Abstrak
Sistem fotovoltaik skala besar merupakan komponen penting dalam distribusi energi terbarukan di banyak jaringan listrik lokal. Mengelola jaringan mikro ini, terutama cara mereka berinteraksi dengan jaringan listrik utama, bukanlah tugas yang mudah. Hal ini memerlukan kontrol yang tepat atas sumber daya terbarukan tersebut. Artikel ini merangkum jenis konverter DC-DC yang digunakan dalam microgrid dan mengusulkan metode klasifikasi baru. Artikel ini memperkenalkan teknologi kontrol konverter DC-DC di microgrid DC dan membahas kelebihan dan kekurangan metode kontrol ini.
Dengan meningkatnya proporsi energi terbarukan yang didistribusikan dalam sistem ketenagalistrikan, pengelolaan listrik telah menjadi isu besar. Artikel ini memperkenalkan berbagai metode manajemen daya. Terakhir, sistem mikrogrid DC termasuk energi surya, turbin angin, dan baterai disimulasikan menggunakan perangkat lunak MATLAB/Simulink, dan kinerjanya dianalisis.
Sederhananya, artikel ini membahas cara mengontrol dan mengelola microgrid yang menggunakan energi terbarukan dengan lebih baik, dan juga menggunakan perangkat lunak untuk mensimulasikan sistem tersebut guna melihat seberapa efektif sistem tersebut.
1. Pendahuluan
Microgrid dapat mengurangi kerugian transmisi dan mengatasi krisis energi, termasuk teknologi seperti fotovoltaik dan turbin mikro, yang memerlukan konverter elektronik daya untuk terhubung ke jaringan listrik. Microgrid DC berbasis energi terbarukan terdiri dari busbar DC, panel fotovoltaik, turbin angin, konverter elektronika daya, sistem penyimpanan energi hibrida, dan beban DC. Ini memiliki keunggulan berbagai tingkat tegangan dan efisiensi tinggi, dan sistem DC menarik dalam hal sumber energi, manajemen kontrol, dan adaptasi beban. Namun, mikrogrid DC menghadapi tantangan seperti beban daya konstan dan beban daya pulsa, sehingga memerlukan metode kontrol canggih untuk meningkatkan transmisi energi, memastikan pasokan listrik, dan mencapai operasi yang ekonomis.
Gambar 1. Klasifikasi mikrogrid yang berbeda.
Gambar 2. Microgrid DC umum.
Gambar 3. Microgrid AC pada umumnya.
Gambar 4. Microgrid hibrid.
Gambar 5. Persentase tahunan makalah yang diterbitkan tentang jaringan mikro DC selama dekade terakhir.
Struktur dan susunan isi artikel ini:Artikel ini akan mengusulkan klasifikasi baru dengan mempelajari secara komprehensif topologi dan metode kontrol konverter DC-DC di mikrogrid DC. Konten berikut mencakup: membahas deskripsi microgrid DC pada Bagian 2; Bagian 3 menguraikan jenis struktur konverter yang tersedia di microgrid; Bagian 4 memberikan gambaran umum tentang metode kontrol untuk konverter DC-DC di mikrogrid DC; Bagian 5 memperkenalkan metode manajemen daya untuk mikrogrid DC; Bagian 6 menyajikan pengembangan perangkat keras di bidang konverter DC-DC untuk aplikasi mikrogrid; Bagian 7 menyajikan simulasi dan analisis mikrogrid DC pada umumnya; Bagian 8 menyajikan kesimpulan.
2. Karakteristik terkait mikrogrid DC
Keuntungan dan skenario penerapan microgrid DC:Dengan berkembangnya teknologi elektronika daya, mikrogrid DC telah menarik perhatian karena keandalan dan efisiensinya yang tinggi. Microgrid DC lebih disukai dalam aplikasi perumahan, stasiun pengisian kendaraan listrik, pusat data, dan bidang lainnya. Sementara itu, meningkatnya kebutuhan beban listrik DC membuat penelitian pembangkit listrik berbasis sumber listrik DC cukup menarik.
Mode operasi microgrid DC:Microgrid DC memiliki dua mode operasi: terhubung ke jaringan dan independen. Saat terhubung ke jaringan listrik, microgrid terhubung ke bus DC untuk menambah daya; Saat beroperasi secara mandiri, tidak perlu melakukan sinkronisasi dengan jaringan listrik utama. Dalam kedua mode tersebut, berbagai sumber energi terbarukan dan sistem penyimpanan energi termasuk baterai dan superkapasitor dihubungkan ke microgrid.
Peran sistem penyimpanan energi dalam microgrid DC:baterai memiliki kepadatan energi yang tinggi, dan pengontrolnya digunakan untuk menghasilkan atau menyerap daya dalam kondisi stabil; Superkapasitor memiliki kepadatan daya yang tinggi, dan pengontrolnya digunakan untuk menghasilkan atau menyerap daya sementara. Keduanya bekerja sama dalam microgrid untuk menjaga keseimbangan daya dan operasi yang stabil.
Penelitian tentang Koneksi dan Pengendalian Microgrid DC:Jaringan distribusi dan sistem penyimpanan energi saling terhubung melalui konverter elektronika daya menggunakan tautan DC. Terdapat penelitian yang relevan mengenai masalah perlindungan dan solusi jaringan mikro DC. Selain itu, artikel ini memberikan gambaran singkat tentang kontrol lokal pada mikrogrid DC dan menyajikan keseluruhan arsitektur mikrogrid DC dengan unit penyimpanan energi.
3. Topologi konverter DC-DC pada microgrid DC
Klasifikasi dan topologi umum konverter DC-DC:Konverter DC-DC dapat dibagi menjadi tipe non terisolasi dan terisolasi. Dalam mikrogrid DC, konverter boost, buck boost, dan buck banyak digunakan, masing-masing dengan topologi uniknya sendiri (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6), untuk memenuhi persyaratan konversi tegangan yang berbeda. Konverter DC-DC terisolasi dua arah biasanya digunakan dalam sistem DC, di antaranya konverter DC-DC jembatan aktif ganda (DAB) adalah pilihan yang cocok karena dukungannya terhadap aliran daya dua arah dan kepadatan daya yang tinggi (lihat Gambar 7 untuk diagram skematiknya) , dan topologi konverter resonansi seri (SRC) juga menarik perhatian banyak peneliti.
Gambar 6. Topologi konverter DC-DC, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Gambar 7. Diagram skema konverter DAB.
Pengembangan dan penerapan konverter DC-DC multi port:Untuk mengatasi masalah biaya tinggi dan kerugian sistem yang disebabkan oleh penggunaan konverter, konverter DC-DC multi port telah muncul. Ini biasanya digunakan untuk menghubungkan beberapa jaringan DC di microgrid, seperti berbagai topologi yang disebutkan dalam artikel (Gambar 8), yang dapat secara fleksibel menghubungkan berbagai beban DC dan sumber daya serta mengontrol tautan DC; Ada juga topologi konverter dua tahap tiga port yang terisolasi, dll. Konverter multi port ini cocok untuk mengintegrasikan beberapa sumber energi (termasuk penyimpanan energi) dan memiliki rasio tegangan lebih tinggi daripada konverter buck boost. Mereka memiliki berbagai aplikasi dalam mikrogrid DC, seperti mengatur tegangan superkapasitor, mengelola daya antara baterai dan superkapasitor, mengisi daya baterai, menerapkan integrasi sistem penyimpanan energi hibrida, dan menyeimbangkan aliran daya antara sumber energi terbarukan. Konverter yang digunakan dalam mikrogrid DC umumnya dibagi menjadi dua kategori: terisolasi dan tidak terisolasi (lihat Gambar 9 untuk klasifikasi).
Gambar 8. Diagram skema konverter multi port.
Gambar 9. Klasifikasi topologi konverter DC-DC yang digunakan pada microgrid DC.
4. Metode pengendalian konverter DC-DC pada microgrid DC
Pentingnya dan klasifikasi umum metode pengendalian:Pengendalian microgrid DC adalah salah satu isu utama yang menjadi perhatian para peneliti. Metode pengendalian secara keseluruhan dapat dibagi menjadi pengendalian terpusat dan pengendalian terdistribusi. Pengendalian terpusat cocok untuk mikrogrid lokal kecil dengan pengumpulan data terbatas (lihat Gambar 10 untuk skema pengendaliannya), sedangkan pengendalian terdistribusi tidak memerlukan pengontrol pusat (lihat Gambar 11).
Gambar 10. Diagram blok kendali terpusat.
Gambar 11. Diagram blok kendali terdistribusi.
Jenis dan karakteristik teknologi kendali nonlinier:Teknologi kontrol nonlinier mencakup kontrol prediktif model (MPC), kontrol mode geser (SMC), kontrol adaptif, dan kontrol cerdas. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian berfokus pada kinerja MPC dalam kontrol konverter dua arah pada sistem penyimpanan energi baterai (BESS) dan penyeimbangan daya mikrogrid. Dalam MPC, mode peralihan optimal konverter ditentukan oleh fungsi biaya untuk mencapai kinerja yang lebih baik (lihat Gambar 12 untuk skema pengendaliannya); Pada kendali SMC, masukan kendali yang dihasilkan langsung bekerja pada saklar konverter elektronika daya, dengan respon yang cepat (lihat Gambar 13); Kontrol adaptif cocok untuk situasi di mana beban dan sumber input konverter DC-DC bervariasi, dan dapat meningkatkan ketahanan metode kontrol (lihat Gambar 14). Selain itu, diusulkan metode kontrol baru untuk manajemen daya mikrogrid berdasarkan sistem fotovoltaik, yang menggunakan pengontrol logika fuzzy (FLC) untuk mengontrol daya setiap inverter (lihat Gambar 15).
Gambar 12. Diagram blok pengontrol MPC.
Gambar 13. Diagram blok pengontrol SMC.
Gambar 14. Diagram blok kendali adaptif.
Gambar 15. Metode pengendalian konverter pada microgrid DC.
5. Strategi manajemen daya untuk microgrid DC
Pentingnya dan tantangan manajemen daya:Microgrid DC memberikan pilihan yang sesuai untuk pasokan energi di daerah terpencil, oleh karena itu metode manajemen energinya menarik banyak perhatian. Manajemen daya mikrogrid menghadapi banyak tantangan, seperti fluktuasi daya keluaran sistem fotovoltaik seiring dengan perubahan radiasi. Faktor-faktor ini perlu dipertimbangkan ketika merancang sistem manajemen daya untuk memastikan pasokan energi yang andal dan berkualitas tinggi. Dalam microgrid yang tidak bergantung pada jaringan listrik, pengoperasian sistem fotovoltaik, sistem penyimpanan energi baterai (BESS), dan unit lainnya juga perlu dikoordinasikan untuk mencapai keseimbangan daya.
Contoh sistem dan algoritma manajemen daya yang berbeda:Sistem Manajemen Energi Baterai (BEMS) untuk microgrid, dengan generator fotovoltaik dan diesel sebagai sumber daya utama, dapat mengurangi waktu kerja generator diesel, mengurangi fluktuasi daya fotovoltaik, mengelola berbagai jenis baterai dengan karakteristik berbeda, dan memperpanjang masa pakai baterai. Algoritme manajemen daya yang digunakan untuk menyeimbangkan daya sistem fotovoltaik dan BESS, sekaligus mempertimbangkan batasan State of Charge (SoC) pada sistem BESS. Selama pengosongan baterai, konverter dua arah menyesuaikan tegangan bus DC, dan dalam beberapa kasus, konverter elektronik daya perlu membantu sistem beroperasi dalam mode Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) (lihat Gambar 17 untuk mode pengoperasian sistemnya). Sistem manajemen energi dinamis yang cerdas untuk mikrogrid, metode manajemen daya untuk sistem fotovoltaik/baterai hibrid, dan strategi manajemen daya (PMS) untuk mengendalikan aliran daya mikrogrid DC telah diusulkan. Artikel ini juga menyajikan berbagai mode pengoperasian sistem manajemen daya mikrogrid DC (lihat Gambar 16), termasuk mode daya terbatas (LPM) dan mode MPPT dari sistem fotovoltaik, yang ditentukan oleh SoC baterai (seperti yang diilustrasikan dalam diagram alur di Gambar 17).
Gambar 16. Diagram alir strategi pengelolaan tenaga listrik.
Gambar 17. Algoritma manajemen daya untuk baterai microgrid (A) dan (B) komponen fotovoltaik
6. Pengembangan perangkat keras dan verifikasi simulasi microgrid DC
Penerapan perangkat keras dalam simulasi loop:Menghubungkan sistem fisik dengan lingkungan simulasi adalah topik baru. Dalam penelitian microgrid, perbandingan perangkat keras diperlukan untuk memverifikasi hasil simulasi metode kontrol dan struktur topologi yang berbeda. Melalui simulasi hardware in the loop (HIL), konverter DC-DC digunakan untuk menghubungkan microgrid ke sel bahan bakar, mencapai komunikasi dua arah antara lingkungan simulasi dan sistem sel bahan bakar fisik. Simulasi HIL terdiri dari konverter DC-DC dan microgrid (lihat Gambar 18).
Gambar 18. Simulasi perangkat keras dilakukan pada konverter DC/DC dan microgrid.
Contoh perangkat implementasi perangkat keras untuk konverter DC-DC:Tabel 1 dalam artikel tersebut mengumpulkan beberapa perangkat yang diperoleh dari literatur ilmiah untuk mengimplementasikan bagian perangkat keras konverter DC-DC. Perangkat ini memberikan referensi untuk pengembangan perangkat keras konverter DC-DC di microgrid dan membantu penelitian lebih lanjut dan praktik teknologi microgrid DC.
Tabel 1. Perangkat yang digunakan untuk mengimplementasikan bagian perangkat keras konverter DC-DC.
7. Penelitian simulasi sistem microgrid DC
Komposisi sistem simulasi dan pengaturan parameter:Perangkat lunak MATLAB digunakan untuk mensimulasikan sistem mikrogrid DC, yang mencakup sistem fotovoltaik, turbin angin dengan generator sinkron magnet permanen (PMSG), baterai, konverter dua arah DC-DC untuk pengaturan tegangan, dan pelacakan titik daya maksimum (MPPT). ) sistem untuk turbin angin dan panel surya. Strukturnya ditunjukkan pada Gambar 19. Sistem fotovoltaik terdiri dari 22 panel surya yang dihubungkan secara seri, dengan tegangan dan arus titik daya maksimum 30,3V dan 7,10A untuk setiap panel. Output microgrid DC menggunakan beban resistif, dan spesifikasi sistem serta komponennya tercantum pada Tabel 2.
Gambar 19. Diagram blok microgrid DC yang diteliti.
Tabel 2. Parameter yang digunakan dalam simulasi microgrid DC.
Tampilan dan Analisis Hasil Simulasi:Sistem disimulasikan menggunakan lingkungan MATLAB/Simulink, dan diagram skematik dari keseluruhan microgrid DC disediakan (lihat Gambar 20). Kurva keluaran fotovoltaik, baterai, dan turbin angin ditunjukkan (lihat Gambar 21), serta kurva daya keluaran turbin angin pada kecepatan angin yang berbeda (diwakili oleh nilai satuan) (lihat Gambar 22), kurva tegangan dari turbin angin baterai di area pengenal dan pengosongan (lihat Gambar 23), dan kurva tegangan dan arus beban keluaran sistem (lihat Gambar 24). Dalam simulasi, sistem turbin angin beroperasi pada kecepatan konstan 12m/s, dengan pembangkitan listrik sebesar 8kW pada kecepatan angin terukur, dan sistem fotovoltaik memiliki daya terukur sebesar 4,6kW. Konverter dua arah yang digunakan di bagian baterai dapat mencapai fungsi pengisian dan pengosongan. Hasil simulasi ini dapat digunakan untuk menganalisis dan mengevaluasi kinerja operasional sistem microgrid DC.
Gambar 20. Model simulasi microgrid DC menggunakan MATLAB/simulation link.
Gambar 21. Hasil simulasi menunjukkan bahwa (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) torsi turbin angin Te, Tm, (E) kecepatan angin, (F) tegangan bus DC, dan (G) status pengisian daya (SOC) baterai isi ulang.
Gambar 22. Hasil simulasi menunjukkan daya keluaran turbin (pu) pada kecepatan turbin yang berbeda (pu).
Gambar 23. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tegangan baterai dapat beroperasi normal pada mode pengosongan.
Gambar 24. Hasil simulasi menunjukkan tegangan beban keluaran (A) mikrogrid DC dan beban keluaran (B) arus mikrogrid DC.
8. Ringkasan
Artikel ini membahas secara komprehensif topologi, metode kontrol, dan berbagai strategi sistem manajemen daya konverter DC-DC di mikrogrid DC, sekaligus mempelajari perangkat keras yang digunakan dalam konverter DC-DC di mikrogrid.
Karakteristik dan persyaratan microgrid:Kompleksitas jaringan mikro menentukan kebutuhannya akan otomasi digital dan manajemen cerdas agar menjadi alternatif yang sesuai dan andal dibandingkan jaringan listrik tradisional. Kemajuan teknologi memungkinkan manajemen energi otomatis untuk menangani berbagai komponen dan kondisi yang bervariasi, sehingga mengoptimalkan keandalan dan biaya. Pemanfaatan sistem penyimpanan energi yang efektif seperti baterai dalam microgrid dapat memastikan pasokan energi yang diperlukan tidak terputus, dan penggunaan energi terbarukan untuk memasok listrik ke daerah-daerah bermanfaat bagi lingkungan dan memiliki signifikansi ekonomi global.
Poin-poin penting terkait konverter DC-DC:Dalam microgrid DC independen, konverter DC-DC dapat mencapai tingkat kenaikan dan penurunan tegangan yang berbeda. Konverter yang tidak terisolasi memiliki kerugian yang lebih kecil dan lebih cocok dibandingkan konverter yang terisolasi. Ada berbagai strategi untuk mengendalikan konverter di microgrid, dan teknologi kontrol linier tidak dapat menjamin pengoperasian sistem yang stabil. Metode lanjutan seperti kontrol prediktif model (MPC), kontrol mode geser (SMC), dan kontrol fuzzy telah diadopsi.
Kesimpulan Perbandingan Metode Pengendalian:Analisis komprehensif dan perbandingan metode pengendalian dilakukan dalam artikel. Metode kontrol cerdas tingkat lanjut memiliki ketahanan terhadap ketidakstabilan impedansi. Dalam konverter DC-DC mikrogrid DC, pengontrol cerdas memiliki kinerja yang cepat dan akurat dibandingkan dengan algoritma kontrol lainnya.