CC BY
1
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-372-373
УПРАВЛЕНИЕ ДВОЙНОГО АКТИВНОГО МОСТА В МИКРОСЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С СОЛНЕЧНЫМИ ПАНЕЛЯМИ
Б.А. Авдеев
Рассмотрен вопрос применения современных солнечных панелей в микросетях постоянного и переменного токов. Проанализированы системы управления повышающеми преобразователями постоянного тока, работающие в точке максимальной мощности. На основе анализа была разработана своя методика управления преобразователем с гальванической развязкой типа двойной активный мост. Модель исследовалась с помощью имитационного моделирования. Приведены осциллограммы работы и выявлены пути дальнейшего совершенствования системы управления, работающей в точке максимальной мощности солнечных панелей.
Ключевые слова: солнечная панель, двойной активный мост, система управления, точка максимальной
мощности.
На смену традиционной централизованной системе электроснабжения с мощными электростанциями на ископаемом топливе приходят децентрализованные умные сети электроснабжения с большим количеством местных возобновляемых источников электроэнергии, таких как солнечные панели (СП) и ветряные электростанции. Во всём мире предпринимаются усилия по интеграции возобновляемых источников с целью сохранения ископаемых полезных ресурсов, экономии и уменьшения углеродного следа. Наиболее перспективными являются СП, благодаря относительно компактным размерам и более удобным применением среди жилой застройки [1].
СП - это фотоэлектрические преобразователи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. Существует три типа микросетей, основанных на характере генерируемого тока: сети постоянного тока, сети переменного тока и гибридные сети. Гибридные сети включают себя шины постоянного и переменного токов. Микросеть с СП имеет две (в случае микросети постоянного тока) или больше шин, где сходятся источники электроэнергии, электрическая нагрузка и системы хранения при наличии.
Для микросетей, содержащих СП, необходимо использовать преобразователи постоянного тока для сопряжения фотоэлектрического генератора с шиной постоянного тока микросети постоянного тока. Для микросетей переменного тока преобразователь постоянного тока служит для повышения напряжения, т.к. для уменьшения потерь в инверторе следует понизить ток и повысить напряжение [2]. СП могут подключатся последовательно для увеличения уровня выдаваемого напряжения или параллельно, что обеспечит высокий уровень постоянного тока. В случае большого количества СП применяют смешенное соединение. В качестве преобразователей всё чаще применяют двойной активный мост (ДАМ).
Целью статьи является разработка системы управления двойным активным мостом для повышения напряжения с СП для шин постоянного тока, от которых инверторы работают на сеть переменного тока. Для этих целей будет проанализированы способы управления преобразователем постоянного тока и на основе этого разработана система управления ДАМ.
Литературный обзор. Существуют различные методы управления преобразователем постоянного тока для микросетей, содержащих СП. Базовая конфигурация солнечной электростанции (СЭС) в режиме подключения к сети представлена на рисунке 1 и включает в себя следующие устройства: фотоэлектрические матрицы на основе СП, преобразователь постоянного тока, преобразователь переменного тока (инвертор), устройство отслеживания точки максимальной мощности (МРРТ) и управляющее оборудование вместе с фильтром нижних частот (ФНЧ). Устройство МРРТ обычно используется вместе с преобразователем мощности для оптимизации использования больших фотоэлектрических матриц. Реализация устройства МРРТ возможна различными способами: либо с преобразователем постоянного тока в постоянный, либо с инвертором, а иногда и с обоими.
Ч !дх /дых
V ДАМ 41-
/Вх —*■
СП МРРТ
Инвертор
Цинд^ А
ф /инд
Система управления
ФНЧ
Сеть переменного тока
Рис. 1. Основные компоненты СЭС переменного тока
Чтобы полностью представить детали различных ранее и недавно разработанных методов МРРТ, была предпринята попытка и представлен критический анализ каждого метода.
372
Использование МРРТ становится необходимым для обеспечения оптимальной работы СЭС, чтобы система работает с максимальной эффективностью [3]. Нелинейное поведение точки максимальной мощности (МРР) усложняет алгоритм отслеживания, поскольку интенсивность солнечного излучения и температура окружающей среды непрерывно изменяются в широком пределе в течении небольшой продолжительности времени. Целью внедрения МРРТ является автоматическое определение выходного напряжения или выходного тока СЭС при определенной освещенности и температуре; это точка, в которой фотоэлектрическая матрица выдает максимальную выходную мощность. Реализация алгоритма МРРТ и анализ этих изменений окружающей среды, а также Р-0 характеристики позволяют гарантировать, что СЭС работает на своем МРР (рис. 2).
Рис. 2. P-Uхарактеристика СП
В [4] авторы предлагают одноступенчатую трехфазную PVS для расширения возможностей MPPT; также установлено, что эта система способна удовлетворять спрос и вырабатывать электроэнергию в условиях частичного затенения. Метод MPPT предложен авторами в [5] на основе управления преобразователем переменного/постоянного тока, который подключен к выходу фотоэлектрической матрицы, поскольку он действует как непрерывная входная силовая нагрузка.
В последние несколько десятилетий многие исследователи работали над методами MPPT для солнечных фотоэлектрических систем. К настоящему времени исследователями были разработаны многочисленные методы, которые можно разделить на две основные категории:
- традиционные методы
- методы мягких вычислений.
Методы возмущения и наблюдения (P&O), восхождения на холм (HC), инкрементальной проводимости (IncCond), частичного разомкнутого замыкания (FOC), частичного короткого замыкания (FSC) и глобального MPPT относятся к общепринятым методам [6-9]. Переходя к методам мягких вычислений, системы, основанные на знаниях, представляют собой алгоритмы нечеткого логического управления (FLC) и искусственных нейронных сетей (ANN). Перед их внедрением важно предоставить подробные знания. Наиболее серьезным недостатком, связанным с алгоритмом, основанным на FLC, является то, что однажды определенные правила не могут быть изменены.
В СЭС метод Perturb and Observe (P&O) является одним из наиболее популярных и широко используемых методов среди всех доступных методов отслеживания MPP. При этом методе проводится периодическое полное сканирование всей вольт-амперной характеристики солнечной батареи (обычно раз в 2 часа), находит ТММ, и до следующего полного сканирования контроллер «рыщет» от этой точки и вычисляет, как меняется мощность солнечной батареи, и сдвигает рабочую точку на новое напряжение, если при нем мощность больше. В результате этот алгоритм генерирует колебания вокруг глобального MPP, поскольку возмущения напряжения помогают ему непрерывно отслеживать глобальный MPP. Практически во всех контроллерах применяется именно этот метод. Недостатком метода считается постоянная необходимость проводить измерения, во время которых генерация энергии от модулей прерывается. Различные производители подбирают параметры поиска — глубину и частоту итераций, периодичность полного сканирования, — для того, чтобы наиболее оптимально отслеживать точку максимальной мощности солнечной батареи и получать максимальное количество энергии от Солнца. Что касается ограничений P&O, то они сильно страдают от создания высокой частоты возмущений вокруг глобального пика, а также от повышенных колебаний мощности [10].
В алгоритме инкрементальной проводимости IncCond наклон фотоэлектрических характеристик преобразуется на основе значения проводимости, полученного из отношения добавочной проводимости к мгновенной проводимости СП. В результате для преобразователя генерируется рабочий цикл. Чтобы минимизировать ошибку отслеживания в этом алгоритме, исследователи использовали несколько подходов, из которых улучшенный алгоритм представлен в [6] с переменным размером шага. Рабочий цикл генерируется в соответствии со следующим соотношением [11].
D(k) = D(k -1) ± NP- > - Pk -1,
U(k) - U(k -1)
где k - номер итерации, P - мощность, D - обозначает рабочий цикл, U - напряжение, N - коэффициент масштабирования.
Среди всех доступных классических методов отслеживания MPP способ наискорейшего спуска является старейшим методом, который широко используется благодаря своей доказанной эффективности и простоте. Прежде всего, датчики получают значения напряжения и тока, а затем соответствующим образом настраивают рабочий цикл на основе рассчитанной мощности. Как только будет достигнуто определенное количество рабочих циклов, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается рабочий цикл, преобразователь сможет реагировать на глобальном
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 11
Pg (max) = -
MPP. Авторы в [12] представили точный алгоритм отслеживания, протестировав метод HC с чередующимся повышающим преобразователем в условиях равномерно изменяющегося облучения. Приведенные ниже соотношения приведены для расчета извлекаемой максимальной мощности от фотоэлектрического преобразователя:
P(max) P ) k 2
-1-; P (max) = kUL,
V g
где Pg(max) - генерируемая мощность, k2 - управляющий коэффициент.
Основная часть. В микросетях, основанных на параллельном подключении СП, преобразователи постоянного тока, подключаемые к фотоэлектрическим панелям, должны регулироваться, чтобы гарантировать стабильную работу и отслеживать максимальную мощность (MPP) фотоэлектрической панели. Работа с СП имеет три режима:
- автономный режим;
- сетевой режим;
- гибридный режим.
В автономном режиме СП подают электроэнергию непосредственно на подключенную нагрузку; в сетевом режиме СП подает электроэнергию в сеть электроснабжения. В гибридном режиме СП подает электроэнергию в электрическую сеть, а также к локально подключенной нагрузке посредством сетевого учета или льготного тарифа
[7].
Электрическая схема системы управления ДАМ, основанной на преобразователе ДАМ, приведена на рис. 3. В такой системе СП подключена к входу низковольтной стороны преобразователя ДАМ, а выход высоковольтной стороны подключен к нагрузке, в качестве которой может выступать инвертор или шины постоянного тока с нагрузкой и аккумуляторами.
СП
Ui
VT1
41
СВх
VT3
41
Ua
L TV
VT.
Ub
H vtA
Л ЧЛ
В VT4
сир
1:n VT7 -t
—1 VT8 —1
CBux U2
Рис. 3. ДАМ для повышения постоянного напряжения
Конденсатор Свх вставлен между СП и ДАМ для фильтрации пульсаций тока, генерируемых низковольтным мостом ДАМ-преобразователя. Аналогично, конденсатор Свых необходим для фильтрации пульсаций тока, генерируемых высоковольтным мостом преобразователя ДАМ, что повышает качество постоянного тока и убирает пульсации. Транзисторы VT1-VT4 образуют инверторный мост (сторона низкого напряжения). Транзисторы VT5-VT8 образуют выпрямительный мост (сторона высокого напряжения). Для соединения обоих мостов используется высокочастотный трансформатор, и его модель учитывает индуктивность утечки L, относящуюся к первичной обмотке трансформатора.
ДАМ управляется с использованием метода фазного сдвига, который состоит из генерации двух цифровых сигналов переключения с фиксированным рабочим циклом (Р = 50%) и фазовым сдвигом ф между сигналами управления, подаваемых на VT1 и VT5. Фазный угол меняется для регулирования напряжения на выходе выпрямительного моста. Коэффициент фазового сдвига может принимать значения от -180 до +180, но для передачи питания от фотоэлектрической панели к шине постоянного тока, т.е. для однонаправленной работы, значение ф должно быть ограничено от 0 до +180.
На рис. 4 приведены осциллограммы работы ДАМ, полученные путём имитационного моделированная в МайаЬ^!МЦЪШК.
а)
В)
В)
г)
1
- - -
—
Рис. 4. Осциллограммы работы ДАМ: а) напряжение на дополнительной катушки индуктивности, ток на первичной обмотке траснсформатора, в) напряжение с выхода инверторного моста; г) напряжение на выходе
трансформатора
374
R
Как можно видеть из имитационного моделирования, максимальная мощность наблюдается при работе транзисторов VT1-VT4 в противофазе, что подтверждает исследования ДАМ. Эффективность работы ДАМ составил 89%, что не является максимальным для данного типа преобразователей и нуждается в доработке. Дальнейшие исследования будут направлены на повышения коэффициента полезного действия и стабильной работы при динамически изменяемой нагрузки.
Выводы. В статье представлен анализ систем управления двойным активным мостом с целью обеспечить максимальную мощность из солнечного панелей, реализовав алгоритм отслеживания. Каждая технология сама по себе накладывает ограничения и компромиссы в регулировании системы, независимо от размера электростанции и типа используемой техники. Поэтому перед внедрением следует учитывать соотношение между доходами и затратами на отслеживание. На основании анализа была реализована и проверена с помощью имитационного моделирования новая система управления.
Список литературы
1. Соболев В.С. Совершенствования зарядных устройств постоянного тока с использованием твердотельных трансформаторов // Образование, наука и молодежь - 2022. Керчь, 2022. С. 31-33.
2. Булатов Ю.Н. Крюков А.В., Суслов К.В. Изолированная система электроснабжения с энергетическими роутерами и возобновляемыми источниками энергии // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2021. Т. 24. № 2. С. 124-134.
3. Ramos-Paja, C.A.; Saavedra-Montes, A.J. Adaptive Control of Photovoltaic Systems Based on Dual Active Bridge Converters. Computation 2022, vol. 10, p. 89.
4. Авдеев Б. А. Комплексные решения интеграции постоянного и переменного токов в адаптивных интеллектуальных распределительных сетях с помощью твердотельного трансформатора // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 3. С. 15-20.
5. IEA. World Energy Outlook 2021; Technical report; International Energy Agency: Paris, France, 2021.
6. Wang Y., Wang B., Chu C.C., Pota H., Gadh R. Energy management for a commercial building microgrid with stationary and mobile battery storage. Energy Build. 2016, vol. 116. P. 141-150.
7. Царева П.Е. Авдеев Б.А., Марковкина Н.Н., Епифанцев И.Р., Жиленков А.А. Моделирование работы трехфазного твердотельного трансформатора при изменении нагрузки // Электротехника. 2022 №6. С. 61-64. DOI: 10.53891/00135860_2022_6_61.
8. Соснина Е.Н. Шалухо А.В., Эрдили Н.И., Власов А.С. Мультиагентный подход к управлению разнородными источниками энергии в системах автономного электроснабжения // В сборнике: Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии (XXI Бенардосовские чтения). Иваново, 2021. С. 252-254.
9. Ríos, S.J.; Pagano, D.J.; Lucas, K.E. Bidirectional Power Sharing for DC Microgrid Enabled by Dual Active Bridge DC-DC Converter. Energies 2021, vol. 14. P. 404.
10. Арсентьев Г.О. Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Применение энергороутеров в системах электроснабжения с распределенной генерацией // Электроэнергетика глазами молодежи 2017. Материалы VIII Международной научно-технической конференции. 2017. С. 143-146.
11. Вынгра А.В., Черный С.Г. Идентификация настройки пи-регулятора на платформе нейросетевой структуры // Датчики и системы. 2020. № 8 (250). С. 20-26.
12. Авдеев Б.А., Вынгра А.В. Совершенствование системы регулирования напряжения твердотельного трансформатора в интеллектуальных сетях электроснабжения // Изв. вузов. Электромеханика. 2022. Т. 65. № 3. С. 6469.
Авдеев Борис Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
CONTROL OF A DOUBLE ACTIVE BRIDGE IN A DC MICROGRID CONTAINING SOLAR PANELS
B.A. Avdeev
The question of the use of modern solar panels in DC and AC microcircuits is considered. The control systems of step-up and DC converters operating at the point of maximum power are analyzed. Based on the analysis, its own method of controlling a converter with galvanic isolation of the double active bridge type was developed. The model was investigated using simulation modeling. The oscillograms of operation are given and the ways offurther improvement of the control system operating at the point of maximum power of solar panels are identified.
Key words: solar panel, double active bridge, control system, maximum power point.
Avdeev Boris Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university
