Simulacijska studija upravljanja energijom kućanskih PV-ESS sistema

Polje: Električni standardi

China

S obzirom na pogoršanje globalne energetske krize i sve ozbiljniju ekološku zagađenja, vlade širom svijeta povećavaju podršku istraživanju i razvoju (R&D) novih izvora energije. Korištenje solarnog raspodijeljenog proizvodnog sustava u kućanstvima, ključna slijedeća faza za fotovoltaičku industriju, privlači sve više pažnje. Međutim, problemi poput fluktuacija snage iz fotovoltaičkih komponenti i racionalnosti integracije jedinica za pohranu energije mogu ozbiljno utjecati na upotrebu električne energije u kućanstvima. Stoga je potrebna strategija upravljanja energijom kako bi se koordinirao stabilni protok energije između jedinica sustava i osiguralo gladko funkcioniranje, balansirajući ponudu i potražnju. Ovaj rad, temeljen na kućanskim fotovoltaičkim - sustavima za pohranu energije, proučava upravljanje energijom kako bi omogućio stabilno funkcioniranje i pružio teorijsku osnovu za praktičnu primjenu čiste energije.

1 Analiza strukture sustava i algoritma upravljanja energijom

Topologija proučavanog kućanskog fotovoltaičkog - sustava za pohranu energije (Slika 1) sastoji se od fotovoltaičkih modula, litij-ionskih baterija, pretvarača snage, mreže i korisničkih opterećenja. Izlaz fotovoltaičkih modula stvara zajednički napon skupne linije DC preko pretvarača Boost. Litij-ionske baterije povezuju se s ovom skupnom linijom putem pretvarača Buck-Boost. Skupna linija DC tada isporučuje snagu u jednofaznu mrežu ili neovisno isporučuje opterećenja preko cijelog mosta invertera.

Sustav prioritetira "samostalnu proizvodnju i samostalnu upotrebu". Izlaz fotovoltaičkih modula, kao glavni izvor snage, prvo zadovoljava korisnička opterećenja. Prekomjerna/nedostatak fotovoltaičke snage bilanсируется литий-ионными батареями (вторичный источник); если и солнечные панели, и батареи достигают предела, то сетевое питание (третичный источник) обеспечивает стабильное снабжение.

Za izlaz fotovoltaičkih panela, SOC baterija i snagu punjenja-iščerpanja: Ako $P PV < P PV_min$ , pretvarač Boost se isključuje (bez izlaza snage); inače, radi. Baterije prestaju s punjenjem kada SOC > 90% i s ispunjavanjem kada SOC < 10%. $P bat$ dinamički se prilagođava sa $P PV$ i $P load$ , od 0 do maksimalne snage punjenja baterije. Da bi se spriječile česte oscilacije punjenja-iščerpanja, stanje u sljedećem ciklusu ovisi o prethodnom stanju baterije, spriječavajući česte promjene načina rada sustava.

Na temelju toga, predlaže se algoritam upravljanja energijom za kućanske fotovoltaičke-sustave za pohranu energije, prikazan na slici 2.

2 Analiza načina rada sustava i protoka energije

Pod vodstvom algoritma upravljanja energijom, rad sustava dijeli se na nezavisne i spojene s mrežom načine rada, svaki dalje podijeljen na sljedeće:

2.1 Nezavisni rad (Glavna snaga)

Postoje dvije podmodalitete, definirane izvorom snage koji kontrolira skupnu liniju DC:

Mod PV-priveden

PV kao glavna snaga; Boost radi u modu CV kako bi stabilizirao skupnu liniju DC.
Inverter radi u nezavisnom inverziji za isporuku opterećenju.
Ako je snaga PV > opterećenje + snaga punjenja baterije, Buck-Boost koristi mod Buck za punjenje baterije; inače, Buck-Boost miruje.
Okidač: Izlaz PV > opterećenje, baterija nije puna.
Logika:

Mod baterija-priveden

Baterija kao glavna snaga; Buck-Boost radi u modu Boost kako bi stabilizirao skupnu liniju DC.
Inverter koristi nezavisnu inverziju za isporuku opterećenju.
Ako je izlaz PV slab, Boost radi u modu MPPT; ako nema izlaza PV, Boost miruje.
Okidač: Izlaz PV < opterećenje, baterija ima preostali kapacitet.
Logika:

2. 2 Rad spojen s mrežom (Stanje invertera)

Podijeljen prema tome, radi li inverter u inverziji ili rektifikaciji:

Spojen s mrežom inverzija

Inverter koristi spojenu s mrežom inverziju kako bi stabilizirao skupnu liniju DC, isporučujući prekomjernu energiju u mrežu.
Boost radi u modu MPPT kako bi maksimizirao izlaz snage.
Buck-Boost miruje.
Okidač: Izlaz PV > opterećenje, baterija je puna.
Logika:

Spojen s mrežom rektifikacija

Inverter koristi spojenu s mrežom rektifikaciju kako bi stabilizirao skupnu liniju DC.
Buck-Boost radi u modu Buck kako bi punio bateriju dok SOC > 90%.
Ako je izlaz PV slab, Boost koristi mod MPPT; ako nema izlaza PV, Boost miruje.
Okidač: Izlaz PV < opterećenje, baterija nedovoljna (oba primarni/sekundarni izvora snage dostignu granice).
Logika:

2.3 Granice moda i koordinacija

Uslovi okidača za 4 podmoda i koordinacija opreme detaljno su navedeni u Tablici 1 (treba dodati). Kroz dinamičko prebacivanje snage "PV-baterija-mreža" i prilagodbu kontrole pretvarača Boost/Buck-Boost i invertera, sustav omogućuje učinkoviti protok energije u "proizvodnji-pohrani-upotrebi", pokrivajući sve potrebe kućanstva (vanmrežni, spojen s mrežom, hitne situacije itd.).

Slika 3(a) prikazuje valni oblik za Mod 1: Izlaz PV = 4,8 kW, opterećenje = 3 kW. Fotovoltaički modul daje 240 Vdc; pretvarač Boost stabilizira skupnu liniju DC na 480 Vdc. Inverter radi u nezavisnoj inverziji (220 Vac za opterećenje), a Buck-Boost radi u modu Buck (1,8 kW za punjenje baterije). Valni oblici (od vrha do dna): Struja izlaza PV, napon skupne linije DC, napon izlaza invertera i struja punjenja baterije.

Slika 3(b) odgovara Modu 2: Izlaz PV = 5 kW (baterija puna, tako da je Buck-Boost isključen). Opterećenje = 3 kW; inverter koristi spojenu s mrežom inverziju kako bi držao skupnu liniju DC na 480 Vdc, isporučujući prekomjernu energiju u mrežu (9 A, sinkronizirano s naponom mreže). Valni oblici: Struja izlaza PV, napon skupne linije DC, napon izlaza invertera i struja spojena s mrežom.

Slika 3(c) prikazuje Mod 3: Fotovoltaički modul doseguje granice (bez izlaza, Boost isključen). Jedinka za pohranu energije snabdijeva sustav; Buck-Boost radi u modu Boost (skupna linija DC = 480 Vdc). Inverter koristi nezavisnu inverziju (220 Vac za 3-kW opterećenje). Valni oblici: Struja ispraznjenja baterije, napon skupne linije DC i napon izlaza invertera. Slika 3(d) prikazuje Mod 4: I PV i jedinka za pohranu energije doseguju granice (bez izlaza). Mreža snabdijeva opterećenje (3 kW) i puni bateriju; inverter koristi spojenu s mrežom rektifikaciju (skupna linija DC = 480 Vdc).