Abstraktní
Velké fotovoltaické systémy jsou důležitou součástí distribuované obnovitelné energie v mnoha místních energetických sítích. Správa těchto mikrosítí, zejména jejich interakce s hlavní sítí, není snadný úkol. To vyžaduje přesnou kontrolu nad těmito obnovitelnými zdroji. Tento článek shrnuje typy DC-DC měničů používaných v mikrosíťích a navrhuje novou klasifikační metodu. Tento článek představuje technologii řízení DC-DC měničů ve DC mikrosíťích a pojednává o výhodách a nevýhodách těchto způsobů řízení.
S rostoucím podílem distribuované obnovitelné energie v energetickém systému se řízení této elektřiny stalo hlavním problémem. Tento článek představuje různé metody správy napájení. Nakonec byl pomocí softwaru MATLAB/Simulink simulován DC mikrosíťový systém zahrnující solární energii, větrné turbíny a baterie a byl analyzován jeho výkon.
Jednoduše řečeno, tento článek je o tom, jak lépe ovládat a spravovat mikrosítě, které využívají obnovitelné zdroje energie, a také používá software k simulaci takového systému, abyste viděli, jak je efektivní.
1. Úvod
Mikrosítě mohou snížit přenosové ztráty a řešit energetické krize, včetně technologií, jako je fotovoltaika a mikroturbíny, které pro připojení k síti vyžadují výkonové elektronické měniče. DC mikrosíť založená na obnovitelné energii se skládá ze stejnosměrných přípojnic, fotovoltaických panelů, větrných turbín, výkonových elektronických měničů, hybridních systémů pro ukládání energie a stejnosměrných zátěží. Má výhody několika úrovní napětí a vysoké účinnosti a DC systém je atraktivní z hlediska zdrojů energie, řízení řízení a přizpůsobení zátěže. Stejnosměrné mikrosítě však čelí výzvám, jako je konstantní výkonové zatížení a pulzní výkonové zatížení, které vyžadují pokročilé metody řízení pro zlepšení přenosu energie, zajištění napájení a dosažení ekonomického provozu.
Obrázek 1. Různé klasifikace mikrosítí.
Obrázek 2. Obecná DC mikrosíť.
Obrázek 3. Typická AC mikrosíť.
Obrázek 4. Hybridní mikrosíťka.
Obrázek 5. Roční procento článků publikovaných na DC microgrids za poslední desetiletí.
Struktura a obsahové uspořádání tohoto článku:Tento článek navrhne novou klasifikaci komplexním studiem topologie a metod řízení DC-DC měničů ve DC mikrosíťích. Následující obsah zahrnuje: diskuzi o popisu DC mikrosítí v části 2; Část 3 rozvádí typy struktur konvertorů dostupných v mikrosíťích; Část 4 poskytuje přehled metod řízení pro DC-DC měniče ve DC mikrosíti; Část 5 představuje metody řízení napájení pro DC mikrosítě; Část 6 představuje vývoj hardwaru v oblasti DC-DC měničů pro mikrosíťové aplikace; Část 7 představuje simulaci a analýzu typických DC mikrosítí; Část 8 uvádí závěr.
2. Charakteristiky týkající se DC mikrosítí
Výhody a aplikační scénáře DC mikrosítí:S rozvojem technologie výkonové elektroniky přitahují DC mikrosítě pozornost díky své vysoké spolehlivosti a účinnosti. DC mikrosítě jsou více upřednostňovány v obytných aplikacích, nabíjecích stanicích pro elektromobily, datových centrech a dalších oblastech. Mezitím rostoucí poptávka po stejnosměrných elektrických zátěžích učinila výzkum výroby energie založené na zdrojích stejnosměrného proudu poměrně atraktivní.
Provozní režim DC microgrid:DC microgrid má dva provozní režimy: připojený k síti a nezávislý. Při připojení k síti je mikrosíť připojena ke stejnosměrné sběrnici pro doplnění energie; Při samostatném provozu není potřeba synchronizace s hlavní rozvodnou sítí. V obou režimech jsou k mikrosíti připojeny různé obnovitelné zdroje energie a systémy skladování energie včetně baterií a superkondenzátorů.
Role systémů skladování energie v DC mikrosíťích:baterie mají vysokou hustotu energie a jejich regulátory se používají ke generování nebo absorbování energie v ustáleném stavu; Superkondenzátory mají vysokou hustotu výkonu a jejich regulátory se používají ke generování nebo pohlcování přechodného výkonu. Tyto dva spolupracují v mikrosíťích, aby udržely rovnováhu energie a stabilní provoz.
Výzkum připojení a řízení DC Microgrids:Distribuční síť a systém skladování energie jsou propojeny prostřednictvím výkonových elektronických měničů pomocí stejnosměrných meziobvodů. Existují relevantní studie o otázkách ochrany a řešení DC mikrosítí. Kromě toho článek poskytuje stručný přehled lokálního řízení ve stejnosměrných mikrosítích a představuje celkovou architekturu stejnosměrných mikrosítí s jednotkami pro ukládání energie.
3. Topologie DC-DC měničů ve DC mikrosíti
Klasifikace a běžné topologie DC-DC měničů:DC-DC měniče lze rozdělit na neizolované a izolované typy. Ve stejnosměrných mikrosítkách jsou široce používány měniče boost, buck boost a buck, každý s vlastní jedinečnou topologií (jak je znázorněno na obrázku 6), aby byly splněny různé požadavky na převod napětí. Obousměrné izolované DC-DC měniče se běžně používají v DC systémech, mezi nimiž jsou vhodnou volbou DC-DC měniče s duálním aktivním můstkem (DAB) díky podpoře obousměrného toku výkonu a vysoké hustotě výkonu (jeho schematický diagram viz Obrázek 7) , a topologie sériových rezonančních měničů (SRC) také přitáhla pozornost mnoha výzkumníků.
Obrázek 6. Topologie DC-DC měniče, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Obrázek 7. Schéma DAB převodníku.
Vývoj a aplikace víceportových DC-DC měničů:Za účelem vyřešení problémů vysokých nákladů a systémových ztrát způsobených použitím konvertorů se objevily víceportové DC-DC konvertory. Běžně se používá pro připojení více stejnosměrných sítí v mikrosíťích, jako jsou různé topologie uvedené v článku (obrázek 8), které mohou flexibilně propojovat různé stejnosměrné zátěže a zdroje energie a řídit stejnosměrné spoje; Existují také izolované dvoustupňové tříportové konvertory atd. Tyto multiportové konvertory jsou vhodné pro integraci více zdrojů energie (včetně skladování energie) a mají vyšší napěťové poměry než buck boost konvertory. Mají různé aplikace ve stejnosměrných mikrosíťích, jako je regulace napětí superkondenzátoru, řízení energie mezi bateriemi a superkondenzátory, nabíjení baterií, implementace integrace hybridního systému ukládání energie a vyrovnávání toku energie mezi obnovitelnými zdroji energie. Převodníky používané ve stejnosměrných mikrosíťích se obecně dělí do dvou kategorií: izolované a neizolované (klasifikace viz obrázek 9).
Obrázek 8. Schéma víceportového převodníku.
Obrázek 9. Klasifikace topologií DC-DC měničů používaných v DC mikrosíťích.
4. Způsob řízení DC-DC měniče ve DC mikrosíti
Význam a celková klasifikace kontrolních metod:Řízení DC mikrosítí je jedním z hlavních problémů, které výzkumníky znepokojují. Celkové způsoby řízení lze rozdělit na centralizované řízení a distribuované řízení. Centralizované řízení je vhodné pro malé lokální mikrosítě s omezeným sběrem dat (jeho schéma ovládání viz obrázek 10), zatímco distribuované řízení nevyžaduje centrální ovladač (viz obrázek 11).
Obrázek 10. Blokové schéma centralizovaného řízení.
Obrázek 11. Blokové schéma distribuovaného řízení.
Typy a vlastnosti nelineární technologie řízení:Technologie nelineárního řízení zahrnuje prediktivní řízení modelu (MPC), řízení klouzavého režimu (SMC), adaptivní řízení a inteligentní řízení. V posledních letech se mnoho studií zaměřilo na výkon MPC při řízení obousměrných měničů systémů pro ukládání energie z baterií (BESS) a vyrovnávání výkonu mikrosítí. V MPC je optimální spínací režim měniče určen nákladovou funkcí pro dosažení lepšího výkonu (jeho regulační schéma viz Obrázek 12); Při řízení SMC působí generovaný řídicí vstup přímo na spínač výkonového elektronického měniče s rychlou odezvou (viz obrázek 13); Adaptivní řízení je vhodné pro situace, kdy se zátěž a vstupní zdroj DC-DC měničů mění, a může zlepšit robustnost způsobu řízení (viz obrázek 14). Kromě toho je navržena nová metoda řízení pro řízení napájení mikrosítě na základě fotovoltaických systémů, která využívá fuzzy logický regulátor (FLC) pro řízení výkonu každého invertoru (viz obrázek 15).
Obrázek 12. Blokové schéma regulátoru MPC.
Obrázek 13. Blokové schéma regulátoru SMC.
Obrázek 14. Blokové schéma adaptivního řízení.
Obrázek 15. Způsob řízení měniče ve stejnosměrné mikrosíti.
5. Strategie řízení napájení pro DC mikrosíť
Význam a výzvy správy napájení:DC mikrosítě poskytují vhodnou volbu pro zásobování energií v odlehlých oblastech, a proto jejich metody hospodaření s energií přitahují velkou pozornost. Řízení napájení Microgrid čelí mnoha výzvám, jako je kolísání výstupního výkonu fotovoltaického systému se změnami záření. Tyto faktory je třeba vzít v úvahu při navrhování systémů řízení spotřeby, aby byla zajištěna spolehlivá a vysoce kvalitní dodávka energie. V mikrosíti nezávislé na elektrické síti je také nutné koordinovat provoz fotovoltaických systémů, bateriových zásobníků energie (BESS) a dalších jednotek pro dosažení energetické rovnováhy.
Příklad různých systémů řízení spotřeby a algoritmů:Battery Energy Management System (BEMS) pro mikrosítě s fotovoltaickými a dieselovými generátory jako hlavními zdroji energie může zkrátit pracovní dobu dieselových generátorů, snížit kolísání fotovoltaického výkonu, spravovat různé typy baterií s různými charakteristikami a prodloužit životnost baterií. Algoritmus správy napájení používaný k vyrovnání výkonu fotovoltaických a BESS systémů, při zohlednění omezení stavu nabití (SoC) systému BESS. Během vybíjení baterie upravuje obousměrný převodník napětí stejnosměrné sběrnice a v některých případech potřebuje výkonový elektronický převodník pomoci systému při provozu v režimu sledování maximálního výkonu (MPPT) (viz Obrázek 17 pro provozní režim systému). Byl navržen inteligentní dynamický systém řízení energie pro mikrosítě, způsob řízení spotřeby pro hybridní fotovoltaické/bateriové systémy a strategie řízení spotřeby (PMS) pro řízení toku energie stejnosměrných mikrosítí. Článek také představuje různé provozní režimy DC mikrosíťového systému řízení napájení (viz obrázek 16), včetně režimu omezeného výkonu (LPM) a režimu MPPT fotovoltaického systému, které jsou určeny akumulátorem SoC (jak je znázorněno na vývojovém diagramu v Obrázek 17).
Obrázek 16. Vývojový diagram strategie řízení spotřeby.
Obrázek 17. Algoritmus řízení napájení pro mikrosíťovou (A) baterii a (B) fotovoltaické komponenty
6. Vývoj hardwaru a ověření simulace DC mikrosítě
Použití hardwaru v simulaci smyčky:Propojování fyzických systémů se simulačními prostředími je nové téma. Při výzkumu mikrosítí je vyžadováno porovnání hardwaru pro ověření výsledků simulace různých metod řízení a topologických struktur. Prostřednictvím simulace hardwaru ve smyčce (HIL) byl k připojení mikrosítě k palivovému článku použit DC-DC měnič, čímž bylo dosaženo obousměrné komunikace mezi prostředím simulace a fyzickým systémem palivových článků. Simulace HIL se skládá z DC-DC měniče a mikrosítě (viz obrázek 18).
Obrázek 18. Hardwarová simulace byla provedena na DC/DC konvertoru a mikrosíti.
Příklad hardwarových implementačních zařízení pro DC-DC měniče:Tabulka 1 v článku shromažďuje několik zařízení získaných z odborné literatury pro implementaci hardwarové části DC-DC měničů. Tato zařízení poskytují reference pro vývoj hardwaru DC-DC měničů v mikrosíťích a pomáhají dalšímu výzkumu a praxi technologie DC mikrosítí.
Tabulka 1. Zařízení použitá k implementaci hardwarové části DC-DC měničů.
7. Simulační výzkum stejnosměrného mikrosíťového systému
Složení simulačního systému a nastavení parametrů:Software MATLAB se používá k simulaci DC mikrosíťového systému, který zahrnuje fotovoltaický systém, větrnou turbínu se synchronním generátorem s permanentními magnety (PMSG), baterii, DC-DC obousměrný měnič pro regulaci napětí a sledování bodu maximálního výkonu (MPPT). ) systém pro větrné turbíny a solární panely. Struktura je znázorněna na obrázku 19. Fotovoltaický systém se skládá z 22 solárních panelů zapojených do série, s maximálním napětím a proudem napájecího bodu 30,3 V a 7,10 A pro každý panel. Výstup DC microgrid využívá odporové zátěže a specifikace systému a jeho součástí jsou uvedeny v tabulce 2.
Obrázek 19. Blokové schéma studované DC mikrosítě.
Tabulka 2. Parametry používané v simulaci DC mikrosítě.
Zobrazení a analýza výsledků simulace:Systém byl simulován pomocí prostředí MATLAB/Simulink a byl poskytnut schematický diagram celkové DC mikrosítě (viz obrázek 20). Byly zobrazeny výstupní křivky fotovoltaické, bateriové a větrné turbíny (viz obrázek 21), stejně jako křivky výstupního výkonu větrné turbíny při různých rychlostech větru (reprezentované jednotkovými hodnotami) (viz obrázek 22), křivky napětí baterie ve jmenovité a vybíjecí oblasti (viz obrázek 23) a křivky napětí a proudu výstupní zátěže systému (viz obrázek 24). V simulaci systém větrné turbíny pracuje při konstantní rychlosti 12 m/s, s výkonem 8 kW při jmenovité rychlosti větru a fotovoltaický systém má jmenovitý výkon 4,6 kW. Obousměrný převodník použitý v bateriové sekci může dosáhnout funkcí nabíjení a vybíjení. Tyto výsledky simulace lze použít k analýze a vyhodnocení provozního výkonu systému DC mikrosítě.
Obrázek 20. Simulační model DC mikrosítě pomocí MATLAB/simulation link.
Obrázek 21. Výsledky simulace ukazují, že (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) točivý moment větrné turbíny Te, Tm, (E) rychlost větru, (F) napětí stejnosměrné sběrnice a (G) Obr. stav nabití (SOC) dobíjecí baterie.
Obrázek 22. Výsledky simulace ukazují výstupní výkon turbíny (pu) při různých rychlostech turbíny (pu).
Obrázek 23. Výsledky simulace ukazují, že napětí baterie může v režimu vybíjení fungovat normálně.
Obrázek 24. Výsledky simulace ukazují, že napětí výstupní zátěže (A) stejnosměrné mikrosítě a proud výstupní zátěže (B) stejnosměrné mikrosítě.
8. Shrnutí
Tento článek komplexně zkoumá topologii, metody řízení a různé strategie systému řízení napájení DC-DC konvertorů v DC mikrosíťích a zároveň studuje hardware používaný v DC-DC konvertorech v mikrosíťích.
Vlastnosti a požadavky mikrosítí:Složitost mikrosítí určuje jejich potřebu digitální automatizace a inteligentního řízení, aby se staly vhodnou a spolehlivou alternativou k tradičním sítím. Technologický pokrok umožňuje automatizovanému řízení energie zpracovávat více komponent a proměnných podmínek, což optimalizuje spolehlivost a náklady. Efektivní využití systémů skladování energie, jako jsou baterie v mikrosíťích, může zajistit nepřetržité dodávky požadované energie a využití obnovitelné energie k zásobování regionů je prospěšné pro životní prostředí a má celosvětový ekonomický význam.
Klíčové body týkající se DC-DC měničů:V nezávislé DC mikrosíti mohou DC-DC měniče dosahovat různých úrovní nárůstu a poklesu napětí. Neizolované konvertory mají menší ztráty a jsou vhodnější než izolované konvertory. Existují různé strategie pro řízení konvertorů v mikrosíti a lineární řídicí technologie nemůže zajistit stabilní provoz systému. Byly přijaty pokročilé metody, jako je prediktivní řízení modelu (MPC), řízení klouzavého režimu (SMC) a fuzzy řízení.
Závěr porovnání kontrolní metody:V článku byla provedena komplexní analýza a srovnání kontrolních metod. Pokročilé inteligentní metody řízení jsou odolné vůči nestabilitě impedance. V DC-DC konvertorech DC mikrosítí mají inteligentní regulátory rychlý a přesný výkon ve srovnání s jinými řídicími algoritmy.