Estudio de simulación de gestión de energía para sistemas fotovoltaicos y de almacenamiento de energía domésticos
A medida que la crisis energética global empeora y la contaminación ambiental se vuelve más severa, los gobiernos de todo el mundo están aumentando el apoyo a la I+D en generación de energía renovable. El uso doméstico de la generación distribuida solar, una dirección clave para la próxima fase de la industria fotovoltaica, ha ganado cada vez más atención. Sin embargo, problemas como las fluctuaciones en la producción de energía de los componentes fotovoltaicos y la racionalidad de la integración de unidades de almacenamiento de energía pueden afectar seriamente el uso de electricidad en el hogar. Por lo tanto, para coordinar un flujo de energía estable entre las unidades del sistema y garantizar un funcionamiento sin problemas, se necesita una estrategia de gestión de energía para equilibrar la oferta y la demanda. Este artículo, basado en sistemas domésticos de almacenamiento de energía fotovoltaica, estudia la gestión de energía para permitir un funcionamiento estable y proporcionar una base teórica para aplicaciones prácticas de energía limpia.
1 Análisis de la estructura del sistema y algoritmo de gestión de energía
La topología del sistema de almacenamiento de energía fotovoltaica doméstico estudiado (Figura 1) comprende módulos fotovoltaicos, baterías de iones de litio, convertidores de potencia, la red y cargas de usuario. La salida de los módulos fotovoltaicos forma una tensión de bus DC común a través de un convertidor Boost. Las baterías de iones de litio se conectan a este bus a través de un convertidor Buck-Boost. El bus DC luego alimenta la red monofásica o suministra las cargas independientemente a través de un inversor puente completo.
El sistema prioriza la "autogeneración y autoconsumo". La salida de los módulos fotovoltaicos, como fuente de energía principal, primero satisface las cargas de usuario. El exceso o déficit de energía fotovoltaica se equilibra con las baterías de iones de litio (fuente secundaria); si tanto la PV como las baterías alcanzan sus límites, la red (fuente terciaria) asegura un suministro estable.
Para la salida de PV, el SOC de la batería y la potencia de carga-descarga: Si PPV < PPV_min, el convertidor Boost se apaga (sin salida de potencia); de lo contrario, opera. Las baterías dejan de cargar cuando SOC > 90% y de descargarse cuando SOC < 10%. Pbat se ajusta dinámicamente con PPV y Pload, variando desde 0 hasta la potencia máxima de carga de la batería. Para evitar oscilaciones frecuentes de carga-descarga, el estado del próximo ciclo depende del estado de la batería en el ciclo anterior, evitando cambios frecuentes de modo del sistema.
Basándose en esto, se propone un algoritmo de gestión de energía para sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica doméstica, como se muestra en la Figura 2.
2 Análisis de los modos de operación del sistema y el flujo de energía
Guiado por el algoritmo de gestión de energía, la operación del sistema se divide en modos de operación independiente y conectado a la red, cada uno subdividido de la siguiente manera:
2.1 Operación independiente (por fuente de energía principal)
Existen dos submodos, definidos por la fuente de energía que controla el bus DC:
2.2 Operación conectada a la red (por estado del inversor)
Dividida por si el inversor está en inversión o rectificación:
2.3 Límites de modo y coordinación
Las condiciones de disparo de los 4 submodos y la coordinación del equipo se detallan en la Tabla 1 (por agregar). A través de la conmutación dinámica de "PV-batería-red" y el control adaptativo de los convertidores Boost/Buck-Boost e inversor, el sistema permite un flujo de energía eficiente en "generación-almacenamiento-consumo", cubriendo todas las necesidades de energía del hogar (desconectado, conectado a la red, emergencias, etc.).
La Figura 3(a) muestra la forma de onda para el Modo 1: Salida de PV = 4.8 kW, carga = 3 kW. El módulo PV genera 240 Vdc; el convertidor Boost estabiliza el bus DC en 480 Vdc. El inversor opera en inversión independiente (220 Vac para las cargas), y Buck-Boost trabaja en modo Buck (1.8 kW para cargar la batería). Formas de onda (de arriba a abajo): Corriente de salida de PV, tensión del bus DC, tensión de salida del inversor y corriente de carga de la batería.
La Figura 3(b) corresponde al Modo 2: Salida de PV = 5 kW (batería llena, por lo que Buck-Boost está apagado). Carga = 3 kW; el inversor usa inversión conectada a la red para mantener el bus DC en 480 Vdc, alimentando la energía excedente a la red (9 A, sincronizada con la tensión de la red). Formas de onda: Corriente de salida de PV, tensión del bus DC, tensión de salida del inversor y corriente conectada a la red.
La Figura 3(c) muestra el Modo 3: El módulo PV alcanza sus límites (sin salida, Boost apagado). La unidad de almacenamiento de energía alimenta el sistema; Buck-Boost opera en modo Boost (bus DC = 480 Vdc). El inversor usa inversión independiente (220 Vac para 3 kW de carga). Formas de onda: Corriente de descarga de la batería, tensión del bus DC y tensión de salida del inversor. La Figura 3(d) presenta el Modo 4: Tanto PV como el almacenamiento de energía alcanzan sus límites (sin salida). La red alimenta las cargas (3 kW) y carga la batería; el inversor usa rectificación conectada a la red (bus DC = 480 Vdc).
3. Conclusión (mantenimiento de farolas)
El mantenimiento actual de las farolas urbanas tiene deficiencias. Para mejorar, se debe enfocar en cuatro áreas:
Estos pasos mejorarán la eficiencia en la gestión de las farolas, apoyando las operaciones de ciudades inteligentes y el desarrollo sostenible.
