[論文レビュー] Performance Analysis of a Scalable DC Microgrid Offering Solar Power Based Energy Access and Efficient Control for Domestic Loads

Abu Shahir Md. Khalid Hasan, Dhiman Chowdhury+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、太陽光発電に依存するエネルギー供給と、P&O法によるMPPTを備えたPVベースのソースコンバータ、ブースト平均DC-DCコンバータ、および並列接続されたフルブリッジコンバータを用いたPMU用の効率的制御を備えたスケーラブルなDCマイクログリッドを提案する。本システムは、変動する日射量およびバッテリ構成の下でも93％を超える効率を達成し、オフグリッド農村応用における信頼性の高い一方通行通信によるスマートな電力共有を可能にするためのルックアップテーブルを生成する。

ABSTRACT

DC microgrids conform to distributed control of renewable energy sources which ratifies efficacious instantaneous power sharing and sustenance of energy access among different domestic Power Management Units (PMUs) along with maintaining stability of the grid voltage. In this paper design metrics and performance evaluation of a scalable DC microgrid are documented where a look-up table of generated power of a source converter complies with the distribution of efficient power sharing phenomenon among a set of two home PMUs. The source converter is connected with a Photovoltaic panel of 300 W and uses Perturb and Observation (P&O) method for executing Maximum Power Point Tracking (MPPT). A boost average DCDC converter topology is used to enhance the voltage level of the source converter before transmission. The load converter consists of two parallely connected PMUs each of which is constructed with high switching frequency based Full Bridge (FB) converter to charge an integrated Energy Storage System (ESS). In this paper the overall system is modeled and simulated on MATLAB/Simulink platform with ESSs in the form of Lead Acid batteries connected to the load side of the FB converter circuits and these batteries yield to support marginalized power utilities. The behaviour of the system is tested in different solar insolation levels along with several battery charging levels of 12 V and 36 V to assess the power efficiency. In each testbed the efficiency is found to be more than 93% which affirm the reliability of the framework and a look-up table is generated comprising the grid and load quantities for effective control of power transmission.

研究の動機と目的

• 分散型で太陽光発電に依存するDCマイクログリッドを通じて、遠隔地域におけるエネルギー貧困を是正すること。
• オフグリッド環境下で、複数の家庭用電力管理ユニット（PMUs）間での信頼性の高い効率的電力共有を可能にすること。
• 一方通行通信を用いた低複雑性で費用効果の高い制御フレームワークを設計し、発展途上地域におけるスケーラブルな展開を可能にすること。
• 変動する日射量およびバッテリ負荷条件下でも安定した電圧および電力供給を確保すること。
• 異なるバッテリ電圧、容量、スイッチング周波数の下でのシステム性能を評価すること。

提案手法

• 最大出力追跡（MPPT）を実現するため、Perturb and Observe（P&O）法を用いた300Wのフォトボルタイクスパネルを採用し、ブーストコンバータの最適なデューティーサイクルを生成する。
• ブースト平均DC-DCコンバータにより、PV電圧を約110Vに昇圧し、効率的な送電を実現した後、PMUに供給する。
• 各PMUは、MOSFETおよびダイオードを用いた高周波フルブリッジ（FB）コンバータを採用し、並列接続されたバッテリーバンク（12Vおよび36V）を用いて局所的なエネルギー貯蔵を実現する。
• 鉛蓄電池（5.4Ahおよび10.8Ah）は、初期SoCを75％、応答時間を50分としてモデル化し、実世界の動的挙動を模擬する。
• 日射量（1000W/m²から50W/m²）の変動下でのPV特性を想定し、NRELのSystem Advisor Modelを用いてMATLAB/Simulinkでシステムをモデル化・シミュレーションする。
• シミュレーションデータから動的ルックアップテーブルを生成し、入力変数（日射量、スイッチング周波数、バッテリ電圧／容量）を出力電力および効率にマッピングすることで、一方通行制御を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型PMUを備えたスケーラブルなDCマイクログリッドは、負荷およびバッテリ容量に不均一な状況下でも、効率的な電力共有を維持できるか？
• RQ2 日射量の異なる条件下および異なるバッテリ電圧構成下で、システム効率はどのように変化するか？
• RQ3 スイッチング周波数（50kHz対100kHz）の違いが、電力転送の安定性および効率に与える影響はどの程度か？
• RQ4 ルックアップテーブルを介した一方通行通信により、複雑なフィードバック制御を用いずに電力共有を効果的に管理できるか？
• RQ5 日射量の急激な変化下でも、ソースコンバータの出力電圧および電力供給はどの程度安定しているか？

主な発見

• 本システムは、12Vおよび36Vのバッテリ、異なる容量、変動する日射量レベルのすべてのテスト構成において、93％を超える電力効率を維持する。
• 日射量1000W/m²の条件下で、最大出力は300.8Wに達し、同等および非同等の負荷共有下でも、平均出力がPMU出力の合計とほぼ一致する。
• バッテリ容量に差がある場合（例：5.4Ah対10.8Ah）、容量の高いバッテリがより多くの電力を消費するが、システムは安定した電圧および効率を維持する。
• 日射量の変動に対しても、ソースコンバータの出力電圧はほぼ一定（約110V）を保ち、優れた電圧制御性能を示す。
• ルックアップテーブルは、システムパラメータと性能指標のマッピングに成功し、スケーラブルな展開に向けた効果的な一方通行制御を可能にする。
• 100kHzのスイッチング周波数下で、12V, 5.4Ahの条件では93.95％、12V, 10.8Ahの条件では93.92％の効率が安定しており、負荷変動に対しても耐性があることが確認された。