Abstract
Veliki fotonaponski sistemi su važna komponenta distribuirane obnovljive energije u mnogim lokalnim elektroenergetskim mrežama. Upravljanje ovim mikromrežama, posebno načinom njihove interakcije sa glavnom mrežom, nije lak zadatak. To zahtijeva preciznu kontrolu nad tim obnovljivim resursima. Ovaj članak sumira tipove DC-DC pretvarača koji se koriste u mikromrežama i predlaže novu metodu klasifikacije. Ovaj članak predstavlja tehnologiju upravljanja DC-DC pretvarača u DC mikromrežama i razmatra prednosti i nedostatke ovih metoda upravljanja.
Sa povećanjem udjela distribuirane obnovljive energije u elektroenergetskom sistemu, upravljanje ovom električnom energijom postalo je veliki problem. Ovaj članak predstavlja različite metode upravljanja napajanjem. Konačno, DC mikromrežni sistem koji uključuje solarnu energiju, vjetroturbine i baterije je simuliran korištenjem MATLAB/Simulink softvera i analizirane su njegove performanse.
Jednostavno rečeno, ovaj članak govori o tome kako bolje kontrolisati i upravljati mikromrežama koje koriste obnovljivu energiju, a takođe koristi softver za simulaciju takvog sistema kako bi se videlo koliko je efikasan.
1. Uvod
Mikromreže mogu smanjiti gubitke u prijenosu i rješavati energetske krize, uključujući tehnologije kao što su fotonaponske i mikro turbine, koje zahtijevaju pretvarače energetske elektronike za povezivanje na mrežu. DC mikromreža zasnovana na obnovljivoj energiji sastoji se od DC sabirnica, fotonaponskih panela, vjetroturbina, energetskih elektronskih pretvarača, hibridnih sistema za skladištenje energije i DC opterećenja. Ima prednosti višestrukih nivoa napona i visoke efikasnosti, a DC sistem je atraktivan u smislu izvora energije, upravljanja upravljanjem i prilagođavanja opterećenja. Međutim, DC mikromreže se suočavaju sa izazovima kao što su konstantno opterećenje i impulsno opterećenje, što zahtijeva napredne metode upravljanja za poboljšanje prijenosa energije, osiguranje napajanja i postizanje ekonomičnog rada.
Slika 1. Različite klasifikacije mikromreža.
Slika 2. Opća DC mikromreža.
Slika 3. Tipična AC mikromreža.
Slika 4. Hibridna mikromreža.
Slika 5. Godišnji postotak radova objavljenih na DC mikromrežama u protekloj deceniji.
Struktura i raspored sadržaja ovog članka:Ovaj članak će predložiti novu klasifikaciju sveobuhvatnim proučavanjem topologije i metoda upravljanja DC-DC pretvarača u DC mikromrežama. Sljedeći sadržaj uključuje: diskusiju o opisu DC mikromreža u Odjeljku 2; Odjeljak 3 elaborira tipove struktura pretvarača dostupnih u mikromrežama; Poglavlje 4 daje pregled metoda upravljanja za DC-DC pretvarače u DC mikromrežama; Odjeljak 5 uvodi metode upravljanja napajanjem za DC mikromreže; Poglavlje 6 predstavlja razvoj hardvera u oblasti DC-DC pretvarača za mikromrežne aplikacije; Odjeljak 7 predstavlja simulaciju i analizu tipičnih DC mikromreža; Odjeljak 8 predstavlja zaključak.
2. Karakteristike vezane za DC mikromreže
Prednosti i scenariji primjene DC mikromreža:Razvojem tehnologije energetske elektronike, DC mikromreže su privukle pažnju zbog svoje visoke pouzdanosti i efikasnosti. DC mikromreže su više favorizovane u stambenim aplikacijama, stanicama za punjenje električnih vozila, data centrima i drugim poljima. U međuvremenu, sve veća potražnja za istosmjernim električnim opterećenjima učinila je istraživanje proizvodnje električne energije zasnovano na izvorima istosmjerne struje prilično atraktivnim.
Način rada DC mikromreže:DC mikromreža ima dva načina rada: povezan na mrežu i nezavisni. Kada je spojena na mrežu, mikromreža je povezana na DC sabirnicu kako bi dopunila napajanje; Kada radi samostalno, nema potrebe za sinhronizacijom sa glavnom električnom mrežom. U oba načina, različiti obnovljivi izvori energije i sistemi za skladištenje energije, uključujući baterije i superkondenzatore, povezani su na mikromrežu.
Uloga sistema za skladištenje energije u DC mikromrežama:baterije imaju veliku gustoću energije, a njihovi kontroleri se koriste za generiranje ili apsorpciju energije u stacionarnom stanju; Superkondenzatori imaju veliku gustoću snage, a njihovi kontroleri se koriste za generiranje ili apsorpciju prolazne snage. Njih dvoje rade zajedno u mikromrežama kako bi održali ravnotežu snage i stabilan rad.
Istraživanje o povezivanju i kontroli DC mikromreža:Distributivna mreža i sistem za skladištenje energije su međusobno povezani preko energetskih elektronskih pretvarača pomoću DC veza. Postoje relevantne studije o pitanjima zaštite i rješenjima DC mikromreža. Osim toga, članak daje kratak pregled lokalnog upravljanja u DC mikromrežama i predstavlja cjelokupnu arhitekturu DC mikromreža sa jedinicama za pohranu energije.
3. Topologija DC-DC pretvarača u DC mikromrežama
Klasifikacija i uobičajene topologije DC-DC pretvarača:DC-DC pretvarači se mogu podijeliti na neizolirane i izolovane tipove. U DC mikromrežama, pojačani, pojačani i ponižni pretvarači se široko koriste, svaki sa svojom jedinstvenom topologijom (kao što je prikazano na slici 6), kako bi se ispunili različiti zahtjevi za konverziju napona. Dvosmjerni izolovani DC-DC pretvarači se obično koriste u DC sistemima, među kojima su dvostruki aktivni most (DAB) DC-DC pretvarači prikladan izbor zbog svoje podrške za dvosmjerni tok snage i velike gustine snage (pogledajte sliku 7 za njen šematski dijagram) , a topologija serijskih rezonantnih pretvarača (SRC) također je privukla pažnju mnogih istraživača.
Slika 6. Topologija DC-DC pretvarača, (A) pojačanje, (B) pojačanje, (C) pojačano smanjenje.
Slika 7. Šematski dijagram DAB pretvarača.
Razvoj i primjena višeportnih DC-DC pretvarača:Kako bi se riješili problemi visokih troškova i gubitaka sistema uzrokovanih upotrebom pretvarača, pojavili su se višeportni DC-DC pretvarači. Obično se koristi za povezivanje više DC mreža u mikromrežama, kao što su različite topologije spomenute u članku (Slika 8), koje mogu fleksibilno povezati različita istosmjerna opterećenja i izvore napajanja i kontrolirati DC veze; Postoje i izolovane dvostepene topologije pretvarača sa tri porta, itd. Ovi konvertori sa više portova su pogodni za integraciju više izvora energije (uključujući skladištenje energije) i imaju veće naponske omjere od buck pretvarača. Imaju različite primjene u DC mikromrežama, kao što je regulacija napona superkondenzatora, upravljanje snagom između baterija i superkondenzatora, punjenje baterija, implementacija hibridne integracije sistema za pohranu energije i balansiranje protoka energije između obnovljivih izvora energije. Pretvarači koji se koriste u DC mikromrežama općenito su podijeljeni u dvije kategorije: izolovani i neizolovani (pogledajte sliku 9 za klasifikaciju).
Slika 8. Šematski dijagram višeportnog pretvarača.
Slika 9. Klasifikacija topologija DC-DC pretvarača korištenih u DC mikromrežama.
4. Metoda upravljanja DC-DC pretvarača u DC mikromrežu
Značaj i ukupna klasifikacija metoda kontrole:Kontrola DC mikromreža jedno je od glavnih pitanja od kojih se istraživači brinu. Ukupne metode upravljanja mogu se podijeliti na centraliziranu kontrolu i distribuiranu kontrolu. Centralizovano upravljanje je pogodno za male lokalne mikromreže sa ograničenim prikupljanjem podataka (pogledajte sliku 10 za šemu upravljanja), dok distribuirano upravljanje ne zahteva centralni kontroler (vidi sliku 11).
Slika 10. Blok dijagram centraliziranog upravljanja.
Slika 11. Blok dijagram distribuiranog upravljanja.
Vrste i karakteristike nelinearne tehnologije upravljanja:Tehnologija nelinearne kontrole uključuje prediktivnu kontrolu modela (MPC), kontrolu kliznog režima (SMC), adaptivnu kontrolu i inteligentnu kontrolu. Posljednjih godina, mnoge studije su se fokusirale na performanse MPC-a u dvosmjernoj konverterskoj kontroli sistema za pohranu energije baterija (BESS) i balansiranju snage mikromreža. U MPC, optimalni režim prebacivanja pretvarača je određen funkcijom troškova kako bi se postigle bolje performanse (pogledajte sliku 12 za njegovu upravljačku šemu); U SMC kontroli, generisani kontrolni ulaz direktno deluje na prekidač energetskog elektronskog pretvarača, sa brzim odzivom (vidi sliku 13); Adaptivna kontrola je pogodna za situacije u kojima opterećenje i ulazni izvor DC-DC pretvarača variraju i može poboljšati robusnost metode upravljanja (vidi sliku 14). Dodatno, predložena je nova metoda upravljanja za upravljanje napajanjem mikromreža zasnovana na fotonaponskim sistemima, koja koristi fuzzy logic controller (FLC) za kontrolu snage svakog pretvarača (vidi sliku 15).
Slika 12. Blok dijagram MPC kontrolera.
Slika 13. Blok dijagram SMC kontrolera.
Slika 14. Blok dijagram adaptivnog upravljanja.
Slika 15. Način upravljanja pretvaračem u DC mikromrežu.
5. Strategija upravljanja napajanjem za DC mikromrežu
Važnost i izazovi upravljanja energijom:DC mikromreže predstavljaju odgovarajući izbor za opskrbu energijom u udaljenim područjima, stoga su njihove metode upravljanja energijom privukle veliku pažnju. Upravljanje napajanjem mikromreža suočava se s mnogim izazovima, kao što je fluktuacija izlazne snage fotonaponskog sistema s promjenama zračenja. Ove faktore treba uzeti u obzir prilikom projektovanja sistema za upravljanje energijom kako bi se osiguralo pouzdano i visokokvalitetno snabdevanje energijom. U mikromreži nezavisnoj od elektroenergetske mreže, takođe je potrebno koordinirati rad fotonaponskih sistema, sistema za skladištenje energije baterija (BESS) i drugih jedinica kako bi se postigao balans snage.
Primjer različitih sistema i algoritama za upravljanje energijom:Sustav upravljanja energijom baterije (BEMS) za mikromreže, sa fotonaponskim i dizel generatorima kao glavnim izvorima energije, može smanjiti vrijeme rada dizel generatora, smanjiti fotonaponske fluktuacije snage, upravljati različitim vrstama baterija s različitim karakteristikama i produžiti vijek trajanja baterije. Algoritam za upravljanje napajanjem koji se koristi za balansiranje snage fotonaponskih i BESS sistema, uzimajući u obzir ograničenja stanja napunjenosti (SoC) BESS sistema. Tokom pražnjenja baterije, dvosmjerni pretvarač prilagođava napon istosmjerne sabirnice, au nekim slučajevima pretvarač energetske elektronike treba da pomogne sistemu u radu u načinu praćenja maksimalne snage (MPPT) (pogledajte sliku 17 za način rada sistema). Predloženi su inteligentni dinamički sistem upravljanja energijom za mikromreže, metoda upravljanja napajanjem za hibridne fotonaponske/baterijske sisteme i strategija upravljanja energijom (PMS) za kontrolu toka energije u DC mikromrežama. U članku su predstavljeni i različiti načini rada DC mikromrežnog sistema za upravljanje napajanjem (vidi sliku 16), uključujući režim ograničene snage (LPM) i MPPT režim fotonaponskog sistema, koji su određeni baterijskim SoC-om (kao što je ilustrovano u dijagramu toka u Slika 17).
Slika 16. Dijagram toka strategije upravljanja energijom.
Slika 17. Algoritam upravljanja napajanjem za mikromrežnu (A) bateriju i (B) fotonaponske komponente
6. Razvoj hardvera i simulacijska verifikacija DC mikromreže
Primjena hardvera u simulaciji petlje:Povezivanje fizičkih sistema sa simulacionim okruženjima je nova tema. U istraživanju mikromreža potrebno je poređenje hardvera da bi se potvrdili rezultati simulacije različitih metoda upravljanja i topoloških struktura. Kroz simulaciju hardvera u petlji (HIL), DC-DC pretvarač je korišten za povezivanje mikromreže sa gorivom ćelijom, postižući dvosmjernu komunikaciju između simulacijskog okruženja i fizičkog sistema gorivih ćelija. HIL simulacija se sastoji od DC-DC pretvarača i mikromreže (vidi sliku 18).
Slika 18. Hardverska simulacija je provedena na DC/DC pretvaraču i mikromrežu.
Primjer uređaja za implementaciju hardvera za DC-DC pretvarače:U tabeli 1 u članku je prikupljeno nekoliko uređaja dobijenih iz naučne literature za implementaciju hardverskog dijela DC-DC pretvarača. Ovi uređaji pružaju referencu za razvoj hardvera DC-DC pretvarača u mikromrežama i pomažu dalje istraživanje i praksu DC mikromrežne tehnologije.
Tabela 1. Uređaji koji se koriste za implementaciju hardverskog dijela DC-DC pretvarača.
7. Simulaciono istraživanje na DC mikromrežnom sistemu
Kompozicija simulacionog sistema i podešavanja parametara:MATLAB softver se koristi za simulaciju DC mikromrežnog sistema, koji uključuje fotonaponski sistem, vjetroturbinu sa sinhronim generatorom s permanentnim magnetom (PMSG), bateriju, DC-DC dvosmjerni pretvarač za regulaciju napona i praćenje tačke maksimalne snage (MPPT ) sistem za vjetroturbine i solarne panele. Struktura je prikazana na slici 19. Fotonaponski sistem se sastoji od 22 solarna panela povezana u seriju, sa maksimalnim naponom i strujom struje od 30,3V i 7,10A za svaki panel. DC mikromrežni izlaz koristi otporna opterećenja, a specifikacije sistema i njegovih komponenti su navedene u tabeli 2.
Slika 19. Blok dijagram proučavane DC mikromreže.
Tabela 2. Parametri korišteni u simulaciji DC mikromreže.
Prikaz i analiza rezultata simulacije:Sistem je simuliran korišćenjem MATLAB/Simulink okruženja, a dat je šematski dijagram ukupne DC mikromreže (vidi sliku 20). Prikazane su izlazne krive fotonaponske, baterijske i vjetroturbine (vidi sliku 21), kao i krive izlazne snage vjetroturbine pri različitim brzinama vjetra (predstavljene jediničnim vrijednostima) (vidi sliku 22), krive napona vjetroagregata baterije u nazivnim područjima i područjima pražnjenja (vidi sliku 23), te krive napona i struje izlaznog opterećenja sistema (vidi sliku 24). U simulaciji, sistem vjetroturbina radi konstantnom brzinom od 12m/s, sa proizvodnjom energije od 8kW pri nazivnoj brzini vjetra, a fotonaponski sistem ima nazivnu snagu od 4,6kW. Dvosmjerni pretvarač koji se koristi u dijelu baterije može postići funkcije punjenja i pražnjenja. Ovi rezultati simulacije mogu se koristiti za analizu i procjenu operativnih performansi DC mikromrežnog sistema.
Slika 20. Simulacijski model DC mikromreže koristeći MATLAB/simulacijsku vezu.
Slika 21. Rezultati simulacije pokazuju da (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) obrtni moment vjetroturbine Te, Tm, (E) brzina vjetra, (F) DC napon sabirnice i (G) stanje napunjenosti (SOC) punjive baterije.
Slika 22. Rezultati simulacije pokazuju izlaznu snagu turbine (pu) pri različitim brzinama turbine (pu).
Slika 23. Rezultati simulacije pokazuju da napon baterije može normalno raditi u načinu pražnjenja.
Slika 24. Rezultati simulacije pokazuju da izlazni napon opterećenja (A) DC mikromreže i izlazna struja opterećenja (B) DC mikromreže.
8. Sažetak
Ovaj članak sveobuhvatno istražuje topologiju, metode upravljanja i različite strategije upravljanja napajanjem DC-DC pretvarača u DC mikromrežama, dok također proučava hardver koji se koristi u DC-DC pretvaračima u mikromrežama.
Karakteristike i zahtjevi mikromreža:Složenost mikromreža određuje njihovu potrebu za digitalnom automatizacijom i inteligentnim upravljanjem kako bi postali prikladna i pouzdana alternativa tradicionalnim mrežama. Tehnološki napredak omogućava automatizovano upravljanje energijom za rukovanje više komponenti i promenljivih uslova, optimizujući pouzdanost i cenu. Efikasno korišćenje sistema za skladištenje energije kao što su baterije u mikromrežama može da obezbedi neprekinuto snabdevanje potrebnom energijom, a korišćenje obnovljive energije za snabdevanje regiona energijom je korisno za životnu sredinu i ima globalni ekonomski značaj.
Ključne tačke vezane za DC-DC pretvarače:U nezavisnoj DC mikromreži, DC-DC pretvarači mogu postići različite nivoe porasta i pada napona. Neizolovani pretvarači imaju manje gubitke i prikladniji su od izolovanih pretvarača. Postoje različite strategije za upravljanje pretvaračima u mikromrežama, a tehnologija linearne kontrole ne može osigurati stabilan rad sistema. Usvojene su napredne metode kao što je prediktivna kontrola modela (MPC), kontrola kliznog režima (SMC) i fuzzy kontrola.
Zaključak poređenja metoda kontrole:U članku je izvršena opsežna analiza i poređenje metoda kontrole. Napredne inteligentne metode upravljanja imaju robusnost protiv nestabilnosti impedancije. U DC-DC pretvaračima DC mikromreža, inteligentni kontroleri imaju brze i precizne performanse u poređenju sa drugim algoritmima upravljanja.