Haushalts-PV-ESS Energiemanagement-Simulationsstudie
Da die globale Energiekrise zunimmt und Umweltverschmutzung immer schwerwiegender wird, erhöhen Regierungen weltweit die Unterstützung für Forschung und Entwicklung in der Bereitstellung neuer Energieerzeugungsformen. Die Nutzung von Solaranlagen in Haushalten, eine wichtige zukünftige Richtung der PV-Industrie, erlangt zunehmend an Bedeutung. Allerdings können Probleme wie Leistungsschwankungen der PV-Komponenten und die Rationalität der Integration von Energiespeichereinheiten den Haushaltsstromverbrauch ernsthaft beeinträchtigen. Daher ist eine Energiemanagementstrategie erforderlich, um einen stabilen Energiefluss zwischen den Systemeinheiten zu koordinieren und einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Dieses Papier untersucht auf der Grundlage von Haushalts-PV-Energiespeichersystemen das Energiemanagement, um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen und eine theoretische Grundlage für praktische Anwendungen sauberer Energie zu liefern.
1 Analyse der Systemstruktur und des Energiemanagementalgorithmus
Die Topologie des untersuchten Haushalts-PV-Energiespeichersystems (Abbildung 1) besteht aus PV-Modulen, Lithium-Ionen-Speicherbatterien, Stromrichtern, dem Netz und Nutzerlasten. Die Ausgabe der PV-Module bildet über einen Boost-Wandler eine gemeinsame Gleichspannungsbusspannung. Die Lithium-Ionen-Batterien sind über einen Buck-Boost-Wandler mit diesem Bus verbunden. Der Gleichspannungsbus speist dann entweder in das Einphasen-Netz oder versorgt die Lasten unabhängig voneinander über einen Vollbrückenschaltsteller.
Das System legt den Fokus auf "Selbstversorgung". Die Ausgabe der PV-Module, als primäre Energiequelle, deckt zunächst die Nutzerlasten. Überschüssige oder fehlende PV-Leistung wird durch Lithiumbatterien (sekundäre Quelle) ausgeglichen; wenn sowohl PV-Module als auch Batterien ihre Grenzen erreichen, stellt das Netz (tertiäre Quelle) eine stabile Versorgung sicher.
Für die PV-Ausgabe, den Batteriezustand (SOC) und die Lade-Entladeleistung gilt: Wenn PPV < PPV-min}, schaltet sich der Boost-Wandler ab (keine Leistungsausgabe); andernfalls arbeitet er. Die Batterien stoppen das Laden, wenn SOC > 90% und das Entladen, wenn SOC < 10%. Pbat passt sich dynamisch an PPV und Pload an, im Bereich von 0 bis zur maximalen Batterieladeleistung. Um häufige Lade-Entlade-Oszillationen zu vermeiden, hängt der Zustand im nächsten Zyklus vom vorherigen Batteriezustand ab, was häufige Systemmoduswechsel verhindert.
Basierend darauf wird ein Energiemanagementalgorithmus für Haushalts-PV-Speichersysteme vorgeschlagen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
2 Analyse der Systembetriebsmodi und Energieflüsse
Geführt durch den Energiemanagementalgorithmus teilt sich der Systembetrieb in unabhängige und netzgekoppelte Modi, die jeweils weiter unterteilt werden:
2.1 Unabhängiger Betrieb (durch Hauptenergie)
Es gibt zwei Untermodi, die durch die Energiequelle definiert sind, die den Gleichspannungsbus steuert:
2.2 Netzgekoppelter Betrieb (durch Schaltstellerstatus)
Unterteilt nachdem, ob der Schaltsteller in Invertierung oder Rektifizierung arbeitet:
2.3 Modusgrenzen und Koordination
Die Auslösebedingungen und die Koordination der Geräte der vier Untermodi werden in Tabelle 1 (zu ergänzen) detailliert. Durch die dynamische Umschaltung von "PV-Batterie-Netz" und die adaptive Steuerung der Boost- und Buck-Boost-Wandler sowie des Schaltstellers ermöglicht das System einen effizienten Energiefluss in "Erzeugung-Speicherung-Verbrauch", wobei alle Haushaltsenergiebedarfe (offline, netzgekoppelt, Notfall usw.) abgedeckt werden.
Abbildung 3(a) zeigt das Signalbild für Modus 1: PV-Ausgabe = 4,8 kW, Last = 3 kW. Das PV-Modul gibt 240 Vdc aus; der Boost-Wandler stabilisiert den Gleichspannungsbus bei 480 Vdc. Der Schaltsteller arbeitet in unabhängiger Invertierung (220 Vac für Lasten), und der Buck-Boost-Wandler arbeitet im Buck-Modus (1,8 kW zum Laden der Batterie). Signalbilder (von oben nach unten): PV-Ausgangsstrom, Gleichspannungsbus-Spannung, Schaltsteller-Ausgangsspannung und Batterielade-Strom.
Abbildung 3(b) entspricht Modus 2: PV-Ausgabe = 5 kW (Batterie voll, daher ist der Buck-Boost-Wandler ausgeschaltet). Last = 3 kW; der Schaltsteller verwendet netzgekoppelte Invertierung, um den Gleichspannungsbus bei 480 Vdc zu halten und überschüssige Energie ins Netz einzuspeisen (9 A, synchronisiert mit der Netzs
