风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）上海硕博教学设备公司

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2026年6月17日风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）

SBXNY-FG风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）

一、概述

风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）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。

二、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。

三、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

四、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：CO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）。

五、系统总体组成

风光储氢碳协同综合能源系统组成图

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：

五、系统技术参数

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CO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

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	CO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

六、实验案例：电-氢-碳闭环耦合运行及碳捕集资源化利用实验

本实验依托平台源-网-荷-储-氢-碳-控全闭环架构，联动风光模拟发电、电解制氢、燃料电池、碳捕集监测单元、冷热负荷与智能调度系统，验证电、氢、碳多链路耦合运行特性，测试碳捕集效率、碳排放核算、低碳工况适配能力，是面向双碳技术、多能耦合方向的核心综合实验。

1 、验目的

1．验证电-氢-碳全链路闭环协同运行逻辑，掌握多模块联动启停、功率匹配规则；

2．测试实验型碳捕集单元在不同制氢负荷、新能源出力下的CO捕集效果、浓度变化规律；

3．对比低碳优先、经济优先两种运行模式下，系统碳排放、碳捕集量、能源消耗的差异，分析低碳运行成效；

2、验前提与边界条件

项目	设定值
实验总时长	120分钟
数据采样周期	1分钟
储能初始SOC	50%
储能安全运行区间	20% ~ 90%
风光总输入功率区间	3.0kW ~ 7.0kW（模拟自然波动）
电解槽制氢功率区间	0 ~ 2.5kW（额定制氢量≤2Nm³/h）
恒定基础电负荷	3.0kW
冷热负荷配置	空气源热泵热负荷1.8kW、冷冻水机组冷负荷1.2kW（全程恒定）
模拟烟气CO2入口浓度	1500 ~ 3000ppm（在设备监测量程0~5000ppm内）
碳捕集单元运行状态	全程连续投运
初始运行模式	低碳优先（30分钟后切换为经济优先）
环境温度	26℃
安全联锁阈值	氢气浓度超标、CO监测异常、储氢超压触发二级/一级联锁

3 、实验步骤

1．全面巡检：依次检查电气回路、氢气管路、碳捕集烟气管路、冷却系统、传感器、氢气泄漏检测器、急停与声光报警装置，确认所有设备无泄漏、接线正常、安全回路有效。

2．系统上电：依次启动总配电柜、EMS主机、PLC控制柜、HMI触摸屏、PCS与BMS系统，平台进入待机状态，核对所有模拟量、开关量信号采集正常。

3．参数预设：在HMI界面设置实验参数，锁定储能SOC区间、制氢功率上限、CO?监测量程；将系统初始运行模式设定为低碳优先。

4．模块分步投运：启动光伏模拟阵列、风机模拟电源，投入3.0kW基础电负荷、1.8kW热泵热负荷、1.2kW冷机冷负荷；待系统稳定5分钟后，启动PEM电解槽与缓冲储氢单元；最后启动CO?模拟烟气单元与碳捕集装置。

5．工况扰动设置：

l 0~30min：风光出力维持4.55.5kW，系统保持低碳优先模式稳定运行；

l第30min：通过HMI手动将运行模式切换为经济优先，记录模式切换响应时长；

l第50min：人为下调风光出力至3.0~3.8kW，模拟新能源出力跌落扰动；

l第80min：恢复风光出力至5.5~6.5kW，模拟新能源出力回升。

6．数据连续采集：全程按1分钟周期，记录风光出力、各负荷功率、储能功率及SOC、电解槽功率、CO?进出口浓度、碳捕集速率、电网交互功率、报警状态等数据。

7．实验收尾：实验至120min后，先依次关停碳捕集单元、电解槽、冷热负荷、风光模拟电源；待储能平稳降功率、氢气管路泄压完成后，关闭PCS、BMS、PLC与EMS，切断总电源，整理实验设备与管路。

8．数据导出：在EMS数据库导出全程趋势曲线、历史数据，用于后续计算与分析。

4 、实验数据记录示例

时刻/min	风光输入/kW	总电负荷/kW	电解槽功率/kW	储能功率/kW	SOC/%	CO入口浓度/ppm	CO出口浓度/ppm	碳捕集瞬时速率/NL/min	电网功率/kW	备注
0	5.2	6.0	1.2	-0.3	50	2200	860	1.8	0.0	系统启动，低碳模式运行
15	5.0	6.0	1.1	-0.1	49	2150	820	1.7	0.0	全模块稳定运行
30	4.8	6.0	0.7	+0.4	49	2080	950	1.2	0.0	切换为经济优先模式
45	4.2	6.0	0.6	+0.8	51	2000	920	1.1	0.0	经济模式持续运行
50	3.5	6.0	0.3	-1.2	51	1850	880	0.9	1.1	风光出力跌落，储能放电+电网补电
65	3.2	6.0	0.2	-1.5	47	1720	810	0.8	1.4	新能源低位运行
80	5.8	6.0	1.0	+0.6	46	2300	910	1.6	0.0	风光出力回升，制氢功率恢复
100	6.2	6.0	1.3	+0.9	48	2420	980	1.9	0.0	高风光出力，碳捕集效率提升
120	5.5	6.0	1.1	+0.5	50	2260	890	1.7	0.0	实验结束，系统平稳停机前状态

5 、实验结果与分析

1．电-氢-碳链路协同性分析

实验全程电解槽、碳捕集单元与风光、负荷、储能联动正常，无停机、误报警现象。风光出力充足时，富余电能优先供给电解制氢，同时保障碳捕集单元稳定工作；风光出力跌落时，制氢功率自动下调，储能立即放电配合电网补电，优先保障碳捕集与基础负荷供电，体现了系统保供优先>低碳目标>经济优化的优先级逻辑。

2．不同运行模式下碳捕集效果对比

l 0~30min低碳优先模式下，CO进出口浓度差更大，碳捕集瞬时速率稳定在1.71.8NL/min，碳利用效果最优；30min切换为经济优先模式后，系统小幅降低制氢与碳捕集负荷，碳捕集速率降至1.1~1.2NL/min，能耗有所降低，验证了两种模式的控制策略差异，模式切换时长约6s，满足≤10s的验收指标。

3．新能源扰动下系统调节能力

第50min风光出力从4.8kW骤降至3.5kW，系统1s内完成功率重新分配：电解槽降功率、储能由充电转为放电、电网小幅补电，碳捕集单元仅小幅降负荷未停机，证明储能可有效平抑新能源波动，保障碳管理链路连续运行。

4．安全与数据采集性能

全程CO、氢气浓度、压力、温度等模拟量数据采集完整，数据采集完整率≥99%；未触发一级/二级安全联锁，人为模拟轻微氢气泄漏时，报警响应时间1.6s，满足≤2s的安全指标。

5．闭环运行综合结论

整套平台成功实现"新能源发电→电解制氢→烟气碳捕集→碳资源化"的电-氢-碳闭环运行，碳捕集单元可适配不同功率负荷场景，多模块耦合逻辑清晰，完全满足双碳技术、多能系统相关教学与测试要求。

2026年6月17日 风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）

2026年6月17日风光储氢碳协同综合能源系统（10kW实验平台）