一、项目简介
1. 整体系统概述
风光储氢碳协同综合能源系统采用源-网-荷-储-氢-碳-控全闭环架构，融合风电、光伏、多元储能、氢能转化、冷热联供、碳捕集利用与智能调度技术，可实现电、热、冷、氢、碳多能耦合梯级利用。系统以清洁能源优先消纳为核心，搭配储能、氢能实现新能源波动平抑，结合碳管理单元构建低碳运行闭环，适用于零碳园区、工业园区、校园能源站及科研示范场景。

2. 10kW实验平台核心定位
本平台为10kW级轻量化实验样机，不以实际园区大规模供能为目标，主打教学科研、设备样机验证、系统联调、控制策略实测四大用途。
1．系统负荷边界：额定总负荷10kW，其中连续电负荷68kW，可切换热负荷24kW、冷负荷23kW、制氢负荷13kW；
2．运行模式：支持经济优先、低碳优先、保供优先、实验自定义工况四种模式，可手动/自动切换；
3．安装形态：实验室移动样机或固定橇装平台，采用380V三相交流供电，预留上位机与云端通信接口；
4．覆盖链路：完整包含风光发电模拟、电储能、电解制氢、燃料电池回发电、冷热负荷模拟、碳监测及全域智能控制链路。

二、适配课程
本平台面向新能源科学与工程、电气工程及其自动化、能源与动力工程、自动化、环境工程等专业，同时可用于能源类职业技能实训，适配课程如下：
1．综合能源系统概论
2．光伏发电与风力发电技术
3．储能技术及电池管理系统应用
4．氢能制备、储存与燃料电池技术
5．热泵与制冷技术（冷热能源利用）
6．工业PLC自动化与电气控制
7．智能电网与能源优化调度
8．双碳技术、碳捕集与碳资产管理
9．能源系统能效分析与负荷匹配
10．工业电气安全与设备联锁保护

三、核心实验功能
平台依托模块化设计，可开展单设备实验、多能耦合实验、调度控制实验、安全测试及综合工况实验，覆盖基础教学与科研验证全场景：
（一）单模块基础实验
1．新能源发电实验：光伏MPPT追踪测试、风电波动特性模拟、风光联合出力特性实验；
2．电储能实验：磷酸铁锂电池充放电测试、SOC状态监测、PCS双向变流、储能削峰填谷、储能效率测试；
3．氢能链路实验：PEM电解槽制氢、氢气净化与稳压存储、燃料电池氢能回发电、电-氢能量转化效率测试；
4．冷热能源实验：空气源热泵制热性能、冷冻水机组制冷特性、蓄热/蓄冷缓冲、电转热/电转冷能效测试；
5．碳管理实验：CO₂浓度监测、模拟烟气碳捕集、碳排放量核算、碳资源化利用演示。
（二）多能耦合综合实验
1．富余新能源消纳实验：储能单独消纳、储能+制氢协同消纳两种策略对比测试；
2．电-热-冷-氢多负荷联动实验：多负荷同步运行下的能源分配、梯级利用验证；
3．电-氢-碳闭环耦合实验：制氢、碳捕集联动运行，验证低碳循环链路。
（三）智能调度与模式实验
1．双层控制逻辑实验：EMS日前规划、分钟级实时调度全流程测试；
2．多运行模式切换实验：经济、低碳、保供、自定义工况的切换响应与运行效果对比；
3．负荷阶跃扰动实验：模拟负荷突增/突降、新能源出力波动，测试系统自适应调节能力。
（四）安全与联锁实验
1．多级安全联锁验证：氢气泄漏、储氢超压、电池过温、电气短路等故障下的停机、报警、回路切断测试；
2．急停系统、声光报警、泄漏监测等安全设备功能校验。
（五）标准工况专项实验
平台预设4类经典实验工况，可重复开展标准化实验：日间富余工况、平衡运行工况、晚峰保供工况、低碳演示工况；同时支持富余新能源制氢与储能协同调度完整综合实验（含数据采集、曲线分析、能效与减碳测算）。

四、系统总体组成
平台严格遵循源-网-荷-储-氢-碳-控七大闭环架构，各模块独立运行且联动协同，具体组成及功能如下：

系统模块	核心设备	主要功能
能源供给侧（源）	5kWp光伏模拟阵列、3kW风机模拟电源	模拟风电、光伏间歇性、波动性出力，提供可再生能源输入，支持MPPT等专项实验
并网配电侧（网）	380V/50Hz三相交流配电柜（15kVA）	实现外部电网接入、系统配电、电气过载/短路保护
多元负荷侧（荷）	可控电负荷、5kW空气源热泵、3kW冷冻水机组、200L电加热水箱、100~150L蓄冷箱	模拟电、热、冷三类常规负荷，完成热储能、冷储能缓冲与释能实验
储能调节侧（储）	51.2V/200Ah磷酸铁锂电池组、10kW双向PCS、主从式BMS系统	实现电能削峰填谷、功率缓冲、备用供电，完成电池状态监测与安全保护
氢能转换侧（氢）	2Nm³/h PEM电解槽、氢气净化模块、3~5Nm³缓冲储氢瓶组、1kW燃料电池系统	完成富余电能制氢、氢气暂存、氢能回发电，构建电-氢能量闭环
碳管理侧（碳）	实验型烟气/CO₂模拟与捕集单元、碳监测传感器	实现CO₂浓度监测、模拟碳捕集，演示碳排放、捕集、资源化利用全流程
智能控制侧（控）	EMS主机、PLC控制柜、15~21英寸HMI触摸屏、工业边缘网关、全品类传感器、氢气泄漏检测器、急停与声光报警装置	负责数据采集、工况识别、优化调度、指令执行、远程通信、故障报警与安全联锁

五、系统技术参数

表1 核心硬件关键参数

设备模块	关键参数项	推荐参数值/范围
光伏模拟阵列	MPPT电压范围	250~850Vdc
风机模拟电源	输出形式	三相AC/可编程AC（可模拟风速波动）
磷酸铁锂储能系统	额定功率	10kW
磷酸铁锂储能系统	额定容量	10.24kWh
PEM电解槽	工作压力	1.6~3.0MPa
燃料电池系统	额定输出	1kW（48V/220Vac可选）
空气源热泵	制热COP	≥3.0
冷冻水机组	制冷EER	≥2.6
碳监测单元	CO₂监测范围	05000ppm / 020%
PLC控制器	控制周期	100ms~1s

表2 软件与控制参数

软件层级	功能模块	核心参数
设备层	PCS/BMS驱动	SOC采样周期1s，故障告警上报＜1s
控制层	PLC逻辑程序	设备顺控周期100ms，安全联锁优先级最高
优化层	EMS日前规划	滚动周期24h，计算步长1h
优化层	EMS实时调度	滚动周期5min，优化步长1min
优化层	运行模式	经济优先、低碳优先、保供优先、自定义工况
展示层	HMI触摸屏	画面刷新1~2s，趋势曲线≥8通道
存储层	历史数据库	本地数据存储时长≥1年
接口层	通信协议	Modbus TCP/RTU、OPC UA（支持云端扩展）

表3 I/O点位配置参数

信号类型	点位数量	采集/控制对象
AI模拟量输入	24点	电压、电流、温度、压力、流量、电池SOC、氢气浓度
AO模拟量输出	8点	PCS功率、阀门开度、设备变频频率调节
DI开关量输入	32点	断路器状态、急停信号、门禁、各类报警接点
DO开关量输出	24点	接触器、水泵、风机、电磁阀、声光报警启停
高速采样/脉冲	4点	流量脉冲、编码器信号（专项实验扩展）

表4 安全联锁分级规则

联锁等级	触发故障类型	系统响应动作
一级联锁	氢气泄漏、储氢超压、配电短路、手动急停	立即停机，切断气路、电路，触发声光报警
二级联锁	电池过温、PCS故障、冷却不足、热泵高压报警	设备降额运行或自动切换运行模式
三级联锁	通信异常、传感器漂移、数据缺失	转入保守调度模式，弹窗提示人工核验

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