Improved clamped Z-source converter with optimized maximum power point tracker for hybrid renewable energy systems based energy management system

Abstract

In light of the intermittent and seasonal nature of wind and solar energy, electrical systems are becoming more problematic to operate. The purpose of the work is to establish an energy storage system that helps to minimize such operational challenges, which are essential to improve grid stability and reliability. The tasks solved in the article to achieve the given goal are the following: incorporating an energy management system with the aid of improved converter and optimized maximum power point (MPPT) for (Photovoltaic) PV and PMSG (permanent magnet synchronous generator) based wind system. On comparing with conventional Z-source converters, a novel improved clamped Z-source converter, which is utilized in this work has high efficiency with low THD and it has the capacity to protect electrical circuits against damage caused by short circuits, overcurrent and overvoltage. The Pulse Width Modulation (PWM) rectifier is implemented to convert AC-DC supply obtained from the PMSG wind system. Firefly optimization with an aid of Radial Basis Function Neural Network (RBFNN) technique is employed as an MPPT system for extracting optimal power from photovoltaic system. The excess energy obtained from the hybrid sources are stored in the battery and it is controlled by the recurrent neural network (RNN) with the bidirectional converter. The overall developed system is executed in MATLAB software and the most important outcomes are demonstrated in terms of high efficiency with 91.2%, high tracking efficiency of 98.54% and reduced THD of 2.45% respectively. The significance of results obtained in this research lies in the advancement of renewable energy integration technologies. By overcoming the challenges associated with intermittent energy sources, the developed system contributes to the improvement of grid stability and reliability.

Datorită naturii intermitente și sezoniere a energiei eoliene și solare, operarea sistemelor electrice devine din ce în ce mai dificilă. Integrarea sistemelor de stocare a energiei poate minimiza aceste probleme operaționale pentru a îmbunătăți stabilitatea și fiabilitatea rețelei. În acest sens, lucrarea propusă implementează un sistem de management al energiei folosind un convertor avansat și un sistem optimizat de control al punctului de putere maximă pentru sisteme fotovoltaice și eoliene bazat pe un generator sincron cu magnet permanent. Un convertor de impedanță de limitare a sursei Z nou și îmbunătățit este utilizat pentru a crește puterea de ieșire a sistemului fotovoltaic și pentru a asigura o eficiență ridicată, iar un redresor cu modulație de lățime a impulsurilor (RMI) este utilizat pentru a converti puterea AC în DC de la sistemul de energie eoliană. Optimizarea prin metoda ”flacărăfluturaș” cuplată cu funcția de bază radială rețeaua neuronală este utilizată ca sistem de urmărire pentru a optimiza punctul de putere maximă pentru a obține puterea optimă din sistemul fotovoltaic. Excesul de energie obținut din surse hibride de energie regenerabilă este stocat într-o baterie și controlat de o rețea neuronală recurentă folosind un convertor bidirecțional. Semnificația rezultatelor obținute este îmbunătățirea calității tensiunii de ieșire a sistemului de alimentare, reducerea coeficientului de distorsiune neliniară și creșterea eficienței conversiei.

Ввиду прерывистого и сезонного характера ветровой и солнечной энергии эксплуатация электрических систем становится все более проблематичной. Интеграция систем хранения энергии позволяет свести к минимуму подобные эксплуатационные проблемы, что необходимо для повышения стабильности и надежности электросети. В связи с этим в предлагаемой работе реализована система управления энергопотреблением с помощью усовершенствованного преобразователя и оптимизированной системы управления точкой максимальной мощности для фотоэлектрической и ветровой систем на базе синхронного генератора с постоянными магнитами). Для увеличения выходной мощности фотоэлектрической системы и обеспечения ее высокого КПД используется новый улучшенный импедансный преобразователь с ограничивающим Z-источником, а для преобразования переменного тока в постоянный, получаемого от энергосистемы с ветрогенератором, применяется выпрямитель с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). В качестве следящей системы для оптимизации точки максимальной мощности для получения оптимальной мощности от фотоэлектрической системы используется оптимизация с помощью метода "пламя-светлячок" совместно с использованием нейронной сети с радиальной базисной функцией. Избыточная энергия, полученная от гибридных источников возобновляемой энергии, накапливается в аккумуляторе и управляется рекуррентной нейронной сетью с помощью двунаправленного преобразователя. Значимость полученных результатов состоит в повышении качества выходного напряжения энергосистемы, снижения коэффициента нелинейных искажений и повышения КПД преобразования.