مطالعه شبیه‌سازی مدیریت انرژی خانگی PV-ESS

با وخامت بحران انرژی جهانی و افزایش آلودگی محیط زیست، دولت‌ها در سراسر جهان حمایت خود را برای تحقیق و توسعه در تولید انرژی نوین افزایش می‌دهند. استفاده خانگی از تولید پراکنده خورشیدی، که یکی از جهات مهم بعدی صنعت فتوولتائیک است، به طور مداوم توجه بیشتری می‌یابد. با این حال، مشکلاتی مانند نوسانات خروجی اجزای فتوولتائیک و منطقی بودن یکپارچگی واحدهای ذخیره‌سازی انرژی می‌توانند به شدت بر استفاده از برق خانگی تأثیر بگذارند. بنابراین، برای هماهنگی جریان پایدار انرژی بین واحدهای سیستم و تضمین عملکرد هموار، نیاز به استراتژی مدیریت انرژی برای تعادل عرضه و تقاضا وجود دارد. این مقاله بر اساس سیستم‌های خانگی فتوولتائیک-ذخیره‌سازی انرژی، مدیریت انرژی را بررسی می‌کند تا عملکرد پایدار را فراهم کرده و پایه نظری برای کاربردهای عملی انرژی پاک ارائه دهد.

1 تحلیل ساختار سیستم و الگوریتم مدیریت انرژی

توپولوژی سیستم فتوولتائیک-ذخیره‌سازی انرژی خانگی مورد مطالعه (شکل 1) شامل ماژول‌های فتوولتائیک، باتری‌های لیتیوم-یون، تبدیل‌کننده‌های قدرت، شبکه و بارهای کاربر است. خروجی ماژول‌های فتوولتائیک با استفاده از تبدیل‌کننده Boost ولتاژ DC مشترک را تشکیل می‌دهد. باتری‌های لیتیوم-یون از طریق تبدیل‌کننده Buck-Boost به این خط متصل می‌شوند. خط DC سپس انرژی را به شبکه تک‌فاز یا مستقیماً به بارهای کاربر از طریق تبدیل‌کننده مبدل تمام پل تغذیه می‌کند.

سیستم اولویت "تولید و مصرف خود" را دارد. خروجی ماژول‌های فتوولتائیک به عنوان منبع اصلی، ابتدا بارهای کاربر را تأمین می‌کند. بقیه یا کمبود انرژی فتوولتائیک توسط باتری‌های لیتیوم-یون (منبع ثانویه) متعادل می‌شود؛ اگر هر دو منبع فتوولتائیک و باتری‌ها به حدود خود رسیده باشند، شبکه (منبع ثالث) تأمین پایدار را تضمین می‌کند.

برای خروجی فتوولتائیک، SOC باتری و قدرت شارژ-ریزی: اگر P_PV < P_PV-min}، تبدیل‌کننده Boost خاموش می‌شود (بدون خروجی قدرت)؛ در غیر این صورت، آن عمل می‌کند. باتری‌ها زمانی که SOC > 90٪ شارژ می‌شوند و زمانی که SOC < 10٪ ریزی می‌شوند. P_bat با P_PV و P_load به طور پویا تنظیم می‌شود، از 0 تا حداکثر قدرت شارژ باتری. برای جلوگیری از نوسانات مکرر شارژ-ریزی، وضعیت دوره بعدی به وضعیت قبلی باتری بستگی دارد، که از تغییرات مکرر حالت سیستم جلوگیری می‌کند.

بر این اساس، الگوریتم مدیریت انرژی برای سیستم‌های فتوولتائیک-ذخیره‌سازی خانگی پیشنهاد شده است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

2 تحلیل حالت‌های عملکرد سیستم و جریان انرژی

با هدایت الگوریتم مدیریت انرژی، عملکرد سیستم به دو حالت مستقل و متصل به شبکه تقسیم می‌شود، هر یک از آن‌ها به شرح زیر زیرمجموعه‌بندی می‌شود:

2.1 عملکرد مستقل (با منبع اصلی)

دو زیرحالت وجود دارد که توسط منبع تغذیه‌دهنده خط DC تعریف می‌شوند:

• حالت فتوولتائیک-محور

• فتوولتائیک به عنوان منبع اصلی؛ تبدیل‌کننده Boost در حالت CV برای پایدارسازی خط DC عمل می‌کند.

• مبدل در حالت مبدل مستقل برای تأمین بارهای کاربر عمل می‌کند.

• اگر انرژی فتوولتائیک > بار + قدرت شارژ باتری، Buck-Boost در حالت Buck برای شارژ باتری کار می‌کند؛ در غیر این صورت، Buck-Boost خاموش می‌شود.

• روشنگر: خروجی فتوولتائیک > بار، باتری پر نیست.

• منطق:

• حالت باتری-محور

• باتری به عنوان منبع اصلی؛ Buck-Boost در حالت Boost برای پایدارسازی خط DC عمل می‌کند.

• مبدل در حالت مبدل مستقل برای تأمین بارهای کاربر عمل می‌کند.

• اگر خروجی فتوولتائیک ضعیف است، Boost در حالت MPPT کار می‌کند؛ اگر خروجی فتوولتائیک ندارد، Boost خاموش می‌شود.

• روشنگر: خروجی فتوولتائیک < بار، باتری ظرفیت باقی‌مانده دارد.

• منطق:

2. 2 عملکرد متصل به شبکه (با وضعیت مبدل)

به تفکیک اینکه مبدل در حالت مبدل یا مستقیم است:

• مبدل متصل به شبکه

• مبدل در حالت مبدل متصل به شبکه برای پایدارسازی خط DC کار می‌کند و انرژی اضافی را به شبکه تزریق می‌کند.

• Boost در حالت MPPT برای به حداکثر رساندن خروجی قدرت کار می‌کند.

• Buck-Boost خاموش است.

• روشنگر: خروجی فتوولتائیک > بار، باتری پر است.

• منطق:

• مستقیم متصل به شبکه

• مبدل در حالت مستقیم متصل به شبکه برای پایدارسازی خط DC کار می‌کند.

• Buck-Boost در حالت Buck برای شارژ باتری تا زمانی که SOC > 90% کار می‌کند.

• اگر خروجی فتوولتائیک ضعیف است، Boost در حالت MPPT کار می‌کند؛ اگر خروجی فتوولتائیک ندارد، Boost خاموش می‌شود.

• روشنگر: خروجی فتوولتائیک < بار، باتری ناکافی است (هر دو منبع اصلی و ثانویه به حدود خود رسیده‌اند).

• منطق:

2.3 مرزهای حالت و هماهنگی

شرایط راه‌اندازی و هماهنگی تجهیزات چهار زیرحالت در جدول 1 (که باید اضافه شود) به طور دقیق توضیح داده شده است. از طریق تغییر پویا "فتوولتائیک-باتری-شبکه" و کنترل تطبیقی تبدیل‌کننده‌های Boost/Buck-Boost و مبدل، سیستم جریان انرژی کارآمد را در "تولید-ذخیره-مصرف" فراهم می‌کند و تمام نیازهای برق خانگی (خارج از شبکه، متصل به شبکه، اضطراری و غیره) را پوشش می‌دهد.

شکل 3(a) نمودار موج برای حالت 1: خروجی فتوولتائیک = 4.8 kW، بار = 3 kW. ماژول فتوولتائیک 240 Vdc خروجی می‌دهد؛ تبدیل‌کننده Boost خط DC را در 480 Vdc پایدار می‌کند. مبدل در حالت مبدل مستقل (220 Vac برای بارها) کار می‌کند و Buck-Boost در حالت Buck (1.8 kW برای شارژ باتری) کار می‌کند. نمودارهای موج (از بالا به پایین): جریان خروجی فتوولتائیک، ولتاژ خط DC، ولتاژ خروجی مبدل و جریان شارژ باتری.

شکل 3(b) مربوط به حالت 2 است: خروجی فتوولتائیک = 5 kW (باتری پر است، بنابراین Buck-Boost خاموش است). بار = 3 kW؛ مبدل در حالت مبدل متصل به شبکه برای پایدارسازی خط DC در 480 Vdc کار می‌کند و انرژی اضافی را به شبکه (9 A، همزمان با ولتاژ شبکه) تزریق می‌کند. نمودارهای موج: جریان خروجی فتوولتائیک، ولتاژ خط DC، ولتاژ خروجی مبدل و جریان متصل به شبکه.

شکل 3(c) حالت 3 را نشان می‌دهد: ماژول فتوولتائیک به حدود خود رسیده است (بدون خروجی، Boost خاموش است). واحد ذخیره‌سازی انرژی سیستم را تغذیه می‌کند؛ Buck-Boost در حالت Boost (خط DC = 480 Vdc) کار می‌کند. مبدل در حالت مبدل مستقل (220 Vac برای بارهای 3 kW) کار می‌کند. نمودارهای موج: جریان ریزی باتری، ولتاژ خط DC و ولتاژ خروجی مبدل. شکل 3(d) حالت 4 را نشان می‌دهد: هر دو فتوولتائیک و ذخیره‌سازی انرژی به حدود خود رسیده‌اند (بدون خروجی). شبکه بارهای (3 kW) را تغذیه می‌کند و باتری را شارژ می‌کند؛ مبدل در حالت مستقیم متصل به شبکه (خط DC = 480 Vdc) کار می‌کند.

3. نتیجه‌گیری (نگهداری چراغ‌های خیابانی)

نگهداری چراغ‌های خیابانی شهری در حال حاضر نقاط ضعفی دارد. برای بهبود، باید روی چهار زمینه تمرکز کرد:

• گسترش منابع تامین مالی برای بودجه‌های نگهداری کافی.

• تقویت تبلیغات و بازرسی‌ها برای حل مشکلات به موقع.

• 促进建设绿色照明，降低成本并提高效率。

• 建立标准化管理系统，实现统一操作。

这些措施将提高路灯管理的效率，支持智慧城市运营和绿色发展。