Ágrip
Stórfelld ljósvakakerfi eru mikilvægur þáttur í dreifðri endurnýjanlegri orku á mörgum staðbundnum raforkukerfum. Að stjórna þessum örnetum, sérstaklega hvernig þau hafa samskipti við aðalnetið, er ekki auðvelt verkefni. Þetta krefst nákvæmrar stjórnunar á þessum endurnýjanlegu auðlindum. Þessi grein tekur saman tegundir DC-DC breyta sem notaðar eru í örnetum og leggur til nýja flokkunaraðferð. Þessi grein kynnir stýritækni DC-DC breyta í DC örnetum og fjallar um kosti og galla þessara stjórnunaraðferða.
Með auknu hlutfalli dreifðrar endurnýjanlegrar orku í raforkukerfinu er stjórnun þessarar raforku orðið stórt mál. Þessi grein kynnir mismunandi aðferðir við orkustjórnun. Að lokum var jafnstraumsnetkerfi með sólarorku, vindmyllum og rafhlöðum hermt með MATLAB/Simulink hugbúnaði og frammistaða þess greind.
Einfaldlega sagt, þessi grein er um hvernig á að stjórna og stjórna örnetum sem nota endurnýjanlega orku betur, og notar einnig hugbúnað til að líkja eftir slíku kerfi til að sjá hversu árangursríkt það er.
1. Inngangur
Örnet geta dregið úr flutningstapi og tekið á orkukreppum, þar á meðal tækni eins og ljósvökva og örhverfla, sem krefjast rafeindabreyta til að tengjast netinu. Jafnstraumsnet sem byggir á endurnýjanlegri orku samanstendur af jafnstraumsstöngum, ljósvökvaplötum, vindmyllum, rafeindabreytum, tvinnorkugeymslukerfum og jafnstraumhleðslum. Það hefur kosti margra spennustiga og mikillar skilvirkni og DC kerfið er aðlaðandi hvað varðar orkugjafa, stjórnunarstjórnun og álagsaðlögun. Hins vegar standa DC örnet frammi fyrir áskorunum eins og stöðugu aflálagi og púlsafli, sem krefst háþróaðra stjórnunaraðferða til að bæta orkuflutning, tryggja aflgjafa og ná hagkvæmum rekstri.
Mynd 1. Mismunandi flokkanir á örnetum.
Mynd 2. Almennt DC örnet.
Mynd 3. Dæmigert AC microgrid.
Mynd 4. Hybrid microgrid.
Mynd 5. Árlegt hlutfall blaða sem gefin hafa verið út um DC microgrids undanfarinn áratug.
Uppbygging og innihald þessarar greinar:Þessi grein mun leggja til nýja flokkun með því að rannsaka ítarlega staðfræði og stjórnunaraðferðir DC-DC breyta í DC microgrids. Eftirfarandi innihald felur í sér: fjalla um lýsingu á DC örnetum í kafla 2; Í kafla 3 er útfært nánar um þær tegundir breytivirkja sem fáanlegar eru í örnetum; Hluti 4 veitir yfirlit yfir stjórnunaraðferðir fyrir DC-DC breytir í DC örnetum; Kafli 5 kynnir orkustjórnunaraðferðir fyrir DC örnet; Hluti 6 kynnir vélbúnaðarþróun á sviði DC-DC breyta fyrir smánet forrit; Hluti 7 sýnir uppgerð og greiningu á dæmigerðum DC örnetum; Í 8. kafla er niðurstaðan kynnt.
2. Einkenni sem tengjast DC microgrids
Kostir og notkunarsviðsmyndir DC microgrids:Með þróun rafeindatæknitækni hafa DC örnet vakið athygli vegna mikillar áreiðanleika og skilvirkni. DC microgrids eru vinsælli í íbúðarhúsnæði, rafhleðslustöðvum, gagnaverum og öðrum sviðum. Á sama tíma hefur aukin eftirspurn eftir DC rafmagnsálagi gert rannsóknir á orkuframleiðslu byggðar á DC aflgjafa nokkuð aðlaðandi.
Rekstrarhamur DC microgrid:DC microgrid hefur tvær aðgerðastillingar: nettengt og óháð. Þegar það er tengt við netið er örnetið tengt við DC rútuna til að bæta við afl; Þegar þú starfar sjálfstætt er engin þörf á að samstilla við aðalrafkerfið. Í báðum stillingum eru ýmsir endurnýjanlegir orkugjafar og orkugeymslukerfi, þar á meðal rafhlöður og ofurþéttar, tengdir við örnetið.
Hlutverk orkugeymslukerfa í DC örnetum:rafhlöður hafa mikla orkuþéttleika og stýringar þeirra eru notaðir til að mynda eða taka upp stöðugt orku; Ofurþéttarar hafa mikla aflþéttleika og stýringar þeirra eru notaðir til að mynda eða taka upp skammvinnt afl. Þeir tveir vinna saman í örnetum til að viðhalda orkujafnvægi og stöðugum rekstri.
Rannsóknir á tengingu og stjórn DC Microgrids:Dreifikerfi og orkugeymslukerfi eru samtengd með rafeindabreytum sem nota DC tengla. Það hafa farið fram viðeigandi rannsóknir á verndarmálum og lausnum DC örneta. Að auki veitir greinin stutt yfirlit yfir staðbundna stjórn í DC örnetum og kynnir heildararkitektúr DC örneta með orkugeymslueiningum.
3. Grannfræði DC-DC breyta í DC örnetum
Flokkun og algeng staðfræði DC-DC breyta:Hægt er að skipta DC-DC breytum í óeinangraðar og einangraðar tegundir. Í DC microgrids eru boost, buck boost og buck breytir mikið notaðir, hver með sína einstöku staðfræði (eins og sýnt er á mynd 6), til að uppfylla mismunandi kröfur um spennubreytingar. Tvíátta einangraðir DC-DC breytir eru almennt notaðir í DC kerfum, þar á meðal eru tvöfaldir virkir brúar (DAB) DC-DC breytir hentugur kostur vegna stuðnings þeirra við tvíátta aflflæði og mikla aflþéttleika (sjá mynd 7 fyrir skýringarmynd hennar) , og staðfræði röð resonant converters (SRC) hefur einnig vakið athygli margra vísindamanna.
Mynd 6. Yfirborðsfræði DC-DC breytir, (A) uppörvun, (B) uppörvun, (C) peningauppörvun.
Mynd 7. Skýringarmynd af DAB breyti.
Þróun og notkun fjöltengja DC-DC breyta:Til að leysa vandamálin vegna mikils kostnaðar og kerfistaps sem stafar af notkun breyta, hafa fjöltengi DC-DC breytir komið fram. Það er almennt notað til að tengja mörg DC net í örnetum, eins og hinar ýmsu staðfræði sem nefnd eru í greininni (Mynd 8), sem getur sveigjanlega tengt mismunandi DC álag og aflgjafa og stjórnað DC hlekkjum; Það eru líka einangruð tveggja þrepa þriggja hafna breytir, o.s.frv. Þessir fjöltengja breytir henta til að samþætta marga orkugjafa (þar á meðal orkugeymslu) og hafa hærri spennuhlutföll en buck boost breytir. Þeir hafa ýmis forrit í DC örnetum, svo sem að stjórna ofurþétta spennu, stjórna afli milli rafgeyma og ofurþétta, hlaða rafhlöður, innleiða samþættingu blendingsorkugeymslukerfis og jafnvægisflæði milli endurnýjanlegra orkugjafa. Umbreytunum sem notaðir eru í jafnstraumsnetum er almennt skipt í tvo flokka: einangraða og óeinangraða (sjá mynd 9 fyrir flokkun).
Mynd 8. Skýringarmynd af fjöltengibreyti.
Mynd 9. Flokkun á staðfræði DC-DC breyti sem notuð er í DC örnetum.
4. Stjórnunaraðferð DC-DC breytir í DC microgrid
Mikilvægi og heildarflokkun eftirlitsaðferða:Eftirlit með DC örnetum er eitt helsta áhyggjuefni vísindamanna. Hægt er að skipta heildarstýringaraðferðum í miðstýrða stjórn og dreifða stjórn. Miðstýring hentar litlum staðbundnum smánetum með takmarkaða gagnasöfnun (sjá mynd 10 fyrir stjórnkerfi þess), á meðan dreifð eftirlit þarfnast ekki miðlægs stjórnanda (sjá mynd 11).
Mynd 10. Bálkamynd af miðstýrðri stjórn.
Mynd 11. Bálkamynd af dreifðri stjórn.
Tegundir og eiginleikar ólínulegrar stýritækni:Ólínuleg stýritækni felur í sér forspárstýringu líkana (MPC), rennihamastýringu (SMC), aðlögunarstýringu og snjöllri stjórn. Á undanförnum árum hafa margar rannsóknir beinst að frammistöðu MPC í tvíátta breytistýringu á rafhlöðuorkugeymslukerfum (BESS) og afljöfnun á smánetum. Í MPC er ákjósanlegur skiptahamur breytisins ákvarðaður af kostnaðaraðgerðinni til að ná betri afköstum (sjá mynd 12 fyrir stjórnkerfi þess); Í SMC-stýringu verkar stjórnunarinntakið sem myndast beint á rafeindabreytisrofann, með hröðum viðbrögðum (sjá mynd 13); Aðlögunarstýring hentar fyrir aðstæður þar sem álag og inntaksgjafi DC-DC breyta er mismunandi og getur bætt styrkleika stjórnunaraðferðarinnar (sjá mynd 14). Að auki er lögð til ný stjórnunaraðferð fyrir raforkustjórnun á rafneti sem byggir á ljósvakakerfi, sem notar fuzzy logic controller (FLC) til að stjórna afli hvers inverter (sjá mynd 15).
Mynd 12. Bálkamynd af MPC stjórnandi.
Mynd 13. Bálkamynd af SMC stjórnandi.
Mynd 14. Bálkamynd af aðlögunarstýringu.
Mynd 15. Stjórnunaraðferð breytirs í DC örneti.
5. Orkustjórnunarstefna fyrir DC microgrid
Mikilvægi og áskoranir orkustjórnunar:DC örnet bjóða upp á hentugan kost fyrir orkuöflun á afskekktum svæðum, því hafa orkustjórnunaraðferðir þeirra vakið mikla athygli. Microgrid raforkustjórnun stendur frammi fyrir mörgum áskorunum, svo sem sveiflur í framleiðsla ljósvakakerfis með breytingum á geislun. Þessa þætti þarf að hafa í huga við hönnun orkustjórnunarkerfa til að tryggja áreiðanlega og hágæða orkuveitu. Í örneti sem er óháð raforkukerfinu er einnig nauðsynlegt að samræma rekstur ljóskerfa, rafhlöðuorkugeymslukerfa (BESS) og annarra eininga til að ná orkujafnvægi.
Dæmi um mismunandi orkustjórnunarkerfi og reiknirit:Rafhlöðuorkustjórnunarkerfi (BEMS) fyrir örnet, með ljósa- og dísilrafgjafa sem aðalaflgjafa, getur dregið úr vinnutíma dísilrafala, dregið úr sveiflum í raforkuorku, stjórnað ýmsum gerðum rafgeyma með mismunandi eiginleika og lengt endingu rafhlöðunnar. Rafmagnsstjórnunaralgrím sem notað er til að halda jafnvægi á krafti ljósvaka og BESS kerfa, á meðan tekið er tillit til hleðsluástands (SoC) takmarkana BESS kerfisins. Meðan á rafhlöðu afhleðslu, stillir tvíátta breytir DC strætóspennuna og í sumum tilfellum þarf rafeindabreytirinn að aðstoða kerfið við að starfa í hámarksaflmarksstillingu (MPPT) (sjá mynd 17 fyrir kerfisrekstrarham þess). Lagt hefur verið til snjallt kraftmikið orkustjórnunarkerfi fyrir örnet, orkustýringaraðferð fyrir blendinga ljósvökva/rafhlöðukerfi og orkustjórnunarstefnu (PMS) til að stjórna aflflæði DC örneta. Greinin kynnir einnig ýmsar rekstrarhami DC-míkrónetsaflsstýringarkerfisins (sjá mynd 16), þar á meðal takmarkaðan aflstillingu (LPM) og MPPT-stillingu ljósakerfisins, sem ákvarðast af SoC rafhlöðunni (eins og sýnt er á flæðiritinu í mynd 17).
Mynd 16. Flæðirit af orkustjórnunarstefnu.
Mynd 17. Rafmagnsstýringaralgrím fyrir örnet (A) rafhlöðu og (B) ljósahlutahluta
6. Vélbúnaður þróun og uppgerð sannprófun DC microgrid
Notkun vélbúnaðar í lykkjuhermi:Að tengja líkamleg kerfi við hermiumhverfi er nýtt umræðuefni. Í rannsóknum á örneti er þörf á samanburði á vélbúnaði til að sannreyna eftirlíkingarniðurstöður mismunandi stjórnunaraðferða og staðfræðibygginga. Með vélbúnaði í lykkju (HIL) uppgerð var DC-DC breytir notaður til að tengja örnetið við efnarafalann, sem náði tvíátta samskiptum á milli hermiumhverfisins og efnis efnaranakerfisins. HIL uppgerðin samanstendur af DC-DC breyti og örneti (sjá mynd 18).
Mynd 18. Vélbúnaðarhermi var gerð á DC/DC breytinum og örneti.
Dæmi um vélbúnaðarútfærslubúnað fyrir DC-DC breytir:Tafla 1 í greininni safnar nokkrum tækjum sem fengin eru úr vísindaritum til að útfæra vélbúnaðarhluta DC-DC breyta. Þessi tæki veita viðmiðun fyrir vélbúnaðarþróun DC-DC breyta í örnetum og hjálpa til við frekari rannsóknir og iðkun á DC microgrid tækni.
Tafla 1. Tæki sem notuð eru til að útfæra vélbúnaðarhluta DC-DC breyta.
7. Hermirannsóknir á DC microgrid kerfi
Hermikerfissamsetning og færibreyturstillingar:MATLAB hugbúnaður er notaður til að líkja eftir DC microgrid kerfi, sem felur í sér photovoltaic kerfi, vindmyllu með varanlegum segul samstilltur rafall (PMSG), rafhlöðu, DC-DC tvíátta breytir fyrir spennustjórnun, og hámarksaflsmæli (MPPT) ) kerfi fyrir vindmyllur og sólarrafhlöður. Uppbyggingin er sýnd á mynd 19. Ljósvökvakerfið samanstendur af 22 sólarrafhlöðum sem eru raðtengdar, með hámarks rafspennu og straumi 30,3V og 7,10A fyrir hverja töflu. DC microgrid framleiðsla notar viðnámsálag og kerfið og íhlutaforskriftir þess eru skráðar í töflu 2.
Mynd 19. Reikningarmynd af rannsakaða DC örneti.
Tafla 2. Færibreytur notaðar í DC microgrid uppgerð.
Birting og greining uppgerð niðurstöður:Kerfið var hermt með því að nota MATLAB/Simulink umhverfi, og skýringarmynd af heildar DC örnetinu var veitt (sjá mynd 20). Framleiðsluferlar ljósvirkja, rafhlöðu og vindmyllu voru sýndir (sjá mynd 21), sem og úttaksaflsferlar vindmylla við mismunandi vindhraða (táknað með einingargildum) (sjá mynd 22), spennuferfur af rafhlöðu á hlutfalls- og afhleðslusvæðum (sjá mynd 23), og spennu- og straumferlar úttaksálags kerfisins (sjá mynd 24). Í uppgerðinni starfar vindmyllukerfið á stöðugum hraða 12m/s, með aflframleiðslu upp á 8kW við nafnvindhraða og ljósavirki hefur 4,6kW málafl. Tvíátta breytirinn sem notaður er í rafhlöðuhlutanum getur náð hleðslu- og afhleðsluaðgerðum. Þessar eftirlíkingarniðurstöður er hægt að nota til að greina og meta rekstrarafköst DC microgrid kerfisins.
Mynd 20. Hermun líkan af DC örneti með MATLAB/hermi hlekk.
Mynd 21. Niðurstöður hermunanna sýna að (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) vindmyllutog Te, Tm, (E) vindhraði, (F) DC strætóspenna og (G) hleðsluástand (SOC) endurhlaðanlegu rafhlöðunnar.
Mynd 22. Niðurstöður hermuna sýna úttak túrbínu (pu) við mismunandi túrbínuhraða (pu).
Mynd 23. Niðurstöður hermisins gefa til kynna að rafhlaðaspennan geti starfað eðlilega í afhleðsluham.
Mynd 24. Niðurstöður eftirlíkingarinnar sýna að úttaksálag (A) spenna DC smánetsins og úttaksálag (B) straumur DC smánetsins.
8. Samantekt
Þessi grein kannar yfirgripsmikið staðfræði, stjórnunaraðferðir og ýmsar orkustjórnunarkerfisaðferðir DC-DC breyta í DC örnetum, en rannsakar einnig vélbúnaðinn sem notaður er í DC-DC breytum í örnetum.
Eiginleikar og kröfur um örnet:Flækjustig örneta ákvarðar þörf þeirra fyrir stafræna sjálfvirkni og skynsamlega stjórnun til að verða hentugur og áreiðanlegur valkostur við hefðbundin net. Tækniframfarir gera sjálfvirkri orkustjórnun kleift að takast á við marga íhluti og breytilegar aðstæður, hámarka áreiðanleika og kostnað. Árangursrík nýting orkugeymslukerfa eins og rafhlöður í smánetum getur tryggt óslitið framboð á nauðsynlegri orku og notkun endurnýjanlegrar orku til að afla orku til svæða er gagnleg fyrir umhverfið og hefur alþjóðlega efnahagslega þýðingu.
Lykilatriði sem tengjast DC-DC breytum:Í óháðu DC örneti geta DC-DC breytir náð mismunandi stigum spennuhækkunar og -falls. Óeinangraðir breytir hafa minna tap og henta betur en einangraðir breytir. Það eru ýmsar aðferðir til að stjórna breytum í örnetum og línuleg stýritækni getur ekki tryggt stöðugan kerfisrekstur. Ítarlegar aðferðir eins og forspárstýring líkana (MPC), rennihamastýring (SMC) og óljós stjórn hafa verið samþykktar.
Niðurstaða samanburðar samanburðaraðferða:Í greininni var gerð yfirgripsmikil greining og samanburður á eftirlitsaðferðum. Háþróaðar greindar stjórnunaraðferðir hafa styrkleika gegn óstöðugleika viðnáms. Í DC-DC breytum af DC örnetum hafa snjallir stýringar hröð og nákvæm frammistöðu miðað við önnur stjórnalgrím.