Abstrak
Sistem fotovoltaik berskala besar ialah komponen penting tenaga boleh diperbaharui yang diagihkan dalam banyak grid kuasa tempatan. Menguruskan microgrid ini, terutamanya cara ia berinteraksi dengan grid utama, bukanlah satu tugas yang mudah. Ini memerlukan kawalan yang tepat ke atas sumber boleh diperbaharui tersebut. Artikel ini meringkaskan jenis penukar DC-DC yang digunakan dalam mikrogrid dan mencadangkan kaedah pengelasan baharu. Artikel ini memperkenalkan teknologi kawalan penukar DC-DC dalam mikrogrid DC dan membincangkan kelebihan dan kekurangan kaedah kawalan ini.
Dengan peningkatan nisbah tenaga boleh diperbaharui yang diagihkan dalam sistem kuasa, mengurus tenaga elektrik ini telah menjadi isu utama. Artikel ini memperkenalkan kaedah pengurusan kuasa yang berbeza. Akhirnya, sistem microgrid DC termasuk tenaga suria, turbin angin, dan bateri telah disimulasikan menggunakan perisian MATLAB/Simulink, dan prestasinya dianalisis.
Ringkasnya, artikel ini adalah tentang cara mengawal dan mengurus microgrid yang menggunakan tenaga boleh diperbaharui dengan lebih baik, dan juga menggunakan perisian untuk mensimulasikan sistem sedemikian untuk melihat keberkesanannya.
1. Pengenalan
Microgrids boleh mengurangkan kehilangan penghantaran dan menangani krisis tenaga, termasuk teknologi seperti fotovoltaik dan turbin mikro, yang memerlukan penukar elektronik kuasa untuk menyambung ke grid. Mikrogrid DC berasaskan tenaga boleh diperbaharui terdiri daripada bar bas DC, panel fotovoltaik, turbin angin, penukar elektronik kuasa, sistem penyimpanan tenaga hibrid dan beban DC. Ia mempunyai kelebihan tahap voltan berbilang dan kecekapan tinggi, dan sistem DC menarik dari segi sumber tenaga, pengurusan kawalan, dan penyesuaian beban. Walau bagaimanapun, mikrogrid DC menghadapi cabaran seperti beban kuasa berterusan dan beban kuasa nadi, memerlukan kaedah kawalan lanjutan untuk meningkatkan penghantaran tenaga, memastikan bekalan kuasa dan mencapai operasi ekonomi.
Rajah 1. Pengelasan mikrogrid yang berbeza.
Rajah 2. Grid mikro DC am.
Rajah 3. Mikrogrid AC biasa.
Rajah 4. Microgrid hibrid.
Rajah 5. Peratusan tahunan kertas kerja yang diterbitkan pada microgrid DC sepanjang dekad yang lalu.
Struktur dan susunan kandungan artikel ini:Artikel ini akan mencadangkan klasifikasi baharu dengan mengkaji secara menyeluruh topologi dan kaedah kawalan penukar DC-DC dalam mikrogrid DC. Kandungan berikut termasuk: membincangkan perihalan mikrogrid DC dalam Bahagian 2; Bahagian 3 menghuraikan jenis struktur penukar yang terdapat dalam mikrogrid; Bahagian 4 memberikan gambaran keseluruhan kaedah kawalan untuk penukar DC-DC dalam mikrogrid DC; Bahagian 5 memperkenalkan kaedah pengurusan kuasa untuk mikrogrid DC; Bahagian 6 membentangkan pembangunan perkakasan dalam bidang penukar DC-DC untuk aplikasi microgrid; Bahagian 7 membentangkan simulasi dan analisis mikrogrid DC biasa; Bahagian 8 membentangkan kesimpulan.
2. Ciri-ciri yang berkaitan dengan mikrogrid DC
Kelebihan dan senario aplikasi mikrogrid DC:Dengan perkembangan teknologi elektronik kuasa, mikrogrid DC telah menarik perhatian kerana kebolehpercayaan dan kecekapannya yang tinggi. Microgrid DC lebih disukai dalam aplikasi kediaman, stesen pengecasan kenderaan elektrik, pusat data dan medan lain. Sementara itu, permintaan yang semakin meningkat untuk beban elektrik DC menjadikan kajian penjanaan kuasa berdasarkan sumber kuasa DC agak menarik.
Mod operasi microgrid DC:Microgrid DC mempunyai dua mod operasi: grid disambungkan dan bebas. Apabila disambungkan ke grid, mikrogrid disambungkan ke bas DC untuk menambah kuasa; Apabila beroperasi secara bebas, tidak perlu menyegerakkan dengan grid kuasa utama. Dalam kedua-dua mod, pelbagai sumber tenaga boleh diperbaharui dan sistem storan tenaga termasuk bateri dan supercapacitors disambungkan ke microgrid.
Peranan sistem penyimpanan tenaga dalam mikrogrid DC:bateri mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, dan pengawalnya digunakan untuk menjana atau menyerap kuasa keadaan mantap; Supercapacitors mempunyai ketumpatan kuasa yang tinggi, dan pengawalnya digunakan untuk menjana atau menyerap kuasa sementara. Kedua-duanya bekerja bersama dalam mikrogrid untuk mengekalkan keseimbangan kuasa dan operasi yang stabil.
Penyelidikan mengenai Sambungan dan Kawalan DC Microgrids:Rangkaian pengedaran dan sistem storan tenaga disambungkan melalui penukar elektronik kuasa menggunakan pautan DC. Terdapat kajian yang berkaitan tentang isu perlindungan dan penyelesaian mikrogrid DC. Di samping itu, artikel ini memberikan gambaran ringkas tentang kawalan tempatan dalam mikrogrid DC dan mempersembahkan seni bina keseluruhan mikrogrid DC dengan unit simpanan tenaga.
3. Topologi penukar DC-DC dalam mikrogrid DC
Klasifikasi dan topologi biasa penukar DC-DC:Penukar DC-DC boleh dibahagikan kepada jenis tidak terpencil dan terpencil. Dalam microgrid DC, boost, buck boost, dan buck converters digunakan secara meluas, masing-masing dengan topologi uniknya sendiri (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6), untuk memenuhi keperluan penukaran voltan yang berbeza. Penukar DC-DC terpencil dwiarah biasanya digunakan dalam sistem DC, antaranya penukar dwi-jambatan aktif (DAB) DC-DC adalah pilihan yang sesuai kerana sokongannya untuk aliran kuasa dwiarah dan ketumpatan kuasa tinggi (lihat Rajah 7 untuk rajah skematiknya) , dan topologi penukar resonansi bersiri (SRC) juga telah menarik perhatian ramai penyelidik.
Rajah 6. Topologi penukar DC-DC, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Rajah 7. Gambarajah skematik penukar DAB.
Pembangunan dan aplikasi penukar DC-DC berbilang port:Untuk menyelesaikan masalah kos tinggi dan kehilangan sistem yang disebabkan oleh penggunaan penukar, penukar DC-DC berbilang port telah muncul. Ia biasanya digunakan untuk menyambungkan berbilang rangkaian DC dalam mikrogrid, seperti pelbagai topologi yang disebut dalam artikel (Rajah 8), yang boleh menyambung secara fleksibel beban DC yang berbeza dan sumber kuasa serta mengawal pautan DC; Terdapat juga topologi penukar port dua peringkat tiga terpencil, dsb. Penukar berbilang port ini sesuai untuk menyepadukan berbilang sumber tenaga (termasuk storan tenaga) dan mempunyai nisbah voltan yang lebih tinggi daripada penukar rangsangan wang. Mereka mempunyai pelbagai aplikasi dalam mikrogrid DC, seperti mengawal voltan supercapacitor, mengurus kuasa antara bateri dan supercapacitors, mengecas bateri, melaksanakan penyepaduan sistem penyimpanan tenaga hibrid dan mengimbangi aliran kuasa antara sumber tenaga boleh diperbaharui. Penukar yang digunakan dalam mikrogrid DC biasanya dibahagikan kepada dua kategori: terpencil dan tidak terpencil (lihat Rajah 9 untuk pengelasan).
Rajah 8. Gambarajah skematik penukar berbilang port.
Rajah 9. Klasifikasi topologi penukar DC-DC yang digunakan dalam mikrogrid DC.
4. Kaedah kawalan penukar DC-DC dalam microgrid DC
Kepentingan dan klasifikasi keseluruhan kaedah kawalan:Kawalan mikrogrid DC adalah salah satu isu utama yang menjadi perhatian penyelidik. Kaedah kawalan keseluruhan boleh dibahagikan kepada kawalan berpusat dan kawalan teragih. Kawalan berpusat sesuai untuk mikrogrid tempatan yang kecil dengan pengumpulan data terhad (lihat Rajah 10 untuk skema kawalannya), manakala kawalan teragih tidak memerlukan pengawal pusat (lihat Rajah 11).
Rajah 10. Gambarajah blok kawalan berpusat.
Rajah 11. Gambar rajah blok kawalan teragih.
Jenis dan ciri teknologi kawalan tak linear:Teknologi kawalan bukan linear termasuk kawalan ramalan model (MPC), kawalan mod gelongsor (SMC), kawalan penyesuaian dan kawalan pintar. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, banyak kajian telah menumpukan pada prestasi MPC dalam kawalan penukar dua arah sistem penyimpanan tenaga bateri (BESS) dan pengimbangan kuasa mikrogrid. Dalam MPC, mod pensuisan optimum penukar ditentukan oleh fungsi kos untuk mencapai prestasi yang lebih baik (lihat Rajah 12 untuk skim kawalannya); Dalam kawalan SMC, input kawalan yang dijana secara langsung bertindak pada suis penukar elektronik kuasa, dengan tindak balas yang pantas (lihat Rajah 13); Kawalan penyesuaian sesuai untuk situasi di mana beban dan sumber input penukar DC-DC berbeza-beza, dan boleh meningkatkan keteguhan kaedah kawalan (lihat Rajah 14). Di samping itu, kaedah kawalan baharu untuk pengurusan kuasa mikrogrid berdasarkan sistem fotovoltaik dicadangkan, yang menggunakan pengawal logik kabur (FLC) untuk mengawal kuasa setiap penyongsang (lihat Rajah 15).
Rajah 12. Rajah blok pengawal MPC.
Rajah 13. Gambar rajah blok pengawal SMC.
Rajah 14. Rajah blok kawalan adaptif.
Rajah 15. Kaedah kawalan penukar dalam microgrid DC.
5. Strategi pengurusan kuasa untuk microgrid DC
Kepentingan dan cabaran pengurusan kuasa:Microgrid DC menyediakan pilihan yang sesuai untuk bekalan tenaga di kawasan terpencil, oleh itu kaedah pengurusan tenaga mereka telah menarik banyak perhatian. Pengurusan kuasa mikrogrid menghadapi banyak cabaran, seperti turun naik kuasa keluaran sistem fotovoltaik dengan perubahan sinaran. Faktor-faktor ini perlu dipertimbangkan semasa mereka bentuk sistem pengurusan kuasa untuk memastikan bekalan tenaga yang boleh dipercayai dan berkualiti tinggi. Dalam grid mikro yang bebas daripada grid kuasa, ia juga perlu untuk menyelaraskan operasi sistem fotovoltaik, sistem storan tenaga bateri (BESS) dan unit lain untuk mencapai keseimbangan kuasa.
Contoh sistem dan algoritma pengurusan kuasa yang berbeza:Sistem Pengurusan Tenaga Bateri (BEMS) untuk mikrogrid, dengan penjana fotovoltaik dan diesel sebagai sumber kuasa utama, boleh mengurangkan masa kerja penjana diesel, mengurangkan turun naik kuasa fotovoltaik, mengurus pelbagai jenis bateri dengan ciri yang berbeza dan memanjangkan hayat bateri. Algoritma pengurusan kuasa yang digunakan untuk mengimbangi kuasa sistem fotovoltaik dan BESS, sambil mempertimbangkan kekangan State of Charge (SoC) sistem BESS. Semasa nyahcas bateri, penukar dwiarah melaraskan voltan bas DC, dan dalam beberapa kes, penukar elektronik kuasa perlu membantu sistem beroperasi dalam mod Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) (lihat Rajah 17 untuk mod pengendalian sistemnya). Sistem pengurusan tenaga dinamik pintar untuk mikrogrid, kaedah pengurusan kuasa untuk sistem fotovoltaik/bateri hibrid, dan strategi pengurusan kuasa (PMS) untuk mengawal aliran kuasa mikrogrid DC telah dicadangkan. Artikel ini juga membentangkan pelbagai mod pengendalian sistem pengurusan kuasa mikrogrid DC (lihat Rajah 16), termasuk mod kuasa terhad (LPM) dan mod MPPT sistem fotovoltaik, yang ditentukan oleh SoC bateri (seperti yang digambarkan dalam carta alir dalam Rajah 17).
Rajah 16. Carta alir strategi pengurusan kuasa.
Rajah 17. Algoritma pengurusan kuasa untuk bateri mikrogrid (A) dan (B) komponen fotovoltaik
6. Pembangunan perkakasan dan pengesahan simulasi grid mikro DC
Aplikasi perkakasan dalam simulasi gelung:Menghubungkan sistem fizikal dengan persekitaran simulasi ialah topik baharu. Dalam penyelidikan microgrid, perbandingan perkakasan diperlukan untuk mengesahkan keputusan simulasi kaedah kawalan dan struktur topologi yang berbeza. Melalui simulasi perkakasan dalam gelung (HIL), penukar DC-DC digunakan untuk menyambungkan mikrogrid ke sel bahan api, mencapai komunikasi dua arah antara persekitaran simulasi dan sistem sel bahan api fizikal. Simulasi HIL terdiri daripada penukar DC-DC dan mikrogrid (lihat Rajah 18).
Rajah 18. Simulasi perkakasan telah dijalankan pada penukar DC/DC dan mikrogrid.
Contoh peranti pelaksanaan perkakasan untuk penukar DC-DC:Jadual 1 dalam artikel mengumpul beberapa peranti yang diperoleh daripada kesusasteraan saintifik untuk melaksanakan bahagian perkakasan penukar DC-DC. Peranti ini menyediakan rujukan untuk pembangunan perkakasan penukar DC-DC dalam mikrogrid dan membantu penyelidikan dan amalan lanjut teknologi mikrogrid DC.
Jadual 1. Peranti yang digunakan untuk melaksanakan bahagian perkakasan penukar DC-DC.
7. Penyelidikan simulasi ke atas sistem microgrid DC
Komposisi sistem simulasi dan tetapan parameter:Perisian MATLAB digunakan untuk mensimulasikan sistem microgrid DC, yang merangkumi sistem fotovoltaik, turbin angin dengan penjana segerak magnet kekal (PMSG), bateri, penukar dwiarah DC-DC untuk pengawalan voltan dan pengesanan titik kuasa maksimum (MPPT). ) sistem untuk turbin angin dan panel solar. Struktur ditunjukkan dalam Rajah 19. Sistem fotovoltaik terdiri daripada 22 panel solar yang disambungkan secara bersiri, dengan voltan titik kuasa maksimum dan arus 30.3V dan 7.10A untuk setiap panel. Output mikrogrid DC menggunakan beban rintangan, dan sistem serta spesifikasi komponennya disenaraikan dalam Jadual 2.
Rajah 19. Gambar rajah blok mikrogrid DC yang dikaji.
Jadual 2. Parameter yang digunakan dalam simulasi microgrid DC.
Paparan dan Analisis Keputusan Simulasi:Sistem ini telah disimulasikan menggunakan persekitaran MATLAB/Simulink, dan gambarajah skematik keseluruhan mikrogrid DC telah disediakan (lihat Rajah 20). Keluk keluaran fotovoltaik, bateri dan turbin angin telah ditunjukkan (lihat Rajah 21), serta keluk kuasa keluaran turbin angin pada kelajuan angin yang berbeza (diwakili oleh nilai unit) (lihat Rajah 22), lengkung voltan bagi bateri di kawasan berkadar dan nyahcas (lihat Rajah 23), dan lengkung voltan dan arus beban keluaran sistem (lihat Rajah 24). Dalam simulasi, sistem turbin angin beroperasi pada kelajuan malar 12m/s, dengan penjanaan kuasa 8kW pada kelajuan angin undian, dan sistem fotovoltaik mempunyai kuasa undian sebanyak 4.6kW. Penukar dua arah yang digunakan dalam bahagian bateri boleh mencapai fungsi pengecasan dan nyahcas. Keputusan simulasi ini boleh digunakan untuk menganalisis dan menilai prestasi operasi sistem mikrogrid DC.
Rajah 20. Model simulasi grid mikro DC menggunakan pautan MATLAB/simulasi.
Rajah 21. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) tork turbin angin Te, Tm, (E) kelajuan angin, (F) voltan bas DC, dan (G) keadaan pengecasan (SOC) bateri boleh dicas semula.
Rajah 22. Keputusan simulasi menunjukkan kuasa keluaran turbin (pu) pada kelajuan turbin (pu) yang berbeza.
Rajah 23. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa voltan bateri boleh beroperasi secara normal dalam mod nyahcas.
Rajah 24. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa voltan beban keluaran (A) mikrogrid DC dan arus beban keluaran (B) mikrogrid DC.
8. Rumusan
Artikel ini secara menyeluruh meneroka topologi, kaedah kawalan dan pelbagai strategi sistem pengurusan kuasa penukar DC-DC dalam mikrogrid DC, sambil juga mengkaji perkakasan yang digunakan dalam penukar DC-DC dalam mikrogrid.
Ciri-ciri dan keperluan mikrogrid:Kerumitan microgrids menentukan keperluan mereka untuk automasi digital dan pengurusan pintar untuk menjadi alternatif yang sesuai dan boleh dipercayai kepada grid tradisional. Kemajuan teknologi membolehkan pengurusan tenaga automatik mengendalikan berbilang komponen dan keadaan berubah-ubah, mengoptimumkan kebolehpercayaan dan kos. Penggunaan sistem storan tenaga yang berkesan seperti bateri dalam microgrids boleh memastikan bekalan tenaga yang diperlukan tidak terganggu, dan penggunaan tenaga boleh diperbaharui untuk membekalkan kuasa ke kawasan adalah bermanfaat kepada alam sekitar dan mempunyai kepentingan ekonomi global.
Perkara utama yang berkaitan dengan penukar DC-DC:Dalam mikrogrid DC bebas, penukar DC-DC boleh mencapai tahap kenaikan dan penurunan voltan yang berbeza. Penukar tidak terpencil mempunyai kehilangan yang lebih sedikit dan lebih sesuai daripada penukar terpencil. Terdapat pelbagai strategi untuk mengawal penukar dalam mikrogrid, dan teknologi kawalan linear tidak dapat memastikan operasi sistem yang stabil. Kaedah lanjutan seperti kawalan ramalan model (MPC), kawalan mod gelongsor (SMC), dan kawalan kabur telah diterima pakai.
Kesimpulan Perbandingan Kaedah Kawalan:Analisis komprehensif dan perbandingan kaedah kawalan telah dijalankan dalam artikel. Kaedah kawalan pintar lanjutan mempunyai keteguhan terhadap ketidakstabilan impedans. Dalam penukar DC-DC mikrogrid DC, pengawal pintar mempunyai prestasi yang pantas dan tepat berbanding dengan algoritma kawalan lain.