一、提出課題的背景
大同市政府積極落實習總書記視察山西重要講話精神：“不當煤老大，爭當能源革命的排頭兵”，并由此確定2018年為全市“轉(zhuǎn)型項目建設年”，力求把創(chuàng)新園打造成為能源革命和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的樣板，打造成國際化、全球化一流100％“零碳、智慧”示范園區(qū)，引領我國2050年能源發(fā)展。
2018年4月18日國家發(fā)改委印發(fā)了第三批增量配電業(yè)務試點通知，大同市能源革命科創(chuàng)園成功申報第三批增量配電業(yè)務試點。同煤雙創(chuàng)中心大樓為科創(chuàng)園A區(qū)的重要組成部分之一。
2018年9月，大同市新能源科技創(chuàng)新園區(qū)正式開工建設，同煤集團作為大同市重點項目組成單位之一，在雙創(chuàng)園區(qū)建設雙創(chuàng)中心和重點實驗室兩個項目，同大科技院作為建設單位、宏遠公司作為施工單位有幸參加此工程建設項目的建設。該工程在設計中采用節(jié)能綠色建筑為主的先進設計理念，最大限度地利用可再生能源，尤其是光電和空氣源熱泵技術在項目中得以應用。項目在前期設計中，宏遠公司做為先頭對接單位，積極與設計單位溝通和提供相應施工方案的支持，充分利用我公司對光伏板生產(chǎn)和安裝中的現(xiàn)有經(jīng)驗，在同大科技院的支持和認可下，從設計前期介入，從安裝工藝入手，進行科技創(chuàng)新的研究，確定了雙創(chuàng)中心綜合實驗樓外立面墻體選用裝飾光伏板二合一外墻材料進行施工，做到了節(jié)能裝飾一體化結(jié)構(gòu)施工的效果。光伏板外墻裝飾工程是目前市場為數(shù)不多的新工程工藝，工程原理作用都是理論上形成，但應用相對較少的，可借鑒的施工經(jīng)驗也極少，我單位接到施工任務后，成立了專業(yè)新技術保障領導組，公司總工程師任組長、副總工程師任副組長、機電部、技術部、土二分公司等單位和部門為成員的領導組，從設計前期介入，從安裝工藝入手，進行科技創(chuàng)新的研究，確保光伏板安裝工藝順利運用到施工中。
低壓直流配電網(wǎng)是采用直流配電系統(tǒng)運行控制與保護、靈活直流電壓變換、直流變壓隔離、用戶側(cè)直流用電等關鍵技術，直接為負荷提供直流電的配電網(wǎng)絡，支持新能源、儲能接入及能量雙向互動。
一方面，規(guī)劃區(qū)內(nèi)包含直流充電樁、光伏、儲能等大容量直流電源/負荷設備，通過直流配網(wǎng)接入可減少交-直、直-交轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，大幅提高能源利用效率。
另一方面，直流接入的分布式電源與大電網(wǎng)互為備用，有效保障了區(qū)域重要負荷的可靠供電，且通過合理的保護與運行控制策略可實現(xiàn)并離網(wǎng)運行，將進一步提升區(qū)域供電質(zhì)量與供電可靠性。
在建筑結(jié)構(gòu)外表面鋪設光伏組件提供電力，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與屋頂、天窗、幕墻等建筑融為一體，建造綠色環(huán)保建筑師太陽光能發(fā)電系統(tǒng)與現(xiàn)代建筑的完美結(jié)合。
工程利用自身設施發(fā)電功能，滿足日常建筑物辦公、照明等用電需要，天氣晴好時，可完全滿足建筑內(nèi)辦公用電，天氣惡劣自發(fā)電不足時自動轉(zhuǎn)接到時市電網(wǎng)回路中彌補用電量。
光伏幕墻發(fā)電原材料采用太陽能是一種清潔、環(huán)保能源，而且取之不盡用之不竭，是豐富永久性天然能源。
太陽光電轉(zhuǎn)化安全可靠，并直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)，由于不需要蓄電池，無需機械部件與傳動系統(tǒng)，可節(jié)省設備投入費用。
光伏幕墻既可作發(fā)電部件、集熱系統(tǒng)，又可做建筑墻體外圍護結(jié)構(gòu)，有利于降低建筑結(jié)構(gòu)與裝飾成本。
光伏幕墻不用單獨建設廠房、車間，依附在房屋工程上，可節(jié)地、節(jié)省發(fā)電基建費用。
系統(tǒng)采用太陽能電池組件，使用壽命長，≥25 年，衰減小，具備良好的耐候性，防風、防雹。能有效抵御濕氣和鹽霧腐蝕，無毒無害。
太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率高，不產(chǎn)生垃圾及廢棄物，有利于環(huán)境保護，減少常年維修與處理費用。
太陽光電安裝簡單方便，無噪音，無污染，建設周期短，自動調(diào)控，無需人員值守， 也無需線路架設，減少常年運行費用。
太陽光電不僅可供自有房屋使用，亦可并網(wǎng)利用。
享受財政補貼及相應優(yōu)惠政策。自 2009 年，中華人民共和國財政部按裝機容量每瓦20 元給予補貼，各市亦有政策支持。
三、適用范圍
適用于房屋及附屬設施的外圍護結(jié)構(gòu)幕墻工程，包括隱框幕墻、明框幕墻、點式幕墻、及采光頂?shù)取?/span>
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工藝原理
把能將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的晶硅太陽能光伏板外側(cè)面（朝陽一面）鑲嵌透光性高的鋼化玻璃，光伏板內(nèi)側(cè)面鑲嵌裝飾板材料（沒有太特殊的要求，做到防火隔熱即可）。在建筑物外墻面、屋頂部位安裝結(jié)構(gòu)骨架，將光伏裝飾一體板固定在建筑物或構(gòu)筑物上，使其成為建筑物的裝飾部分，在光伏板吸收太陽光的同時，進行光電轉(zhuǎn)換，發(fā)出電能，通過逆變器等設施把轉(zhuǎn)換成的電能傳輸至用電器終端或并網(wǎng)傳入供電線路。
五、總體性能指標與國內(nèi)外、集團公司內(nèi)其他單位技術的比較
目前大同市雙創(chuàng)中心綜合實驗室外墻光伏板與外墻裝飾二合一技術為國內(nèi)先進技術，大同地區(qū)首家，同煤集團首家。
六、應用情況、經(jīng)濟、技術、社會及環(huán)保節(jié)能效益分析
1、應用情況
大同市雙創(chuàng)中心綜合實驗樓，建筑面積20000平方米，在南、北立面（除窗戶位置）、屋頂安裝光伏板3500塊，安裝光電容量350KW（最大），通過測試，運行工況正常。工程利用自身設施發(fā)電功能，滿足日常建筑物辦公、照明等用電需要，天氣晴好時，可完全滿足建筑內(nèi)辦公用電，天氣惡劣自發(fā)電不足時自動轉(zhuǎn)接到時市電網(wǎng)回路中彌補用電量。
2、經(jīng)濟效益
在大同地區(qū)為首家應用項目，按平均發(fā)電量150KW/h計算，年度發(fā)電量43萬度，可取得經(jīng)濟效益21.5萬元。
3、技術效益
1）通過采用本施工方法，光伏板與外墻合二為一，減少了外墻裝飾施工。從技術手段上取得了一定的效益。
2）施工安裝方便：光伏組件規(guī)格統(tǒng)一，放線及骨架安裝簡便，工期縮短 2/3。
3）科技含量高，使用清潔環(huán)保能源，減少垃圾與污染處理費用。
4）節(jié)省常年維修，維護與運行費用。
5）節(jié)省設備線路電桿輸供電設施等費用。
4、社會效益、生態(tài)環(huán)保效益
1）消除了燃燒煤炭（或燃油）產(chǎn)生的 CO2，避免產(chǎn)生了大氣污染和熱效應。
2）消除了傳統(tǒng)燃燒物產(chǎn)生的廢渣、廢氣，有利于環(huán)境保護。
3）利用純天然太陽光能，無后顧之憂，長久使用
七、施工工藝流程及操作要點
1、光伏幕墻安裝工藝流程
方案設計→部件加工、購置→預埋件安裝→光電施工準備→測量放線→光電器材安裝→玻璃光伏幕墻施工→線纜安裝→設備就位→系統(tǒng)運行（工藝流程圖，見下圖）
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光伏幕墻安裝工藝流程圖
2、操作要點
1）方案設計：光伏幕墻程設計應遵循技術先進、科學合理、安全可靠、經(jīng)濟實用的基本要求，其設計原則是：
2）先進性原則：使系統(tǒng)在一定的周期內(nèi)保持技術領先性，保證系統(tǒng)具有較長的生命周期。
3）實用性原則：選用有大規(guī)模實際工程應用經(jīng)驗的產(chǎn)品，并保證其穩(wěn)定性、可靠性和可維修（護）性。
4）經(jīng)濟性原則：在保證系統(tǒng)各項技術指標的前提下，努力降低工程、設備成本，提高系統(tǒng)的性價比。
5）建筑一體化設計：必須與建筑工程有機結(jié)合，把太陽能電池組件和屋面或墻面相結(jié)合， 形成建筑物的組成部分并增加建筑整體美感。
6）選址依據(jù)：太陽能組件的放置應在建筑物上，系統(tǒng)不受周邊建筑物的遮擋，縮短并網(wǎng)距離，減少輸電損失與線路費用。
7）預埋件安裝：由于光伏幕墻附著固定于建筑物上，因此，土建結(jié)構(gòu)施工時按照圖紙設計，做好系統(tǒng)安裝部件的預埋、預留，沒有預留或位置不正確的的要增加后置埋件，后置埋件用錨栓固定，并經(jīng)設計計算錨栓大小，做好現(xiàn)場拉拔實驗。
根據(jù)建筑物的屋面、墻面尺寸，設計太陽光伏幕墻的尺寸及部件組合，按照組裝圖做好部件的加工與購置配套工作。
8）光電施工準備：根據(jù)工程特點，準備好腳手架或電動吊籃設備，準備好技術人員與勞動力安排。
按照設計圖紙進行測量放線、標注部件安裝位置。
器件安裝：主要是太陽光電系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換件、連接件安裝。
玻璃光伏幕墻施工：首先安裝固定龍骨框架與結(jié)構(gòu)體上的預埋件連接牢固后，然后安裝太陽能光伏組件，安裝過程中邊對光伏組件的線纜進行連接。質(zhì)量檢查無誤后，對縫隙打耐候膠，并及時對玻璃幕墻清理干凈，防止污染、粘結(jié)。
9）線纜連接：將各處連接件、光電轉(zhuǎn)換件用線纜連接，并與變壓器、開關、使用設備等，形成完整供電線路系統(tǒng)。
10）設備就位：將電池方陣、直流接線箱、逆變器、交流配電箱、轉(zhuǎn)換器、電腦等設備分別安裝就位于配電室、監(jiān)控室等位置。
11）系統(tǒng)運行：將用電器具與設施與太陽光電系統(tǒng)通過配電箱、變壓器聯(lián)接好后，進行系統(tǒng)整個運行調(diào)試。
3、材料與設備
高效晶體硅太陽電池片
具體要求及技術指標：無螺釘內(nèi)置角鍵連接，緊固密封，抗機械強度高，高透光率鋼化玻璃封裝，采用密封防水多功能接線盒，確保組件使用安全。表面覆蓋深藍色碳化硅堿反射膜，顏色均勻，外觀精美。
產(chǎn)能：100w
規(guī)格：1192×792mm
本工程以直流供電為中心，靈活接入光、儲等能源，同時為直流充電樁和直流照明提供直流能源，全面整合能源控制參量及能量信息，實現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)控制和綜合能效管理，建成多點接入、網(wǎng)絡共享、需求感知的能源互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建直流“源-網(wǎng)-荷-儲”供能系統(tǒng)，打造直流樓宇典型示范，提高分布式能源利用效率，降低能源損耗，提供安全、舒適的樓宇低碳供能系統(tǒng)。
本項目建設集 “光、儲、充、配”高度融合的多能互補新能源直流微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏發(fā)電、分布式儲能、電動汽車與智能電網(wǎng)技術的有機融合，能源“供需集成”和“雙向流動”，更好體現(xiàn)綠色低碳理念。直流型微電網(wǎng)通過一個集中的AC/DC變流器與與綜合樓10kV配電室低壓側(cè)380V連接，并在其直流側(cè)構(gòu)建直流母線，分布式光伏、儲能系統(tǒng)、直流充電樁、直流負載均通過DC-DC變換器接入直流母線，可實現(xiàn)光伏的就地消納和儲存，減少變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率。
本項目主要由直流微電網(wǎng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電樁、直流照明系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)構(gòu)成。建設431.08kWp的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)（其中雙創(chuàng)中心光伏幕墻231.08kWp，雙創(chuàng)中心實驗室晶硅組件200kWp），10臺30kW直流充電樁，直流照明負荷132.5kW預留，15臺交流充電樁，其中光伏、儲能、直流充電樁均接入直流換電間直流微電網(wǎng)750V直流母線,直流照明負荷接入220V直流母線。
直流微電網(wǎng)采用單母結(jié)構(gòu)，采用單電源點引入，由交流并網(wǎng)開關柜、雙向變流器，雙向變流器、直流控制柜和直流配電柜組成，通過聯(lián)絡柜構(gòu)成單母分段結(jié)構(gòu)。直流微電網(wǎng)位置在同煤雙創(chuàng)中心綜合樓負一層直流換流室。
通過直流控制柜接入綜合樓231.08kWp光伏系統(tǒng)，預留試驗樓200kW光伏接入，接入250kW/500kWh儲能系統(tǒng)，輸出至直流配電柜，通過直流配電柜接入負二層至八層的直流照明壁掛電源和照明配電箱，以及室外的景觀照明和城市家具配電箱及10臺直流充電樁，負荷約450kW。
雙創(chuàng)中心直流微電網(wǎng)系統(tǒng)方案架構(gòu)圖
根據(jù)直流負荷特性，照明負荷同時率按0.8選取，照明負荷最大容量為150kW，同時最大照明負荷為120kW；通過開展有序充電，保證直流充電樁同時率小于0.4，同時最大負荷為120kW，最大同時負荷為240kW，通過調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、平衡。
1）AC/DC雙向變流器
AC/DC換流器采用模塊化設計，多機并聯(lián)運行,高頻同步，要求具備如下主要功能：
（1）具備交直流雙向輸出額定功率能力。PQ功率控制模式運行時，可實現(xiàn)輸出有功功率、無功功率控制連續(xù)可調(diào)。
（2）具備交流下垂控制，當并網(wǎng)運行時對電網(wǎng)頻率和幅值進行微調(diào)穩(wěn)定同時根據(jù)系統(tǒng)設定進行 PQ 控制。
（3）離網(wǎng)運行時，通過V/f 控制實現(xiàn)快速無縫并離網(wǎng)模式切換。通過改變電網(wǎng)系統(tǒng)中的交直流側(cè)開關實現(xiàn)電網(wǎng)不同運行狀態(tài)。
本項目采用250kW模塊式雙向變流器，具體參數(shù)如下：
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型號 |
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PWS2-250K |
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并網(wǎng)運行模式 |
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允許電網(wǎng)電壓（Vac） |
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400（-15%~15%） |
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允許電網(wǎng)頻率（Hz） |
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50/60（-2.5~2.5） |
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總電流諧波畸變率 |
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≤3% |
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電壓紋波系數(shù) |
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≤1% |
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功率因數(shù) |
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0.99/-1~1 |
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直流輸出 |
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直流電壓（Vdc） |
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750 |
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穩(wěn)壓精度 |
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≤±1% |
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穩(wěn)流精度 |
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≤±1% |
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系統(tǒng)參數(shù) |
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尺寸（高×寬×深mm3） |
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2160*1200*800 |
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重量（Kg） |
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1340 |
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噪聲（dB） |
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＜70 |
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防護等級 |
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IP20 |
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允許環(huán)境溫度 |
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-20~55 |
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冷卻方式 |
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風冷 |
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允許相對濕度 |
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0~95%（無凝露） |
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允許海拔高度 |
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2000 |
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緊急停機 |
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有 |
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顯示和通訊 |
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顯示 |
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觸摸屏 |
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通訊接口 |
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RS 485和Ethernet，Modbus協(xié)議 |
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BMS接入 |
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有 |
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PWS2-250K/500K由4個62.5KW AC/DC,4個DCDC模塊單元、控制單元、監(jiān)控單元等組成。
PWS2-250K系統(tǒng)組成圖
2）直流控制柜
直流柜由直流斷路器、絕緣監(jiān)測、火災報警、浪涌保護和直流多能表以及輔材構(gòu)成。
3）交流開關柜
交流柜由交流斷路器、絕緣監(jiān)測、火災報警、浪涌保護和多能表以及輔材構(gòu)成，直流微網(wǎng)系統(tǒng)通過交流開關柜與交流電網(wǎng)進行連接。
本項目工程擬采用單塊容量為85Wp和70Wp的漢窗和漢墻光伏組件光伏組件布置在雙創(chuàng)中心綜合樓屋頂光照較好的屋頂共231.08kW。
雙創(chuàng)中心試驗樓安裝光伏組件200kW，配置4臺晶硅控制柜和1臺DC/DC變換柜，接入直流換電間微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)。
光伏發(fā)電直流接入系統(tǒng)示意圖
在電網(wǎng)中配置電池儲能電站系統(tǒng)，可實現(xiàn)整個儲能電站的削峰填谷、調(diào)峰、無功控制等功能。
儲能電站在電網(wǎng)供電中的主要功能有：
移峰填谷：轉(zhuǎn)移高峰時刻的用電負荷，降低高峰用電需求，提高電網(wǎng)供電設備的負荷率和利用率，緩和高峰時刻的供用電矛盾；
參與調(diào)頻：根據(jù)負荷波動情況，通過接受調(diào)度指令參與區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻功能；
緊急負荷功率控制：利用大型儲能設備“熱備用轉(zhuǎn)放電”以及“充電轉(zhuǎn)放電”快速切換方案實現(xiàn)源網(wǎng)荷切負荷控制，充分利用大型儲能設備快速放電能力，支撐電網(wǎng)頻率。
本項目主要用于直流微網(wǎng)快速功率調(diào)節(jié)，電池充放電深度DOD可控制在75%之內(nèi)，SOC可控制在15%~90%區(qū)間。
250kW/500kWh儲能系統(tǒng)由1臺250kW DCDC變流器、1套500kWh的電池組及其管理系統(tǒng)組成。本儲能系統(tǒng)電池總?cè)萘?19.168kWh，選用3.2V52Ah的磷酸鐵鋰電芯，3P8S組成（25.6V156Ah）單模組，3P16S組成一個PACK（51.2V156Ah），8P16S*13S組成一簇（665.6V156Ah），5并組成系統(tǒng)容量519.168kWh。
能量管理系統(tǒng)由智慧能源管控系統(tǒng)和能量優(yōu)化系統(tǒng)組成。通過能量優(yōu)化系統(tǒng)對各微源的控制模式及控制參數(shù)進行設置，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，同時電壓、頻率維持在允許范圍之內(nèi)。
并網(wǎng)運行模式下，AC/DC雙向變流器連接AC400V母線，提供穩(wěn)定的DC750V電源供給各直流負荷。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏DC/DC模塊接入直流母線，工作在最大功率點跟蹤模式下。儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC模塊接入直流母線。能量管理系統(tǒng)在用戶可選的多種優(yōu)化目標下實現(xiàn)經(jīng)濟性運行模式，如光伏發(fā)電最大化消納目標下，白天優(yōu)先使用光伏發(fā)電，余量可選擇儲能系統(tǒng)吸收以備夜間使用或者返送交流母線。微電網(wǎng)經(jīng)濟收益最大目標下，能量管理系統(tǒng)根據(jù)峰谷電價差進行能量管理，為用戶帶來最大收益。
離網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)在交流電網(wǎng)故障或不穩(wěn)定時，可以將整個微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)脫離，以離網(wǎng)模式運行。離網(wǎng)運行狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)支撐DC750V母線電壓，且能量管理系統(tǒng)可根據(jù)對負荷的分級進行逐級切斷，延長重要負荷的供電時長。同時雙向變流器可監(jiān)測交流母線電壓狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓恢復或穩(wěn)定時恢復并網(wǎng)模式。
九、存在的問題及推廣應用前景
由于目前光電國家補貼取消，用戶對安裝使用建筑外墻光伏技術了解渠道不暢，相關項目宣傳力度較弱，存在一定推廣難度，小型光電項目較多，大型光電建筑項目比例較低，市場開發(fā)前景廣闊，符合國家產(chǎn)能政策和環(huán)保優(yōu)惠政策，是可大力推廣產(chǎn)業(yè)，集團公司目前有光伏生產(chǎn)線四條，應大力推廣。
