基于數(shù)字孿生的源網(wǎng)荷儲(chǔ)多能互補(bǔ)智慧微網(wǎng)系統(tǒng)
??想了解更多關(guān)于開源的內(nèi)容，請?jiān)L問：??
項(xiàng)目摘要
為如期實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，我國能源結(jié)構(gòu)將迎來大轉(zhuǎn)型。未來企業(yè)都可能需要管理自己的碳資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)公司層面的碳中和，而當(dāng)前市面上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、大規(guī)模光伏以及儲(chǔ)能系統(tǒng)具有許多不足之處，其適用范圍具有局限性，綠色能源無法普及所有企業(yè)園區(qū)等問題，因此本產(chǎn)品采用電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能四位一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧微網(wǎng)建設(shè)，通過風(fēng)光氫耦合互補(bǔ)提供能量供應(yīng)，并基于運(yùn)維系統(tǒng)為智慧微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化和用電規(guī)劃，為用戶打造一套完整的智慧微電網(wǎng)系統(tǒng)。
一、項(xiàng)目背景
在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年之前達(dá)到碳中和，是我國必須完成的科技目標(biāo)之一。2015年7月，國家能源局對外發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)意見》，標(biāo)志著在在我國，微電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)被正式提升至國家層面。在政策的大力支持下，微電網(wǎng)的布局建設(shè)將加快。未來我國微電網(wǎng)行業(yè)有四個(gè)發(fā)展方向，能效為先，拒絕浪費(fèi)、熱電聯(lián)產(chǎn)，多能互補(bǔ)、風(fēng)光互補(bǔ)，清潔電力、以及必備儲(chǔ)能，保障安全。
二、團(tuán)隊(duì)介紹
我們團(tuán)隊(duì)是來自鄭州輕工業(yè)大學(xué)的在校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，我們的團(tuán)隊(duì)成員來自不同專業(yè)的本科生，在項(xiàng)目開發(fā)中實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉，專業(yè)融合。
三、項(xiàng)目架構(gòu)
本產(chǎn)品采用電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能四位一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧微網(wǎng)建設(shè)，通過風(fēng)光氫耦合互補(bǔ)提供能量供應(yīng)，并基于運(yùn)維系統(tǒng)為智慧微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化和用電規(guī)劃，為用戶打造一套完整的智慧微電網(wǎng)系統(tǒng)。
項(xiàng)目核心優(yōu)勢：
智慧微網(wǎng)設(shè)計(jì)
利用仿生原理實(shí)現(xiàn)發(fā)電終端的高折疊比，基于伯努利效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微風(fēng)發(fā)電，獲取最大的發(fā)電效率，在保證小型便攜效果的同時(shí)，極大程度提高設(shè)備的適用性。
云上運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)字化、可視化設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期監(jiān)測、數(shù)據(jù)可視化和長短期發(fā)電量預(yù)測，并為用戶量身定制用電規(guī)劃，減少能源損耗，提高發(fā)電效率，降低設(shè)備運(yùn)維成本。
氫儲(chǔ)能終端設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換，達(dá)到長時(shí)儲(chǔ)能效果。通過控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流道優(yōu)化、PEM改性等技術(shù)，極大程度的降低能量轉(zhuǎn)換耗損、延長使用壽命15%-20%，實(shí)現(xiàn)從獲取到產(chǎn)出綠色供應(yīng)一站式服務(wù)。
規(guī)模部署靈活+適用性強(qiáng)
可根據(jù)園區(qū)規(guī)模大小靈活部署，也可進(jìn)行居民園區(qū)分散部署，采用大規(guī)模分散，微主體聚合的新型智慧微電網(wǎng)概念適應(yīng)絕大多數(shù)場地。
四、應(yīng)用場景
1、工業(yè)園區(qū)
我國工業(yè)園區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長速率遠(yuǎn)高于國家平均水平，已成為國家重要的工業(yè)生產(chǎn)空間和布局方式。但工業(yè)園區(qū)工業(yè)生產(chǎn)集中，能源需求量大，污染物排放強(qiáng)度高，溫室氣體排放量大。近年來，工業(yè)園區(qū)始終是《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等污染防治戰(zhàn)略的重點(diǎn)治理對象。隨著我國碳達(dá)峰和碳中和國家戰(zhàn)略的提出，各部委陸續(xù)出臺相應(yīng)的政策和標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)園區(qū)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展。
但由于中國工業(yè)園區(qū)數(shù)量眾多且園區(qū)內(nèi)企業(yè)間、基礎(chǔ)設(shè)施和園區(qū)間尚未完全形成產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)、綠色供應(yīng)鏈和自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈，無法進(jìn)行大風(fēng)機(jī)和大光伏的安裝。而我們采用規(guī)模大分散小、微主體聚合的新型智慧微電網(wǎng)概念，適用絕大多數(shù)場地。可根據(jù)企業(yè)規(guī)模大小，需要用電多少，進(jìn)行量化規(guī)劃，讓規(guī)模與企業(yè)需求畫上等號。
2、居民用戶
2021年年底，國家能源局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家鄉(xiāng)村振興局印發(fā)關(guān)于《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實(shí)施意見》的通知。明確提出支持縣域清潔能源規(guī)?；_發(fā)，在具備資源條件的中西部脫貧地區(qū)，特別是鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)幫扶縣，優(yōu)先規(guī)劃建設(shè)集中式風(fēng)電、光伏基地，為脫貧縣打造支柱產(chǎn)業(yè)。
我國農(nóng)村自然資源豐富，通過部署我們的發(fā)電設(shè)備，幫助用戶實(shí)現(xiàn)電量自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，農(nóng)村家庭用戶每年可以增收1000-2000元。
3、邊防哨所
我國疆域遼闊，為了守護(hù)國土，會(huì)在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立邊防哨所。但許多邊防哨所是駐守在高海拔的高原深處，社會(huì)依托條件差，有的偏遠(yuǎn)哨所距離最近的縣城也有數(shù)百公里；加之哨所駐地環(huán)境惡劣，每年封山期長達(dá)半年之久，用上長明電一直是駐守前哨班官兵的熱切期望。
我們的產(chǎn)品基于仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)高折疊比，完全折疊后僅2個(gè)28寸行李箱大小，設(shè)備運(yùn)行噪音小于10dB，啟動(dòng)風(fēng)速僅在3m/s，每天發(fā)電可在5kw/h。不僅可以滿足官兵的日常用電需求，而且便于攜帶，可以部署在所有的邊防哨所，為我國邊防哨所帶去長明電。
五、產(chǎn)品功能
1、構(gòu)建物理微電網(wǎng)
我們自主研發(fā)仿生式發(fā)電終端，在折疊后僅有常規(guī)行李箱大小，先進(jìn)仿生式發(fā)電設(shè)備發(fā)電連續(xù)性強(qiáng)，具有便于攜帶、資源利用效率高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、適合民用的優(yōu)勢，易于推廣，解決了傳統(tǒng)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的固有問題。同時(shí)，我們采用大規(guī)模、分散小的概念，根據(jù)園區(qū)規(guī)模大小和用電多少進(jìn)行量化規(guī)劃，為用戶提供智慧微網(wǎng)一站式服務(wù)。
2、構(gòu)建數(shù)字微電網(wǎng)
我們使用OpenHarmony小熊派來將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，通過MQTT協(xié)議和華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行連接，然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到華為云，再轉(zhuǎn)發(fā)到OBS桶進(jìn)行長期儲(chǔ)存。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，并將其反饋到前端展示頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)字微電網(wǎng)的搭建。
3、發(fā)電預(yù)測算法
我們通過使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和LSTM構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)電量預(yù)測功能。利用傳感器所測量的環(huán)境數(shù)據(jù)來進(jìn)行實(shí)時(shí)電量預(yù)測，通過將實(shí)際電量和預(yù)測電量進(jìn)行對比，可以輔助判斷發(fā)電設(shè)備的健康狀況；同時(shí)，通過收集發(fā)電設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多變量時(shí)間序列預(yù)測，獲取未來電，為用戶進(jìn)行用電規(guī)劃，提高能源的利用率。
4、前端展示
為了實(shí)現(xiàn)對發(fā)電設(shè)備的全生命周期監(jiān)測，我們基于OpenHarmony開發(fā)了智能運(yùn)維系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^手持設(shè)備來實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電設(shè)備所處的環(huán)境，遇到惡劣天氣時(shí)會(huì)進(jìn)行告警提示，發(fā)電設(shè)備進(jìn)行自主折疊來達(dá)到自我保護(hù)；同時(shí)還可以看到發(fā)電設(shè)備的預(yù)測電量和實(shí)際電量，幫助用戶進(jìn)行用電規(guī)劃，提高能源的利用率。
六、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)
1、基于雙向數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)電量優(yōu)化方案
云上運(yùn)維系統(tǒng)用傳感器獲取智能終端的環(huán)境數(shù)據(jù)，物理數(shù)據(jù)，電量數(shù)據(jù)等，反饋至用戶端，構(gòu)建數(shù)字微電網(wǎng)；智能終端接收云上運(yùn)維系統(tǒng)反饋的指令，利用KNN算法進(jìn)行自適應(yīng)捕風(fēng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更高的實(shí)際發(fā)電效率。
（1）物理微電網(wǎng)向數(shù)字微電網(wǎng)
我們使用小熊派來將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，通過MQTT協(xié)議和華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行連接，然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到華為云，再轉(zhuǎn)發(fā)到OBS桶進(jìn)行長期儲(chǔ)存。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，并將其反饋到前端展示頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)字微電網(wǎng)的搭建，完成對發(fā)電設(shè)備的全生命周期監(jiān)測。
（2）數(shù)字微電網(wǎng)向物理微電網(wǎng)
云上運(yùn)維系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行FED評估，若FED值超過閾值，會(huì)下發(fā)命名給小熊派，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使采能前端自動(dòng)折疊，實(shí)現(xiàn)自主保護(hù)；若未超過閾值，可根據(jù)FED值驅(qū)動(dòng)捕風(fēng)口形變?yōu)樽顑?yōu)的采能姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)能捕獲效率，提高發(fā)電量。
2、基于結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的智能終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
我們自主研發(fā)的仿芙蕖開花光能采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿吞鰻魚開嘴的風(fēng)能采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可高度折疊便于攜帶、自主折疊免于受損。在智能終端設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)汲取深海生物吞鰻魚開嘴、芙蕖開花時(shí)的靈感，設(shè)計(jì)出折疊率極高的捕風(fēng)口、硅太陽能板陣列。主機(jī)凈重55KG，折疊后尺寸為500500900mm，便攜性能優(yōu)良，發(fā)電效率高。
在太陽能板陣列研究上，團(tuán)隊(duì)汲取芙蕖開放時(shí)的姿態(tài)變化靈感，設(shè)計(jì)出采能前端的光伏發(fā)電子系統(tǒng)。芙蕖開花時(shí)，通過花瓣三級四級舒展，其最大圓截面的折疊比高達(dá)65%75%。本仿生式光伏陣列通過繩索牽引及重力模擬花瓣的豎向舒展，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生式花托，模擬花瓣的橫向舒展，使太陽能板的折疊機(jī)構(gòu)的折疊率高達(dá)69.14%。
在捕風(fēng)口機(jī)構(gòu)研究上，團(tuán)隊(duì)通過對一種深海生物吞鰻的嘴部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行研究，在GeoGebra中以零點(diǎn)為原點(diǎn)構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系，通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)建吞鰻魚嘴運(yùn)動(dòng)模型，將吞鰻魚嘴在變形過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行簡化，得出了簡化后的運(yùn)動(dòng)方程。
基于運(yùn)動(dòng)方程設(shè)計(jì)智能終端的捕風(fēng)機(jī)構(gòu)。最終設(shè)計(jì)的捕風(fēng)口機(jī)構(gòu)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。
其一，捕風(fēng)口能夠雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過空間連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間體積上的高度折疊。采用電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)來牽引繩索實(shí)現(xiàn)寬度上的壓縮，采用精密滾子鏈鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高度上的壓縮，經(jīng)計(jì)算，該仿生式機(jī)構(gòu)折疊比高達(dá)81.12%。
其二，通過自主設(shè)計(jì)的剛?cè)峄旌蠙C(jī)構(gòu)，結(jié)合伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可調(diào)整捕風(fēng)口的關(guān)鍵幾何特征量，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)捕風(fēng)。根據(jù)采集得到的環(huán)境數(shù)據(jù)、捕風(fēng)口立柱的振動(dòng)數(shù)據(jù)、捕風(fēng)口內(nèi)風(fēng)壓數(shù)據(jù)等，對流場特征進(jìn)行評估，根據(jù)評估結(jié)果實(shí)現(xiàn)控制捕風(fēng)口形變?yōu)榻咏顑?yōu)采能姿態(tài)，使資源利用效率接近最大化。
結(jié)合上述兩點(diǎn)，該捕風(fēng)口折疊率達(dá)80% 以上，便攜性能優(yōu)良；結(jié)合云上運(yùn)維系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)時(shí)的流場改變幾何特征，此特性結(jié)合團(tuán)隊(duì)對整機(jī)的優(yōu)化，使得本作品相較傳統(tǒng)的三葉式水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對風(fēng)能的利用效率提高了10%~25%。
