Studio di simulazione sulla gestione dell'energia per sistemi fotovoltaici ed ESS domestici
A mano a mano che la crisi energetica globale si aggrava e l'inquinamento ambientale diventa sempre più grave, i governi di tutto il mondo stanno aumentando il sostegno alla R&D per la generazione di energia da fonti rinnovabili. L'uso domestico della generazione distribuita solare, una direzione chiave per la prossima fase dell'industria fotovoltaica, sta ricevendo sempre maggiore attenzione. Tuttavia, problemi come le fluttuazioni del rendimento dei componenti fotovoltaici e la razionalità dell'integrazione delle unità di accumulazione possono influire seriamente sull'uso domestico dell'elettricità. Pertanto, per coordinare un flusso energetico stabile tra le unità del sistema e garantire un funzionamento regolare, è necessaria una strategia di gestione energetica per bilanciare offerta e domanda. Questo articolo, basato sui sistemi domestici fotovoltaici-accumulo, studia la gestione energetica per consentire un funzionamento stabile e fornire una base teorica per applicazioni pratiche di energie pulite.
1 Analisi della struttura del sistema e algoritmo di gestione energetica
La topologia del sistema fotovoltaico-accumulo domestico studiato (Figura 1) comprende moduli fotovoltaici, batterie di accumulo a ioni di litio, convertitori di potenza, la rete e i carichi degli utenti. Il rendimento dei moduli fotovoltaici forma una tensione comune del bus DC attraverso un convertitore Boost. Le batterie a ioni di litio sono collegate a questo bus tramite un convertitore Buck-Boost. Il bus DC alimenta poi la rete monofase o fornisce indipendentemente i carichi attraverso un inverter a ponte completo.
Il sistema dà priorità alla "autogenerazione e autoconsumo". Il rendimento dei moduli fotovoltaici, come fonte principale, soddisfa prima i carichi degli utenti. Il surplus/difetto di potenza fotovoltaica viene bilanciato dalle batterie (fonte secondaria); se sia i pannelli fotovoltaici che le batterie raggiungono i limiti, la rete (fonte terziaria) garantisce un approvvigionamento stabile.
Per il rendimento fotovoltaico, lo stato di carica (SOC) della batteria e la potenza di carica-scarica: Se PPV < PPV-min, il convertitore Boost si spegne (nessun rendimento); altrimenti, funziona. Le batterie smettono di caricarsi quando SOC > 90% e di scaricarsi quando SOC < 10%. Pbat si adatta dinamicamente con PPV e Pload, variando da 0 alla massima potenza di carica della batteria. Per evitare oscillazioni frequenti di carica-scarica, lo stato del ciclo successivo dipende dallo stato della batteria nel ciclo precedente, prevenendo cambiamenti frequenti del modo di funzionamento del sistema.
Basandosi su ciò, viene proposto un algoritmo di gestione energetica per i sistemi fotovoltaici-accumulo domestici, come mostrato nella Figura 2.
2 Analisi dei modi di funzionamento del sistema e del flusso energetico
Guidati dall'algoritmo di gestione energetica, il funzionamento del sistema si divide in modalità indipendente e collegata alla rete, ciascuna ulteriormente suddivisa come segue:
2.1 Funzionamento indipendente (da fonte principale)
Esistono due sottomodi, definiti dalla fonte di potenza che controlla il bus DC:
2.2 Funzionamento collegato alla rete (per lo stato dell'inverter)
Suddiviso in base a se l'inverter è in inversione o rettificazione:
2.3 Confini dei modi e coordinamento
Le condizioni di trigger dei 4 sottomodi e la coordinazione delle apparecchiature sono dettagliate nella Tabella 1 (da aggiungere). Attraverso il cambio dinamico di "fotovoltaico-batteria-rete" e il controllo adattativo dei convertitori Boost/Buck-Boost e dell'inverter, il sistema consente un flusso energetico efficiente in "generazione-accumulo-consumo", coprendo tutti i bisogni energetici domestici (off-grid, collegati alla rete, emergenze, ecc.).
La Figura 3(a) mostra la forma d'onda per la Modalità 1: rendimento fotovoltaico = 4,8 kW, carico = 3 kW. Il modulo fotovoltaico produce 240 Vdc; il convertitore Boost stabilizza il bus DC a 480 Vdc. L'inverter funziona in inversione indipendente (220 Vac per i carichi), e il Buck-Boost lavora in modalità Buck (1,8 kW per caricare la batteria). Forme d'onda (dall'alto verso il basso): corrente di uscita fotovoltaica, tensione del bus DC, tensione di uscita dell'inverter e corrente di carica della batteria.
La Figura 3(b) corrisponde alla Modalità 2: rendimento fotovoltaico = 5 kW (batteria piena, quindi Buck-Boost spento). Carico = 3 kW; l'inverter utilizza l'inversione collegata alla rete per mantenere il bus DC a 480 Vdc, alimentando l'eccesso di energia alla rete (9 A, sincronizzato con la tensione della rete). Forme d'onda: corrente di uscita fotovoltaica, tensione del bus DC, tensione di uscita dell'inverter e corrente collegata alla rete.
La Figura 3(c) mostra la Modalità 3: il modulo fotovoltaico raggiunge i limiti (nessun rendimento, Boost spento). L'unità di accumulazione alimenta il sistema; il Buck-Boost funziona in modalità Boost (bus DC = 480 Vdc). L'inverter utilizza l'inversione indipendente (220 Vac per carichi di 3 kW). Forme d'onda: corrente di scarica della batteria, tensione del bus DC e tensione di uscita dell'inverter. La Figura 3(d) presenta la Modalità 4: sia i pannelli fotovoltaici che l'unità di accumulazione raggiungono i limiti (nessun rendimento). La rete alimenta i carichi (3 kW) e carica la batteria; l'inverter utilizza la rettificazione collegata alla rete (bus DC = 480 Vdc).
3. Conclusione (manutenzione dei lampioni stradali)
La manutenzione attuale dei lampioni stradali urbani presenta dei punti deboli. Per migliorarla, si dovrebbe concentrare su quattro aree:
Questi passaggi miglioreranno l'efficienza della gestione dei lampioni stradali, supportando le operazioni delle città intelligenti e lo sviluppo sostenibile.
