Name: Experimentelle Untersuchung der hierarchischen Regelung in DC-Microgrids mit Hilfe eines Echtzeitsimulators (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-14T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Erfahren Sie die hierarchische Regelung in DC-Microgrids mit OPAL RT-Lab. Diese Methode ermöglicht die experimentelle Validierung von Steuerungsstrategien in Echtzeit und schließt die Lücke zwischen Simulation und praktischer Umsetzung.

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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
<ol>
	<li>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.<ol>
		<li>Aufbau eines individuellen DER<ol>
			<li>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: 
			<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq1.jpg">     (1) Dabei sind IL, VC 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. 
			<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq2.jpg"> 
			<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq3.jpg">     (2) Dabei steht s für den Laplace-Operator. GId(s) ist die Übertragungsfunktion des Tastverhältnisses zum Strom; und GVI(s) ist die Übertragungsfunktion von Strom auf Spannung.</li>
			<li>Microgrid-Aufbau mit mehreren DERs<ol>
				<li>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.</li>
				<li>Um die Leitungsimpedanz zu simulieren, fügen Sie kleine Widerstände in Reihe zwischen den Pluspolen jedes DER ein.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Integration von Lasten<ol>
				<li>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.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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:<ol>
		<li>Konfiguration der DC-Stromversorgung<ol>
			<li>Aktivieren Sie die Stromversorgung, indem Sie den Netzschalter drücken.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Einrichtung des DC-DC-Abwärtswandlers<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Nachweis von Bus- und Lastverbindungen<ol>
			<li>Stellen Sie sicher, dass dieser Schritt mit Schritt 1.1.3 übereinstimmt. Überprüfen Sie alle Verbindungen auf Genauigkeit und Sicherheit.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Umsetzung der Kontrollstrategie
<ol></ol>
3. Versuchsaufbau des Echtzeitsimulators
HINWEIS: Die spezifische Konfiguration des Simulatorexperiments umfasst vier Schritte, wie in Abbildung 8 dargestellt.
<ol>
	<li>Modell-Initialisierung<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kompilierung von Modellen<ol>
		<li>Klicken Sie nach Abschluss der Modellbearbeitung auf die Schaltfläche Erstellen , um das Modell in ausführbaren Code zu kompilieren.</li>
		<li>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</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguration der Echtzeitsteuerung des Simulators<ol>
		<li>Konfigurieren Sie nach Abschluss des Kompilierungsprozesses die Programmcode-Einstellungen, z. B. den Simulationsmodus, den Typ der Echtzeit-Kommunikationsverbindung und andere relevante Parameter.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Programmdownload und -ausführung<ol>
		<li>Laden Sie das kompilierte ausführbare Programm in die Controller-Hardware herunter und starten Sie das Experiment.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bolsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framing+renewable+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Energy%22%5BJournal%5D)">Framing renewable energy.</a> Nat Energy. 7 (11), 1003-1004 (2022).</li>
<li>Dai, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+secondary+control+for+DC+microgrids+with+time-varying+communication+delays%3A+A+networked+predictive+control+scheme%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed secondary control for DC microgrids with time-varying communication delays: A networked predictive control scheme.</a> IEEE Trans Power Syst. 39 (2), 4459-4472 (2024).</li>
<li>Alzahrani, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+and+simulation+of+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Comput+Sci%22%5BJournal%5D)">Modeling and simulation of microgrid.</a> Procedia Comput Sci. 114, 392-400 (2017).</li>
<li>Naderi, E., Asrari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+remedial+action+via+hardware-in-the-loop+system+against+cyberattacks+targeting+a+lab-scale+PV%2Fwind+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Smart+Grid%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a remedial action via hardware-in-the-loop system against cyberattacks targeting a lab-scale PV/wind microgrid.</a> IEEE Trans Smart Grid. 14 (5), 4060-4072 (2023).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+twin+based+monitoring+and+control+for+DC-DC+converters%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Digital twin based monitoring and control for DC-DC converters.</a> Nat Commun. 14 (1), 5604(2023).</li>
<li>Alam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planning+and+protection+of+DC+microgrid%3A+A+critical+review+on+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Eng+Sci+Technol+Int+J%22%5BJournal%5D)">Planning and protection of DC microgrid: A critical review on recent developments.</a> Eng Sci Technol Int J. 41, 101404(2023).</li>
<li>Yuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+control+of+DC+microgrid+with+dynamical+load+power+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Energy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical control of DC microgrid with dynamical load power sharing.</a> Appl Energy. 239, 1-11 (2019).</li>
<li>Krishnamurthy, S., Ogunwole, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgrid+system+design%2C+modeling%2C+and+simulation.+Modelling+and+Control+Dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Modelling+and+Control+Dynamics+in+Microgrid+Systems+with+Renewable+Energy+Resources%22%5BJournal%5D)">Microgrid system design, modeling, and simulation. Modelling and Control Dynamics.</a> Modelling and Control Dynamics in Microgrid Systems with Renewable Energy Resources. , 345-376 (2024).</li>
<li>Interoperability analysis of IEC61850 protocol using an emulated IED in a HIL microgrid testbed. Hemmati, M., et al. 2021 IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids (SmartGridComm), , 152-157 (2021).</li>
<li>Lai, J., Lu, X., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochastic+distributed+frequency+and+load+sharing+control+for+microgrids+with+communication+delays%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Syst+J%22%5BJournal%5D)">Stochastic distributed frequency and load sharing control for microgrids with communication delays.</a> IEEE Syst J. 13 (4), 4269-4280 (2019).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+event-triggered+hierarchical+control+to+improve+economic+operation+of+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed event-triggered hierarchical control to improve economic operation of hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 3653-3668 (2022).</li>
<li>Wang, J., Jin, C., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+uniform+control+strategy+for+the+interlinking+converter+in+hierarchical+controlled+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">A uniform control strategy for the interlinking converter in hierarchical controlled hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Ind Electron. 65 (8), 6188-6197 (2018).</li>
<li>Zeng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+cooperative+control+strategy+for+battery+storage+system+in+islanded+DC+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Hierarchical cooperative control strategy for battery storage system in islanded DC microgrid.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 4028-4039 (2022).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+voltage+restoration+and+current+sharing+control+in+islanded+DC+microgrid+systems+without+continuous+communication%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Distributed voltage restoration and current sharing control in islanded DC microgrid systems without continuous communication.</a> IEEE Trans Ind Electron. 67 (4), 3043-3053 (2020).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Programmierbares DC&nbsp; Netzteil</td><td>ITECH</td><td>IT-M7700</td><td>DC Netzteil</td></tr><tr><td>Echtzeitsimulator</td><td>OPAL RT-Lab</td><td>OP5707XG-16&nbsp;</td><td>Echtzeit-Steuerung</td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Tektronix</td><td>MSO58 5-BW-500&nbsp;</td><td>Oszilloskop</td></tr><tr><td colspan="4">Elektrische Bauteile wie Kabel und Widerstände</td></tr></tbody></table>

experimentelle untersuchung der hierarchischen regelung in dc-microgrids mit hilfe eines echtzeitsimulators

Experimental Investigation of the Hierarchical Control in DC Microgrids Using a Real-time Simulator

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