基于數字孿生的源網荷儲多能互補智慧微網系統
項目摘要
為如期實現雙碳戰略目標，我國能源結構將迎來大轉型。未來企業都可能需要管理自己的碳資產，實現公司層面的碳中和，而當前市面上的風力發電機、大規模光伏以及儲能系統具有許多不足之處，其適用范圍具有局限性，綠色能源無法普及所有企業園區等問題，因此本產品采用電源、電網、負荷、儲能四位一體技術實現智慧微網建設，通過風光氫耦合互補提供能量供應，并基于運維系統為智慧微網實現數字化、可視化和用電規劃，為用戶打造一套完整的智慧微電網系統。
一、項目背景
在2030年之前實現碳達峰，在2060年之前達到碳中和，是我國必須完成的科技目標之一。2015年7月，國家能源局對外發布《關于推進新能源微電網示范項目建設的指導意見》，標志著在在我國，微電網項目建設被正式提升至國家層面。在政策的大力支持下，微電網的布局建設將加快。未來我國微電網行業有四個發展方向，能效為先，拒絕浪費、熱電聯產，多能互補、風光互補，清潔電力、以及必備儲能，保障安全。
二、團隊介紹
我們團隊是來自鄭州輕工業大學的在校創新創業團隊，我們的團隊成員來自不同專業的本科生，在項目開發中實現學科交叉，專業融合。
三、項目架構
本產品采用電源、電網、負荷、儲能四位一體技術實現智慧微網建設，通過風光氫耦合互補提供能量供應，并基于運維系統為智慧微網實現數字化、可視化和用電規劃，為用戶打造一套完整的智慧微電網系統。
項目核心優勢：
智慧微網設計
利用仿生原理實現發電終端的高折疊比，基于伯努利效應實現微風發電，獲取最大的發電效率，在保證小型便攜效果的同時，極大程度提高設備的適用性。
云上運維系統設計
基于源網荷儲數字化、可視化設計思想實現設備全生命周期監測、數據可視化和長短期發電量預測，并為用戶量身定制用電規劃，減少能源損耗，提高發電效率，降低設備運維成本。
氫儲能終端設計
實現氫能轉換，達到長時儲能效果。通過控制系統設計、流道優化、PEM改性等技術，極大程度的降低能量轉換耗損、延長使用壽命15%-20%，實現從獲取到產出綠色供應一站式服務。
規模部署靈活+適用性強
可根據園區規模大小靈活部署，也可進行居民園區分散部署，采用大規模分散，微主體聚合的新型智慧微電網概念適應絕大多數場地。
四、應用場景
1、工業園區
我國工業園區的經濟增長速率遠高于國家平均水平，已成為國家重要的工業生產空間和布局方式。但工業園區工業生產集中，能源需求量大，污染物排放強度高，溫室氣體排放量大。近年來，工業園區始終是《大氣污染防治行動計劃》《水污染防治行動計劃》等污染防治戰略的重點治理對象。隨著我國碳達峰和碳中和國家戰略的提出，各部委陸續出臺相應的政策和標準，推進園區綠色、低碳、循環發展。
但由于中國工業園區數量眾多且園區內企業間、基礎設施和園區間尚未完全形成產業共生網絡、綠色供應鏈和自主可控的產業鏈，無法進行大風機和大光伏的安裝。而我們采用規模大分散小、微主體聚合的新型智慧微電網概念，適用絕大多數場地。可根據企業規模大小，需要用電多少，進行量化規劃，讓規模與企業需求畫上等號。
2、居民用戶
2021年年底，國家能源局、農業農村部、國家鄉村振興局印發關于《加快農村能源轉型發展助力鄉村振興的實施意見》的通知。明確提出支持縣域清潔能源規模化開發，在具備資源條件的中西部脫貧地區，特別是鄉村振興重點幫扶縣，優先規劃建設集中式風電、光伏基地，為脫貧縣打造支柱產業。
我國農村自然資源豐富，通過部署我們的發電設備，幫助用戶實現電量自發自用，余量上網，農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，為了守護國土，會在遠離電網的邊遠地區設立邊防哨所。但許多邊防哨所是駐守在高海拔的高原深處，社會依托條件差，有的偏遠哨所距離最近的縣城也有數百公里；加之哨所駐地環境惡劣，每年封山期長達半年之久，用上長明電一直是駐守前哨班官兵的熱切期望。
我們的產品基于仿生技術實現高折疊比，完全折疊后僅2個28寸行李箱大小，設備運行噪音小于10dB，啟動風速僅在3m/s，每天發電可在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、產品功能
1、構建物理微電網
我們自主研發仿生式發電終端，在折疊后僅有常規行李箱大小，先進仿生式發電設備發電連續性強，具有便于攜帶、資源利用效率高、經濟性強、適合民用的優勢，易于推廣，解決了傳統風光儲微電網的固有問題。同時，我們采用大規模、分散小的概念，根據園區規模大小和用電多少進行量化規劃，為用戶提供智慧微網一站式服務。
2、構建數字微電網
我們使用OpenHarmony小熊派來將采集到的數據進行上報，通過MQTT協議和華為云IOT物聯網平臺進行連接，然后將傳感器采集到的數據發送到華為云，再轉發到OBS桶進行長期儲存。最后進行數據調用，并將其反饋到前端展示頁面，實現數字微電網的搭建。
3、發電預測算法
我們通過使用BP神經網絡和LSTM構建深度學習模型，實現電量預測功能。利用傳感器所測量的環境數據來進行實時電量預測，通過將實際電量和預測電量進行對比，可以輔助判斷發電設備的健康狀況；同時，通過收集發電設備的歷史運行數據，使用長短期記憶神經網絡進行多變量時間序列預測，獲取未來電，為用戶進行用電規劃，提高能源的利用率。
4、前端展示
為了實現對發電設備的全生命周期監測，我們基于OpenHarmony開發了智能運維系統。可以通過手持設備來實時監測發電設備所處的環境，遇到惡劣天氣時會進行告警提示，發電設備進行自主折疊來達到自我保護；同時還可以看到發電設備的預測電量和實際電量，幫助用戶進行用電規劃，提高能源的利用率。
六、項目創新點
1、基于雙向數字孿生技術的發電量優化方案
云上運維系統用傳感器獲取智能終端的環境數據，物理數據，電量數據等，反饋至用戶端，構建數字微電網；智能終端接收云上運維系統反饋的指令，利用KNN算法進行自適應捕風調整，實現更高的實際發電效率。
（1）物理微電網向數字微電網
我們使用小熊派來將采集到的數據進行上報，通過MQTT協議和華為云IOT物聯網平臺進行連接，然后將傳感器采集到的數據發送到華為云，再轉發到OBS桶進行長期儲存。最后進行數據調用，并將其反饋到前端展示頁面，實現數字微電網的搭建，完成對發電設備的全生命周期監測。
（2）數字微電網向物理微電網
云上運維系統根據傳感器數據進行FED評估，若FED值超過閾值，會下發命名給小熊派，驅動電機使采能前端自動折疊，實現自主保護；若未超過閾值，可根據FED值驅動捕風口形變為最優的采能姿態，從而實現更高的風能捕獲效率，提高發電量。
2、基于結構仿生學的智能終端結構設計
我們自主研發的仿芙蕖開花光能采集機構設計、仿吞鰻魚開嘴的風能采集機構設計，可高度折疊便于攜帶、自主折疊免于受損。在智能終端設計上，團隊汲取深海生物吞鰻魚開嘴、芙蕖開花時的靈感，設計出折疊率極高的捕風口、硅太陽能板陣列。主機凈重55KG，折疊后尺寸為500500900mm，便攜性能優良，發電效率高。
在太陽能板陣列研究上，團隊汲取芙蕖開放時的姿態變化靈感，設計出采能前端的光伏發電子系統。芙蕖開花時，通過花瓣三級四級舒展，其最大圓截面的折疊比高達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，通過伺服電機驅動仿生式花托，模擬花瓣的橫向舒展，使太陽能板的折疊機構的折疊率高達69.14%。
在捕風口機構研究上，團隊通過對一種深海生物吞鰻的嘴部運動姿態特點進行研究，在GeoGebra中以零點為原點構建笛卡爾坐標系，通過數學模型構建吞鰻魚嘴運動模型，將吞鰻魚嘴在變形過程中的運動軌跡進行簡化，得出了簡化后的運動方程。
基于運動方程設計智能終端的捕風機構。最終設計的捕風口機構具有以下兩個特點。
其一，捕風口能夠雙向轉動，通過空間連桿機構實現空間體積上的高度折疊。采用電機控制旋轉來牽引繩索實現寬度上的壓縮，采用精密滾子鏈鏈傳動實現高度上的壓縮，經計算，該仿生式機構折疊比高達81.12%。
其二，通過自主設計的剛柔混合機構，結合伺服電機驅動，可調整捕風口的關鍵幾何特征量，實現自適應捕風。根據采集得到的環境數據、捕風口立柱的振動數據、捕風口內風壓數據等，對流場特征進行評估，根據評估結果實現控制捕風口形變為接近最優采能姿態，使資源利用效率接近最大化。
結合上述兩點，該捕風口折疊率達80% 以上，便攜性能優良；結合云上運維系統，可根據實時的流場改變幾何特征，此特性結合團隊對整機的優化，使得本作品相較傳統的三葉式水平軸風力發電機，對風能的利用效率提高了10%~25%。
