خلاصة
تعد الأنظمة الكهروضوئية واسعة النطاق مكونًا مهمًا للطاقة المتجددة الموزعة في العديد من شبكات الطاقة المحلية. إن إدارة هذه الشبكات الصغيرة، وخاصة كيفية تفاعلها مع الشبكة الرئيسية، ليست مهمة سهلة. وهذا يتطلب مراقبة دقيقة لتلك الموارد المتجددة. تلخص هذه المقالة أنواع محولات DC-DC المستخدمة في الشبكات الصغيرة وتقترح طريقة تصنيف جديدة. تقدم هذه المقالة تقنية التحكم لمحولات DC-DC في شبكات التيار المستمر الصغيرة وتناقش مزايا وعيوب طرق التحكم هذه.
ومع تزايد نسبة الطاقة المتجددة الموزعة في نظام الطاقة، أصبحت إدارة هذه الكهرباء قضية رئيسية. تقدم هذه المقالة طرقًا مختلفة لإدارة الطاقة. وأخيرًا، تمت محاكاة نظام شبكة صغيرة تعمل بالتيار المستمر، بما في ذلك الطاقة الشمسية وتوربينات الرياح والبطاريات باستخدام برنامج MATLAB/Simulink، وتم تحليل أدائها.
ببساطة، تتناول هذه المقالة كيفية التحكم بشكل أفضل في الشبكات الصغيرة التي تستخدم الطاقة المتجددة وإدارتها، وتستخدم أيضًا برامج لمحاكاة مثل هذا النظام لمعرفة مدى فعاليته.
1. مقدمة
يمكن للشبكات الصغيرة أن تقلل من خسائر النقل ومعالجة أزمات الطاقة، بما في ذلك تقنيات مثل الخلايا الكهروضوئية والتوربينات الصغيرة، والتي تتطلب محولات إلكترونية للطاقة للاتصال بالشبكة. تتكون شبكة التيار المستمر الصغيرة القائمة على الطاقة المتجددة من قضبان توصيل التيار المستمر، والألواح الكهروضوئية، وتوربينات الرياح، ومحولات الطاقة الإلكترونية، وأنظمة تخزين الطاقة الهجينة، وأحمال التيار المستمر. إنه يتمتع بمزايا مستويات الجهد المتعددة والكفاءة العالية، ونظام التيار المستمر جذاب من حيث مصادر الطاقة، وإدارة التحكم، وتكيف الحمل. ومع ذلك، تواجه شبكات التيار المستمر الصغيرة تحديات مثل أحمال الطاقة الثابتة وأحمال طاقة النبض، مما يتطلب طرق تحكم متقدمة لتحسين نقل الطاقة، وضمان إمدادات الطاقة، وتحقيق التشغيل الاقتصادي.
الشكل 1. تصنيفات مختلفة من microgrids.
الشكل 2. الشبكة الصغيرة العامة DC.
الشكل 3. شبكة صغيرة AC نموذجية.
الشكل 4. الشبكة الصغيرة الهجينة.
الشكل 5. النسبة المئوية السنوية للأبحاث المنشورة على شبكات التيار المستمر الصغيرة خلال العقد الماضي.
هيكل وترتيب محتوى هذه المقالة:ستقترح هذه المقالة تصنيفًا جديدًا من خلال الدراسة الشاملة للطوبولوجيا وطرق التحكم لمحولات DC-DC في شبكات التيار المستمر الصغيرة. يتضمن المحتوى التالي: مناقشة وصف شبكات التيار المستمر الصغيرة في القسم 2؛ ويتناول القسم 3 أنواع هياكل المحولات المتاحة في الشبكات الصغيرة؛ يقدم القسم 4 نظرة عامة على طرق التحكم لمحولات DC-DC في شبكات التيار المستمر الصغيرة؛ يقدم القسم 5 طرق إدارة الطاقة لشبكات التيار المستمر الصغيرة؛ يعرض القسم 6 تطوير الأجهزة في مجال محولات DC-DC لتطبيقات الشبكات الصغيرة؛ يعرض القسم 7 محاكاة وتحليل شبكات التيار المستمر الصغيرة النموذجية؛ ويعرض القسم 8 الاستنتاج.
2. الخصائص المتعلقة بشبكات التيار المستمر الصغيرة
مزايا وسيناريوهات تطبيق شبكات التيار المستمر الصغيرة:مع تطور تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، جذبت شبكات التيار المستمر الصغيرة الاهتمام نظرًا لموثوقيتها وكفاءتها العالية. تُفضل شبكات التيار المستمر الصغيرة بشكل أكبر في التطبيقات السكنية ومحطات شحن السيارات الكهربائية ومراكز البيانات وغيرها من المجالات. وفي الوقت نفسه، فإن الطلب المتزايد على الأحمال الكهربائية التي تعمل بالتيار المستمر جعل الأبحاث حول توليد الطاقة استنادًا إلى مصادر طاقة التيار المستمر جذابة للغاية.
وضع التشغيل للشبكة الصغيرة DC:تحتوي شبكة DC الصغيرة على وضعين للتشغيل: متصل بالشبكة ومستقل. عند توصيلها بالشبكة، يتم توصيل الشبكة الصغيرة بحافلة DC لتكملة الطاقة؛ عند التشغيل بشكل مستقل، ليست هناك حاجة للمزامنة مع شبكة الطاقة الرئيسية. في كلا الوضعين، يتم توصيل مصادر الطاقة المتجددة المختلفة وأنظمة تخزين الطاقة بما في ذلك البطاريات والمكثفات الفائقة بالشبكة الصغيرة.
دور أنظمة تخزين الطاقة في شبكات التيار المستمر الصغيرة:تتمتع البطاريات بكثافة طاقة عالية، ويتم استخدام وحدات التحكم الخاصة بها لتوليد أو امتصاص طاقة الحالة المستقرة؛ تتميز المكثفات الفائقة بكثافة طاقة عالية، ويتم استخدام وحدات التحكم الخاصة بها لتوليد أو امتصاص الطاقة العابرة. يعمل الاثنان معًا في شبكات صغيرة للحفاظ على توازن الطاقة والتشغيل المستقر.
بحث حول الاتصال والتحكم في شبكات DC الصغيرة:ترتبط شبكة التوزيع ونظام تخزين الطاقة ببعضهما البعض من خلال محولات الطاقة الإلكترونية باستخدام وصلات التيار المباشر. كانت هناك دراسات ذات صلة حول قضايا الحماية وحلول شبكات التيار المستمر الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، يقدم المقال نظرة عامة موجزة عن التحكم المحلي في شبكات التيار المستمر الصغيرة ويعرض البنية الشاملة لشبكات التيار المستمر الصغيرة المزودة بوحدات تخزين الطاقة.
3. طوبولوجيا محولات DC-DC في شبكات التيار المستمر الصغيرة
التصنيف والطوبولوجيات الشائعة لمحولات DC-DC:يمكن تقسيم محولات DC-DC إلى أنواع غير معزولة ومعزولة. في شبكات التيار المستمر الصغيرة، يتم استخدام محولات التعزيز، والتعزيز، والباك على نطاق واسع، ولكل منها طوبولوجيا فريدة خاصة بها (كما هو موضح في الشكل 6)، لتلبية متطلبات تحويل الجهد المختلفة. تُستخدم محولات DC-DC المعزولة ثنائية الاتجاه بشكل شائع في أنظمة التيار المستمر، ومن بينها محولات DC-DC ذات الجسر النشط المزدوج (DAB) التي تعد خيارًا مناسبًا نظرًا لدعمها لتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه وكثافة الطاقة العالية (انظر الشكل 7 للتعرف على الرسم التخطيطي الخاص بها) ، وقد جذبت طوبولوجيا محولات الرنين التسلسلية (SRC) أيضًا انتباه العديد من الباحثين.
الشكل 6. طوبولوجيا محول DC-DC، (أ) التعزيز، (ب) التعزيز، (ج) التعزيز.
الشكل 7. رسم تخطيطي لمحول DAB.
تطوير وتطبيق محولات DC-DC متعددة المنافذ:من أجل حل مشاكل التكلفة العالية وفقدان النظام الناجم عن استخدام المحولات، ظهرت محولات DC-DC متعددة المنافذ. يتم استخدامه بشكل شائع لتوصيل شبكات DC المتعددة في شبكات صغيرة، مثل الهياكل المختلفة المذكورة في المقالة (الشكل 8)، والتي يمكنها توصيل أحمال DC المختلفة ومصادر الطاقة بمرونة والتحكم في روابط DC؛ هناك أيضًا طبولوجيا محولات معزولة ذات مرحلتين وثلاثة منافذ، وما إلى ذلك. هذه المحولات متعددة المنافذ مناسبة لدمج مصادر طاقة متعددة (بما في ذلك تخزين الطاقة) ولها نسب جهد أعلى من محولات تعزيز باك. لديهم تطبيقات مختلفة في شبكات التيار المستمر الصغيرة، مثل تنظيم جهد المكثفات الفائقة، وإدارة الطاقة بين البطاريات والمكثفات الفائقة، وشحن البطاريات، وتنفيذ تكامل نظام تخزين الطاقة الهجين، وموازنة تدفق الطاقة بين مصادر الطاقة المتجددة. تنقسم المحولات المستخدمة في شبكات التيار المستمر الصغيرة عمومًا إلى فئتين: معزولة وغير معزولة (انظر الشكل 9 للتصنيف).
الشكل 8. رسم تخطيطي لمحول متعدد المنافذ.
الشكل 9. تصنيف طبولوجيا محول DC-DC المستخدمة في شبكات التيار المستمر الصغيرة.
4. طريقة التحكم في محول DC-DC في شبكة DC الصغيرة
الأهمية والتصنيف العام لطرق المراقبة:تعد السيطرة على شبكات التيار المستمر الصغيرة واحدة من القضايا الرئيسية التي تهم الباحثين. يمكن تقسيم طرق التحكم الشاملة إلى تحكم مركزي وتحكم موزع. يعد التحكم المركزي مناسبًا للشبكات الصغيرة المحلية الصغيرة ذات جمع البيانات المحدود (انظر الشكل 10 للتعرف على مخطط التحكم الخاص بها)، بينما لا يتطلب التحكم الموزع وحدة تحكم مركزية (انظر الشكل 11).
الشكل 10. رسم تخطيطي للتحكم المركزي.
الشكل 11. رسم تخطيطي للتحكم الموزع.
أنواع وخصائص تكنولوجيا التحكم غير الخطية:تشتمل تكنولوجيا التحكم غير الخطية على التحكم التنبئي بالنموذج (MPC)، والتحكم في الوضع المنزلق (SMC)، والتحكم التكيفي، والتحكم الذكي. في السنوات الأخيرة، ركزت العديد من الدراسات على أداء MPC في التحكم في المحول ثنائي الاتجاه لأنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) وموازنة الطاقة للشبكات الصغيرة. في MPC، يتم تحديد وضع التبديل الأمثل للمحول بواسطة دالة التكلفة لتحقيق أداء أفضل (انظر الشكل 12 للتعرف على مخطط التحكم الخاص به)؛ في التحكم SMC، يعمل مدخل التحكم الناتج مباشرة على مفتاح محول الطاقة الإلكتروني، مع استجابة سريعة (انظر الشكل 13)؛ يعد التحكم التكيفي مناسبًا للمواقف التي يختلف فيها مصدر الحمل والإدخال لمحولات DC-DC، ويمكن أن يحسن قوة طريقة التحكم (انظر الشكل 14). بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح طريقة تحكم جديدة لإدارة طاقة الشبكة الصغيرة تعتمد على الأنظمة الكهروضوئية، والتي تستخدم وحدة تحكم منطقية غامضة (FLC) للتحكم في قوة كل عاكس (انظر الشكل 15).
الشكل 12. رسم تخطيطي لوحدة تحكم MPC.
الشكل 13. رسم تخطيطي لوحدة تحكم SMC.
الشكل 14. رسم تخطيطي للتحكم التكيفي.
الشكل 15. طريقة التحكم في المحول في شبكة DC الصغيرة.
5. استراتيجية إدارة الطاقة لشبكة التيار المستمر الصغيرة
أهمية وتحديات إدارة الطاقة:توفر شبكات التيار المستمر الصغيرة خيارًا مناسبًا لإمدادات الطاقة في المناطق النائية، وبالتالي فقد جذبت أساليب إدارة الطاقة الخاصة بها الكثير من الاهتمام. تواجه إدارة طاقة الشبكة الصغيرة العديد من التحديات، مثل تقلب طاقة خرج النظام الكهروضوئي مع تغيرات الإشعاع. ويجب أخذ هذه العوامل في الاعتبار عند تصميم أنظمة إدارة الطاقة لضمان إمدادات طاقة موثوقة وعالية الجودة. في شبكة صغيرة مستقلة عن شبكة الطاقة، من الضروري أيضًا تنسيق تشغيل الأنظمة الكهروضوئية وأنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) والوحدات الأخرى لتحقيق توازن الطاقة.
مثال على أنظمة وخوارزميات إدارة الطاقة المختلفة:يمكن لنظام إدارة طاقة البطارية (BEMS) للشبكات الصغيرة، مع مولدات الطاقة الكهروضوئية والديزل باعتبارها مصادر الطاقة الرئيسية، تقليل وقت عمل مولدات الديزل، وتقليل تقلبات الطاقة الكهروضوئية، وإدارة أنواع مختلفة من البطاريات ذات الخصائص المختلفة، وإطالة عمر البطارية. خوارزمية إدارة الطاقة المستخدمة لموازنة قوة الأنظمة الكهروضوئية وأنظمة BESS، مع الأخذ في الاعتبار قيود حالة الشحن (SoC) لنظام BESS. أثناء تفريغ البطارية، يقوم محول ثنائي الاتجاه بضبط جهد ناقل التيار المستمر، وفي بعض الحالات، يحتاج محول الطاقة الإلكتروني إلى مساعدة النظام في التشغيل في وضع الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة (MPPT) (انظر الشكل 17 للتعرف على وضع تشغيل النظام الخاص به). تم اقتراح نظام ذكي لإدارة الطاقة الديناميكية للشبكات الصغيرة، وطريقة لإدارة الطاقة للأنظمة الكهروضوئية/البطاريات الهجينة، واستراتيجية إدارة الطاقة (PMS) للتحكم في تدفق الطاقة للشبكات الصغيرة التي تعمل بالتيار المستمر. تعرض المقالة أيضًا أوضاع تشغيل مختلفة لنظام إدارة طاقة الشبكة الصغيرة DC (انظر الشكل 16)، بما في ذلك وضع الطاقة المحدود (LPM) ووضع MPPT للنظام الكهروضوئي، والتي يتم تحديدها بواسطة SoC للبطارية (كما هو موضح في المخطط الانسيابي في الشكل 17).
الشكل 16. مخطط تدفق استراتيجية إدارة الطاقة.
الشكل 17. خوارزمية إدارة الطاقة لبطارية الشبكة الصغيرة (A) والمكونات الكهروضوئية (B).
6. تطوير الأجهزة والتحقق من محاكاة شبكة التيار المستمر الصغيرة
تطبيق الأجهزة في محاكاة الحلقة:يعد ربط الأنظمة المادية ببيئات المحاكاة موضوعًا جديدًا. في أبحاث الشبكات الصغيرة، يلزم مقارنة الأجهزة للتحقق من نتائج المحاكاة لطرق التحكم المختلفة وهياكل الطوبولوجيا. من خلال محاكاة الأجهزة في الحلقة (HIL)، تم استخدام محول DC-DC لتوصيل الشبكة الصغيرة بخلية الوقود، مما يحقق اتصال ثنائي الاتجاه بين بيئة المحاكاة ونظام خلايا الوقود المادي. تتكون محاكاة HIL من محول DC-DC وشبكة صغيرة (انظر الشكل 18).
الشكل 18. تم إجراء محاكاة الأجهزة على محول DC/DC والشبكة الصغيرة.
مثال على أجهزة تنفيذ الأجهزة لمحولات DC-DC:يجمع الجدول 1 في المقالة العديد من الأجهزة التي تم الحصول عليها من الأدبيات العلمية لتنفيذ جزء الأجهزة من محولات DC-DC. توفر هذه الأجهزة مرجعًا لتطوير أجهزة محولات DC-DC في الشبكات الصغيرة وتساعد في إجراء مزيد من البحث والممارسة في مجال تكنولوجيا الشبكات الصغيرة DC.
الجدول 1. الأجهزة المستخدمة لتنفيذ جزء الأجهزة من محولات DC-DC.
7. بحث محاكاة لنظام التيار المستمر الصغير
تكوين نظام المحاكاة وإعدادات المعلمة:يتم استخدام برنامج MATLAB لمحاكاة نظام شبكة صغيرة تعمل بالتيار المستمر، والذي يتضمن نظامًا كهروضوئيًا، وتوربينة رياح مزودة بمولد متزامن بمغناطيس دائم (PMSG)، وبطارية، ومحول ثنائي الاتجاه DC-DC لتنظيم الجهد، وتتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT). ) نظام توربينات الرياح والألواح الشمسية. يظهر الهيكل في الشكل 19. يتكون النظام الكهروضوئي من 22 لوحة شمسية متصلة على التوالي، مع أقصى جهد وتيار لنقطة الطاقة يبلغ 30.3 فولت و7.10 أمبير لكل لوحة. يستخدم خرج الشبكة الصغيرة DC أحمالًا مقاومة، ويتم سرد مواصفات النظام ومكوناته في الجدول 2.
الشكل 19. رسم تخطيطي للشبكة الصغيرة DC المدروسة.
الجدول 2. المعلمات المستخدمة في محاكاة الشبكة الصغيرة DC.
عرض نتائج المحاكاة وتحليلها:تمت محاكاة النظام باستخدام بيئة MATLAB/Simulink، وتم تقديم رسم تخطيطي لشبكة DC الصغيرة الشاملة (انظر الشكل 20). تم عرض منحنيات الخرج للتوربينات الكهروضوئية والبطارية وطاقة الرياح (انظر الشكل 21)، بالإضافة إلى منحنيات طاقة الخرج لتوربينات الرياح عند سرعات رياح مختلفة (ممثلة بقيم الوحدة) (انظر الشكل 22)، ومنحنيات الجهد للتوربينات الريحية البطارية في المناطق المقدرة والتفريغ (انظر الشكل 23)، ومنحنيات الجهد والتيار لحمل خرج النظام (انظر الشكل 24). في المحاكاة، يعمل نظام توربينات الرياح بسرعة ثابتة تبلغ 12 مترًا في الثانية، مع توليد طاقة تبلغ 8 كيلووات عند سرعة الرياح المقدرة، ويتمتع النظام الكهروضوئي بقدرة مقدرة تبلغ 4.6 كيلووات. يمكن للمحول ثنائي الاتجاه المستخدم في قسم البطارية تحقيق وظائف الشحن والتفريغ. يمكن استخدام نتائج المحاكاة هذه لتحليل وتقييم الأداء التشغيلي لنظام الشبكة الصغيرة DC.
الشكل 20. نموذج محاكاة لشبكة DC الصغيرة باستخدام MATLAB/رابط المحاكاة.
الشكل 21. تظهر نتائج المحاكاة أن (A) Vpv، (B) Ipv، (C) Ppv، (D) عزم دوران توربينات الرياح Te، Tm، (E) سرعة الرياح، (F) جهد الناقل DC، و (G) حالة الشحن (SOC) للبطارية القابلة لإعادة الشحن.
الشكل 22. تظهر نتائج المحاكاة طاقة خرج التوربين (pu) بسرعات مختلفة للتوربين (pu).
الشكل 23. تشير نتائج المحاكاة إلى أن جهد البطارية يمكن أن يعمل بشكل طبيعي في وضع التفريغ.
الشكل 24. تظهر نتائج المحاكاة أن جهد حمل الخرج (A) للشبكة الصغيرة DC وتيار حمل الخرج (B) للشبكة الصغيرة DC.
8. ملخص
تستكشف هذه المقالة بشكل شامل الهيكل وطرق التحكم واستراتيجيات نظام إدارة الطاقة المختلفة لمحولات DC-DC في شبكات التيار المستمر الصغيرة، بينما تدرس أيضًا الأجهزة المستخدمة في محولات DC-DC في الشبكات الصغيرة.
خصائص ومتطلبات الشبكات الصغيرة:يحدد مدى تعقيد الشبكات الصغيرة حاجتها إلى الأتمتة الرقمية والإدارة الذكية لتصبح بديلاً مناسبًا وموثوقًا للشبكات التقليدية. تتيح التطورات التكنولوجية إدارة الطاقة الآلية للتعامل مع مكونات متعددة وظروف متغيرة، مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية والتكلفة. إن الاستخدام الفعال لأنظمة تخزين الطاقة مثل البطاريات في الشبكات الصغيرة يمكن أن يضمن الإمداد المتواصل بالطاقة المطلوبة، كما أن استخدام الطاقة المتجددة لتزويد المناطق بالطاقة مفيد للبيئة وله أهمية اقتصادية عالمية.
النقاط الرئيسية المتعلقة بمحولات DC-DC:في شبكة DC صغيرة مستقلة، يمكن لمحولات DC-DC تحقيق مستويات مختلفة من ارتفاع وانخفاض الجهد. المحولات غير المعزولة لديها خسارة أقل وأكثر ملاءمة من المحولات المعزولة. هناك استراتيجيات مختلفة للتحكم في المحولات في الشبكات الصغيرة، ولا يمكن لتكنولوجيا التحكم الخطي ضمان التشغيل المستقر للنظام. تم اعتماد طرق متقدمة مثل التحكم التنبئي للنموذج (MPC)، التحكم في الوضع المنزلق (SMC)، والتحكم الغامض.
اختتام مقارنة طرق التحكم:تم إجراء تحليل شامل ومقارنة طرق التحكم في المقالة. تتمتع أساليب التحكم الذكية المتقدمة بالقوة ضد عدم استقرار المعاوقة. في محولات DC-DC لشبكات التيار المستمر الصغيرة، تتمتع وحدات التحكم الذكية بأداء سريع ودقيق مقارنة بخوارزميات التحكم الأخرى.