Abstrait
Les systèmes photovoltaïques à grande échelle constituent un élément important de l’énergie renouvelable distribuée dans de nombreux réseaux électriques locaux. La gestion de ces micro-réseaux, notamment la manière dont ils interagissent avec le réseau principal, n’est pas une tâche facile. Cela nécessite un contrôle précis de ces ressources renouvelables. Cet article résume les types de convertisseurs DC-DC utilisés dans les micro-réseaux et propose une nouvelle méthode de classification. Cet article présente la technologie de contrôle des convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux DC et discute des avantages et des inconvénients de ces méthodes de contrôle.
Avec la part croissante des énergies renouvelables distribuées dans le système électrique, la gestion de cette électricité est devenue un enjeu majeur. Cet article présente différentes méthodes de gestion de l'énergie. Enfin, un système de micro-réseau CC comprenant de l'énergie solaire, des éoliennes et des batteries a été simulé à l'aide du logiciel MATLAB/Simulink, et ses performances ont été analysées.
En termes simples, cet article explique comment mieux contrôler et gérer les micro-réseaux qui utilisent des énergies renouvelables, et utilise également un logiciel pour simuler un tel système afin de voir son efficacité.
1. Présentation
Les micro-réseaux peuvent réduire les pertes de transport et répondre aux crises énergétiques, y compris des technologies telles que le photovoltaïque et les microturbines, qui nécessitent des convertisseurs électroniques de puissance pour se connecter au réseau. Un micro-réseau CC basé sur les énergies renouvelables se compose de jeux de barres CC, de panneaux photovoltaïques, d'éoliennes, de convertisseurs électroniques de puissance, de systèmes de stockage d'énergie hybrides et de charges CC. Il présente les avantages de plusieurs niveaux de tension et d'un rendement élevé, et le système DC est attractif en termes de sources d'énergie, de gestion du contrôle et d'adaptation de la charge. Cependant, les micro-réseaux DC sont confrontés à des défis tels que des charges de puissance constante et des charges de puissance pulsée, nécessitant des méthodes de contrôle avancées pour améliorer la transmission d'énergie, garantir l'alimentation électrique et parvenir à un fonctionnement économique.
Figure 1. Différentes classifications de micro-réseaux.
Figure 2. Micro-réseau DC général.
Figure 3. Micro-réseau AC typique.
Figure 4. Micro-réseau hybride.
Figure 5. Pourcentage annuel d'articles publiés sur les micro-réseaux DC au cours de la dernière décennie.
Structure et disposition du contenu de cet article :Cet article proposera une nouvelle classification en étudiant de manière approfondie la topologie et les méthodes de contrôle des convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux DC. Le contenu suivant comprend : la discussion de la description des micro-réseaux DC dans la section 2 ; La section 3 développe les types de structures de convertisseur disponibles dans les micro-réseaux ; La section 4 donne un aperçu des méthodes de contrôle des convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux DC ; La section 5 présente les méthodes de gestion de l'énergie pour les micro-réseaux DC ; La section 6 présente le développement matériel dans le domaine des convertisseurs DC-DC pour les applications de micro-réseaux ; La section 7 présente la simulation et l'analyse de micro-réseaux DC typiques ; La section 8 présente la conclusion.
2. Caractéristiques liées aux micro-réseaux DC
Les avantages et scénarios d’application des micro-réseaux DC :Avec le développement de la technologie de l’électronique de puissance, les micro-réseaux DC ont attiré l’attention en raison de leur grande fiabilité et efficacité. Les micro-réseaux DC sont plus appréciés dans les applications résidentielles, les stations de recharge de véhicules électriques, les centres de données et d'autres domaines. Parallèlement, la demande croissante de charges électriques à courant continu a rendu la recherche sur la production d’électricité basée sur des sources d’énergie à courant continu très attrayante.
Le mode de fonctionnement du micro-réseau DC :Le micro-réseau DC a deux modes de fonctionnement : connecté au réseau et indépendant. Lorsqu'il est connecté au réseau, le micro-réseau est connecté au bus DC pour compléter l'alimentation ; En fonctionnement indépendant, il n’est pas nécessaire de se synchroniser avec le réseau électrique principal. Dans les deux modes, diverses sources d'énergie renouvelables et systèmes de stockage d'énergie, notamment des batteries et des supercondensateurs, sont connectés au micro-réseau.
Le rôle des systèmes de stockage d’énergie dans les micro-réseaux DC :les batteries ont une densité énergétique élevée et leurs contrôleurs sont utilisés pour générer ou absorber de l'énergie en régime permanent ; Les supercondensateurs ont une densité de puissance élevée et leurs contrôleurs sont utilisés pour générer ou absorber une puissance transitoire. Les deux travaillent ensemble dans des micro-réseaux pour maintenir l’équilibre électrique et un fonctionnement stable.
Recherche sur la connexion et le contrôle des micro-réseaux DC :Le réseau de distribution et le système de stockage d'énergie sont interconnectés via des convertisseurs électroniques de puissance utilisant des liaisons CC. Il y a eu des études pertinentes sur les problèmes de protection et les solutions des micro-réseaux DC. De plus, l’article donne un bref aperçu du contrôle local dans les micro-réseaux DC et présente l’architecture globale des micro-réseaux DC avec unités de stockage d’énergie.
3. Topologie des convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux DC
Classification et topologies communes des convertisseurs DC-DC :Les convertisseurs DC-DC peuvent être divisés en types non isolés et isolés. Dans les micro-réseaux CC, les convertisseurs élévateurs, abaisseurs et abaisseurs sont largement utilisés, chacun avec sa propre topologie unique (comme le montre la figure 6), pour répondre aux différentes exigences de conversion de tension. Les convertisseurs DC-DC isolés bidirectionnels sont couramment utilisés dans les systèmes DC, parmi lesquels les convertisseurs DC-DC à double pont actif (DAB) constituent un choix approprié en raison de leur prise en charge du flux de puissance bidirectionnel et de la densité de puissance élevée (voir la figure 7 pour son diagramme schématique) , et la topologie des convertisseurs résonants en série (SRC) a également attiré l'attention de nombreux chercheurs.
Figure 6. Topologie du convertisseur DC-DC, (A) boost, (B) boost, (C) buck boost.
Figure 7. Diagramme schématique du convertisseur DAB.
Le développement et l'application de convertisseurs DC-DC multi-ports :Afin de résoudre les problèmes de coût élevé et de perte de système causés par l'utilisation de convertisseurs, des convertisseurs DC-DC multiports ont vu le jour. Il est couramment utilisé pour connecter plusieurs réseaux CC dans des micro-réseaux, tels que les différentes topologies mentionnées dans l'article (Figure 8), qui peuvent connecter de manière flexible différentes charges CC et sources d'alimentation et contrôler les liaisons CC ; Il existe également des topologies de convertisseurs isolés à deux étages et à trois ports, etc. Ces convertisseurs multi-ports conviennent à l'intégration de plusieurs sources d'énergie (y compris le stockage d'énergie) et ont des rapports de tension plus élevés que les convertisseurs abaisseurs-élévateurs. Ils ont diverses applications dans les micro-réseaux DC, telles que la régulation de la tension des supercondensateurs, la gestion de l'énergie entre les batteries et les supercondensateurs, le chargement des batteries, la mise en œuvre de l'intégration d'un système de stockage d'énergie hybride et l'équilibrage du flux d'énergie entre les sources d'énergie renouvelables. Les convertisseurs utilisés dans les micro-réseaux DC sont généralement divisés en deux catégories : isolés et non isolés (voir Figure 9 pour la classification).
Figure 8. Diagramme schématique d'un convertisseur multi-ports.
Figure 9. Classification des topologies de convertisseurs DC-DC utilisées dans les micro-réseaux DC.
4. Méthode de contrôle du convertisseur DC-DC dans un micro-réseau DC
L'importance et la classification globale des méthodes de contrôle :Le contrôle des micro-réseaux DC est l’une des principales préoccupations des chercheurs. Les méthodes de contrôle globales peuvent être divisées en contrôle centralisé et contrôle distribué. Le contrôle centralisé convient aux petits micro-réseaux locaux avec une collecte de données limitée (voir la figure 10 pour son schéma de contrôle), tandis que le contrôle distribué ne nécessite pas de contrôleur central (voir la figure 11).
Figure 10. Schéma fonctionnel du contrôle centralisé.
Figure 11. Schéma fonctionnel du contrôle distribué.
Types et caractéristiques de la technologie de contrôle non linéaire :La technologie de contrôle non linéaire comprend le contrôle prédictif de modèle (MPC), le contrôle en mode glissant (SMC), le contrôle adaptatif et le contrôle intelligent. Ces dernières années, de nombreuses études se sont concentrées sur les performances du MPC dans le contrôle des convertisseurs bidirectionnels des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) et l'équilibrage de puissance des micro-réseaux. Dans MPC, le mode de commutation optimal du convertisseur est déterminé par la fonction de coût pour obtenir de meilleures performances (voir la figure 12 pour son schéma de contrôle) ; Dans le contrôle SMC, l'entrée de contrôle générée agit directement sur le commutateur du convertisseur électronique de puissance, avec une réponse rapide (voir Figure 13) ; Le contrôle adaptatif convient aux situations dans lesquelles la charge et la source d'entrée des convertisseurs DC-DC varient et peut améliorer la robustesse de la méthode de contrôle (voir Figure 14). De plus, une nouvelle méthode de contrôle pour la gestion de l'énergie des micro-réseaux basée sur des systèmes photovoltaïques est proposée, qui utilise un contrôleur à logique floue (FLC) pour contrôler la puissance de chaque onduleur (voir Figure 15).
Figure 12. Schéma fonctionnel du contrôleur MPC.
Figure 13. Schéma fonctionnel du contrôleur SMC.
Figure 14. Schéma fonctionnel du contrôle adaptatif.
Figure 15. Méthode de contrôle du convertisseur dans un micro-réseau DC.
5. Stratégie de gestion de l’énergie pour les micro-réseaux DC
L’importance et les défis de la gestion de l’énergie :Les micro-réseaux DC constituent un choix approprié pour l’approvisionnement en énergie dans les zones reculées, c’est pourquoi leurs méthodes de gestion de l’énergie ont attiré beaucoup d’attention. La gestion de l’énergie des micro-réseaux est confrontée à de nombreux défis, tels que la fluctuation de la puissance de sortie du système photovoltaïque en fonction des changements de rayonnement. Ces facteurs doivent être pris en compte lors de la conception de systèmes de gestion de l’énergie afin de garantir un approvisionnement énergétique fiable et de haute qualité. Dans un micro-réseau indépendant du réseau électrique, il est également nécessaire de coordonner le fonctionnement des systèmes photovoltaïques, des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) et d'autres unités pour atteindre l'équilibre électrique.
Exemple de différents systèmes et algorithmes de gestion de l’énergie :Un système de gestion de l'énergie des batteries (BEMS) pour les micro-réseaux, avec des générateurs photovoltaïques et diesel comme principales sources d'énergie, peut réduire le temps de fonctionnement des générateurs diesel, réduire les fluctuations de l'énergie photovoltaïque, gérer différents types de batteries avec des caractéristiques différentes et prolonger la durée de vie des batteries. Un algorithme de gestion de l'énergie utilisé pour équilibrer la puissance des systèmes photovoltaïques et BESS, tout en tenant compte des contraintes d'état de charge (SoC) du système BESS. Pendant la décharge de la batterie, un convertisseur bidirectionnel ajuste la tension du bus CC et, dans certains cas, le convertisseur électronique de puissance doit aider le système à fonctionner en mode de suivi du point de puissance maximale (MPPT) (voir la Figure 17 pour son mode de fonctionnement du système). Un système de gestion d'énergie dynamique intelligent pour les micro-réseaux, une méthode de gestion de l'énergie pour les systèmes hybrides photovoltaïques/batteries et une stratégie de gestion de l'énergie (PMS) pour contrôler le flux d'énergie des micro-réseaux à courant continu ont été proposés. L'article présente également divers modes de fonctionnement du système de gestion de l'énergie du micro-réseau CC (voir Figure 16), notamment le mode de puissance limitée (LPM) et le mode MPPT du système photovoltaïque, qui sont déterminés par le SoC de la batterie (comme illustré dans l'organigramme de Figure 17).
Figure 16. Organigramme de la stratégie de gestion de l'énergie.
Figure 17. Algorithme de gestion de l'énergie pour la batterie du micro-réseau (A) et les composants photovoltaïques (B)
6. Développement matériel et vérification de simulation du micro-réseau DC
L'application du matériel dans la simulation de boucle :Connecter des systèmes physiques à des environnements de simulation est un nouveau sujet. Dans la recherche sur les micro-réseaux, la comparaison du matériel est nécessaire pour vérifier les résultats de simulation de différentes méthodes de contrôle et structures topologiques. Grâce à la simulation Hardware in the Loop (HIL), un convertisseur DC-DC a été utilisé pour connecter le micro-réseau à la pile à combustible, permettant ainsi une communication bidirectionnelle entre l'environnement de simulation et le système physique de pile à combustible. La simulation HIL se compose d'un convertisseur DC-DC et d'un micro-réseau (voir Figure 18).
Figure 18. Une simulation matérielle a été réalisée sur le convertisseur DC/DC et le micro-réseau.
Exemple de dispositifs de mise en œuvre matérielle pour les convertisseurs DC-DC :Le tableau 1 de l'article rassemble plusieurs dispositifs issus de la littérature scientifique pour mettre en œuvre la partie matérielle des convertisseurs DC-DC. Ces dispositifs fournissent une référence pour le développement matériel de convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux et contribuent à faire progresser la recherche et la pratique de la technologie des micro-réseaux DC.
Tableau 1. Dispositifs utilisés pour mettre en œuvre la partie matérielle des convertisseurs DC-DC.
7. Recherche de simulation sur le système de micro-réseau DC
Composition du système de simulation et réglages des paramètres :Le logiciel MATLAB est utilisé pour simuler un système de micro-réseau CC, qui comprend un système photovoltaïque, une éolienne avec générateur synchrone à aimant permanent (PMSG), une batterie, un convertisseur bidirectionnel CC-CC pour la régulation de tension et un suivi du point de puissance maximale (MPPT). ) système pour éoliennes et panneaux solaires. La structure est illustrée à la figure 19. Le système photovoltaïque se compose de 22 panneaux solaires connectés en série, avec une tension et un courant de point d'alimentation maximum de 30,3 V et 7,10 A pour chaque panneau. La sortie du micro-réseau CC utilise des charges résistives, et les spécifications du système et de ses composants sont répertoriées dans le tableau 2.
Figure 19. Schéma fonctionnel du micro-réseau DC étudié.
Tableau 2. Paramètres utilisés dans la simulation de micro-réseau DC.
Affichage et analyse des résultats de simulation :Le système a été simulé à l'aide de l'environnement MATLAB/Simulink et un diagramme schématique de l'ensemble du micro-réseau DC a été fourni (voir Figure 20). Les courbes de sortie du photovoltaïque, de la batterie et de l'éolienne ont été présentées (voir Figure 21), ainsi que les courbes de puissance de sortie de l'éolienne à différentes vitesses de vent (représentées par des valeurs unitaires) (voir Figure 22), les courbes de tension du batterie dans les zones nominales et de décharge (voir Figure 23), ainsi que les courbes de tension et de courant de la charge de sortie du système (voir Figure 24). Dans la simulation, le système éolien fonctionne à une vitesse constante de 12 m/s, avec une production d'électricité de 8 kW à la vitesse nominale du vent, et le système photovoltaïque a une puissance nominale de 4,6 kW. Le convertisseur bidirectionnel utilisé dans la section batterie peut réaliser des fonctions de charge et de décharge. Ces résultats de simulation peuvent être utilisés pour analyser et évaluer les performances opérationnelles du système de micro-réseau DC.
Figure 20. Modèle de simulation d'un micro-réseau DC à l'aide du lien MATLAB/simulation.
Figure 21. Les résultats de la simulation montrent que (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) couple de l'éolienne Te, Tm, (E) vitesse du vent, (F) tension du bus CC et (G) état de charge (SOC) de la batterie rechargeable.
Figure 22. Les résultats de la simulation montrent la puissance de sortie de la turbine (pu) à différentes vitesses de turbine (pu).
Figure 23. Les résultats de la simulation indiquent que la tension de la batterie peut fonctionner normalement en mode décharge.
Figure 24. Les résultats de la simulation montrent que la tension de charge de sortie (A) du micro-réseau CC et le courant de charge de sortie (B) du micro-réseau CC.
8. Résumé
Cet article explore de manière approfondie la topologie, les méthodes de contrôle et diverses stratégies de système de gestion de l'énergie des convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux DC, tout en étudiant également le matériel utilisé dans les convertisseurs DC-DC dans les micro-réseaux.
Caractéristiques et exigences des micro-réseaux :La complexité des micro-réseaux détermine leur besoin d’automatisation numérique et de gestion intelligente pour devenir une alternative adaptée et fiable aux réseaux traditionnels. Les progrès technologiques permettent une gestion automatisée de l’énergie pour gérer plusieurs composants et conditions variables, optimisant ainsi la fiabilité et les coûts. L'utilisation efficace de systèmes de stockage d'énergie tels que les batteries dans les micro-réseaux peut garantir un approvisionnement ininterrompu en énergie nécessaire, et l'utilisation d'énergies renouvelables pour alimenter les régions en électricité est bénéfique pour l'environnement et revêt une importance économique mondiale.
Points clés liés aux convertisseurs DC-DC :Dans un micro-réseau CC indépendant, les convertisseurs CC-CC peuvent atteindre différents niveaux de montée et de descente de tension. Les convertisseurs non isolés ont moins de pertes et sont plus adaptés que les convertisseurs isolés. Il existe différentes stratégies pour contrôler les convertisseurs dans les micro-réseaux, et la technologie de contrôle linéaire ne peut pas garantir un fonctionnement stable du système. Des méthodes avancées telles que le contrôle prédictif de modèle (MPC), le contrôle en mode glissant (SMC) et le contrôle flou ont été adoptées.
Conclusion de la comparaison des méthodes de contrôle :Une analyse complète et une comparaison des méthodes de contrôle ont été menées dans l'article. Les méthodes de contrôle intelligentes avancées sont robustes contre l’instabilité d’impédance. Dans les convertisseurs DC-DC des micro-réseaux DC, les contrôleurs intelligents offrent des performances rapides et précises par rapport aux autres algorithmes de contrôle.