Abstracto
Los sistemas fotovoltaicos a gran escala son un componente importante de la energía renovable distribuida en muchas redes eléctricas locales. Gestionar estas microrredes, especialmente cómo interactúan con la red principal, no es una tarea fácil. Esto requiere un control preciso sobre esos recursos renovables. Este artículo resume los tipos de convertidores CC-CC utilizados en microrredes y propone un nuevo método de clasificación. Este artículo presenta la tecnología de control de convertidores CC-CC en microrredes CC y analiza las ventajas y desventajas de estos métodos de control.
Con la creciente proporción de energía renovable distribuida en el sistema eléctrico, la gestión de esta electricidad se ha convertido en un problema importante. Este artículo presenta diferentes métodos de administración de energía. Finalmente, se simuló un sistema de microrred de CC que incluía energía solar, turbinas eólicas y baterías utilizando el software MATLAB/Simulink, y se analizó su rendimiento.
En pocas palabras, este artículo trata sobre cómo controlar y gestionar mejor las microrredes que utilizan energía renovable y también utiliza software para simular dicho sistema y ver qué tan efectivo es.
1. Introducción
Las microrredes pueden reducir las pérdidas de transmisión y abordar las crisis energéticas, incluidas tecnologías como la fotovoltaica y las microturbinas, que requieren convertidores electrónicos de potencia para conectarse a la red. Una microrred de CC basada en energía renovable consta de barras colectoras de CC, paneles fotovoltaicos, turbinas eólicas, convertidores electrónicos de potencia, sistemas híbridos de almacenamiento de energía y cargas de CC. Tiene las ventajas de múltiples niveles de voltaje y alta eficiencia, y el sistema de CC es atractivo en términos de fuentes de energía, gestión de control y adaptación de carga. Sin embargo, las microrredes de CC enfrentan desafíos como cargas de energía constante y cargas de energía de impulsos, lo que requiere métodos de control avanzados para mejorar la transmisión de energía, garantizar el suministro de energía y lograr un funcionamiento económico.
Figura 1. Diferentes clasificaciones de microrredes.
Figura 2. Microrred CC general.
Figura 3. Microrred de CA típica.
Figura 4. Microrred híbrida.
Figura 5. Porcentaje anual de artículos publicados sobre microrredes de CC durante la última década.
Estructura y disposición del contenido de este artículo:Este artículo propondrá una nueva clasificación mediante el estudio exhaustivo de la topología y los métodos de control de los convertidores CC-CC en microrredes CC. El siguiente contenido incluye: discutir la descripción de las microrredes de CC en la Sección 2; La sección 3 detalla los tipos de estructuras convertidoras disponibles en microrredes; La Sección 4 proporciona una descripción general de los métodos de control para convertidores CC-CC en microrredes CC; La sección 5 presenta métodos de gestión de energía para microrredes de CC; La Sección 6 presenta el desarrollo de hardware en el campo de los convertidores CC-CC para aplicaciones de microrredes; La Sección 7 presenta la simulación y el análisis de microrredes de CC típicas; La sección 8 presenta la conclusión.
2. Características relacionadas con las microrredes DC
Las ventajas y escenarios de aplicación de las microrredes CC:Con el desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, las microrredes de CC han atraído la atención debido a su alta confiabilidad y eficiencia. Las microrredes de CC son más utilizadas en aplicaciones residenciales, estaciones de carga de vehículos eléctricos, centros de datos y otros campos. Mientras tanto, la creciente demanda de cargas eléctricas de CC ha hecho que la investigación sobre la generación de energía basada en fuentes de energía de CC sea bastante atractiva.
El modo de funcionamiento de la microrred DC:La microrred CC tiene dos modos de funcionamiento: conectada a la red e independiente. Cuando se conecta a la red, la microrred se conecta al bus de CC para complementar la energía; Cuando funciona de forma independiente, no es necesario sincronizarlo con la red eléctrica principal. En ambos modos, se conectan a la microrred varias fuentes de energía renovables y sistemas de almacenamiento de energía, incluidas baterías y supercondensadores.
El papel de los sistemas de almacenamiento de energía en las microrredes de CC:las baterías tienen una alta densidad de energía y sus controladores se utilizan para generar o absorber energía en estado estacionario; Los supercondensadores tienen una alta densidad de potencia y sus controladores se utilizan para generar o absorber energía transitoria. Los dos trabajan juntos en microrredes para mantener el equilibrio de energía y un funcionamiento estable.
Investigación sobre Conexión y Control de Microrredes DC:La red de distribución y el sistema de almacenamiento de energía están interconectados a través de convertidores electrónicos de potencia mediante enlaces de CC. Se han realizado estudios relevantes sobre los problemas de protección y las soluciones de las microrredes de CC. Además, el artículo proporciona una breve descripción general del control local en microrredes de CC y presenta la arquitectura general de las microrredes de CC con unidades de almacenamiento de energía.
3. Topología de convertidores CC-CC en microrredes CC
Clasificación y topologías comunes de los convertidores DC-DC:Los convertidores CC-CC se pueden dividir en tipos aislados y no aislados. En las microrredes de CC, los convertidores elevadores, reductores y reductores se utilizan ampliamente, cada uno con su propia topología única (como se muestra en la Figura 6), para cumplir con diferentes requisitos de conversión de voltaje. Los convertidores CC-CC aislados bidireccionales se utilizan comúnmente en sistemas de CC, entre los cuales los convertidores CC-CC de puente activo dual (DAB) son una opción adecuada debido a que admiten el flujo de potencia bidireccional y la alta densidad de potencia (consulte la Figura 7 para ver su diagrama esquemático). , y la topología de los convertidores resonantes en serie (SRC) también ha atraído la atención de muchos investigadores.
Figura 6. Topología del convertidor CC-CC, (A) refuerzo, (B) refuerzo, (C) reducción.
Figura 7. Diagrama esquemático del convertidor DAB.
El desarrollo y aplicación de convertidores DC-DC multipuerto:Para resolver los problemas de alto costo y pérdida del sistema causados por el uso de convertidores, han surgido convertidores DC-DC multipuerto. Se usa comúnmente para conectar múltiples redes de CC en microrredes, como las diversas topologías mencionadas en el artículo (Figura 8), que pueden conectar de manera flexible diferentes cargas de CC y fuentes de energía y controlar enlaces de CC; También existen topologías de convertidores aislados de dos etapas y tres puertos, etc. Estos convertidores multipuerto son adecuados para integrar múltiples fuentes de energía (incluido el almacenamiento de energía) y tienen relaciones de voltaje más altas que los convertidores reductores. Tienen diversas aplicaciones en microrredes de CC, como regular el voltaje de los supercondensadores, gestionar la energía entre baterías y supercondensadores, cargar baterías, implementar la integración de sistemas híbridos de almacenamiento de energía y equilibrar el flujo de energía entre fuentes de energía renovables. Los convertidores utilizados en las microrredes de CC generalmente se dividen en dos categorías: aislados y no aislados (consulte la clasificación en la Figura 9).
Figura 8. Diagrama esquemático de un convertidor multipuerto.
Figura 9. Clasificación de topologías de convertidores CC-CC utilizadas en microrredes CC.
4. Método de control del convertidor CC-CC en microrred CC
La importancia y clasificación general de los métodos de control:El control de las microrredes de CC es uno de los principales temas de preocupación para los investigadores. Los métodos de control generales se pueden dividir en control centralizado y control distribuido. El control centralizado es adecuado para pequeñas microrredes locales con recopilación de datos limitada (consulte la Figura 10 para conocer su esquema de control), mientras que el control distribuido no requiere un controlador central (consulte la Figura 11).
Figura 10. Diagrama de bloques de control centralizado.
Figura 11. Diagrama de bloques de control distribuido.
Tipos y características de la tecnología de control no lineal:La tecnología de control no lineal incluye control predictivo de modelo (MPC), control de modo deslizante (SMC), control adaptativo y control inteligente. En los últimos años, muchos estudios se han centrado en el rendimiento de MPC en el control de convertidores bidireccionales de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y en el equilibrio de energía de microrredes. En MPC, el modo de conmutación óptimo del convertidor está determinado por la función de costo para lograr un mejor rendimiento (consulte la Figura 12 para ver su esquema de control); En el control SMC, la entrada de control generada actúa directamente sobre el interruptor del convertidor electrónico de potencia, con una respuesta rápida (ver Figura 13); El control adaptativo es adecuado para situaciones en las que la carga y la fuente de entrada de los convertidores CC-CC varían y puede mejorar la solidez del método de control (consulte la Figura 14). Además, se propone un nuevo método de control para la gestión de energía de microrredes basado en sistemas fotovoltaicos, que utiliza un controlador de lógica difusa (FLC) para controlar la potencia de cada inversor (ver Figura 15).
Figura 12. Diagrama de bloques del controlador MPC.
Figura 13. Diagrama de bloques del controlador SMC.
Figura 14. Diagrama de bloques del control adaptativo.
Figura 15. Método de control del convertidor en microrred DC.
5. Estrategia de gestión de energía para microrredes de CC
La importancia y los desafíos de la gestión de la energía:Las microrredes de CC proporcionan una opción adecuada para el suministro de energía en áreas remotas, por lo que sus métodos de gestión de energía han atraído mucha atención. La gestión de la energía de las microrredes enfrenta muchos desafíos, como la fluctuación de la potencia de salida del sistema fotovoltaico con los cambios de radiación. Estos factores deben tenerse en cuenta al diseñar sistemas de gestión de energía para garantizar un suministro energético fiable y de alta calidad. En una microrred independiente de la red eléctrica, también es necesario coordinar el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos, los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y otras unidades para lograr el equilibrio energético.
Ejemplo de diferentes sistemas y algoritmos de gestión de energía:Un sistema de gestión de energía de baterías (BEMS) para microrredes, con generadores fotovoltaicos y diésel como principales fuentes de energía, puede reducir el tiempo de trabajo de los generadores diésel, reducir las fluctuaciones de la energía fotovoltaica, gestionar varios tipos de baterías con diferentes características y prolongar su vida útil. Un algoritmo de administración de energía utilizado para equilibrar la energía de los sistemas fotovoltaicos y BESS, considerando al mismo tiempo las limitaciones del estado de carga (SoC) del sistema BESS. Durante la descarga de la batería, un convertidor bidireccional ajusta el voltaje del bus de CC y, en algunos casos, el convertidor electrónico de potencia necesita ayudar al sistema a funcionar en el modo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) (consulte la Figura 17 para conocer el modo de funcionamiento del sistema). Se han propuesto un sistema inteligente de gestión dinámica de energía para microrredes, un método de gestión de energía para sistemas híbridos fotovoltaicos/de batería y una estrategia de gestión de energía (PMS) para controlar el flujo de energía de microrredes de CC. El artículo también presenta varios modos de funcionamiento del sistema de administración de energía de la microrred de CC (consulte la Figura 16), incluido el modo de energía limitada (LPM) y el modo MPPT del sistema fotovoltaico, que están determinados por el SoC de la batería (como se ilustra en el diagrama de flujo en Figura 17).
Figura 16. Diagrama de flujo de la estrategia de gestión de energía.
Figura 17. Algoritmo de gestión de energía para la batería de la microrred (A) y los componentes fotovoltaicos (B)
6. Desarrollo de hardware y verificación de simulación de microrred de CC.
La aplicación del hardware en la simulación de bucles:La conexión de sistemas físicos con entornos de simulación es un tema nuevo. En la investigación de microrredes, se requiere la comparación de hardware para verificar los resultados de la simulación de diferentes métodos de control y estructuras de topología. A través de la simulación hardware in the loop (HIL), se utilizó un convertidor DC-DC para conectar la microrred a la celda de combustible, logrando una comunicación bidireccional entre el entorno de simulación y el sistema físico de la celda de combustible. La simulación HIL consta de un convertidor CC-CC y una microrred (ver Figura 18).
Figura 18. Se realizó una simulación de hardware en el convertidor CC/CC y la microrred.
Ejemplo de dispositivos de implementación de hardware para convertidores DC-DC:La Tabla 1 del artículo recopila varios dispositivos obtenidos de la literatura científica para implementar la parte de hardware de los convertidores DC-DC. Estos dispositivos proporcionan referencia para el desarrollo de hardware de convertidores CC-CC en microrredes y ayudan a promover la investigación y la práctica de la tecnología de microrredes CC.
Tabla 1. Dispositivos utilizados para implementar la parte de hardware de los convertidores DC-DC.
7. Investigación de simulación sobre un sistema de microrred de CC.
Composición del sistema de simulación y configuración de parámetros:El software MATLAB se utiliza para simular un sistema de microrred CC, que incluye un sistema fotovoltaico, una turbina eólica con generador síncrono de imanes permanentes (PMSG), una batería, un convertidor bidireccional CC-CC para regulación de voltaje y un seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). ) sistema para turbinas eólicas y paneles solares. La estructura se muestra en la Figura 19. El sistema fotovoltaico consta de 22 paneles solares conectados en serie, con un voltaje y corriente de punto de máxima potencia de 30,3V y 7,10A para cada panel. La salida de la microrred de CC utiliza cargas resistivas y las especificaciones del sistema y sus componentes se enumeran en la Tabla 2.
Figura 19. Diagrama de bloques de la microrred DC estudiada.
Tabla 2. Parámetros utilizados en la simulación de microrredes CC.
Visualización y análisis de resultados de simulación:El sistema se simuló utilizando el entorno MATLAB/Simulink y se proporcionó un diagrama esquemático de la microrred de CC general (consulte la Figura 20). Se mostraron las curvas de salida de turbinas fotovoltaicas, de baterías y eólicas (ver Figura 21), así como las curvas de potencia de salida de turbinas eólicas a diferentes velocidades del viento (representadas por valores unitarios) (ver Figura 22), las curvas de voltaje de los batería en las áreas nominal y de descarga (ver Figura 23), y las curvas de voltaje y corriente de la carga de salida del sistema (ver Figura 24). En la simulación, el sistema de turbina eólica opera a una velocidad constante de 12 m/s, con una generación de energía de 8 kW a la velocidad nominal del viento, y el sistema fotovoltaico tiene una potencia nominal de 4,6 kW. El convertidor bidireccional utilizado en la sección de batería puede lograr funciones de carga y descarga. Estos resultados de simulación se pueden utilizar para analizar y evaluar el rendimiento operativo del sistema de microrred de CC.
Figura 20. Modelo de simulación de microrred de CC utilizando MATLAB/enlace de simulación.
Figura 21. Los resultados de la simulación muestran que (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) par de turbina eólica Te, Tm, (E) velocidad del viento, (F) voltaje del bus de CC y (G) Estado de carga (SOC) de la batería recargable.
Figura 22. Los resultados de la simulación muestran la potencia de salida de la turbina (pu) a diferentes velocidades de la turbina (pu).
Figura 23. Los resultados de la simulación indican que el voltaje de la batería puede funcionar normalmente en modo de descarga.
Figura 24. Los resultados de la simulación muestran que el voltaje de carga de salida (A) de la microrred de CC y la corriente de carga de salida (B) de la microrred de CC.
8. Resumen
Este artículo explora exhaustivamente la topología, los métodos de control y diversas estrategias del sistema de administración de energía de los convertidores CC-CC en microrredes CC, al tiempo que estudia el hardware utilizado en los convertidores CC-CC en microrredes.
Características y requisitos de las microrredes:La complejidad de las microrredes determina su necesidad de automatización digital y gestión inteligente para convertirse en una alternativa adecuada y fiable a las redes tradicionales. Los avances tecnológicos permiten que la gestión automatizada de la energía maneje múltiples componentes y condiciones variables, optimizando la confiabilidad y el costo. La utilización eficaz de sistemas de almacenamiento de energía, como baterías en microrredes, puede garantizar el suministro ininterrumpido de la energía necesaria, y el uso de energía renovable para suministrar energía a las regiones es beneficioso para el medio ambiente y tiene importancia económica mundial.
Puntos clave relacionados con los convertidores DC-DC:En una microrred de CC independiente, los convertidores CC-CC pueden alcanzar diferentes niveles de subida y bajada de tensión. Los convertidores no aislados tienen menos pérdidas y son más adecuados que los convertidores aislados. Existen varias estrategias para controlar los convertidores en microrredes y la tecnología de control lineal no puede garantizar el funcionamiento estable del sistema. Se han adoptado métodos avanzados como el control predictivo de modelos (MPC), el control de modo deslizante (SMC) y el control difuso.
Conclusión de la comparación de métodos de control:En el artículo se realizó un análisis exhaustivo y una comparación de los métodos de control. Los métodos de control inteligente avanzados son robustos contra la inestabilidad de la impedancia. En los convertidores CC-CC de microrredes CC, los controladores inteligentes tienen un rendimiento rápido y preciso en comparación con otros algoritmos de control.