Design, Modeling and Analysis of Low Voltage DC Microgrid. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF report.pdf Download (11MB) | Preview

Arabic Abstract

اكتسبت مؤخرا أنظمت التوزيع ذات التيار المستمر اهتماما خاصا من قبل العديد من البحوث و الدراسات. هذه الرسالة تناقش تصميم و نمذجة و تحليل نظام شبكة جهد منخفض على نظام التيار المستمر و التي تشتمل على عدة مصادر و أحمال كهربائية تعمل على التيار المستمر. هذه الرسالة تعرض في البداية مقترح لعمل عدة نماذج رياضية لغرض التنبؤ بعناصر القدرة القصوى بالإضافة إلى منحنيات التيار-الجهد بمجرد معرفة بيانات درجة الحرارة و الإشعاع الشمسي إضافة إلى البيانات المطبوعة على كل لوح شمسي عند الظروف القياسية. تم استخدام هذه النماذج لتتبع أقصى قدرة للأنظمة الشمسية عند ظروف جويّة مختلفة. تمّت مقارنة آداء هذه النماذج مع عدة ألواح شمسية من برنامج السيمولنك و من عدة ألواح شمسية متوفّرة تجاريا بالإضافة إلى بعض الطرق المقترحة في عدة أبحاث منشورة. أظهرت النماذج المقترحة آداءا أكثر دقّة و فعالية من ناحية تقدير قيمة العناصر و الزمن المطلوب لإيجاد قيمة هذه العناصر. بعد عمل نموذج لمصدر تيار مستمّر, تم عمل نماذج لبعض الأجهزة الرئيسية بنوعيها: ذات تيار متردد و تيار مستمّر باستخدام طريقتين. أظهرت النتائج فعالية هذه النماذج عند مقارنتها مع النتائج العملية. ثم تم اقتراح أربعة أنظمة مختلفة لتصميم منزل صغير معزول عن الشبكة الكهربائية. تم تحليل هذه الأنظمة و مقارنة خصائصها من ناحية الاستهلاك الكهربائي و الجدوى الاقتصادية على مدى 20 عام. أظهرت النتائج أنّ نظام التيار المستمرّ هو الأوفر في الاستهلاك والأجدى اقتصاديا خلال هذه الفترة. تم تعميم فكرة هذا المنزل الصغير لإنشاء نظام كامل لمدينة صغيرة مكونة من 100 منزل و تمت دراسة الجدوى الاقتصادية من وجهة نظر الشركة المزودة للكهرباء باعتبارات التكاليف الرأسمالية للمشروع و النفقات المستقبلية و الإيرادات. كما تمّت مقارنة النظام ذي التيار المستمر بالنظام العادي ذي التيار المتردد و نظامين هجينة. أظهرت النتائج أنّ نظام التيار المستمر ليس مجدي اقتصاديا في المملكة العربية السعودية في الوضع الحالي نظرا لانخفاض قيمة الوقود مما يجعل النظام الكهربائي التقليدي أفضل من ناحية اقتصادية. أمّا بالنسبة لدول الخليج العربي الأخرى فإنّ نظام التيار المستمر يعتبرالأوفر اقتصاديا بسبب ارتفاع قيمة الوقود في هذه الدول. . في النهاية, تمّ اقتراح طريقة لحماية نظام التيار المستمر المقترح بناءا على نموذج رياضي. يمكن لهذا النموذج أن يحدد بشكل سريع و فعال مسافة العطل من خلال قراءة قيمة الحمل الكهربائي بالكيلو واط, تيار المصدر عند حدوث العطل و قيمة مقاومة العطل. تم استخدام ترانزستورات ثنائية القطب كقواطع للتيار المستمر و ذلك لعزل المنطقة التي حدث فيها العطل دون التأثير على الأحمال الأخرى.

English Abstract

In recent years, DC distribution systems have gained a special attention by various research studies. This dissertation discusses the design, modeling and analysis of a low voltage DC microgrid involving different DC sources and DC appliances. Mathematical-based models are first proposed to predict the maximum power parameters and the I-V curves for any PV module by just the knowledge of the module data sheet and temperature and irradiance values. The models are then employed for tracking the maximum power of PV systems under different weather conditions. The models effectiveness is compared with SIMULINK simulations, commercial PV module specifications from data sheet and with some published research. The proposed models have shown more efficient performance in parameters estimation and computation time than the other reported algorithms. Having modeled the DC source, major household AC and DC appliances are then adopted in this dissertation for analysis and study. Two approaches are proposed for the modeling. The simulation results are compared with the experimental data and the models effectiveness has been verified. Four configurations for a small standalone house have been proposed in this study. The configurations represent complete AC system, complete DC system and two hybrid systems. The configurations are extensively analyzed and compared in terms of energy assessments and life cycle cost analysis. The results have shown that the complete DC system has shown promising results for energy and money savings over a life cycle of 20 years. The idea of this small house is then generalized to build a complete microgrid representing a small town of 100 houses. The life cycle cost of the DC system is also compared with different schemes considering capital costs, future expenses and revenues, in the utility company perspective. The results have shown that the complete DC system in this case is not recommended to be considered in Saudi Arabia due to the current low diesel prices in the Kingdom that make the diesel generator systems more cost effective. However, for other GCC countries, where the diesel prices are higher, the DC system is considered as one of the most economical solutions. A protection scheme is then proposed and applied to the proposed DC microgrid. The proposed model can effectively and rapidly determine the fault distance as well as the faulty feeder by reading the load value in kW, source current at fault and fault resistance. The scheme is incorporated with insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) used as circuit breakers for isolating the faulty feeder without affecting the load supplied by other feeders.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	El-Amin, Ibrahim
Committee Members:	Abido, Mohammad and Al-Hamouz, Zakariya and Kassas, Mahmoud and Habiballah, Ibrahim
Depositing User:	ABDUL-AZIZ AL-HARBI AHMAD (g200030410)
Date Deposited:	16 May 2018 12:49
Last Modified:	30 Dec 2020 13:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140718