Как контроллер температуры Modbus TCP/IP RS-485 может быть интегрирован в систему управления энергопотреблением (EMS) в солнечной энергетике?

Система управления энергопотреблением (EMS) — это «мозг» солнечной энергосистемы для дома. Когда солнечная энергия вырабатывает избыток, и этот избыток необходимо эффективно использовать, одним из способов является направление его на водонагреватель. Вот как ПИД-регулятор вписывается в солнечную систему EMS и улучшает её работу.

По сути, когда система EMS обнаруживает избыточное энергопотребление, она подает команду контроллеру температуры через протокол Modbus TCP/IP и нагревает воду.

• Управление на основе ПИД-регулятора: EMS → Заданная температура (°C) → ПИД-регулятор (в качестве интеллектуального регулятора) → Нагреватель

ПИД-регулятор перестал быть просто неэффективным энерговентилятором; он превратился в интеллектуального, автономного агента, управляющего тепловым процессом, а система управления энергопотреблением (EMS) выступает в роли супервизора, оптимизирующего цели агента в зависимости от доступности солнечной энергии.

Взаимодействие системы управления двигателем (EMS) и ПИД-регулятора: ключевые стратегии.

Система EMS превращает ПИД-регулятор из автономного устройства в оптимизированный для энергосети компонент системы.

1. Динамическая регулировка заданного значения (наиболее распространенная стратегия)

• Сценарий: Система мониторинга окружающей среды прогнозирует высокую выработку солнечной энергии в течение следующих 4 часов.

• Действие: Система управления энергоснабжением (EMS) повышает заданное значение ПИД-регулятора на главном котле с 55°C до 65°C (или до максимально допустимого безопасного предела).

• Результат: Теперь ПИД-регулятор работает интенсивнее, чтобы достичь этой новой, более высокой целевой величины. Он запрашивает больше мощности чаще, точно совпадая с избытком солнечной энергии. Когда уровень солнечной энергии падает, система управления энергоснабжением снижает заданное значение для сохранения накопленного тепла.

2. Активация режима PV-Boost / "ECO".

• Сценарий: Система управления энергоснабжением (EMS) в режиме реального времени обнаруживает избыток мощности фотоэлектрических систем (> 1 кВт экспорта).

• Действие: Система управления энергопотреблением (EMS) записывает цифровую команду в ПИД-регулятор для включения специального режима "PV-Boost".

• Логика контроллера: В этом режиме выходной сигнал ПИД-регулятора ограничивается доступным избыточным напряжением (рассчитываемым системой управления энергоснабжением или внутренним измерителем мощности). ПИД-регулятор продолжает регулирование, но его потребление мощности ограничено избытком, что предотвращает импорт электроэнергии из сети.

3. Поддержка отключения электроэнергии и регулирования частоты сети (расширенная версия)

• Ситуация: частота сети падает (высокий спрос) или общее потребление электроэнергии на объекте приближается к предельному значению для сети.

• Действие: Система EMS отправляет команду на временное отключение выходного сигнала ПИД-регулятора или существенное ограничение его максимальной выходной мощности.

• Результат: Тепловая нагрузка сбрасывается за считанные секунды, поддерживая стабильность сети или избегая платы за пиковое потребление. Процесс ПИД-регулирования приостанавливается и возобновляется, когда это возможно, с минимальным падением температуры благодаря тепловой инерции системы.

4. Оптимизация по времени использования (TOU).

• Сценарий: Цены на электроэнергию резко возрастут с 17:00 до 20:00.

• Действие: Система управления энергоснабжением (EMS) дает команду ПИД-регулятору обеспечить достижение котлом максимально допустимой температуры к 16:45 с использованием дешевой солнечной энергии или энергии, вырабатываемой в непиковое время.

• Результат: с 17:00 до 20:00 водонагреватель можно полностью выключить, используя накопленную горячую воду, что позволяет избежать дорогостоящего потребления электроэнергии из сети.

Преимущества использования ПИД-регулятора в системе управления энергоснабжением солнечных электростанций

1. Стабильность и качество процесса: ПИД-регулятор обеспечивает точную и стабильную температуру, критически важную для промышленных процессов (например, очистка с использованием солнечной энергии, пастеризация, химические реакции) или для комфорта в быту (отсутствие ожогов).

2. Автономная работа: ПИД-регулятор обрабатывает все сложные корректировки в реальном времени для противодействия возмущениям (например, поступлению холодной воды, потерям окружающей среды). Система управления энергоснабжением вмешивается лишь периодически для корректировки целевых показателей.

3. Использование тепловой инерции: ПИД-регулятор, управляемый системой управления энергопотреблением, может интеллектуально «заряжать» тепловой аккумулятор (водяной бак, буфер), когда энергия дешева/в избытке, и «двигаться накатом», когда ее недостаточно.

4. Интеграция в систему безопасности: встроенные верхние/нижние пределы, обнаружение обрыва датчика и реле сигнализации обеспечивают надежный уровень безопасности, которого нет у простого регулятора напряжения.

5. Многозонное управление: Один многоканальный ПИД-регулятор может управлять различными зонами (например, котлом горячего водоснабжения, буфером отопления помещений, бассейном) с различными заданными значениями и приоритетами, координация которых осуществляется системой управления энергопотреблением (EMS).

Краткое содержание: Разделение труда

• EMS — это стратег: он отвечает на вопросы «Когда?» и «Сколько?» на основе экономической эффективности энергоснабжения и состояния энергосети.

  • «У нас есть избыток солнечной энергии на 3 часа — давайте нагреем бак до максимальной мощности».

  • «Сейчас высокие цены на электроэнергию – немедленно прекратите отопление».

• ПИД-регулятор — это тактик: он отвечает на вопрос «Как?», чтобы эффективно и безопасно достичь заданной тепловой цели.

  • «Чтобы достичь 65°C, я сейчас включу полную мощность, а затем постепенно снижу её до 30% по мере приближения к заданному значению, чтобы избежать перерегулирования».

  • «Произошёл большой расход холодной воды. Для компенсации я увеличу выходную мощность на 15%».

Заключение

В солнечной энергетике интеграция ПИД-регулятора температуры с системой управления энергопотреблением создает мощную двухуровневую систему оптимизации. Она объединяет интеллектуальные решения для энергосистемы и экономики с точным управлением технологическими процессами. Это крайне важно для применений, выходящих за рамки простого перераспределения энергии, таких как:

• Солнечные тепловые электростанции с накопителями тепла.

• Промышленные процессы отопления/охлаждения с использованием фотоэлектрической энергии.

• Современные солнечные тепловые системы для жилых и коммерческих зданий.

• Оптимизация комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

Система управления энергопотреблением (EMS) направляет работу ПИД-регулятора, превращая стандартный температурный контур в динамический, реагирующий на изменения в энергосистеме ресурс, который максимизирует собственное потребление, минимизирует затраты и даже может предоставлять услуги энергосети.