Abstraktne
Suuremahulised fotogalvaanilised süsteemid on paljudes kohalikes elektrivõrkudes hajutatud taastuvenergia oluline komponent. Nende mikrovõrkude haldamine, eriti see, kuidas need põhivõrguga suhtlevad, ei ole lihtne ülesanne. See nõuab täpset kontrolli nende taastuvate ressursside üle. See artikkel võtab kokku mikrovõrkudes kasutatavate alalis-alalisvoolu muundurite tüübid ja pakub välja uue klassifitseerimismeetodi. See artikkel tutvustab DC-DC muundurite juhtimistehnoloogiat alalisvoolu mikrovõrkudes ning käsitleb nende juhtimismeetodite eeliseid ja puudusi.
Hajutatud taastuvenergia osakaalu suurenemisega elektrisüsteemis on selle elektri haldamine muutunud oluliseks probleemiks. See artikkel tutvustab erinevaid toitehalduse meetodeid. Lõpuks simuleeriti MATLAB/Simulink tarkvara abil alalisvoolu mikrovõrgusüsteemi, mis hõlmas päikeseenergiat, tuuleturbiine ja akusid, ning analüüsiti selle toimivust.
Lihtsamalt öeldes räägib see artikkel sellest, kuidas paremini kontrollida ja hallata taastuvenergiat kasutavaid mikrovõrke ning samuti kasutatakse tarkvara sellise süsteemi simuleerimiseks, et näha, kui tõhus see on.
1. Sissejuhatus
Mikrovõrgud võivad vähendada ülekandekadusid ja lahendada energiakriise, sealhulgas selliseid tehnoloogiaid nagu fotogalvaanika ja mikroturbiinid, mille võrguga ühendamiseks on vaja jõuelektroonilisi muundureid. Taastuvenergial põhinev alalisvoolu mikrovõrk koosneb alalisvoolusiinidest, fotogalvaanilistest paneelidest, tuuleturbiinidest, jõuelektroonikamuunduritest, hübriidenergia salvestussüsteemidest ja alalisvoolu koormustest. Sellel on mitme pingetaseme ja kõrge efektiivsuse eelised ning alalisvoolusüsteem on energiaallikate, juhtimisjuhtimise ja koormuse kohandamise poolest atraktiivne. Alalisvoolu mikrovõrgud seisavad aga silmitsi väljakutsetega, nagu pidev võimsuskoormus ja impulssvõimsuse koormus, mis nõuavad täiustatud juhtimismeetodeid, et parandada energiaülekannet, tagada toitevarustus ja saavutada ökonoomne töö.
Joonis 1. Mikrovõrkude erinevad klassifikatsioonid.
Joonis 2. Üldine alalisvoolu mikrovõrk.
Joonis 3. Tüüpiline vahelduvvoolu mikrovõrk.
Joonis 4. Hübriidmikrovõrk.
Joonis 5. Viimase kümnendi jooksul alalisvoolu mikrovõrkude kohta avaldatud paberite aastane protsent.
Selle artikli struktuur ja sisu paigutus:Selles artiklis pakutakse välja uus klassifikatsioon, uurides põhjalikult DC-DC muundurite topoloogiat ja juhtimismeetodeid alalisvoolu mikrovõrkudes. Järgmine sisu hõlmab: alalisvoolu mikrovõrkude kirjelduse arutamist jaotises 2; 3. jaos käsitletakse mikrovõrkudes saadaolevaid muunduristruktuuride tüüpe; 4. jaotises antakse ülevaade alalisvoolu-alalisvoolu muundurite juhtimismeetoditest alalisvoolu mikrovõrkudes; 5. jaos tutvustatakse alalisvoolu mikrovõrkude toitehaldusmeetodeid; 6. jaotises kirjeldatakse riistvaraarendust mikrovõrgurakenduste alalis-alalisvoolu muundurite valdkonnas; 7. jaos esitatakse tüüpiliste alalisvoolu mikrovõrkude simulatsioon ja analüüs; 8. jaos esitatakse järeldus.
2. Alalisvoolu mikrovõrkudega seotud omadused
Alalisvoolu mikrovõrkude eelised ja kasutusstsenaariumid:Jõuelektroonika tehnoloogia arenguga on alalisvoolu mikrovõrgud äratanud tähelepanu oma kõrge töökindluse ja tõhususe tõttu. Alalisvoolu mikrovõrke eelistatakse rohkem elamutes, elektrisõidukite laadimisjaamades, andmekeskustes ja muudes valdkondades. Samal ajal on kasvav nõudlus alalisvoolu elektriliste koormuste järele muutnud alalisvooluallikatel põhineva elektritootmise uuringud üsna atraktiivseks.
Alalisvoolu mikrovõrgu töörežiim:Alalisvoolu mikrovõrgul on kaks töörežiimi: võrguga ühendatud ja sõltumatu. Võrku ühendatuna on mikrovõrk ühendatud alalisvoolu siiniga, et täiendada toidet; Iseseisvalt töötades ei ole vaja sünkroniseerida põhivõrguga. Mõlemas režiimis on mikrovõrguga ühendatud erinevad taastuvad energiaallikad ja energiasalvestussüsteemid, sealhulgas akud ja superkondensaatorid.
Energiasalvestussüsteemide roll alalisvoolu mikrovõrkudes:akudel on kõrge energiatihedus ja nende kontrollereid kasutatakse püsiseisundi võimsuse genereerimiseks või neelamiseks; Superkondensaatoritel on suur võimsustihedus ja nende kontrollereid kasutatakse siirdevõimsuse genereerimiseks või neelamiseks. Need kaks töötavad koos mikrovõrkudes, et säilitada võimsuse tasakaal ja stabiilne töö.
Teadusuuringud alalisvoolu mikrovõrkude ühendamise ja juhtimise kohta:Jaotusvõrk ja energiasalvestussüsteem on omavahel ühendatud toiteelektrooniliste muundurite kaudu, kasutades alalisvoolu linke. Alalisvoolu mikrovõrkude kaitseküsimuste ja lahenduste kohta on tehtud asjakohaseid uuringuid. Lisaks antakse artiklis põgus ülevaade lokaalsest juhtimisest alalisvoolu mikrovõrkudes ning esitatakse energiasalvestitega alalisvoolu mikrovõrkude üldine arhitektuur.
3. DC-DC muundurite topoloogia alalisvoolu mikrovõrkudes
DC-DC muundurite klassifikatsioon ja levinumad topoloogiad:DC-DC muundurid võib jagada isoleerimata ja isoleeritud tüüpideks. Alalisvoolu mikrovõrkudes kasutatakse laialdaselt võimendus-, buck-boost- ja buck-muundureid, millest igaühel on oma ainulaadne topoloogia (nagu on näidatud joonisel 6), et täita erinevaid pinge muundamise nõudeid. Alalisvoolusüsteemides kasutatakse tavaliselt kahesuunalisi isoleeritud alalis-alalisvoolu muundureid, mille hulgas on kahesuunalise vooluhulga ja suure võimsustiheduse toetamise tõttu sobivaks valikuks kahe aktiivse silla (DAB) DC-DC muundurid (skemaatilist diagrammi vt jooniselt 7). , ja seeriaresonantsmuundurite (SRC) topoloogia on pälvinud ka paljude teadlaste tähelepanu.
Joonis 6. DC-DC muunduri topoloogia, (A) võimendus, (B) võimendus, (C) buck boost.
Joonis 7. DAB-muunduri skemaatiline diagramm.
Mitme pordiga DC-DC muundurite arendamine ja rakendamine:Konverterite kasutamisest tingitud kõrgete kulude ja süsteemikadude probleemide lahendamiseks on tekkinud mitme pordiga alalis-alalisvoolu muundurid. Seda kasutatakse tavaliselt mitme alalisvooluvõrgu ühendamiseks mikrovõrkudes, näiteks artiklis mainitud erinevad topoloogiad (joonis 8), millega saab paindlikult ühendada erinevaid alalisvoolu koormusi ja toiteallikaid ning juhtida alalisvoolulinke; Samuti on isoleeritud kaheastmelised kolme pordiga muundurite topoloogiad jne. Need mitme pordiga muundurid sobivad mitme energiaallika integreerimiseks (sh energiasalvesti) ja neil on kõrgem pinge suhe kui buck boost muundurid. Neil on alalisvoolu mikrovõrkudes mitmesuguseid rakendusi, näiteks superkondensaatori pinge reguleerimine, patareide ja superkondensaatorite vahelise võimsuse haldamine, akude laadimine, hübriidenergia salvestamise süsteemi integreerimise rakendamine ja taastuvate energiaallikate vahelise energiavoo tasakaalustamine. Alalisvoolu mikrovõrkudes kasutatavad muundurid jagunevad üldiselt kahte kategooriasse: isoleeritud ja isoleerimata (vt klassifikatsiooni jooniselt 9).
Joonis 8. Mitme pordiga muunduri skemaatiline diagramm.
Joonis 9. Alalisvoolu mikrovõrkudes kasutatavate DC-DC muundurite topoloogiate klassifikatsioon.
4. DC-DC muunduri juhtimismeetod alalisvoolu mikrovõrgus
Kontrollimeetodite tähtsus ja üldine klassifikatsioon:Alalisvoolu mikrovõrkude juhtimine on teadlaste jaoks üks peamisi mureküsimusi. Üldised juhtimismeetodid võib jagada tsentraliseeritud juhtimiseks ja hajutatud juhtimiseks. Tsentraliseeritud juhtimine sobib väikestele lokaalsetele mikrovõrkudele, mille andmete kogumine on piiratud (vt selle juhtimisskeemi jooniselt 10), samas kui hajutatud juhtimine ei vaja keskkontrollerit (vt joonis 11).
Joonis 10. Tsentraliseeritud juhtimise plokkskeem.
Joonis 11. Hajutatud juhtimise plokkskeem.
Mittelineaarse juhtimistehnoloogia tüübid ja omadused:Mittelineaarne juhtimistehnoloogia hõlmab mudeli ennustavat juhtimist (MPC), libisemisrežiimi juhtimist (SMC), adaptiivset juhtimist ja intelligentset juhtimist. Viimastel aastatel on paljud uuringud keskendunud MPC jõudlusele aku energiasalvestussüsteemide (BESS) kahesuunalise muunduri juhtimisel ja mikrovõrkude võimsuse tasakaalustamisel. MPC-s määrab muunduri optimaalse lülitusrežiimi kulufunktsioon parema jõudluse saavutamiseks (vt selle juhtimisskeemi jooniselt 12); SMC-juhtimise korral toimib genereeritud juhtsisend otse jõuelektroonilise muunduri lülitile kiire reageerimisega (vt joonis 13); Adaptiivne juhtimine sobib olukordades, kus alalis-alalisvoolu muundurite koormus ja sisendallikas on erinevad ning võib parandada juhtimismeetodi tugevust (vt joonis 14). Lisaks pakutakse välja uus fotogalvaanilistel süsteemidel põhinev mikrovõrgu toitehalduse juhtimismeetod, mis kasutab iga inverteri võimsuse juhtimiseks fuzzy logic kontrollerit (FLC) (vt joonis 15).
Joonis 12. MPC kontrolleri plokkskeem.
Joonis 13. SMC kontrolleri plokkskeem.
Joonis 14. Adaptiivse juhtimise plokkskeem.
Joonis 15. Alalisvoolu mikrovõrgu muunduri juhtimismeetod.
5. Toitehalduse strateegia alalisvoolu mikrovõrgu jaoks
Toitehalduse tähtsus ja väljakutsed:Alalisvoolu mikrovõrgud pakuvad sobivat valikut kaugemate piirkondade energiavarustuseks, seetõttu on nende energiahaldusmeetodid pälvinud palju tähelepanu. Mikrovõrgu toitehaldus seisab silmitsi paljude väljakutsetega, näiteks fotogalvaanilise süsteemi väljundvõimsuse kõikumine koos kiirgusmuutustega. Neid tegureid tuleb toitehaldussüsteemide kavandamisel arvesse võtta, et tagada usaldusväärne ja kvaliteetne energiavarustus. Elektrivõrgust sõltumatus mikrovõrgus on võimsuse tasakaalu saavutamiseks vaja koordineerida ka fotogalvaaniliste süsteemide, aku energiasalvestussüsteemide (BESS) ja muude seadmete tööd.
Erinevate toitehaldussüsteemide ja algoritmide näide:Mikrovõrkudele mõeldud aku energiahaldussüsteem (BEMS), mille peamisteks toiteallikateks on fotogalvaanilised ja diiselgeneraatorid, võib vähendada diiselgeneraatorite tööaega, vähendada fotogalvaanilise võimsuse kõikumisi, hallata erinevat tüüpi akusid, millel on erinevad omadused, ja pikendada aku kasutusiga. Toitehaldusalgoritm, mida kasutatakse fotogalvaaniliste ja BESS-süsteemide võimsuse tasakaalustamiseks, võttes samal ajal arvesse BESS-süsteemi laadimisoleku (SoC) piiranguid. Aku tühjenemise ajal reguleerib kahesuunaline muundur alalisvoolu siini pinget ja mõnel juhul peab jõuelektrooniline muundur aitama süsteemil töötada maksimaalse võimsuspunkti jälgimise (MPPT) režiimis (süsteemi töörežiimi vaata jooniselt 17). On välja pakutud intelligentne dünaamiline energiahaldussüsteem mikrovõrkude jaoks, toitehaldusmeetod hübriidsete fotogalvaaniliste/akusüsteemide jaoks ja toitehaldusstrateegia (PMS) alalisvoolu mikrovõrkude energiavoo juhtimiseks. Artiklis esitatakse ka alalisvoolu mikrovõrgu toitehaldussüsteemi erinevad töörežiimid (vt joonis 16), sealhulgas fotogalvaanilise süsteemi piiratud võimsusega režiim (LPM) ja MPPT režiim, mille määrab aku SoC (nagu on näidatud vooskeemil Joonis 17).
Joonis 16. Toitehaldusstrateegia vooskeem.
Joonis 17. Toitehaldusalgoritm mikrovõrgu (A) aku ja (B) fotogalvaaniliste komponentide jaoks
6. Alalisvoolu mikrovõrgu riistvara arendamine ja simulatsiooni kontrollimine
Riistvara rakendamine silmusesimulatsioonis:Füüsiliste süsteemide ühendamine simulatsioonikeskkondadega on uus teema. Mikrovõrgu uuringutes on riistvara võrdlemine vajalik erinevate juhtimismeetodite ja topoloogiastruktuuride simulatsioonitulemuste kontrollimiseks. Läbi riistvara in the loop (HIL) simulatsiooni kasutati DC-DC muundurit mikrovõrgu ühendamiseks kütuseelemendiga, saavutades kahesuunalise side simulatsioonikeskkonna ja füüsilise kütuseelemendi süsteemi vahel. HIL-i simulatsioon koosneb DC-DC muundurist ja mikrovõrgust (vt joonis 18).
Joonis 18. Riistvara simulatsioon viidi läbi alalis-alalisvoolu muunduril ja mikrovõrgul.
DC-DC muundurite riistvara rakendusseadmete näide:Artikli tabelis 1 on kogutud mitmeid teaduskirjandusest saadud seadmeid alalis-alalisvoolu muundurite riistvaraosa rakendamiseks. Need seadmed pakuvad alust alalis-alalisvoolu muundurite riistvara arendamiseks mikrovõrkudes ning aitavad alalisvoolu mikrovõrgutehnoloogia edasisel uurimisel ja praktikal.
Tabel 1. DC-DC muundurite riistvaraosa rakendamiseks kasutatavad seadmed.
7. Simulatsiooniuuringud alalisvoolu mikrovõrgusüsteemis
Simulatsioonisüsteemi koostis ja parameetrite seadistused:MATLAB tarkvara kasutatakse alalisvoolu mikrovõrgusüsteemi simuleerimiseks, mis sisaldab fotogalvaanilist süsteemi, püsimagnetiga sünkroongeneraatoriga (PMSG) tuuleturbiini, akut, kahesuunalist alalis-alalisvoolu muundurit pinge reguleerimiseks ja maksimaalse võimsuspunkti jälgimist (MPPT). ) tuuleturbiinide ja päikesepaneelide süsteem. Struktuur on näidatud joonisel 19. Fotogalvaaniline süsteem koosneb 22 järjestikku ühendatud päikesepaneelist, mille maksimaalne toitepunkti pinge ja vool on 30,3 V ja 7,10 A iga paneeli kohta. Alalisvoolu mikrovõrgu väljund kasutab takistuslikke koormusi ning süsteem ja selle komponentide tehnilised andmed on loetletud tabelis 2.
Joonis 19. Uuritud alalisvoolu mikrovõrgu plokkskeem.
Tabel 2. Alalisvoolu mikrovõrgu simulatsioonis kasutatud parameetrid.
Simulatsiooni tulemuste kuvamine ja analüüs:Süsteemi simuleeriti MATLAB/Simulink keskkonda kasutades ja esitati üldise alalisvoolu mikrovõrgu skemaatiline diagramm (vt joonis 20). Näidati fotogalvaanilise, aku ja tuuliku väljundkõveraid (vt joonis 21), samuti tuuliku väljundvõimsuse kõveraid erinevatel tuulekiirustel (esitatud ühikuväärtustega) (vt joonis 22), elektrituuliku pingekõveraid. aku nimi- ja tühjenemispiirkondades (vt joonis 23) ning süsteemi väljundkoormuse pinge- ja voolukõverad (vt joonis 24). Simulatsioonis töötab tuulikusüsteem konstantsel kiirusel 12m/s, võimsusega 8kW nimituulekiirusel ning fotogalvaanilise süsteemi nimivõimsus on 4,6kW. Akuosas kasutatav kahesuunaline muundur suudab saavutada laadimis- ja tühjendusfunktsioone. Neid simulatsioonitulemusi saab kasutada alalisvoolu mikrovõrgusüsteemi töövõime analüüsimiseks ja hindamiseks.
Joonis 20. DC mikrovõrgu simulatsioonimudel MATLAB/simulatsioonilinki kasutades.
Joonis 21. Simulatsiooni tulemused näitavad, et (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) tuuliku pöördemoment Te, Tm, (E) tuule kiirus, (F) alalisvoolu siini pinge ja (G) laetava aku laetuse olek (SOC).
Joonis 22. Simulatsiooni tulemused näitavad turbiini väljundvõimsust (pu) erinevatel turbiini kiirustel (pu).
Joonis 23. Simulatsiooni tulemused näitavad, et aku pinge võib tühjendusrežiimis normaalselt töötada.
Joonis 24. Simulatsiooni tulemused näitavad, et alalisvoolu mikrovõrgu väljundkoormuse (A) pinge ja alalisvoolu mikrovõrgu väljundkoormuse (B) voolu.
8. Kokkuvõte
See artikkel uurib põhjalikult alalis-alalisvoolumuundurite topoloogiat, juhtimismeetodeid ja erinevaid toitehaldussüsteemide strateegiaid alalisvoolu mikrovõrkudes, uurides samal ajal ka mikrovõrkude alalis-alalisvoolumuundurites kasutatavat riistvara.
Mikrovõrkude omadused ja nõuded:Mikrovõrkude keerukus määrab nende vajaduse digitaalse automatiseerimise ja intelligentse juhtimise järele, et saada sobivaks ja usaldusväärseks alternatiiviks traditsioonilistele võrkudele. Tehnoloogilised edusammud võimaldavad automatiseeritud energiahaldusel käsitleda mitut komponenti ja muutuvaid tingimusi, optimeerides töökindlust ja kulusid. Energiasalvestussüsteemide, näiteks patareide, tõhus kasutamine mikrovõrkudes võib tagada vajaliku energia katkematu tarnimise ning taastuvenergia kasutamine piirkondade elektrivarustuseks on keskkonnale kasulik ja omab ülemaailmset majanduslikku tähtsust.
DC-DC muunduritega seotud põhipunktid:Sõltumatu alalisvoolu mikrovõrgus suudavad alalis-alalisvoolu muundurid saavutada erineva pinge tõusu ja languse taseme. Isoleerimata muundurid on väiksema kadudega ja sobivad paremini kui isoleeritud muundurid. Mikrovõrkudes on muundurite juhtimiseks erinevaid strateegiaid ja lineaarne juhtimistehnoloogia ei suuda tagada süsteemi stabiilset tööd. Kasutatud on täiustatud meetodeid, nagu mudeli ennustav juhtimine (MPC), libisemisrežiimi juhtimine (SMC) ja hägujuhtimine.
Kontrollimeetodite võrdluse järeldus:Artiklis viidi läbi kontrollmeetodite põhjalik analüüs ja võrdlus. Täiustatud intelligentsed juhtimismeetodid on vastupidavad impedantsi ebastabiilsusele. Alalisvoolu mikrovõrkude alalis-alalisvoolu muundurites on intelligentsetel kontrolleritel teiste juhtimisalgoritmidega võrreldes kiire ja täpne jõudlus.