مطالعه شبیه‌سازی مدیریت انرژی PV-ESS خانگی

با تشدید بحران انرژی جهانی و آلودگی محیط زیست، دولت‌های سراسر جهان حمایت از تحقیق و توسعه در تولید انرژی نوین را افزایش داده‌اند. استفاده خانگی از تولید پراکنده خورشیدی، که یکی از جهات مهم بعدی صنعت فتوولتائیک است، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. با این حال، مسائلی مانند نوسانات خروجی اجزای فتوولتائیک و منطقی بودن یکپارچه‌سازی واحد ذخیره‌سازی انرژی می‌توانند به طور جدی بر استفاده از برق خانگی تأثیر بگذارند. بنابراین، برای هماهنگی جریان پایدار انرژی بین واحدهای سیستم و تضمین عملکرد صاف، 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 کند 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 از طریق تبدیل‌کننده Boost ولتاژ DC مشترک را تشکیل می‌دهد. باتری‌های لیتیوم-یون از طریق تبدیل‌کننده Buck-Boost به این باند متصل می‌شوند. سپس باند DC انرژی را به شبکه تک‌فاز یا مستقل به بارها ارائه می‌دهد از طریق تبدیل‌کننده تمام پل.

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

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

بر اساس این، الگوریتم مدیریت انرژی برای سیستم‌های خانگی فتوولتائیک-ذخیره‌سازی انرژی 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 کدام به شرح زیر زیرمجموعه‌بندی می‌شوند:

2.1 عملکرد مستقل (با قدرت اصلی)

دو زیرحالت وجود دارد که توسط منبع قدرت کنترل کننده باند DC تعریف می‌شوند:

• حالت فتوولتائیک-محور

• فتوولتائیک به عنوان قدرت اصلی؛ تبدیل‌کننده Boost در حالت CV برای پایداری باند DC عمل می‌کند.

• تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل مستقل برای تأمین بار کاربر عمل می‌کند.

• اگر قدرت فتوولتائیک > بار + قدرت شارژ باتری، تبدیل‌کننده Buck-Boost در حالت Buck برای شارژ باتری عمل می‌کند؛ در غیر این صورت، تبدیل‌کننده Buck-Boost خاموش است.

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

• منطق:

• حالت باتری-محور

• باتری به عنوان قدرت اصلی؛ تبدیل‌کننده Buck-Boost در حالت Boost برای پایداری باند DC عمل می‌کند.

• تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل مستقل برای تأمین بار کاربر عمل می‌کند.

• اگر خروجی فتوولتائیک ضعیف است، تبدیل‌کننده Boost در حالت MPPT عمل می‌کند؛ اگر خروجی فتوولتائیک نداشته باشد، تبدیل‌کننده Boost خاموش است.

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

• منطق:

2. 2 عملکرد متصل به شبکه (با وضعیت تبدیل‌کننده تمام پل)

به تفکیک اینکه تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل یا مستقيم است:

• تبدیل متصل به شبکه

• تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل متصل به شبکه برای پایداری باند DC عمل می‌کند و انرژی اضافی را به شبکه تزریق می‌کند.

• تبدیل‌کننده Boost در حالت MPPT برای بیشینه‌سازی خروجی قدرت عمل می‌کند.

• تبدیل‌کننده Buck-Boost خاموش است.

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

• منطق:

• مستقيم متصل به شبکه

• تبدیل‌کننده تمام پل در حالت مستقيم متصل به شبکه برای پایداری باند DC عمل می‌کند.

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

• اگر خروجی فتوولتائیک ضعیف است، تبدیل‌کننده Boost در حالت MPPT عمل می‌کند؛ اگر خروجی فتوولتائیک نداشته باشد، تبدیل‌کننده Boost خاموش است.

• راه‌انداز: خروجی فتوولتائیک < بار، باتری کافی نیست (هر دو منبع اصلی و ثانویه به حدود خود رسیده‌اند).

• منطق:

2.3 مرزهای حالت و هماهنگی

شرایط راه‌انداز و هماهنگی تجهیزات چهار زیرحالت در جدول 1 (که باید اضافه شود) به طور دقیق توضیح داده شده است. از طریق تغییر پویای "فتوولتائیک-باتری-شبکه" و کنترل تطبیقی تبدیل‌کننده‌های Boost/Buck-Boost و تبدیل‌کننده تمام پل، سیستم به جریان کارآمد انرژی در "تولید-ذخیره-مصرف" کمک 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 باند DC را در 480 Vdc پایدار می‌کند. تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل مستقل (220 Vac برای بارها) عمل می‌کند و تبدیل‌کننده Buck-Boost در حالت Buck (1.8 kW برای شارژ باتری) عمل می‌کند. نمودارهای موج (از بالا به پایین): جریان خروجی فتوولتائیک، ولتاژ باند DC، ولتاژ خروجی تبدیل‌کننده تمام پل و جریان شارژ باتری.

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

شکل 3(c) حالت 3 را نشان می‌دهد: ماژول فتوولتائیک به حدود خود رسیده است (بدون خروجی، تبدیل‌کننده Boost خاموش است). واحد ذخیره‌سازی انرژی سیستم را تأمین می‌کند؛ تبدیل‌کننده Buck-Boost در حالت Boost (باند DC = 480 Vdc) عمل می‌کند. تبدیل‌کننده تمام پل در حالت تبدیل مستقل (220 Vac برای بار 3 kW) عمل می‌کند. نمودارهای موج: جریان خروجی باتری، ولتاژ باند DC و ولتاژ خروجی تبدیل‌کننده تمام پل. شکل 3(d) حالت 4 را نشان می‌دهد: هر دو فتوولتائیک و ذخیره‌سازی انرژی به حدود خود رسیده‌اند (بدون خروجی). شبکه بارها (3 kW) را تأمین می‌کند و باتری را شارژ می‌کند؛ تبدیل‌کننده تمام پل در حالت مستقيم متصل به شبکه (باند DC = 480 Vdc) عمل می‌کند.

3. نتیجه‌گیری (نگهداری چراغ‌های خیابانی)

نگهداری چراغ‌های خیابانی شهری فعلی نقص‌هایی دارد. برای بهبود، باید روی چهار زمینه تمرکز شود:

• گسترش منابع تامین مالی برای بودجه‌های نگهداری کافی.

• تقویت تبلیغات و بازرسی‌ها برای حل مشکلات به موقع.

• 促推广绿色照明以降低成本并提高效率。

• برقراری سیستم‌های مدیریت استاندارد برای عملیات یکپارچه.

این مراحل بهبود کارایی مدیریت چراغ‌های خیابانی را تضمین می‌کند و عملیات شهر هوشمند و توسعه سبز را پشتیبانی می‌کند.