向DC-DC模块可在并网运行的同时对储能电池电能补充

5.光伏组件及双轴跟踪方阵

（1）双轴跟踪系统是一种能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置。

（2）跟踪支架的机械结构主要分为三大部分，立柱，横梁和网架。立柱与横梁的连接处为x轴减速机，横梁和网架的连接处为y轴减速机，钢结构支架全部采用热镀锌喷塑。

（3）跟踪系统将增加大于35%的太阳辐射接收量，显著提高太阳能光伏组件的发电效率。

6.汇流箱

7.防雷及接地装置

8.设备之间的连接电缆（包括直流侧和交流侧）

2.1 光储系统拓扑图

图1 ：光伏储能系统拓扑图

图2 ：光伏储能系统接线图

2.2 系统运行原理

控制原则如下：

Ø  白天，光伏系统发电优先给实验室内负载供电，当光伏发电功率大于负荷功率时多余电能储存在蓄电池中，当光伏发电功率小于负荷功率时，储能电池和光伏发电一起给负载供电；

Ø  夜晚，光伏侧直流停机，由储能电池通过储能逆变器单独给负载供电，当电池剩余容量（SOC）放到设定值，系统自动切入电网，由电网给负载供电，根据需求，电网可以通过储能逆变器给电池充电，也可以不充电；

Ø  当电网出现故障时，光储系统自动切换至离网运行模式，由光伏电池和储能电池同时向负载供电；

Ø  电网可以向储能电池充电，充电功率及充电时间可调；

三、主要设备配置表

表1：该系统配置按照夜晚2小时供电要求，备单元配置如下

四、系统主要设备功能参数介绍

4.1储能逆变器功能介绍

SD5048D-ES外观图

4.1.1 产品主电路

主电路框图

产品主电路采用双向PWM逆变电路及相应的控制电路、保护和监控电路。直流侧由缓冲电阻、防反二极管和直流接触器组成了直流侧缓冲电路，当初始连接各种电池时对直流母线电容进行缓冲。主电路电源可有交直两用供电，以使系统在电池或电网有电时都可以工作。

4.1.2 产品特点

1）技术领先，全面满足电网或负荷的接入与控制要求

2 具有并网充放电、独立逆变功能，适合各种应用场合

2 具有并网和离网并联功能，良好的扩容性

2 可与多种蓄电池接口，具有多种充放电工作模式

2 可以实时接受系统调度指令和BMS指令，通讯方式有RS485、CAN、以太网

2 无功功率可调，功率因数范围超前0.9至滞后0.9

2 直流电压范围，支持低压48V蓄电池输入

2 110%额定输出功率可实现长时间运行

2）高效节能，更集成，更好的客户体验

2 正面维护，可靠墙安装，安装维护更方便，降低维护成本

2 防护等级为IP21，具有防滴水功能，具备防凝露功能

2 高效PWM调制算法，降低开关损耗

3）更多优点

2 双电源冗余供电方案提升系统可靠性

2 完善的保护及故障告警系统，更加安全可靠

2 采用动态图形液晶界面，提供友好的操作体验

2 -25℃~+55℃可连续满功率运行

2 适应高海拔恶劣环境，可长期连续、可靠运行

2 支持离网主动运行功能

2 适合共直流母线系统和共交流母线系统

4.1.3 产品技术指标

4.1.3 工作逻辑架构

a.——并网发电、离网备用功能

n   电网供电时，储能逆变器并网工作在恒压模式，维持蓄电池SOC在一定水平，光伏逆变器并网发电

n   微网供电时，储能逆变器工作在独立逆变模式建网，光伏逆变器并网工作，光伏发电大于负载时，光伏优先供负载供电，剩余电力给电池充电；光伏发电小于负载时，储能和光伏共同为负载供电。

n   可选择电网优先或微网优先，根据选择的模式进行供电逻辑切换

n   触摸屏控制启动、停止和参数设置

b. ——电网（或柴油机）、微网切换功能

n  电网供电时，当电池组SOC超过设定值时，储能逆变器和光伏逆变器不工作；当电池组SOC不足时，储能逆变器独立逆变建网，光伏逆变器并网工作，给电池组充电。

n  微网供电时，储能逆变器工作在独立逆变模式建网，光伏逆变器并网工作，光伏发电大于负载时，光伏优先供负载供电，剩余电力给电池充电；光伏发电小于负载时，储能和光伏共同为负载供电。

n  可选择电网优先或微网优先，根据选择的模式进行供电逻辑切换

n  触摸屏控制启动、停止和参数设置

4.2磷酸铁锂电池性能介绍

4.2.1磷酸锂电池介绍

磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。

1．安全性领先

材料/电芯级6重安全装置，开关盒系统级双重保护回路，确保系统安全性；从电芯到系统具有全球级安全性权威认证：UL1642、UN38.3、UL1973、VDE、JET。

2  内置可靠的安全阀，当过充电或温度急剧上升时，伴随者副反应发生，单体内压增加到一定值，安全阀自动开启泄气，防止电池鼓胀或爆炸 ；

2  隔膜采用耐高温陶瓷涂布技术，防止由枝晶或电池遭冲击时造成的内部短路，高温时切断锂离子传输通道。

2  内置正极保险丝（即正极通过熔丝与外壳相连），当电池短路或过充电等意外时，内置正极保险丝熔断，起保护作用；

2  负极具有过充电的保护装置OSD，过充电等滥用情况下，单体内部气压上升，诱发OSD变形，充电电流迂回至壳体回路，促使正极保险丝熔断，切断充电回路；

2  正极性铝质方形外壳，具有良好的导热散热性能，又能阻止表面腐蚀，在长期使用时避免电解质的泄漏；

2  壳体内置放针刺保护层（NSD），当外壳被尖锐硬物刺穿时，NSD层提前与壳体形成回路，降低电芯短路风险。

2  回路断路器可避免电池组因外部短路造成的损害。

2．优异的电化学性能

循环寿命长、耐受性强，良好的高低温性能；

2  圆形电芯设计，极高的电解液量和电解液保持率（相比较软包电池），确保单体电芯在25℃下，@0.5C1C、DOD100%、 EOL80%循环次数高于4000次，同款产品已大批量应用在电动车领域，其性能也获得多家车企的验证，该产品储能领域应用，建议放电倍率在0.5C以下，预期其循环寿命远高于6000次。

3．剩余容量无瞬间跌落特性

EOL低于50%，放电性能仍能预测；

圆形电芯设计极高的电解液保持率，电池生命周期内不存在电解液的干涸（与软包电池相比），即使容量衰减到50%，剩余容量不会出现“瞬间跌落”现象。意味着更长的资产利用率和更高的投资回报率。

4．系统适用性强

圆形铝壳电芯、标准化模组、通用型机架设计，便于规模化生产组装，灵活的系统组合，可满足各种定制化需要；

2  宽广的系统电压范围，通过不同的串联组合可提供不同电压等级的电池系统。

2  宽广的系统容量范围，通用型机架式并联组合可提供容量多样式电池系统。可以有几十千瓦到几兆的范围供选择。

5．系统易于安装、维护

系统部件模块化设计，标准机架安装，全部接线端子前端设计，易于安装维护。

4.2.2磷酸铁锂电池系统参数

BMS介绍

磷酸铁锂电池系统的BMS系统分三级管理，分别为托盘BMS(Tray BMS)、机柜BMS (Rack BMS)、系统BMS(System BMS),每级BMS主要功能如下：

a)    Tray BMS (TBMS，托盘级，控制20个单体电芯，内置在模组内) : 监测单体电芯的电压、温度和单个托盘的总电压， 并通过CAN协议向上级BMS实时传递以上信息，能够控制单体电芯的电压均衡性。

b)    Rack BMS (RBMS，机架级，控制10个或多个TBMS，内置在开关盒内)： 检测整组电池的总电压、总电流，并通过CAN协议向上级BMS实时传递以上信息。 能够显示电池充放电时容量、健康状态，对功率的预测、内阻的计算。控制继电开关和盘级单元电压的均衡性。              

c)    System BMS (SBMS,系统级，最多控制48个RBMS)： 收集下级RBMS信息，能够实时对电池剩余容量、健康状况进行预估，功率的预测、内阻的计算。通过RS-485或Modbus-TCP/IP 的方式与上位和外部系统进行通信。

d)    每级BMS实现功能如下

4.3 双轴跟踪支架及控制系统

采用西门子S7-1200系列主机，高精度、高稳定数字化控制方案设计，先进的天文算法,实时追踪太阳使光伏方阵时刻保持最大输出功率，提高光伏发电转化效率。风速测量装置在正常天气情况下保持静默感知运行，遇到大风天气或风速达到一定等级则会自动运行，并通过控制主机使支架系统自动放平减小风阻、保护支架系统在暴风雨天气能够安全运行。

               5KW 支架三维图                         5KW 支架现场图

1、支架整体采用国标钢材，经酸洗后作镀锌、喷漆防锈处理，抗能力可达15级以上。

2、电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制。

3、回转式减速器，采用回转支承（俗称转盘）作为减速器从动件，可实现无限制的圆周回转和减速，可以承受较大的轴向力、径向力和倾覆力；

2  输出转矩：65 kN.m

2  倾覆力矩：38.7  kN.m

2  轴向静载荷：338  kN.m

2  径向静载荷：135  kN.m

2  减速比：61:1

4、新的模块化SIMATIC S7-1200控制器是我们新推出产品的核心，可实现简单却高度精确的自动化任务。系统有五种不同模块，分别为 CPU 1211C、CPU 1212C 、 CPU 1214C、CPU1215C和CPU1217C。具有快速启动、精确监控和最高等级的可用性。

4.4 PVS-4M汇流箱性能介绍

为了减少光伏阵列到直流变换器之间的连接线，方便维护，提高系统的可靠性，需要光伏阵列与直流变换器之间配置光伏阵列汇流箱。

本项目使用的汇流箱为我公司自主研发设备，已在多个电站运用，效果极佳，光伏阵列汇流箱型号为PVS-4M。光伏组串输入路数为4路：

(1)  该汇流箱具有以下特点：

2  冷轧钢板，防护等级IP65，满足室外安装的要求，可直接挂在电池支架上；

2  可同时接入4路光伏组串，每路光伏组串的最大开路电压可达DC1000V；

2  每路光伏组串输入回路的正负极都配置高压直流熔丝，其耐压值可达DC1000V，额定电流为15A；

2  直流汇流输出的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用防雷器；

2  直流汇流的输出端配有可分断的直流断路器；

2  防雷器失效报警；

2  直流拉弧检测及切断输出功能。

五、监控及通讯装置

系统配置1 套监控装置，配置光伏并网系统专用网络版监测软件，采用 USB2.0 或 Wifi通讯方式，可以连续每天 24 小时对所有的系统运行状态和数据进行监测。

5.1 监控软件功能

2  实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2 总减排量以及每天发电功率曲线图；

2  可查看运行参数，主要包括：

a. 直流电压

b. 直流电流

c. 交流电压

d. 交流电流

e. 逆变器机内温度

f. 时钟

g. 频率

h. 当前发电功率

i. 日发电量

j. 累计发电量

k. 累计CO2 减排量

l. 每天发电功率曲线图

2  监控所有设备的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少因包括以下内容：

a. 电网电压过高

b. 电网电压过低

c. 电网频率过高

d. 电网频率过低

e. 直流电压过高

f. 逆变器过载

g. 逆变器过热

h. 逆变器短路

i. DSP 故障 

J. 通讯失败

2  监控软件具有集成环境监测功能，能实现环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、和温度等参量。

2  可每隔5 分钟存储一次电站所有运行数据，包括环境数据。故障数据需要实时存储。 

2  能够分别以日、月、年为单位记录和存储数据、运行事件、警告、故障信息等。

2  可以连续存储20 年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。

2  可通过监控软件对逆变器进行控制，可以以电子表格的形式存储运行数据，并可以图表的形式显示电站的运行情况。

2  BMS系统终端可查看数据信息内容

单体电压管理、总电压管理、充放电温度管理、充放电流管理、电池均衡管理、过充保护、过放保护、过温保护、过流保护、短路保护等。

5.2 SCADA监控系统介绍

系统所采用的逆变器配置Wifi卡，PMB能保存传感器的所有重要数据。同时配备RS485、RS232、USB和以太网标准接口。可以选择使用wifi和USB2.0免费的监控软件能够通过电脑及移动终端清晰直观的查看输出数据，您可以在任何时候查看光伏电站的太阳能产量和公共电网的供电量情况。

2  数据采集和控制

（1）逆变器监控

采集的基础数据：当前总功率、发电量、二氧化碳减排量、直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、电流、逆变器机内温度等。

（2）汇流箱监控

采集的基础数据：光伏阵列每路电流或每个光伏阵列电流。

报警数据：设备可提供的所有报警数据。

（3）光伏阵列监控

采集的基础数据有高度角、方位角、运行状态、报警数据。

（4）气象监测仪监控

采集的基础数据有环境温度 、光照强度、风速、风向等。

2  统一的设备维护管理

软件平台提供监控设备使用状况功能，显示逆变器等设备的运转情况、电流和电压、设备的故障信息，提供自动报警显示并存储，并且对重要仪表统一管理，提示维修人员及时更换备件、及时维护，延长仪表的使用寿命。

2  数据存储和显示

调度中心负责实时采集重要参量并进行定期存储，操作员可查询历史数据库的数据，并且以报表和曲线、棒图等形式的展示，同时可以打印数据，为技术员分析系统运行状况提供科学的依据。

2  系统报警与告警通知

当系统任何节点、任务模块出现故障或异常，在处理系统实时的或历史的数据过程中发现异常、故障时，系统自动给出各种报警提示，包含预设的语音报警、报警简报窗口显示、报警总表显示、报警即时打印、报警画面、图元变色等。

系统产生的报警信息保存，包括告警时间、站点信息、告警类别、告警描述等。同时可以按时间、地域信息、报警类别、描述等做复杂的关键字组合查询和进行复杂的统计。

告警通知向使用者提供故障设备的告警以及设备在故障前的预警功能。

六、环境监测仪

    本系统配置 1套环境监测仪(如下图所示)，用来监测现场的环境情况：

该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，适用于气象、军事、航空、海港、环保、工业、农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其 RS485 通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。

七、主要教学实训内容

 7.1 光伏能量变换实验

实验1、光伏阵列单元组成原理

实验2、太阳能光电池能量转换组合原理

实验3、阵列电池最大功率跟踪器原理

实验4、阵列汇流与防雷接地原理

实验5、阵列结构件组合安装原理

实验6、在不同天气和日照强度下光强度对光伏转换效率的影响实验

实验7、在不同季节环境温度变换下对光伏能量转换的影响实验

 7.2  光伏储能系统应用与教学

实验1、光伏储能发电系统原理结构分析

实验2、光储系统汇流、防雷原理学习与实践

实验3、锂电池组在光储系统中的应用与电能管理

实验4、（BMS）锂电池组管理系统在光储系统中的应用

实验5、（EMS）能量管理系统在光储系统的应用与重要性

实验6、（EMS）能量管理系统在中小型微电网系统中的应用

实验7、直流变换器在光储系统的应用与重要性

实验8、储能逆变器的原理分析

实验9、储能逆变器与普通逆变器应用比较

实验10、光储微网系统在无电地区、海岛应用及设计

实验11、光储微网系统在多能互补、自发自用等联网型微电网中的应用

实验12、光储系统离网运行、并网运行、微网运行、孤岛运行实践

主要配置清单