دراسة محاكاة إدارة الطاقة المنزلية لنظام تخزين الطاقة الكهروضوئية

حقل: المعايير الكهربائية

China

مع تفاقم الأزمة الطاقية العالمية وتزايد التلوث البيئي، تقوم الحكومات حول العالم بتعزيز دعمها للبحث والتطوير في مجال إنتاج الطاقة الجديدة. وقد اكتسب استخدام الأنظمة الشمسية الموزعة في المنازل، وهي من الاتجاهات الرئيسية القادمة لصناعة الخلايا الكهروضوئية، اهتماماً متزايداً. ومع ذلك، يمكن أن تؤثر مشاكل مثل التقلبات في إنتاج الطاقة من مكونات الخلايا الكهروضوئية وتكامل الوحدات تخزين الطاقة بشكل معقول بشكل كبير على استخدام الكهرباء المنزلي. لذا، من أجل تنسيق تدفق الطاقة المستقر بين وحدات النظام والتأكد من التشغيل السلس، يتطلب الأمر استراتيجية إدارة الطاقة لتوازن العرض والطلب. تستند هذه الورقة إلى أنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية، وتدرس إدارة الطاقة لتحقيق التشغيل المستقر وتوفير أساس نظري للتطبيقات العملية للطاقة النظيفة.

1 تحليل بنية النظام وخوارزمية إدارة الطاقة

تتكون طوبولوجيا نظام تخزين الطاقة الشمسية المنزلي المدروس (الشكل 1) من الوحدات الشمسية، وأجهزة تخزين البطاريات الليثيوم، وممحولات الطاقة، والشبكة، والأحمال المستخدمة. يشكل خرج الوحدات الشمسية فولتية الحافلة المباشرة المشتركة عبر محول Boost. تتصل بطاريات الليثيوم بهذه الحافلة عبر محول Buck-Boost. ثم يتم تزويد الطاقة من الحافلة المباشرة إلى الشبكة أحادية الطور أو تزويد الأحمال بشكل مستقل عبر محوّل عكسي رباعي الجسور.

يعطي النظام الأولوية لـ "الإنتاج الذاتي والاستهلاك الذاتي". يعتبر خرج الوحدات الشمسية المصدر الرئيسي للطاقة ويقوم أولاً بتلبية الأحمال المستخدمة. يتم توازن الفائض/نقصان الطاقة الشمسية بواسطة بطاريات الليثيوم (المصدر الثانوي)؛ وإذا وصلت كل من الطاقة الشمسية والبطاريات إلى حدودها، فإن الشبكة (المصدر الثالث) تضمن التزود المستقر بالطاقة.

بالنسبة لخرج الطاقة الشمسية، وحالة شحن البطارية، وقوة الشحن والإفراغ: إذا كان $P PV < P PV -min}$ ، يقوم محول Boost بإيقاف التشغيل (بدون إنتاج طاقة)؛ وإلا فإنه يعمل. تتوقف البطاريات عن الشحن عندما تكون حالة الشحن > 90٪ وعن الإفراغ عندما تكون حالة الشحن < 10٪. $P bat$ يتم تعديلها ديناميكياً مع $P PV$ و $P load$ ، تتراوح من 0 إلى قوة الشحن القصوى للبطارية. لتجنب التذبذبات المتكررة للشحن والإفراغ، تعتمد حالة الدورة التالية على حالة البطارية في الدورة السابقة، مما يمنع التحويل المتكرر بين وضعيات النظام.

بناءً على ذلك، تم اقتراح خوارزمية إدارة الطاقة لأنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية، كما هو موضح في الشكل 2.

2 تحليل وضعيات تشغيل النظام وتدفق الطاقة

تحت إرشاد خوارزمية إدارة الطاقة، يتم تقسيم تشغيل النظام إلى وضعيات مستقلة ومتصلة بالشبكة، والتي تُقسم بدورها كالتالي:

2.1 التشغيل المستقل (بواسطة الطاقة الرئيسية)

هناك وضعان فرعيان، يتم تعريفهما بمصدر الطاقة الذي يتحكم في الحافلة المباشرة:

وضعية التحكم بالطاقة الشمسية

الطاقية الشمسية كمصدر رئيسي للطاقة؛ يعمل محول Boost في وضع CV لتثبيت حافلة DC.
يعمل المحوّل العكسي في وضع الانعكاس المستقل لتزويد الأحمال.
إذا كانت الطاقة الشمسية > الحمل + قوة شحن البطارية، يستخدم محول Buck-Boost وضع Buck لشحن البطارية؛ وإلا، يكون محول Buck-Boost غير نشط.
المحفز: خرج الطاقة الشمسية > الحمل، البطارية ليست ممتلئة.
المنطق:

وضعية التحكم بالبطارية

البطارية كمصدر رئيسي للطاقة؛ يعمل محول Buck-Boost في وضع Boost لتثبيت حافلة DC.
يعمل المحوّل العكسي في وضع الانعكاس المستقل لتزويد الأحمال.
إذا كان خرج الطاقة الشمسية ضعيفًا، يعمل محول Boost في وضع MPPT؛ وإذا لم يكن هناك خرج للطاقة الشمسية، يكون محول Boost غير نشط.
المحفز: خرج الطاقة الشمسية < الحمل، البطارية تحتفظ بقدرة متبقية.
المنطق:

2.2 التشغيل المتصل بالشبكة (حسب حالة المحوّل العكسي)

يتم تقسيمه بناءً على ما إذا كان المحوّل العكسي في وضع الانعكاس أو التقويم:

الانعكاس المتصل بالشبكة

يعمل المحوّل العكسي في وضع الانعكاس المتصل بالشبكة لتثبيت حافلة DC، ويوفر الطاقة الزائدة للشبكة.
يعمل محول Boost في وضع MPPT لتوفير أقصى قدر من الطاقة.
محول Buck-Boost غير نشط.
المحفز: خرج الطاقة الشمسية > الحمل، البطارية ممتلئة.
المنطق:

التقويم المتصل بالشبكة

يعمل المحوّل العكسي في وضع التقويم المتصل بالشبكة لتثبيت حافلة DC.
يعمل محول Buck-Boost في وضع Buck لشحن البطارية حتى تصل حالة الشحن > 90%.
إذا كان خرج الطاقة الشمسية ضعيفًا، يعمل محول Boost في وضع MPPT؛ وإذا لم يكن هناك خرج للطاقة الشمسية، يكون محول Boost غير نشط.
المحفز: خرج الطاقة الشمسية < الحمل، البطارية غير كافية (وصلت كل من الطاقة الرئيسية والثانوية إلى حدودها).
المنطق:

2.3 حدود الوضعيات وتنسيقها

يتم تفصيل شروط تشغيل الوضعيات الفرعية الأربعة والتنسيق بين المعدات في الجدول 1 (سيتم إضافته). من خلال التحويل الديناميكي للطاقة "الطاقة الشمسية - البطارية - الشبكة" والتحكم التكيفي في محولات Boost/Buck-Boost والمحوّل العكسي، يمكن للنظام تحقيق تدفق طاقة فعال في "الإنتاج - التخزين - الاستهلاك"، مما يغطي جميع احتياجات الطاقة المنزلية (خارج الشبكة، متصل بالشبكة، حالات الطوارئ، إلخ).

يظهر الشكل 3(a) الموجة لوضعية 1: خرج الطاقة الشمسية = 4.8 كيلوواط، الحمل = 3 كيلوواط. تنتج الوحدات الشمسية 240 فولت DC؛ يقوم محول Boost بتثبيت حافلة DC عند 480 فولت DC. يعمل المحوّل العكسي في وضع الانعكاس المستقل (220 فولت AC للأحمال)، ويعمل محول Buck-Boost في وضع Buck (1.8 كيلوواط لشحن البطارية). الموجات (من الأعلى إلى الأسفل): تيار خرج الطاقة الشمسية، فولتية حافلة DC، فولتية خرج المحوّل العكسي، وتيار شحن البطارية.

يتوافق الشكل 3(b) مع وضعية 2: خرج الطاقة الشمسية = 5 كيلوواط (البطارية ممتلئة، لذا يكون محول Buck-Boost غير نشط). الحمل = 3 كيلوواط؛ يستخدم المحوّل العكسي وضع الانعكاس المتصل بالشبكة لتثبيت حافلة DC عند 480 فولت DC، ويقدم الطاقة الزائدة إلى الشبكة (9 أمبير، مزامنة مع فولتية الشبكة). الموجات: تيار خرج الطاقة الشمسية، فولتية حافلة DC، فولتية خرج المحوّل العكسي، وتيار متصل بالشبكة.

يظهر الشكل 3(c) وضعية 3: تصل الوحدات الشمسية إلى حدودها (لا يوجد خرج، محول Boost غير نشط). يقوم وحدة تخزين الطاقة بتزويد النظام بالطاقة؛ يعمل محول Buck-Boost في وضع Boost (حافلة DC = 480 فولت DC). يستخدم المحوّل العكسي وضع الانعكاس المستقل (220 فولت AC للأحمال 3 كيلوواط). الموجات: تيار إفراغ البطارية، فولتية حافلة DC، وفولتية خرج المحوّل العكسي. يعرض الشكل 3(d) وضعية 4: تصل كل من الطاقة الشمسية ووحدة تخزين الطاقة إلى حدودها (لا يوجد خرج). تقوم الشبكة بتزويد الأحمال (3 كيلوواط) بشحن البطارية؛ يستخدم المحوّل العكسي وضع التقويم المتصل بالشبكة (حافلة DC = 480 فولت DC).