Tóm tắt
Hệ thống quang điện quy mô lớn là một thành phần quan trọng của năng lượng tái tạo phân tán trong nhiều lưới điện địa phương. Quản lý các lưới điện siêu nhỏ này, đặc biệt là cách chúng tương tác với lưới điện chính, không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Điều này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác các nguồn tài nguyên tái tạo đó. Bài viết này tóm tắt các loại bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng trong lưới điện siêu nhỏ và đề xuất phương pháp phân loại mới. Bài viết này giới thiệu công nghệ điều khiển của bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC và thảo luận về ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều khiển này.
Với tỷ lệ năng lượng tái tạo phân tán trong hệ thống điện ngày càng tăng, việc quản lý nguồn điện này đã trở thành một vấn đề lớn. Bài viết này giới thiệu các phương pháp quản lý năng lượng khác nhau. Cuối cùng, một hệ thống lưới điện siêu nhỏ DC bao gồm năng lượng mặt trời, tua bin gió và pin đã được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink và hiệu suất của nó đã được phân tích.
Nói một cách đơn giản, bài viết này nói về cách kiểm soát và quản lý tốt hơn các lưới điện siêu nhỏ sử dụng năng lượng tái tạo, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng một hệ thống như vậy để xem hiệu quả của nó như thế nào.
1. Giới thiệu
Lưới điện siêu nhỏ có thể giảm tổn thất truyền tải và giải quyết các cuộc khủng hoảng năng lượng, bao gồm các công nghệ như quang điện và tua-bin siêu nhỏ, đòi hỏi bộ chuyển đổi điện tử công suất để kết nối với lưới điện. Lưới điện siêu nhỏ DC dựa trên năng lượng tái tạo bao gồm các thanh cái DC, tấm quang điện, tua bin gió, bộ chuyển đổi điện tử công suất, hệ thống lưu trữ năng lượng lai và tải DC. Nó có ưu điểm là có nhiều cấp điện áp và hiệu suất cao, đồng thời hệ thống DC hấp dẫn về nguồn năng lượng, quản lý điều khiển và thích ứng tải. Tuy nhiên, lưới điện siêu nhỏ DC phải đối mặt với những thách thức như tải điện không đổi và tải điện xung, đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến để cải thiện việc truyền năng lượng, đảm bảo cung cấp điện và đạt được vận hành kinh tế.
Hình 1. Các phân loại khác nhau của lưới điện siêu nhỏ.
Hình 2. Lưới điện siêu nhỏ DC chung.
Hình 3. Lưới điện siêu nhỏ AC điển hình.
Hình 4. Lưới điện siêu nhỏ lai.
Hình 5. Tỷ lệ phần trăm bài báo được xuất bản hàng năm trên lưới điện siêu nhỏ DC trong thập kỷ qua.
Cấu trúc và bố cục nội dung của bài viết này:Bài viết này sẽ đề xuất một cách phân loại mới bằng cách nghiên cứu toàn diện cấu trúc liên kết và các phương pháp điều khiển của bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC. Nội dung sau đây bao gồm: thảo luận về mô tả lưới điện siêu nhỏ DC ở Phần 2; Phần 3 trình bày chi tiết về các loại cấu trúc bộ chuyển đổi có sẵn trong lưới điện siêu nhỏ; Phần 4 cung cấp thông tin tổng quan về các phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC; Phần 5 giới thiệu các phương pháp quản lý nguồn điện cho lưới điện siêu nhỏ DC; Phần 6 trình bày sự phát triển phần cứng trong lĩnh vực bộ chuyển đổi DC-DC cho các ứng dụng lưới điện siêu nhỏ; Phần 7 trình bày mô phỏng và phân tích các lưới điện siêu nhỏ DC điển hình; Phần 8 trình bày kết luận.
2. Các đặc điểm liên quan đến lưới điện siêu nhỏ DC
Ưu điểm và kịch bản ứng dụng của lưới điện siêu nhỏ DC:Với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, lưới điện siêu nhỏ DC đã thu hút được sự chú ý nhờ độ tin cậy và hiệu quả cao. Lưới điện siêu nhỏ DC được ưa chuộng hơn trong các ứng dụng dân dụng, trạm sạc xe điện, trung tâm dữ liệu và các lĩnh vực khác. Trong khi đó, nhu cầu về tải điện một chiều ngày càng tăng đã khiến cho việc nghiên cứu phát điện dựa trên nguồn điện một chiều trở nên khá hấp dẫn.
Chế độ hoạt động của lưới điện siêu nhỏ DC:Lưới điện siêu nhỏ DC có hai chế độ hoạt động: kết nối lưới và độc lập. Khi được kết nối với lưới, lưới điện siêu nhỏ được kết nối với bus DC để bổ sung nguồn điện; Khi hoạt động độc lập không cần phải đồng bộ với lưới điện chính. Ở cả hai chế độ, nhiều nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng khác nhau bao gồm pin và siêu tụ điện đều được kết nối với lưới điện siêu nhỏ.
Vai trò của hệ thống lưu trữ năng lượng trong lưới điện siêu nhỏ DC:pin có mật độ năng lượng cao và bộ điều khiển của chúng được sử dụng để tạo ra hoặc hấp thụ năng lượng ở trạng thái ổn định; Các siêu tụ điện có mật độ năng lượng cao và bộ điều khiển của chúng được sử dụng để tạo ra hoặc hấp thụ năng lượng nhất thời. Cả hai làm việc cùng nhau trong lưới điện siêu nhỏ để duy trì cân bằng điện năng và hoạt động ổn định.
Nghiên cứu kết nối và điều khiển lưới điện siêu nhỏ DC:Mạng phân phối và hệ thống lưu trữ năng lượng được kết nối với nhau thông qua các bộ chuyển đổi điện tử công suất sử dụng liên kết DC. Đã có những nghiên cứu liên quan về các vấn đề và giải pháp bảo vệ của lưới điện siêu nhỏ DC. Ngoài ra, bài viết còn cung cấp cái nhìn tổng quan ngắn gọn về điều khiển cục bộ trong lưới điện siêu nhỏ DC và trình bày kiến trúc tổng thể của lưới điện siêu nhỏ DC với các bộ lưu trữ năng lượng.
3. Cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC
Phân loại và cấu trúc liên kết phổ biến của bộ chuyển đổi DC-DC:Bộ chuyển đổi DC-DC có thể được chia thành loại không cách ly và loại cách ly. Trong lưới điện siêu nhỏ DC, các bộ chuyển đổi tăng áp, tăng cường và giảm áp được sử dụng rộng rãi, mỗi bộ có cấu trúc liên kết riêng (như trong Hình 6), để đáp ứng các yêu cầu chuyển đổi điện áp khác nhau. Bộ chuyển đổi DC-DC cách ly hai chiều thường được sử dụng trong các hệ thống DC, trong đó bộ chuyển đổi DC-DC cầu hoạt động kép (DAB) là lựa chọn phù hợp do chúng hỗ trợ dòng điện hai chiều và mật độ công suất cao (xem Hình 7 để biết sơ đồ nguyên lý của nó) và cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp (SRC) cũng đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu.
Hình 6. Cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC, (A) boost, (B) boost, (C) Buck boost.
Hình 7. Sơ đồ bộ chuyển đổi DAB.
Sự phát triển và ứng dụng của bộ chuyển đổi DC-DC đa cổng:Để giải quyết các vấn đề về chi phí cao và tổn thất hệ thống do sử dụng bộ chuyển đổi, bộ chuyển đổi DC-DC nhiều cổng đã ra đời. Nó thường được sử dụng để kết nối nhiều mạng DC trong lưới điện siêu nhỏ, chẳng hạn như các cấu trúc liên kết khác nhau được đề cập trong bài viết (Hình 8), có thể kết nối linh hoạt các tải DC và nguồn điện khác nhau cũng như điều khiển các liên kết DC; Ngoài ra còn có các cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi ba cổng hai giai đoạn riêng biệt, v.v. Những bộ chuyển đổi nhiều cổng này phù hợp để tích hợp nhiều nguồn năng lượng (bao gồm cả bộ lưu trữ năng lượng) và có tỷ số điện áp cao hơn bộ chuyển đổi tăng cường Buck. Chúng có nhiều ứng dụng khác nhau trong lưới điện siêu nhỏ DC, chẳng hạn như điều chỉnh điện áp siêu tụ điện, quản lý nguồn điện giữa pin và siêu tụ điện, sạc pin, triển khai tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng lai và cân bằng dòng điện giữa các nguồn năng lượng tái tạo. Các bộ chuyển đổi được sử dụng trong lưới điện siêu nhỏ DC thường được chia thành hai loại: cách ly và không cách ly (xem Hình 9 để phân loại).
Hình 8. Sơ đồ của bộ chuyển đổi nhiều cổng.
Hình 9. Phân loại cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng trong lưới điện siêu nhỏ DC.
4. Phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC
Tầm quan trọng và phân loại chung của các phương pháp kiểm soát:Việc kiểm soát lưới điện siêu nhỏ DC là một trong những vấn đề chính được các nhà nghiên cứu quan tâm. Các phương pháp điều khiển tổng thể có thể được chia thành điều khiển tập trung và điều khiển phân tán. Điều khiển tập trung phù hợp với các lưới điện siêu nhỏ cục bộ với khả năng thu thập dữ liệu hạn chế (xem Hình 10 để biết sơ đồ điều khiển), trong khi điều khiển phân tán không yêu cầu bộ điều khiển trung tâm (xem Hình 11).
Hình 10. Sơ đồ khối điều khiển tập trung.
Hình 11. Sơ đồ khối điều khiển phân tán.
Các loại và đặc điểm của công nghệ điều khiển phi tuyến:Công nghệ điều khiển phi tuyến bao gồm điều khiển dự đoán mô hình (MPC), điều khiển chế độ trượt (SMC), điều khiển thích ứng và điều khiển thông minh. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào hiệu suất của MPC trong điều khiển bộ chuyển đổi hai chiều của hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) và cân bằng năng lượng của lưới điện siêu nhỏ. Trong MPC, chế độ chuyển mạch tối ưu của bộ chuyển đổi được xác định bởi hàm chi phí để đạt được hiệu suất tốt hơn (xem Hình 12 để biết sơ đồ điều khiển của nó); Trong điều khiển SMC, đầu vào điều khiển được tạo ra tác động trực tiếp lên công tắc bộ chuyển đổi điện tử công suất, với phản hồi nhanh (xem Hình 13); Điều khiển thích ứng phù hợp với các tình huống trong đó tải và nguồn đầu vào của bộ chuyển đổi DC-DC khác nhau và có thể cải thiện độ tin cậy của phương pháp điều khiển (xem Hình 14). Ngoài ra, một phương pháp điều khiển mới để quản lý năng lượng lưới điện siêu nhỏ dựa trên hệ thống quang điện đã được đề xuất, sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC) để điều khiển công suất của từng biến tần (xem Hình 15).
Hình 12. Sơ đồ khối bộ điều khiển MPC.
Hình 13. Sơ đồ khối bộ điều khiển SMC.
Hình 14. Sơ đồ khối điều khiển thích ứng.
Hình 15. Phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi trong lưới điện siêu nhỏ DC.
5. Chiến lược quản lý nguồn điện cho lưới điện siêu nhỏ DC
Tầm quan trọng và thách thức của quản lý năng lượng:Lưới điện siêu nhỏ DC cung cấp sự lựa chọn phù hợp để cung cấp năng lượng ở vùng sâu vùng xa, do đó phương pháp quản lý năng lượng của chúng đã thu hút nhiều sự chú ý. Quản lý năng lượng của lưới điện siêu nhỏ phải đối mặt với nhiều thách thức, chẳng hạn như sự biến động của công suất đầu ra của hệ thống quang điện với những thay đổi về bức xạ. Những yếu tố này cần được xem xét khi thiết kế hệ thống quản lý năng lượng để đảm bảo cung cấp năng lượng chất lượng cao và đáng tin cậy. Trong một lưới điện siêu nhỏ độc lập với lưới điện, cũng cần phối hợp vận hành các hệ thống quang điện, hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) và các bộ phận khác để đạt được cân bằng điện năng.
Ví dụ về các hệ thống và thuật toán quản lý năng lượng khác nhau:Hệ thống quản lý năng lượng pin (BEMS) cho lưới điện siêu nhỏ, với máy phát điện quang điện và máy phát điện diesel làm nguồn điện chính, có thể giảm thời gian làm việc của máy phát điện diesel, giảm biến động năng lượng quang điện, quản lý nhiều loại pin có đặc điểm khác nhau và kéo dài tuổi thọ pin. Một thuật toán quản lý năng lượng được sử dụng để cân bằng năng lượng của hệ thống quang điện và BESS, đồng thời xem xét các ràng buộc Trạng thái sạc (SoC) của hệ thống BESS. Trong quá trình xả pin, bộ chuyển đổi hai chiều sẽ điều chỉnh điện áp bus DC và trong một số trường hợp, bộ chuyển đổi điện tử công suất cần hỗ trợ hệ thống vận hành ở chế độ Theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) (xem Hình 17 để biết chế độ vận hành hệ thống của nó). Một hệ thống quản lý năng lượng động thông minh cho lưới điện siêu nhỏ, phương pháp quản lý năng lượng cho hệ thống quang điện/pin lai và chiến lược quản lý năng lượng (PMS) để kiểm soát dòng điện của lưới điện siêu nhỏ DC đã được đề xuất. Bài viết cũng trình bày các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống quản lý nguồn điện microgrid DC (xem Hình 16), bao gồm chế độ năng lượng giới hạn (LPM) và chế độ MPPT của hệ thống quang điện, được xác định bởi SoC pin (như minh họa trong sơ đồ trong Hình 17).
Hình 16. Sơ đồ chiến lược quản lý năng lượng.
Hình 17. Thuật toán quản lý năng lượng cho pin lưới điện siêu nhỏ (A) và (B) các thành phần quang điện
6. Phát triển phần cứng và xác minh mô phỏng của lưới điện siêu nhỏ DC
Ứng dụng phần cứng trong mô phỏng vòng lặp:Kết nối hệ thống vật lý với môi trường mô phỏng là một chủ đề mới. Trong nghiên cứu lưới điện siêu nhỏ, cần phải so sánh phần cứng để xác minh kết quả mô phỏng của các phương pháp điều khiển và cấu trúc cấu trúc liên kết khác nhau. Thông qua mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL), bộ chuyển đổi DC-DC đã được sử dụng để kết nối lưới điện siêu nhỏ với pin nhiên liệu, đạt được khả năng giao tiếp hai chiều giữa môi trường mô phỏng và hệ thống pin nhiên liệu vật lý. Mô phỏng HIL bao gồm bộ chuyển đổi DC-DC và lưới điện siêu nhỏ (xem Hình 18).
Hình 18. Mô phỏng phần cứng được thực hiện trên bộ chuyển đổi DC/DC và lưới điện siêu nhỏ.
Ví dụ về thiết bị triển khai phần cứng cho bộ chuyển đổi DC-DC:Bảng 1 trong bài viết tổng hợp một số thiết bị lấy từ tài liệu khoa học để triển khai phần cứng của bộ chuyển đổi DC-DC. Các thiết bị này cung cấp tài liệu tham khảo cho việc phát triển phần cứng của bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ, đồng thời giúp nghiên cứu và thực hành sâu hơn về công nghệ lưới điện siêu nhỏ DC.
Bảng 1. Các thiết bị dùng để thực hiện phần cứng của bộ chuyển đổi DC-DC.
7. Nghiên cứu mô phỏng hệ thống lưới điện siêu nhỏ DC
Thành phần hệ thống mô phỏng và cài đặt tham số:Phần mềm MATLAB được sử dụng để mô phỏng hệ thống lưới điện siêu nhỏ DC, bao gồm hệ thống quang điện, tuabin gió với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), pin, bộ chuyển đổi hai chiều DC-DC để điều chỉnh điện áp và theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT). ) hệ thống tua-bin gió và các tấm pin mặt trời. Cấu trúc được thể hiện trong Hình 19. Hệ thống quang điện bao gồm 22 tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp, với điểm điện áp và dòng điện tối đa là 30,3V và 7,10A cho mỗi tấm. Đầu ra lưới điện siêu nhỏ DC sử dụng tải điện trở, hệ thống cũng như các thông số kỹ thuật thành phần của nó được liệt kê trong Bảng 2.
Hình 19. Sơ đồ khối của lưới điện siêu nhỏ DC được nghiên cứu.
Bảng 2. Các thông số được sử dụng trong mô phỏng lưới điện siêu nhỏ DC.
Hiển thị và phân tích kết quả mô phỏng:Hệ thống này được mô phỏng bằng môi trường MATLAB/Simulink và cung cấp sơ đồ nguyên lý của lưới điện siêu nhỏ DC tổng thể (xem Hình 20). Các đường cong đầu ra của quang điện, pin và tuabin gió được thể hiện (xem Hình 21), cũng như các đường cong công suất đầu ra của tuabin gió ở các tốc độ gió khác nhau (được biểu thị bằng các giá trị đơn vị) (xem Hình 22), đường cong điện áp của pin trong khu vực định mức và phóng điện (xem Hình 23), cũng như đường cong điện áp và dòng điện của tải đầu ra hệ thống (xem Hình 24). Trong mô phỏng, hệ thống tuabin gió hoạt động với tốc độ không đổi 12m/s, công suất phát điện là 8kW ở tốc độ gió định mức và hệ thống quang điện có công suất định mức là 4,6kW. Bộ chuyển đổi hai chiều được sử dụng trong phần pin có thể đạt được chức năng sạc và xả. Những kết quả mô phỏng này có thể được sử dụng để phân tích và đánh giá hiệu suất vận hành của hệ thống lưới điện siêu nhỏ DC.
Hình 20. Mô hình mô phỏng lưới điện siêu nhỏ DC sử dụng MATLAB/liên kết mô phỏng.
Hình 21. Kết quả mô phỏng cho thấy (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) mô-men xoắn tua bin gió Te, Tm, (E) tốc độ gió, (F) điện áp DC bus và (G) trạng thái sạc (SOC) của pin sạc.
Hình 22. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất đầu ra của tuabin (pu) ở các tốc độ tuabin khác nhau (pu).
Hình 23. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp ắc quy có thể hoạt động bình thường ở chế độ phóng điện.
Hình 24. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp tải đầu ra (A) của lưới điện siêu nhỏ DC và dòng điện tải đầu ra (B) của lưới điện siêu nhỏ DC.
8. Tóm tắt
Bài viết này khám phá một cách toàn diện cấu trúc liên kết, phương pháp điều khiển và các chiến lược hệ thống quản lý nguồn khác nhau của bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ DC, đồng thời nghiên cứu phần cứng được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC trong lưới điện siêu nhỏ.
Đặc điểm và yêu cầu của microgrids:Sự phức tạp của lưới điện siêu nhỏ quyết định nhu cầu tự động hóa kỹ thuật số và quản lý thông minh để trở thành giải pháp thay thế phù hợp và đáng tin cậy cho lưới điện truyền thống. Những tiến bộ công nghệ cho phép quản lý năng lượng tự động để xử lý nhiều thành phần và các điều kiện khác nhau, tối ưu hóa độ tin cậy và chi phí. Việc sử dụng hiệu quả các hệ thống lưu trữ năng lượng như pin trong lưới điện siêu nhỏ có thể đảm bảo cung cấp năng lượng cần thiết không bị gián đoạn và việc sử dụng năng lượng tái tạo để cung cấp điện cho các khu vực có lợi cho môi trường và có ý nghĩa kinh tế toàn cầu.
Những điểm chính liên quan đến bộ chuyển đổi DC-DC:Trong một lưới điện siêu nhỏ DC độc lập, bộ chuyển đổi DC-DC có thể đạt được các mức tăng giảm điện áp khác nhau. Bộ chuyển đổi không cách ly có ít tổn thất hơn và phù hợp hơn bộ chuyển đổi cách ly. Có nhiều chiến lược khác nhau để điều khiển bộ chuyển đổi trong lưới điện siêu nhỏ và công nghệ điều khiển tuyến tính không thể đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Các phương pháp tiên tiến như điều khiển dự đoán mô hình (MPC), điều khiển chế độ trượt (SMC) và điều khiển mờ đã được áp dụng.
Kết luận so sánh phương pháp điều khiển:Một phân tích toàn diện và so sánh các phương pháp kiểm soát đã được thực hiện trong bài viết. Các phương pháp điều khiển thông minh tiên tiến có độ bền cao chống lại sự mất ổn định trở kháng. Trong bộ chuyển đổi DC-DC của lưới điện siêu nhỏ DC, bộ điều khiển thông minh có hiệu suất nhanh và chính xác so với các thuật toán điều khiển khác.