一、成果简介：  

该项目同时属于能源互补、能源存储和能源控制技术领域。该项目针对光伏建筑一体化存在能量密度低、稳定性差、调节能力不足等问题进行了深入研究，首次提出了基于异质结太阳能电池组件技术的风光储多能互补智能建筑一体化解决方案，突破了一体化设计、能量转换系统（PCS）等一系列关键技术。主要科技创新包括：

 1.首次提出了基于异质结太阳能电池组件技术的风光储多能互补智能建筑一体化解决方案，该系统建立了光伏发电、风电、储能系统的互补运行机制及统一调度机制，提高了间歇式电源的利用率与可靠性，实现系统的不间断稳定供电，并在国电研发楼成功建设示范工程，包括2.58MW屋顶光伏系统，1.5MW风电机组和500kW×2h电池储能系统，并实现了电网用户侧并网发电。开发了具有自主知识产权的异质结太阳能电池铜电极技术，成功实现了利用铜代替银生产异质结电池，电池平均转换效率可达20.65%，电池生产成本降低20%。

 2.研制国内储能领域单机最大容量的PCS，功率密度显著提高，并网电能质量满足国标要求。该系统创新性的采用模块化和Profinet总线技术，主控PLC实现高速实时工业以太网通信，同时开发了变流器基于电池荷电状态SOC精准均衡控制方法，系统最高通信刷新速率达0.25ms，PCS响应时间为10ms，满功率充电至满功率放电的切换时间在400ms内。

 3.发明一种可靠性高、功能齐全、通讯高效的储能电池管理系统。采用分布式三层管理体系，系统的SOC计算创造性的采用安时积分与低端、高端自动校正相结合的方式，可实时估算储能电池的SOC剩余容量，有效保护电池安全；系统首次创新性的采用双通讯通道对其进行处理，解决了大数据量与刷新速度之间的平衡关系。

 4.成功研发风光储智能微电网监控系统，实现风机、光伏、储能及其他辅助设备运行数据统一智能监控。采用高性能、高冗余、易用可配的IO通信中间件，保证系统中通信的高效性和安全性；引入LUA嵌入式脚本语言技术，可方便进行异构系统集成；构建了以实时历史数据库为核心，以高速工业以太网为纽带，通过工程师站完成系统的组态和维护功能的风光储微网一体化智能监控平台。

图1：未来科学城风光储多能互补智能建筑一体化项目鸟瞰示意图

图2：高效异质结太阳电池组件 

图3：未来科学城风光储多能互补智能建筑一体化项目鸟瞰示意图

二、技术优势及性能指标：

    （一）技术优势

本项目研究了兆瓦级大容量风力发电机在风光储多能互补智能微电网系统中对系统稳定性的影响以及调节特性，并结合储能，形成了保证微网稳定运行的调节机制。在光伏电池组件方面，组件转换效率与组件散热问题是影响组件在光伏建筑一体化应用的主要阻碍。目前，高效异质结太阳电池组件具有光伏转换效率受温度影响较小的优点，当组件温度升高到 70℃时，其光电转换效率衰减仅为传统晶硅组件的一半，稳定性较好，完全能解决光伏建筑一体化的发电效率受组件温度影响的问题。至该成果完成时为止，在国内还未曾有采用异质结组件建设光伏电站，并与建筑一体化集成的案例。

在储能系统能量转换系统（PCS）方面，PCS的功能是实现直流电池侧和交流电网侧能量的双向传递，其核心技术为大功率（MW级以上）变频技术。本项目研究的PCS，涉及基于交流侧功率监测控制直流充放电功率、借助工业实时以太网研制储能型双向变流器装置、采用两级式拓扑储能型变流器电池荷电状态 SOC 精准均衡控制方法、1MW大容量储能变流器成套设备及控制技术、基于 IGBT 快速关断能力保护储能电池和储能变流器的安全，在IGBT上通过开对称槽口消除连接应力等技术均属首创。

在储能电池管理系统（BMS）方面，BMS 作为储能电池系统的重要组成部分，是用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合。本项目研究的 BMS，涉及 SOC和单体电压相结合的双重防护措施，每重防护的三级报警防护措施，快、慢速相结合的双通讯通道，磷酸铁锂电池故障自诊断功能，针对电池堆的组合管理方法，采用具有高精度 A/D 的从单片机单独进行电流测量的技术，对充、放电电流采用独立通道进行检测的电流测量方法等技术均属首创，国内外相关文献中未见报道。

（二）技术指标

1. 世界首次构建光伏建筑一体化、风力发电和大规模储能系统联合的风光储智能微电网系统。该系统建立了光伏发电、风力发电、储能系统的互补运行机制及统一调度机制，提高了间歇式电源的利用率与可靠性，实现系统的不间断稳定供电，同时通过对光伏建筑一体化支架设计的优化，支架及组件安全可靠，支架成本大幅降低且能快速安装，有力推进了风光储微电网建筑一体化技术的实际工程应用。在未来科学城国电研发楼成功建设了风光储多能互补智能建筑一体化示范工程，包括2.58MW屋顶光伏系统，1.5MW风力发电机组和500kW×2h电池储能系统，是全世界最大的风光储一体化建筑，并实现了电网用户侧并网发电，平均每年可提供约300万kWh的绿色电能。

2. 国内首创自主异质结电池为基础的铜电极技术研发。成功实现了利用铜代替银生产异质结电池，解决了包括光刻、湿法腐蚀和电镀等主要工艺技术难题，突破了该型太阳能电池铜电极关键技术瓶颈，并提出了完整的工艺集成方案。铜电极异质结电池平均转换效率可达 20.51%，电池生产成本降低 20%，电池正面拉脱力平均值为 5.28N/mm，背面拉脱力平均值为 5N/mm，铜电极技术最重要的拉脱力指标测试全部合格。与目前传统晶硅电池相比，铜电极异质结电池可大大节约生产成本，并提高光电转化率，尤其可提高单位面积发电量，更适用于分布式发电系统。

3. 国内储能领域单机最大容量的PCS系统。系统的控制性能、动态响应性能和可靠性大幅提高。新研制的 PCS 采用两级式拓扑结构，取消了传统的数字信号处理器（DSP）嵌入式编程的控制方案，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率变换模块直接由主控PLC控制，创新性的采用模块化和 Profinet 总线技术，主控PLC实现高速实时工业以太网通信，同时开发了变流器基于电池荷电状态SOC精准均衡控制方法，可根据电池管理系统（BMS）传来的 SOC 信号，计算出各电池柜给定充放电电流，系统最高通信刷新速率达 0.25ms，误码率在一亿分之一以内，PCS 响应时间为 10ms，满功率充电至满功率放电的切换时间在 400ms 内。系统实现了 PCS 的控制性能、动态响应性能和可靠性的大幅提高。

该能量转换系统的核心代码采用结构化文本化（STL）语言，具备卓越的编程开发环境和友好的调试界面；为提高系统安全性，发明了全新的储能变流器直流母线短路快速保护装置，实现了 IGBT 的快速关断，可在几百微秒内切断电源回路；提出了在 IGBT 上通过开对称槽口消除连接应力的方法，进一步降低了 IGBT 的损坏率。通过上述研究，实现了单台 PCS 功率达兆瓦级，功率密度显著提高，并网电能质量满足国标要求，额定功率时电压总谐波（THD）在3%以内，并网电流谐波在2%以内，并具备较强的环境适应能力。

4. 可靠、高效的储能电池管理系统（BMS）。BMS作为储能电池系统的重要组成部分，是用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合。项目研发的BMS采用分布式三层管理体系，包括多个底层电池管理单元、多个中层电池簇管理系统和一个顶层电池系统单元管理系统。各个层次功能划分明确，层与层之间通过Can总线进行信息交互，Can总线是通讯协议全开放的现场总线，通过灵活的设置通讯协议大大提高了系统的运行效率，使之更好地适应储能电池的实际应用场合。本系统的SOC计算创造性的采用安时积分与低端、高端自动校正相结合的方式，通过测量电池单体电压、电池温度、串联电池组电流等参数，可实时估算储能电池的SOC剩余容量，有效保护电池安全，充分利用电池容量，进一步延长电池使用寿命；系统首次创新性的采用双通讯通道对其进行处理，实现了大量数据处理功能，对于实时性要求高、比较重要的信息通过快速通道进行传输，一般的数据信息通过另一个通道进行传输，解决了大数据量与刷新速度之间的平衡关系；在安全防护方面，项目组创新性的采用SOC和单体电压相结合的双重防护措施，每个防护都有三级报警防护措施，进一步确保了电池的安全。

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源互补技术、能源存储技术、能源控制技术

四、成熟度：

产业化阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

本项目成果在北京市未来科学城国电研发楼建成示范工程，装机容量为光伏2.58MW、风电 1.5MW、储能500kWx2h，满负荷运行每年可提供约300万kWh的绿色电能，每年可节约标准煤约1200t，减排二氧化碳2991t，减排二氧化硫90t，减排氮氧化物45t。项目的实施促进了风光储能建筑一体化技术特别是风光储微电网技术的发展，提高了可再生能源联合供应和管理技术，为可再生能源的就地消纳带来便利，实现了需求侧智能化管理和现有能源的优化利用，极大的提高了新能源利用率。目前，该成果成功应用于青海果洛州、西藏昌都、那曲无电地区、国电和风北镇储能型风电场项目等工程项目，并在新投产的1.5MW、2MW、3MW系列风电机组上得到广泛应用。其中青海、西藏等地共完成离网型微网电站12座（总装机 429kW），光伏户用电源系统9165套（总装机容量2932.8kW），均成功应用于人口比较集中的村落、学校、公路道班、寺院、智能楼宇和比较分散的牧民家中。同时，利用该项目研发的储能技术，建设了目前国内风电场规模最大、种类最多的化学储能示范项目——国电和风北镇储能型风电场示范项目（5MW×2h磷酸铁锂电池+2MW×2h全钒液流电池+1MW×2min超级电容），实现紧急无功响应、平滑风电输出、计划曲线出力、部分消纳弃电等高级应用功能，提升风电并网的友好性。储能系统投运后，风电场2015年全年利用小时数 2191小时。2015年辽宁省风电平均限电比例为14.26%，而国电和风北镇风电场限电比 例为6.4%，相当于年增加发电量约1600万kWh，产生经济效益约800万元，按此计算，自该项目投运以来，累计为该风场创收约4000万元。该成果可在城市、工业园区内灵活配置，并可在我国很多边缘地区如高海波地区、偏远海岛上应用，利用当地丰富的风能、太阳能等可再生资源建设具有储能系统的微电网，以解决当地的电力供应。