is Íslenska en English

Lokaverkefni (Meistara)

Háskólinn í Reykjavík > Tæknisvið / School of Technology > Med/MPM/MSc Tækni- og verkfræðideild (-2019) / School of Science and Engineering >

Vinsamlegast notið þetta auðkenni þegar þið vitnið til verksins eða tengið í það: http://hdl.handle.net/1946/31418

Titill: 
  • Titill er á ensku Design and Simulation of a DC Microgrid for a Small Island in Belize
  • Hönnun og hermun á DC örneti fyrir litla eyju í Belize
Námsstig: 
  • Meistara
Útdráttur: 
  • Útdráttur er á ensku

    A microgrid based on direct current (DC) was designed and simulated for a small island in Belize. The energy generated in the microgrid will come from DC sources and the loads on the island will also be DC. Therefore, it was proposed to design a microgrid based on DC to reduce the amount of conversion losses between AC-DC. A microgrid based on DC will have no power factor losses, less corona discharges due to the absence of the skin effect and allow for a cheaper and simpler system. DC microgrids are already widespread in the telecoms industry for data centers, airplanes, submarines and remote locations. MATLAB/Simulink was used to design and simulate the individual components of the microgrid. Power electronic converters were designed and simulated for use with photovoltaic (PV) modules and maximum power point trackers (MPPT) in order to extract maximum power from the solar resource. The perturb and observe (P&O) algorithm was coded into the MATLAB environment for the MPPT. A bidirectional converter (BDC) was also designed to allow power to flow from/to the battery which was controlled by a PI controller. A traditional buck or boost converter could not be used for the bidirectional converter due to the presence of diodes in their designs. The charge controller successfully controlled the bidirectional converter allowing power to flow from/to the battery to achieve voltage stabilization. A lead-acid battery was found to be the most cost effective option for integration into the microgrid.
    The solar and wind resources for the island were modelled along with the predicted load profiles of the island. A financial analysis was conducted using the Hybrid Optimization Model for Electric Renewables (HOMER) software. It was found that a DC microgrid could meet the load requirements with 20% less generation than an AC microgrid due to the absence of losses in inverters reducing the costs. An AC microgrid with diesel only generation which is currently in use resulted in the highest overall costs, an AC hybrid microgrid resulted in a cheaper system than the diesel only system and a DC microgrid resulted in the lowest costs. A long term, medium term and short term analysis of the DC microgrid was conducted. A 100% renewable microgrid was found to generate excess electricity throughout a year because the system needs to be sized to meet the load on periods of low renewable energy generation. Batteries can be used to decrease the excess electricity but they eventually increase the cost of the system and create battery disposal problems. The medium and short term analysis verified the functionality of the charge controller on a good day and bad day for renewable energy generation. Both simulations shown that the voltage was stabilized and the bidirectional converter functioned correctly. The microgrid would require 15.7% island cover from PV panels and 10 containers for the batteries. Therefore, it was proposed to size the solar generation to meet the base load and diesel generators to meet the peak load with hydrogen storage.

  • Í verkefninu var jafnstraums örnet (DC microgrid) hannað og hermt fyrir litla eyju í Belize. Gert er ráð fyrir að öll orka sé framleidd sem (DC) og allt álag sé jafnframt DC álag.   Af þessum sökum er lagt til að hanna örnetið alfarið sem DC net til að koma að mestu í veg fyrir töp vegna af og áriðlunar.  Í slíku örneti er ekki um að ræða töp vegna aflstuðuls og einnig eru töp vegna útleiðslu (corona töp) lægri sökum minni yfirborðsáhrifa í leiðara (skin effect). Hugmyndin er að slíkt kerfi gæti leitt til einfaldara og ódýrara orkudreifikerfis fyrir eyjuna.   Örnet sem rekin eru sem DC net eru þegar útbreidd innan símakerfa,  gagnavera, kafbáta og annarra einangraðra kerfa. MATLAB/Simulink var notað við hönnun og hermun einstakra hluta örnetsins. Kraftrafeindabúnaður var hannaður og hermdur ásamt sólarsellum með stýringum sem hámörkuðu afl frá sólarorkunni.   Þessi stýring var útfærð og forrituð í MATLAB. Einnig var aflrafeindabúnaður hannaður sem stýrði aflflæði til og frá rafhlöðu en sú stýring var útfærð sem PI stýring.  Virkni þeirrar hleðslustýringar var mjög góð sem aftur leiddi til góðrar og stöðugrar spennustýringar í kerfinu.  Lead-acid rafhlaða var notuð þar sem hún þótti hagstæðust til notkunar í þessu kerfi.
     
    Möguleg sólar og vindorka eyjunnar var hermd ásamt áætluðu álagi hennar.  Hagræn orku athugun var framkvæmd með notkun  Hybrid Optimization Model for Electric Renewables (HOMER) forritinu. Niðurstöður sýndu að DC örnet gat annað álagi eyjunnar með 20 % minni orkuframleiðslu samanborið við AC net vegna minni tapa af völdum af og áriðla.  Niðurstaðan sýndi einnig að AC örnet þar sem eingöngu er um dísel rafala að ræða í framleiðslunni þ.e. eins og staðan er í dag, var heildarkostnaðurinn hæstur í þessum útreikningum. Í því tilviki sem um samþætta AC framleiðslu er að ræða var kostnaðurinn minni en ódýrasta útgáfan var þegar kerfið var alfarið útfært sem DC kerfi.   DC kerfi sem byggði á 100 % endurnýjanlegri orkuframleiðslu framleiddi mun meiri orku en þörf var á þar sem aflgetan var ákvörðuð út frá álagi þegar aflgeta endurnýjanlegra orkugjafans er í lágmarki.   Rafhlöður má nota til að minnka þessa aflþörf en notkun þeirra gætu aukið heildarkostnað kerfisins. Tæknileg athugun á stýringum kerfisins sýndu fram á virkni þess bæði á góðum og slæmum degi m.t.t.  framleiðsu á endurnýjanlegri raforku.  Báðar hermanir sýndu fram á að spennan var stöðug og rafeindabúnaðurinn sem stýrir hleðsunni virkaði sem skyldi. Örkerfi sem byggði á  100 % endurnýjanlega orku myndi þurfa sólarsellur sem þekja 15,7 % eyjunnar og 10 gáma af rafhlöðum.  Því er lagt er til að ákvarða stærð sólarorkuframleiðslunnar út frá grunnnotkun og nota dísel rafala til að mæta aflþörf í afltoppum ásamt einhverskonar framleiðslu, geymslu og notkun á vetnisorku.

Samþykkt: 
  • 27.6.2018
URI: 
  • http://hdl.handle.net/1946/31418


Skrár
Skráarnafn Stærð AðgangurLýsingSkráartegund 
Design and Simulation of a DC Microgrid for a Small Island in Belize.pdf10.22 MBOpinnHeildartextiPDFSkoða/Opna