Азізі М. Х. Енергетичний маршрутизатор для гібридних мікромереж для ефективного та надійного керування енергією та живленням

Дисертація на здобуття подвійного ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка», кафедра електротехніки та інформаційно-вимірювальних технологій, Чернігівський політехнічний національний університет, Міністерство освіти і науки України; та за напрямом R024 – докторантура з промислової інженерії, Університет Естремадури, кафедра електричної, електронної та автоматизаційної інженерії, Бадахос, Іспанія. Споживання електричної енергії зростає значно швидше, ніж прогнозоване зростання її генерації. Хоча встановлена потужність відновлюваних джерел енергії також зростає, перевантаження електромереж залишається неминучим без впровадження інтелектуальних систем керування енергією та гнучких структур силової електроніки. Тому зростання споживання електроенергії та перевантаження мережі призводить до необхідності автономних житлових будівель. Зі збільшенням кількості локальних джерел генерації (переважно фотоелектричних) та використанням систем зберігання енергії у багатьох будівлях розвивається напрям до будівель з нульовими викидами (ZEB) та використання постійного струму (DC) поряд із системами змінного струму (AC). З цією метою в останні роки запропоновано нову технологію – енергетичний маршрутизатор (ER) із портами змінного та постійного струму. Дослідники вже запропонували різні топології та стратегії керування ER, однак залишаються дослідницькі прогалини та виклики, які потребують вирішення. Питання безпеки, захисту та реакції системи керування в динамічних умовах є серед основних проблем. У першому розділі представлено загальний огляд силових електронних рішень для ZEB. Досліджується перспективне майбутнє індустрії низьковольтних систем постійного струму в ZEB, порівнюються різні конфігурації ER та сценарії підключення до мережі, оцінюється їх загальна ефективність у гібридних, DC та AC технологіях. Другий розділ присвячений інтеграції систем постійного струму та пов’язаним із цим викликам. DC-мікромережі разом із наявними AC-мережами є майбутнім трендом систем розподілу енергії. Проте наразі бракує стандартів для інтеграції DC-систем в AC-мережу, а питання безпеки залишаються актуальними. Багато пов’язаних питань досі не визначено, зокрема вимоги до ізоляції між AC-мережами та новими мікромережами, а також підходи до заземлення. У цьому розділі розглядаються різні рішення інтеграції, досліджуються струми витоку та типи і конфігурації заземлення на сторонах AC та DC. Також наведено огляд можливих підходів до заземлення у точках з’єднання та розглянуто доцільність уникнення ізоляції між AC-мережею та DC-системами. Далі пропонуються рішення для проблем, пов’язаних із захистом, заземленням і струмами витоку. Нарешті, враховуючи важливість захисту персоналу та обладнання на обох сторонах, запропоновано використання структур із загальним заземленням як ефективний метод. У третьому розділі, з огляду на виклики інтеграції, представлено запропоновану структуру трифазного ER з однією коміркою на основі інвертора із загальним заземленням. У цій топології ланка постійного струму має доступ до всіх трьох фаз і може балансувати їх без складностей і витрат, характерних для традиційних трифазних систем. Структура із загальним заземленням забезпечує однаковий потенціал землі на сторонах AC і DC, що підвищує безпеку, спрощує захист, а також зменшує вартість і вагу системи за рахунок відсутності потреби в ізоляції. Детально описано режими роботи інвертора, модуляцію, проєктування компонентів, а також захист і вимикач постійного струму. Четвертий розділ зосереджується на стратегії керування та описує різні рівні управління в ER. Оскільки система ER інтегрує кілька джерел та споживачів енергії, будь-яка раптова зміна в підсистемі може створити динамічні умови в усьому комплексі. Для підвищення динамічних характеристик багатопортового ER застосовано теорію керування на основі пласкості (FBC) на нижньому рівні керування (внутрішніх контурах), що забезпечує швидку та надійну реакцію системи в динамічних умовах. Хоча FBC можна застосовувати як для керування DC-ланкою, так і струмом мережі, у цьому розділі також описано пропорційно-резонансний (PR) контролер як надійну альтернативу для керування струмом мережі, здатну ефективно усувати гармоніки. Наприкінці розділу розглянуто рішення для систем управління енергією верхнього рівня — від простих локальних до високотехнологічних рішень, з акцентом на перехід до повної цифровізації через поєднання хмарних і edge-платформ. П’ятий розділ містить результати моделювання та експериментів. Результати моделювання підтверджують ефективність запропонованого контролера та порівнюють його характеристики з традиційними методами керування. В експериментальній частині проаналізовано основні режими роботи системи та поведінку контролера в динамічних умовах. Наприкінці наведено загальні висновки та узагальнення.