摘要：面对能源短缺和环保压力，工业制造业急需优化能源利用。分布式光伏系统凭借清洁高效特性，成为理想的能源解决方案。本研究针对工业制造场景，构建了基于光伏系统的能源优化模型，并进行了实地应用分析。实验显示，引入分布式光伏系统后，工厂总能耗显著降低，同时保持生产能力与工艺，碳排放量明显减少，实现了绿色制造的目标。此外，分布式光伏系统在节能减排、降低电力成本等方面表现出的积极效应，更进一步确认了其在工业制造领域的广泛应用价值。此项研究不仅向我们展示了分布式光伏系统在工业制造中的能源优化应用，也为我国在工业生产领域推广清洁能源提供了具体的技术路线和实践方案。

关键词：分布式光伏系统；能源优化；工业制造；节能减排；清洁能源

0引言

在21世纪的，能源问题和环保压力已成为全球工业制造业面临的两大挑战。工业制造业的能源消耗占全球总能耗近五分之三，同时也是碳排放的主要来源。为应对能源短缺和环保的双重威胁，实现可持续工业制造已成为全球共同关注的焦点。分布式光伏系统作为一种新型的清洁能源技术，以其高效、环保和易于分布式部署的优点，受到了广泛的关注，为实现可持续工业制造提供了重要途径。特别是在工业制造业中，分布式光伏系统的引入，不仅有助于降低能源消耗和碳排放，同时也有望将工业生产的方式和模式带向更为可持续和环保的方向，实现真正意义上的“绿色制造”。对于工业制造业来说，一方面要满足大规模、持续的生产需求，另一方面也要关注能源消耗和环保问题，因此，如何有效采用和利用分布式光伏系统，进行能源优化，便成为了一个待解答的问题。本文针对这一问题进行研究，于工业制造场景构建光系统能源优化模型，运用实地数据，在理论与实践之间获得平衡，并以此提供一种可能的解决之道。

1能源问题与工业制造的实际需求

1.1 当今能源短缺与环保压力的分析

近年来，全球范围内的能源短缺问题日益严重。化石燃料作为主要能源，其储量有限，且许多国家的资源消耗速度远超其补给速度。这种供需失衡导致了能源价格不断攀升，进一步加剧了生产和生活成本。化石能源的开采和使用还带来了环境污染问题，包括二氧化碳等温室气体排放，引发全球气候变化、空气污染和生态环境破坏。

工业制造业作为能源消耗的大户，对能源问题的敏感性尤为突出。制造业的发展对国家经济起着重要支撑作用，但其高能耗、高排放的特性也对环境保护构成巨大挑战。传统的能源供给方式依赖电网，电力传输过程中存在着较高的能量损耗，进一步加剧了能源的供需矛盾，电力的生产主要依赖煤炭燃烧，这无疑加剧了环境污染和碳排放的问题。为了应对日益严峻的能源和环境问题，尤其在工业制造领域，迫切需要高效且可持续的能源利用方式。采用清洁能源已成为全球共识。光伏系统因其能够直接将太阳能转化为电能，具有清洁、高效、可再生的特点，成为解决能源短缺与环保压力的重要途径。通过在制造业中应用分布式光伏系统，不仅能够缓解能源供给的紧张局面，大幅减少碳排放和其他污染物排放，推动环保目标的实现。

当前的环境背景下，光伏系统的应用不仅具备技术可行性和经济性，还能够协调工业制造业的可持续发展与生态环境保护之间的矛盾，为未来实现“绿色制造”提供了可行的路径和保障。

1.2工业制造能源消耗的特点与问题

作为高能耗产业，工业制造在能源消耗方面展现出特殊的特点与紧迫的问题。工业制造的能源需求量庞大，往往占据总能源消费的很大比例，特别是在冶金、化工、机械制造等行业。这些行业不仅需要持续稳定的电力供应，还需要应对高温、高压等特殊工况，导致能源利用效率低下。能源利用过程中产生的大量废热如果没有有效回收和利用，不仅浪费了宝贵的能源资源，还进一步加剧了环境污染问题。许多工厂的设备老化、工艺落后，以及管理手段不够科学，导致能源使用效率进一步降低。能源的高成本和低效率也直接影响到生产成本和产品的市场竞争力。再者，传统电力系统面临的电网压力增大、运行成本高昂、能源来源不稳定等问题，也在一定程度上限制了工业制造的正常运作。高峰用电时期，电力供应紧张，还有可能导致停工停产，给企业带来经济损失。

这种能源利用方式不仅无法满足当前的制造需求，更严重制约了企业的可持续发展，迫切需要寻找高效、绿色的能源替代方案。分布式光伏系统以其清洁、高效且分布灵活的优势，为工业制造提供了一种可行的解决路径，其在削减能耗、降本增效方面的应用前景广阔。

1.3工业制造对高效绿色能源的迫切需求

工业制造过程中，高效绿色能源的应用至关重要。传统能源的高污染、高排放已给环保带来巨大压力，而绿色能源能有效减少污染物排放[3]。同时，工业制造能耗巨大，高效能源的使用能显著降低能耗，提高能源利用率，减少成本。面对能源价格波动和供应不稳定，分布式光伏系统等绿色能源方案提供了稳定、可持续的能源供给，确保生产过程中的能源可靠性。

2分布式光伏系统及其优势

2.1分布式光伏系统的基本构成与工作原理

分布式光伏系统由光伏组件、逆变器、配电系统、储能装置和监控系统构成。光伏组件，以硅基材料如单晶硅、多晶硅为主，通过光电效应将太阳能转化为直流电，是系统的核心[4]。逆变器则将直流电转换为工业制造所需的交流电，其效率和稳定性对系统运行至关重要。此外，为确保电力连续稳定，系统配备储能装置，如锂电池系统，能在阳光不足时提供电力支持。

配电系统负责将光伏系统产生的电力分配到各个用电设备，并与电网进行交互。通过智能配电系统，光伏电力可优先供给厂内设备，实现自给自足，余电可反馈到电网。

监控系统是分布式光伏系统的“大脑”，通过实时监控光伏组件的工作状态、电量生成和消耗情况，可以优化能源管理，提高系统效率。先进的监控系统还能预警组件故障，并提供维护指导，从而保证系统的长期稳定运行。

光伏系统工作原理基于光电效应，当太阳光照射在光伏组件上，光子被组件内的半导体材料吸收，从而激发电子产生电流。逆变器将该电流转换为交流电，通过配电系统供电或储存，助力工业生产过程中的节能与减排目标。

2.2分布式光伏系统相较于传统电力系统的优势

分布式光伏系统以太阳能为主要能源，相较于传统电力系统，其优势显著。首先，在环保方面，该系统无需排放任何污染物，能够显著降低二氧化碳及其他有害气体的排放，完美契合工业制造领域对绿色能源的需求。其次，其自我供电的特性意味着在本地发电并供应本地使用，从而降低了对外电力供应的依赖，确保了能源的安全性和稳定性。分布式光伏系统采用模块化设计，易于扩展和维护，可以根据实际需求和能源使用情况灵活调整发电规模，相较于传统电力的固定线路和集中发电模式，更为灵活和高效。此外，分布式光伏系统能显著降低工厂的电力成本，这一优势得到了广泛认同和采用。从长远来看，尽管初期投资相对较高，但光伏系统的运行和维护成本较低，且太阳能作为免费能源，在长期使用中能实现显著的经济效益。更重要的是，分布式光伏系统的引入使工业制造企业能部分或全部实现能源自给自足，减少对电网的依赖和负荷，从而减轻电力系统的压力，提升整体电网的运行效率和可靠性。通过推广使用分布式光伏系统，我们能够有效推动工业制造生态的可持续发展，实现能源利用的高效和合理。

2.3分布式光伏系统在工业制造中的应用前景

分布式光伏系统在工业制造中的应用前景十分广阔。由于该系统能够充分利用工厂厂房屋顶、停车场等闲置空间，具有高度灵活性和可扩展性[5]。通过将光伏发电与电网电力相结合，不仅可以缓解电力供应紧张的问题，还能降低工厂对外部电力的依赖，提升能源安全性。在能源成本方面，分布式光伏系统的长期运营成本相对较低，有助于减少工厂的电费支出。此外，光伏系统发出的电力清洁无污染，能够显著降低工厂的碳足迹，实现可持续生产。特别是在环保政策日益严格的背景下，分布式光伏系统的应用有助于工厂满足环境法规要求，提升企业形象和市场竞争力，推动工业制造向绿色、低碳的方向发展。

3Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

3.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

4.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

4.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

4.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

4.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

4.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

4.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

4.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

4.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

4.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

4.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

4.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

4.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

4.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

4.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

4.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

4.2硬件及其配套产品

【参考文献】

【1】郭俊志.探析新能源分布式光伏发展优化举措[J].数字化用户,2020(04).

【2】曹金京.面向新能源消纳的分布式光伏储能系统优化配置[J].自动化应用,2021(04).

【3】程泽.分布式光伏系统在工业制造场景中的能源优化应用研究

【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.