Absztrakt
A nagy léptékű fotovoltaikus rendszerek számos helyi villamosenergia-hálózatban az elosztott megújuló energia fontos összetevői. Ezeknek a mikrorácsoknak a kezelése, különösen az, hogy hogyan működnek együtt a fő hálózattal, nem könnyű feladat. Ehhez pontos ellenőrzésre van szükség a megújuló erőforrások felett. Ez a cikk összefoglalja a mikrohálózatokban használt DC-DC átalakítók típusait, és új osztályozási módszert javasol. Ez a cikk bemutatja a DC-DC átalakítók vezérlési technológiáját egyenáramú mikrohálózatokban, és tárgyalja ezen szabályozási módszerek előnyeit és hátrányait.
Az elosztott megújuló energia arányának növekedésével a villamosenergia-rendszerben ennek a villamos energiának a kezelése komoly kérdéssé vált. Ez a cikk az energiagazdálkodás különböző módszereit mutatja be. Végül egy napenergiát, szélturbinákat és akkumulátorokat tartalmazó egyenáramú mikrohálózati rendszert szimuláltak MATLAB/Simulink szoftverrel, és elemezték a teljesítményét.
Egyszerűen fogalmazva, ez a cikk arról szól, hogyan lehet jobban ellenőrizni és kezelni a megújuló energiát használó mikrohálózatokat, és szoftvert is használ egy ilyen rendszer szimulálására, hogy megtudja, mennyire hatékony.
1. Bevezetés
A mikrohálózatok csökkenthetik az átviteli veszteségeket és kezelhetik az energiaválságokat, ideértve az olyan technológiákat is, mint a fotovoltaik és a mikroturbinák, amelyekhez teljesítményelektronikai átalakítók szükségesek a hálózathoz való csatlakozáshoz. A megújuló energia alapú egyenáramú mikrohálózat egyenáramú gyűjtősínekből, fotovoltaikus panelekből, szélturbinákból, teljesítményelektronikai átalakítókból, hibrid energiatároló rendszerekből és egyenáramú terhelésekből áll. Előnye a több feszültségszint és a nagy hatásfok, az egyenáramú rendszer pedig vonzó az energiaforrások, a vezérléskezelés és a terhelés-adaptáció szempontjából. Az egyenáramú mikrohálózatok azonban olyan kihívásokkal néznek szembe, mint például az állandó teljesítményterhelés és az impulzusteljesítmény-terhelés, amelyek fejlett szabályozási módszereket igényelnek az energiaátvitel javítása, az energiaellátás biztosítása és a gazdaságos működés érdekében.
1. ábra A mikrorácsok különböző osztályozása.
2. ábra: Általános egyenáramú mikrohálózat.
3. ábra Tipikus AC mikrorács.
4. ábra Hibrid mikrorács.
5. ábra: Az elmúlt évtizedben az egyenáramú mikrohálókkal kapcsolatos publikációk éves százalékos aránya.
A cikk felépítése és tartalmi elrendezése:Ez a cikk egy új osztályozást javasol, átfogóan tanulmányozva a DC-DC átalakítók topológiáját és vezérlési módszereit egyenáramú mikrohálózatokban. A következő tartalom a következőket tartalmazza: az egyenáramú mikrohálózatok leírásának megvitatása a 2. részben; A 3. szakasz a mikrogridekben elérhető átalakító szerkezetek típusait taglalja; A 4. szakasz áttekintést nyújt a DC-DC átalakítók vezérlési módszereiről egyenáramú mikrohálózatokban; Az 5. szakasz az egyenáramú mikrohálózatok energiagazdálkodási módszereit mutatja be; A 6. rész a hardverfejlesztést mutatja be a mikrohálózati alkalmazásokhoz használt DC-DC átalakítók területén; A 7. rész a tipikus egyenáramú mikrohálózatok szimulációját és elemzését mutatja be; A 8. szakasz ismerteti a következtetést.
2. Egyenáramú mikrorácsokkal kapcsolatos jellemzők
Az egyenáramú mikrorácsok előnyei és alkalmazási forgatókönyvei:A teljesítményelektronikai technológia fejlődésével az egyenáramú mikrorácsok nagy megbízhatóságuk és hatékonyságuk miatt felkeltették a figyelmet. Az egyenáramú mikrohálózatok előnyösebbek a lakossági alkalmazásokban, az elektromos járművek töltőállomásaiban, az adatközpontokban és más területeken. Eközben az egyenáramú elektromos terhelések iránti növekvő kereslet vonzóvá tette az egyenáramú áramforrásokon alapuló energiatermelés kutatását.
Az egyenáramú mikrorács működési módja:Az egyenáramú mikrorácsnak két üzemmódja van: hálózatra kapcsolva és független. Hálózatra csatlakoztatva a mikrorács az egyenáramú buszhoz csatlakozik, hogy kiegészítse az áramellátást; Önálló működés esetén nincs szükség a fő elektromos hálózattal való szinkronizálásra. Mindkét módban különféle megújuló energiaforrások és energiatároló rendszerek, köztük akkumulátorok és szuperkondenzátorok csatlakoznak a mikrohálózathoz.
Az energiatároló rendszerek szerepe az egyenáramú mikrohálózatokban:az akkumulátorok nagy energiasűrűséggel rendelkeznek, és vezérlőiket állandósult energia előállítására vagy elnyelésére használják; A szuperkondenzátorok nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, és vezérlőiket tranziens teljesítmény előállítására vagy elnyelésére használják. A kettő együtt működik a mikrogridekben, hogy fenntartsák az energiaegyensúlyt és a stabil működést.
Kutatások az egyenáramú mikrohálózatok csatlakoztatásáról és vezérléséről:Az elosztóhálózat és az energiatároló rendszer egyenáramú összeköttetéseket használó teljesítményelektronikai átalakítókon keresztül kapcsolódik egymáshoz. Az egyenáramú mikrohálózatok védelmi kérdéseiről és megoldásairól releváns tanulmányok születtek. Ezenkívül a cikk rövid áttekintést ad az egyenáramú mikrorácsok helyi szabályozásáról, és bemutatja az energiatároló egységekkel rendelkező egyenáramú mikrohálózatok általános architektúráját.
3. DC-DC átalakítók topológiája egyenáramú mikrohálózatokban
A DC-DC átalakítók osztályozása és általános topológiái:A DC-DC átalakítók nem izolált és izolált típusokra oszthatók. Az egyenáramú mikrorácsokban széles körben használják a boost, a buck boost és a buck konvertereket, amelyek mindegyike saját egyedi topológiával rendelkezik (ahogyan a 6. ábrán látható), hogy megfeleljenek a különböző feszültségátalakítási követelményeknek. A kétirányú leválasztott DC-DC átalakítókat általánosan használják az egyenáramú rendszerekben, amelyek közül a kettős aktív híd (DAB) DC-DC konverterek megfelelő választást jelentenek a kétirányú teljesítményáram támogatása és a nagy teljesítménysűrűség miatt (a sematikus diagramot lásd a 7. ábrán). , és a soros rezonáns konverterek (SRC) topológiája is sok kutató figyelmét felkeltette.
6. ábra: DC-DC konverter topológia, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
7. ábra A DAB átalakító sematikus diagramja.
Több portos DC-DC konverterek fejlesztése és alkalmazása:Az átalakítók használatából adódó magas költségek és rendszerveszteségek problémáinak megoldására több portos DC-DC konverterek jelentek meg. Általában több egyenáramú hálózat összekapcsolására használják mikrorácsokban, például a cikkben említett különféle topológiáknál (8. ábra), amelyek rugalmasan köthetnek össze különböző egyenáramú terheléseket és áramforrásokat, és vezérlik az egyenáramú kapcsolatokat; Vannak izolált kétfokozatú háromportos konverter topológiák stb. Ezek a többportos konverterek több energiaforrás integrálására (beleértve az energiatárolást is) alkalmasak, és nagyobb feszültségarányuk van, mint a buck boost konverterek. Különféle alkalmazásaik vannak az egyenáramú mikrorácsokban, például szuperkondenzátor feszültség szabályozása, akkumulátorok és szuperkondenzátorok közötti teljesítmény irányítása, akkumulátorok töltése, hibrid energiatároló rendszer integráció megvalósítása, valamint a megújuló energiaforrások közötti energiaáramlás kiegyensúlyozása. Az egyenáramú mikrohálózatokban használt konvertereket általában két kategóriába sorolják: szigetelt és nem szigetelt (az osztályozást lásd a 9. ábrán).
8. ábra Több portos konverter sematikus diagramja.
9. ábra: Az egyenáramú mikrohálózatokban használt DC-DC átalakító topológiák osztályozása.
4. DC-DC konverter vezérlési módja egyenáramú mikrohálózatban
Az ellenőrzési módszerek fontossága és általános osztályozása:Az egyenáramú mikrorácsok szabályozása az egyik fő kérdés a kutatók számára. Az átfogó szabályozási módszerek központi vezérlésre és elosztott vezérlésre oszthatók. A központosított vezérlés kis helyi mikrogridekhez alkalmas korlátozott adatgyűjtéssel (vezérlési sémáját lásd a 10. ábrán), míg az elosztott vezérléshez nincs szükség központi vezérlőre (lásd 11. ábra).
10. ábra Központi vezérlés blokkvázlata.
11. ábra Az elosztott vezérlés blokkvázlata.
A nemlineáris szabályozási technológia típusai és jellemzői:A nemlineáris vezérlési technológia magában foglalja a modell prediktív vezérlést (MPC), a csúszó módú vezérlést (SMC), az adaptív vezérlést és az intelligens vezérlést. Az elmúlt években számos tanulmány az MPC teljesítményére összpontosított az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) kétirányú konverteres vezérlésében és a mikrohálózatok energiakiegyenlítésében. Az MPC-ben az átalakító optimális kapcsolási módját a költségfüggvény határozza meg a jobb teljesítmény elérése érdekében (szabályozási sémáját lásd a 12. ábrán); Az SMC vezérlésben a generált vezérlőbemenet közvetlenül a teljesítményelektronikus átalakító kapcsolójára hat, gyors reagálással (lásd 13. ábra); Az adaptív vezérlés olyan helyzetekben alkalmazható, ahol a DC-DC átalakítók terhelése és bemeneti forrása változó, és javíthatja a szabályozási módszer robusztusságát (lásd 14. ábra). Ezen túlmenően egy új, fotovoltaikus rendszereken alapuló mikrohálózati energiagazdálkodási módszert javasolnak, amely fuzzy logic vezérlőt (FLC) használ az egyes inverterek teljesítményének szabályozására (lásd a 15. ábrát).
12. ábra MPC vezérlő blokkvázlata.
13. ábra: SMC vezérlő blokkvázlata.
14. ábra Az adaptív vezérlés blokkvázlata.
15. ábra: Az átalakító vezérlési módja egyenáramú mikrohálózatban.
5. Energiagazdálkodási stratégia egyenáramú mikrohálózathoz
Az energiagazdálkodás fontossága és kihívásai:Az egyenáramú mikrohálózatok megfelelő választást jelentenek a távoli területek energiaellátására, ezért energiagazdálkodási módszereik nagy figyelmet kaptak. A mikrohálózat energiagazdálkodásának számos kihívással kell szembenéznie, mint például a fotovoltaikus rendszer kimeneti teljesítményének ingadozása a sugárzás változásával. Ezeket a tényezőket figyelembe kell venni az energiagazdálkodási rendszerek tervezésekor a megbízható és jó minőségű energiaellátás biztosítása érdekében. Az elektromos hálózattól független mikrohálózatban a fotovoltaikus rendszerek, akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) és egyéb egységek működésének összehangolása is szükséges a teljesítményegyensúly eléréséhez.
Példa különböző energiagazdálkodási rendszerekre és algoritmusokra:A mikrohálózatokhoz készült akkumulátor-energia-gazdálkodási rendszer (BEMS), amelynek fő áramforrása a fotovoltaikus és dízelgenerátorok, csökkentheti a dízelgenerátorok működési idejét, csökkentheti a fotovoltaikus teljesítmény ingadozásait, kezelheti a különböző típusú, eltérő jellemzőkkel rendelkező akkumulátorokat, és meghosszabbíthatja az akkumulátor élettartamát. Energiagazdálkodási algoritmus, amelyet a fotovoltaikus és BESS rendszerek teljesítményének kiegyensúlyozására használnak, miközben figyelembe veszik a BESS rendszer töltési állapotára (SoC) vonatkozó korlátokat. Az akkumulátor lemerülése során egy kétirányú konverter állítja be az egyenáramú busz feszültségét, és bizonyos esetekben a teljesítményelektronikus átalakítónak segítenie kell a rendszert a Maximum Power Point Tracking (MPPT) üzemmódban (a rendszer működési módját lásd a 17. ábrán). Javasoltak egy intelligens dinamikus energiagazdálkodási rendszert mikrohálózatokhoz, energiagazdálkodási módszert a hibrid fotovoltaikus/akkumulátoros rendszerekhez, valamint egy energiagazdálkodási stratégiát (PMS) az egyenáramú mikrohálózatok energiaáramlásának szabályozására. A cikk bemutatja az egyenáramú mikrogrid energiagazdálkodási rendszer különféle üzemmódjait is (lásd a 16. ábrát), beleértve a fotovoltaikus rendszer korlátozott teljesítményű (LPM) és MPPT üzemmódját is, amelyeket az akkumulátor SoC határoz meg (ahogyan az a folyamatábrán látható 17. ábra).
16. ábra Energiagazdálkodási stratégia folyamatábrája.
17. ábra: Energiagazdálkodási algoritmus mikrorács (A) akkumulátorhoz és (B) fotovoltaikus alkatrészekhez
6. DC microgrid hardverfejlesztése és szimulációs ellenőrzése
A hardver alkalmazása a hurokszimulációban:Új téma a fizikai rendszerek összekapcsolása szimulációs környezetekkel. A mikrogrid kutatásban hardver-összehasonlítás szükséges a különböző szabályozási módszerek és topológia struktúrák szimulációs eredményeinek igazolására. Hardver a hurokban (HIL) szimuláción keresztül egy DC-DC konvertert használtak a mikrorács és az üzemanyagcella összekapcsolására, ami kétirányú kommunikációt valósított meg a szimulációs környezet és a fizikai üzemanyagcellás rendszer között. A HIL szimuláció egy DC-DC konverterből és egy mikrorácsból áll (lásd 18. ábra).
18. ábra Hardveres szimulációt végeztünk a DC/DC konverteren és a mikrohálón.
Példa a DC-DC átalakítók hardveres megvalósítási eszközeire:A cikk 1. táblázata a DC-DC átalakítók hardveres részének megvalósításához számos, a szakirodalomból származó eszközt gyűjt össze. Ezek az eszközök referenciaként szolgálnak a mikrogridekben található DC-DC átalakítók hardverfejlesztéséhez, és segítik a DC mikrogrid technológia további kutatását és gyakorlatát.
1. táblázat: A DC-DC átalakítók hardver részének megvalósításához használt eszközök.
7. Egyenáramú mikrohálózati rendszer szimulációs kutatása
Szimulációs rendszer összetétele és paraméterbeállításai:A MATLAB szoftver egy egyenáramú mikrorács rendszer szimulálására szolgál, amely magában foglal egy fotovoltaikus rendszert, egy szélturbinát állandó mágneses szinkrongenerátorral (PMSG), egy akkumulátort, egy DC-DC kétirányú átalakítót a feszültségszabályozáshoz és egy maximális teljesítménypont követést (MPPT). ) rendszer szélturbinákhoz és napelemekhez. A felépítés a 19. ábrán látható. A fotovoltaikus rendszer 22 sorba kapcsolt napelemből áll, amelyek maximális teljesítményponti feszültsége és árama 30,3 V és 7,10 A panelenként. Az egyenáramú mikrorács kimenet ellenállásos terhelést használ, és a rendszer és alkatrészeinek specifikációi a 2. táblázatban találhatók.
19. ábra A vizsgált egyenáramú mikrohálózat blokkvázlata.
2. táblázat: Az egyenáramú mikrorács szimulációban használt paraméterek.
Szimulációs eredmények megjelenítése és elemzése:A rendszert MATLAB/Simulink környezetben szimuláltuk, és a teljes egyenáramú mikrorács sematikus diagramja készült (lásd a 20. ábrát). Megjelenítették a fotovoltaikus, akkumulátoros és szélturbina kimeneti görbéit (lásd 21. ábra), valamint a szélturbinák kimenő teljesítménygörbéit különböző szélsebességek mellett (egységértékekkel ábrázolva) (lásd 22. ábra), a szélturbinák feszültséggörbéit. akkumulátor névleges és kisülési tartományban (lásd: 23. ábra), valamint a rendszer kimeneti terhelésének feszültség- és áramgörbéi (lásd: 24. ábra). A szimulációban a szélturbina rendszer állandó 12 m/s sebességgel működik, névleges szélsebesség mellett 8 kW teljesítményű, a fotovoltaikus rendszer pedig 4,6 kW névleges teljesítményű. Az akkumulátor részben használt kétirányú konverter töltési és kisütési funkciókat képes elérni. Ezek a szimulációs eredmények felhasználhatók az egyenáramú mikrohálózati rendszer működési teljesítményének elemzésére és értékelésére.
20. ábra Egyenáramú mikrohálózat szimulációs modellje MATLAB/szimulációs kapcsolat használatával.
21. ábra A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) szélturbina nyomatéka Te, Tm, (E) szélsebesség, (F) DC busz feszültség és (G) az újratölthető akkumulátor töltöttségi állapota (SOC).
22. ábra A szimulációs eredmények a turbina kimenő teljesítményét (pu) mutatják különböző turbina-fordulatszámoknál (pu).
23. ábra A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy az akkumulátor feszültsége normálisan tud működni kisülési módban.
24. ábra A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy az egyenáramú mikrorács kimeneti terhelési feszültsége (A) és az egyenáramú mikrorács kimeneti terhelési (B) árama.
8. Összegzés
Ez a cikk átfogóan feltárja a DC-DC átalakítók topológiáját, vezérlési módszereit és különféle energiagazdálkodási rendszerstratégiáit egyenáramú mikrorácsokban, valamint tanulmányozza a mikrogridekben található DC-DC átalakítókban használt hardvert.
A mikrorácsok jellemzői és követelményei:A mikrogridek összetettsége meghatározza, hogy digitális automatizálásra és intelligens menedzsmentre van szükségük ahhoz, hogy megfelelő és megbízható alternatívává váljanak a hagyományos gridekkel szemben. A technológiai fejlesztések lehetővé teszik az automatizált energiagazdálkodást, amely több komponenst és változó körülményeket is képes kezelni, optimalizálva a megbízhatóságot és a költségeket. Az energiatároló rendszerek, mint például az akkumulátorok mikrogridekben történő hatékony hasznosítása biztosíthatja a szükséges energia folyamatos ellátását, a megújuló energia felhasználása a régiók áramellátására pedig kedvező a környezet számára és világgazdasági jelentőséggel bír.
A DC-DC konverterekkel kapcsolatos legfontosabb szempontok:Egy független egyenáramú mikrohálózatban a DC-DC konverterek különböző szintű feszültségemelkedést és csökkenést érhetnek el. A nem szigetelt konverterek kisebb veszteséggel bírnak, és alkalmasabbak, mint az izolált konverterek. Különféle stratégiák léteznek a mikrogridekben található konverterek vezérlésére, és a lineáris vezérlési technológia nem tudja biztosítani a rendszer stabil működését. Olyan fejlett módszereket alkalmaztak, mint például a modell prediktív vezérlés (MPC), a csúszó módú vezérlés (SMC) és a fuzzy vezérlés.
Az ellenőrzési módszerek összehasonlításának következtetése:A cikkben az ellenőrzési módszerek átfogó elemzését és összehasonlítását végezték el. A fejlett intelligens vezérlési módszerek robusztusak az impedancia instabilitásával szemben. Az egyenáramú mikrorácsok DC-DC átalakítóiban az intelligens vezérlők gyors és pontos teljesítményt nyújtanak más vezérlőalgoritmusokhoz képest.