DC Mikro Şebekelerde Hiyerarşik Kontrolün Gerçek Zamanlı Simülatör Kullanılarak Deneysel Olarak İncelenmesi

Bu makale, bir simülatör olan OPAL RT-Lab'da uygulanan hiyerarşik kontrole sahip bir DC mikro şebekesini sunmaktadır. Devre modellemesini, birincil ve ikincil kontrol stratejilerini ve deneysel doğrulamayı detaylandırır. Sonuçlar, mikro şebeke araştırma ve geliştirme için sağlam bir deneysel platformun önemini vurgulayan etkili kontrol performansını göstermektedir.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının yükselişi, fotovoltaik panelleri, pil depolama sistemlerini ve diğer DC yük çözümlerini entegre etmek için çok uygun olan mikro şebekelerin, özellikle DC varyantlarının önemini vurgulamıştır. Bu makale, bir simülatör olan OPAL RT-Lab'da uygulanan hiyerarşik kontrole sahip bir DC mikro şebekesinin geliştirilmesini ve denenmesini sunmaktadır. Mikro şebeke, güç dönüştürücüler, bir DC bara ve DC yükler aracılığıyla birbirine bağlanan dağıtılmış enerji kaynaklarını (DER'ler) içerir. Birincil kontrol, voltaj ve akımı düzenlemek, kararlı çalışma ve orantılı güç paylaşımı sağlamak için bir sarkma kontrol mekanizması ve çift döngülü Oransal İntegral (PI) kontrol kullanır. İkincil kontrol, bara voltajını geri yüklemek ve doğru güç paylaşımını sağlamak, sistem güvenilirliğini ve verimliliğini artırmak için DER'leri koordine etmek için fikir birliğine dayalı bir strateji kullanır. Bu yazıda detaylandırılan deney düzeneği, devre modellemesi, donanım uygulaması ve kontrol stratejilerini içerir. Donanım platformunun devre ve denetleyici parametreleri belirtilir ve sonuçlar osiloskop ölçümleri ile gözlemlenebilir. Kontrol stratejisinin etkinliğini doğrulamak için ikincil kontrol yanıtını gecikmeli ve gecikmesiz olarak gösteren iki deney seti yapılmıştır. Sonuçlar, mikro şebekede hiyerarşik kontrolün başarılı bir şekilde uygulandığını doğrulamaktadır. Bu çalışma, mikro şebeke teknolojisini ilerletmek için kapsamlı bir deneysel platformun önemini vurgulayarak gelecekteki araştırma ve geliştirme için değerli bilgiler sağlar.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının hızla gelişmesiyle birlikte, mikro şebekeler küresel olarak büyük ilgi görmüştür¹. Güneş fotovoltaikleri (PV) gibi dağıtılmış enerji kaynaklarının (DER'ler) enerji depolama sistemleri (ESS'ler) ile birlikte şebekeye entegrasyonunu sağlayarak sürdürülebilir ve yenilenebilir enerjiye geçişi destekler. Yenilenebilir enerjinin entegrasyonunda kritik bir bileşen olan DC mikro şebekeler, PV sistemlerinin, pillerin ve diğer DER'lerin doğal DC doğasıyla uyumlulukları nedeniyle büyük ilgi görmüştür. DC çalışması, genel sistem verimliliğini ve güvenilirliğini artırabilen çoklu enerji dönüşümü ihtiyacını azaltır. Sonuç olarak, DC mikro şebekeleri, yenilenebilir enerji entegrasyonunu optimize etmek için umut verici bir yol sunmaktadır².

Simülasyon ve deneysel çalışmaların mikro şebeke teknolojisini ilerletmek için çok önemli olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir. Simülasyonlar, araştırmacıların veya mühendislerin çeşitli senaryoları modellemesine ve analiz etmesine ve sanal bir ortamda stratejileri kontrol etmesine olanak tanır, bu da uygun maliyetli ve risksizdir. Bununla birlikte, gerçek dünya deneyleri, bu modelleri ve teorileri doğruladığı, simülasyonların tam olarak yakalayamayacağı pratik zorlukları ve dinamik davranışları ortaya çıkardığı için eşit derecede önemlidir³. Simülasyonlardan elde edilen içgörülere rağmen, fiziksel uygulamalardan kaynaklanan sorunları ele almak için mikro şebekeler üzerinde pratik deneyler gereklidir. Bu deneyler, gerçek dünya ortamında operasyonel özelliklerin, kontrol dinamiklerinin ve farklı bileşenler arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasına yardımcı olur⁴. Daha küçük ölçekli ve modüler yapıları göz önüne alındığında, mikro şebekeler, pratik deneyler için çok kapsamlı ve karmaşık olan geleneksel büyük ölçekli elektrik şebekelerine kıyasla bu hayati deneysel çalışmaları yürütmek için daha yönetilebilir ve ölçeklenebilir bir çözüm sunar. Bu nedenle, mikro şebekeler üzerinde fiziksel deneyler yapmak, bu alandaki anlayışımızı ve yeteneklerimizi geliştirmek için çok önemlidir.

Tipik bir DC mikro şebekede, çeşitli DER'ler güç dönüştürücüler aracılığıyla bir DC bara bağlanır. Bu kurulum, birden fazla DC-DC veya AC-DC dönüşümüne gerek kalmadan doğrudan güç alışverişini kolaylaştırır⁵. Bu güç dönüştürücüler, voltajı ve akımı düzenleyerek verimli güç aktarımı ve kararlılığı sağlar. DC bara, sisteme bağlı çeşitli yüklere gücü dağıtan merkezi düğüm görevi görür. İletim hatları, DER'ler, dönüştürücüler ve yükler arasındaki güç akışı için gerekli yolları sağlayarak mikro şebeke içinde istikrarlı ve güvenilir bir güç kaynağı sağlar. Bir DC mikro şebekenin çalışmasını etkin bir şekilde yönetmek için genellikle hiyerarşik bir kontrol yapısı kullanılır⁶. Bu yapı genellikle üç seviyeye ayrılır: birincil, ikincil ve üçüncül kontrol, her biri farklı işlev ve sorumluluklara sahiptir.

Birincil kontrol, DC mikro şebeke içindeki voltaj ve akımın anında düzenlenmesine odaklanarak DER'ler arasında kararlılık ve uygun akım/güç paylaşımı sağlar. En yaygın birincil kontrol sarkma kontrolüdür. Diğer birincil kontrollerle karşılaştırıldığında, iletişimsizdir ve hızlı bir yanıta sahiptir. Bununla birlikte, düşme özelliği nedeniyle, düşme kontrolü voltaj sapmasına neden olabilir ve voltajı nominal değerde tutamaz. Aynı zamanda, yük ve DER sayısı arttıkça, akım paylaşımının doğruluğu azalır. Bu nedenle, voltaj restorasyonu ve akım regülasyonu için ek ikincil kontrol gereklidir. İkincil kontrol, bozulmalardan sonra sistem çalışma noktalarını geri yükler ve voltaj ve akım regülasyonu için birincil kontrolörleri koordine eder. Üçüncül kontrol, mikro şebekenin ekonomik ve stratejik çalışmasını optimize eder, enerji planlamasını ve ana güç şebekesi ile etkileşimleri yönetir⁷.

Son literatür, DC mikro şebekeler için hiyerarşik kontrol uygulamasında, simülasyon çalışmalarından döngü içi donanım (HIL) kurulumlarına ve nihayetinde gerçek dünya fiziksel deneylerine ilerleyen önemli ilerlemeleri vurgulamaktadır. İlk araştırma çalışmalarında genellikle DC mikro şebekeler için hiyerarşik kontrol algoritmaları geliştirmek ve test etmek için simülasyon araçları kullanılmıştır. Bu çalışmalar, mikro şebekelerin dinamik davranışının modellenmesine, kontrol stratejilerinin optimize edilmesine ve çeşitli koşullar altında sistem performansının değerlendirilmesine odaklanmaktadır. MATLAB/Simulink ve PSCAD gibi simülasyon ortamları, esneklikleri ve güç sistemi analizi için kapsamlı araç setleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır⁸. Saf simülasyonların ötesine geçen HIL deneyleri, gerçek zamanlı kontrol donanımını simüle edilmiş mikro şebeke modelleriyle entegre ederek daha gerçekçi bir test ortamı sağlar. Bu yaklaşım, araştırmacıların kontrol algoritmalarını doğrulamasına ve performanslarını gerçeğe yakın koşullar altında değerlendirmesine olanak tanır. HIL kurulumları, teorik çalışmalar ve pratik uygulamalar arasındaki boşluğu doldurarak, kontrol sistemleri ve mikro şebeke bileşenleri arasındaki etkileşime dair değerli bilgiler sunar⁹. Hiyerarşik kontrol stratejilerinin nihai doğrulaması, gerçek mikro şebeke kurulumları üzerinde yapılan fiziksel deneylerle elde edilir. Bu deneyler, DER'ler, güç elektroniği dönüştürücüleri ve kontrol üniteleri dahil olmak üzere gerçek mikro şebeke donanımı üzerinde kontrol algoritmalarının konuşlandırılmasını içerir. Fiziksel deneyler, sistem performansının en doğru değerlendirmesini sağlayarak, simülasyonlarda veya HIL kurulumlarında belirgin olmayabilecek pratik zorlukları ve operasyonel sorunları ortaya çıkarır.

DC mikro şebekelerde hiyerarşik kontrol araştırmalarının ilerlemesini özetlemek için, Tablo 1 , deneysel yaklaşımlarına göre kategorize edilmiş temel çalışmalara genel bir bakış sunmaktadır. Yukarıda bahsedilen literatürden, bazı çalışmaların deney için fiziksel mikro şebeke platformlarını başarılı bir şekilde kullanmasına rağmen, bu deneysel platformların ve özellikle hiyerarşik kontrol bağlamında kullanımlarının sistematik dokümantasyonu ve kapsamlı açıklamaları konusunda kayda değer bir eksiklik olduğu açıktır. Bu boşluk önemlidir, çünkü deney kurulumları, metodolojiler ve sonuçlar hakkında ayrıntılı bilgi, çalışmaları tekrarlamak, araştırmayı ilerletmek ve mikro şebeke teknolojilerinde hiyerarşik kontrol stratejilerinin pratik uygulamasını kolaylaştırmak için çok önemlidir. Bu ihtiyacın ışığında, bu makale, bu alanda devam eden araştırmalara değerli içgörüler ve pratik kılavuzlar katmak için hiyerarşik kontrole odaklanan, DC mikro şebekeler için fiziksel bir deney platformunun geliştirilmesi ve kullanımına ayrıntılı ve sistematik bir giriş sağlamayı amaçlamaktadır.

Özetle, bu makalenin başlıca katkıları aşağıdaki gibidir. İlk olarak, hiyerarşik kontrol stratejisi çerçevesi altında, makale, mikro şebeke kontrolü için gerekli kontrol algoritmalarını ve uygulamalarını ayrıntılı olarak detaylandırırken, önceki çalışmalar çoğunlukla deneyleri daha fazla ayrıntıya girmeden doğrulama olarak ele almıştır. İkinci olarak, kontrol algoritmalarının konuşlandırılmasına paralel olarak, bu makale aynı zamanda mikro şebeke bileşenlerinin donanım kurulumunu ve topolojisini sağlayarak mikro şebeke kontrol deneylerinin tekrarlanabilirliğini artırır. Üçüncüsü, ölçeklenebilir bir deneysel platform oluşturarak, bu makale, mikro şebekeler üzerine gelecekteki araştırmaların temelini atmakta, iletişim gecikmeleri ve yük değişimleri gibi gerçek dünya koşulları altında kontrol performansının daha fazla araştırılmasına olanak tanımakta ve böylece daha sağlam ve verimli kontrol stratejilerinin geliştirilmesini desteklemektedir.

Bu bölümde, OPAL RT-Lab'da (bundan böyle "simülatör" olarak anılacaktır) uygulanan, Şekil 1'de gösterilen hiyerarşik kontrolü içeren bir DC mikro şebeke geliştirmek ve denemek için kullanılan yöntemleri özetliyoruz. Protokol üç ana bölüme ayrılmıştır: Fiziksel Kurulum ve Devre Modellemesi, Kontrol Stratejisi Uygulaması ve Simülatör Deney Kurulumu. Bu protokolün, daha üst düzey optimizasyon ve ana güç şebekesi ile etkileşimi içeren üçüncül kontrol stratejisini kapsamadığı, mevcut deney kurulumumuzun kapsamı dışında olduğu ve gelecekteki çalışmalara bırakıldığı belirtilmektedir.

1. Fiziksel kurulum ve devre modelleme

1. Sistem elektrik topolojisi
   NOT: DC mikro şebeke sistem devre mimarisini göz önünde bulundurarak, aşağıdaki adımlarla donanım deney platformunun inşasına devam ediyoruz.
   1. Bireysel bir DER'in inşası
      1. DC akımının pozitif kutbunu bir kablo aracılığıyla buck devresinin giriş pozitif kutbuna bağlayın ve aynı anda karşılık gelen negatif kutupları bağlayın; spesifik dönüştürücü Şekil 2A'da gösterilmiştir. Sonraki simülasyonlar ve deney kurulumları için kontrol parametrelerinin tasarımını kolaylaştırmak için kova dönüştürücü için matematiksel bir model oluşturun. Şekil 3'te gösterildiği gibi tipik bir kova dönüştürücü için, durum uzayı denklemlerini aşağıdaki gibi durum uzayı ortalama yöntemini kullanarak oluşturun:⁵:
              (1)
         Burada ^{I, L}, V^C sırasıyla indüktör akımı ve çıkış voltajıdır; R, L, C, dönüştürücü devresindeki bileşen parametreleridir; V^girişi, giriş DC voltajını temsil eder; ve d, DC-DC dönüştürücünün görev döngüsünü temsil eder. Denklemi (1) bir PI kontrolörünün tasarımı için daha uygun olan aşağıdaki transfer fonksiyonu formuna dönüştürün.
         
              (2)
         Burada s, Laplace operatörünü temsil eder; G_Id(ler), görev oranının akıma transfer fonksiyonudur; ve G_VI(s), akımın gerilime aktarma fonksiyonudur.
      2. Birden fazla DER kullanarak mikro şebeke yapımı
         1. Yukarıda açıklandığı gibi tek tek DER'ler oluşturma işlemini tekrarlayın. Birden fazla DER yerindeyken, her bir kova devresinin karşılık gelen pozitif ve negatif çıkış terminallerini bağlayın.
         2. Hat empedansını simüle etmek için, her bir DER'in pozitif kutupları arasına seri olarak küçük dirençler yerleştirin.
      3. Yük tümleştirmesi
         1. DC mikro şebekelerdeki yaygın yükleri simüle etmek için dirençler kullanın. Küresel yükler için, direncin terminallerini doğrudan tüm DER'lerin pozitif ve negatif kutuplarının birleşme noktalarına bağlayın. Hat empedansı mevcut olduğunda, Şekil 2D'de gösterildiği gibi yerel yükleri simüle etmek için her bir kova devresinin çıkışına dirençler bağlayın.
            NOT: Bu deneyde devre bağlantıları, Şekil 2C'de gösterildiği gibi geçmeli konektörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
2. Donanım devresi tasarımı ve kurulumu
   NOT: Şekil 1'deki topolojiye karşılık gelen DC mikro şebeke deney platformunun donanım kurulumu temel olarak aşağıdaki adımlardan oluşur:
   1. DC güç kaynağı yapılandırması
      1. Güç düğmesine basarak güç kaynağını etkinleştirin.
      2. Düğmeyi kullanarak voltajı belirtilen değere ayarlayın. Bu güç kaynağı, [0 - 300 V] çıkış aralığına ve maksimum 600 W güce sahip sabit voltajlı bir DC kaynağıdır. Deneyin başında anahtara basarak güç kaynağını başlatın. Bu deneyde kullanılan güç kaynağı Şekil 2B'de gösterilmiştir.
   2. DC-DC kova dönüştürücü kurulumu
      1. Dönüştürücünün giriş ve çıkış sinyallerini bir sinyal dönüştürme kartına yönlendirin ve bunları sinyal kabloları aracılığıyla simülatör donanım denetleyicisine bağlayın.
         NOT: Bu kurulum, dönüştürücüyü devre seviyesinde sürmek için akım ve gerilim sinyallerinin analog biçimde çıkışına ve PWM sinyallerinin kontrolörden iletilmesine izin verir.
   3. Bus ve yük bağlantılarının doğrulanması
      1. Bu adımın Adım 1.1.3 ile uyumlu olduğundan emin olun. Tüm bağlantıları doğruluk ve güvenlik açısından inceleyin.

2. Kontrol stratejisinin uygulanması

1. 2.1.Sarkma kontrol yapılandırması
   1. Şekil 4'te gösterildiği gibi kazançlar ve fark blokları gibi bileşenleri sürükleyip bırakarak simülatör içindeki kontrol modülünde droop kontrol modülünü oluşturun.
   2. 'Kazanç' modülüne çift tıklayın ve düşme katsayısını gerektiği gibi ayarlayın.
2. Çift döngülü PI kontrol kurulumu
   1. Simülatördeki bileşenleri sürükleyip bırakarak kontrol bloğu diyagramını oluşturun (bkz. Şekil 5).
   2. PI kontrol kazançlarını seçerken, önce iç döngüyü (akım döngüsü) ve ardından dış döngüyü (voltaj döngüsü) tasarlama sırasını takip ederek Denklem (2)'deki kova dönüştürücünün transfer fonksiyonu modelini kullanın.
      NOT: Hızlı voltaj ayarlamaları, DER'ler arasındaki güç dağıtımının hassasiyetini tehlikeye atabileceğinden, çift döngülü kontrol şemasında hızlı dinamik yanıt ile güç paylaşımı doğruluğu arasında bir denge vardır.
3. Dağıtık iletişim topolojisinin oluşturulması
   1. Merkezi simülatör denetleyicisi içinde dağıtılmış kontrol uygulamak için her DER'in denetleyicilerine farklı giriş sinyalleri sağlayın. Örneğin, DER 1 için, Şekil 2'nın sol tarafında ve Şekil 4C'de gösterildiği gibi, dağıtılmış iletişimi etkinleştirmek için DER 6 ve DER 7'ten gelen sinyalleri kontrol modülüne sürükleyin.
4. Dağıtılmış ikincil kontrol stratejisinin uygulanması
   1. Şekil 6'da gösterildiği gibi, fikir birliğine dayalı ikincil kontrole dayalı olarak simülatörde ikincil kontrol bloğu diyagramını oluşturun. Kontrol kazançlarını değiştirerek ikincil kontrol yanıtını ayarlayın.

3. Gerçek zamanlı simülatör deney düzeneği

NOT: Simülatör deneyinin özel konfigürasyonu, Şekil 8'de gösterildiği gibi dört adımdan oluşur.

1. Model başlatma
   1. Simülatörde çalışan programı değiştirmek için Düzenle düğmesine tıklayın. Ardından, geliştirme özelliği ayarlarını tamamlamak için SET düğmesini etkinleştirin.
2. Model derleme
   1. Model düzenlemeyi tamamladıktan sonra, modeli yürütülebilir koda derlemek için Oluştur düğmesine tıklayın.
   2. 'Derleme Başarılı' mesajı görünene kadar yazılım derleme penceresini izleyin. Bir hata oluşursa, komut istemine göre hatayı bulun ve gerekli düzeltmeleri yapın
3. Simülatör gerçek zamanlı kontrol yapılandırması
   1. Derleme işleminin tamamlanmasının ardından, Simülasyon modu, gerçek zamanlı iletişim bağlantı türü ve diğer ilgili parametreler gibi program kodu ayarlarını yapılandırın.
4. Program indirme ve yürütme
   1. Derlenmiş yürütülebilir programı denetleyici donanımına indirin ve deneyi başlatın.
   2. Osiloskopun voltaj problarını her bir DER çıkışının pozitif ve negatif terminallerine bağlayın ve clamp akım probları çıkış portlarında. Mikro şebekedeki her bir DER'den gelen çıkışı gözlemlemek için osiloskop penceresini kullanın.

Şekil 4, simülatör içinde inşa edilen kontrol modülündeki sarkma kontrol modülünü göstermektedir. Detaylı tasarım, aşağıdaki sarkma mekanizmasına dayanmaktadır:

Sarkma kontrol mekanizması, DC mikro şebekelerde merkezi olmayan birincil kontrol için temel bir stratejidir. Yükleri farklı DER'ler arasında orantılı olarak paylaşmak için AC sis...

Şekil 10, mikro şebeke sisteminin iletişim gecikmeleri olmadan ikincil kontrol altında akım ve voltaj tepkilerini göstermektedir. T₁ zamanından önce, sistem yalnızca voltajın 48 V'luk nominal değerde stabilize olamayacağı ve akım dağılımının nispeten kesin olmadığı açık olan düşme tabanlı birincil kontrol tarafından düzenlenir. İkincil kontrol t 1 zamanında etkinleştirildiğinde, voltaj t<...

Yazarların açıklanacak herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Bu çalışma kısmen 62103308 ve 62073247. Hibe kapsamında Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından, kısmen 2042023kf0095 Hibe kapsamında Merkezi Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından, kısmen 2024AFB719 ve JCZRQN202500524 kapsamında Çin'in Hubei Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı tarafından, kısmen WHU-2022-SYJS-10 Hibe kapsamında Wuhan Üniversitesi Deney Teknolojisi Proje Finansmanı ile desteklenmiştir. ve kısmen CPSF'nin Doktora Sonrası Burs Programı tarafından GZC20241269 No'lu Hibe kapsamında.