Anotacija
Didelio masto fotovoltinės sistemos yra svarbi paskirstytos atsinaujinančios energijos sudedamoji dalis daugelyje vietinių elektros tinklų. Šių mikrotinklelių valdymas, ypač tai, kaip jie sąveikauja su pagrindiniu tinklu, nėra lengva užduotis. Tam reikia tiksliai kontroliuoti tuos atsinaujinančius išteklius. Šiame straipsnyje apibendrinami mikrotinkluose naudojamų DC-DC keitiklių tipai ir siūlomas naujas klasifikavimo metodas. Šiame straipsnyje pristatoma nuolatinės srovės-DC keitiklių valdymo technologija nuolatinės srovės mikrotinkluose ir aptariami šių valdymo metodų privalumai ir trūkumai.
Didėjant paskirstytos atsinaujinančios energijos daliai energetikos sistemoje, šios elektros energijos valdymas tapo pagrindine problema. Šiame straipsnyje pristatomi įvairūs energijos valdymo būdai. Galiausiai, naudojant MATLAB/Simulink programinę įrangą, buvo modeliuojama nuolatinės srovės mikrotinklo sistema, apimanti saulės energiją, vėjo turbinas ir baterijas, ir išanalizuotas jos veikimas.
Paprasčiau tariant, šis straipsnis yra apie tai, kaip geriau valdyti ir valdyti mikrotinklus, kuriuose naudojama atsinaujinanti energija, taip pat naudojama programinė įranga, skirta imituoti tokią sistemą, kad pamatytų, koks jos efektyvumas.
1. Įvadas
Mikrotinklai gali sumažinti perdavimo nuostolius ir spręsti energijos krizes, įskaitant tokias technologijas kaip fotovoltinė energija ir mikro turbinos, kurioms norint prisijungti prie tinklo reikalingi galios elektroniniai keitikliai. Atsinaujinančios energijos pagrindu veikiantį nuolatinės srovės mikrotinklą sudaro nuolatinės srovės šynos, fotovoltinės plokštės, vėjo turbinos, galios elektroniniai keitikliai, hibridinės energijos kaupimo sistemos ir nuolatinės srovės apkrovos. Ji turi kelių įtampos lygių ir didelio efektyvumo privalumus, o nuolatinės srovės sistema yra patraukli energijos šaltinių, valdymo valdymo ir apkrovos pritaikymo požiūriu. Tačiau nuolatinės srovės mikrotinklai susiduria su tokiais iššūkiais kaip nuolatinės galios apkrovos ir impulsinės galios apkrovos, todėl reikalingi pažangūs valdymo metodai, siekiant pagerinti energijos perdavimą, užtikrinti energijos tiekimą ir pasiekti ekonomišką veikimą.
1 pav. Skirtingos mikrotinklelių klasifikacijos.
2 pav. Bendrasis nuolatinės srovės mikrotinklas.
3 pav. Tipiškas kintamosios srovės mikrotinklas.
4 pav. Hibridinis mikrotinklas.
5 pav. Metinis straipsnių, paskelbtų apie nuolatinės srovės mikrotinklus, procentas per pastarąjį dešimtmetį.
Šio straipsnio struktūra ir turinio išdėstymas:Šiame straipsnyje bus pasiūlyta nauja klasifikacija, išsamiai išnagrinėjus nuolatinės srovės-DC keitiklių topologiją ir valdymo metodus nuolatinės srovės mikrotinkluose. Šis turinys apima: DC mikrotinklų aprašymo aptarimą 2 skyriuje; 3 skirsnyje išsamiai aprašomi mikrotinkluose esančių keitiklių konstrukcijų tipai; 4 skyriuje apžvelgiami nuolatinės srovės-DC keitiklių valdymo metodai nuolatinės srovės mikrotinkluose; 5 skirsnyje pristatomi nuolatinės srovės mikrotinklų galios valdymo metodai; 6 skyriuje pristatomas aparatinės įrangos kūrimas DC-DC keitiklių, skirtų mikrotinklo programoms, srityje; 7 skyriuje pateikiamas tipiškų nuolatinės srovės mikrotinklų modeliavimas ir analizė; 8 skirsnyje pateikiama išvada.
2. Su nuolatinės srovės mikrotinkliais susijusios charakteristikos
Nuolatinės srovės mikrotinklų pranašumai ir taikymo scenarijai:Tobulėjant galios elektronikos technologijoms, nuolatinės srovės mikrotinklai patraukė dėmesį dėl savo didelio patikimumo ir efektyvumo. Nuolatinės srovės mikrotinklai yra labiau mėgstami gyvenamuosiuose namuose, elektromobilių įkrovimo stotyse, duomenų centruose ir kitose srityse. Tuo tarpu didėjanti nuolatinės srovės elektros apkrovų paklausa padarė gana patrauklius nuolatinės srovės energijos šaltinių energijos gamybos tyrimus.
DC mikrotinklo veikimo režimas:Nuolatinės srovės mikrotinklas turi du veikimo režimus: prijungtas prie tinklo ir nepriklausomas. Prijungus prie tinklo, mikrotinklas yra prijungtas prie nuolatinės srovės magistralės, kad papildytų maitinimą; Veikiant savarankiškai, nereikia sinchronizuoti su pagrindiniu elektros tinklu. Abiem režimais prie mikrotinklo prijungiami įvairūs atsinaujinantys energijos šaltiniai ir energijos kaupimo sistemos, įskaitant baterijas ir superkondensatorius.
Energijos kaupimo sistemų vaidmuo nuolatinės srovės mikrotinkluose:baterijos turi didelį energijos tankį, o jų valdikliai naudojami pastoviai energijai generuoti arba absorbuoti; Superkondensatoriai turi didelį galios tankį, o jų valdikliai naudojami pereinamajai galiai generuoti arba absorbuoti. Jie abu dirba kartu mikrotinkluose, kad išlaikytų galios balansą ir stabilų veikimą.
Nuolatinės srovės mikrotinklų prijungimo ir valdymo tyrimai:Paskirstymo tinklas ir energijos kaupimo sistema yra tarpusavyje sujungti per galios elektroninius keitiklius naudojant nuolatinės srovės jungtis. Buvo atlikti atitinkami nuolatinės srovės mikrotinklų apsaugos klausimų ir sprendimų tyrimai. Be to, straipsnyje trumpai apžvelgiamas vietinis valdymas nuolatinės srovės mikrotinkluose ir pateikiama bendra nuolatinės srovės mikrotinklų su energijos kaupimo įrenginiais architektūra.
3. DC-DC keitiklių topologija nuolatinės srovės mikrotinkluose
DC-DC keitiklių klasifikacija ir bendrosios topologijos:DC-DC keitikliai gali būti skirstomi į neizoliuotus ir izoliuotus tipus. Nuolatinės srovės mikrotinkluose plačiai naudojami stiprinimo, didinimo ir spartos keitikliai, kurių kiekvienas turi savo unikalią topologiją (kaip parodyta 6 paveiksle), kad atitiktų skirtingus įtampos konvertavimo reikalavimus. Dviejų krypčių izoliuoti DC-DC keitikliai dažniausiai naudojami nuolatinės srovės sistemose, tarp kurių tinkamas pasirinkimas yra dvigubo aktyvaus tilto (DAB) DC-DC keitikliai, nes palaiko dvikryptį galios srautą ir didelį galios tankį (scheminę diagramą žr. 7 pav.). , o serijinių rezonansinių keitiklių (SRC) topologija taip pat patraukė daugelio tyrinėtojų dėmesį.
6 pav. DC-DC keitiklio topologija, (A) padidinimas, (B) padidinimas, (C) padidinimas.
7 pav. DAB keitiklio schema.
Kelių prievadų DC-DC keitiklių kūrimas ir taikymas:Siekiant išspręsti didelių sąnaudų ir sistemos nuostolių problemas, kylančias dėl keitiklių naudojimo, atsirado kelių prievadų nuolatinės srovės-DC keitikliai. Jis dažniausiai naudojamas sujungti kelis nuolatinės srovės tinklus mikrotinkluose, pavyzdžiui, įvairiose straipsnyje minimos topologijos (8 pav.), kurios gali lanksčiai sujungti įvairias nuolatinės srovės apkrovas ir maitinimo šaltinius bei valdyti nuolatinės srovės jungtis; Taip pat yra izoliuotos dviejų pakopų trijų prievadų keitiklių topologijos ir kt. Šie kelių prievadų keitikliai tinka integruoti kelis energijos šaltinius (įskaitant energijos kaupimą) ir turi didesnį įtampos koeficientą nei buck boost konverteriai. Jie turi įvairių pritaikymų nuolatinės srovės mikrotinkluose, pavyzdžiui, reguliuoja superkondensatorių įtampą, valdo galią tarp baterijų ir superkondensatorių, įkrauna baterijas, įgyvendina hibridinės energijos kaupimo sistemos integraciją ir energijos srauto balansavimą tarp atsinaujinančių energijos šaltinių. Nuolatinės srovės mikrotinkluose naudojami keitikliai paprastai skirstomi į dvi kategorijas: izoliuotus ir neizoliuotus (žr. 9 pav. klasifikaciją).
8 pav. Kelių prievadų keitiklio schema.
9 pav. DC-DC keitiklių topologijų, naudojamų nuolatinės srovės mikrotinkluose, klasifikacija.
4. DC-DC keitiklio valdymo būdas nuolatinės srovės mikrotinkle
Kontrolės metodų svarba ir bendra klasifikacija:Nuolatinės srovės mikrotinklų valdymas yra vienas iš pagrindinių tyrėjams rūpimų klausimų. Visus valdymo būdus galima suskirstyti į centralizuotą ir paskirstytą valdymą. Centralizuotas valdymas tinka mažiems vietiniams mikrotinklams su ribotu duomenų rinkimu (jo valdymo schemą žr. 10 pav.), o paskirstytas valdymas nereikalauja centrinio valdiklio (žr. 11 pav.).
10 pav. Centralizuoto valdymo blokinė schema.
11 pav. Paskirstyto valdymo blokinė schema.
Netiesinio valdymo technologijos tipai ir charakteristikos:Netiesinio valdymo technologija apima modelio nuspėjamąjį valdymą (MPC), slankiojo režimo valdymą (SMC), adaptyvų valdymą ir išmanųjį valdymą. Pastaraisiais metais daugelis tyrimų buvo sutelkti į MPC veikimą dvikrypčiu keitikliu valdant akumuliatorių energijos kaupimo sistemas (BESS) ir mikrotinklų galios balansavimą. MPC optimalų keitiklio perjungimo režimą lemia sąnaudų funkcija, siekiant geresnio našumo (jo valdymo schemą žr. 12 pav.); SMC valdyme generuojamas valdymo įėjimas tiesiogiai veikia galios elektroninio keitiklio jungiklį, greitai reaguojant (žr. 13 pav.); Adaptyvusis valdymas tinka tais atvejais, kai kinta DC-DC keitiklių apkrova ir įvesties šaltinis, ir gali pagerinti valdymo metodo patikimumą (žr. 14 pav.). Be to, siūlomas naujas mikrotinklo galios valdymo valdymo metodas, pagrįstas fotovoltinėmis sistemomis, kai kiekvieno keitiklio galiai valdyti naudojamas fuzzy logic valdiklis (FLC) (žr. 15 pav.).
12 pav. MPC valdiklio blokinė schema.
13 pav. SMC valdiklio blokinė schema.
14 pav. Adaptyvaus valdymo blokinė schema.
15 pav. Keitiklio valdymo būdas nuolatinės srovės mikrotinkle.
5. DC mikrotinklo maitinimo valdymo strategija
Energijos valdymo svarba ir iššūkiai:Nuolatinės srovės mikrotinklai yra tinkamas pasirinkimas tiekti energiją atokiose vietovėse, todėl jų energijos valdymo metodai sulaukė didelio dėmesio. Mikrotinklo energijos valdymas susiduria su daugybe iššūkių, tokių kaip fotovoltinės sistemos išėjimo galios svyravimai kartu su radiacijos pokyčiais. Į šiuos veiksnius reikia atsižvelgti kuriant energijos valdymo sistemas, kad būtų užtikrintas patikimas ir kokybiškas energijos tiekimas. Nuo elektros tinklo nepriklausomame mikrotinkle taip pat būtina koordinuoti fotovoltinių sistemų, baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) ir kitų įrenginių veikimą, kad būtų pasiektas galios balansas.
Įvairių energijos valdymo sistemų ir algoritmų pavyzdys:Akumuliatoriaus energijos valdymo sistema (BEMS), skirta mikrotinklams, kurių pagrindiniai energijos šaltiniai yra fotovoltiniai ir dyzeliniai generatoriai, gali sutrumpinti dyzelinių generatorių darbo laiką, sumažinti fotovoltinės galios svyravimus, valdyti įvairių tipų baterijas su skirtingomis charakteristikomis ir pailginti baterijos veikimo laiką. Energijos valdymo algoritmas, naudojamas fotovoltinių ir BESS sistemų galiai subalansuoti, atsižvelgiant į BESS sistemos įkrovimo būsenos (SoC) apribojimus. Akumuliatoriaus išsikrovimo metu dvikryptis keitiklis reguliuoja nuolatinės srovės magistralės įtampą, o kai kuriais atvejais galios elektroninis keitiklis turi padėti sistemai veikti maksimalios galios taško sekimo (MPPT) režimu (jos sistemos veikimo režimą žr. 17 pav.). Buvo pasiūlyta išmani dinaminė energijos valdymo sistema mikrotinklams, galios valdymo metodas hibridinėms fotovoltinėms/baterijų sistemoms ir galios valdymo strategija (PMS), skirta nuolatinės srovės mikrotinklų energijos srautui valdyti. Straipsnyje taip pat pristatomi įvairūs nuolatinės srovės mikrotinklo maitinimo valdymo sistemos veikimo režimai (žr. 16 pav.), įskaitant fotovoltinės sistemos ribotos galios režimą (LPM) ir MPPT režimą, kuriuos lemia akumuliatoriaus SoC (kaip parodyta struktūrinėje diagramoje 17 pav.).
16 pav. Energijos valdymo strategijos schema.
17 pav. Mikrotinklo (A) baterijos ir (B) fotovoltinių komponentų maitinimo valdymo algoritmas
6. Nuolatinės srovės mikrotinklo aparatinės įrangos kūrimas ir modeliavimo patikra
Aparatinės įrangos taikymas ciklo modeliavime:Fizinių sistemų sujungimas su modeliavimo aplinkomis yra nauja tema. Atliekant mikrotinklo tyrimus, norint patikrinti skirtingų valdymo metodų ir topologijos struktūrų modeliavimo rezultatus, reikalingas techninės įrangos palyginimas. Modeliuojant aparatinę kilpą (HIL), DC-DC keitiklis buvo naudojamas mikrotinklui prijungti prie kuro elemento, kad būtų pasiektas dvikryptis ryšys tarp modeliavimo aplinkos ir fizinės kuro elementų sistemos. HIL modeliavimą sudaro DC-DC keitiklis ir mikrotinklas (žr. 18 pav.).
18 pav. Aparatinės įrangos modeliavimas buvo atliktas naudojant DC/DC keitiklį ir mikrotinklelį.
DC-DC keitiklių aparatinės įrangos diegimo įrenginių pavyzdys:Straipsnio 1 lentelėje surinkti keli įrenginiai, gauti iš mokslinės literatūros, skirti DC-DC keitiklių aparatinei daliai įgyvendinti. Šie įrenginiai yra nuoroda į aparatinę DC-DC keitiklių mikrotinklų kūrimą ir padeda atlikti tolesnius nuolatinės srovės mikrotinklo technologijos tyrimus ir praktiką.
1 lentelė. Įrenginiai, naudojami DC-DC keitiklių techninei daliai įgyvendinti.
7. DC mikrotinklo sistemos modeliavimo tyrimas
Modeliavimo sistemos sudėtis ir parametrų nustatymai:MATLAB programinė įranga naudojama imituoti nuolatinės srovės mikrotinklo sistemą, kurią sudaro fotovoltinė sistema, vėjo turbina su nuolatinio magneto sinchroniniu generatoriumi (PMSG), baterija, DC-DC dvikryptis keitiklis įtampai reguliuoti ir didžiausios galios taško sekimas (MPPT). ) sistema vėjo turbinoms ir saulės kolektoriams. Struktūra parodyta 19 paveiksle. Fotovoltinė sistema susideda iš 22 nuosekliai sujungtų saulės baterijų plokščių, kurių didžiausia maitinimo taško įtampa ir srovė yra 30,3 V ir 7,10 A kiekvienam skydeliui. Nuolatinės srovės mikrotinklo išvestis naudoja varžines apkrovas, o sistemos ir jos komponentų specifikacijos pateiktos 2 lentelėje.
19 pav. Tirto nuolatinės srovės mikrotinklo blokinė schema.
2 lentelė. Nuolatinės srovės mikrotinklo modeliavime naudojami parametrai.
Modeliavimo rezultatų rodymas ir analizė:Sistema buvo modeliuojama naudojant MATLAB/Simulink aplinką ir pateikta viso nuolatinės srovės mikrotinklo schema (žr. 20 pav.). Buvo parodytos fotovoltinės, baterijos ir vėjo turbinos išėjimo kreivės (žr. 21 pav.), taip pat vėjo jėgainių išėjimo galios kreivės esant skirtingiems vėjo greičiams (pavaizduotos vienetų reikšmėmis) (žr. 22 pav.), 22 pav. akumuliatoriaus vardinėje ir iškrovimo srityse (žr. 23 pav.) ir sistemos išėjimo apkrovos įtampos ir srovės kreives (žr. 24 pav.). Modeliuojant vėjo jėgainių sistema veikia pastoviu 12m/s greičiu, o esant vardiniam vėjo greičiui generuoja 8kW galią, o fotovoltinės sistemos vardinė galia – 4,6kW. Akumuliatoriaus skyriuje naudojamas dvikryptis keitiklis gali atlikti įkrovimo ir iškrovimo funkcijas. Šie modeliavimo rezultatai gali būti naudojami analizuojant ir įvertinant nuolatinės srovės mikrotinklo sistemos veikimo efektyvumą.
20 pav. Nuolatinės srovės mikrotinklo modeliavimo modelis naudojant MATLAB/modeliavimo ryšį.
21 pav. Modeliavimo rezultatai rodo, kad (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) vėjo turbinos sukimo momentas Te, Tm, (E) vėjo greitis, (F) nuolatinės srovės magistralės įtampa ir (G) įkraunamos baterijos įkrovos būsena (SOC).
22 pav. Modeliavimo rezultatai rodo turbinos išėjimo galią (pu) esant skirtingiems turbinos sūkiams (pu).
23 pav. Modeliavimo rezultatai rodo, kad akumuliatoriaus įtampa gali normaliai veikti išsikrovimo režimu.
24 pav. Modeliavimo rezultatai rodo, kad nuolatinės srovės mikrotinklo išėjimo apkrovos (A) įtampa ir nuolatinės srovės mikrotinklo išėjimo apkrovos (B) srovė.
8. Santrauka
Šiame straipsnyje išsamiai nagrinėjama nuolatinės srovės-DC keitiklių topologija, valdymo metodai ir įvairios maitinimo valdymo sistemos strategijos nuolatinės srovės mikrotinkluose, taip pat tiriama aparatinė įranga, naudojama nuolatinės srovės-DC keitikliuose mikrotinkluose.
Mikrotinklų charakteristikos ir reikalavimai:Mikrotinklų sudėtingumas lemia skaitmeninės automatizavimo ir pažangaus valdymo poreikį, kad jie taptų tinkama ir patikima tradicinių tinklų alternatyva. Technologijų pažanga leidžia automatizuotam energijos valdymui valdyti kelis komponentus ir kintamas sąlygas, optimizuojant patikimumą ir kainą. Efektyvus energijos kaupimo sistemų, tokių kaip baterijos, panaudojimas mikrotinkluose gali užtikrinti nenutrūkstamą reikalingos energijos tiekimą, o atsinaujinančios energijos naudojimas tiekti energiją regionams yra naudingas aplinkai ir turi pasaulinę ekonominę reikšmę.
Pagrindiniai dalykai, susiję su DC-DC keitikliais:Nepriklausomame nuolatinės srovės mikrotinkle DC-DC keitikliai gali pasiekti skirtingus įtampos padidėjimo ir kritimo lygius. Neizoliuoti keitikliai turi mažiau nuostolių ir yra tinkamesni nei izoliuoti keitikliai. Mikrotinkluose yra įvairių keitiklių valdymo strategijų, o linijinio valdymo technologija negali užtikrinti stabilaus sistemos veikimo. Buvo pritaikyti pažangūs metodai, tokie kaip modelio nuspėjamasis valdymas (MPC), slankiojo režimo valdymas (SMC) ir neryškus valdymas.
Kontrolės metodų palyginimo išvada:Straipsnyje atlikta išsami kontrolės metodų analizė ir palyginimas. Pažangūs intelektualūs valdymo metodai yra atsparūs varžos nestabilumui. Nuolatinės srovės mikrotinklų DC-DC keitikliuose intelektualūs valdikliai veikia greitai ir tiksliai, palyginti su kitais valdymo algoritmais.