Experimenteel onderzoek naar de hiërarchische besturing in DC microgrids met behulp van een real-time simulator

Samenvatting

Dit artikel presenteert een DC-microgrid met hiërarchische besturing geïmplementeerd in een simulator, OPAL RT-Lab. Het beschrijft de circuitmodellering, primaire en secundaire controlestrategieën en experimentele validatie. De resultaten tonen effectieve controleprestaties aan, wat het belang benadrukt van een robuust experimenteel platform voor onderzoek en ontwikkeling van microgrids.

Samenvatting

De opkomst van hernieuwbare energiebronnen heeft het belang onderstreept van microgrids, met name DC-varianten, die zeer geschikt zijn voor de integratie van fotovoltaïsche panelen, batterijopslagsystemen en andere DC-belastingsoplossingen. Dit artikel presenteert de ontwikkeling en experimenten van een DC-microgrid met hiërarchische controle, geïmplementeerd in OPAL RT-Lab, een simulator. Het microgrid omvat gedistribueerde energiebronnen (DER's) die met elkaar zijn verbonden via stroomomvormers, een DC-bus en DC-belastingen. De primaire besturing maakt gebruik van een droop-controlemechanisme en een proportioneel-integrale (PI)-regeling met dubbele lus om spanning en stroom te regelen, wat zorgt voor een stabiele werking en proportionele stroomdeling. De secundaire besturing maakt gebruik van een op consensus gebaseerde strategie om DER's te coördineren om de busspanning te herstellen en een nauwkeurige stroomdeling te garanderen, waardoor de betrouwbaarheid en efficiëntie van het systeem worden verbeterd. De experimentele opstelling die in dit artikel wordt beschreven, omvat circuitmodellering, hardware-implementatie en besturingsstrategieën. De circuits en controllerparameters van het hardwareplatform worden gespecificeerd en de resultaten kunnen worden waargenomen door middel van oscilloscoopmetingen. Er worden twee reeksen experimenten uitgevoerd die de secundaire controlerespons met en zonder vertraging aantonen om de effectiviteit van de controlestrategie te valideren. De resultaten bevestigen de succesvolle implementatie van hiërarchische controle in het microgrid. Deze studie onderstreept het belang van een uitgebreid experimenteel platform voor het bevorderen van microgrid-technologie, dat waardevolle inzichten biedt voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling.

Inleiding

Met de snelle ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen hebben microgrids wereldwijd veel aandacht gekregen¹. Ze maken de integratie van gedistribueerde energiebronnen (DER's), zoals fotovoltaïsche zonne-energie (PV), samen met energieopslagsystemen (ESS's), in het net mogelijk, waardoor de overgang naar duurzame en hernieuwbare energie wordt ondersteund. Als cruciaal onderdeel van de integratie van hernieuwbare energie hebben DC-microgrids veel aandacht gekregen vanwege hun compatibiliteit met de inherente DC-aard van PV-systemen, batterijen en andere DER's. De DC-werking vermindert de noodzaak van meerdere energieconversies, wat de algehele efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem kan verbeteren. Bijgevolg bieden DC-microgrids een veelbelovende weg voor het optimaliseren van de integratie van hernieuwbare energie².

Het wordt algemeen erkend dat simulatie en experimentele studies cruciaal zijn voor het bevorderen van microgrid-technologie. Simulaties stellen onderzoekers of ingenieurs in staat om verschillende scenario's en controlestrategieën te modelleren en te analyseren in een virtuele omgeving, wat kosteneffectief en risicovrij is. Experimenteren in de echte wereld is echter net zo belangrijk omdat het deze modellen en theorieën valideert en praktische uitdagingen en dynamisch gedrag aan het licht brengt die simulaties mogelijk niet volledig vastleggen³. Ondanks de inzichten die uit simulaties zijn verkregen, zijn praktische experimenten met microgrids nodig om problemen aan te pakken die voortvloeien uit fysieke implementaties. Deze experimenten helpen bij het begrijpen van de operationele kenmerken, besturingsdynamiek en interacties tussen verschillende componenten in een real-world setting⁴. Gezien hun kleinere schaal en modulaire aard bieden microgrids een meer beheersbare en schaalbare oplossing voor het uitvoeren van deze essentiële experimentele studies in vergelijking met traditionele grootschalige elektriciteitsnetten, die te uitgebreid en te complex zijn voor praktische experimenten. Daarom is het uitvoeren van fysieke experimenten op microgrids essentieel voor het vergroten van ons begrip en onze capaciteiten op dit gebied.

In een typisch DC-microgrid zijn verschillende DER's via stroomomvormers verbonden met een DC-bus. Deze opstelling maakt de directe uitwisseling van stroom mogelijk zonder dat er meerdere DC-DC- of AC-DC-conversies nodig zijn⁵. Deze stroomomvormers regelen de spanning en stroom en zorgen zo voor een efficiënte krachtoverbrenging en stabiliteit. De DC-bus dient als het centrale knooppunt en verdeelt de stroom over de verschillende belastingen die op het systeem zijn aangesloten. De transmissielijnen bieden de nodige paden voor de stroomtoevoer tussen de DER's, converters en belastingen, waardoor een stabiele en betrouwbare stroomvoorziening binnen het microgrid behouden blijft. Om de werking van een DC-microgrid effectief te beheren, wordt vaak een hiërarchische controlestructuur gebruikt⁶. Deze structuur is over het algemeen verdeeld in drie niveaus: primaire, secundaire en tertiaire controle, elk met verschillende functies en verantwoordelijkheden.

Primaire besturing richt zich op de onmiddellijke regeling van spanning en stroom binnen het DC-microgrid, waardoor stabiliteit en een goede stroom-/stroomverdeling tussen DER's worden gegarandeerd. De meest voorkomende primaire besturing is de droop control. In vergelijking met andere primaire bedieningselementen is het communicatievrij en reageert het snel. Vanwege de droop-eigenschap kan droop-regeling echter een spanningsafwijking veroorzaken en is het niet in staat om de spanning op de nominale waarde te houden. Tegelijkertijd, naarmate de belasting en het aantal DER's toenemen, neemt de nauwkeurigheid van de stroomverdeling af. Daarom is een extra secundaire regeling nodig voor het herstel van de spanning en de stroomregeling. Secundaire besturing herstelt de bedrijfspunten van het systeem na storingen en coördineert de primaire controllers voor spannings- en stroomregeling. Tertiaire regeling optimaliseert de economische en strategische werking van het microgrid, beheert de energieplanning en interacties met het hoofdelektriciteitsnet⁷.

Recente literatuur wijst op aanzienlijke vooruitgang in de toepassing van hiërarchische controle voor DC-microgrids, gaande van simulatiestudies naar hardware-in-the-loop (HIL)-opstellingen en uiteindelijk naar fysieke experimenten in de echte wereld. In de eerste onderzoeken werd vaak gebruik gemaakt van simulatietools om hiërarchische besturingsalgoritmen voor DC-microgrids te ontwikkelen en te testen. Deze studies richten zich op het modelleren van het dynamische gedrag van microgrids, het optimaliseren van besturingsstrategieën en het evalueren van systeemprestaties onder verschillende omstandigheden. Simulatieomgevingen zoals MATLAB/Simulink en PSCAD worden vaak gebruikt vanwege hun flexibiliteit en uitgebreide toolsets voor de analyse van het energiesysteem⁸. HIL-experimenten gaan verder dan pure simulaties en bieden een meer realistische testomgeving door real-time besturingshardware te integreren met gesimuleerde microgrid-modellen. Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om controle-algoritmen te valideren en hun prestaties onder bijna reële omstandigheden te beoordelen. HIL-opstellingen overbruggen de kloof tussen theoretische studies en praktische implementaties en bieden waardevolle inzichten in de interactie tussen besturingssystemen en microgrid-componenten⁹. De uiteindelijke validatie van hiërarchische controlestrategieën wordt bereikt door middel van fysieke experimenten met daadwerkelijke microgrid-opstellingen. Deze experimenten omvatten het inzetten van besturingsalgoritmen op echte microgrid-hardware, waaronder DER's, vermogenselektronische converters en besturingseenheden. Fysieke experimenten bieden de meest nauwkeurige beoordeling van de systeemprestaties en onthullen praktische uitdagingen en operationele problemen die mogelijk niet duidelijk zijn in simulaties of HIL-opstellingen.

Om de voortgang van hiërarchisch controleonderzoek in DC-microgrids samen te vatten, geeft Tabel 1 een overzicht van de belangrijkste studies gecategoriseerd op basis van hun experimentele benadering. Uit de bovengenoemde literatuur blijkt duidelijk dat, hoewel sommige studies met succes gebruik hebben gemaakt van fysieke microgrid-platforms voor experimenten, er een opmerkelijk gebrek is aan systematische documentatie en uitgebreide beschrijvingen van deze experimentele platforms en hun gebruik, met name in de context van hiërarchische controle. Deze kloof is aanzienlijk omdat gedetailleerde informatie over experimentele opstellingen, methodologieën en resultaten cruciaal is voor het repliceren van studies, het bevorderen van onderzoek en het vergemakkelijken van de praktische implementatie van hiërarchische controlestrategieën in microgrid-technologieën. In het licht van deze behoefte heeft dit artikel tot doel een gedetailleerde en systematische inleiding te bieden tot de ontwikkeling en het gebruik van een fysisch experimenteel platform voor DC-microgrids, gericht op hiërarchische controle, om waardevolle inzichten en praktische richtlijnen bij te dragen aan het lopende onderzoek op dit gebied.

Samenvattend zijn de belangrijkste bijdragen van dit document de volgende. Ten eerste werkt het artikel, in het kader van hiërarchische controlestrategie, in detail de noodzakelijke controle-algoritmen en implementaties voor microgrid-controle uit, terwijl eerdere werken experimenten meestal als validatie hebben behandeld zonder verdere uitwerking. Ten tweede biedt dit artikel, in lijn met de inzet van controlealgoritmen, ook de hardware-instelling en topologie van de microgrid-componenten, waardoor de reproduceerbaarheid van microgrid-besturingsexperimenten wordt verbeterd. Ten derde legt dit artikel, door het bouwen van een schaalbaar experimenteel platform, de basis voor toekomstig onderzoek naar microgrids, waardoor verdere verkenning van controleprestaties onder reële omstandigheden zoals communicatievertragingen en belastingsvariaties mogelijk wordt, waardoor de ontwikkeling van robuustere en efficiëntere controlestrategieën wordt ondersteund.

Protocol

In dit deel schetsen we de methoden die worden gebruikt voor het ontwikkelen van en experimenteren met een DC-microgrid dat hiërarchische controle bevat zoals weergegeven in Figuur 1, geïmplementeerd in OPAL RT-Lab (hierna "simulator" genoemd). Het protocol is verdeeld in drie hoofdsecties: Physical Setup and Circuit Modeling, Control Strategy Implementation en Simulator Experimental Setup. Opgemerkt wordt dat dit protocol geen betrekking heeft op de tertiaire controlestrategie, die optimalisatie op een hoger niveau en interactie met het hoofdelektriciteitsnet omvat, buiten het bestek van onze huidige experimentele opzet valt en wordt overgelaten aan toekomstig werk.

1. Fysieke opstelling en circuitmodellering

1. Elektrische topologie van het systeem
   OPMERKING: Rekening houdend met de circuitarchitectuur van het DC-microgridsysteem, gaan we verder met de bouw van het hardware-experimentele platform door de volgende stappen te doorlopen.
   1. Opbouw van een individuele DER
      1. Sluit de positieve pool van de gelijkstroom via een draad aan op de positieve ingangspool van het buck-circuit en sluit tegelijkertijd de bijbehorende negatieve polen aan; de specifieke converter wordt weergegeven in figuur 2A. Bouw een wiskundig model voor de buck-converter om het ontwerp van controleparameters voor latere simulaties en experimentele opstellingen te vergemakkelijken. Voor een typische buck-converter, zoals weergegeven in Figuur 3, construeert u de toestand-ruimtevergelijkingen met behulp van de toestand-ruimtemiddelingsmethode als volgt⁵:
              (1)
         Waar I,^L, V^C respectievelijk de inductorstroom en de uitgangsspanning zijn; R, L, C zijn de componentparameters in het convertercircuit; Vⁱⁿ staat voor de DC-ingangsspanning; en d staat voor de duty cycle van de DC-DC-converter. Transformeer vergelijking (1) in de volgende overdrachtsfunctievorm, die handiger is voor het ontwerp van een PI-controller.
         
              (2)
         Waarbij s staat voor de Laplace-operator; G_Id(s) is de overdrachtsfunctie van de verhouding tussen belasting en stroom; en G_VI(s) is de overdrachtsfunctie van stroom naar spanning.
      2. Microgrid-constructie met behulp van meerdere DER's
         1. Herhaal het proces van het construeren van individuele DER's zoals hierboven beschreven. Sluit met meerdere DER's op hun plaats de bijbehorende positieve en negatieve uitgangsklemmen van elk buck-circuit aan.
         2. Om de lijnimpedantie te simuleren, plaatst u kleine weerstanden in serie tussen de positieve polen van elke DER.
      3. Integratie van belasting
         1. Gebruik weerstanden om veelvoorkomende belastingen in DC-microgrids te simuleren. Sluit voor globale belastingen de klemmen van de weerstand rechtstreeks aan op de samenvloeiingspunten van de positieve en negatieve polen van alle DER's. Wanneer lijnimpedantie aanwezig is, sluit u weerstanden aan de uitgang van elk buck-circuit aan om lokale belastingen te simuleren, zoals weergegeven in afbeelding 2D.
            OPMERKING: In dit experiment worden circuitverbindingen geïmplementeerd met behulp van plug-in-connectoren, zoals geïllustreerd in afbeelding 2C.
2. Ontwerp en instelling van hardwarecircuits
   OPMERKING: De hardware-instelling van het experimentele DC-microgrid-platform, die overeenkomt met de topologie in figuur 1, bestaat voornamelijk uit de volgende stappen:
   1. Configuratie van DC-voeding
      1. Activeer de voeding door op de aan/uit-knop te drukken.
      2. Stel de spanning in op de opgegeven waarde met behulp van de knop. Deze voeding is een gelijkstroombron met constante spanning met een uitgangsbereik van [0 - 300 V] en een maximaal vermogen van 600 W. Start de stroomtoevoer aan het begin van het experiment door op de schakelaar te drukken. De voeding die in dit experiment is gebruikt, wordt weergegeven in figuur 2B.
   2. DC-DC buck converter opstelling
      1. Leid de in- en uitgangssignalen van de converter naar een signaalconversiebord en sluit ze via signaalkabels aan op de simulatorhardwarecontroller.
         OPMERKING: Deze opstelling maakt de uitvoer van stroom- en voltagesignalen in analoge vorm mogelijk en de overdracht van PWM-signalen van de controller om de converter op circuitniveau aan te sturen.
   3. Verificatie van bus- en belastingsverbindingen
      1. Zorg ervoor dat deze stap overeenkomt met stap 1.1.3. Inspecteer alle verbindingen op nauwkeurigheid en veiligheid.

2. Implementatie van de controlestrategie

1. 2.1.Configuratie van droop-besturing
   1. Bouw de droop-regelmodule in de besturingsmodule in de simulator door componenten zoals versterkings- en verschilblokken te slepen en neer te zetten, zoals weergegeven in afbeelding 4.
   2. Dubbelklik op de 'gain'-module en stel de droop-coëfficiënt naar wens in.
2. Dual-loop PI-besturingsopstelling
   1. Construeer het blokschema van de besturing door componenten in de simulator te slepen en neer te zetten (zie afbeelding 5).
   2. Gebruik bij het selecteren van PI-controleversterkingen het overdrachtsfunctiemodel van de buck-converter in vergelijking (2), volgens de volgorde van het ontwerpen van eerst de binnenste lus (stroomlus) en vervolgens de buitenste lus (spanningslus).
      OPMERKING: Er is een afweging tussen snelle dynamische respons en nauwkeurigheid van stroomdeling in het dual-loop-besturingsschema, aangezien snelle spanningsaanpassingen de precisie van de stroomverdeling tussen DER's in gevaar kunnen brengen.
3. Constructie van gedistribueerde communicatietopologie
   1. Geef verschillende ingangssignalen aan de controllers van elke DER om gedistribueerde besturing binnen de gecentraliseerde simulatorcontroller te implementeren. Sleep bijvoorbeeld voor DER 1 de signalen van DER 2 en DER 4 naar de besturingsmodule om gedistribueerde communicatie mogelijk te maken, zoals weergegeven in het linkerdeel van Figuur 6 en in Figuur 7C.
4. Implementatie van gedistribueerde secundaire controlestrategie
   1. Construeer het secundaire besturingsblokdiagram in de simulator op basis van de op consensus gebaseerde secundaire besturing, zoals geïllustreerd in afbeelding 6. Pas de secundaire besturingsrespons aan door de controleversterkingen te wijzigen.

3. Real-time simulator experimentele opstelling

OPMERKING: De specifieke configuratie van het simulatorexperiment bestaat uit vier stappen, zoals geïllustreerd in figuur 8.

1. Initialisatie van het model
   1. Klik op de knop Bewerken om het programma dat op de simulator wordt uitgevoerd te wijzigen. Activeer vervolgens de SET-knop om de instellingen van de ontwikkelingseigenschap te voltooien.
2. Model compilatie
   1. Nadat u het model hebt bewerkt, klikt u op de knop Bouwen om het model in uitvoerbare code te compileren.
   2. Houd het softwarecompilatievenster in de gaten totdat het bericht 'Compilatie succesvol' verschijnt. Als er een fout optreedt, zoekt u de fout op basis van de prompt en brengt u de nodige correcties aan
3. Configuratie van de simulator in realtime besturing
   1. Na voltooiing van het compilatieproces configureert u de programmacode-instellingen zoals simulatiemodus, real-time communicatielinktype en andere relevante parameters.
4. Programma downloaden en uitvoeren
   1. Download het gecompileerde uitvoerbare programma naar de hardware van de controller en start het experiment.
   2. Sluit de voltage sondes van de oscilloscoop aan op de positieve en negatieve polen van elke DER-uitgang en klem de stroomsondes op de uitgangspoorten. Gebruik het oscilloscoopvenster om de output van elke DER in het microgrid te observeren.

Resultaten

Figuur 4 toont de droop-regelmodule in de besturingsmodule die in de simulator is gebouwd. Het gedetailleerde ontwerp is gebaseerd op het volgende afhangmechanisme:

Het droop-controlemechanisme is een fundamentele strategie voor gedecentraliseerde primaire controle in DC-microgrids. Het emuleert het gedrag van synchrone generatoren in wisselstroomsystemen om de bela...

Discussie

Figuur 10 toont de stroom- en spanningsresponsen van het microgrid-systeem onder secundaire besturing zonder communicatievertragingen. Vóór tijd t₁ wordt het systeem uitsluitend geregeld door middel van een op droop gebaseerde primaire besturing, waarbij het duidelijk is dat de spanning niet kan stabiliseren op de nominale waarde van 48 V en de stroomverdeling relatief onnauwkeurig is. Bij het activeren van de secundaire besturing op tijd...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Programmable DC  voeding	ITECH	IT-M7700	DC voeding
Real-time simulator	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Real-time controller
Oscilloscoop	Tektronix	MSO58 5-BW-500	Oscilloscoop
Elektrische componenten zoals kabels en weerstanden