Abstrakt
Storskala solcelleanlæg er en vigtig komponent i distribueret vedvarende energi i mange lokale elnet. Det er ikke en let opgave at administrere disse mikronet, især hvordan de interagerer med hovednettet. Dette kræver præcis kontrol over disse vedvarende ressourcer. Denne artikel opsummerer typerne af DC-DC-konvertere, der bruges i mikronet, og foreslår en ny klassificeringsmetode. Denne artikel introducerer styringsteknologien for DC-DC konvertere i DC mikronet og diskuterer fordele og ulemper ved disse styringsmetoder.
Med den stigende andel af distribueret vedvarende energi i elsystemet er håndtering af denne elektricitet blevet et stort problem. Denne artikel introducerer forskellige metoder til strømstyring. Endelig blev et DC-mikronetsystem inklusive solenergi, vindmøller og batterier simuleret ved hjælp af MATLAB/Simulink-software, og dets ydeevne blev analyseret.
Kort sagt handler denne artikel om, hvordan man bedre kontrollerer og administrerer mikronet, der bruger vedvarende energi, og bruger også software til at simulere et sådant system for at se, hvor effektivt det er.
1. Introduktion
Mikronet kan reducere transmissionstab og adressere energikriser, herunder teknologier som fotovoltaik og mikroturbiner, som kræver elektriske konvertere for at forbinde til nettet. Et vedvarende energibaseret DC-mikronet består af DC-samleskinner, solcellepaneler, vindmøller, kraftelektroniske omformere, hybride energilagringssystemer og DC-belastninger. Det har fordelene ved flere spændingsniveauer og høj effektivitet, og DC-systemet er attraktivt med hensyn til energikilder, kontrolstyring og belastningstilpasning. DC-mikronettet står dog over for udfordringer såsom konstante strømbelastninger og pulseffektbelastninger, der kræver avancerede kontrolmetoder for at forbedre energitransmission, sikre strømforsyning og opnå økonomisk drift.
Figur 1. Forskellige klassifikationer af mikrogrids.
Figur 2. Generelt DC mikronet.
Figur 3. Typisk AC mikronet.
Figur 4. Hybrid mikronet.
Figur 5. Årlig procentdel af artikler udgivet om DC mikronet i løbet af det seneste årti.
Struktur og indholdsarrangement af denne artikel:Denne artikel vil foreslå en ny klassificering ved en omfattende undersøgelse af topologien og kontrolmetoderne for DC-DC-konvertere i DC-mikronet. Følgende indhold omfatter: diskussion af beskrivelsen af DC-mikrogrids i afsnit 2; Afsnit 3 uddyber de typer konverterstrukturer, der er tilgængelige i mikronet; Afsnit 4 giver en oversigt over styringsmetoderne for DC-DC konvertere i DC mikronet; Afsnit 5 introducerer strømstyringsmetoder for DC mikronet; Afsnit 6 præsenterer hardwareudvikling inden for DC-DC-konvertere til mikronetapplikationer; Afsnit 7 præsenterer simulering og analyse af typiske DC mikronet; Afsnit 8 præsenterer konklusionen.
2. Karakteristika relateret til DC mikronet
Fordelene og anvendelsesscenarier ved DC mikronet:Med udviklingen af strømelektronikteknologi har DC mikronet tiltrukket sig opmærksomhed på grund af deres høje pålidelighed og effektivitet. DC mikronet er mere begunstigede i boligapplikationer, ladestationer til elektriske køretøjer, datacentre og andre områder. I mellemtiden har den stigende efterspørgsel efter DC elektriske belastninger gjort forskning i strømproduktion baseret på DC-strømkilder ret attraktiv.
Driftstilstanden for DC microgrid:DC microgrid har to driftstilstande: netforbundet og uafhængig. Når det er tilsluttet nettet, er mikronettet forbundet til DC-bussen for at supplere strøm; Når du arbejder uafhængigt, er der ingen grund til at synkronisere med hovedstrømnettet. I begge tilstande er forskellige vedvarende energikilder og energilagringssystemer, inklusive batterier og superkondensatorer forbundet til mikronettet.
Rollen af energilagringssystemer i DC mikronet:batterier har høj energitæthed, og deres controllere bruges til at generere eller absorbere steady-state strøm; Superkondensatorer har høj effekttæthed, og deres controllere bruges til at generere eller absorbere transient strøm. De to arbejder sammen i mikrogrids for at opretholde strømbalance og stabil drift.
Forskning om tilslutning og kontrol af DC mikronet:Distributionsnetværket og energilagringssystemet er sammenkoblet gennem strømelektroniske omformere ved hjælp af DC-forbindelser. Der har været relevante undersøgelser af beskyttelsesspørgsmål og -løsninger af DC mikronet. Derudover giver artiklen et kort overblik over lokal styring i DC mikronet og præsenterer den overordnede arkitektur af DC mikronet med energilagringsenheder.
3. Topologi af DC-DC konvertere i DC mikronet
Klassificering og almindelige topologier for DC-DC-konvertere:DC-DC konvertere kan opdeles i ikke-isolerede og isolerede typer. I DC mikronet er boost-, buck-boost- og buck-konvertere meget brugt, hver med sin egen unikke topologi (som vist i figur 6), for at opfylde forskellige spændingskonverteringskrav. Tovejs isolerede DC-DC-omformere bruges almindeligvis i DC-systemer, blandt hvilke DC-DC-konvertere med dobbelt aktiv bro (DAB) er et passende valg på grund af deres understøttelse af tovejs strømflow og høj effekttæthed (se figur 7 for dets skematiske diagram) , og topologien af serieresonanskonvertere (SRC) har også tiltrukket sig opmærksomhed fra mange forskere.
Figur 6. DC-DC konvertertopologi, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Figur 7. Skematisk diagram af DAB-konverter.
Udvikling og anvendelse af DC-DC-konvertere med flere porte:For at løse problemerne med høje omkostninger og systemtab forårsaget af brugen af konvertere, er der opstået multiport DC-DC konvertere. Det bruges almindeligvis til at forbinde flere DC-netværk i mikronet, såsom de forskellige topologier nævnt i artiklen (Figur 8), som fleksibelt kan forbinde forskellige DC-belastninger og strømkilder og styre DC-links; Der er også isolerede to-trins treports konvertertopologier osv. Disse multiportkonvertere er velegnede til at integrere flere energikilder (inklusive energilagring) og har højere spændingsforhold end buck boost-konvertere. De har forskellige applikationer i DC mikronet, såsom regulering af superkondensatorspænding, styring af strøm mellem batterier og superkondensatorer, opladning af batterier, implementering af hybrid energilagringssystemintegration og afbalancering af strømflow mellem vedvarende energikilder. Konverterne, der anvendes i DC-mikronet, er generelt opdelt i to kategorier: isolerede og ikke-isolerede (se figur 9 for klassificering).
Figur 8. Skematisk diagram af en multiport-konverter.
Figur 9. Klassificering af DC-DC konvertertopologier, der anvendes i DC mikronet.
4. Kontrolmetode for DC-DC konverter i DC mikronet
Betydningen og den overordnede klassificering af kontrolmetoder:Kontrol af DC mikronet er et af de vigtigste spørgsmål, der bekymrer forskerne. De overordnede kontrolmetoder kan opdeles i centraliseret kontrol og distribueret kontrol. Centraliseret kontrol er velegnet til små lokale mikronetværk med begrænset dataindsamling (se figur 10 for dets kontrolskema), mens distribueret kontrol ikke kræver en central controller (se figur 11).
Figur 10. Blokdiagram over centraliseret styring.
Figur 11. Blokdiagram over distribueret styring.
Typer og karakteristika af ikke-lineær kontrolteknologi:Ikke-lineær kontrolteknologi omfatter modelprædiktiv kontrol (MPC), glidende tilstandskontrol (SMC), adaptiv kontrol og intelligent kontrol. I de senere år har mange undersøgelser fokuseret på ydeevnen af MPC i tovejs konverterstyring af batterienergilagringssystemer (BESS) og strømbalancering af mikronet. I MPC bestemmes konverterens optimale omskiftningstilstand af omkostningsfunktionen for at opnå bedre ydeevne (se figur 12 for dens kontrolskema); I SMC-styring virker den genererede styreindgang direkte på den elektroniske strømomformerkontakt med en hurtig reaktion (se figur 13); Adaptiv styring er velegnet til situationer, hvor belastningen og inputkilden for DC-DC-konvertere varierer, og kan forbedre styringsmetodens robusthed (se figur 14). Derudover foreslås en ny kontrolmetode til mikronetstrømstyring baseret på fotovoltaiske systemer, som bruger en fuzzy logic controller (FLC) til at styre effekten af hver inverter (se figur 15).
Figur 12. Blokdiagram af MPC-controller.
Figur 13. Blokdiagram af SMC-controller.
Figur 14. Blokdiagram over adaptiv styring.
Figur 15. Kontrolmetode for konverter i DC mikronet.
5. Strømstyringsstrategi for DC mikronet
Betydningen og udfordringerne ved strømstyring:DC mikronet giver et passende valg til energiforsyning i fjerntliggende områder, derfor har deres energistyringsmetoder tiltrukket sig stor opmærksomhed. Microgrid strømstyring står over for mange udfordringer, såsom udsving i fotovoltaiske systemudgangseffekt med strålingsændringer. Disse faktorer skal tages i betragtning, når der designes strømstyringssystemer for at sikre pålidelig energiforsyning af høj kvalitet. I et mikronet uafhængigt af elnettet er det også nødvendigt at koordinere driften af solcelleanlæg, batterienergilagringssystemer (BESS) og andre enheder for at opnå strømbalance.
Eksempel på forskellige strømstyringssystemer og algoritmer:Et batterienergistyringssystem (BEMS) til mikronet, med fotovoltaiske og dieselgeneratorer som de vigtigste strømkilder, kan reducere arbejdstiden for dieselgeneratorer, reducere fotovoltaiske strømudsving, styre forskellige typer batterier med forskellige egenskaber og forlænge batteriets levetid. En strømstyringsalgoritme, der bruges til at balancere kraften i solcelle- og BESS-systemer, samtidig med at BESS-systemets ladningstilstand (SoC) tages i betragtning. Under batteriafladning justerer en tovejs-omformer DC-busspændingen, og i nogle tilfælde skal den elektroniske effektomformer hjælpe systemet med at fungere i Maksimal Power Point Tracking-tilstand (MPPT) (se Figur 17 for dets systemdriftstilstand). Et intelligent dynamisk energistyringssystem til mikronet, en strømstyringsmetode til hybride solcelle-/batterisystemer og en strømstyringsstrategi (PMS) til styring af strømstrømmen af DC mikronet er blevet foreslået. Artiklen præsenterer også forskellige driftstilstande for DC-mikrogrid-strømstyringssystemet (se figur 16), herunder den begrænsede strømtilstand (LPM) og MPPT-tilstanden for det fotovoltaiske system, som bestemmes af batteriets SoC (som illustreret i flowdiagrammet i Figur 17).
Figur 16. Flowdiagram over energistyringsstrategi.
Figur 17. Strømstyringsalgoritme for mikronet (A) batteri og (B) fotovoltaiske komponenter
6. Hardwareudvikling og simuleringsverifikation af DC mikronet
Anvendelsen af hardware i loop-simuleringen:At forbinde fysiske systemer med simuleringsmiljøer er et nyt emne. I mikrogridforskning er hardwaresammenligning påkrævet for at verificere simuleringsresultaterne af forskellige kontrolmetoder og topologistrukturer. Gennem hardware in the loop (HIL) simulering blev en DC-DC konverter brugt til at forbinde mikronettet til brændselscellen, hvilket opnåede tovejskommunikation mellem simuleringsmiljøet og det fysiske brændselscellesystem. HIL-simuleringen består af en DC-DC-konverter og et mikronet (se figur 18).
Figur 18. Hardwaresimulering blev udført på DC/DC-konverteren og mikronettet.
Eksempel på hardwareimplementeringsenheder til DC-DC-konvertere:Tabel 1 i artiklen samler flere enheder hentet fra videnskabelig litteratur til implementering af hardwaredelen af DC-DC-konvertere. Disse enheder giver reference til hardwareudvikling af DC-DC-konvertere i mikronet og hjælper med yderligere forskning og praksis af DC-mikronetteknologi.
Tabel 1. Enheder, der bruges til at implementere hardwaredelen af DC-DC-konvertere.
7. Simuleringsforskning på DC mikronetsystem
Simuleringssystemsammensætning og parameterindstillinger:MATLAB-software bruges til at simulere et DC mikronetsystem, som inkluderer et fotovoltaisk system, en vindmølle med permanent magnet synkron generator (PMSG), et batteri, en DC-DC tovejs konverter til spændingsregulering og en maksimal effektpunktsporing (MPPT) ) system til vindmøller og solpaneler. Strukturen er vist i figur 19. Det solcelleanlæg består af 22 solcellepaneler forbundet i serie med en maksimal spænding og strøm på 30,3V og 7,10A for hvert panel. DC microgrid output bruger resistive belastninger, og systemet og dets komponentspecifikationer er anført i tabel 2.
Figur 19. Blokdiagram af det undersøgte DC mikronet.
Tabel 2. Parametre, der anvendes i DC mikronet simulering.
Visning og analyse af simuleringsresultater:Systemet blev simuleret ved hjælp af MATLAB/Simulink-miljøet, og et skematisk diagram af det overordnede DC-mikronet blev tilvejebragt (se figur 20). Udgangskurverne for solcelle-, batteri- og vindmøller blev vist (se figur 21), såvel som udgangseffektkurverne for vindmøller ved forskellige vindhastigheder (repræsenteret ved enhedsværdier) (se figur 22), spændingskurverne for batteri i de nominelle og afladede områder (se figur 23), og spændings- og strømkurverne for systemets udgangsbelastning (se figur 24). I simuleringen kører vindmøllesystemet med en konstant hastighed på 12m/s, med en effektproduktion på 8kW ved nominel vindhastighed, og solcelleanlægget har en mærkeeffekt på 4,6kW. Den tovejs-omformer, der bruges i batterisektionen, kan opnå opladnings- og afladningsfunktioner. Disse simuleringsresultater kan bruges til at analysere og evaluere den operationelle ydeevne af DC mikronetsystemet.
Figur 20. Simuleringsmodel af DC mikronet ved hjælp af MATLAB/simuleringsforbindelse.
Figur 21. Simuleringsresultaterne viser, at (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) vindmøllemoment Te, Tm, (E) vindhastighed, (F) DC-busspænding og (G) ladetilstand (SOC) for det genopladelige batteri.
Figur 22. Simuleringsresultater viser turbinens udgangseffekt (pu) ved forskellige turbinehastigheder (pu).
Figur 23. Simuleringsresultaterne indikerer, at batterispændingen kan fungere normalt i afladningstilstand.
Figur 24. Simuleringsresultaterne viser, at DC-mikronettets udgangsbelastning (A) spænding og DC-mikronettets udgangsbelastning (B).
8. Resumé
Denne artikel udforsker udførligt topologien, kontrolmetoderne og forskellige strømstyringssystemstrategier for DC-DC-konvertere i DC-mikronet, mens den også studerer hardwaren, der bruges i DC-DC-konvertere i mikronet.
Karakteristika og krav til mikronet:Kompleksiteten af mikronet bestemmer deres behov for digital automatisering og intelligent styring for at blive et passende og pålideligt alternativ til traditionelle net. Teknologiske fremskridt gør det muligt for automatiseret energistyring at håndtere flere komponenter og variable forhold, hvilket optimerer pålidelighed og omkostninger. Effektiv udnyttelse af energilagringssystemer såsom batterier i mikronet kan sikre uafbrudt forsyning af nødvendig energi, og brugen af vedvarende energi til at levere strøm til regioner er gavnlig for miljøet og har global økonomisk betydning.
Nøglepunkter relateret til DC-DC-konvertere:I et uafhængigt DC mikronet kan DC-DC konvertere opnå forskellige niveauer af spændingsstigning og -fald. Ikke-isolerede konvertere har mindre tab og er mere egnede end isolerede konvertere. Der findes forskellige strategier til styring af konvertere i mikronet, og lineær styringsteknologi kan ikke sikre stabil systemdrift. Avancerede metoder såsom model prædiktiv kontrol (MPC), sliding mode control (SMC) og fuzzy control er blevet vedtaget.
Konklusion af kontrolmetodesammenligning:En omfattende analyse og sammenligning af kontrolmetoder blev udført i artiklen. Avancerede intelligente styringsmetoder har robusthed over for impedans-ustabilitet. I DC-DC konvertere af DC mikronet har intelligente controllere hurtig og præcis ydeevne sammenlignet med andre styrealgoritmer.