Resumo: O objetivo deste estudo é otimizar a configuração e o controle coordenado da capacidade da bateria da central fotovoltaica de armazenamento de energia, e construir um modelo de confiabilidade da central fotovoltaica de armazenamento através da análise do projeto estrutural da central fotovoltaica, da configuração de capacidade da unidade de armazenamento de energia e da estratégia de carga e descarga, bem como do projeto da rede e da unidade de carga. Ao analisar e comparar os parâmetros de desempenho de diferentes tipos de baterias de armazenamento de energia, um esquema de configuração de otimização de capacidade cientificamente razoável foi proposto. Além disso, o estudo explora estratégias de controle coordenadas para vários conjuntos de sistemas híbridos de armazenamento de energia, projetando funções de gatilho de eventos e mecanismos de regulação para obter uma maior gestão de energia e melhorar a estabilidade das operações do sistema. Os resultados do estudo mostram que o desempenho demonstrado pelas baterias de densidade de potência de chumbo-ácido nas condições técnicas atuais torna-se a escolha ideal para configurações otimizadas de capacidade de estações de armazenamento fotovoltaico. Ao mesmo tempo, a estratégia de controle otimizada melhora significativamente o desempenho geral das usinas fotovoltaicas com armazenamento de energia, proporcionando uma base de referência importante para o projeto e a operação de sistemas semelhantes no futuro.

Palavras-chave: usinas fotovoltaicas; Otimização da capacidade da bateria; Controle de coordenação

Introdução

As usinas fotovoltaicas de armazenamento de energia são importantes para melhorar a utilização da energia, otimizar o funcionamento da rede e promover a transição para a energia verde como um meio eficaz para resolver a intermitencia e a instabilidade das fontes de energia renováveis. Com o desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica e a redução dos custos, a participação da geração de energia fotovoltaica na estrutura energética global está aumentando. No entanto, a volatilidade e imprevisibilidade da geração de energia fotovoltaica apresentam desafios para o funcionamento estável da rede. Portanto, como configurar eficazmente a capacidade da bateria de armazenamento de energia e coordenar o sistema de armazenamento de energia de controle com a geração de energia fotovoltaica se tornou um tema quente de pesquisa atual. Acadêmicos nacionais e estrangeiros realizaram um grande trabalho de pesquisa sobre usinas fotovoltaicas de armazenamento de energia, envolvendo a otimização da configuração de capacidade da bateria, estratégias de gerenciamento de energia, análise econômica e avaliação de estabilidade. Os estudos existentes melhoraram, em parte, a eficiência e a economia do uso dos sistemas de armazenamento de energia, mas ainda existem algumas deficiências. Em primeiro lugar, a maioria dos estudos se concentra na análise do desempenho do sistema em condições específicas, sem uma exploração aprofundada da adaptabilidade em diferentes ambientes e padrões operacionais. Em segundo lugar, a pesquisa sobre o armazenamento de energia e o controle coordenado dos sistemas fotovoltaicos é insuficiente, especialmente no que diz respeito aos mecanismos de sinergia entre sistemas híbridos de armazenamento de energia. Os modelos de otimização e estratégias de controle existentes tendem a ignorar as limitações técnicas e os fatores de custo na aplicação prática, o que dificulta a aplicação dos resultados teóricos na prática. Em resposta às deficiências da pesquisa existente, este artigo propõe uma nova ideia de pesquisa de configuração e controle coordenado para otimização da capacidade da bateria de estações fotovoltaicas de armazenamento de energia. Em primeiro lugar, considerar as incertezas da geração de energia fotovoltaica e as mudanças dinâmicas das necessidades de carga para criar um modelo mais genérico de confiabilidade da estação de armazenamento fotovoltaico. Com base nisso, são introduzidos indicadores-chave como a penetração de potência e a penetração de capacidade para analisar seu impacto na estabilidade da central de armazenamento óptico. Além disso, uma configuração de otimização de capacidade é proposta através de uma comparação detalhada dos parâmetros de desempenho de diferentes tipos de baterias de armazenamento de energia. Ao mesmo tempo, projetar estratégias de controle coordenadas para sistemas híbridos de armazenamento de energia de vários conjuntos, o gerenciamento de energia através de funções de acionamento de eventos e mecanismos de regulação e melhorar a estabilidade do sistema.

1 Projeto de estrutura de central fotovoltaica de armazenamento de energia

No design da unidade de geração de energia fotovoltaica, ela é composta principalmente por componentes de células fotovoltaicas de forma paralela em cadeia. Para otimizar a estratégia de controle fotovoltaico, as características das células fotovoltaicas são analisadas em profundidade. Isso envolve considerar o desempenho das células fotovoltaicas em diferentes condições ambientais e, com uma compreensão aprofundada dessas características, a saída da unidade de geração de energia fotovoltaica pode ser mais previsível e ajustada para corresponder às necessidades da unidade de armazenamento de energia e às condições de carga da rede. Dada a intermitencia e incerteza da geração de energia fotovoltaica, as unidades de armazenamento de energia precisam ter capacidade suficiente para armazenar o excesso de energia e liberar energia quando a geração de energia fotovoltaica é insuficiente para atender às necessidades de carga.

Para o projeto de redes e unidades de carga, é necessário levar em consideração a interação com a rede externa e as mudanças dinâmicas na carga interna. Isso significa que o sistema precisa ser capaz de ajustar sua saída com flexibilidade de acordo com as necessidades da rede e as circunstâncias reais da carga, garantindo a estabilidade da rede e a qualidade do fornecimento de energia para a carga.

2 Configuração otimizada da capacidade da central de armazenamento fotovoltaico

2.1 Estabelecimento do modelo de confiabilidade da central de armazenamento fotovoltaico

Através de pesquisas aprofundadas e análises de dados, os efeitos da penetração fotovoltaica na estabilidade do sistema de energia não podem ser negligenciados, quando a capacidade instalada fotovoltaica ultrapassa um determinado limiar, a rede de distribuição regional pode enfrentar o desafio de não ser capaz de absorver a energia gerada, o que leva ao aumento do fenômeno da retroalimentação fotovoltaica para a rede. Especialmente no caso da integração de usinas fotovoltaicas de alta penetração na rede elétrica, este fenômeno é mais significativo. Uma vez que a carga líquida ultrapassa a saída do sistema, a unidade de rede local pode ser forçada a parar de funcionar, representando uma ameaça à estabilidade do sistema de energia.

Para responder a esse desafio, este estudo propõe a penetração fotovoltaica como um indicador-chave para avaliar a configuração de armazenamento de energia de usinas fotovoltaicas. Ao considerar integralmente a capacidade instalada fotovoltaica, a capacidade de absorção da rede de distribuição regional e os requisitos de estabilidade do sistema elétrico, a configuração de armazenamento de energia da central fotovoltaica pode ser planejada racionalmente para garantir o funcionamento estável do sistema elétrico em situações de alta penetração. Isso também fornece uma base científica para a construção e operação de usinas fotovoltaicas, ajudando a alcançar uma situação ganha-ganha de eficiência econômica e estabilidade do sistema elétrico.

No processo de construção do modelo de integração fotovoltaica e armazenamento de energia, este estudo considerou o sistema fotovoltaico e os dispositivos de armazenamento de energia como uma unidade integrada. O modelo foi construído com especial atenção a dois indicadores-chave: a penetração de potência (PP) e a penetração de capacidade (Cp).

A penetração de energia é definida como a relação entre a energia gerada por um sistema fotovoltaico distribuído em um determinado momento e a carga total nesse momento. Se esse valor for superior a 100%, isso indica que a geração de energia fotovoltaica excede a necessidade de carga imediata nesse momento e que o excesso de energia será enviado de volta à rede.

A penetração de capacidade é a avaliação da relação entre a produção anual acumulada de energia fotovoltaica e a carga anual em uma rede de distribuição em uma região. Este indicador reflete o nível de saturação potencial da instalação de sistemas fotovoltaicos, ou seja, a proporção da capacidade de geração de energia fotovoltaica em relação à carga elétrica regional.

Durante a análise da penetração fotovoltaica e o estudo da configuração de armazenamento de energia, este trabalho foi baseado em uma série de hipóteses. Em primeiro lugar, suponha-se que a energia fotovoltaica não seja perdida durante a transmissão. Essa hipótese visa simplificar o processo de cálculo para uma eficiência de transferência de energia de 100%. Em segundo lugar, o estudo ignorou as diferenças entre os diferentes fabricantes de transformadores fotovoltaicos e o impacto das mudanças ambientais na saída do sistema fotovoltaico.

Em escala de tempo, o problema transitório da saída fotovoltaica não é envolvido, mas a saída fotovoltaica é avaliada em horas como unidade de medição. Além disso, o modelo de rede de distribuição é simplificado para um único nó de carga, sem considerar a interação entre os fios de alimentação. Essa simplificação reduz efetivamente a complexidade do modelo, tornando a análise e o cálculo mais complexos, garantindo que os resultados tenham uma expressão linguística padronizada.

2.2 Otimização da capacidade do sistema de central de armazenamento fotovoltaico

Um estudo aprofundado da potência operacional do sistema de central de armazenamento óptico descobriu que o sistema é capaz de atender às necessidades de uma carga média de 198,54 kWh por hora, o que requer uma capacidade instalada fotovoltaica de 837 kW e uma capacidade instalada de armazenamento de energia de 2998 kWh. Nesta configuração, o sistema fotovoltaico gera uma geração média de 198,78 kWh por hora, o suficiente para atender às necessidades de carga da rede de distribuição.

Na prática, devido às variações trimestrais que causam diferenças entre a geração de energia fotovoltaica e a carga, é necessário realizar análises de penetração fotovoltaica para otimizar a configuração da central de armazenamento óptico. De acordo com a curva de penetração durante todo o ano, em condições climáticas claras, o fotovoltaico também envia energia para a rede elétrica ao mesmo tempo que satisfaz a carga da rede de distribuição. Além disso, as penetrações fotovoltaicas das quatro estações são basicamente ligeiramente maiores do que as calculadas sob a curva típica, o que indica que as usinas fotovoltaicas em operação são melhores do que o esperado, mas também destaca a dependência dos sistemas de armazenamento de energia e a necessidade de ajustar as estratégias de gerenciamento de energia em diferentes estações.

A análise e a comparação dos parâmetros de desempenho desses diferentes tipos de baterias de armazenamento de energia permitem uma melhor compreensão do seu desempenho em diferentes cenários de aplicação e uma configuração cientificamente razoável de otimização de capacidade. Considerando fatores como a densidade de energia, a vida útil, o custo e o impacto ambiental de várias baterias, o estudo descobriu o desempenho das baterias de densidade de energia de chumbo-ácido nas condições técnicas atuais. Essa bateria não só tem vantagens em termos de potência de saída, mas também é econômica e madura, tornando-a a escolha ideal para configurações otimizadas de capacidade de estações de armazenamento fotovoltaico.

3 Controle coordenado de sistemas fotovoltaicos e de armazenamento de energia

No estudo de configuração e controle coordenado de otimização de capacidade de bateria de estações fotovoltaicas de armazenamento de energia, a estratégia de controle coordenado de sistemas híbridos de armazenamento de energia é um dos conteúdos centrais. Devido à capacidade de uma única unidade de armazenamento de energia e às limitações dos transformadores eletrônicos de potência, um único conjunto de armazenamento híbrido de energia muitas vezes não consegue atender a grandes necessidades de regulação de energia. Assim, uma maior gestão de energia é possível através da participação conjunta e do controle coordenado de vários conjuntos de armazenamento híbrido de energia.

Para alcançar esse objetivo, este artigo primeiro projetou uma função de disparo de eventos de coordenação de armazenamento de energia híbrido múltiplo. O objetivo principal desta função é distribuir racionalmente a potência de carga e descarga para diferentes unidades híbridas de armazenamento de energia para garantir que o desempenho geral do sistema chegue ao seu estado. O princípio de controle de inclinação foi utilizado no processo de projeto, pelo qual os valores de referência da tensão de saída e da corrente de saída de vários sistemas híbridos de armazenamento de energia podem ser calculados. Este artigo introduz o conceito de um observador de tensão média, que permite monitorar as mudanças de tensão em cada unidade de armazenamento de energia em tempo real e ajustar os valores de referência de tensão de saída com base nessas informações. Além disso, este artigo também utiliza um mecanismo de regulação de corrente proporcional. Este mecanismo pode ajustar o valor de referência da tensão de saída de acordo com a mudança da corrente real, tornando a tensão de saída mais próxima do valor nominal.

Neste modo operacional complexo, vários sistemas híbridos de armazenamento de energia estão em constante mudança dinâmica, o que requer ajustes periódicos do controlador superior para garantir a coordenação e a estabilidade de todo o sistema. Para reduzir a carga de comunicação do controlador superior e melhorar a eficiência operacional do sistema, a função de evento de acionamento de regulação de armazenamento de energia híbrida correspondente foi estabelecida. Esta função foi projetada para reduzir as operações de regulação desnecessárias, julgando inteligentemente o estado do sistema e acionando instruções de regulação apenas quando necessário. Isso não só otimiza o uso dos recursos de comunicação, mas também melhora a velocidade de resposta geral e a confiabilidade do sistema.

Esta estratégia mostra vantagens significativas em vários aspectos em comparação com os métodos de controle tradicionais. Em primeiro lugar, reduz efetivamente as flutuações de potência do sistema em estado dinâmico e estável, melhorando a qualidade da energia elétrica. Em segundo lugar, uma vez que a estratégia otimiza o estado de funcionamento da unidade de armazenamento de energia, reduz o número de acionamentos de controle coordenado de armazenamento de energia híbrido em vários conjuntos, prolongando a vida útil do equipamento e reduzindo os custos de manutenção.

Além disso, ao reduzir os ciclos de carga e descarga frequentes desnecessários, a estratégia também melhora a eficiência e a confiabilidade geral do sistema. Em última análise, essas melhorias tornam o funcionamento de todo o sistema mais estável, capaz de lidar melhor com uma variedade de condições complexas e necessidades de carga e fornecer mais energia aos usuários.

4 Plataforma de Gestão Inteligente de Energia da Anchorage

4.1 Plataforma de Gestão Inteligente de Energia da Anchorage

A plataforma de gerenciamento de energia inteligente AcrelEMS é uma plataforma de gerenciamento de eficiência energética para microredes empresariais. Monitoramento em tempo real, previsão inteligente, alojamento dinâmico, estratégia de otimização, alerta de diagnóstico, interação ordenada de carga de fonte agendável, análise panorâmica de energia, para atender às necessidades de gerenciamento de eficiência energética de microredes empresariais, análise de segurança inteligente, dinâmica de controle de ajuste, visualização de análise panorâmica, para completar a interação flexível e a operação econômica entre recursos de armazenamento sob luz de diferentes estratégias, para reduzir os custos de energia para os usuários e melhorar a eficiência operacional da microrede. A plataforma de gerenciamento inteligente de energia AcrelEMS, que aceita instruções de agendamento e resposta à demanda de usinas virtuais, é um subsistema de nível empresarial para a plataforma de usinas virtuais.

Figura 1 Interface principal da plataforma de gerenciamento inteligente de energia AcrelEMS

4.2 Estrutura da plataforma

O sistema cobre todos os aspectos da microrede empresarial "fonte-rede-carga-armazenamento-carregamento", através de um gateway inteligente para coletar dispositivos de medição, fotovoltaicos, armazenamento de energia, pilhas de carregamento, dados de carga convencionais, de acordo com a mudança de carga e o cronograma da rede para otimizar o controle, promover a absorção de nova energia ao mesmo tempo que reduz a maior necessidade da rede elétrica, tornando-a segura.

Figura 2 Estrutura da Plataforma de Gestão Inteligente de Energia AcrelEMS

4.3 Funções da plataforma

4.3.1 Digitalização da Energia

Obtenha uma visão rápida das operações energéticas através da exibição em tempo real da eletricidade, da energia fotovoltaica, da energia eólica, do armazenamento de energia, das pilhas de carregamento e de outros dados de carga.

4.3.2 Otimização do controle

Visualização intuitiva da produção e fluxo de energia, incluindo eletricidade municipal, fotovoltaica, carregamento e consumo de armazenamento de energia, melhorando o consumo de nova energia através da otimização do armazenamento de energia e da carga controlada, reduzindo o pico de preenchimento, suavizando a saída do sistema e mostrando o contraste das curvas de energia antes e após a otimização.

3.3 Previsões inteligentes

Em combinação com dados meteorológicos, dados históricos previsão a potência fotovoltaica, eólica e de carga e análise comparativa com a potência real para otimizar o cronograma e reduzir a demanda e os custos de energia através de sistemas de armazenamento de energia e controle de carga.

4.3.4 Análise do consumo de energia

Recolha o consumo de vários meios de energia da empresa, como eletricidade, água, gás natural, frio / calor, comparação entre ciclos, exibição do fluxo de energia, comparação de consumo de energia e conversão de emissões de carvão ou carbono.

4.3.5. Carregamento ordenado

O sistema suporta o acesso a pilhas de carregamento AC e de acordo com a carga da empresa e a capacidade do transformador e a taxa de carga do transformador para o controle de conexão, orientando o carregamento ordenado do usuário para garantir a operação segura da microrede da empresa.

4.3.6 Inspeção de manutenção

O sistema suporta o gerenciamento de missões, registros de inspeção/defeito/alarme/reparação e gerenciamento de ordens de trabalho de notificação, além de acompanhar a trajetória do pessoal operacional através da localização da Beidou para implementar o gerenciamento de ciclo fechado do processo operacional e de manutenção.

4.4 Selecção de equipamentos

Além da plataforma de gerenciamento de energia inteligente, também tem sensores de campo, gateways inteligentes e outros dispositivos, formando um sistema completo de digitalização de energia "cloud-edge", incluindo produtos de proteção e monitoramento integrados de distribuição de energia de alta e baixa tensão, dispositivos de monitoramento on-line de qualidade de energia elétrica, governança de qualidade de energia elétrica, controle de iluminação, pilhas de carregamento, soluções de incêndio elétrico, etc., podem fornecer capacidade de serviço único para o sistema de gerenciamento de energia de nível empresarial de usinas virtuais de energia.

A solução de sistemas da Ankori também inclui a plataforma de nuvem de operações de energia, a plataforma de gerenciamento de faturamento integrado de energia, a plataforma de nuvem de regulação de consumo de energia ambiental, a plataforma de nuvem de gerenciamento de operações de pilhas de carregamento, a plataforma de nuvem de fogo inteligente, o sistema de monitoramento de energia, o sistema de gerenciamento de energia da microrede, o sistema de controle de iluminação inteligente, o sistema de governança da qualidade da energia elétrica, o sistema de fogo elétrico, o sistema de monitoramento de isolamento de energia isolada e outras soluções de sistema, cobrindo todos os pontos da microrede empresarial, criando um sistema de gerenciamento de energia inteligente da microrede empresarial com percepção precisa, inteligência de borda e operação inteligente.

5 Conclusões

Após pesquisas e análises aprofundadas, este estudo alcançou resultados significativos na configuração otimizada da capacidade da bateria e no controle coordenado da central fotovoltaica de armazenamento de energia. A estabilidade da estação de armazenamento fotovoltaico foi efetivamente avaliada através da construção de modelos de confiabilidade da estação de armazenamento fotovoltaico que levam em consideração a incerteza da geração de energia fotovoltaica e a mudança dinâmica da demanda de carga, e a introdução de indicadores-chave como a penetração de potência e a penetração de capacidade. Ao mesmo tempo, uma comparação detalhada dos parâmetros de desempenho de diferentes tipos de baterias de armazenamento de energia propôs um esquema de configuração de otimização de capacidade cientificamente razoável. Além disso, foi concebida uma estratégia de controle coordenada para vários conjuntos de sistemas híbridos de armazenamento de energia, melhorando a gestão de energia e a estabilidade do sistema através de funções de acionamento de eventos e mecanismos de regulação. Essas descobertas não só fornecem orientações práticas para o projeto e a operação de usinas fotovoltaicas de armazenamento de energia, mas também estabelecem uma base sólida para a ampla aplicação e a sustentabilidade das energias renováveis ​​em sistemas de energia. Em conjunto com a realidade, mais limitações técnicas e custos devem ser considerados no futuro, e como equilibrar economia e tecnologia para alcançar a configuração ainda precisa ser estudado em profundidade.

Referências:

[1] Ho Qi, Jiaqiang, Guo Zhenxing, Zhou Feng, Wei sucessores. Pesquisa de configuração e controle coordenado para otimização da capacidade da bateria em usinas fotovoltaicas de armazenamento de energia

[2] O Rei é novo. Análise do projeto elétrico de sistemas de geração de energia fotovoltaica e usinas elétricas

[3] Manual de Desenho e Aplicação de Microredes Empresariais da Angkor, Edição 2022.05