Experimentelle Untersuchung der hierarchischen Regelung in DC-Microgrids mit Hilfe eines Echtzeitsimulators

Summary

In diesem Artikel wird ein DC-Microgrid mit hierarchischer Steuerung vorgestellt, das in einem Simulator, OPAL RT-Lab, implementiert ist. Es beschreibt die Schaltungsmodellierung, primäre und sekundäre Steuerungsstrategien und die experimentelle Validierung. Die Ergebnisse zeigen eine effektive Steuerungsleistung und unterstreichen die Bedeutung einer robusten experimentellen Plattform für die Forschung und Entwicklung von Microgrids.

Abstract

Der Aufstieg erneuerbarer Energiequellen hat die Bedeutung von Microgrids unterstrichen, insbesondere von Gleichstromvarianten, die sich gut für die Integration von Photovoltaikmodulen, Batteriespeichern und anderen Gleichstromlastlösungen eignen. In diesem Beitrag wird die Entwicklung und Erprobung eines DC-Microgrids mit hierarchischer Steuerung vorgestellt, das im OPAL RT-Lab, einem Simulator, implementiert ist. Das Microgrid umfasst verteilte Energieressourcen (DERs), die über Stromrichter, einen DC-Bus und DC-Lasten miteinander verbunden sind. Die Primärsteuerung verwendet einen Droop-Steuerungsmechanismus und eine Doppelschleifen-Proportional-Integral-Steuerung (PI), um Spannung und Strom zu regulieren und einen stabilen Betrieb und eine proportionale Leistungsverteilung zu gewährleisten. Die Sekundärsteuerung verwendet eine konsensbasierte Strategie zur Koordination von DERs, um die Busspannung wiederherzustellen und eine genaue Stromverteilung zu gewährleisten, wodurch die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems verbessert wird. Der in diesem Dokument beschriebene Versuchsaufbau umfasst Schaltungsmodellierung, Hardwareimplementierung und Regelungsstrategien. Die Schaltungs- und Controller-Parameter der Hardwareplattform sind spezifiziert, und die Ergebnisse können durch Oszilloskopmessungen beobachtet werden. Es werden zwei Versuchsreihen durchgeführt, die die sekundäre Kontrollreaktion mit und ohne Verzögerung demonstrieren, um die Wirksamkeit der Kontrollstrategie zu validieren. Die Ergebnisse bestätigen die erfolgreiche Implementierung der hierarchischen Steuerung im Microgrid. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung einer umfassenden experimentellen Plattform für die Weiterentwicklung der Microgrid-Technologie und liefert wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Forschung und Entwicklung.

Introduction

Mit der rasanten Entwicklung erneuerbarer Energiequellen haben Microgrids weltweit an Bedeutung gewonnen¹. Sie ermöglichen die Integration von dezentralen Energieressourcen (DERs) wie Solarphotovoltaik (PV) sowie Energiespeichersystemen (ESS) in das Netz und unterstützen so den Übergang zu nachhaltiger und erneuerbarer Energie. Als kritische Komponente bei der Integration erneuerbarer Energien haben DC-Microgrids aufgrund ihrer Kompatibilität mit der inhärenten DC-Natur von PV-Systemen, Batterien und anderen DERs große Aufmerksamkeit erregt. Der Gleichstrombetrieb reduziert den Bedarf an mehrfachen Energieumwandlungen, was die Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessern kann. Folglich stellen DC-Microgrids einen vielversprechenden Weg zur Optimierung der Integration erneuerbarer Energien dar².

Es ist allgemein anerkannt, dass Simulationen und experimentelle Studien für die Weiterentwicklung der Microgrid-Technologie von entscheidender Bedeutung sind. Simulationen ermöglichen es Forschern oder Ingenieuren, verschiedene Szenarien und Steuerungsstrategien in einer virtuellen Umgebung kostengünstig und risikofrei zu modellieren und zu analysieren. Experimente in der realen Welt sind jedoch ebenso wichtig, da sie diese Modelle und Theorien validieren und praktische Herausforderungen und dynamische Verhaltensweisen aufzeigen, die Simulationen möglicherweise nicht vollständig erfassen³. Trotz der aus den Simulationen gewonnenen Erkenntnisse sind praktische Experimente mit Microgrids notwendig, um Probleme zu lösen, die sich aus physikalischen Implementierungen ergeben. Diese Experimente helfen dabei, die Betriebseigenschaften, die Regelungsdynamik und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten in einer realen Umgebung^{zu verstehen 4}. Aufgrund ihres kleineren Maßstabs und ihres modularen Charakters bieten Microgrids im Vergleich zu herkömmlichen Großnetzen, die für praktische Experimente zu umfangreich und komplex sind, eine überschaubarere und skalierbarere Lösung für die Durchführung dieser wichtigen experimentellen Studien. Daher ist die Durchführung physikalischer Experimente an Microgrids unerlässlich, um unser Verständnis und unsere Fähigkeiten in diesem Bereich zu verbessern.

In einem typischen DC-Microgrid sind verschiedene DERs über Stromrichter mit einem DC-Bus verbunden. Dieser Aufbau ermöglicht den direkten Austausch von Strom, ohne dass mehrere DC-DC- oder AC/DC-Wandlungen^{erforderlich sind 5}. Diese Stromrichter regeln die Spannung und den Strom und sorgen so für eine effiziente Energieübertragung und Stabilität. Der DC-Bus dient als zentraler Knoten, der die Stromversorgung an verschiedene Verbraucher verteilt, die an das System angeschlossen sind. Die Übertragungsleitungen stellen die notwendigen Wege für den Stromfluss zwischen den DERs, Konvertern und Lasten bereit und sorgen für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung innerhalb des Microgrids. Um den Betrieb eines DC-Microgrids effektiv zu verwalten, wird häufig eine hierarchische Steuerungsstruktur eingesetzt⁶. Diese Struktur ist im Allgemeinen in drei Ebenen unterteilt: primäre, sekundäre und tertiäre Kontrolle, die jeweils unterschiedliche Funktionen und Zuständigkeiten haben.

Die Primärregelung konzentriert sich auf die unmittelbare Regelung von Spannung und Strom innerhalb des DC-Microgrids, um Stabilität und eine ordnungsgemäße Strom-/Leistungsverteilung zwischen den DERs zu gewährleisten. Die gebräuchlichste primäre Kontrolle ist die Droop-Kontrolle. Im Vergleich zu anderen Primärsteuerungen ist es kommunikationsfrei und reagiert schnell. Aufgrund ihrer Droop-Charakteristik kann die Droop-Regelung jedoch zu Spannungsabweichungen führen und ist nicht in der Lage, die Spannung auf dem Nennwert zu halten. Gleichzeitig nimmt mit zunehmender Last und zunehmender Anzahl von DERs die Genauigkeit der Stromverteilung ab. Daher ist eine zusätzliche Sekundärregelung für die Spannungswiederherstellung und Stromregelung erforderlich. Die Sekundärregelung stellt die Betriebspunkte des Systems nach Störungen wieder her und koordiniert die Primärregler für die Spannungs- und Stromregelung. Die tertiäre Steuerung optimiert den wirtschaftlichen und strategischen Betrieb des Microgrids, indem sie die Energieplanung und die Wechselwirkungen mit dem Hauptstromnetz^{verwaltet 7}.

In der jüngsten Literatur werden bedeutende Fortschritte bei der Anwendung der hierarchischen Steuerung für DC-Mikronetze hervorgehoben, die von Simulationsstudien über Hardware-in-the-Loop-Setups (HIL) bis hin zu physikalischen Experimenten in der realen Welt reichen. In ersten Forschungsstudien wurden häufig Simulationswerkzeuge eingesetzt, um hierarchische Steuerungsalgorithmen für DC-Microgrids zu entwickeln und zu testen. Diese Studien konzentrieren sich auf die Modellierung des dynamischen Verhaltens von Microgrids, die Optimierung von Steuerungsstrategien und die Bewertung der Systemleistung unter verschiedenen Bedingungen. Simulationsumgebungen wie MATLAB/Simulink und PSCAD werden aufgrund ihrer Flexibilität und umfassenden Toolsets für die Analyse von Stromnetzen häufig verwendet⁸. HIL-Experimente gehen über reine Simulationen hinaus und bieten eine realistischere Testumgebung, indem Echtzeit-Steuerungshardware in simulierte Microgrid-Modelle integriert wird. Dieser Ansatz ermöglicht es den Forschern, Steuerungsalgorithmen zu validieren und ihre Leistung unter realitätsnahen Bedingungen zu bewerten. HIL-Setups schließen die Lücke zwischen theoretischem Studium und praktischer Umsetzung und bieten wertvolle Einblicke in die Interaktion zwischen Steuerungssystemen und Microgrid-Komponenten⁹. Die ultimative Validierung hierarchischer Steuerungsstrategien wird durch physikalische Experimente an realen Microgrid-Setups erreicht. Diese Experimente beinhalten den Einsatz von Steuerungsalgorithmen auf realer Microgrid-Hardware, einschließlich DERs, leistungselektronischen Wandlern und Steuergeräten. Physikalische Experimente liefern die genaueste Bewertung der Systemleistung und zeigen praktische Herausforderungen und betriebliche Probleme auf, die in Simulationen oder HIL-Setups möglicherweise nicht erkennbar sind.

Um den Fortschritt der hierarchischen Steuerungsforschung in DC-Microgrids zusammenzufassen, gibt Tabelle 1 einen Überblick über Schlüsselstudien, die nach ihrem experimentellen Ansatz kategorisiert sind. Aus der oben genannten Literatur geht hervor, dass zwar einige Studien physische Microgrid-Plattformen erfolgreich für Experimente genutzt haben, es jedoch einen bemerkenswerten Mangel an systematischer Dokumentation und umfassender Beschreibung dieser experimentellen Plattformen und ihrer Nutzung gibt, insbesondere im Zusammenhang mit der hierarchischen Steuerung. Diese Lücke ist von Bedeutung, da detaillierte Informationen über Versuchsaufbauten, Methoden und Ergebnisse entscheidend sind, um Studien zu replizieren, die Forschung voranzutreiben und die praktische Umsetzung hierarchischer Steuerungsstrategien in Microgrid-Technologien zu erleichtern. Vor diesem Hintergrund zielt dieses Papier darauf ab, eine detaillierte und systematische Einführung in die Entwicklung und Nutzung einer physikalischen experimentellen Plattform für DC-Microgrids zu geben, wobei der Schwerpunkt auf der hierarchischen Steuerung liegt, um wertvolle Erkenntnisse und praktische Richtlinien für die laufende Forschung in diesem Bereich beizutragen.

Zusammenfassend sind die Hauptbeiträge dieses Papiers wie folgt. Zunächst werden im Rahmen der hierarchischen Steuerungsstrategie die notwendigen Steuerungsalgorithmen und Implementierungen für die Steuerung von Microgrids detailliert ausgearbeitet, während frühere Arbeiten Experimente meist als Validierung ohne weitere Ausarbeitung behandelt haben. Zweitens bietet dieses Papier in Übereinstimmung mit dem Einsatz von Regelungsalgorithmen auch den Hardware-Aufbau und die Topologie der Microgrid-Komponenten, wodurch die Reproduzierbarkeit von Microgrid-Steuerungsexperimenten verbessert wird. Drittens legt dieses Papier durch den Aufbau einer skalierbaren experimentellen Plattform den Grundstein für die zukünftige Forschung zu Microgrids und ermöglicht eine weitere Erforschung der Steuerungsleistung unter realen Bedingungen wie Kommunikationsverzögerungen und Lastschwankungen, wodurch die Entwicklung robusterer und effizienterer Steuerungsstrategien unterstützt wird.

Protocol

In diesem Abschnitt skizzieren wir die Methoden, die für die Entwicklung und das Experimentieren mit einem DC-Microgrid verwendet werden, das eine hierarchische Steuerung beinhaltet, die in Abbildung 1 dargestellt ist und im OPAL RT-Lab (im Folgenden als "Simulator" bezeichnet) implementiert ist. Das Protokoll ist in drei Hauptabschnitte unterteilt: Physikalischer Aufbau und Schaltungsmodellierung, Implementierung der Steuerungsstrategie und Simulator-Versuchsaufbau. Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Protokoll die tertiäre Regelungsstrategie nicht abdeckt, die eine übergeordnete Optimierung und Interaktion mit dem Hauptstromnetz beinhaltet, über den Rahmen unseres aktuellen Versuchsaufbaus hinausgeht und für zukünftige Arbeiten übrig bleibt.

1. Physischer Aufbau und Schaltungsmodellierung

1. Elektrische Topologie des Systems
   HINWEIS: Unter Berücksichtigung der Schaltungsarchitektur des DC-Microgrid-Systems fahren wir mit dem Aufbau der Hardware-Experimentierplattform in den folgenden Schritten fort.
   1. Aufbau eines individuellen DER
      1. Verbinden Sie den Pluspol des Gleichstroms über einen Draht mit dem Eingangspluspol der Abwärtsschaltung, während Sie gleichzeitig die entsprechenden Minuspole verbinden. Der spezifische Wandler ist in Abbildung 2A dargestellt. Erstellen Sie ein mathematisches Modell für den Abwärtswandler, um die Auslegung von Regelparametern für nachfolgende Simulationen und Versuchsaufbauten zu erleichtern. Für einen typischen Abwärtswandler, wie in Abbildung 3 gezeigt, konstruieren Sie seine Zustandsraumgleichungen mit der Zustandsraum-Mittelungsmethode wie folgt⁵:
              (1)
         Dabei sind I^L, V^C der Induktivitätsstrom bzw. die Ausgangsspannung; R, L, C sind die Komponentenparameter in der Wandlerschaltung; Vⁱⁿ steht für die Eingangsgleichspannung; und d steht für das Tastverhältnis des DC/DC-Wandlers. Transformieren Sie Gleichung ( 1) in die folgende Form der Übertragungsfunktion, die für den Entwurf eines PI-Reglers geeigneter ist.
         
              (2)
         Dabei steht s für den Laplace-Operator. G_Id(s) ist die Übertragungsfunktion des Tastverhältnisses zum Strom; und G_VI(s) ist die Übertragungsfunktion von Strom auf Spannung.
      2. Microgrid-Aufbau mit mehreren DERs
         1. Wiederholen Sie den Vorgang zum Erstellen einzelner DERs wie oben beschrieben. Wenn mehrere DERs vorhanden sind, schließen Sie die entsprechenden positiven und negativen Ausgangsanschlüsse jeder Abwärtsschaltung an.
         2. Um die Leitungsimpedanz zu simulieren, fügen Sie kleine Widerstände in Reihe zwischen den Pluspolen jedes DER ein.
      3. Integration von Lasten
         1. Verwenden Sie Widerstände, um gängige Lasten in DC-Microgrids zu simulieren. Verbinden Sie für globale Lasten die Klemmen des Widerstands direkt mit den Konfluenzpunkten der Plus- und Minuspole aller DERs. Wenn eine Leitungsimpedanz vorhanden ist, schließen Sie Widerstände am Ausgang jeder Abwärtsschaltung an, um lokale Lasten zu simulieren, wie in Abbildung 2D gezeigt.
            HINWEIS: In diesem Experiment werden Schaltungsverbindungen mit Steckverbindern realisiert, wie in Abbildung 2C dargestellt.
2. Hardware-Schaltungsdesign und -einrichtung
   HINWEIS: Das Hardware-Setup der experimentellen DC-Microgrid-Plattform, die der Topologie in Abbildung 1 entspricht, besteht hauptsächlich aus den folgenden Schritten:
   1. Konfiguration der DC-Stromversorgung
      1. Aktivieren Sie die Stromversorgung, indem Sie den Netzschalter drücken.
      2. Stellen Sie die Spannung mit dem Drehknopf auf den angegebenen Wert ein. Bei diesem Netzteil handelt es sich um eine Gleichstromquelle mit konstanter Spannung und einem Ausgangsbereich von [0 - 300 V] und einer maximalen Leistung von 600 W. Starten Sie die Stromversorgung zu Beginn des Experiments, indem Sie den Schalter drücken. Das in diesem Experiment verwendete Netzteil ist in Abbildung 2B dargestellt.
   2. Einrichtung des DC-DC-Abwärtswandlers
      1. Verlegen Sie die Ein- und Ausgangssignale des Wandlers auf eine Signalumwandlungsplatine und verbinden Sie sie über Signalkabel mit dem Simulator-Hardware-Controller.
         HINWEIS: Dieser Aufbau ermöglicht die Ausgabe von Strom- und Spannungssignalen in analoger Form und die Übertragung von PWM-Signalen vom Controller zur Ansteuerung des Wandlers auf Schaltungsebene.
   3. Nachweis von Bus- und Lastverbindungen
      1. Stellen Sie sicher, dass dieser Schritt mit Schritt 1.1.3 übereinstimmt. Überprüfen Sie alle Verbindungen auf Genauigkeit und Sicherheit.

2. Umsetzung der Kontrollstrategie

3. Versuchsaufbau des Echtzeitsimulators

HINWEIS: Die spezifische Konfiguration des Simulatorexperiments umfasst vier Schritte, wie in Abbildung 8 dargestellt.

1. Modell-Initialisierung
   1. Klicken Sie auf die Schaltfläche Bearbeiten , um das Programm zu ändern, das auf dem Simulator ausgeführt wird. Aktivieren Sie anschließend die Schaltfläche SET , um die Einstellungen der Entwicklungseigenschaft abzuschließen.
2. Kompilierung von Modellen
   1. Klicken Sie nach Abschluss der Modellbearbeitung auf die Schaltfläche Erstellen , um das Modell in ausführbaren Code zu kompilieren.
   2. Überwachen Sie das Software-Kompilierungsfenster, bis die Meldung "Kompilierung erfolgreich" angezeigt wird. Wenn ein Fehler auftritt, lokalisieren Sie den Fehler anhand der Eingabeaufforderung und nehmen Sie die erforderlichen Korrekturen vor
3. Konfiguration der Echtzeitsteuerung des Simulators
   1. Konfigurieren Sie nach Abschluss des Kompilierungsprozesses die Programmcode-Einstellungen, z. B. den Simulationsmodus, den Typ der Echtzeit-Kommunikationsverbindung und andere relevante Parameter.
4. Programmdownload und -ausführung
   1. Laden Sie das kompilierte ausführbare Programm in die Controller-Hardware herunter und starten Sie das Experiment.
   2. Schließen Sie die Spannungstastköpfe des Oszilloskops an die Plus- und Minuspole jedes DER-Ausgangs an und klemmen Sie die Stromtastköpfe an die Ausgangsanschlüsse. Verwenden Sie das Oszilloskop-Fenster, um die Ausgabe jedes DER im Microgrid zu beobachten.

Results

Abbildung 4 zeigt das Droop-Steuermodul in dem Steuermodul, das innerhalb des Simulators aufgebaut ist. Die Detailkonstruktion basiert auf folgendem Droop-Mechanismus:

Der Droop-Control-Mechanismus ist eine grundlegende Strategie für die dezentrale Primärregelung in DC-Microgrids. Es emuliert das Verhalten von Synchrongeneratoren in Wechselstromsystemen, um Lasten proportional auf verschiedene DERs ...

Discussion

Abbildung 10 zeigt die Strom- und Spannungsreaktionen des Microgrid-Systems unter sekundärer Steuerung ohne Kommunikationsverzögerungen. Vor dem Zeitpunkt t₁ wird das System ausschließlich durch eine auf Drop basierende Primärregelung geregelt, bei der es offensichtlich ist, dass sich die Spannung nicht auf dem Nennwert von 48 V stabilisieren kann und die Stromverteilung relativ ungenau ist. Bei Aktivierung der Sekundärsteuerung zum Zeitp...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Programmierbares DC  Netzteil	ITECH	IT-M7700	DC Netzteil
Echtzeitsimulator	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Echtzeit-Steuerung
Oszilloskop	Tektronix	MSO58 5-BW-500	Oszilloskop
Elektrische Bauteile wie Kabel und Widerstände