Huishoudelijke PV-ESS Energiebeheersimulatiestudie

Naarmate de wereldwijde energiecrisis erger wordt en milieuvervuiling ernstiger wordt, versterken overheden wereldwijd de steun voor R&D in nieuwe energiebronnen. Het gebruik van zonne-energie op huishoudelijk niveau, een belangrijke volgende fase voor de fotovoltaïsche industrie, krijgt steeds meer aandacht. Echter, problemen zoals fluctuaties in de stroomopbrengst van PV-onderdelen en de redelijkheid van integratie van energieopslageenheden kunnen het huishoudelijke elektriciteitsgebruik ernstig beïnvloeden. Daarom is een energiemanagementstrategie nodig om de stabiele energiestroom tussen systeemeenheden te coördineren en soepel te laten functioneren, teneinde aanbod en vraag in evenwicht te brengen. Dit artikel bestudeert, gebaseerd op huishoudelijke PV-energieopslagsystemen, energiemanagement om stabiel bedrijf mogelijk te maken en biedt een theoretische basis voor praktische toepassingen van schone energie.

1 Analyse van systeemstructuur en energiemanagementalgoritme

De topologie van het onderzochte huishoudelijke PV-energieopslagsysteem (Figuur 1) bestaat uit PV-modules, lithium-ion opslagaccu's, stroomconverters, het netwerk en gebruikerslasten. De uitvoer van de PV-module vormt een gemeenschappelijke DC-busspanning via een Boost-converter. Lithium-ion accu's zijn verbonden met deze bus via een Buck-Boost-converter. De DC-bus voedt vervolgens stroom toe aan het eenfasige net of levert onafhankelijk lasten via een full-bridge-inverter.

Het systeem geeft prioriteit aan "zelfgeneratie en zelfconsumptie". De uitvoer van de PV-module, als primaire energiebron, voldoet eerst aan de gebruikerslasten. Overschot/tekort aan PV-energie wordt geëvenaard door lithium-accu's (secundaire bron); indien zowel PV als accu's hun limieten bereiken, zorgt het net (tertiäre bron) voor een stabiele levering.

Voor PV-uitvoer, batterij SOC en laad-ontlaadvermogen: Als P_PV < P_PV-min}, wordt de Boost-converter uitgeschakeld (geen vermogensuitvoer); anders werkt hij. Batterijen stoppen met laden wanneer SOC > 90% en ontladen wanneer SOC < 10%. P_bat past dynamisch aan met P_PV en P_load, variërend van 0 tot maximaal batterijladingsvermogen. Om frequent laad-ontlaadoscillaties te voorkomen, hangt de status van de volgende cyclus af van de status van de vorige cyclus van de batterij, waardoor frequente systeemmoduswisselingen worden voorkomen.

Op basis hiervan wordt een energiemanagementalgoritme voor huishoudelijke PV-opslagsystemen voorgesteld, zoals weergegeven in Figuur 2.

2 Analyse van systeemoperatiemodi en energiestroom

Gestuurd door het energiemanagementalgoritme, wordt de operatie van het systeem verdeeld in onafhankelijke en aangesloten modi, elk verder onderverdeeld als volgt:

2.1 Onafhankelijke operatie (door hoofdvermogen)

Er zijn twee sub-modi, gedefinieerd door de energiebron die de DC-bus controleert:

• PV-gedreven modus

• PV als hoofdvermogen; Boost werkt in CV-modus om de DC-bus te stabiliseren.

• Inverter werkt in onafhankelijke inversie voor levering aan lasten.

• Als PV-kracht > last + batterijlaadkracht, gebruikt Buck-Boost Buck-modus om de batterij op te laden; anders, Buck-Boost staat stil.

• Trigger: PV-uitvoer > last, batterij niet vol.

• Logica:

• Batterij-gedreven modus

• Batterij als hoofdvermogen; Buck-Boost werkt in Boost-modus om de DC-bus te stabiliseren.

• Inverter gebruikt onafhankelijke inversie voor levering aan lasten.

• Als PV zwakke uitvoer heeft, werkt Boost in MPPT-modus; als er geen PV-uitvoer is, staat Boost stil.

• Trigger: PV-uitvoer < last, batterij heeft restcapaciteit.

• Logica:

2.2 Aangesloten operatie (door inverterstatus)

Onderverdeeld naar of de inverter in inversie of rechtkoppeling is:

• Aangesloten inversie

• Inverter gebruikt aangesloten inversie om de DC-bus te stabiliseren, overtollige energie wordt aan het net gevoerd.

• Boost werkt in MPPT-modus om de krachtproductie te maximaliseren.

• Buck-Boost staat stil.

• Trigger: PV-uitvoer > last, batterij volledig opgeladen.

• Logica:

• Aangesloten rechtkoppeling

• Inverter gebruikt aangesloten rechtkoppeling om de DC-bus te stabiliseren.

• Buck-Boost werkt in Buck-modus om de batterij op te laden tot SOC > 90%.

• Als PV zwakke uitvoer heeft, gebruikt Boost MPPT-modus; als er geen PV-uitvoer is, staat Boost stil.

• Trigger: PV-uitvoer < last, batterij ontoereikend (beide primaire/secundaire vermogen bereiken limieten).

• Logica:

2.3 Modusgrenzen en coördinatie

De triggercondities en apparatuurcoördinatie van de 4 sub-modi staan gedetailleerd in Tabel 1 (toe te voegen). Door dynamische schakeling van "PV-batterij-net" energie en adaptieve controle van Boost/Buck-Boost converters en de inverter, stelt het systeem efficiënte energiestroom in "generatie-opslag-verbruik" in, die alle huishoudelijke energiebehoeften dekt (off-grid, aangesloten, nood, etc.).

Figuur 3(a) toont de golfform voor Modus 1: PV-uitvoer = 4,8 kW, last = 3 kW. De PV-module levert 240 Vdc; de Boost-converter stabiliseert de DC-bus op 480 Vdc. De inverter werkt in onafhankelijke inversie (220 Vac voor lasten), en de Buck-Boost werkt in Buck-modus (1,8 kW om de batterij op te laden). Golfformen (boven naar beneden): PV-uitvoerstroom, DC-busspanning, inverteruitgangsspanning en batterijlaadstroom.

Figuur 3(b) komt overeen met Modus 2: PV-uitvoer = 5 kW (batterij vol, dus Buck-Boost uit). Last = 3 kW; de inverter gebruikt aangesloten inversie om de DC-bus op 480 Vdc te houden, overtollige energie wordt aan het net gevoerd (9 A, gesynchroniseerd met netspanning). Golfformen: PV-uitvoerstroom, DC-busspanning, inverteruitgangsspanning en aangesloten stroom.

Figuur 3(c) toont Modus 3: De PV-module bereikt limieten (geen uitvoer, Boost uit). De energieopslageenheid voedt het systeem; de Buck-Boost werkt in Boost-modus (DC-bus = 480 Vdc). De inverter gebruikt onafhankelijke inversie (220 Vac voor 3-kW lasten). Golfformen: Batterijontlaadstroom, DC-busspanning en inverteruitgangsspanning. Figuur 3(d) presenteert Modus 4: Zowel PV als energieopslag bereiken limieten (geen uitvoer). Het net voedt lasten (3 kW) en laadt de batterij; de inverter gebruikt aangesloten rechtkoppeling (DC-bus = 480 Vdc).

3. Conclusie (onderhoud van straatverlichting)

Het huidige onderhoud van stadsverlichting heeft tekortkomingen. Om dit te verbeteren, moet er gefocust worden op vier gebieden:

• Breid de financiering uit voor voldoende onderhoudsbudgetten.

• Versterk de publiciteit/inspecties om problemen tijdig op te lossen.

• Promoot groene verlichting om kosten te verlagen en efficiëntie te verhogen.

• Stel gestandaardiseerde managementsystemen in voor uniforme operaties.

Deze stappen zullen de efficiëntie van het beheer van straatverlichting verbeteren, bijdragen aan de werking van slimme steden en duurzame ontwikkeling.