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智慧工厂的电力储存与供应再升级
结合IoT与微电网

【作者: 盧傑瑞】2021年05月25日 星期二

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透过采用智慧电表,不仅可以跟?其配电点的能源使用情况,而且可以跟?整个智慧工厂的各个能耗点。透明的能量流和数据,显然是探索能源效率优化的潜力关键,如果将这些流程也整合到基於云端的物联网系统中,就可以产生有价值的知识,并将其应用在整个工厂效率和业务运营。


根据市场的研究,预计至2025年全球电池储能将达到110.4亿美元,市场增长近50亿美元。由於对气候变化的担??、燃料进囗价格的波动、全球电力行业的转型加剧竞争、成本下降,以及不断被调整因应产业变化的政策,推动了可再生能源的市场扩大。此外,交通运输和建筑等其他产业,以及减碳的压力也推动了储能技术的使用,以发展具有弹性和可持续性的电力网络。



图1 : 各产业对於储能的应用与特性需求
图1 : 各产业对於储能的应用与特性需求

工业制造产业是一个特殊的电力消费者,大多数工厂都有大量消耗能源的机器、系统和设备,例如车床、生产线、输送机、电机、HVAC单元、锅炉、用发电机和照明设备等等。根据世界能源组织的报告,在2019年工业制造产业对於电力消耗占了全世界的41.96%。在这样的产业特殊结构下,物联网(IoT)对於能源管理的应用,也就被赋予相当高的期待性。


物联网将是智慧储能和供应的管理者

虽然有了适当的智慧网路技术之後,就不再需要像传统能源管理系统那样,以预定的时间重复记录能源使用,来达到原始等级的资料数据後,再透过资料库程式的分析,获得经验及报告。尽管常规系统有助於提供能耗的状况,但它们对减少能耗、预测峰值模式,或建议可以提高效率的措施几??无济於事。相反,智慧监控意味着可以即时进行分析,从而帮助能源效率的优化。


此外,再进一步透过采用智慧电表,不仅可以跟?其配电点的能源使用情况,而且可以跟?整个智慧工厂的各个能耗点。透明的能量流和数据,显然是探索能源效率优化的潜力关键,如果将这些流程也整合到基於云端的物联网系统中,就可以产生有价值的知识,并将其应用在整个工厂效率和业务运营。


就技术层次而言,物联网是可以担任一个智慧产业网路的管理者。整体结构上,除了通讯和系统设备外,还包含了感测设备和执行单元,这对於工业产线来说,可以进行即时监控,甚至可以深入到对能源消耗的观察。而透过感测设备,不仅提高了电网的可靠性,而且还降低了工业设施的能源成本。


因此整体能源消耗管理系统中,感测设备就被定义成作为识别和观察不同情况下,包括整体工业环境、个人、办公室、制造设备、机器等运作,都能广泛地进行监测、通讯和资料处理,透过建立全面性强化的能源的储存和管理系统。


智慧工业的能源管理主要分为两种类型,包含了能源管理布建和储能机制。除了一些先进的研究专案之外,大多的安排如图2所示。



图2 : 能源供需、储存和撷取模式。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)
图2 : 能源供需、储存和撷取模式。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)

利用物联网进行节能智慧化,是一种基於低耗能的能源管理和储存解决方案。透过能源整合的规划,可以让物联网设备对传统能源供应,以及独特再生能源进行高效率的安排,因此环保电厂的本质就是物联网设备的延伸。这两种类型的能源储存结构包括了,接收能源储存的计画、能源供应能力、绝对性的能源供应状况、特定能源的状况,以及多元化的能源。


基於物联网的能源管理技术

能源消耗的的管理系统涉及到几个产业领域,可以在整体架构中提供创造性的监测,已经有相当多的业者投入相关产品开发,如Epi-Sensor、Wi-Lem、Wattsup、SATEC、Change Electric、Energy Metering Innovation LTD、General Electricity、Mitsubishi、Siemens和Schneider等。再透过系统的监测後,需要将数据资料提供给紧急能源管理(EEM)等等软体应用程式来进行分析,而这方面包括,Resource Kraft,Google,eSight energy,EFT-energy等也积极地投入开发。


最後再透过被授权後的分析程式库,就可以利用互联网技术来开发设计出一个整体方案,藉由有线或无线系统来实现的能源监测架构,如图3所示。利用现有的机制来获得功耗、功率因数和最大/最小电压..等几项叁数数值,提供监测和分析能源消耗,以及能源供需异常的警示。而用来监测的智慧电表能源总成,可用於各种监测目标,例如所有发电厂的线路,单相设备。



图3 : 利用物联网所建设的能源管理无线网路。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)
图3 : 利用物联网所建设的能源管理无线网路。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)

在中间层所收集到的资讯会被传送到闸道(Gateway),然後与本地PC或互联网进行通讯。最後如图3所示,资讯将被送到EEM软体进行能源架构分析。而主要用於工业资源安排(IRA)中的制造执行架构(MEF)。智慧测量的资料也可以被纳入监督控制和资料获取系统(SCADA)。


供应管理系统必须透过感测器执行器层,了解因能源转换所产生损耗浪费的问题,例如进行混合能源供应时,控制不同发电架构之间的能源供应模式时,所产生的能源损耗,此外还必须有效的获得例如热能、太阳光、固体、振动、电磁波等类型发电时,所获得临时能源,再将这些临时能源高效率的储存起来,并同步进行监测。


智慧工厂IoT的能源管理应用架构

伴随着智慧工业的物联网应用的扩展,使得能源生产的监管技术也在不断进步,能源管理互联网(IEM)被认为是一个改变传统电网,而基於网路的智慧电网,或基於互联网的能源架构。智慧型网路允许生产、传输、分配和利用。在真实的能源管理设备,和虚拟的互联网部分之间,透过标准的可交互操作的互联网堆叠,将它们结合起来,形成智慧化管理机制。


加强严格的监测、管理和电力结构是IEM的两个关键影响变数。基本上,每个独立的能源网可以利用资料和电力,建立网路相互连接,获得协助和优化能源管理。而IEM可以视为强化结构设计、互通性和市场发展上的一个严格的监测机制。关於IEM的第二个最关键的部分,即增加可靠性、安全性、成本、实施、多功能性、相似性和适应性的能源管理框架,基於供应方、需求方和供需双方的一般能源平衡考量。


如图4所示。智慧工厂透过物联网的技术结构,来进行能源背景分析,从供应方、需求方和需求-供应平衡的角度出发,以发电厂、智慧型网路、虚拟化、程式设计、先进的计量基础设施、需求反应等,作为理性管理系统的特色,而非一味追求高效率和能源保护等。



图4 : 透过物联网的技术结构来满足智慧工厂的稳定电力供应。(source: ResearchGate GmbH)
图4 : 透过物联网的技术结构来满足智慧工厂的稳定电力供应。(source: ResearchGate GmbH)

目前智慧工厂在能源供应方面,最主要的问题大多是来自於太阳能发电和智慧电网中的微电网。


太阳能发电已经广泛的应用在发电上,推动绿色能源物联网的发展。Quasi-Z交错式逆变器的Source Course(qZS-CMI)为太阳能发电架构提供了明确的优势,包括适当的直流连接电压和电压协助工具。但是,qZS - CMI不能克服接入电网时,太阳能电力的不连续和不明波动。基於这个原因,就必须透过储存电能用的电来当作稳压的一个缓冲点,消除因为太阳能发电的随机波动问题。


当然,仅仅依靠电池的能力还是不足的,这对於电池的消耗过於庞大,会快速缩短电池的使用寿命,还必须藉由更智慧化的机制来完成稳定储电与电力输送的目标。因此利用MPPT演算法就是一个不错的方式,针对太阳能发电厂利用MPPT演算法的计算可以在进行太阳能发电时,获得更准确的执行力,和以及快速而独特的反应。


但是,如果在太阳能发电过程中发生阳光被暂时遮蔽,会造成供电电压的变化出现许多转折点。期??让太阳能供电的电压和电流维持稳定状态下,这时就可以采用MPPT演算法与电池的搭配,利用线性周期策略来评估最大功率点的准确性,然後在透过人工智慧的演算提供成效的解决方案,以独立运行的方式使太阳能发电发挥最大的效能。


智慧微电网 强化智慧工厂的能源管理

智慧微电网已经逐渐被导入实际应用的阶段,无论是连接到电力网路,还是以独立模式运行,都已经能发挥其效能。此外如果将分散式能源资源(DER)纳入微电网网路架构下,更可以强化虚拟电厂的基础,提升电力的利用率。


这样的DER透过电子功率处理器来连接到电网,有助於降低不稳定现象和分散电压调节。因为由错误所引发的操作,会导致电压和频率下降,造成分散资源的释放,从而影响电力网路的可靠性和可传输性。除了连续供电外,还需要在分散式发电机中进行电力传输,以便该发电机能够像传统的同步发电机一样运作。


微电网中的可再生能源发电厂,被允许功率可以叁照该供电路径上,当地频率的类型而调整,减少功率频率类型的困扰,因此在智慧工厂的应用基础上,智慧微电网的运行可以完全有效处理能源供应所面临的问题。


所以在智慧工厂的能源需求管理方面,面对经常出现的电力供应问题,都是需要透过虚拟化、网路软体特性和先进的测量基础设施来排除。


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