Abstrakt
Storskala solcelleanlegg er en viktig komponent i distribuert fornybar energi i mange lokale strømnett. Å administrere disse mikronettene, spesielt hvordan de samhandler med hovednettet, er ikke en lett oppgave. Dette krever nøyaktig kontroll over disse fornybare ressursene. Denne artikkelen oppsummerer typene DC-DC-omformere som brukes i mikronett og foreslår en ny klassifiseringsmetode. Denne artikkelen introduserer kontrollteknologien til DC-DC-omformere i DC-mikronett og diskuterer fordelene og ulempene ved disse kontrollmetodene.
Med den økende andelen distribuert fornybar energi i kraftsystemet, har håndtering av denne elektrisiteten blitt et stort tema. Denne artikkelen introduserer ulike metoder for strømstyring. Til slutt ble et DC-mikronettsystem inkludert solenergi, vindturbiner og batterier simulert ved bruk av MATLAB/Simulink-programvare, og ytelsen ble analysert.
Enkelt sagt handler denne artikkelen om hvordan man bedre kan kontrollere og administrere mikronett som bruker fornybar energi, og bruker også programvare for å simulere et slikt system for å se hvor effektivt det er.
1. Introduksjon
Mikronett kan redusere overføringstap og adressere energikriser, inkludert teknologier som solceller og mikroturbiner, som krever kraftelektroniske omformere for å koble til nettet. Et fornybar energibasert DC-mikronett består av DC-samleskinner, solcellepaneler, vindturbiner, kraftelektroniske omformere, hybride energilagringssystemer og DC-laster. Det har fordelene med flere spenningsnivåer og høy effektivitet, og DC-systemet er attraktivt når det gjelder energikilder, kontrollstyring og lasttilpasning. DC-mikronett står imidlertid overfor utfordringer som konstant strømbelastning og pulsstrømbelastning, som krever avanserte kontrollmetoder for å forbedre energioverføringen, sikre strømforsyningen og oppnå økonomisk drift.
Figur 1. Ulike klassifiseringer av mikronett.
Figur 2. Generelt DC mikronett.
Figur 3. Typisk AC mikronett.
Figur 4. Hybrid mikronett.
Figur 5. Årlig prosentandel av artikler publisert om DC mikronett i løpet av det siste tiåret.
Struktur og innholdsordning for denne artikkelen:Denne artikkelen vil foreslå en ny klassifisering ved å studere topologien og kontrollmetodene til DC-DC-omformere i DC-mikronett. Følgende innhold inkluderer: diskutere beskrivelsen av DC-mikronett i seksjon 2; Avsnitt 3 utdyper hvilke typer omformerstrukturer som er tilgjengelige i mikronett; Avsnitt 4 gir en oversikt over kontrollmetodene for DC-DC-omformere i DC-mikronett; Avsnitt 5 introduserer strømstyringsmetoder for DC-mikronett; Del 6 presenterer maskinvareutvikling innen DC-DC-omformere for mikronettapplikasjoner; Seksjon 7 presenterer simulering og analyse av typiske DC mikronett; Avsnitt 8 presenterer konklusjonen.
2. Egenskaper knyttet til DC mikronett
Fordelene og bruksscenarioene til DC mikronett:Med utviklingen av kraftelektronikkteknologi har DC-mikronett tiltrukket seg oppmerksomhet på grunn av deres høye pålitelighet og effektivitet. DC mikronett er mer foretrukket i boligapplikasjoner, ladestasjoner for elektriske kjøretøy, datasentre og andre felt. I mellomtiden har den økende etterspørselen etter DC elektriske belastninger gjort forskning på kraftproduksjon basert på DC-strømkilder ganske attraktiv.
Driftsmodusen til DC microgrid:DC mikronett har to driftsmoduser: netttilkoblet og uavhengig. Når det er koblet til nettet, kobles mikronettet til DC-bussen for å supplere strøm; Når du opererer uavhengig, er det ikke nødvendig å synkronisere med hovedstrømnettet. I begge moduser er ulike fornybare energikilder og energilagringssystemer inkludert batterier og superkondensatorer koblet til mikronettet.
Rollen til energilagringssystemer i DC mikronett:batterier har høy energitetthet, og kontrollerene deres brukes til å generere eller absorbere steady-state strøm; Superkondensatorer har høy effekttetthet, og kontrollerene deres brukes til å generere eller absorbere transient strøm. De to jobber sammen i mikronett for å opprettholde kraftbalanse og stabil drift.
Forskning på tilkobling og kontroll av DC-mikronett:Distribusjonsnettverket og energilagringssystemet er sammenkoblet gjennom kraftelektroniske omformere ved bruk av DC-koblinger. Det har vært relevante studier på beskyttelsesspørsmål og løsninger for DC-mikronett. I tillegg gir artikkelen en kort oversikt over lokal kontroll i DC mikronett og presenterer den overordnede arkitekturen til DC mikronett med energilagringsenheter.
3. Topologi av DC-DC omformere i DC mikronett
Klassifisering og vanlige topologier for DC-DC-omformere:DC-DC omformere kan deles inn i ikke-isolerte og isolerte typer. I DC-mikronett er boost-, buck-boost- og buck-omformere mye brukt, hver med sin egen unike topologi (som vist i figur 6), for å møte ulike spenningskonverteringskrav. Toveis isolerte DC-DC-omformere brukes ofte i DC-systemer, blant annet DC-DC-omformere med dobbel aktiv bro (DAB) er et passende valg på grunn av deres støtte for toveis strømstrøm og høy effekttetthet (se figur 7 for skjema). , og topologien til serieresonansomformere (SRC) har også tiltrukket seg oppmerksomheten til mange forskere.
Figur 6. DC-DC omformertopologi, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Figur 7. Skjematisk diagram av DAB-omformer.
Utvikling og bruk av multiport DC-DC-omformere:For å løse problemene med høye kostnader og systemtap forårsaket av bruk av omformere, har det dukket opp multiport DC-DC-omformere. Det brukes ofte til å koble sammen flere likestrømsnettverk i mikronett, slik som de ulike topologiene nevnt i artikkelen (Figur 8), som fleksibelt kan koble sammen ulike likestrømsbelastninger og strømkilder og kontrollere likestrømslinker; Det finnes også isolerte to-trinns treport-omformertopologier osv. Disse multiport-omformere er egnet for å integrere flere energikilder (inkludert energilagring) og har høyere spenningsforhold enn buck boost-omformere. De har ulike bruksområder i DC-mikronett, for eksempel regulering av superkondensatorspenning, styring av strøm mellom batterier og superkondensatorer, lading av batterier, implementering av hybrid energilagringssystemintegrasjon og balansering av kraftflyt mellom fornybare energikilder. Omformerne som brukes i DC-mikronett er generelt delt inn i to kategorier: isolerte og ikke-isolerte (se figur 9 for klassifisering).
Figur 8. Skjematisk diagram av en multiport-omformer.
Figur 9. Klassifisering av DC-DC-omformertopologier brukt i DC-mikronett.
4. Kontrollmetode for DC-DC omformer i DC mikronett
Viktigheten og den generelle klassifiseringen av kontrollmetoder:Kontrollen av DC-mikronett er et av hovedproblemene for forskere. De overordnede kontrollmetodene kan deles inn i sentralisert kontroll og distribuert kontroll. Sentralisert kontroll er egnet for små lokale mikronett med begrenset datainnsamling (se figur 10 for kontrollskjemaet), mens distribuert kontroll ikke krever en sentral kontroller (se figur 11).
Figur 10. Blokkskjema over sentralisert kontroll.
Figur 11. Blokkskjema over distribuert kontroll.
Typer og egenskaper ved ikke-lineær kontrollteknologi:Ikke-lineær kontrollteknologi inkluderer modellprediktiv kontroll (MPC), glidemoduskontroll (SMC), adaptiv kontroll og intelligent kontroll. De siste årene har mange studier fokusert på ytelsen til MPC i toveis omformerkontroll av batterienergilagringssystemer (BESS) og strømbalansering av mikronett. I MPC bestemmes den optimale byttemodusen til omformeren av kostnadsfunksjonen for å oppnå bedre ytelse (se figur 12 for kontrollskjemaet); I SMC-kontroll virker den genererte kontrollinngangen direkte på den elektroniske strømomformerbryteren, med rask respons (se figur 13); Adaptiv styring er egnet for situasjoner der belastningen og inngangskilden til DC-DC-omformere varierer, og kan forbedre robustheten til styringsmetoden (se figur 14). I tillegg foreslås en ny styringsmetode for strømstyring i mikronett basert på solcellesystemer, som bruker en fuzzy logic controller (FLC) for å kontrollere effekten til hver inverter (se figur 15).
Figur 12. Blokkskjema over MPC-kontrolleren.
Figur 13. Blokkskjema over SMC-kontrolleren.
Figur 14. Blokkskjema over adaptiv kontroll.
Figur 15. Kontrollmetode for omformer i DC mikronett.
5. Strømstyringsstrategi for DC mikronett
Viktigheten og utfordringene med kraftstyring:DC mikronett gir et passende valg for energiforsyning i avsidesliggende områder, derfor har deres energistyringsmetoder vakt mye oppmerksomhet. Microgrid strømstyring står overfor mange utfordringer, for eksempel fluktuasjonen av solcelleanleggets utgangseffekt med strålingsendringer. Disse faktorene må tas i betraktning når man designer strømstyringssystemer for å sikre pålitelig og høykvalitets energiforsyning. I et mikronett uavhengig av strømnettet er det også nødvendig å koordinere driften av solcelleanlegg, batterienergilagringssystemer (BESS) og andre enheter for å oppnå strømbalanse.
Eksempel på forskjellige strømstyringssystemer og algoritmer:Et batterienergistyringssystem (BEMS) for mikronett, med fotovoltaiske og dieselgeneratorer som hovedstrømkilder, kan redusere arbeidstiden til dieselgeneratorer, redusere fotovoltaiske strømsvingninger, administrere ulike typer batterier med ulike egenskaper og forlenge batterilevetiden. En strømstyringsalgoritme som brukes til å balansere kraften til solcelle- og BESS-systemer, samtidig som de tar i betraktning begrensningene for ladetilstand (SoC) til BESS-systemet. Under batteriutlading justerer en toveis omformer DC-bussspenningen, og i noen tilfeller må den elektroniske kraftomformeren hjelpe systemet med å operere i modusen Maximum Power Point Tracking (MPPT) (se figur 17 for systemdriftsmodus). Et intelligent dynamisk energistyringssystem for mikronett, en strømstyringsmetode for hybride solcelle-/batterisystemer, og en strømstyringsstrategi (PMS) for å kontrollere strømstrømmen til likestrømsmikronett er foreslått. Artikkelen presenterer også ulike driftsmoduser for DC-mikronettstrømstyringssystemet (se figur 16), inkludert begrenset strømmodus (LPM) og MPPT-modus for solcelleanlegget, som bestemmes av batteriets SoC (som illustrert i flytskjemaet i Figur 17).
Figur 16. Flytskjema for strømstyringsstrategi.
Figur 17. Strømstyringsalgoritme for mikronett (A) batteri og (B) solcellekomponenter
6. Maskinvareutvikling og simuleringsverifisering av DC-mikronett
Anvendelsen av maskinvare i loopsimuleringen:Å koble fysiske systemer med simuleringsmiljøer er et nytt tema. I mikronettforskning kreves sammenligning av maskinvare for å verifisere simuleringsresultatene til forskjellige kontrollmetoder og topologistrukturer. Gjennom hardware in the loop (HIL) simulering ble en DC-DC omformer brukt til å koble mikronettet til brenselcellen, og oppnå toveis kommunikasjon mellom simuleringsmiljøet og det fysiske brenselcellesystemet. HIL-simuleringen består av en DC-DC-omformer og et mikronett (se figur 18).
Figur 18. Maskinvaresimulering ble utført på DC/DC-omformeren og mikronettet.
Eksempel på maskinvareimplementeringsenheter for DC-DC-omformere:Tabell 1 i artikkelen samler flere enheter hentet fra vitenskapelig litteratur for implementering av maskinvaredelen av DC-DC-omformere. Disse enhetene gir referanse for maskinvareutvikling av DC-DC-omformere i mikronett og hjelper videre forskning og praksis av DC-mikronett-teknologi.
Tabell 1. Enheter som brukes til å implementere maskinvaredelen av DC-DC-omformere.
7. Simuleringsforskning på DC mikronettsystem
Simuleringssystemsammensetning og parameterinnstillinger:MATLAB-programvare brukes til å simulere et DC-mikronettsystem, som inkluderer et fotovoltaisk system, en vindturbin med permanent magnet synkron generator (PMSG), et batteri, en DC-DC toveis omformer for spenningsregulering, og en maksimal effektpunktsporing (MPPT) ) system for vindturbiner og solcellepaneler. Strukturen er vist i figur 19. Solcelleanlegget består av 22 solcellepaneler koblet i serie, med en maksimal strømpunktspenning og strøm på 30,3V og 7,10A for hvert panel. DC-mikronettutgangen bruker resistive belastninger, og systemet og dets komponentspesifikasjoner er oppført i tabell 2.
Figur 19. Blokkdiagram av det studerte DC-mikronettet.
Tabell 2. Parametre brukt i DC mikronett simulering.
Visning og analyse av simuleringsresultater:Systemet ble simulert ved bruk av MATLAB/Simulink-miljø, og et skjematisk diagram av det totale DC-mikronettet ble gitt (se figur 20). Utgangskurvene for solceller, batterier og vindturbiner ble vist (se figur 21), samt utgangseffektkurvene til vindturbiner ved forskjellige vindhastigheter (representert ved enhetsverdier) (se figur 22), spenningskurvene til batteriet i de nominelle og utladede områdene (se figur 23), og spennings- og strømkurvene til systemets utgangslast (se figur 24). I simuleringen opererer vindturbinsystemet med en konstant hastighet på 12m/s, med en kraftproduksjon på 8kW ved nominell vindhastighet, og solcelleanlegget har en merkeeffekt på 4,6kW. Den toveis omformeren som brukes i batteridelen kan oppnå lade- og utladingsfunksjoner. Disse simuleringsresultatene kan brukes til å analysere og evaluere driftsytelsen til DC-mikronettsystemet.
Figur 20. Simuleringsmodell av DC mikronett ved bruk av MATLAB/simuleringslink.
Figur 21. Simuleringsresultatene viser at (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) vindturbinmoment Te, Tm, (E) vindhastighet, (F) DC-bussspenning, og (G) ladetilstand (SOC) til det oppladbare batteriet.
Figur 22. Simuleringsresultater viser turbinens utgangseffekt (pu) ved forskjellige turbinhastigheter (pu).
Figur 23. Simuleringsresultatene indikerer at batterispenningen kan fungere normalt i utladingsmodus.
Figur 24. Simuleringsresultatene viser at utgangslasten (A) spenningen til DC mikronettet og utgangslasten (B) strømmen til DC mikronettet.
8. Sammendrag
Denne artikkelen utforsker utførlig topologien, kontrollmetodene og ulike strømstyringssystemstrategier for DC-DC-omformere i DC-mikronett, samtidig som man studerer maskinvaren som brukes i DC-DC-omformere i mikronett.
Egenskaper og krav til mikronett:Kompleksiteten til mikronett bestemmer deres behov for digital automatisering og intelligent styring for å bli et passende og pålitelig alternativ til tradisjonelle nett. Teknologiske fremskritt gjør det mulig for automatisert energistyring å håndtere flere komponenter og variable forhold, og optimalisere pålitelighet og kostnad. Effektiv utnyttelse av energilagringssystemer som batterier i mikronett kan sikre uavbrutt tilførsel av nødvendig energi, og bruk av fornybar energi for å levere strøm til regioner er gunstig for miljøet og har global økonomisk betydning.
Hovedpunkter knyttet til DC-DC-omformere:I et uavhengig DC-mikronett kan DC-DC-omformere oppnå ulike nivåer av spenningsstigning og -fall. Ikke-isolerte omformere har mindre tap og er mer egnet enn isolerte omformere. Det finnes ulike strategier for å kontrollere omformere i mikronett, og lineær kontrollteknologi kan ikke sikre stabil systemdrift. Avanserte metoder som modellprediktiv kontroll (MPC), glidemoduskontroll (SMC) og fuzzy-kontroll er tatt i bruk.
Konklusjon av sammenligning av kontrollmetode:En omfattende analyse og sammenligning av kontrollmetoder ble utført i artikkelen. Avanserte intelligente kontrollmetoder har robusthet mot impedansustabilitet. I DC-DC-omformere av DC-mikronett har intelligente kontrollere rask og nøyaktig ytelse sammenlignet med andre kontrollalgoritmer.