智能化光伏，储能系统中的能量管理

回溯光伏发展的历史，我们可以清晰的洞见未来的发展趋势。在户用领域中，储能系统的发展正逐步赶上纯并网系统装机量。总的来说，光伏行业的发展可以被大致概括为三个阶段。

下图阐明了并网系统和储能系统的应用，显示了引发能量管理系统（EMS）发展的节点。本文我们就来聊一下光伏系统中”智能化”应用的实现和发展，以及它们对行业未来的影响。

户用并网光伏系统与储能光伏系统装机量与发展时间关系图

目前，户用并网光伏系统与储能光伏系统的发展可以分为以下三个阶段：

第一阶段：起步阶段—稳定而缓慢的光伏行业发展

在发展初期阶段，也就是在几十年前，那时光伏发电还是一个相对较新的概念，系统成本极高，经济型很低。

第二阶段：光伏行业的兴起—储能的起步

随着光伏系统成本的下降和大规模应用，光伏系统安装量迅速增加。电力需求快速增长，政府不断提供财政补贴支持。由于该阶段电池成本仍然很高，所以储能系统增长缓慢。

第三阶段：爆发点—能源管理系统

光伏系统装机量发展迅速，对公共电网系统的产生压力，并且很快达到极限。因此，政府补贴很快下降。在这种背景下，户用储能和防逆流的方案被广泛应用在新能源并网管理和增加自用率的需求中。因此，更加智能和电网友好型的能源管理系统逐渐变得越来越受欢迎；能量管理系统包含虚拟电厂、微网系统、频率控制，以及在特定市场如澳大利亚的FCAS、德国的RCR控制、日本的HEMS系统和美国的IEEE2030．5等要求。

能量管理系统

如上图所示，在能源管理系统中，EMS中心通过实时数据库来进行动态调控，旨在通过无线通信或本地控制设备来满足能源存储系统的需求。系统还收集能源生产系统的实时数据，以便进一步和更精确的管理。

单个储能系统的管理

在单个储能系统中进行能量管理是非常简单的，因为储能系统通常可以实施智能能量控制逻辑，通过该逻辑（见下图），光伏产生的能量可以优先考虑用作负载消耗，并将多余的能量存储在电池中。如果电池充满电，则匮入电网。

光伏能量供给逻辑

所以在单个系统中，智能能量管理系统通常用于响应负载控制或户用负荷转移。一种典型的方法是通过DO端口来控制外部继电器来启动或关闭特定负载（大功率但不是必要负载），或与特定负载管理设备（如热控制器、太阳能泵或热辐射器等）一起工作以节省费用。

如下图所示，负载管理系统是一种更简单的负载管理的方式。该系统需要一个逆变器和一个受控的外部继电器，通过数字信号的控制，在特定时间段内或特定工况下，实现特定负载切断或重连。

负载管理系统案例

如下图所示，热控系统能根据实时的光伏和电池供点能力或时间控制来调整加热功率，逆变器与控制器之间的通信可通过MODBUS， SUNSPEC或者其他协议实现。在逆变器和热控系统中使用外部的EMS控制器也可以实现此功能。

光伏＋热管理系统案例

多台安装设备之间的社区管理

政府、电网公司、投资商或承办商经常设立社区虚拟电厂或其他区域型能量管理的方法来节省电费，缓解电网压力。储能装置主要作用是调节区域电网频率或削减峰值功率需求。如下图所示，社区级管理系统可采用集中式或分布式安装方式。

基于分布式安装的社区能量管理系统

具备能量管理功能的光伏储能系统正逐渐获得推广，该类型系统具有优化光伏能量使用和维持电网系统健康等功能。在澳洲，频率控制辅助功能（FCAS）是目前推动这一发展的主要因素。在欧洲，德国政府要求纹波控制功能（RCR），西班牙跟意大利市场也出台了政策明确支持社区虚拟电厂系统。

具有智能控制的储能系统案例

案例解析

第一阶段：电池以较低电费的电力充电，为峰值需求时间做准备。充电功率根据分时电价进行智能调整。

第二阶段：在峰值需求时间段，由电池而不是电网来供给负载。

第三阶段：多余的光伏能量给电池充电，为峰值需求使用做准备。

第四阶段： 暴风雨即将来临—电池保持满电状态，为紧急使用做准备。

AI的崛起

大多数智能能量管理系统能从电网公司的数据库和气象预报中获得实时电价，预测电网中断和电网频率波动，从而向系统发出正确的指令，既能保证供电安全，又能节省电费。

人工智能技术（AI）也正逐渐得到关注。AI技术能学习控制行为并创建数字模型最大程度地优化电力的配置，降低供电间断的风险。

DROP和STEP方法

在社区储能系统中，通常需要控制频率来维持公共电网频率的稳定。如果使用储能系统，就能很容易实现频率控制。此外，它还要求光伏储能系统直接对频率信号作出响应，或通过EMS控制器接收信号，然后通过DROP或STEP方式执行动作。

DROP 方法示意图

储能系统中的DROP方法允许电池以更高的频率充电或者以更低的频率放电。该频率根据实时频率进行平稳的下降或上升。

STEP方法示意图

储能系统中的STEP方法只允许电池以最大功率进行充放电。

储能式能量管理系统不仅能优化光伏自发自用率、节省电费、削减峰值用电需求，而且是稳定公共电网、保障重要负荷供电的重要途径。

目前已经测试了几种方法，可以洞见光伏行业的未来。很多光伏行业的供应商和独立研究机构都在户用和商用光伏系统中采用控制器或能量管理系统例如欧洲的SolarLog和Energybas，澳大利亚的SwitchDin和Deposit，中国的正泰、华为和固德威等。