[4] DanijelPavkovic - Microgrid

Regulacija i estimacija baterija i
ultrakondenzatora s primjenom u
mikromrežama
Danijel Pavković (FSB), Ante Komljenović, Mario Hrgetić
Završna radionica projekta MICROGRID
Zagreb, 26. siječnja 2015.
Sadržaj
•
•
•
•
•
•
•
•
Uvod
Projektiranje regulatora struje
Adaptivna regulacija struje
Punjač baterije/ultrakondenzatora zasnovan na regulatoru napona
Regulacija tokova energije DC sabirnice
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
Zaključak
Publikacije
[email protected]
2
Uvod
• Kvalitetna realizacija primarne razine regulacije tokova snage ima
ključnu ulogu za razvoj nadređenih razina hijerarhijske strukture
regulacije istosmjerne mikromreže.
• Primarnu razinu regulacije čine sustavi regulacije struje sklopovlja
energetske elektronike (pretvarača snage), te estimacija stanja
napunjenosti (SoC) i stanja ispravnosti (SoH) baterijskoultrakondenzatorskih sustava za pohranu energije.
• Ovdje se prezentiraju najvažniji rezultati razvojno-istraživačkih
aktivnosti na području primarne razine regulacije mikromreže.
• Rezultirajuća praktična i inovativna rješenja detaljno su ispitana u
simulacijskom okruženju, te potom validirana na laboratorijskim
postavima za ispitivanje baterija i ultrakondenzatora.
[email protected]
3
Projektiranje regulatora struje
• Sinteza regulatora struje baterije i ultrakondenzatora zasniva se na
odgovarajućim matematičkim modelima koji uključuju i sklopovlje
energetske elektronike.
• Radi jednostavnosti pretpostavlja se da je promjena elektromotorne
sile baterije i ultrakondenzatora uslijed punjenja/pražnjenja
razmjerno slabo izražena (visok iznos nabojskog kapaciteta).
ic
Udc
D1
Tch
0
T1
Lc, Rc
i
i
Udc
D2
uc=d.Udc
uc
iT1, iD2
t
iD2
iT1
t
0
uc
T2
u
i
0
ic
ic=d.i
ic
t
Topologija i valni oblici struje i napona DC/DC pretvarača.
[email protected]
Modeli baterije (a) i ultrakondenzatora (b).
4
Projektiranje regulatora struje
• Dominantnu dinamiku struje baterije/ultrakondenzatora određuje
serijska prigušnica (elektromotorna sila je sporo-promjenjivi
poremećaj za regulator struje):
−1
Rtot
i(s)
Gc ( s ) =
= −1
u c ( s ) ( Rtot
Lc ) s + 1
• Za regulaciju struje baterije/ultrakondenzatora odabran je PI regulator.
Struktura PI regulatora struje baterije/ultrakondenzatora.
[email protected]
5
Projektiranje regulatora struje
• Podešavanje regulatora provodi se primjenom optimuma dvostrukog
odnosa temeljenog na sljedećem karakterističnom polinomu
zatvorenog regulacijskog kruga:
Karakteristični odnosi, optimalno Di = 0.5 (za 6% nadvišenja)
Ac ( s ) =
D 2n −1 D3n − 2
 D n Ten s n
++
D 2 Te2 s 2
+ Te s + 1
Nadomjesna vremenska
konstanta, vrijeme odziva
zatvorene petlje ≈ 2Te
• Naime, ovaj postupak sinteze regulatora rezultira egzaktnim
analitičkim izrazima koji povezuju parametre regulatora, parametre
procesa i parametre kvalitete (prigušenja i brzine) odziva:
Te ≥ Te,min =
TΣi
1
D2i D3i 1 + TΣi Rtot Lc

D2iTe
Tci = Te 1 −
 TΣi + Lc / Rtot



 T + Lc / Rtot

− 1
K ci = Rtot  Σi
D2iTe


Parametri modela baterije/ultrakondenzatora izravno utječu na iznose parametara regulatora
[email protected]
6
Adaptivna regulacija struje
• Promjene unutarnjeg otpora
baterije (VRLA) mogu biti
dosta izražene u odnosu na
otpor prigušnice.
• Ove varijacije mogu utjecati na
ukupnu dinamiku regulacijskog
kruga struje.
• Konkretno, smanjenje
unutarnjeg otpora baterije u
može rezultirati smanjenim
prigušenjem regulacijskog
kruga (oscilatornost).
[email protected]
Ovisnost unutarnjeg otpora VRLA i LiFePO4
baterije o stanju napunjenosti .
Root-locus grafovi regulacijskog kruga struje u
ovisnosti o unutarnjem otporu baterije.
7
Adaptivna regulacija struje
• Adaptacija regulatora struje temelji se na estimaciji unutarnjeg otpora
baterije zasnovanoj na modelu varijacija napona baterije i
Kalmanovog filtra kao algoritam za estimaciju parametara.
∆ub (k ) = ub (k ) − ub (k − 1)
∆ib (k ) = ib (k ) − ib (k − 1)
∆ub (k ) = ∆ib (k ) Rb


y (k ) = ϕ (k )θ (k ) + e(k )
θ (k ) = θ (k − 1) + ν (k − 1)
Model pogodan za dizajn estimatora
parametara temeljenog na
Kalmanovom filtru!
[email protected]
Blokovski dijagram estimatora unutarnjeg otpora
baterije temeljenog na Kalmanovom filtru.
8
Adaptivna regulacija struje
• Adaptivni regulator je
ispitan za slučaj pulsnog
profila reference struje
baterije.
• Estimator parametara ima
razmjerno brz odziv, te
dobro potiskuje šum
mjerenja.
• Adaptivni regulator struje
karakteriziran je boljim
performansama u odnosu
na ne-adaptivni regulator,
uz očuvanje dobro
prigušenog vladanja.
[email protected]
Eksperimentalni odzivi adaptivnog sustava regulacije struje
9
Punjač baterije/ultrakondenzatora zasnovan na
regulatoru napona
• Punjač baterije/ultrakondenzatora tipično radi između režima
konstantne struje i konstantnog napona (CCCV, constantcurrent/constant-voltage):
1. Inicijalno punjenje maksimalnom dozvoljenom strujom dok napon na stezaljkama ne
dosegne zadanu vrijednost napona (režim konstantne struje).
2. Struja punjenja se postupno smanjuje i punjenje se odvija u režimu konstantnog napona do
trenutka kada struja padne ispod pred-definirane granične vrijednosti.
Constant current
Battery current
Constant voltage
Time
Time
[email protected]
Battery electromotive
force Eb [V]
Battery voltage
Charging (Ib > 0)
Discharging (Ib < 0)
0
SoC [%]
100
10
Punjač baterije/ultrakondenzatora zasnovan na
regulatoru napona
• Sustav kaskadne regulacije, sa nadređenim regulatorom napona i
podređenim regulatorom struje izabran je za upravljanje punjačem jer
na prirodan način ostvaruje prijelaz iz režima konstantne struje u
režim konstantnog napona.
• Referenca napona i maksimalna struja punjenja specifični su za
pojedinu bateriju (ultrakondenzator) - temeljni parametri punjača.
Referenca napona
Limit struje
Blokovski dijagram kaskadne strukture regulacijskog sustava napona i struje baterije (ultrakondenzatora)
[email protected]
11
Punjač baterije/ultrakondenzatora zasnovan na
regulatoru napona
• Sustav regulacije punjača
rezultira glatkim prijelazom
iz režima konstantne struje u
režim konstantnog napona.
• Režim konstantne struje
traje sve dok napon na
stezaljkama ne dosegne
željenu vrijednost.
• Tada regulator napona
postupno smanjuje
referencu struje
• Završetak punjenja: struja
ispod minimalnog iznosa.
[email protected]
Rezultati eksperimentalne provjere sustava regulacije CCCV
punjenja: djelomično ispražnjena VRLA baterija (a) i
potpuno ispražnjena LiFePO4 ćelija (b).
12
Punjač baterije/ultrakondenzatora zasnovan na
regulatoru napona
• Učinovitost predloženog sustava punjača potrvđena je i za slučaj
punjenja ultrakondenzatorskog modula.
• Postiže se identično vladanje punjača kao i u slučaju baterije, samo su
vremena punjenja bitno kraća (manji nabojski kapacitet).
Rezultati eksperimentalne provjere sustava punjača:
punjenje ultrakondenzatorskog modula.
[email protected]
13
Regulacija tokova energije DC sabirnice
• Istosmjerna sabirnica, bilo da se radi o DC mikromreži ili električnom
vozilu, može biti izložena djelovanju izrazito varijabilnog opterećenja.
• Cilj regulacije tokova energije je istodobna kompenzacija opterećenja
uz održavanje zadane vrijednosti napona DC sabirnice.
• Potpuno aktivni hibridni baterijsko/ultrakondenzatorski sustavi za
pohranu energije pogodni su za takve zadaće.
i L = 0.75mI ph cos ϕ
iq = I ph cos ϕ
τ m = 1.5 pΨr iq
m = 2U ph / U dc
Principna električka shema hipotetskog električnog vozila s potpuno upravljivim sustavom za pohranu energije
zasnovanim na baterijama i ultrakondenzatorima.
[email protected]
14
Regulacija tokova energije DC sabirnice
• Naime, dinamičko opterećenje zahtijeva velike gustoće snage (UC),
dok je za autonomiju potreban veliki kapacitet energije (baterija).
• Regulator upravlja baterijom za pokrivanje stacionarnih opterećenja,
dok ultrakondenzator preuzima vršna (pulsna) opterećenja.
Blokovski dijagram sustava regulacije tokova energije DC sabirnice.
[email protected]
15
Regulacija tokova energije DC sabirnice
• Predloženi sustav regulacije tokova energije učinkovito potiskuje
utjecaj opterećenja i održava napon DC sabirnice unutar zadanih
granica.
udc [V]
40
udcR = 37.5 V
38
1V
36
34
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
t [s]
0.6
iˆcb, iˆcu, iL [A]
8 Battery chopper iˆcb Ultracapacitor chopper iˆcu Load current iL
4
0
-4
-8
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
t [s]
0.6
Eksperimentalni odzivi sustava regulacije tokova energije DC sabirnice na skokovitu promjenu struje tereta.
[email protected]
16
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Stanje napunjenosti (engl. State-of-Charge, SoC) definira se kao
odnos stanja akumuliranog naboja baterije ili ultrakondenzatora i
maksimalnog iznosa naboja (nabojskog kapaciteta):
t
Q0
Q(t )
1
SoC(t ) =
=
−
i (τ )dτ
Qmax Qmax Qmax ∫0
• Stanje ispravnosti (engl. State-of-Health, SoH) definira se preko
iznosa odstupanja unutarnjeg otpora i/ili nabojskog kapaciteta u
odnosu na nazivni iznos:
SoH R = 1 −
R(t ) − R0
R0
SoH Q = 1 −
Qmax , 0 − Qmax (t )
Qmax , 0
• Maksimalni dozvoljeni iznosi odstupanja: +100% za unutarnji otpor
i –20% za kapacitet skladištenja energije (naboja).
[email protected]
17
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
ib
• Estimacija parametara temelji se na
jednadžbi napona stezaljki baterije:
ub ( s ) = Rb ib ( s ) +
Rp
Tp s + 1
ib ( s ) + U oc = Rb ib ( s ) + u p ( s ) + U oc
• Pritom napon otvorenog kruga (Uoc)
posredno određuje SoC baterije.
Kombiniranje napona otvorenog kruga s bilancom naboja.
[email protected]
Rb
Cp
Rp up
ub
Eb
+
Uoc(SoC)
Nadomjesni strujni krug korišten u sintezi
estimatora SoC/SoH baterije.
• U kvazi-stacionarnom radu
baterije preporučljivo je
kombinirati napon
otvorenog kruga s
algoritmom bilance naboja
(charge-counting).
18
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Kombinirana estimacija SoC/SoH zasniva se na proširenom obliku
Kalmanovog filtra (EKF).
Realizacija kombiniranog estimatora (SoC/SoH) zasnovana na proširenom obliku Kalmanovog filtra (EKF).
[email protected]
19
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Primjenom predloženog estimatora SoC/SoH baterije moguće je
razmjerno točno procijeniti iznos stanja napunjenosti i ključnih
parametara baterija u širokom području rada.
90
3
R [mOhm]
70
60
Actual
Open-circiut voltage est. only
Open-circuit estimation + charge counting
50
40
30
0
2
4
6
8
10
0
30
60
90
120
150
120
150
3.35
oc
12.6
[V]
Estimat Uoc
3.3
U
[V]
oc
0
3.4
12.7
U
1
12
12.8
12.5
Stvarni Uoc
12.4
0
2
4
6
t [h]
8
10
Rezultat estimacije Uoc (SoC) VRLA baterije.
[email protected]
Actual
Estimated
3.25
3.2
12.3
Actual
Estimated
2
b
SoC [%]
80
12
0
30
60
90
t [min]
Rezultat estimacije Uoc (SoC) i unutarnjeg
otpora Rb (SoH) LiFePO4 ćelije.
20
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Estimacija SoC/SoH ultrakondenzatora izvedena je pomoću dualnog
Kalmanovog filtra koji obuhvaća estimator stanja i parametara.
• Estimator SoH estimira parametre modela ultrakondenzatora u
uvjetima povoljne pobude (inače se estimacija privremeno zaustavi).
Estimator SoC/SoH temeljen na dualnom Kalmanovom filtru
[email protected]
 Tako dobiveni estimati
parametara koriste se za
korekciju pojačanja i
parametara internog modela
estimatora stanja (SoC).
 Predloženi estimator ima
razmjerno male zahtjeve na
računalnu moć mikrokontrolera,
te bi trebao biti pogodan za
industrijske primjene.
21
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Estimacija SoC zasniva se na sljedećem modelu u prostoru stanja:
 Jednadžba stanja (SoC) :
 du c  
1
−
0



Cu
 dt  
 dib  = 0
0
 dt  
 d 2i  
 b  0
0
 dt 2  
 Jednadžba izlaza (napon):

 1 
 1
0  u c   

  Cu
   
 Cu
1  ib  +  0 iu +  0
 
  di   

b
 0
0    0 
  dt   


0

ν 
0  u 
ν
 b 
1

Stohastički
poremećaj
uu = [1 − Ru
Model
poremećaja
drugog reda
Mjereni šum
 
u
 c
 
0]  ib  + Ru iu + e(k )
 
 dib 
 dt 
• Estimacija SoH počiva na ulazno-izlaznom modelu admitancije
ultrakondenzatora:
i u ( s ) − ib ( s ) =
1
s
uu (s)
Ru s + 1 ( Ru Cu )
( z − a )iu ( z ) = Ru−1 ( z − 1)u u ( z ) + ( z − a )ib ( z ) = Ru−1 ( z − 1)uu ( z ) + ∆ ibf ( z )
Varijacije struje balansiranja – poopćeni poremećaj
[email protected]
22
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
• Radi smanjenja zahtjeva na računalnu moć mikrokontrolera pojačanja
SoC estimatora se unaprijed proračunavaju u ovisnosti o ključnim
parametrima (serijski otpor i kapacitet) i spremaju u pregledne (lookup) tablice.
• Estimator SoC se može lako
prepodesiti u radu ovisno o
iznosima koje izračunava
estimator parametara:
samopodešenje parametara
internog modela i pojačanja
estimatora.
[email protected]
23
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
 Kombinirani estimatori stanja i
parametara (SoC/SoH) ispitani su za
kvazi-stohastički ulazni profil struje.
 SoH (parametarski) estimator
karakterizira brz i točan odziv.
 SoC estimator, on-line adaptiran
temeljem estimacije parametara
SoH estimatora, karakterizira dobro
slijeđenje SoC.
 Estimat struje balansiranja slijedi
generalni trend trenutne kvazistohastičke struje balansiranja.
Simulacijski Rezultati SoC/SoH estimatora ultrakondenzatora.
[email protected]
24
Estimacija SoC/SoH baterija i ultrakondenzatora
 Eksperimentalni rezultati SoC/SoH
estimacije ukazuju na visoku
točnost estimacije parametara.
 Estimator stanja uspješno predviđa
napon na stezaljkama
ultrakondenzatora čak i u prisustvu
značajnog šuma mjerenja.
 Ukupni estimator također predviđa
stanje napunjenosti i struju
balansiranja unutar očekivanih
vrijednosti (napomena: izravna
mjerenja ovih veličina nisu
dostupna).
Eksperimentalni rezultati SoC/SoH estimatora ultrakondenzatora.
[email protected]
25
Zaključak
• Kroz rad na projektnim zadacima T1.2, T1.3 i T2.6 provedene su
aktivnosti vezane uz regulaciju i estimaciju baterija i
ultrakondenzatora, a koje su rezultirale sljedećim doprinosima:
– Dizajnom fleksibilnog i adaptivnog punjača primjenjivog za širok raspon
tehnologija baterija i ultrakondenzatora,
– Inovativnom strategijom upravljanja tokovima snage koja omogućuje
preciznu kompenzaciju učinaka varijabilnog tereta na sabirnici i čvrstu
regulaciju napona DC sabirnice,
– Preciznim estimatorima parametara (SoH) i stanja napunjenosti (SoC)
baterija i ultrakondenzatora.
• Prezentirani sustavi regulacije i estimacije ultrakondenzatora i
baterija implementirani su u sklopu aktivnosti u Laboratoriju za
elektrotehniku (FSB) i laboratoriju za obnovljive izvore (LARES-FER).
[email protected]
26
Publikacije
• Tehnički izvještaji (deliverables):
– D. Pavković, V. Smetko, M. Hrgetić, A. Komljenović: „State of Charge and
State of Health estimation procedure for batteries and ultracapacitors“,
D1.2.3, siječanj 2014.
– D. Pavković, M. Hrgetić, M. Lobrović, A. Komljenović, Z. Herold, M. Hoić,
Ž. Ban: „Microgrid interfacing power electronics control algorithms for
batteries, ultracapacitors and flywheel“, D1.3.1, siječanj 2014.
– D. Pavković, M. Gulin: „Concept for coordinated control for all microgrid
storages“, D2.6.1, siječanj 2015.
– D. Pavković, M. Baotić: „Implementation of the coordinated control for
microgrid storages in LARES“, D2.6.2, siječanj 2015.
[email protected]
27
Publikacije
• Članci na konferencijama:
– D. Pavković, M. Lobrović, M. Hrgetić, A. Komljenović: “A Design of DC Bus
Control System for EVs Based on Battery/Ultracapacitor Hybrid Energy Storage”,
2014 IEEE International Electrical Vehicle Conference (IEVC 2014), Florence,
Italy, 17-19 December, 2014.
– D. Pavković, V. Smetko, M. Hrgetić, A. Komljenović: “Dual Kalman Filter-Based
SoC/SoH Estimator for an Ultracapacitor Module”, 2014 IEEE Multi-Conference
on Systems and Control (MSC 2014), Antibes, France, 8-10 October, 2014.
– D. Pavković, M. Lobrović, M. Hrgetić, A. Komljenović, V. Smetko: “Battery
Current and Voltage Control System Design with Charging Application”,
Proceedings of 2014 IEEE Multi-Conference on Systems and Control (MSC 2014),
Antibes, France, 8-10 October, 2014.
– M. Hrgetić, A. Komljenović, M. Lobrović, D. Pavković: “Development of Smart
Charging and Energy Management Controls for Batteries and Ultracapacitors”, In
Proc. of NIDays 2014 Conference, Zagreb, Croatia, November 18th, 2014.
[email protected]
28
Publikacije
• Članci u postupku recenzije (CC/SCI/SCI-Ex časopisi):
– D. Pavković, M. Lobrović, M. Hrgetić, A. Komljenović: „Energy Management
Control Strategy for EVs based on Fully-Active Battery/Ultracapacitor Hybrid
Energy Storage System“, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015.
– A. Sedić, D. Pavković, M. Firak: „A methodology for statistical characterization of
long-term insolation by means of historical data as a basis for solar system
optimization and profitability calculation“, Solar Energy, 2015.
• Završni i diplomski radovi:
– V. Užarević: „Regulacija jednofaznog pretvarača snage podržanog zamašnjačkim
sustavom za pohranu energije za primjenu u izmjeničnoj mikromreži”, FSB,
ožujak 2015. (diplomski rad u postupku izrade)
– M. Lobrović: „Robusna koordinirana regulacija baterijsko-ultrakondenzatorskog
sustava za pohranu energije“, FSB, siječanj 2014. (diplomski rad).
– V. Smetko: „Projektiranje estimatora varijabli stanja i parametara za baterije i
ultrakondenzatore“, FSB, srpanj 2013. (diplomski rad).
[email protected]
29
Prikazani rezultati istraživanja provedeni su u sklopu suradnog
istraživačkog projekta Optimiranje sustava obnovljivih izvora električne
energije povezanih u mikromrežu (MICROGRID).
Projekt je financirala Hrvatska zaklada za znanost (HRZZ) u iznosu od
1.438.647,00 kn pod ugovorom br. I-4463-2011.
Sadržaj ove prezentacije isključiva je odgovornost autora i ona ni na koji način ne odražava
mišljenje Hrvatske zaklade za znanost.