胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：面對能源短缺和環保壓力，工業制造業急需優化能源利用。分布式光伏系統憑借清潔*效特性，成為理想的能源解決方案。本研究針對工業制造場景，構建了基于光伏系統的能源優化模型，并進行了實地應用分析。實驗顯示，引入分布式光伏系統后，工廠總能耗顯著降低，同時保持生產能力與工藝，碳排放量明顯減少，實現了綠色制造的目標。此外，分布式光伏系統在節能減排、降低電力成本等方面表現出的積極效應，更進一步確認了其在工業制造領域的廣泛應用價值。此項研究不僅向我們展示了分布式光伏系統在工業制造中的能源優化應用，也為我國在工業生產領域推廣清潔能源提供了具體的技術路線和實踐方案。

關鍵詞：分布式光伏系統；能源優化；工業制造；節能減排；清潔能源

0引言

在21世紀的今天，能源問題和環保壓力已成為全球工業制造業面臨的兩大挑戰。工業制造業的能源消耗占全球總能耗近五分之三，同時也是碳排放的主要來源。為應對能源短缺和環保的雙重威脅，實現可持續工業制造已成為全球共同關注的焦點。分布式光伏系統作為一種新型的清潔能源技術，以其*效、環保和易于分布式部署的優點，受到了廣泛的關注，為實現可持續工業制造提供了重要途徑。特別是在工業制造業中，分布式光伏系統的引入，不僅有助于降低能源消耗和碳排放，同時也有望將工業生產的方式和模式帶向更為可持續和環保的方向，實現*正意義上的“綠色制造"。對于工業制造業來說，一方面要滿足大規模、持續的生產需求，另一方面也要關注能源消耗和環保問題，因此，如何有效采用和利用分布式光伏系統，進行能源優化，便成為了一個待解答的問題。本文針對這一問題進行研究，于工業制造場景構建光系統能源優化模型，運用實地數據，在理論與實踐之間獲得平衡，并以此提供一種可能的解決之道。

1能源問題與工業制造的實際需求

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1. 當今能源短缺與環保壓力的分析

近年來，全球范圍內的能源短缺問題日益嚴重。化石燃料作為主要能源，其儲量有限，且許多*家的資源消耗速度遠超其補給速度。這種供需失衡導致了能源價格不斷攀升，進一步加劇了生產和生活成本。化石能源的開采和使用還帶來了環境污染問題，包括二氧化碳等溫室氣體排放，引發全球氣候變化、空氣污染和生態環境破壞。

工業制造業作為能源消耗的大戶，對能源問題的敏感性尤為突出。制造業的發展對*家經濟起著重要支撐作用，但其高能耗、高排放的特性也對環境保護構成巨大挑戰。傳統的能源供給方式依賴電網，電力傳輸過程中存在著較高的能量損耗，進一步加劇了能源的供需矛盾，電力的生產主要依賴煤炭燃燒，這無疑加劇了環境污染和碳排放的問題。為了應對日益嚴峻的能源和環境問題，尤其在工業制造領域，迫切需要*效且可持續的能源利用方式。采用清潔能源已成為全球共識。光伏系統因其能夠直接將太陽能轉化為電能，具有清潔、*效、可再生的特點，成為解決能源短缺與環保壓力的重要途徑。通過在制造業中應用分布式光伏系統，不僅能夠緩解能源供給的緊張局面，大幅減少碳排放和其他污染物排放，推動環保目標的實現。

當前的環境背景下，光伏系統的應用不僅具備技術可行性和經濟性，還能夠協調工業制造業的可持續發展與生態環境保護之間的矛盾，為未來實現“綠色制造"提供了可行的路徑和保障。

1.2工業制造能源消耗的特點與問題

作為高能耗產業，工業制造在能源消耗方面展現出特殊的特點與緊迫的問題。工業制造的能源需求量龐大，往往占據總能源消費的很大比例，特別是在冶金、化工、機械制造等行業。這些行業不僅需要持續穩定的電力供應，還需要應對高溫、高壓等特殊工況，導致能源利用效率低下。能源利用過程中產生的大量廢熱如果沒有有效回收和利用，不僅浪費了寶貴的能源資源，還進一步加劇了環境污染問題。許多工廠的設備老化、工藝落后，以及管理手段不夠科學，導致能源使用效率進一步降低。能源的高成本和低效率也直接影響到生產成本和產品的市場競爭力。再者，傳統電力系統面臨的電網壓力*大、運行成本高昂、能源來源不穩定等問題，也在一定程度上限制了工業制造的正常運作。高峰用電時期，電力供應緊張，還有可能導致停工停產，給企業帶來經濟損失。

這種能源利用方式不僅無法滿足當前的制造需求，更嚴重制約了企業的可持續發展，迫切需要尋找*效、綠色的能源替代方案。分布式光伏系統以其清潔、*效且分布靈活的優勢，為工業制造提供了一種可行的解決路徑，其在削減能耗、降本增效方面的應用前景廣闊。

1.3工業制造對*效綠色能源的迫切需求

工業制造過程中，*效綠色能源的應用至關重要。傳統能源的高污染、高排放已給環保帶來巨大壓力，而綠色能源能有效減少污染物排放[3]。同時，工業制造能耗巨大，*效能源的使用能顯著降低能耗，提高能源利用率，減少成本。面對能源價格波動和供應不穩定，分布式光伏系統等綠色能源方案提供了穩定、可持續的能源供給，確保生產過程中的能源可靠性。

2分布式光伏系統及其優勢

2.1分布式光伏系統的基本構成與工作原理

分布式光伏系統由光伏組件、逆變器、配電系統、儲能裝置和監控系統構成。光伏組件，以硅基材料如單晶硅、多晶硅為主，通過光電效應將太陽能轉化為直流電，是系統的核心[4]。逆變器則將直流電轉換為工業制造所需的交流電，其效率和穩定性對系統運行至關重要。此外，為確保電力連續穩定，系統配備儲能裝置，如鋰電池系統，能在陽光不足時提供電力支持。

配電系統負責將光伏系統產生的電力分配到各個用電設備，并與電網進行交互。通過智能配電系統，光伏電力可優先供給廠內設備，實現自給自足，余電可反饋到電網。

監控系統是分布式光伏系統的“大腦"，通過實時監控光伏組件的工作狀態、電量生成和消耗情況，可以優化能源管理，提高系統效率。*進的監控系統還能預警組件故障，并提供維護指導，從而保證系統的長期穩定運行。

光伏系統工作原理基于光電效應，當太陽光照射在光伏組件上，光子被組件內的半導體材料吸收，從而激發電子產生電流。逆變器將該電流轉換為交流電，通過配電系統供電或儲存，助力工業生產過程中的節能與減排目標。

2.2分布式光伏系統相較于傳統電力系統的優勢

分布式光伏系統以太陽能為主要能源，相較于傳統電力系統，其優勢顯著。首先，在環保方面，該系統無需排放任何污染物，能夠顯著降低二氧化碳及其他有害氣體的排放，*美契合工業制造領域對綠色能源的需求。其次，其自我供電的特性意味著在本地發電并供應本地使用，從而降低了對外電力供應的依賴，確保了能源的安全性和穩定性。分布式光伏系統采用模塊化設計，易于擴展和維護，可以根據實際需求和能源使用情況靈活調整發電規模，相較于傳統電力的固定線路和集中發電模式，更為靈活和*效。此外，分布式光伏系統能顯著降低工廠的電力成本，這一優勢得到了廣泛認同和采用。從長遠來看，盡管初期投資相對較高，但光伏系統的運行和維護成本較低，且太陽能作為免費能源，在長期使用中能實現顯著的經濟效益。更重要的是，分布式光伏系統的引入使工業制造企業能部分或全部實現能源自給自足，減少對電網的依賴和負荷，從而減輕電力系統的壓力，提升整體電網的運行效率和可靠性。通過推廣使用分布式光伏系統，我們能夠有效推動工業制造生態的可持續發展，實現能源利用的*效和合理。

2.3分布式光伏系統在工業制造中的應用前景

分布式光伏系統在工業制造中的應用前景十分廣闊。由于該系統能夠充分利用工廠廠房屋頂、停車場等閑置空間，具有高度靈活性和可擴展性[5]。通過將光伏發電與電網電力相結合，不僅可以緩解電力供應緊張的問題，還能降低工廠對外部電力的依賴，提升能源安全性。在能源成本方面，分布式光伏系統的長期運營成本相對較低，有助于減少工廠的電費支出。此外，光伏系統發出的電力清潔*污染，能夠顯著降低工廠的碳足跡，實現可持續生產。特別是在環保政策日益嚴格的背景下，分布式光伏系統的應用有助于工廠滿足環境法規要求，提升企業形象和市場競爭力，推動工業制造向綠色、低碳的方向發展。

3Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

3.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業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方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：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，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

3.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

3.3系統架構

本平臺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系統組網方式

4充電站微電網能量管理系統解決方案

4.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系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、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系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：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，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，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

4.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對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6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對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10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

4.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

4.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、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，并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，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

4.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

4.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*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、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

4.1.9實時報警

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

圖18實時告警

4.1.10歷史事件查詢

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和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

4.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系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系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面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：系統應能實時顯示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）電壓波動與閃變：系統應能顯示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頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示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，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*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20微電網系統電能質量界面

4.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

4.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，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22曲線查詢

4.1.14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系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、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；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

4.1.15網絡拓撲圖

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

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

4.1.17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）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

4.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，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、提高電力系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個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

4.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故q10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

4.2硬件及其配套產品

5結束語

本次研究發現，分布式光伏系統在工業制造中展現出顯著的優勢。作為一種清潔*效的能源，它不僅有效減少了能源消耗和碳排放，促進了工業制造的“綠色化"，而且提高了生產效率并降低了電力成本。然而，*面應用分布式光伏系統仍面臨技術、經濟和管理方面的挑戰，需要進一步的研究和探索。因此，未來的研究應繼續致力于尋找克服這些挑戰的有效方案，進一步推動工業生產領域的清潔能源轉型。總體而言，本研究為工業制造領域提供了具有實踐指導意義的清潔能源技術路徑，為保護環境、節約能源開辟了新的道路，并為相關領域的后續研究提供了理論基礎和參考方向。

【參考文獻】

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【3】程澤.分布式光伏系統在工業制造場景中的能源優化應用研究

【4】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.