Composição básica e princípio de trabalho do sistema de armazenamento de energia fotovoltaica
O sistema de armazenamento de energia de uma usina fotovoltaica é um sistema de gerenciamento de energia altamente integrado, cuja função principal é alcançar a tradução espaço -temporal da energia elétrica e resolver os problemas intermitentes e flutuantes da geração de energia fotovoltaica. O sistema consiste principalmente em componentes principais, como unidades de geração de energia fotovoltaica, baterias de armazenamento de energia, conversores bidirecionais (PCS), sistemas de gerenciamento de energia (EMS) e sistemas de distribuição, formando um loop de trabalho completo.
Como a extremidade de entrada de energia do sistema, os módulos fotovoltaicos usam silício de cristal único ou tecnologia de silício policristalino, com uma eficiência de conversão geralmente atingindo 18% -22%. Sob condições de teste padrão (STC), a geração anual de energia de cada quilowatt do módulo fotovoltaico pode atingir 1200-1600 kWh, dependendo da localização geográfica e do ângulo de instalação. Depois que a eletricidade CC gerada pelos componentes é coletada através da caixa de combinador, algumas delas são diretamente convertidas em eletricidade CA pelo inversor para fornecer a carga ou ser conectado à grade, enquanto a outra parte é carregada na bateria de armazenamento de energia através do conversor CC\/DC.
A bateria de armazenamento de energia é o meio de armazenamento de energia do sistema. Atualmente, o uso principal são as baterias de fosfato de ferro (LFP) de lítio, com uma única tensão de célula de 3,2V, uma densidade de energia de 160-200 wh\/kg e uma vida útil de mais de 6000 vezes (taxa de retenção de capacidade de 80%). O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) monitora a tensão, a temperatura e o status do SOC de cada bateria em tempo real para garantir que o sistema opere dentro de um intervalo seguro. Os BMs avançados também podem obter equilíbrio ativo, controlando a diferença de tensão entre as células individuais na bateria em ± 50mV, estendendo significativamente a duração da bateria.
O conversor bidirecional (PCS) é um equipamento -chave que conecta sistemas de armazenamento de energia CC com grades de energia CA. Os PCs modernos usam dispositivos IGBT ou SIC Power, e a eficiência da conversão pode atingir mais de 98%. Suas funções principais incluem: alcançar a conversão bidirecional entre CA e CC, ajustando o fator de potência de saída (geralmente dentro de ± 0. 9), fornecendo um passeio de baixa tensão através da capacidade (LVRT), etc. No caso de uma falha na grade de energia, os PCs podem completar o modo de comutação dentro de 2ms para garantir a operação do sistema.
O Sistema de Gerenciamento de Energia (EMS) é o cérebro de todo o sistema e adota uma arquitetura de controle hierárquico. A camada superior toma decisões de agendamento de energia com base em algoritmos de inteligência artificial, enquanto a camada inferior atinge o controle do nível do dispositivo por meio do PLC. As funções típicas incluem: Previsão de geração de energia fotovoltaica (usando o LSTM Neural Network, 24- Erro de previsão de horas<8%), load demand forecasting, economic optimization scheduling, etc. Modern EMS also supports remote monitoring and fault diagnosis, and achieves cloud management through 4G/5G networks.
O sistema de distribuição de energia inclui transformadores, distribuição, dispositivos de proteção etc., com um nível de tensão geralmente de 0. 4KV ou 10KV. O design do sistema deve cumprir os requisitos padrão, como GB\/T 36547-2018 "Regulamentos técnicos para sistemas de armazenamento de energia eletroquímica conectados às redes de distribuição" para garantir a segurança da conexão da grade. As funções de proteção anti -refluxo e proteção de ilhas são essenciais, e o requisito de tempo de ação de proteção é inferior a 200 ms.
Comparação e seleção de tecnologias de armazenamento de energia convencionais
As tecnologias atuais de armazenamento de energia disponíveis para usinas fotovoltaicas incluem principalmente três categorias: armazenamento eletroquímico de energia, armazenamento de energia mecânica e armazenamento de energia eletromagnética. Em aplicações práticas, o armazenamento eletroquímico de energia domina devido à sua alta flexibilidade e velocidade de resposta rápida, entre as quais as baterias de íons de lítio são as mais amplamente utilizadas.
As baterias de fosfato de ferro de lítio (LFP) são atualmente a escolha preferida para usinas fotovoltaicas, com suas vantagens principais refletidas em três aspectos: segurança, com uma temperatura de início em fuga térmica superior a 200 graus, muito superior aos 150 graus de materiais ternários; Em termos de vida útil do ciclo, ele pode atingir mais de 6000 ciclos com condições de descarga profunda (DOD) de 80%; Em termos de custo, com o progresso tecnológico, o preço do sistema foi reduzido para 1. 2-1. 5 yuan\/wh. Os dados medidos de um projeto de 100MWH mostram que a eficiência geral do sistema de bateria LFP atinge 92%, com uma taxa de decaimento anual de<2%.
As baterias ácidas de chumbo, como tecnologia tradicional, ainda são usadas em um determinado intervalo. Sua vantagem está em seu baixo investimento inicial (cerca de {{0}}. 8-1. 0 yuan\/wh) e alta maturidade tecnológica. Mas as desvantagens também são óbvias: a vida útil do ciclo é apenas 500-1200 tempos (50% do DOD), a densidade de energia é 30-50 wh\/kg e há um risco de poluição de chumbo. As baterias ácidas de chumbo foram gradualmente eliminadas em situações que requerem armazenamento de energia de grande capacidade.
As baterias de fluxo (como todas as baterias de fluxo de vanádio) são adequadas para armazenamento de energia a longo prazo (4-8 horas), com uma vida útil de ciclo superior a 10000 vezes e sem problemas de degradação. Mas a densidade de energia é apenas 20-30 wh\/kg, a eficiência do sistema é 70% -75%, e o investimento inicial é tão alto quanto 3-4 yuan\/wh. Atualmente, é usado principalmente para armazenamento de energia no lado da grade e é menos comumente usado em usinas fotovoltaicas.
A bateria emergente de íons de sódio atraiu muita atenção e seu princípio de trabalho é semelhante ao das baterias de íons de lítio, mas usa o elemento de sódio com preços mais baixos. Os dados do laboratório mostram que a densidade de energia das baterias de íons de sódio atingiu 120-160 wh\/kg, com uma vida útil de ciclo de cerca de 3000 vezes e um custo 20% -30% menor que o LFP. No entanto, o nível atual de industrialização é insuficiente e os casos práticos de aplicação de projetos são limitados.
A seleção técnica precisa considerar vários fatores de forma abrangente: para usinas fotovoltaicas acima de 1MW, é recomendável priorizar as baterias LFP; Para pequenos sistemas de grade off em áreas remotas, as baterias de chumbo-ácido podem ser consideradas para reduzir o investimento inicial; Para aplicações que requerem uma vida útil prolongada, as baterias de fluxo são uma escolha potencial. A análise comparativa de uma usina fotovoltaica de 10MW mostra que o custo total do ciclo de vida do uso de baterias LFP é 35% menor que as baterias de ácido de chumbo e 50% abaixo das baterias de fluxo.
Principais tecnologias do sistema de gerenciamento de energia inteligente
Os sistemas modernos de gerenciamento de energia evoluíram da coleta e monitoramento simples de dados para cérebros inteligentes com recursos de tomada de decisão de inteligência artificial. Sua arquitetura de tecnologia principal inclui quatro níveis: camada de percepção, camada de rede, camada de plataforma e camada de aplicativos.
A camada de percepção coleta dados em tempo real através de vários sensores: a matriz fotovoltaica está equipada com um scanner de curva IV, que pode detectar falhas em cascata; Instalação de sensores de tensão\/temperatura para sistemas de bateria (precisão ± 0. 5%); O PCS está equipado com um analisador de qualidade de energia (taxa de amostragem de 256 pontos por ciclo). De acordo com as estatísticas de um determinado projeto, um sistema típico de 10 MW requer a implantação de mais de 2000 pontos de monitoramento, com uma taxa de atualização de dados de até 100 ms.
A camada de rede adota uma abordagem de rede híbrida da Ethernet industrial e rede privada sem fio. Os sinais de controle das chaves são transmitidos através de fibras ópticas para garantir um atraso inferior a 10ms; Dados não críticos podem ser transmitidos usando tecnologias sem fio, como o LORA. O protocolo de comunicação do sistema precisa suportar vários padrões, como o IEC 61850 e o MODBUS, para alcançar a interconexão e a interoperabilidade do dispositivo.
O núcleo da camada da plataforma é a tecnologia gêmea digital, que atinge três funções principais, estabelecendo um mapeamento virtual do sistema físico: a previsão da geração de energia fotovoltaica adota um modelo híbrido de atenção LSTM+, combinado com a previsão do tempo numérico (NWP), para controlar o erro de previsão de 72 horas em 10%; A previsão de carga é baseada no aprendizado de reforço profundo (DRL), considerando os modos da semana\/férias, com precisão de 92%; Otimize o aplicativo de agendamento com algoritmo de programação dinâmica multi-objetiva, considerando 7 objetivos de otimização, como diferença de preço de eletricidade, atenuação da bateria e demanda de grade.
A camada de aplicação implementa funções comerciais específicas: o módulo de despacho econômico suporta a arbitragem de Peak Valley (analisando dados locais 3- ano de preço da eletricidade, otimizando automaticamente os períodos de carregamento e descarga), gerenciamento da demanda (prevendo a demanda máxima mensal, economizando custos básicos de eletricidade); O módulo de serviço auxiliar pode participar de mercados como regulamentação de frequência (tempo de resposta<500ms) and peak shaving (adjustment amplitude ± 20% Pn); The operation and maintenance management module has functions such as fault warning (predicting equipment failures 24 hours in advance with an accuracy rate of 85%) and energy efficiency analysis.
Os dados operacionais reais de um projeto de armazenamento de energia fotovoltaica de 5 0 MW mostra que o EMS inteligente aumentou a receita do sistema em 28%. Entre eles, a obtenção de uma renda adicional de 0,15 yuan\/kWh participando de serviços auxiliares da FM; Reduzir as perdas solares abandonadas em 12% por meio de previsão precisa de carga; Ao otimizar a estratégia de carregamento e descarga de bateria, a duração da bateria foi estendida em 17%. O período de retorno de investimento do sistema foi reduzido de 7,5 anos para 5,8 anos.
