Hushålls PV-ESS energihanteringssimuleringstudie

Dyson

Fält: Elstandarder

China

Medan den globala energikrisen förvärras och miljöföroreningarna blir allvarligare ökar stödet från regeringar världen över för forskning och utveckling inom ny energiproduktion. Hushålls användning av solenergi i distribuerad generation, en viktig framtida riktning för fotovoltaikindustrin, har fått allt mer uppmärksamhet. Problem som fluktuationer i effekten från PV-komponenter och integrationens rimlighet av energilagringsenheter kan dock påverka hushållets elektricitetsanvändning allvarligt. För att samordna stabil energiflöde mellan systemenheterna och säkerställa smidig drift behövs en energihanteringsstrategi för att balansera tillgång och efterfrågan. Denna artikel studerar, baserat på hushålls-PV-energilagringsystem, energihantering för att möjliggöra stabil drift och ge en teoretisk grund för praktiska tillämpningar av ren energi.

1 Analys av systemstruktur och energihanteringsalgoritm

Topologin för det studerade hushålls-PV-energilagringsystemet (Figur 1) består av PV-moduler, lithium-ion-lagringsbatterier, effektomvandlare, nätet och användarbelastningar. Utgången från PV-modulerna bildar en gemensam DC-buss spänning via en Boost-omvandlare. Lithium-ionbatterier ansluts till denna buss genom en Buck-Boost-omvandlare. DC-bussen matar sedan ström till det enfasiga nätet eller levererar ström oberoende till belastningar via en fullbryggad omvandlare.

Systemet prioriterar "egenproduktion och egetförbrukning". Utgången från PV-modulerna, som primär energikälla, täcker först användarbelastningar. Överskott/underskott av PV-effekt balanseras av lithiumbatterier (sekundär källa); om både PV och batterier når gränserna säkerställer nätet (tertiär källa) en stabil tillförsel.

För PV-utgång, batteriets SOC (State of Charge) och laddnings-/avläsnings effekt: Om $P PV < P PV_min$ , stängs Boost-omvandlaren av (ingen effektutgång); annars fungerar den. Batterierna slutar ladda när SOC > 90% och släppa när SOC < 10%. $P bat$ justeras dynamiskt med $P PV$ och $P load$ , varierande från 0 till max batteriladdningseffekt. För att undvika frekventa laddnings-/avläsningsoscillationer beror nästa cykels tillstånd på föregående cykels batteritillstånd, vilket förhindrar frekventa systemlägesbyten.

Baserat på detta föreslås en energihanteringsalgoritm för hushålls-PV-lagringsystem, som visas i Figur 2.

2 Analys av systemdriftslägen och energiflöde

Genom energihanteringsalgoritmen delas systemets drift upp i oberoende och nätanslutna lägen, varje läge vidare underdelas som följer:

2.1 Oberoende drift (Av huvudkälla)

Det finns två underlägen, definierade av energikällan som kontrollerar DC-bussen:

PV-drivet läge

PV som huvudkälla; Boost fungerar i CV-läge för att stabilisera DC-bussen.
Omvandlaren fungerar i oberoende omvandlingsläge för belastningstillförsel.
Om PV-effekt > belastning + batteriladdningseffekt använder Buck-Boost Buck-läge för att ladda batteriet; annars är Buck-Boost inaktiv.
Utlösare: PV-utgång > belastning, batteri inte fullt.
Logik:

Batteridrivet läge

Batteri som huvudkälla; Buck-Boost fungerar i Boost-läge för att stabilisera DC-bussen.
Omvandlaren använder oberoende omvandlingsläge för belastningstillförsel.
Om PV har svag utgång fungerar Boost i MPPT-läge; om ingen PV-utgång är Boost inaktiv.
Utlösare: PV-utgång < belastning, batteri har återstående kapacitet.
Logik:

2.2 Nätanslutet drift (Av omvandlarens tillstånd)

Delas upp beroende på om omvandlaren är i omvandlings- eller rektifieringsläge:

Nätanslutet omvandlingsläge

Omvandlaren använder nätanslutet omvandlingsläge för att stabilisera DC-bussen, matar överflödande energi till nätet.
Boost fungerar i MPPT-läge för att maximera effektutgång.
Buck-Boost är inaktiv.
Utlösare: PV-utgång > belastning, batteri helt laddat.
Logik:

Nätanslutet rektifieringsläge

Omvandlaren använder nätanslutet rektifieringsläge för att stabilisera DC-bussen.
Buck-Boost fungerar i Buck-läge för att ladda batteriet tills SOC > 90%.
Om PV har svag utgång använder Boost MPPT-läge; om ingen PV-utgång är Boost inaktiv.
Utlösare: PV-utgång < belastning, batteri otillräckligt (både primär/sekundär källa når gränser).
Logik:

2.3 Lägegränser & samordning

De fyra underlägens utlösande villkor och utrustningssamordning beskrivs i Tabell 1 (kommer att läggas till). Genom dynamisk växling av "PV-batteri-nät" effekt och adaptiv kontroll av Boost/Buck-Boost-omvandlare och omvandlaren möjliggör systemet effektivt energiflöde i "produktion-lagring-förbrukning", täcker alla hushålls elbehov (off-grid, nätanslutet, nödsituationer, etc.).

Figur 3(a) visar vågformen för Läge 1: PV-utgång = 4,8 kW, belastning = 3 kW. PV-modulen ger 240 Vdc; Boost-omvandlaren stabiliserar DC-bussen på 480 Vdc. Omvandlaren fungerar i oberoende omvandlingsläge (220 Vac för belastningar), och Buck-Boost fungerar i Buck-läge (1,8 kW för att ladda batteriet). Vågformer (överst till nedan): PV-utgångsström, DC-buss spänning, omvandlarens utgångsspänning, och batteriladdningsström.

Figur 3(b) motsvarar Läge 2: PV-utgång = 5 kW (batteri fullt, så Buck-Boost är av). Belastning = 3 kW; omvandlaren använder nätanslutet omvandlingsläge för att hålla DC-bussen på 480 Vdc, matar överflödande energi till nätet (9 A, synkroniserad med nätspänningen). Vågformer: PV-utgångsström, DC-buss spänning, omvandlarens utgångsspänning, och nätanslutet ström.

Figur 3(c) visar Läge 3: PV-modulen når gränser (ingen utgång, Boost av). Energilagringsenheten drivs av systemet; Buck-Boost fungerar i Boost-läge (DC-buss = 480 Vdc). Omvandlaren använder oberoende omvandlingsläge (220 Vac för 3-kW belastningar). Vågformer: Batterisläppningsström, DC-buss spänning, och omvandlarens utgångsspänning. Figur 3(d) presenterar Läge 4: Både PV och energilagringsenhet når gränser (ingen utgång). Nätet drivs av belastningar (3 kW) och laddar batteriet; omvandlaren använder nätanslutet rektifieringsläge (DC-buss = 480 Vdc).