[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出一种可扩展的直流微电网，采用太阳能供电的能源接入和高效控制，针对家庭负载应用，利用基于光伏的源极转换器结合扰动观察法的MPPT、升压平均直流-直流转换器以及并联全桥转换器为PMU供电。该系统在不同太阳辐照度和电池配置下均实现超过93%的效率，通过生成的查表实现可靠的一路通信，适用于离网农村环境下的智能功率共享。

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.

研究动机与目标

• 通过去中心化、太阳能供电的直流微电网解决偏远地区能源贫困问题。
• 在离网环境下，实现多个家用电源管理单元（PMUs）之间可靠、高效的功率共享。
• 设计一种低复杂度、低成本的控制框架，采用单向通信，实现发展中国家的可扩展部署。
• 在太阳辐照度和电池负载条件变化的情况下，确保电压和功率输出稳定。
• 评估系统在不同电池电压、容量和开关频率下的性能表现。

提出的方法

• 使用300W光伏板，结合扰动观察（P&O）MPPT算法，追踪最大功率点，并为升压转换器生成最优占空比。
• 采用升压平均直流-直流转换器，将光伏电压提升至约110V，以实现高效传输，最终供给PMU。
• 每个PMU采用高频全桥（FB）转换器，使用MOSFET和二极管，驱动并联的电池组（12V和36V），实现本地能量存储。
• 铅酸电池（5.4Ah和10.8Ah）以75%初始荷电状态（SoC）和50分钟响应时间建模，以模拟真实世界动态行为。
• 基于NREL的系统顾问模型（SAM）在MATLAB/Simulink中建立系统模型与仿真，模拟不同辐照度（1000W/m²至50W/m²）下的光伏特性。
• 从仿真数据中生成动态查表，将输入变量（辐照度、开关频率、电池电压/容量）映射至输出功率和效率，实现单向控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在负载和电池容量不均的情况下，具有分布式PMU的可扩展直流微电网能否维持高效的功率共享？
• RQ2 系统效率如何随不同太阳辐照度水平和电池电压配置而变化？
• RQ3 开关频率（50kHz与100kHz）在多大程度上影响功率传输的稳定性和效率？
• RQ4 通过查表实现的单向通信方法能否有效管理功率共享，而无需复杂的反馈控制？
• RQ5 在太阳辐照度快速变化时，源极转换器的输出电压和功率供给是否保持稳定？

主要发现

• 系统在所有测试配置下均保持超过93%的功率效率，包括12V和36V电池、不同容量以及不同辐照度水平。
• 在1000W/m²辐照度下，系统最大输出功率达300.8W，平均功率与在等比例和非等比例负载共享条件下PMU输出之和高度一致。
• 当电池容量不同时（如5.4Ah与10.8Ah），容量较大的电池吸收更多功率，导致非均等共享，但系统仍保持电压和效率稳定。
• 尽管辐照度波动，源极转换器输出电压几乎保持恒定（约110V），表明具有优异的电压调节能力。
• 查表成功将系统参数映射至性能指标，实现有效单向控制，适用于可扩展部署。
• 在100kHz开关频率下，效率稳定在93.95%（12V, 5.4Ah）和93.92%（12V, 10.8Ah），证实系统在负载变化下具有强鲁棒性。