电源管理控制器的设计和嵌入式实现Wind-PV-Diesel微型智能电网"系统

文摘

提出了一个实现的实时能量管理系统(EMS)的效率最大化配电系统在一个孤立的混合动力微型智能电网" (hmg)包含光伏模块,风力涡轮机,电池储能系统,柴油发电机(DG)作为备份源。这些系统是全世界进步由于对环境的尊重。然而,杂交的几个来源需要功率流控制(PFC)。出于这个原因,在这个工作中,一个良好的能源管理系统是使用虚拟仪器开发软件在一个合适的平台和嵌入式实时混合能源系统的管理。发达EMS和验证测试通过一个小型应用程序,它准确地代表一个孤立的案例研究清真寺位于摩洛哥的偏远地区。本文的目的是(我)提出一种新的建模方法和实时监控界面下的虚拟仪器软件基于真实数据得到一个最优规模之前用Homer-pro软件和(2)实现功率控制系统在Raspberry-pi3低耗嵌入式平台上。

1。介绍

获取能源现在视为反贫困斗争的核心问题和经济发展。世界人口的比例与电近年来逐渐增加。然而,尽管这些改进,仍有11亿人缺乏基本服务,与这些人的大部分位于非洲。在那些获得电力供应世界上自2010年以来,只有20%生活在农村地区(1]。在摩洛哥,近130万农村人口是电力的剥夺;即。,88902 households do not have access to electricity [2]。大多数农村家庭位于孤立或交通不便的地方,不允许连接到电网由于投资成本是非常大的和在线成为重大损失。也就需要能够安装电气化的基础设施在人烟稀少的地区,远离主网格。

近年来,农村电气化与DG或取得独立的可再生能源,包括太阳能和风能,这被认为是有前途的,以满足日益增长的能源需求,发挥非常重要的作用在清洁能源的生产。然而,可再生能源在很大程度上取决于风速或太阳辐射。为了提供一个连续供应利用这两种能源的互补性质,一种解决方案是杂交的来源类型的微型智能电网"。

HMS被认为是有吸引力和优先选择;的确,微型智能电网"在农村地区的发展可以使电气化村庄远离电网分布与可再生能源(RES)一个更可持续的方式。微型智能电网"系统发展的另一个主要因素是可再生能源的成本大幅下降,这使得这些能量与传统化石燃料竞争。同样,能源存储解决方案目前正在经历重大的发展由于不同技术的提高和降低生产成本。除了可再生能源,hmg也可能包括一个交流配电系统、直流系统、存储系统、电源转换器,负载,压载负载和EMS或监控系统。在大多数情况下,邮政编码包含两个公交车:直流总线为源,直流负载,电池和一个交流公共汽车交流发电机和配电系统。

technoeconomic分析的混合可再生能源系统(人力资源)是高度必须知道它的效率和经济可行性,因此最优规模提出了几种方法在文献[3- - - - - -11]。这些作品在世界各地已经表明,一个人力资源比独立能源系统更经济。然而,可再生能源的间歇性性质需要适当的电源管理以提高整体性能,提高微型智能电网"组件的寿命。因此,充足的能量流的管理人力资源,建立一个监控系统是至关重要的。

各种控制策略和拓扑的自动混合系统已报告在文献[12- - - - - -17]。Mengi和阿特拉斯能源管理技术提出了一种新的光伏/风力/网格可再生能源系统(18];同样,一个评估的三个ems是由(19)来识别最有效的一个。此外,(20.)提出了四个优化技术解决经济调度问题;应用了系统连接,而不是连接到电网。(21]寻求发展microgrid-enabled生产系统的动态能量管理模型。(22,23提出管理架构可替换主体基于集中式和分散式能源。(24)开发一个独立的混合动力系统的协调控制策略,目的是维持在70%和80%之间电池状态和维护DG权力高于其票面价值的40%。同样地,模糊逻辑技术用于制定hmg[叛军控制系统25- - - - - -27]。其他研究人员创建新的管理策略和运营总成本最小化的单机混合能源系统(28,29日]。高通的控制策略,包括基于过滤器下垂控制器实现了(30.]。(31日)提出了一个数学公式的能量管理问题及其实现在一个集中的EMS孤立的微型智能电网"。电网连接的微型智能电网"系统,能源管理旨在减少依赖的主要分布网格微型智能电网" (32- - - - - -35]。

另一方面,研究人员提出了一个微型智能电网"实时电力管理系统(PMS) (36- - - - - -38]。一个先进的实时EMS的微型智能电网"的力量最大化开发可用的RES同时最小化能量消耗和二氧化碳的排放39];另外,多目标微型智能电网"是由电源管理程序36]。(40]开发了技术和经济分析的国内EMS将小型风力发电机和电池储能系统;EMS是表达为一个混合整数非线性规划(适应)和解决由文化算法是一种有效的metaheuristic优化算法。

近年来出现的一个新的研究领域,一直专注于国内能源的管理(41,42]。小说家中EMS碳减排使用无线通信技术在智能电网平稳的电力需求高峰和减少有限公司₂排放是由(43]。同样,三种方法提出了滚动优化的EMS,即混合整数线性规划,持续放松,和模糊逻辑控制器(44]。ZigBee-based能量测量模块是用来监控家用电器的能源消耗和灯45]。同样的,(46)开发了一个分布式multicontrol-center动态功率流算法基于异步迭代计划。

最上面的文章引用的关于电源管理的模拟工作和理论公式;几篇文章提出一个实用的实现。实验评价人力资源的项目经理与氢生产提出了项目基于模糊控制系统考虑负荷的不确定性需求和可再生能源的电力生产的人力资源(47]。在塞尔维亚的EMS实现生产、活动周期的方法,目的是减少能源消耗和有限公司₂(提出的排放48]。(49]目前能源盒概念的上下文中的V2G(汽车电网)技术解决能源管理现代住宅的需求,考虑到可用的基础设施包括microrenewable能源形式的太阳能和风能。一个实时负荷管理控制不可预知的住宅开发负载(50];发达的ARM cortex - a9处理器上实现控制ZYNQ设备。同样,监督项目经理提出了一种混合动力微型智能电网"与赫斯的(51]。

在本文中,我们考虑一个清真寺的案例研究位于摩洛哥的山区。首先,我们做一个最优规模确定能源的最佳组合。然后,我们执行一个使用虚拟仪器软件设计和造型。最后,我们进行实验评估的PMS实时平台上树莓3配备一个微处理器ARMv8, 1.2 GHz 64位四核。

这项工作的目的是实现一个最优配置的混合PV-wind-diesel;监督系统的功能确保一个安全、可靠、高效运行的微型智能电网";和实时PMS的实现来验证RES的影响变化的进化系统。

本文的贡献(我)可行性研究的邮政编码基于PV,风力发电机,柴油发电机使用实际的太阳辐射和风速数据权力清真寺位于摩洛哥的一个孤立的网站(2)建模的微型智能电网"建立一个监督仪表板监控下的进化系统的虚拟仪器软件(3)PMS嵌入式RPI3平台上的实现

2。研究了系统

能源系统研究是一个独立的混合动力系统,包含RES(光伏电池板和风力涡轮机)关联到一个备用柴油发电机和蓄电池。这个AC / DC微型智能电网"的结构如图1。PV和电池连接到直流总线和风力涡轮机;GD和负载连接到交流总线在另一边。

3所示。上浆的邮政编码

在这项研究中,我们选择一个孤立的负载在实际操作条件。这是一座清真寺位于摩洛哥的中心(33 45°11N纬度;04°3057W经度),每天负荷77千瓦小时/天;的消费和描述的细节主要经济模型中使用的输入数据定义的最优规模的不同组件混合能源系统给出了表1和表2,分别。

每日的负载如图2。在这部作品中,负荷建模的需求每小时。

为了供应这个负载,需要确定最优系统之间的各种可能的组合(柴油,PV-diesel、wind-diesel PV-wind-diesel)。出于这个原因,进行了混合动力系统的分级与HOMER-Pro软件,25年的项目生命周期,使用实际的太阳辐射数据,风速、和经济数据的各种组件。

4所示。建模的系统

4.1。光伏模块

光伏输出功率取决于入射太阳辐射、每小时输出功率的光伏面板在任何时间使用下面的公式计算: 在哪里是光伏阵列所提供的标准测试条件下(STC)(千瓦)是降额因子的数目(%),太阳辐射事件在光伏阵列在当前时间步(千瓦/ m²),是入射辐射在标准电话(1千瓦/ m²)。

图3显示组光伏电池板的输出功率配置文件大小在这项研究中:

4.2。风力发电机模型

在一个特定的网站,提供的输出功率风力涡轮机取决于风力发电机的功率曲线(WTPC)和风速中心高度 。风力发电机的功率曲线用于这项工作图所示4和风速中心高度使用下面的公式计算: 在哪里在风速仪风速高度(米/秒)源自于风速数据(图5), 风力涡轮机的中心高度(米), 风速计的高度(m),表面粗糙度长度(米)。

图5显示了风速剖面和电力供应风力涡轮机的典型的一天。

4.3。电池建模

最优系统时发现尺寸包含一个蓄电池提供必要的权力时,靓不足以满足负载需求,当然,如果电池充电的量就足够了。它是由下列方程计算: 在哪里电池充电时间吗 , 电池充电时间吗 , 是存储的电荷数量在时间吗 , 的总能量是由电池提供时间 , 电池充电效率,是逆变器充电效率。

电池的电荷状态(SOC)取决于负载的要求和提供的权力,它是计算使用以下方程:(我)对于充电模式, (2)的放电模式, 在哪里电池的电荷状态在时间吗 , 就是力量交换在时间步 , 电池充电效率,电池放电效率,电池额定容量。

4.4。柴油发电机的建模

在这项研究中使用的柴油发电机是最大功率的发电机组类型的10千瓦;它的功能是将产生的力量区别力量RES和电池放电时的负荷曲线;它总是接近额定功率工作,增加它的生命周期和减少排放和消费。这个消费是由以下方程: 在哪里和是图中给出的直线的系数6。和输出功率和总干事的标称功率,分别。

5。能源管理系统

5.1。提出基于功率流控制能源管理方案

能源管理在一个微型智能电网"的方式分配能源不同组件之间和在所有气候条件来满足负载的要求。摘要微型智能电网"绝缘,由几个电源;控制系统必须确保负载的最大供应的RES(风力发电机、光伏)。

EMS在本文提出的图如图7。它允许控制不同组件之间的能量流和为用户显示指标。控制系统的主要任务可以概括如下:(我)能量流控制(一)满足负载的要求(b)避免电力供应中断(c)防止电池深放电和过载(d)柴油发电机的自动启动和停止(e)连接和断开压载加载时自动产生的多余的能量RES(2)监督(一)通知用户,如果光伏和风力涡轮机产生的力量是否足够(b)通知用户,如果电力供应系统的负载和能量(c)表明DG是否运行或停止(d)显示电池的SOC和指示是否插(e)指示是否压载负载连接

5.2。电源管理算法

经前综合症的目的是确保供应的负载。以满足在前一节中定义的规范算法如图8。它是基于5模式:(我)光伏模式( ):电源提供的pv足以供给负载。这种模式是最重要的在我们的例子中,如果它被激活,光伏电池板产生的力量大于请求的负载的功率;在这种情况下,负载是由pv和风力涡轮机是断开如果电池充电( ; )或者充电 (2)风模式( 和 ):提供的电力电源的风力涡轮机是充分的。这种模式被激活,如果电源提供的pv是不够的。负载是由风力涡轮机。pv负载电池如果 否则他们断开连接(3)光伏/风力混合模式( 和 和 ):负载是由两个靓(风能和太阳能)。这种模式是如果第一个不激活两种模式。在这种情况下,如果剩下的电池充电的力量 。否则,其他权力提要压载负载(iv)光伏/风力/电池混合模式( 和 和 和 ):在这种情况下,靓不能够确保负载的要求;电池确保权力的缺乏(v)光伏/风力/柴油混合动力模式( 和 和 和 ):负载不能由两个靓(风能和太阳能)和电池放电。这种模式被激活,如果前面的模式不是激活;在这种模式下,启动DG完成缺乏活力

5.3。虚拟仪器代码控制功率流的微型智能电网"

仿真步骤实施之前必须执行。在这项研究中,物流的操作是使用虚拟仪器测试软件,对一个典型的一天。图9显示了电源管理程序,包括3部分:(我)系统的输入(图:加载配置文件2),生成的pv(图3),由风力涡轮机(图5),电池的SOC每一分钟时间空间(2)控制器:对应于操作定义的算法如图8(3)系统输出:对应于致动器和显示器显示每个源和负载的状态(仪表板)。

6。硬件实现

上浆后人力资源来证明PV-wind-diesel系统的选择上,我们开发了一个管理算法和我们进行了成功的模拟在虚拟仪器,使用真实的辐射和风速数据。模拟显示这样一个系统的可行性。

在本节中,我们实现了能量控制系统在嵌入式平台上树莓等3。图10显示了整个电气方案。电源和负载连接到通过Arduino树莓。覆盆子别针将控制继电器的一部分,是直接连接到源,和其他别针将控制不同的负载。

6.1。树莓

树莓3 (RPI3)是一个开放的硬件平台,是一种低成本的基于arm的手掌大小的电脑,有一个四核1.2 GHz处理器,1 GB的RAM内存,4 USB、以太网10/100,GPIO, HDMI和复合视频输出,和SD卡插槽。零售物价指数小,消耗5 V电1电流由于能耗少的树莓。

它允许执行一些变异的免费的GNU / Linux操作系统和软件兼容。我们选择了Raspbian分布Linux嵌入式操作系统。编程是使用Python语言的愿望是一种结构化和面向对象的编程语言。具有动态类型、自动内存管理和异常管理系统。

6.2。继电器

继电器电路设计能够切换不同的来源,根据程序执行的覆盆子,这意味着该算法。为实现这一,我们使用ISIS软件如图11。

四个继电器的线圈是由5 V销零售物价指数和群众由晶体管2 n2222孤立。每个继电器对应于一个电源和控制发送零售物价指数。电流通过晶体管的基础,然后继电器的线圈是精力充沛;这将使它可以使用选择的能量来源。

伊希斯验证电路的操作后,我们意识到印刷电路用阿瑞斯软件。因此,我们得到的印刷电路显示在图12。

6.3。负载控制电路

测试管理程序实际上,我们把灯系统负载和风扇作为压载负载。控制电路控制实现这些指控。图13显示了对伊西斯和图的图14阿瑞斯展示了它的实现。

6.4。Arduino

宪法是一个电路,其主要是一个单片机,可以被编程来执行不同的任务。其编程使用Arduino集成开发环境,这是一个自由和跨平台的Java应用程序,它可以用作一个代码编辑器和编译器,并可以通过串行传输固件和程序链接(rs - 232、蓝牙、或USB取决于模块)。

在我们的例子中,电源管理程序已经在树莓上实现;然而,零售物价指数不包含任何模拟输入,所以我们用Arduino将模拟数据收到电源数字值。因此,将开发两个程序,一个用于覆盆子(管理)和一个用于Arduino数据传输。

7所示。结果与讨论

7.1。分级结果

图15显示所有可能的组合的比较从经济和生态角度(现在净成本和温室气体排放的数量)。这个图显示的利益使用邮政编码的现状相比,柴油发电机。混合PV-wind-diesel系统(社署给予残疾人士)会产生更好的结果比PV-diesel系统(PDS) wind-diesel系统(WDS)和diesel-only系统(DS)。

分级结果使用Homer-pro软件显示最优系统是一个混合系统基于5 kW板,风力涡轮机的3成为朝鲜劳动党和10 kW发电机组备用柴油发电机,结合通用千瓦时锂离子1千瓦时蓄电池和莱昂s219cph 5 kW 48伏直流双向转换器(BDI 1 p)。

进一步的信息在系统中输入和其他结果中发现的这个尺寸可以52]。

7.2。模拟结果

为了测试和监控微型智能电网"性能在实际情况下,模拟研究是使用虚拟仪器软件完成的。仿真结果主要包括2部分:用户界面实现形式的仪表板,允许用户看到的微型智能电网"每一分钟。如图16,它是由(我)两个表:表1包含负载的实际值以及可再生能源的权力和表2显示的结果模拟值和它们的执行时间以及日期(2)4个led指示是否加载驱动,电池连接与否,总干事是打开或关闭,压载负载提要(3)电池的SOC水平(iv)5显示显示每个能源的状态和负载的需要在程序的执行;用户可以看到权力的演化曲线。我们使用内存振荡器为24小时获得结果

图17显示了动力提供的各种能源。可以看到,它对应于所需的负荷曲线。数据18和19代表提供的力量进化风力发电机和光伏电池板,分别。

图20.显示了柴油发电机的状态;这是白天开始的3倍。

7.3。实验结果

图21显示第一个设置我们的微型智能电网";它是一个模型实现适度的个人意思。我们使用电位器改变能源提供的权力故意可视化实时变化的影响。同样,对于负载,我们花了5个灯和风扇作为压载负载。

Arduino接收功率值所提供的电源和电池(电位计);它处理模拟数字转换,然后转移到RPI3,电源管理程序执行,对负荷根据图的流程图8。

8。结论和未来的工作

提出了一个实现的实时能量管理系统(EMS)的效率最大化电力分布在一个微型智能电网"。离网的网格服务负载混合可再生能源系统由光伏组件、电池储能系统、柴油发电机和风力涡轮机。此外,一个合适的功率流控制是使用虚拟仪器开发软件和嵌入在一个合适的平台实时混合能源系统的管理。发达EMS和验证测试通过一个小型应用程序,它准确地代表一个孤立的案例研究清真寺位于摩洛哥的偏远地区。

这个系统可以引入一个微型智能电网"监控它的组件。系统实现和配备监督仪表板,允许用户监控混合系统的演变。在未来,这些电力系统将能够利用清洁能源和可再生能源。

在硬件实现中,我们使用了电位器改变RES权力和负荷曲线;在接下来的工作中,我们将取代这些电位器与电流和电压传感器使用真正的电池板和风力涡轮机。同时,监测和控制技术必须开发可再生能源系统中减少能源消耗。目前,我们正在开发一个远程监控系统和控制接口,允许用户看到的权力变化和电池的状态,因此远程电源控制。为此,我们创建了一个托管服务器以及它的配置;因此,我们安装了PHP语言和APACHE web服务器命名为了与RPI3使用其IP地址和从远处来控制它。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现没有可用的,因为他们是保密的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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