Soyut
Büyük ölçekli fotovoltaik sistemler, birçok yerel elektrik şebekesinde dağıtılmış yenilenebilir enerjinin önemli bir bileşenidir. Bu mikro şebekeleri yönetmek, özellikle de ana şebekeyle etkileşimlerini yönetmek kolay bir iş değil. Bu, yenilenebilir kaynaklar üzerinde hassas kontrol gerektirir. Bu makale mikro şebekelerde kullanılan DC-DC dönüştürücü türlerini özetlemekte ve yeni bir sınıflandırma yöntemi önermektedir. Bu makale, DC mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerin kontrol teknolojisini tanıtmakta ve bu kontrol yöntemlerinin avantajlarını ve dezavantajlarını tartışmaktadır.
Güç sistemindeki dağıtılmış yenilenebilir enerji oranının artmasıyla birlikte, bu elektriğin yönetilmesi önemli bir sorun haline geldi. Bu makalede farklı güç yönetimi yöntemleri tanıtılmaktadır. Son olarak güneş enerjisi, rüzgar türbinleri ve bataryalardan oluşan bir DC mikro şebeke sistemi MATLAB/Simulink yazılımı kullanılarak simüle edilmiş ve performansı analiz edilmiştir.
Basitçe ifade etmek gerekirse, bu makale, yenilenebilir enerji kullanan mikro şebekelerin nasıl daha iyi kontrol edilip yönetileceği ve aynı zamanda ne kadar etkili olduğunu görmek için böyle bir sistemi simüle etmek için yazılım kullandığı hakkındadır.
1. Giriş
Mikro şebekeler, iletim kayıplarını azaltabilir ve şebekeye bağlanmak için güç elektroniği dönüştürücüleri gerektiren fotovoltaik ve mikro türbinler gibi teknolojiler de dahil olmak üzere enerji krizlerine çözüm getirebilir. Yenilenebilir enerji tabanlı bir DC mikro şebekesi, DC baralarından, fotovoltaik panellerden, rüzgar türbinlerinden, güç elektroniği dönüştürücülerinden, hibrit enerji depolama sistemlerinden ve DC yüklerinden oluşur. Çoklu voltaj seviyeleri ve yüksek verimlilik avantajlarına sahiptir ve DC sistemi, enerji kaynakları, kontrol yönetimi ve yük adaptasyonu açısından caziptir. Ancak DC mikro şebekeleri, enerji iletimini iyileştirmek, güç kaynağını sağlamak ve ekonomik çalışmayı sağlamak için gelişmiş kontrol yöntemleri gerektiren sabit güç yükleri ve darbeli güç yükleri gibi zorluklarla karşı karşıyadır.
Şekil 1. Mikro şebekelerin farklı sınıflandırmaları.
Şekil 2. Genel DC mikro şebekesi.
Şekil 3. Tipik AC mikro şebekesi.
Şekil 4. Hibrit mikro şebeke.
Şekil 5. Geçtiğimiz on yılda DC mikro şebekeleri hakkında yayınlanan makalelerin yıllık yüzdesi.
Bu makalenin yapısı ve içerik düzeni:Bu makale, DC mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerin topolojisini ve kontrol yöntemlerini kapsamlı bir şekilde inceleyerek yeni bir sınıflandırma önerecektir. Aşağıdaki içerik şunları içermektedir: Bölüm 2'de DC mikro şebekelerinin tanımının tartışılması; Bölüm 3, mikro şebekelerde mevcut dönüştürücü yapı türlerini detaylandırmaktadır; Bölüm 4, DC mikro şebekelerindeki DC-DC dönüştürücüler için kontrol yöntemlerine genel bir bakış sunmaktadır; Bölüm 5'te DC mikro şebekeleri için güç yönetimi yöntemleri tanıtılmaktadır; Bölüm 6, mikro şebeke uygulamaları için DC-DC dönüştürücüler alanında donanım geliştirmeyi sunmaktadır; Bölüm 7'de tipik DC mikro şebekelerinin simülasyonu ve analizi sunulmaktadır; Bölüm 8'de sonuç sunulmaktadır.
2. DC mikro şebekelerine ilişkin özellikler
DC mikro şebekelerin avantajları ve uygulama senaryoları:Güç elektroniği teknolojisinin gelişmesiyle birlikte DC mikroşebekeler, yüksek güvenilirlik ve verimlilikleri nedeniyle dikkat çekmiştir. DC mikro şebekeleri konut uygulamalarında, elektrikli araç şarj istasyonlarında, veri merkezlerinde ve diğer alanlarda daha çok tercih edilmektedir. Bu arada DC elektrik yüklerine olan talebin artması, DC güç kaynaklarına dayalı enerji üretimi araştırmalarını oldukça cazip hale getirmiştir.
DC mikro şebekenin çalışma modu:DC mikro şebekesinin iki çalışma modu vardır: şebekeye bağlı ve bağımsız. Şebekeye bağlandığında mikro şebeke, gücü desteklemek için DC veriyoluna bağlanır; Bağımsız çalışırken ana güç şebekesiyle senkronizasyona gerek yoktur. Her iki modda da, çeşitli yenilenebilir enerji kaynakları ve piller ve süper kapasitörler dahil enerji depolama sistemleri mikro şebekeye bağlanır.
DC mikro şebekelerinde enerji depolama sistemlerinin rolü:piller yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve kontrolörleri kararlı durum gücü üretmek veya absorbe etmek için kullanılır; Süper kapasitörler yüksek güç yoğunluğuna sahiptir ve kontrolörleri geçici güç üretmek veya absorbe etmek için kullanılır. İkisi, güç dengesini ve istikrarlı çalışmayı sürdürmek için mikro şebekelerde birlikte çalışır.
DC Mikro Şebekelerin Bağlantısı ve Kontrolü Üzerine Araştırma:Dağıtım ağı ve enerji depolama sistemi, DC bağlantıları kullanan güç elektroniği dönüştürücüleri aracılığıyla birbirine bağlanır. DC mikro şebekelerin koruma sorunları ve çözümleri üzerine ilgili çalışmalar yapılmıştır. Ek olarak makale, DC mikro şebekelerinde yerel kontrole kısa bir genel bakış sunmakta ve enerji depolama üniteli DC mikro şebekelerinin genel mimarisini sunmaktadır.
3. DC mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerin topolojisi
DC-DC dönüştürücülerin sınıflandırılması ve ortak topolojileri:DC-DC dönüştürücüler izolasyonsuz ve izolasyonlu tiplere ayrılabilir. DC mikro şebekelerinde, farklı voltaj dönüştürme gereksinimlerini karşılamak için her biri kendi benzersiz topolojisine sahip (Şekil 6'da gösterildiği gibi) yükseltme, düşürme ve düşürme dönüştürücüleri yaygın olarak kullanılır. Çift yönlü izole DC-DC dönüştürücüler, DC sistemlerinde yaygın olarak kullanılır; bunların arasında çift aktif köprü (DAB) DC-DC dönüştürücüler, çift yönlü güç akışını ve yüksek güç yoğunluğunu desteklemeleri nedeniyle uygun bir seçimdir (şematik diyagramı için bkz. Şekil 7). ve seri rezonans dönüştürücülerin (SRC) topolojisi de birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir.
Şekil 6. DC-DC dönüştürücü topolojisi, (A) yükseltme, (B) yükseltme, (C) düşürme artırma.
Şekil 7. DAB dönüştürücünün şematik diyagramı.
Çok portlu DC-DC dönüştürücülerin geliştirilmesi ve uygulanması:Dönüştürücü kullanımının neden olduğu yüksek maliyet ve sistem kaybı sorunlarını çözmek için çok portlu DC-DC dönüştürücüler ortaya çıkmıştır. Farklı DC yüklerini ve güç kaynaklarını esnek bir şekilde bağlayabilen ve DC bağlantılarını kontrol edebilen, makalede (Şekil 8) bahsedilen çeşitli topolojiler gibi mikro şebekelerde birden fazla DC ağını bağlamak için yaygın olarak kullanılır; Ayrıca izole edilmiş iki aşamalı üç portlu dönüştürücü topolojileri vb. de vardır. Bu çok portlu dönüştürücüler, birden fazla enerji kaynağının (enerji depolama dahil) entegrasyonu için uygundur ve düşürücü dönüştürücülerden daha yüksek voltaj oranlarına sahiptir. DC mikro şebekelerinde, süper kapasitör voltajının düzenlenmesi, piller ve süper kapasitörler arasındaki gücün yönetilmesi, pillerin şarj edilmesi, hibrit enerji depolama sistemi entegrasyonunun uygulanması ve yenilenebilir enerji kaynakları arasındaki güç akışının dengelenmesi gibi çeşitli uygulamalara sahiptirler. DC mikro şebekelerinde kullanılan dönüştürücüler genel olarak iki kategoriye ayrılır: izole edilmiş ve izole edilmemiş (sınıflandırma için Şekil 9'a bakınız).
Şekil 8. Çok portlu bir dönüştürücünün şematik diyagramı.
Şekil 9. DC mikro şebekelerinde kullanılan DC-DC dönüştürücü topolojilerinin sınıflandırılması.
4. DC mikro şebekesinde DC-DC dönüştürücünün kontrol yöntemi
Kontrol yöntemlerinin önemi ve genel sınıflandırması:DC mikro şebekelerinin kontrolü araştırmacılar için temel endişe konularından biridir. Genel kontrol yöntemleri merkezi kontrol ve dağıtılmış kontrol olarak ikiye ayrılabilir. Merkezi kontrol, sınırlı veri toplamaya sahip küçük yerel mikro şebekeler için uygundur (kontrol şeması için bkz. Şekil 10), dağıtılmış kontrol ise merkezi bir denetleyici gerektirmez (bkz. Şekil 11).
Şekil 10. Merkezi kontrolün blok diyagramı.
Şekil 11. Dağıtılmış kontrolün blok diyagramı.
Doğrusal olmayan kontrol teknolojisinin türleri ve özellikleri:Doğrusal olmayan kontrol teknolojisi, model tahminli kontrolü (MPC), kayan mod kontrolünü (SMC), uyarlanabilir kontrolü ve akıllı kontrolü içerir. Son yıllarda birçok çalışma, batarya enerji depolama sistemlerinin (BESS) çift yönlü dönüştürücü kontrolünde ve mikro şebekelerin güç dengelemesinde MPC'nin performansına odaklandı. MPC'de dönüştürücünün optimal anahtarlama modu, daha iyi performans elde etmek için maliyet fonksiyonu tarafından belirlenir (kontrol şeması için bkz. Şekil 12); SMC kontrolünde, üretilen kontrol girişi hızlı bir yanıtla doğrudan güç elektroniği dönüştürücü anahtarı üzerinde etki eder (bkz. Şekil 13); Uyarlanabilir kontrol, DC-DC dönüştürücülerin yükünün ve giriş kaynağının değiştiği durumlar için uygundur ve kontrol yönteminin sağlamlığını geliştirebilir (bkz. Şekil 14). Ek olarak, mikro şebeke güç yönetimi için, her invertörün gücünü kontrol etmek için bulanık mantık denetleyicisi (FLC) kullanan, fotovoltaik sistemlere dayanan yeni bir kontrol yöntemi önerilmektedir (bkz. Şekil 15).
Şekil 12. MPC denetleyicisinin blok şeması.
Şekil 13. SMC denetleyicisinin blok şeması.
Şekil 14. Uyarlanabilir kontrolün blok şeması.
Şekil 15. DC mikro şebekedeki dönüştürücünün kontrol yöntemi.
5. DC mikro şebekesi için güç yönetimi stratejisi
Güç yönetiminin önemi ve zorlukları:DC mikro şebekeleri uzak bölgelerdeki enerji tedariği için uygun bir seçimdir, bu nedenle enerji yönetimi yöntemleri büyük ilgi görmüştür. Mikro şebeke güç yönetimi, fotovoltaik sistem çıkış gücünün radyasyon değişiklikleriyle dalgalanması gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır. Güvenilir ve yüksek kaliteli enerji tedariki sağlamak için güç yönetimi sistemlerini tasarlarken bu faktörlerin dikkate alınması gerekir. Güç şebekesinden bağımsız bir mikro şebekede, güç dengesini sağlamak için fotovoltaik sistemlerin, pil enerji depolama sistemlerinin (BESS) ve diğer birimlerin çalışmasını koordine etmek de gereklidir.
Farklı güç yönetimi sistemleri ve algoritmalarına örnek:Ana güç kaynakları olarak fotovoltaik ve dizel jeneratörlerin kullanıldığı mikro şebekeler için bir Pil Enerji Yönetim Sistemi (BEMS), dizel jeneratörlerin çalışma süresini azaltabilir, fotovoltaik güç dalgalanmalarını azaltabilir, farklı özelliklere sahip çeşitli pil türlerini yönetebilir ve pil ömrünü uzatabilir. BESS sisteminin Şarj Durumu (SoC) kısıtlamalarını göz önünde bulundurarak fotovoltaik ve BESS sistemlerinin gücünü dengelemek için kullanılan bir güç yönetimi algoritması. Akünün deşarjı sırasında çift yönlü bir dönüştürücü DC bara voltajını ayarlar ve bazı durumlarda güç elektroniği dönüştürücünün sistemin Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) modunda çalışmasına yardımcı olması gerekir (sistem çalışma modu için bkz. Şekil 17). Mikro şebekeler için akıllı bir dinamik enerji yönetim sistemi, hibrit fotovoltaik/batarya sistemleri için bir güç yönetimi yöntemi ve DC mikro şebekelerin güç akışını kontrol etmek için bir güç yönetimi stratejisi (PMS) önerilmiştir. Makale ayrıca, pil SoC'si tarafından belirlenen (aşağıdaki akış şemasında gösterildiği gibi) fotovoltaik sistemin sınırlı güç modu (LPM) ve MPPT modu dahil olmak üzere DC mikro şebeke güç yönetim sisteminin çeşitli çalışma modlarını da sunmaktadır (bkz. Şekil 16). Şekil 17).
Şekil 16. Güç yönetimi stratejisinin akış şeması.
Şekil 17. Mikro şebeke (A) pil ve (B) fotovoltaik bileşenler için güç yönetimi algoritması
6. DC mikro şebekesinin donanım geliştirme ve simülasyon doğrulaması
Döngü simülasyonunda donanımın uygulanması:Fiziksel sistemleri simülasyon ortamlarına bağlamak yeni bir konudur. Mikro şebeke araştırmalarında, farklı kontrol yöntemleri ve topoloji yapılarının simülasyon sonuçlarını doğrulamak için donanım karşılaştırması yapılması gerekmektedir. Döngüdeki donanım (HIL) simülasyonu aracılığıyla, mikro şebekeyi yakıt hücresine bağlamak için bir DC-DC dönüştürücü kullanıldı ve simülasyon ortamı ile fiziksel yakıt hücresi sistemi arasında çift yönlü iletişim sağlandı. HIL simülasyonu bir DC-DC dönüştürücü ve bir mikro şebekeden oluşur (bkz. Şekil 18).
Şekil 18. DC/DC dönüştürücü ve mikro şebeke üzerinde donanım simülasyonu yapılmıştır.
DC-DC dönüştürücüler için donanım uygulama cihazlarına örnek:Makaledeki Tablo 1, DC-DC dönüştürücülerin donanım kısmını uygulamak için bilimsel literatürden elde edilen çeşitli cihazları toplamaktadır. Bu cihazlar, mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerin donanım geliştirmesi için referans sağlar ve DC mikro şebeke teknolojisinin daha fazla araştırılmasına ve uygulanmasına yardımcı olur.
Tablo 1. DC-DC dönüştürücülerin donanım kısmını gerçekleştirmek için kullanılan cihazlar.
7. DC mikro şebeke sistemi üzerine simülasyon araştırması
Simülasyon sistemi bileşimi ve parametre ayarları:MATLAB yazılımı, bir fotovoltaik sistem, kalıcı mıknatıslı senkron jeneratöre (PMSG) sahip bir rüzgar türbini, bir batarya, voltaj regülasyonu için bir DC-DC çift yönlü dönüştürücü ve bir maksimum güç noktası takibi (MPPT) içeren bir DC mikro şebeke sistemini simüle etmek için kullanılır. ) rüzgar türbinleri ve güneş panelleri için sistem. Yapı Şekil 19'da gösterilmektedir. Fotovoltaik sistem, her panel için maksimum güç noktası voltajı ve 30,3V ve 7,10A akıma sahip, seri bağlı 22 güneş panelinden oluşur. DC mikro şebeke çıkışı dirençli yükler kullanır ve sistem ve bileşen özellikleri Tablo 2'de listelenmiştir.
Şekil 19. Çalışılan DC mikro şebekesinin blok diyagramı.
Tablo 2. DC mikro şebeke simülasyonunda kullanılan parametreler.
Simülasyon Sonuçlarının Görüntülenmesi ve Analizi:Sistem, MATLAB/Simulink ortamı kullanılarak simüle edildi ve genel DC mikro şebekesinin şematik bir diyagramı sağlandı (bkz. Şekil 20). Fotovoltaik, pil ve rüzgar türbininin çıkış eğrileri (bkz. Şekil 21) ve ayrıca rüzgar türbininin farklı rüzgar hızlarındaki çıkış gücü eğrileri (birim değerlerle temsil edilir) (bkz. Şekil 22), voltaj eğrileri gösterildi. nominal ve deşarj alanlarındaki pil (bkz. Şekil 23) ve sistem çıkış yükünün voltaj ve akım eğrileri (bkz. Şekil 24). Simülasyonda rüzgar türbini sistemi 12 m/s sabit hızda çalışmakta, nominal rüzgar hızında 8kW enerji üretimi ile fotovoltaik sistem 4,6kW nominal güce sahiptir. Akü bölümünde kullanılan çift yönlü dönüştürücü, şarj ve deşarj fonksiyonlarını gerçekleştirebilmektedir. Bu simülasyon sonuçları, DC mikro şebeke sisteminin operasyonel performansını analiz etmek ve değerlendirmek için kullanılabilir.
Şekil 20. MATLAB/simülasyon bağlantısını kullanan DC mikro şebekesinin simülasyon modeli.
Şekil 21. Simülasyon sonuçları şunu göstermektedir: (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) rüzgar türbini torku Te, Tm, (E) rüzgar hızı, (F) DC bara voltajı ve (G) şarj edilebilir pilin şarj durumu (SOC).
Şekil 22. Simülasyon sonuçları, farklı türbin hızlarında (pu) türbin çıkış gücünü (pu) göstermektedir.
Şekil 23. Simülasyon sonuçları akü voltajının deşarj modunda normal şekilde çalışabildiğini göstermektedir.
Şekil 24. Simülasyon sonuçları, DC mikro şebekesinin çıkış yükü (A) voltajının ve DC mikro şebekesinin çıkış yükü (B) akımının olduğunu göstermektedir.
8. Özet
Bu makale, DC mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerin topolojisini, kontrol yöntemlerini ve çeşitli güç yönetim sistemi stratejilerini kapsamlı bir şekilde incelerken aynı zamanda mikro şebekelerdeki DC-DC dönüştürücülerde kullanılan donanımı da inceliyor.
Mikro şebekelerin özellikleri ve gereksinimleri:Mikro şebekelerin karmaşıklığı, geleneksel şebekelere uygun ve güvenilir bir alternatif haline gelmek için dijital otomasyona ve akıllı yönetime olan ihtiyaçlarını belirliyor. Teknolojik gelişmeler, otomatik enerji yönetiminin birden fazla bileşeni ve değişken koşulları yönetmesine olanak tanıyarak güvenilirliği ve maliyeti optimize eder. Mikro şebekelerde pil gibi enerji depolama sistemlerinin etkin kullanımı, ihtiyaç duyulan enerjinin kesintisiz olarak sağlanmasını sağlayabilir ve bölgelere güç sağlamak için yenilenebilir enerjinin kullanılması çevreye faydalı olup küresel ekonomik öneme sahiptir.
DC-DC dönüştürücülerle ilgili önemli noktalar:Bağımsız bir DC mikro şebekesinde, DC-DC dönüştürücüler farklı seviyelerde voltaj yükselişi ve düşüşü elde edebilir. Yalıtımsız dönüştürücüler, yalıtımlı dönüştürücülere göre daha az kayba sahiptir ve daha uygundur. Mikro şebekelerdeki dönüştürücüleri kontrol etmek için çeşitli stratejiler vardır ve doğrusal kontrol teknolojisi, sistemin kararlı çalışmasını sağlayamaz. Model öngörülü kontrol (MPC), kayan kipli kontrol (SMC) ve bulanık kontrol gibi gelişmiş yöntemler benimsenmiştir.
Kontrol Yöntemi Karşılaştırmasının Sonucu:Makalede kapsamlı bir analiz ve kontrol yöntemlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Gelişmiş akıllı kontrol yöntemleri empedans kararsızlığına karşı dayanıklılığa sahiptir. DC mikro şebekelerin DC-DC dönüştürücülerinde akıllı kontrolörler diğer kontrol algoritmalarına göre hızlı ve doğru performansa sahiptir.