DE202022102389U1

DE202022102389U1 - A system for controlling multiple renewable energy sources to share energy in an island-like DC microgrid

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Publication number: DE202022102389U1
Application number: DE202022102389.1U
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Priority date: 2022-05-03
Filing date: 2022-05-03
Publication date: 2022-05-09
Anticipated expiration: 2032-05-04

Abstract

Ein DC-Hybrid-Mikronetzsystem, das System umfasst:
mindestens eine oder mehrere der Stromerzeugungsquellen (102), die aus Windturbinen (WT), Photovoltaik (PV) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgewählt sind, gekoppelt mit einem Regler (104) zur Nachführung des maximalen Leistungspunktes, um mindestens eine oder mehrere der Stromerzeugungsquellen (102) mit maximaler Leistung unter wechselnden Umweltbedingungen laufen zu lassen;
einen zweistufigen DC-DC-Aufwärtswandler (106), der in Reihe geschaltet ist, wobei ein DC-DC-Aufwärtswandler der ersten Stufe direkt mit erneuerbaren Energiequellen für die MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking) verbunden ist, während ein DC-DC-Aufwärtswandler der zweiten Stufe den für die Leistungsflussregelung erforderlichen Ausgangsspannungspegel regelt; und
einen Gleichstrombus (110), der mit den zweistufigen Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandlern (106) und einem bidirektionalen Gleichstrom-Gleichstrom-Abwärtswandler (112) verbunden ist, um eine Batteriebank (114) zu laden, wobei der Gleichstrombus (110) ferner mit der Gleichstrom-Last (118)/Wechselstrom-Last (122) verbunden ist, um ununterbrochenen elektrischen Strom zu liefern.

A DC hybrid microgrid system, the system includes:
at least one or more of the power generation sources (102) selected from wind turbines (WT), photovoltaics (PV) and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) coupled with a controller (104) for tracking the maximum power point to at least one or more of the operate power generation sources (102) at maximum capacity under changing environmental conditions;
a two-stage DC-DC boost converter (106) connected in series, with a first stage DC-DC boost converter directly connected to renewable energy sources for MPPT (Maximum Power Point Tracking) control, while a DC-DC -Second stage boost converter regulates output voltage level required for power flow control; and
a DC bus (110) connected to the two-stage DC-DC boost converters (106) and a bi-directional DC-DC step-down converter (112) to charge a battery bank (114), the DC bus (110) being further connected to the DC load (118)/AC load (122) to provide uninterrupted electrical power.

Description

BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein hybrides Gleichstrom-Mikronetzsystem zur Steuerung mehrerer erneuerbarer Energiequellen zur gemeinsamen Nutzung der Leistung in einem inselförmigen Gleichstrom-Mikronetz.The present disclosure relates to a hybrid DC microgrid system for controlling multiple renewable energy sources to share power in an island DC microgrid.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Entwicklungsländer brauchen eine kostengünstige Lösung, um die steigende Nachfrage nach umweltfreundlicher Stromerzeugung zu befriedigen. Die steigende Energienachfrage durch eine wachsende Bevölkerung stellt eine Herausforderung für das bestehende Stromnetz dar, das bereits seit Jahrzehnten besteht und aufgrund der hohen Kosten und Ausgaben für zusätzliche Erzeugung und Übertragung nur begrenzt erweiterbar ist. Die Steigerung der konventionellen Stromerzeugung zur Deckung der steigenden Nachfrage ist im Hinblick auf die Umweltauswirkungen keine praktikable Strategie. Die Erschöpfung der konventionellen Brennstoffe sowie die durch Treibhausgasemissionen und den Abbau der Ozonschicht verursachte globale Erwärmung haben zu einer Verlagerung der Stromerzeugung von konventionellen auf erneuerbare Energiequellen geführt.Developing countries need a cost-effective solution to meet the increasing demand for green power generation. Increasing demand for energy from a growing population poses a challenge to the existing power grid, which has been in place for decades and has limited expandability due to the high cost and expense of additional generation and transmission. Increasing conventional power generation to meet rising demand is not a viable strategy in terms of environmental impact. The depletion of conventional fuels and global warming caused by greenhouse gas emissions and depletion of the ozone layer have led to a shift in power generation from conventional to renewable energy sources.

In den letzten Jahren hat das Konzept der Gleichstrom-Mikronetze aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von Gleichstromquellen wie Photovoltaik (PV), Windenergie, Brennstoffzellen und verschiedenen Gleichstromverbrauchern sowie Energiespeichersystemen wie Batterien und Superkondensatoren an Popularität gegenüber herkömmlichen Wechselstrom-Mikronetzen gewonnen. Außerdem hat das Gleichstrom-Mikronetz weniger Umwandlungsstufen als das Wechselstrom-Mikronetz, was es noch vorteilhafter macht.In recent years, the concept of DC microgrids has gained popularity over traditional AC microgrids due to the widespread deployment of DC power sources such as photovoltaics (PV), wind energy, fuel cells and various DC loads, as well as energy storage systems such as batteries and supercapacitors. Also, the DC microgrid has fewer conversion stages than the AC microgrid, which makes it even more advantageous.

Solar- und Windenergie sind unter den verschiedenen erneuerbaren Energiequellen die vielversprechendsten, da sie kostengünstig erzeugt werden können und über eine MPPT-Kapazität (Maximum Power Point Tracking) verfügen. Aufgrund ihrer intermittierenden Natur ist die direkte Integration von erneuerbaren Energien in das DC-Microgrid-Netz jedoch eine große Herausforderung. Das Hauptaugenmerk der Forscher bei DC-Mikronetzen liegt auf der Kontrolle der Zwischenkreisspannung und dem Leistungsmanagement zwischen den zahlreichen Quellen und Lasten.Solar and wind power are the most promising of the various renewable energy sources due to their low cost generation and MPPT (Maximum Power Point Tracking) capacity. However, due to their intermittent nature, the direct integration of renewable energy into the DC microgrid network is a major challenge. The main focus of the researchers in DC microgrids is the control of the intermediate circuit voltage and the power management between the numerous sources and loads.

Da erneuerbare Energiequellen in hohem Maße nichtlinear und intermittierend sind, könnte eine Vorhersage dazu beitragen, die Leistung der DC-Mikronetzsteuerung zu verbessern. Die Nachführgeschwindigkeit ist der wichtigste Faktor bei der Steigerung der Effizienz verschiedener erneuerbarer Energiequellen. Die modellprädiktive Steuerung mit Kalman-Filtern (KF) kann bei dynamisch betriebenen erneuerbaren Energiequellen für die Überwachung des maximalen Leistungspunktes und die Aufteilung der Leistung zwischen mehreren variablen nachhaltigen Energiequellen eingesetzt werden.Because renewable energy sources are highly nonlinear and intermittent, prediction could help improve DC microgrid control performance. Tracking speed is the most important factor in increasing the efficiency of various renewable energy sources. Model predictive control with Kalman filters (KF) can be applied to dynamically operated renewable energy sources for maximum power point monitoring and power sharing between multiple variable sustainable energy sources.

Die zeitdiskrete KF ist eine Sammlung mathematischer Gleichungen, die eine effiziente rekursive Methode zur Schätzung des Zustands eines Prozesses bei gleichzeitiger Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers (MSE) darstellen. Diese Technik arbeitet in zwei Stufen (Vorhersage- und Korrekturschritt). Im Vorhersageschritt schätzt das KF die aktuellen Zustandsvariablen und ihre Unsicherheit. Die voraussichtliche Schätzung wird in der Korrekturphase weiter aktualisiert, um die gewünschten Schätzungszustände zu erhalten.Discrete-time KF is a collection of mathematical equations that provide an efficient recursive method for estimating the state of a process while minimizing the mean square error (MSE). This technique works in two stages (prediction and correction step). In the prediction step, the KF estimates the current state variables and their uncertainty. The prospective estimate is further updated in the correction phase to obtain the desired estimate states.

In Anbetracht der vorangegangenen Diskussion wird deutlich, dass ein DC-Hybrid-Microgrid-System für die Steuerung mehrerer erneuerbarer Energiequellen zur gemeinsamen Nutzung der Leistung in einem inselförmigen DC-Microgrid erforderlich ist.In view of the previous discussion, it becomes clear that a hybrid DC microgrid system is required to control multiple renewable energy sources to share power in an island DC microgrid.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, ein System zur Kombination und Steuerung mehrerer erneuerbarer Energiequellen für die gemeinsame Nutzung von Energie in einem inselförmigen DC-Mikronetz bereitzustellen.The present disclosure aims to provide a system for combining and controlling multiple renewable energy sources for power sharing in an island DC microgrid.

In einer Ausführungsform wird ein DC-Hybrid-Mikronetzsystem offengelegt. Das System umfasst mindestens eine oder mehrere Stromerzeugungsquellen, die aus Windturbinen (WT), Photovoltaik (PV) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgewählt werden, die mit einem Regler zur Nachführung des maximalen Leistungspunkts gekoppelt sind, damit mindestens eine oder mehrere der Stromerzeugungsquellen unter wechselnden Umweltbedingungen mit maximaler Leistung betrieben werden können. Das System umfasst ferner einen zweistufigen DC/DC-Aufwärtswandler, der in Reihe geschaltet ist, wobei ein DC/DC-Aufwärtswandler der ersten Stufe direkt mit erneuerbaren Energiequellen für die MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking) verbunden ist, während ein DC/DC-Aufwärtswandler der zweiten Stufe das für die Leistungsflussregelung erforderliche Ausgangsspannungsniveau regelt. Das System umfasst ferner einen Gleichstrombus, der mit den zweistufigen DC-DC-Aufwärtswandlern und einem bidirektionalen DC-DC-Abwärtswandler verbunden ist, um eine Batteriebank aufzuladen, wobei der Gleichstrombus ferner mit den DC/AC-Lasten verbunden ist, um ununterbrochene elektrische Energie zu liefern.In one embodiment, a DC hybrid microgrid system is disclosed. The system includes at least one or more power generation sources selected from wind turbines (WT), photovoltaic (PV) and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) coupled with a maximum power point tracking controller to allow at least one or more of the power generation sources to can be operated with maximum performance under changing environmental conditions. The system further includes a two-stage DC/DC boost converter connected in series, with a first stage DC/DC boost converter directly connected to renewable energy sources for MPPT (Maximum Power Point Tracking) control, while a DC/DC Second stage DC boost converter regulates the output voltage level required for power flow control. The system further includes a DC bus connected to the two-stage boost DC-DC converters and a bidirectional buck DC-DC converter to charge a battery bank, the DC bus further connected to the DC/AC loads connected to provide uninterrupted electrical power.

In einer anderen Ausführungsform wird ein ungesteuerter Brückengleichrichter eingesetzt, um eine konstante/feste Stromversorgung zu ermöglichen.In another embodiment, an uncontrolled bridge rectifier is used to provide a constant/fixed power supply.

In einer anderen Ausführungsform sind die AC-Lasten über einen DC-AC-Wandler mit dem DC-Bus verbunden, während die DC-Lasten über einen DC-DC-Abwärtswandler mit dem DC-Bus verbunden sind.In another embodiment, the AC loads are connected to the DC bus through a DC-AC converter, while the DC loads are connected to the DC bus through a DC-DC buck converter.

In einer anderen Ausführungsform wird ein MPC-Regler mit einem zeitdiskreten Kalman-Filter eingesetzt, um eine anteilige Leistungsaufteilung zu erreichen, indem die Steuervariablen in die gewünschte Form gebracht werden und so etwaige stationäre Schwankungen zwischen erneuerbaren Energiequellen und Speicherbatterien reduziert werden.In another embodiment, an MPC controller with a discrete-time Kalman filter is used to achieve power sharing by shaping the control variables into the desired shape, thereby reducing any steady-state variation between renewable energy sources and storage batteries.

In einer anderen Ausführungsform sind die mehreren DC-DC-Abwärtswandler mit dem DC-Bus verbunden, um die Ausgangsspannung für Lasten mit variabler Leistung aufrechtzuerhalten.In another embodiment, the multiple DC-DC buck converters are connected to the DC bus to maintain the output voltage for variable power loads.

Ein Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, mehrere erneuerbare Energiequellen für die gemeinsame Nutzung der Leistung in einem inselförmigen DC-Mikronetz zu entwerfen und zu steuern.A goal of the present disclosure is to design and control multiple renewable energy sources for power sharing in an island DC microgrid.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Erzeugung und Bereitstellung von kontrollierter elektrischer Energie.Another object of the present disclosure is the generation and delivery of controlled electrical energy.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, die Probleme zu lösen, auf die die inkrementelle Leitwerttechnik unter unsicheren Umweltbedingungen stößt.Another objective of the present disclosure is to solve the problems encountered by the incremental conductance technique under unsafe environmental conditions.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein schnelles und kostengünstiges DC-Hybrid-Microgrid-System bereitzustellen.Another object of the present invention is to provide a fast and low-cost DC hybrid microgrid system.

Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.In order to further clarify the advantages and features of the present disclosure, a more detailed description of the invention is provided by reference to specific embodiments that are illustrated in the accompanying figures. It is understood that these figures represent only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting the scope of the invention. The invention will be described and illustrated with additional specificity and detail with the accompanying figures.

Figurenlistecharacter list

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 ein Blockdiagramm eines DC-Hybrid-Mikronetzsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ein architektonisches Blockdiagramm eines DC-Hybrid-Mikronetzsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
3 ein Blockdiagramm einer Leistungsflusssteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.

These and other features, aspects, and advantages of the present disclosure will be better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying figures, in which like characters represent like parts throughout the figures, wherein:

1 12 shows a block diagram of a DC hybrid microgrid system according to an embodiment of the present disclosure;
2 12 shows an architectural block diagram of a DC hybrid microgrid system according to an embodiment of the present disclosure; and
3 12 shows a block diagram of a power flow control strategy according to an embodiment of the present disclosure.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können ein oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sein, und die Figuren können nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von Bedeutung sind, um die Figuren nicht mit Details zu verdecken, die für Fachleute mit normalen Kenntnissen, die von der vorliegenden Beschreibung profitieren, ohne weiteres erkennbar sind.Those skilled in the art will understand that the elements in the figures are presented for simplicity and are not necessarily drawn to scale. For example, the flow charts illustrate the method of key steps to enhance understanding of aspects of the present disclosure. Furthermore, one or more components of the device may be represented in the figures by conventional symbols, and the figures may show only the specific details relevant to understanding the embodiments of the present disclosure, so as not to obscure the figures with details, which will be readily apparent to those of ordinary skill in the art having the benefit of this description.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, die einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.For the purposes of promoting an understanding of the invention, reference will now be made to the embodiment illustrated in the figures and specific language will be used to describe the same. It should be understood, however, that no limitation on the scope of the invention is intended, contemplating such changes and further modifications to the illustrated system, and such further applications of the inventive principles set forth therein, as would normally occur to one skilled in the art to which the invention pertains would.

Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.It should be understood by those skilled in the art that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory of the invention and are not intended to be limiting.

Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.When this specification refers to "an aspect,""anotheraspect," or the like, it means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is present in at least one embodiment included in the present disclosure. Therefore, the phrases "in one embodiment,""in another embodiment," and similar phrases throughout this specification may or may not all refer to the same embodiment.

Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. In ähnlicher Weise bedeutet eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet warden die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten nicht ohne weiteres ausschließen.The terms "comprises," "including," or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion, such that a method or method that includes a list of steps includes not only those steps, but may also include other steps that are not expressly stated or pertaining to any such process or method. Similarly, one or more devices or subsystems or elements or structures or components preceded by "comprises...a" means the existence of other devices or other subsystems or other elements or other structures or other components or additional devices or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components are not readily excluded.

Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this invention pertains. The system, methods, and examples provided herein are for purposes of illustration only and are not intended to be limiting.

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the attached figures.

In 1 ist ein Blockdiagramm eines DC-Hybrid-Mikronetzsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 100 umfasst mindestens eine oder mehrere der Stromerzeugungsquellen 102, die aus Windturbinen (WT), Photovoltaik (PV) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgewählt sind, die mit einem Regler für die Nachführung des maximalen Leistungspunkts (Maximum Power Point Tracking) 104 gekoppelt sind, damit mindestens eine oder mehrere der Stromerzeugungsquellen 102 unter wechselnden Umweltbedingungen mit maximaler Leistung betrieben werden können.In 1 Illustrated is a block diagram of a DC hybrid microgrid system according to an embodiment of the present disclosure. The system 100 includes at least one or more of the power generation sources 102 selected from wind turbines (WT), photovoltaics (PV) and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), which are equipped with a maximum power point tracking controller (Maximum Power Point Tracking) 104 are coupled to allow at least one or more of the power generation sources 102 to operate at maximum power under changing environmental conditions.

In einer Ausführungsform sind zweistufige DC-DC-Aufwärtswandler 106 in Reihe geschaltet, wobei ein DC-DC-Aufwärtswandler der ersten Stufe direkt mit den erneuerbaren Energiequellen für die MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking) verbunden ist, während ein DC-DC-Aufwärtswandler der zweiten Stufe das für die Leistungsflussregelung erforderliche Ausgangsspannungsniveau regelt.In one embodiment, two-stage boost DC-DC converters 106 are connected in series, with a first-stage boost DC-DC converter directly connected to the renewable energy sources for MPPT (Maximum Power Point Tracking) control, while a DC-DC Second stage boost converter regulates the output voltage level required for power flow control.

In einer Ausführungsform ist ein Gleichstrombus 110 mit den zweistufigen DC-DC-Aufwärtswandlern 106 und einem bidirektionalen DC-DC-Aufwärtswandler 112 verbunden, um eine Batteriebank 114 aufzuladen, wobei der Gleichstrombus 110 außerdem mit der DC-Last 118/AC-Last 122 verbunden ist, um ununterbrochene elektrische Energie zu liefern.In one embodiment, a DC bus 110 is connected to the two-stage DC-DC boost converters 106 and a bi-directional DC-DC boost converter 112 to charge a battery bank 114, with the DC bus 110 also being connected to the DC load 118/AC load 122 is to supply uninterrupted electrical power.

In einer anderen Ausführungsform wird ein ungesteuerter Brückengleichrichter 108 verwendet, um eine konstante/feste Stromversorgung zu ermöglichen.In another embodiment, an uncontrolled bridge rectifier 108 is used to allow for a constant/fixed power supply.

In einer anderen Ausführungsform sind die AC-Lasten 122 über einen DC-AC-Wandler 120 mit dem DC-Bus 110 verbunden, während die DC-Lasten 118 über einen DC-DC-Abwärtswandler 116 mit dem DC-Bus 110 verbunden sind.In another embodiment, AC loads 122 are connected to DC bus 110 via a DC-AC converter 120 while DC loads 118 are connected to DC bus 110 via a DC-DC buck converter 116 .

In einer anderen Ausführungsform sind die mehreren DC-DC-Abwärtswandler 116 mit dem DC-Bus 110 verbunden, um die Ausgangsspannung für DC-Lasten mit variabler Leistung 118 aufrechtzuerhalten.In another embodiment, the plurality of buck DC-DC converters 116 are connected to the DC bus 110 to maintain the output voltage for variable power DC loads 118 .

2 zeigt ein architektonisches Blockdiagramm eines DC-Hybrid-Mikronetzsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Gleichstrom-Mikronetz ist in dargestellt. Windturbinen (WT), Photovoltaik (PV), Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Batteriespeichersysteme (BSS), Elektrofahrzeuge (EV) sowie Gleich- und Wechselstromlasten 118 und 122 bilden ein hybrides Mikronetz. Inkrementeller Leitwert auf der Grundlage von MPC MPPT ist eine Regelungsmethode für WT/PV/FC-Systeme, die es ihnen ermöglicht, unter wechselnden Umweltbedingungen mit ihrer maximalen Leistung zu arbeiten. Wie in dargestellt, besteht der DC/DC-Aufwärtswandler aus zwei Stufen. Die erste Stufe ist für die MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking) direkt mit den erneuerbaren Energiequellen verbunden, während die zweite Stufe das für die Leistungsflussregelung erforderliche Ausgangsspannungsniveau regelt. Das DC-Microgrid nimmt den von erneuerbaren Energiequellen erzeugten Strom auf und verteilt ihn an eine Vielzahl von Verbrauchern, die sich im gesamten DC-Microgrid befinden. Microgrids werden mit der Integration erneuerbarer Energiequellen aufgebaut, was zu einer verbesserten Effizienz und Qualität der Elektrizität sowohl für das Versorgungsunternehmen als auch für die Verbraucher führt. DC-DC-Aufwärtswandler werden verwendet, um Strom aus verschiedenen Energiequellen in das DC-Microgrid zu übertragen. 2 10 shows an architectural block diagram of a DC hybrid microgrid system according to an embodiment of the present disclosure. The DC microgrid is in shown. Wind turbines (WT), photovoltaics (PV), proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), battery storage systems (BSS), electric vehicles (EV), and DC and AC loads 118 and 122 form a hybrid microgrid. Incremental conductance based on MPC MPPT is a control method for WT/PV/FC systems that allows them to operate at their maximum performance under changing environmental conditions. As in shown, the DC/DC boost converter consists of two stages. The first stage is for MPPT control (Maximum Power Point Tracking) directly connected to the renewable energy sources, while the second stage regulates the output voltage level required for power flow control. The DC microgrid takes the electricity generated by renewable energy sources and distributes it to a large number of loads located throughout the DC microgrid. Microgrids are built with the integration of renewable energy sources, resulting in improved efficiency and quality of electricity for both the utility and consumers. DC-DC boost converters are used to transfer power from different energy sources into the DC microgrid.

3 zeigt ein Blockdiagramm einer LeistungsflussSteuerungsstrategie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung. Bei der Steuerung der Leistungsaufteilung im Gleichstrom-Mikronetz sind die POP-Regelung und ihre Ableitungen weit verbreitet. Obwohl die P-Bereichsregelung die Kommunikationsleitung überflüssig macht, hat sie eine Reihe von Nachteilen, wie z. B. Spannungsschwankungen und die Unfähigkeit, aufgrund der Unsicherheit der Ausgangsimpedanz eine präzise Leistung zu übermitteln. Das Hauptziel eines DC-Mikronetzes besteht darin, eine angemessene Lastverteilung zwischen den dezentralen erneuerbaren Energiequellen zu erreichen. In Niederspannungs-Gleichstromsystemen verursacht der Kabelwiderstand einen starken Spannungsabfall, der die Leistungsaufteilung beeinträchtigt. Ein MPC-Regler mit einem zeitdiskreten Kalman-Filter wurde entwickelt, um eine proportionale Leistungsaufteilung zu erreichen, indem die Steuervariablen in die gewünschte Form gebracht werden und so die Schwankungen im stationären Zustand zwischen den erneuerbaren Energiequellen und den Speicherbatterien reduziert werden. 3 12 shows a block diagram of a power flow control strategy in accordance with an embodiment of the present disclosure. In controlling power sharing in DC microgrid, POP regulation and its derivatives are widely used. Although P-band control eliminates the need for the communication line, it has a number of disadvantages, such as: B. Voltage fluctuations and the inability to deliver precise power due to the uncertainty of the output impedance. The main goal of a DC microgrid is to achieve an adequate load sharing between the decentralized renewable energy sources. In low-voltage DC systems, cable resistance causes a large voltage drop that affects power sharing. An MPC controller with a discrete-time Kalman filter was developed to achieve proportional power sharing by shaping the control variables into the desired shape, thus reducing the steady-state variations between the renewable energy sources and the storage batteries.

Um eine angemessene Leistungsaufteilung aus erneuerbaren Energiequellen zu erreichen, wird ein MPC-Regler mit einem zeitdiskreten Kalman-Filter vorgestellt, der die Ausgangsstrom- und - spannungssollwerte auf der Grundlage von Leistungsschwankungen entweder von der Quellen- oder der Lastseite auf ihre optimale Wirksamkeit einstellt, wie in 3 dargestellt.To achieve adequate power sharing from renewable energy sources, an MPC controller with a discrete-time Kalman filter is presented that adjusts the output current and voltage setpoints to their optimal effectiveness based on power variations from either the source or load side, as in 3 shown.

Dieses System 100 zielt darauf ab, die Probleme zu lösen, auf die die inkrementelle Leitwerttechnik unter unsicheren Umweltbedingungen stößt. Kalman-Filter ermöglichen die Nutzung erneuerbarer Energiequellen für eine verbesserte Leistungsregelung.This system 100 aims to solve the problems encountered by the incremental conductance technique under unsafe environmental conditions. Kalman filters enable the use of renewable energy sources for improved power control.

Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Außerdem müssen die Handlungen eines Flussdiagramms nicht in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.The figures and the preceding description give examples of embodiments. Those skilled in the art will understand that one or more of the elements described may well be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be broken down into multiple functional elements. Elements from one embodiment may be added to another embodiment. For example, the order of the processes described herein may be changed and is not limited to the manner described herein. Also, the acts of a flowchart need not be performed in the order presented; also, not all actions have to be performed. Also, the actions that are not dependent on other actions can be performed in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations are possible, regardless of whether they are explicitly mentioned in the description or not, e.g. B. Differences in structure, dimensions and use of materials. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated in the following claims.

Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to particular embodiments. However, the benefits, advantages, problem solutions, and components that can cause an advantage, benefit, or solution to occur or become more pronounced are not to be construed as a critical, required, or essential feature or component of any or all claims.

BezugszeichenlisteReference List

100100: Ein DC-Hybrid-MikronetzsystemA DC hybrid microgrid system
102102: Stromerzeugungsquellenpower generation sources
104104: Regler zur Nachführung des maximalen LeistungspunktesController for tracking the maximum power point
106106: Zweistufige DC-DC-AufwärtswandlerTwo stage boost DC-DC converters
108108: ungesteuerter Brückengleichrichteruncontrolled bridge rectifier
110110: DC-BusDC bus
112112: bidirektionaler DC-DC-Aufwärtswandler mit Abwärtskompensationbidirectional DC-DC boost converter with buck compensation
114114: Batteriebankbattery bank
116116: DC-DC-AbwärtswandlerDC-DC buck converter
118118: DC-LastDC load
120120: DC-AC-WandlerDC-AC converter
122122: AC-LastAC load
202202: MPPT-AlgorithmusMPPT algorithm
204204: Ungesteuerter BrückengleichrichterUncontrolled bridge rectifier
206206: DC/DC-AufwärtswandlerDC/DC boost converter
208208: Bidirektionaler DC-DC-AufwärtswandlerBidirectional DC-DC Boost Converter
210210: Batteriebankbattery bank
212212: DC/DC-AbwärtswandlerDC/DC buck converter
214214: DC-AC-WandlerDC-AC converter
216216: DC-LastenDC loads
218218: 48-V-DC-Lasten48V DC loads
220220: 24/12-V-DC-Lasten24/12V DC loads
222222: 230-V-AC-Lasten230V AC loads
302302: DC/DC-WandlerDC/DC converter
304304: MPC-AlgorithmusMPC algorithm
306306: Kalman-FilterKalman filter

Claims

system after claim 1 , the system comprising an uncontrolled bridge rectifier (108) to promote constant/fixed power supplies.

system after claim 1 wherein the AC loads (122) are connected to the DC bus (110) through an AC converter (120) while the DC loads (118) are connected to the DC bus (110) through a DC step-down converter (116).

system after claim 1 , wherein the system includes an MPC controller with a discrete-time Kalman filter to achieve proportional power sharing by changing the control variables to the desired form, thus reducing any steady-state variations between renewable sources and storage batteries.

system after claim 3 wherein the plurality of step-down DC-DC converters (116) are connected to the DC bus (110) to maintain the output voltage for variable power loads.