Экспериментальное исследование иерархического управления в микросетях постоянного тока с использованием симулятора реального времени

Резюме

В данной статье представлена микросеть постоянного тока с иерархическим управлением, реализованная в симуляторе OPAL RT-Lab. В нем подробно описывается моделирование схемы, стратегии первичного и вторичного управления, а также экспериментальная проверка. Результаты демонстрируют эффективную эффективность управления, подчеркивая важность надежной экспериментальной платформы для исследований и разработок в области микросетей.

Аннотация

Развитие возобновляемых источников энергии подчеркнуло важность микросетей, особенно вариантов постоянного тока, которые хорошо подходят для интеграции фотоэлектрических панелей, аккумуляторных систем хранения и других решений для нагрузки постоянного тока. В данной работе представлены разработки и эксперименты микросети постоянного тока с иерархическим управлением, реализованной в симуляторе OPAL RT-Lab. Микросеть включает в себя распределенные энергетические ресурсы (DER), соединенные между собой через преобразователи энергии, шину постоянного тока и нагрузки постоянного тока. В первичном блоке управления используется механизм управления падением напряжения и двухконтурное пропорционально-интегральное управление (PI) для регулирования напряжения и тока, что обеспечивает стабильную работу и пропорциональное распределение мощности. Вторичное управление использует стратегию, основанную на консенсусе, для координации DER для восстановления напряжения шины и обеспечения точного распределения питания, повышая надежность и эффективность системы. Экспериментальная установка, подробно описанная в этом документе, включает в себя моделирование схем, реализацию аппаратного обеспечения и стратегии управления. Задаются параметры схем и контроллера аппаратной платформы, а результаты можно наблюдать с помощью осциллографических измерений. Для подтверждения эффективности стратегии контроля проводятся две серии экспериментов, демонстрирующих реакцию вторичного контроля с задержкой и без нее. Полученные результаты подтверждают успешное внедрение иерархического управления в микросети. Это исследование подчеркивает важность комплексной экспериментальной платформы для развития технологии микросетей, предоставляя ценную информацию для будущих исследований и разработок.

Введение

В связи с быстрым развитием возобновляемых источников энергии микросети привлекли к себе значительное внимание во всем мире¹. Они позволяют интегрировать распределенные энергетические ресурсы (DER), такие как солнечная фотоэлектрическая энергия (PV), а также системы накопления энергии (ESS) в сеть, тем самым поддерживая переход к устойчивым и возобновляемым источникам энергии. Являясь важнейшим компонентом интеграции возобновляемых источников энергии, микросети постоянного тока привлекли значительное внимание благодаря своей совместимости с присущей постоянному току природе фотоэлектрических систем, батарей и других распределительных энергоресурсов. Работа от постоянного тока снижает потребность в многократном преобразовании энергии, что может повысить общую эффективность и надежность системы. Следовательно, микросети постоянного тока представляют собой многообещающее направление для оптимизации интеграции возобновляемых источников энергии².

Широко признано, что моделирование и экспериментальные исследования имеют решающее значение для развития технологии микросетей. Моделирование позволяет исследователям или инженерам моделировать и анализировать различные сценарии и стратегии управления в виртуальной среде, которая является экономически эффективной и безрисковой. Тем не менее, эксперименты в реальном мире не менее важны, поскольку они подтверждают эти модели и теории, выявляя практические проблемы и динамические поведения, которые моделирование может^{не полностью} охватить. Несмотря на выводы, полученные в результате моделирования, практические эксперименты с микросетями необходимы для решения проблем, возникающих в результате физических реализаций. Эти эксперименты помогают понять эксплуатационные характеристики, динамику управления и взаимодействие между различными компонентами в реальных условиях⁴. Учитывая их меньший масштаб и модульную природу, микросети предлагают более управляемое и масштабируемое решение для проведения этих жизненно важных экспериментальных исследований по сравнению с традиционными крупномасштабными электросетями, которые слишком обширны и сложны для практических экспериментов. Таким образом, проведение физических экспериментов на микросетях имеет важное значение для улучшения нашего понимания и возможностей в этой области.

В типичной микросети постоянного тока различные DER подключаются к шине постоянного тока через преобразователи питания. Такая конфигурация облегчает прямой обмен энергией без необходимости многократного преобразования постоянного тока или переменного тока^{в постоянный 5}. Эти преобразователи энергии регулируют напряжение и ток, обеспечивая эффективную передачу мощности и стабильность. Шина постоянного тока служит центральным узлом, распределяя питание на различные нагрузки, подключенные к системе. Линии электропередачи обеспечивают необходимые пути для потока энергии между DER, преобразователями и нагрузками, поддерживая стабильное и надежное электроснабжение в микросети. Для эффективного управления работой микросети постоянного тока часто используется иерархическая структура управления^. Эта структура обычно делится на три уровня: первичный, вторичный и третичный контроль, каждый из которых имеет свои функции и обязанности.

Первичное управление направлено на немедленное регулирование напряжения и тока в микросети постоянного тока, обеспечивая стабильность и надлежащее распределение тока/мощности между DER. Наиболее распространенным первичным контролем является контроль падения. По сравнению с другими первичными элементами управления, он не требует обмена данными и имеет быстрый отклик. Однако из-за своей характеристики падения давления регулятор может привести к отклонению напряжения и не сможет поддерживать напряжение на номинальном уровне. В то же время, по мере увеличения нагрузки и количества DER, точность распределения тока снижается. Поэтому для восстановления напряжения и регулирования тока необходим дополнительный вторичный контроль. Вторичное управление восстанавливает рабочие точки системы после возмущений и координирует работу первичных контроллеров для регулирования напряжения и тока. Третичное управление оптимизирует экономическую и стратегическую работу микросети, управляя планированием энергопотребления и взаимодействием с основной электросетью⁷.

В недавней литературе освещаются значительные достижения в применении иерархического управления для микросетей постоянного тока, начиная с исследований моделирования и заканчивая программно-аппаратными настройками (HIL) и, в конечном итоге, реальными физическими экспериментами. В первоначальных исследованиях часто использовались инструменты моделирования для разработки и тестирования иерархических алгоритмов управления микросетями постоянного тока. Эти исследования сосредоточены на моделировании динамического поведения микросетей, оптимизации стратегий управления и оценке производительности системы в различных условиях. Среды моделирования, такие как MATLAB/Simulink и PSCAD, широко используются благодаря их гибкости и комплексному набору инструментов для анализа энергосистем⁸. Выходя за рамки простого моделирования, эксперименты HIL обеспечивают более реалистичную среду тестирования за счет интеграции оборудования управления в реальном времени с моделированными моделями микросетей. Такой подход позволяет исследователям проверять алгоритмы управления и оценивать их производительность в условиях, приближенных к реальным. Установки HIL устраняют разрыв между теоретическими исследованиями и практическими реализациями, предлагая ценную информацию о взаимодействии между системами управления и компонентами микросети⁹. Окончательная валидация иерархических стратегий управления достигается путем проведения физических экспериментов на реальных микросетях. Эти эксперименты включают в себя развертывание алгоритмов управления на реальном оборудовании микросетей, включая DER, силовые электронные преобразователи и блоки управления. Физические эксперименты обеспечивают наиболее точную оценку производительности системы, выявляя практические проблемы и эксплуатационные проблемы, которые могут быть неочевидны при моделировании или настройке HIL.

Чтобы обобщить прогресс исследований иерархического управления в микросетях постоянного тока, в таблице 1 представлен обзор ключевых исследований, классифицированных по их экспериментальному подходу. Из вышеупомянутой литературы очевидно, что, хотя в некоторых исследованиях успешно использовались физические платформы микросетей для экспериментов, существует заметный недостаток систематической документации и всестороннего описания этих экспериментальных платформ и их использования, особенно в контексте иерархического управления. Этот разрыв значителен, потому что подробная информация об экспериментальных установках, методологиях и результатах имеет решающее значение для тиражирования исследований, продвижения исследований и содействия практической реализации иерархических стратегий управления в технологиях микросетей. В свете этой потребности данная статья призвана предоставить подробное и систематическое введение в разработку и использование физической экспериментальной платформы для микросетей постоянного тока, уделяя особое внимание иерархическому контролю, чтобы внести ценные идеи и практические рекомендации в текущие исследования в этой области.

В целом, основные результаты этой работы заключаются в следующем. Во-первых, в рамках иерархической стратегии управления в документе подробно разрабатываются необходимые алгоритмы управления и реализации для управления микросетями, в то время как в предыдущих работах эксперименты в основном рассматривались как валидация без дальнейших уточнений. Во-вторых, в соответствии с развертыванием алгоритмов управления, в этой статье также представлена аппаратная настройка и топология компонентов микросети, что повышает воспроизводимость экспериментов по управлению микросетями. В-третьих, создавая масштабируемую экспериментальную платформу, эта статья закладывает основу для будущих исследований микросетей, позволяя в дальнейшем изучать эффективность управления в реальных условиях, таких как задержки связи и колебания нагрузки, тем самым поддерживая разработку более надежных и эффективных стратегий управления.

протокол

В этом разделе мы описываем методы, используемые для разработки и экспериментирования с микросетью постоянного тока, которая включает в себя иерархическое управление, показанное на рисунке 1, реализованное в OPAL RT-Lab (далее именуемой «симулятор»). Протокол разделен на три основных раздела: физическая настройка и моделирование схемы, реализация стратегии управления и экспериментальная настройка симулятора. Отмечается, что данный протокол не охватывает третичную стратегию управления, которая предполагает оптимизацию более высокого уровня и взаимодействие с основной электросетью, выходит за рамки нашей текущей экспериментальной установки, и оставлен для будущих работ.

1. Физическая настройка и моделирование схем

1. Электрическая топология системы
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рассматривая архитектуру схемы микросети постоянного тока, мы приступаем к созданию экспериментальной аппаратной платформы, выполнив следующие этапы.
   1. Построение индивидуального ДЭР
      1. Подключите положительный полюс постоянного тока через провод к входному положительному полюсу понижающей цепи, одновременно подключив соответствующие отрицательные полюса; конкретный преобразователь показан на рисунке 2А. Создание математической модели понижающего преобразователя для упрощения проектирования управляющих параметров для последующих симуляций и экспериментальных установок. Для типичного понижающего преобразователя, как показано на рисунке 3, постройте его уравнения пространства состояний с использованием метода усреднения пространства состояний следующим образом⁵:
              (1)
         где I^L, ^{V C} – ток индуктивности и выходное напряжение соответственно; R, L, C – параметры компонентов в схеме преобразователя; Vⁱⁿ представляет входное напряжение постоянного тока; а d представляет собой рабочий цикл преобразователя постоянного тока. Преобразуйте уравнение ( 1 ) в следующую форму передаточной функции, которая более удобна для проектирования PI-контроллера.
         
              (2)
         Где s представляет оператор Лапласа; G_Id(s) - передаточная функция отношения коэффициента заполнения к току; и G_VI(s) — функция преобразования тока в напряжение.
      2. Построение микросетей с использованием нескольких DER
         1. Повторите процесс построения отдельных DER, как описано выше. При наличии нескольких DER подключите соответствующие положительные и отрицательные выходные клеммы каждой понижающей цепи.
         2. Чтобы смоделировать импеданс линии, вставьте небольшие резисторы последовательно между положительными полюсами каждого DER.
      3. Интеграция нагрузки
         1. Используйте резисторы для моделирования общих нагрузок в микросетях постоянного тока. Для глобальных нагрузок следует напрямую подключать клеммы резистора к точкам слияния положительного и отрицательного полюсов всех DER. При наличии линейного импеданса подключите резисторы на выходе каждой понижающей цепи для имитации локальных нагрузок, как показано на рисунке 2D.
            ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте соединения цепей реализуются с помощью штекерных разъемов, как показано на рисунке 2C.
2. Проектирование и настройка аппаратных схем
   ПРИМЕЧАНИЕ: Аппаратная настройка экспериментальной платформы микросети постоянного тока, соответствующая топологии, показанной на рисунке 1, в основном состоит из следующих этапов:
   1. Конфигурация источника питания постоянного тока
      1. Активируйте блок питания, нажав кнопку питания.
      2. Отрегулируйте напряжение до указанного значения с помощью ручки. Этот источник питания представляет собой источник постоянного тока постоянного напряжения с выходным диапазоном [0 - 300 В] и максимальной мощностью 600 Вт. Включите источник питания в начале эксперимента, нажав на переключатель. Источник питания, используемый в этом эксперименте, показан на рисунке 2B.
   2. Настройка понижающего преобразователя постоянного тока
      1. Направляйте входные и выходные сигналы преобразователя на плату преобразования сигналов и подключайте их к контроллеру аппаратного обеспечения тренажера с помощью сигнальных кабелей.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Эта конфигурация позволяет выводить сигналы тока и напряжения в аналоговой форме и передавать сигналы ШИМ от контроллера для управления преобразователем на уровне цепи.
   3. Проверка шинных и грузовых соединений
      1. Убедитесь, что этот шаг соответствует шагу 1.1.3. Проверьте все соединения на точность и безопасность.

2. Реализация стратегии контроля

1. 2.1. Настройка контроля падения
   1. Создайте модуль управления падением в модуле управления в симуляторе, перетаскивая компоненты, такие как блоки усиления и разностности, как показано на рисунке 4.
   2. Дважды щелкните по модулю «усиление» и установите требуемый коэффициент падения.
2. Двухконтурная настройка PI-управления
   1. Постройте блок-схему управления, перетаскивая компоненты в симуляторе (см. рис. 5).
   2. При выборе коэффициентов усиления ПИ используйте модель передаточной функции понижающего преобразователя в уравнении (2), следуя последовательности проектирования сначала внутренней петли (петли тока), а затем внешней петли (петли напряжения).
      ПРИМЕЧАНИЕ: В двухконтурной схеме управления существует компромисс между быстрым динамическим откликом и точностью распределения мощности, поскольку быстрая регулировка напряжения может поставить под угрозу точность распределения мощности между DER.
3. Построение топологии распределенных коммуникаций
   1. Подавать различные входные сигналы контроллерам каждой DER для реализации распределенного управления в рамках централизованного контроллера тренажера. Например, для DER 1 перетащите сигналы от DER 2 и DER 4 в модуль управления, чтобы обеспечить распределенную связь, как показано в левой части рисунка 6 и на рисунке 7C.
4. Реализация стратегии распределенного вторичного управления
   1. Постройте блок-схему вторичного управления в симуляторе на основе вторичного управления, основанного на консенсусе, как показано на рисунке 6. Отрегулируйте реакцию вторичного элемента управления, изменив усиление управления.

3. Экспериментальная настройка симулятора в реальном времени

Примечание: Конкретная конфигурация эксперимента с симулятором состоит из четырех этапов, как показано на рисунке 8.

1. Инициализация модели
   1. Нажмите кнопку «Редактировать», чтобы изменить программу, работающую на симуляторе. Впоследствии активируйте кнопку SET , чтобы завершить настройку недвижимости в разработке.
2. Составление модели
   1. После завершения редактирования модели нажмите кнопку «Построить », чтобы скомпилировать модель в исполняемый код.
   2. Следите за окном компиляции программного обеспечения до тех пор, пока не появится сообщение «Компиляция успешна». Если произошла ошибка, найдите ошибку на основе запроса и внесите необходимые исправления
3. Настройка управления симулятором в режиме реального времени
   1. После завершения процесса компиляции настройте параметры программного кода, такие как режим симуляции, тип канала связи в реальном времени и другие важные параметры.
4. Загрузка и выполнение программы
   1. Загрузите скомпилированную исполняемую программу в аппаратное обеспечение контроллера и начните эксперимент.
   2. Подсоедините щупы напряжения осциллографа к положительным и отрицательным клеммам каждого выхода DER и зажмите щупы тока на выходных портах. Используйте окно осциллографа для наблюдения за выходными данными каждого DER в микросети.

Результаты

На рисунке 4 показан модуль управления падением в модуле управления, построенном в симуляторе. В основе рабочего проекта лежит следующий механизм поникания:

Механизм управления падением является фун?...

Обсуждение

На рисунке 10 показаны характеристики тока и напряжения системы микросети при вторичном управлении без задержек связи. До момента t₁ система регулируется исключительно первичным управлением, основанным на падении, где очевидно, что напряжен...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Programmable DC  power supply	ITECH	IT-M7700	DC Power Supply
Real-time simulator	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Real-time controller
Oscilloscope	Tektronix	MSO58 5-BW-500	Oscilloscope
			Electrical components such as cables and resistors