תַקצִיר
מערכות פוטו-וולטאיות בקנה מידה גדול הן מרכיב חשוב באנרגיה מתחדשת מבוזרת ברשתות חשמל מקומיות רבות. ניהול רשתות מיקרו אלה, במיוחד האופן שבו הן מתקשרות עם הרשת הראשית, אינה משימה קלה. זה דורש שליטה מדויקת על אותם משאבים מתחדשים. מאמר זה מסכם את סוגי ממירי DC-DC המשמשים במיקרו-רשתות ומציע שיטת סיווג חדשה. מאמר זה מציג את טכנולוגיית הבקרה של ממירי DC-DC במיקרו-רשתות DC ודן ביתרונות ובחסרונות של שיטות בקרה אלו.
עם הגדלת שיעור האנרגיה המתחדשת מבוזרת במערכת החשמל, ניהול החשמל הזה הפך לנושא מרכזי. מאמר זה מציג שיטות שונות לניהול צריכת חשמל. לבסוף, מערכת DC microgrid הכוללת אנרגיה סולארית, טורבינות רוח וסוללות בוצעה הדמיה באמצעות תוכנת MATLAB/Simulink, וביצועיה נותחו.
במילים פשוטות, מאמר זה עוסק כיצד לשלוט ולנהל טוב יותר רשתות מיקרו שמשתמשות באנרגיה מתחדשת, וכן משתמש בתוכנה כדי לדמות מערכת כזו כדי לראות עד כמה היא יעילה.
1. הקדמה
רשתות מיקרו יכולות להפחית את הפסדי ההולכה ולתת מענה למשברי אנרגיה, כולל טכנולוגיות כגון פוטו וולטאיות ומיקרו טורבינות, הדורשות ממירים אלקטרוניים מתחברים לרשת. מיקרו-רשת DC מבוססת אנרגיה מתחדשת מורכבת מפסי DC, פאנלים פוטו-וולטאיים, טורבינות רוח, ממירי חשמל אלקטרוניים, מערכות אחסון אנרגיה היברידיות ועומסי DC. יש לה יתרונות של ריבוי רמות מתח ויעילות גבוהה, ומערכת ה-DC אטרקטיבית מבחינת מקורות אנרגיה, ניהול בקרה והתאמת עומסים. עם זאת, רשתות DC מתמודדות עם אתגרים כמו עומסי כוח קבועים ועומסי כוח דופק, הדורשים שיטות בקרה מתקדמות כדי לשפר את העברת האנרגיה, להבטיח אספקת חשמל ולהשיג תפעול כלכלי.
איור 1. סיווגים שונים של רשתות מיקרו.
איור 2. כללי DC microgrid.
איור 3. מיקרוגריד AC טיפוסי.
איור 4. Microgrid היברידי.
איור 5. אחוז שנתי של מאמרים שפורסמו על DC microgrids בעשור האחרון.
מבנה וסידור התוכן של מאמר זה:מאמר זה יציע סיווג חדש על ידי לימוד מקיף של הטופולוגיה ושיטות הבקרה של ממירי DC-DC במיקרו-רשתות DC. התוכן הבא כולל: דיון בתיאור של רשתות DC בסעיף 2; סעיף 3 מרחיב את סוגי מבני הממיר הזמינים במיקרו-רשתות; סעיף 4 מספק סקירה כללית של שיטות הבקרה עבור ממירי DC-DC במיקרו-רשתות DC; סעיף 5 מציג שיטות ניהול חשמל עבור רשתות DC; סעיף 6 מציג פיתוח חומרה בתחום ממירי DC-DC ליישומי מיקרו-רשת; סעיף 7 מציג סימולציה וניתוח של רשתות DC טיפוסיות; סעיף 8 מציג את המסקנה.
2. מאפיינים הקשורים ל-DC microgrids
היתרונות ותרחישי היישום של DC microgrids:עם התפתחות טכנולוגיית האלקטרוניקה הכוחנית, רשתות DC משכו תשומת לב בשל האמינות והיעילות הגבוהות שלהן. רשתות מיקרו DC מועדפות יותר ביישומי מגורים, תחנות טעינה לרכב חשמלי, מרכזי נתונים ותחומים אחרים. בינתיים, הביקוש הגובר לעומסי חשמל DC הפך את המחקר על ייצור חשמל המבוסס על מקורות כוח DC לאטרקטיבי למדי.
מצב הפעולה של DC microgrid:ל-DC microgrid שני מצבי פעולה: רשת מחוברת ובלתי תלויה. כאשר מחובר לרשת, המיקרו-גרייד מחובר לאפיק DC כדי להשלים את הספק; כאשר פועלים באופן עצמאי, אין צורך לסנכרן עם רשת החשמל הראשית. בשני המצבים, מקורות אנרגיה מתחדשים שונים ומערכות אחסון אנרגיה, כולל סוללות וקבלי-על, מחוברים למיקרו-רשת.
תפקידן של מערכות אחסון אנרגיה במיקרו-רשתות DC:לסוללות יש צפיפות אנרגיה גבוהה, והבקרים שלהן משמשים לייצור או לספוג כוח במצב יציב; לקבלי-על יש צפיפות הספק גבוהה, והבקרים שלהם משמשים לייצור או לספוג כוח חולף. השניים עובדים יחד ב-micgrids כדי לשמור על איזון כוח ופעולה יציבה.
מחקר על חיבור ובקרה של DC Microgrids:רשת ההפצה ומערכת אחסון האנרגיה מחוברות זו לזו באמצעות ממירי חשמל באמצעות קישורי DC. היו מחקרים רלוונטיים בנושאי ההגנה והפתרונות של רשתות DC. בנוסף, המאמר מספק סקירה קצרה של בקרה מקומית ב-DC microgrids ומציג את הארכיטקטורה הכוללת של DC microgrids עם יחידות אחסון אנרגיה.
3. טופולוגיה של ממירי DC-DC במיקרו-רשתות DC
סיווג וטופולוגיות נפוצות של ממירי DC-DC:ניתן לחלק ממירי DC-DC לסוגים לא מבודדים ומבודדים. ב-DC microgrids נעשה שימוש נרחב בממירי Boost, buck boost וממירי buck, כל אחד עם טופולוגיה ייחודית משלו (כמתואר באיור 6), כדי לעמוד בדרישות שונות של המרת מתח. ממירי DC-DC מבודדים דו-כיווניים נמצאים בשימוש נפוץ במערכות DC, ביניהם ממירי DC-DC כפולים אקטיביים (DAB) הם בחירה מתאימה בשל תמיכתם בזרימת כוח דו-כיוונית וצפיפות הספק גבוהה (ראה איור 7 לתרשים הסכמטי שלו) , והטופולוגיה של ממירי תהודה סדרתיים (SRC) משכה גם את תשומת לבם של חוקרים רבים.
איור 6. טופולוגיה של ממיר DC-DC, (A) חיזוק, (B) חיזוק, (C) חיזוק דולר.
איור 7. תרשים סכמטי של ממיר DAB.
הפיתוח והיישום של ממירי DC-DC מרובי יציאות:על מנת לפתור את הבעיות של עלויות גבוהות ואובדן מערכת הנגרמות משימוש בממירים, צצו ממירי DC-DC מרובי יציאות. הוא משמש בדרך כלל לחיבור רשתות DC מרובות במיקרו-רשתות, כמו הטופולוגיות השונות המוזכרות במאמר (איור 8), שיכולות לחבר בגמישות עומסי DC ומקורות מתח שונים ולשלוט בקישורי DC; קיימות גם טופולוגיות מבודדות של ממירי שלוש יציאות דו-שלביות וכו'. ממירי ריבוי יציאות אלו מתאימים לשילוב מקורות אנרגיה מרובים (כולל אחסון אנרגיה) ובעלי יחסי מתח גבוהים יותר מממירי buck boost. יש להם יישומים שונים ב-DC microgrids, כגון ויסות מתח קבלי-על, ניהול הספק בין סוללות וקבלי-על, טעינת סוללות, יישום אינטגרציה של מערכת אחסון אנרגיה היברידית ואיזון זרימת הכוח בין מקורות אנרגיה מתחדשים. הממירים המשמשים במיקרו-רשתות DC מחולקים בדרך כלל לשתי קטגוריות: מבודדים ולא מבודדים (ראה איור 9 לסיווג).
איור 8. תרשים סכמטי של ממיר רב יציאות.
איור 9. סיווג של טופולוגיות ממירי DC-DC בשימוש במיקרו-רשתות DC.
4. שיטת בקרה של ממיר DC-DC ב-DC microgrid
החשיבות והסיווג הכולל של שיטות הבקרה:השליטה ב-DC microgrids היא אחד הנושאים העיקריים המדאיגים את החוקרים. ניתן לחלק את שיטות הבקרה הכוללות לבקרה מרכזית ובקרה מבוזרת. בקרה מרכזית מתאימה לרשתות מיקרו מקומיות קטנות עם איסוף נתונים מוגבל (ראה איור 10 לתוכנית הבקרה שלה), בעוד שבקרה מבוזרת אינה דורשת בקר מרכזי (ראה איור 11).
איור 10. דיאגרמת בלוקים של בקרה מרכזית.
איור 11. דיאגרמת בלוקים של בקרה מבוזרת.
סוגים ומאפיינים של טכנולוגיית בקרה לא ליניארית:טכנולוגיית בקרה לא ליניארית כוללת בקרת מודל חיזוי (MPC), בקרת מצב הזזה (SMC), בקרה אדפטיבית ובקרה חכמה. בשנים האחרונות, מחקרים רבים התמקדו בביצועים של MPC בבקרת ממיר דו-כיווני של מערכות אחסון אנרגיה של סוללות (BESS) ואיזון כוח של רשתות מיקרו. ב-MPC, מצב המיתוג האופטימלי של הממיר נקבע על ידי פונקציית העלות להשגת ביצועים טובים יותר (ראה איור 12 לתכנית הבקרה שלו); בבקרת SMC, קלט הבקרה שנוצר פועל ישירות על מתג הממיר האלקטרוני, עם תגובה מהירה (ראה איור 13); בקרה אדפטיבית מתאימה למצבים שבהם העומס ומקור הקלט של ממירי DC-DC משתנים, ויכולה לשפר את החוסן של שיטת הבקרה (ראה איור 14). בנוסף, מוצעת שיטת בקרה חדשה לניהול צריכת חשמל במיקרו-רשת המבוססת על מערכות פוטו-וולטאיות, המשתמשת בבקר לוגי מטושטש (FLC) כדי לשלוט בהספק של כל מהפך (ראה איור 15).
איור 12. דיאגרמת בלוקים של בקר MPC.
איור 13. דיאגרמת בלוקים של בקר SMC.
איור 14. דיאגרמת בלוק של בקרה אדפטיבית.
איור 15. שיטת בקרה של ממיר ב-DC microgrid.
5. אסטרטגיית ניהול חשמל עבור DC microgrid
החשיבות והאתגרים של ניהול כוח:רשתות DC מספקות בחירה מתאימה לאספקת אנרגיה באזורים מרוחקים, ולכן שיטות ניהול האנרגיה שלהן משכו תשומת לב רבה. ניהול החשמל של Microgrid מתמודד עם אתגרים רבים, כגון תנודתיות של הספק פלט של מערכת פוטו-וולטאית עם שינויים בקרינה. גורמים אלה צריכים להילקח בחשבון בעת תכנון מערכות ניהול חשמל כדי להבטיח אספקת אנרגיה אמינה ואיכותית. במיקרו-רשת שאינה תלויה ברשת החשמל, יש צורך גם לתאם את פעולתן של מערכות פוטו-וולטאיות, מערכות אחסון אנרגית סוללות (BESS) ויחידות אחרות כדי להשיג איזון כוח.
דוגמה למערכות ואלגוריתמים שונים לניהול צריכת חשמל:מערכת ניהול אנרגית סוללות (BEMS) עבור רשתות מיקרו, עם גנרטורים פוטו-וולטאיים ודיזל כמקורות הכוח העיקריים, יכולה להפחית את זמן העבודה של גנרטורים דיזל, להפחית את תנודות ההספק הפוטו-וולטאיים, לנהל סוגים שונים של סוללות עם מאפיינים שונים ולהאריך את חיי הסוללה. אלגוריתם ניהול צריכת חשמל המשמש לאיזון העוצמה של מערכות פוטו וולטאיות ומערכות BESS, תוך התחשבות באילוצי מצב הטעינה (SoC) של מערכת BESS. במהלך פריקת הסוללה, ממיר דו-כיווני מכוון את מתח אוטובוס ה-DC, ובמקרים מסוימים, הממיר האלקטרוני הכוח צריך לסייע למערכת לפעול במצב מעקב נקודות כוח מקסימלי (MPPT) (ראה איור 17 עבור מצב פעולת המערכת שלו). הוצעו מערכת ניהול אנרגיה דינמית חכמה עבור רשתות מיקרו, שיטת ניהול חשמל עבור מערכות פוטו-וולטאיות/סוללות היברידיות, ואסטרטגיית ניהול הספק (PMS) לשליטה בזרימת החשמל של רשתות DC. המאמר מציג גם מצבי פעולה שונים של מערכת ניהול החשמל של DC microgrid (ראה איור 16), כולל מצב הספק מוגבל (LPM) ומצב MPPT של המערכת הפוטו-וולטאית, שנקבעים על ידי ה-SoC של הסוללה (כפי שמודגם בתרשים הזרימה ב- איור 17).
איור 16. תרשים זרימה של אסטרטגיית ניהול הספק.
איור 17. אלגוריתם ניהול צריכת חשמל עבור סוללת מיקרו-רשת (A) ו-(B) רכיבים פוטו-וולטאיים
6. פיתוח חומרה ואימות סימולציה של DC microgrid
יישום החומרה בסימולציית הלולאה:חיבור מערכות פיזיות עם סביבות סימולציה הוא נושא חדש. במחקר microgrid נדרשת השוואת חומרה כדי לאמת את תוצאות הסימולציה של שיטות בקרה ומבני טופולוגיה שונים. באמצעות סימולציית חומרה בלולאה (HIL), נעשה שימוש בממיר DC-DC לחיבור המיקרוגריד לתא הדלק, והשגת תקשורת דו כיוונית בין סביבת הסימולציה למערכת תאי הדלק הפיזיים. הדמיית HIL מורכבת מממיר DC-DC ומיקרו-רשת (ראה איור 18).
איור 18. הדמיית חומרה נערכה על ממיר DC/DC ומיקרו-רשת.
דוגמה להתקני הטמעת חומרה עבור ממירי DC-DC:טבלה 1 במאמר אוספת מספר מכשירים שהתקבלו מספרות מדעית ליישום חלק החומרה של ממירי DC-DC. התקנים אלה מספקים התייחסות לפיתוח החומרה של ממירי DC-DC ב-micgrids ומסייעים בהמשך המחקר והתרגול של טכנולוגיית DC microgrid.
טבלה 1. התקנים המשמשים ליישום חלק החומרה של ממירי DC-DC.
7. מחקר סימולציה על מערכת מיקרוגריד DC
הרכב מערכת סימולציה והגדרות פרמטרים:תוכנת MATLAB משמשת להדמיית מערכת מיקרוגריד DC, הכוללת מערכת פוטו-וולטאית, טורבינת רוח עם מחולל סינכרוני מגנט קבוע (PMSG), סוללה, ממיר דו-כיווני DC-DC לוויסות מתח ומעקב אחר נקודת חשמל (MPPT) ) מערכת לטורבינות רוח ופאנלים סולאריים. המבנה מוצג באיור 19. המערכת הפוטו-וולטאית מורכבת מ-22 פאנלים סולאריים המחוברים בסדרה, עם מתח וזרם חשמלי מרבי של 30.3V ו-7.10A לכל פאנל. פלט ה-DC Microgrid משתמש בעומסים התנגדות, והמערכת ומפרטי הרכיבים שלה מפורטים בטבלה 2.
איור 19. דיאגרמת בלוקים של המיקרוגריד של DC שנחקר.
טבלה 2. פרמטרים המשמשים בהדמיית DC microgrid.
תצוגה וניתוח של תוצאות סימולציה:המערכת בוצעה הדמיה באמצעות MATLAB/Simulink סביבת, וסופקה דיאגרמה סכמטית של המיקרו-רשת DC הכוללת (ראה איור 20). הוצגו עקומות התפוקה של פוטו-וולטאיות, סוללות וטורבינת רוח (ראה איור 21), כמו גם עקומות הספק התפוקה של טורבינת רוח במהירויות רוח שונות (מיוצגות על ידי ערכי יחידה) (ראה איור 22), עקומות המתח של טורבינת הרוח. סוללה באזורים המדורגים והפריקה (ראה איור 23), ואת עקומות המתח והזרם של עומס הפלט של המערכת (ראה איור 24). בסימולציה, מערכת טורבינות הרוח פועלת במהירות קבועה של 12m/s, עם ייצור חשמל של 8kW במהירות רוח מדורגת, ולמערכת הפוטו-וולטאית הספק נקוב של 4.6kW. הממיר הדו-כיווני המשמש בחלק הסוללות יכול להשיג פונקציות טעינה ופריקה. ניתן להשתמש בתוצאות סימולציה אלה כדי לנתח ולהעריך את הביצועים התפעוליים של מערכת המיקרוגריד DC.
איור 20. מודל סימולציה של DC microgrid באמצעות MATLAB/קישור הדמיה.
איור 21. תוצאות הסימולציה מראות כי (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) מומנט טורבינת רוח Te, Tm, (E) מהירות רוח, (F) מתח אוטובוס DC ו-(G) מצב הטעינה (SOC) של הסוללה הנטענת.
איור 22. תוצאות סימולציה מציגות את הספק התפוקה של הטורבינה (pu) במהירויות טורבינה שונות (pu).
איור 23. תוצאות הסימולציה מצביעות על כך שמתח הסוללה יכול לפעול כרגיל במצב פריקה.
איור 24. תוצאות הסימולציה מראות שמתח עומס הפלט (A) של המיקרוגריד DC וזרם עומס הפלט (B) של המיקרוגריד DC.
8. סיכום
מאמר זה בוחן באופן מקיף את הטופולוגיה, שיטות הבקרה ואסטרטגיות מערכת ניהול הספק השונות של ממירי DC-DC במיקרו-רשתות DC, תוך לימוד החומרה המשמשת בממירי DC-DC במיקרו-רשתות.
מאפיינים ודרישות של רשתות מיקרו:המורכבות של רשתות מיקרו קובעת את הצורך שלהם באוטומציה דיגיטלית וניהול חכם כדי להפוך לחלופה מתאימה ואמינה לרשתות מסורתיות. התקדמות טכנולוגית מאפשרת ניהול אנרגיה אוטומטי לטיפול במספר רכיבים ותנאים משתנים, תוך אופטימיזציה של אמינות ועלות. ניצול יעיל של מערכות אחסון אנרגיה כגון סוללות במיקרו-רשתות יכול להבטיח אספקה רציפה של אנרגיה נדרשת, והשימוש באנרגיה מתחדשת לאספקת חשמל לאזורים מועיל לאיכות הסביבה ויש לו משמעות כלכלית עולמית.
נקודות מפתח הקשורות לממירי DC-DC:במיקרו-רשת DC עצמאית, ממירי DC-DC יכולים להשיג רמות שונות של עלייה וירידת מתח. לממירים לא מבודדים יש פחות אובדן והם מתאימים יותר מממירים מבודדים. קיימות אסטרטגיות שונות לשליטה בממירים במיקרו-רשתות, וטכנולוגיית בקרה ליניארית אינה יכולה להבטיח פעולת מערכת יציבה. אומצו שיטות מתקדמות כגון בקרת חיזוי מודל (MPC), בקרת מצב הזזה (SMC) ובקרה מטושטשת.
מסקנה של השוואת שיטות בקרה:במאמר בוצעו ניתוח והשוואה מקיפה של שיטות בקרה. לשיטות בקרה חכמות מתקדמות יש חוסן נגד אי יציבות עכבה. בממירי DC-DC של DC microgrids, לבקרים חכמים יש ביצועים מהירים ומדויקים בהשוואה לאלגוריתמי בקרה אחרים.