基于数字孪生的源网荷储多能互补智慧微网系统

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项目摘要

为如期实现双碳战略目标，我国能源结构将迎来大转型。未来企业都可能需要管理自己的碳资产，实现公司层面的碳中和，而当前市面上的风力发电机、大规模光伏以及储能系统具有许多不足之处，其适用范围具有局限性，绿色能源无法普及所有企业园区等问题，因此本产品采用电源、电网、负荷、储能四位一体技术实现智慧微网建设，通过风光氢耦合互补提供能量供应，并基于运维系统为智慧微网实现数字化、可视化和用电规划，为用户打造一套完整的智慧微电网系统。

一、项目背景

在2030年之前实现碳达峰，在2060年之前达到碳中和，是我国必须完成的科技目标之一。2015年7月，国家能源局对外发布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》，标志着在在我国，微电网项目建设被正式提升至国家层面。在政策的大力支持下，微电网的布局建设将加快。未来我国微电网行业有四个发展方向，能效为先，拒绝浪费、热电联产，多能互补、风光互补，清洁电力、以及必备储能，保障安全。

二、团队介绍

我们团队是来自郑州轻工业大学的在校创新创业团队，我们的团队成员来自不同专业的本科生，在项目开发中实现学科交叉，专业融合。

三、项目架构

本产品采用电源、电网、负荷、储能四位一体技术实现智慧微网建设，通过风光氢耦合互补提供能量供应，并基于运维系统为智慧微网实现数字化、可视化和用电规划，为用户打造一套完整的智慧微电网系统。

项目核心优势：

智慧微网设计

利用仿生原理实现发电终端的高折叠比，基于伯努利效应实现微风发电，获取最大的发电效率，在保证小型便携效果的同时，极大程度提高设备的适用性。

云上运维系统设计

基于源网荷储数字化、可视化设计思想实现设备全生命周期监测、数据可视化和长短期发电量预测，并为用户量身定制用电规划，减少能源损耗，提高发电效率，降低设备运维成本。

氢储能终端设计

实现氢能转换，达到长时储能效果。通过控制系统设计、流道优化、PEM改性等技术，极大程度的降低能量转换耗损、延长使用寿命15%-20%，实现从获取到产出绿色供应一站式服务。

规模部署灵活+适用性强

可根据园区规模大小灵活部署，也可进行居民园区分散部署，采用大规模分散，微主体聚合的新型智慧微电网概念适应绝大多数场地。

四、应用场景

1、工业园区

我国工业园区的经济增长速率远高于国家平均水平，已成为国家重要的工业生产空间和布局方式。但工业园区工业生产集中，能源需求量大，污染物排放强度高，温室气体排放量大。近年来，工业园区始终是《大气污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》等污染防治战略的重点治理对象。随着我国碳达峰和碳中和国家战略的提出，各部委陆续出台相应的政策和标准，推进园区绿色、低碳、循环发展。

但由于中国工业园区数量众多且园区内企业间、基础设施和园区间尚未完全形成产业共生网络、绿色供应链和自主可控的产业链，无法进行大风机和大光伏的安装。而我们采用规模大分散小、微主体聚合的新型智慧微电网概念，适用绝大多数场地。可根据企业规模大小，需要用电多少，进行量化规划，让规模与企业需求画上等号。

2、居民用户

2021年年底，国家能源局、农业农村部、国家乡村振兴局印发关于《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》的通知。明确提出支持县域清洁能源规模化开发，在具备资源条件的中西部脱贫地区，特别是乡村振兴重点帮扶县，优先规划建设集中式风电、光伏基地，为脱贫县打造支柱产业。

我国农村自然资源丰富，通过部署我们的发电设备，帮助用户实现电量自发自用，余量上网，农村家庭用户每年可以增收1000-2000元。

3、边防哨所

我国疆域辽阔，为了守护国土，会在远离电网的边远地区设立边防哨所。但许多边防哨所是驻守在高海拔的高原深处，社会依托条件差，有的偏远哨所距离最近的县城也有数百公里；加之哨所驻地环境恶劣，每年封山期长达半年之久，用上长明电一直是驻守前哨班官兵的热切期望。

我们的产品基于仿生技术实现高折叠比，完全折叠后仅2个28寸行李箱大小，设备运行噪音小于10dB，启动风速仅在3m/s，每天发电可在5kw/h。不仅可以满足官兵的日常用电需求，而且便于携带，可以部署在所有的边防哨所，为我国边防哨所带去长明电。

五、产品功能

1、构建物理微电网

我们自主研发仿生式发电终端，在折叠后仅有常规行李箱大小，先进仿生式发电设备发电连续性强，具有便于携带、资源利用效率高、经济性强、适合民用的优势，易于推广，解决了传统风光储微电网的固有问题。同时，我们采用大规模、分散小的概念，根据园区规模大小和用电多少进行量化规划，为用户提供智慧微网一站式服务。

2、构建数字微电网

我们使用OpenHarmony小熊派来将采集到的数据进行上报，通过MQTT协议和华为云IOT物联网平台进行连接，然后将传感器采集到的数据发送到华为云，再转发到OBS桶进行长期储存。最后进行数据调用，并将其反馈到前端展示页面，实现数字微电网的搭建。

3、发电预测算法

我们通过使用BP神经网络和LSTM构建深度学习模型，实现电量预测功能。利用传感器所测量的环境数据来进行实时电量预测，通过将实际电量和预测电量进行对比，可以辅助判断发电设备的健康状况；同时，通过收集发电设备的历史运行数据，使用长短期记忆神经网络进行多变量时间序列预测，获取未来电，为用户进行用电规划，提高能源的利用率。

4、前端展示

为了实现对发电设备的全生命周期监测，我们基于OpenHarmony开发了智能运维系统。可以通过手持设备来实时监测发电设备所处的环境，遇到恶劣天气时会进行告警提示，发电设备进行自主折叠来达到自我保护；同时还可以看到发电设备的预测电量和实际电量，帮助用户进行用电规划，提高能源的利用率。

六、项目创新点

1、基于双向数字孪生技术的发电量优化方案

云上运维系统用传感器获取智能终端的环境数据，物理数据，电量数据等，反馈至用户端，构建数字微电网；智能终端接收云上运维系统反馈的指令，利用KNN算法进行自适应捕风调整，实现更高的实际发电效率。

（1）物理微电网向数字微电网

我们使用小熊派来将采集到的数据进行上报，通过MQTT协议和华为云IOT物联网平台进行连接，然后将传感器采集到的数据发送到华为云，再转发到OBS桶进行长期储存。最后进行数据调用，并将其反馈到前端展示页面，实现数字微电网的搭建，完成对发电设备的全生命周期监测。

（2）数字微电网向物理微电网

云上运维系统根据传感器数据进行FED评估，若FED值超过阈值，会下发命名给小熊派，驱动电机使采能前端自动折叠，实现自主保护；若未超过阈值，可根据FED值驱动捕风口形变为最优的采能姿态，从而实现更高的风能捕获效率，提高发电量。

2、基于结构仿生学的智能终端结构设计

我们自主研发的仿芙蕖开花光能采集机构设计、仿吞鳗鱼开嘴的风能采集机构设计，可高度折叠便于携带、自主折叠免于受损。在智能终端设计上，团队汲取深海生物吞鳗鱼开嘴、芙蕖开花时的灵感，设计出折叠率极高的捕风口、硅太阳能板阵列。主机净重55KG，折叠后尺寸为500500900mm，便携性能优良，发电效率高。

在太阳能板阵列研究上，团队汲取芙蕖开放时的姿态变化灵感，设计出采能前端的光伏发电子系统。芙蕖开花时，通过花瓣三级_{四级舒展，其最大圆截面的折叠比高达65%}75%。本仿生式光伏阵列通过绳索牵引及重力模拟花瓣的竖向舒展，通过伺服电机驱动仿生式花托，模拟花瓣的横向舒展，使太阳能板的折叠机构的折叠率高达69.14%。

在捕风口机构研究上，团队通过对一种深海生物吞鳗的嘴部运动姿态特点进行研究，在GeoGebra中以零点为原点构建笛卡尔坐标系，通过数学模型构建吞鳗鱼嘴运动模型，将吞鳗鱼嘴在变形过程中的运动轨迹进行简化，得出了简化后的运动方程。

基于运动方程设计智能终端的捕风机构。最终设计的捕风口机构具有以下两个特点。

其一，捕风口能够双向转动，通过空间连杆机构实现空间体积上的高度折叠。采用电机控制旋转来牵引绳索实现宽度上的压缩，采用精密滚子链链传动实现高度上的压缩，经计算，该仿生式机构折叠比高达81.12%。

其二，通过自主设计的刚柔混合机构，结合伺服电机驱动，可调整捕风口的关键几何特征量，实现自适应捕风。根据采集得到的环境数据、捕风口立柱的振动数据、捕风口内风压数据等，对流场特征进行评估，根据评估结果实现控制捕风口形变为接近最优采能姿态，使资源利用效率接近最大化。

结合上述两点，该捕风口折叠率达80% 以上，便携性能优良；结合云上运维系统，可根据实时的流场改变几何特征，此特性结合团队对整机的优化，使得本作品相较传统的三叶式水平轴风力发电机，对风能的利用效率提高了10%~25%。

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