Nghiên cứu mô phỏng quản lý năng lượng hệ thống PV-ESS gia đình

Trường dữ liệu: Tiêu chuẩn Điện

China

Khi cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu ngày càng nghiêm trọng và ô nhiễm môi trường trở nên tồi tệ hơn, các chính phủ trên toàn thế giới đang tăng cường hỗ trợ cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực sản xuất năng lượng mới. Việc sử dụng hệ thống phân tán năng lượng mặt trời trong gia đình, một hướng đi quan trọng tiếp theo của ngành công nghiệp PV, đã nhận được sự chú ý ngày càng nhiều. Tuy nhiên, những vấn đề như sự dao động của công suất đầu ra của các thành phần PV và tính hợp lý của việc tích hợp đơn vị lưu trữ năng lượng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sử dụng điện trong gia đình. Do đó, để điều phối dòng năng lượng ổn định giữa các đơn vị hệ thống và đảm bảo hoạt động trơn tru, cần có một chiến lược quản lý năng lượng để cân bằng cung và cầu. Bài viết này, dựa trên hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời trong gia đình, nghiên cứu về quản lý năng lượng để cho phép vận hành ổn định và cung cấp cơ sở lý thuyết cho ứng dụng năng lượng sạch thực tế.

1 Phân tích Cấu trúc Hệ thống và Thuật toán Quản lý Năng lượng

Cấu trúc của hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời trong gia đình được nghiên cứu (Hình 1) bao gồm các mô-đun PV, pin lithium-ion, bộ chuyển đổi điện, lưới điện và tải người dùng. Đầu ra của mô-đun PV tạo thành một điện áp bus DC chung thông qua bộ chuyển đổi Boost. Pin lithium-ion kết nối với bus này thông qua bộ chuyển đổi Buck-Boost. Bus DC sau đó cung cấp điện vào lưới điện một pha hoặc cung cấp độc lập cho tải thông qua bộ biến đổi full-bridge.

Hệ thống ưu tiên "tự tạo và tự tiêu thụ". Đầu ra của mô-đun PV, là nguồn điện chính, đầu tiên đáp ứng nhu cầu tải của người dùng. Nguồn dư/thiếu từ PV được cân bằng bởi pin lithium (nguồn thứ cấp); nếu cả PV và pin đều đạt giới hạn, lưới điện (nguồn thứ ba) đảm bảo cung cấp ổn định.

Đối với đầu ra PV, SOC pin, và công suất sạc/xả: Nếu $P PV < P PV_min$ , bộ chuyển đổi Boost sẽ tắt (không có đầu ra điện); ngược lại, nó sẽ hoạt động. Pin ngừng sạc khi SOC > 90% và ngừng xả khi SOC < 10%. $P bat$ điều chỉnh động với $P PV$ và $P load$ , từ 0 đến công suất sạc tối đa của pin. Để tránh sự dao động sạc/xả thường xuyên, trạng thái của chu kỳ tiếp theo phụ thuộc vào trạng thái pin của chu kỳ trước, ngăn chặn sự chuyển đổi chế độ hệ thống thường xuyên.

Dựa trên điều này, một thuật toán quản lý năng lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời trong gia đình được đề xuất, như được hiển thị trong Hình 2.

2 Phân tích Chế độ Hoạt động và Dòng Năng lượng của Hệ thống

Dưới sự hướng dẫn của thuật toán quản lý năng lượng, hoạt động của hệ thống được chia thành các chế độ độc lập và kết nối lưới, mỗi chế độ được chia nhỏ như sau:

2.1 Chế độ Hoạt động Độc lập (Bởi Nguồn Điện Chính)

Có hai chế độ con, được xác định bởi nguồn điện kiểm soát bus DC:

Chế độ Điều khiển bởi PV

PV là nguồn điện chính; Boost hoạt động ở chế độ CV để ổn định bus DC.
Bộ biến đổi hoạt động ở chế độ biến đổi độc lập để cung cấp cho tải.
Nếu công suất PV > tải + công suất sạc pin, Buck-Boost sử dụng chế độ Buck để sạc pin; ngược lại, Buck-Boost không hoạt động.
Kích hoạt: Đầu ra PV > tải, pin chưa đầy.
Logic:

Chế độ Điều khiển bởi Pin

Pin là nguồn điện chính; Buck-Boost hoạt động ở chế độ Boost để ổn định bus DC.
Bộ biến đổi sử dụng chế độ biến đổi độc lập để cung cấp cho tải.
Nếu PV có đầu ra yếu, Boost hoạt động ở chế độ MPPT; nếu không có đầu ra PV, Boost không hoạt động.
Kích hoạt: Đầu ra PV < tải, pin còn dung lượng.
Logic:

2.2 Chế độ Hoạt động Kết nối Lưới (Theo Trạng thái Bộ biến đổi)

Chia theo việc bộ biến đổi đang ở chế độ biến đổi hay chỉnh lưu:

Biến đổi Kết nối Lưới

Bộ biến đổi sử dụng chế độ biến đổi kết nối lưới để ổn định bus DC, cung cấp năng lượng dư thừa cho lưới.
Boost hoạt động ở chế độ MPPT để tối đa hóa công suất đầu ra.
Buck-Boost không hoạt động.
Kích hoạt: Đầu ra PV > tải, pin đã đầy.
Logic:

Chỉnh lưu Kết nối Lưới

Bộ biến đổi sử dụng chế độ chỉnh lưu kết nối lưới để ổn định bus DC.
Buck-Boost hoạt động ở chế độ Buck để sạc pin cho đến khi SOC > 90%.
Nếu PV có đầu ra yếu, Boost sử dụng chế độ MPPT; nếu không có đầu ra PV, Boost không hoạt động.
Kích hoạt: Đầu ra PV < tải, pin không đủ (cả nguồn chính và phụ đều đạt giới hạn).
Logic:

2.3 Ranh Giới và Điều phối Chế độ

Điều kiện kích hoạt và điều phối thiết bị của 4 chế độ con được chi tiết trong Bảng 1 (sẽ được thêm). Thông qua việc chuyển đổi động của "PV - pin - lưới" và kiểm soát thích ứng của bộ chuyển đổi Boost/Buck-Boost và bộ biến đổi, hệ thống cho phép dòng năng lượng hiệu quả trong "sản xuất - lưu trữ - tiêu thụ", bao gồm tất cả nhu cầu điện của gia đình (không kết nối lưới, kết nối lưới, khẩn cấp, v.v.).

Hình 3(a) cho thấy dạng sóng cho Chế độ 1: Đầu ra PV = 4,8 kW, tải = 3 kW. Mô-đun PV đầu ra 240 Vdc; bộ chuyển đổi Boost ổn định bus DC ở 480 Vdc. Bộ biến đổi hoạt động ở chế độ biến đổi độc lập (220 Vac cho tải), và Buck-Boost hoạt động ở chế độ Buck (1,8 kW để sạc pin). Dạng sóng (từ trên xuống dưới): Dòng điện đầu ra PV, điện áp bus DC, điện áp đầu ra bộ biến đổi, và dòng điện sạc pin.

Hình 3(b) tương ứng với Chế độ 2: Đầu ra PV = 5 kW (pin đã đầy, do đó Buck-Boost tắt). Tải = 3 kW; bộ biến đổi sử dụng chế độ biến đổi kết nối lưới để giữ bus DC ở 480 Vdc, cung cấp năng lượng dư thừa cho lưới (9 A, đồng bộ với điện áp lưới). Dạng sóng: Dòng điện đầu ra PV, điện áp bus DC, điện áp đầu ra bộ biến đổi, và dòng điện kết nối lưới.

Hình 3(c) cho thấy Chế độ 3: Mô-đun PV đạt giới hạn (không có đầu ra, Boost tắt). Đơn vị lưu trữ năng lượng cung cấp cho hệ thống; Buck-Boost hoạt động ở chế độ Boost (bus DC = 480 Vdc). Bộ biến đổi sử dụng chế độ biến đổi độc lập (220 Vac cho tải 3 kW). Dạng sóng: Dòng điện xả pin, điện áp bus DC, và điện áp đầu ra bộ biến đổi. Hình 3(d) trình bày Chế độ 4: Cả PV và đơn vị lưu trữ năng lượng đều đạt giới hạn (không có đầu ra). Lưới cung cấp cho tải (3 kW) và sạc pin; bộ biến đổi sử dụng chế độ chỉnh lưu kết nối lưới (bus DC = 480 Vdc).