Μελέτη Σιμουλάσεως Διαχείρισης Ενέργειας Οικιακών Φωτοβολταϊκών-Συστημάτων Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας
Όσο η παγκόσμια ενεργειακή κρίση επιδεινώνεται και η περιβαλλοντική ρύπανση γίνεται πιο σοβαρή, οι κυβερνήσεις παγκοσμίως αυξάνουν την υποστήριξη για έρευνα και ανάπτυξη (R&D) στην παραγωγή νέας ενέργειας. Η οικιακή χρήση φωτοβολταϊκών διανεμημένων συστημάτων, ένα βασικό μέλημα για την επόμενη φάση της βιομηχανίας PV, έχει αρχίσει να προσελκύει όλο και περισσότερη προσοχή. Ωστόσο, ζητήματα όπως οι κυμαίνονται παραγωγής ενέργειας των φωτοβολταϊκών συσταδιών και η λογική ενσωμάτωση μονάδων αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την οικιακή χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, για να συντονιστεί η σταθερή ροή ενέργειας μεταξύ των μονάδων του συστήματος και να εξασφαλιστεί η ομαλή λειτουργία, απαιτείται μια στρατηγική διαχείρισης ενέργειας που θα εξισορροπεί την προσφορά και τη ζήτηση. Αυτή η εργασία, με βάση τα οικιακά φωτοβολταϊκά-συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, μελετά τη διαχείριση ενέργειας για να επιτρέψει σταθερή λειτουργία και να παράσχει θεωρητική βάση για τις πρακτικές εφαρμογές καθαρής ενέργειας.
1 Ανάλυση της Δομής του Συστήματος και του Αλγορίθμου Διαχείρισης Ενέργειας
Η τοπολογία του μελετημένου οικιακού φωτοβολταϊκού-συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (Σχήμα 1) περιλαμβάνει φωτοβολταϊκά μέλη, μπαταρίες αιθαλούχων ιοντών, μετατροπείς ενέργειας, το δίκτυο και φορτία χρηστών. Η παραγωγή των φωτοβολταϊκών μελών δημιουργεί μια κοινή DC λεωφορεία τάσης μέσω ενός Boost μετατροπέα. Οι μπαταρίες αιθαλούχων ιοντών συνδέονται με αυτή τη λεωφορεία μέσω ενός Buck-Boost μετατροπέα. Η DC λεωφορεία τότε παρέχει ενέργεια στο μονοφάσειο δίκτυο ή εφοδιάζει ανεξάρτητα τα φορτία μέσω ενός full-bridge μετατροπέα.
Το σύστημα δίνει προτεραιότητα στην "αυτοπαραγωγή και αυτοκατανάλωση". Η παραγωγή των φωτοβολταϊκών μελών, ως πρωτεύουσα πηγή ενέργειας, πρώτα καλύπτει τα φορτία των χρηστών. Το πλεόνασμα/έλλειμμα ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά μελη εξισορροπείται από τις μπαταρίες αιθαλούχων ιοντών (δευτερεύουσα πηγή); αν και τα φωτοβολταϊκά μέλη και οι μπαταρίες φτάσουν στα όριά τους, το δίκτυο (τρίτη πηγή) εγγυάται σταθερή εφοδιασμό.
Για την παραγωγή ενέργειας των φωτοβολταϊκών μελών, το SOC των μπαταριών και την εξαγωγή-εισαγωγή ενέργειας: Αν PPV < PPV-min}, ο Boost μετατροπέας σταματάει (καμία παραγωγή ενέργειας); αλλιώς, λειτουργεί. Οι μπαταρίες σταματούν τη φόρτιση όταν το SOC > 90% και την απόφορτιση όταν το SOC < 10%. Pbat προσαρμόζεται δυναμικά με το PPV και το Pload, κυμαίνονται από 0 έως τη μέγιστη εξαγωγή-εισαγωγή ενέργειας των μπαταριών. Για να αποφευχθούν συχνές κυμαίνονται φόρτισης-απόφορτισης, ο επόμενος κύκλος εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση των μπαταριών, αποτρέποντας συχνές αλλαγές καταστάσεων του συστήματος.
Βασιζόμενοι σε αυτό, προτείνεται ένας αλγόριθμος διαχείρισης ενέργειας για οικιακά φωτοβολταϊκά-συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
2 Ανάλυση των Λειτουργιών του Συστήματος και της Ροής Ενέργειας
Με βάση τον αλγόριθμο διαχείρισης ενέργειας, η λειτουργία του συστήματος χωρίζεται σε ανεξάρτητες και συνδεδεμένες με το δίκτυο λειτουργίες, καθεμία από τις οποίες χωρίζεται περαιτέρω ως εξής:
2.1 Ανεξάρτητη Λειτουργία (Από Κύρια Πηγή)
Υπάρχουν δύο υπο-λειτουργίες, ορισμένες από την πηγή ενέργειας που ελέγχει τη DC λεωφορεία:
2. 2 Συνδεδεμένη Λειτουργία (Από Κατάσταση Μετατροπέα)
Χωρίζεται ανάλογα με το αν ο μετατροπέας είναι σε αντιστροφή ή ορθογόνηση:
2.3 Όρια Λειτουργιών και Συντονισμός
Τα όρια εκκίνησης των 4 υπο-λειτουργιών και η συντονισμός των εξοπλισμών λεπτομερώς περιγράφονται στο Πίνακα 1 (θα προστεθεί). Μέσω δυναμικής αλλαγής "φωτοβολταϊκά-μπαταρίες-δίκτυο" ενέργειας και προσαρμοστικής ελέγχου των Boost/Buck-Boost μετατροπέων και του μετατροπέα, το σύστημα επιτρέπει αποτελεσματική ροή ενέργειας σε "παραγωγή-αποθήκευση-κατανάλωση", καλύπτοντας όλες τις οικιακές ανάγκες ενέργειας (αποσυνδεδεμένες, συνδεδεμένες, έκτακτες, κλπ.).
Το Σχήμα 3(a) δείχνει την κύματα για την Λειτουργία 1: Εξαγωγή ενέργειας των φωτοβολταϊκών = 4.8 kW, φορτία = 3 kW. Τα φωτοβολταϊκά μέλη εξάγουν 240 Vdc; ο Boost μετατροπέας σταθεροποιεί τη DC λεωφορεία σε 480 Vdc. Ο μετατροπέας λειτουργεί σε ανεξάρτητη αντιστροφή (220 Vac για τα φορτία), και ο Buck-Boost μετατροπέας λειτουργεί σε Buck λειτουργία (1.8 kW για τη φόρτιση των μπαταριών). Κύματα (από πάνω προς τα κάτω): Ρεύμα εξαγωγής των φωτοβολταϊκών, τάση DC λεωφορείας, τάση εξόδου του μετατροπέα, και ρεύμα φόρτισης των μπαταριών.
Το Σχήμα 3(b) αντιστοιχεί στην Λειτουργία 2: Εξαγωγή ενέργειας των φωτοβολταϊκών = 5 kW (οι μπαταρίες είναι πλήρεις, ο Buck-Boost είναι άνεργος). Φορτία = 3 kW; ο μετατροπέας χρησιμοποιεί συνδεδεμένη αντιστροφή για να σταθεροποιήσει τη DC λεωφορεία σε 480 Vdc, παρέχοντας υπερβολική ενέργεια στο δίκτυο (9 A, συγχρονισμένη με την τάση του δικτύου). Κύματα: Ρεύμα εξαγωγής των φωτοβολταϊκών, τάση DC λεωφορείας, τάση εξόδου του μετατροπέα, και ρεύμα συνδεδεμένου.
Το Σχήμα 3(c) δείχνει την Λειτουργία 3: Τα φωτοβολταϊκά μέλη φτάνουν στα όρια (καμία εξαγωγή, ο Boost είναι άνεργος). Η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας εφοδιάζει το σύστημα; ο Buck-Boost μετατροπέας λειτουργεί σε Boost λειτουργία (DC λεωφορεία = 480 Vdc). Ο μετατροπέας χρησιμοποιεί ανεξάρτητη αντιστροφή (220 Vac για 3-kW φορτία). Κύματα: Ρεύμα απόφορτισης των μπαταριών, τάση DC λεωφορείας, και τάση εξόδου του μετατροπέα. Το Σχήμα 3(d) παρουσιάζει την Λειτουργία 4: Και τα φωτοβολταϊκά μέλη και η μονάδα
