Analysis of the Efficiency of Using Direct Current in a Microgrid of a Residential Building
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-4-21-29Keywords:
microgrid, direct current, energy efficiency, renewable energy sources, power converterAbstract
Typical architectures of microgrids running on direct and alternating current are considered. The possibility of reducing power conversion stages and thereby reducing electricity losses and the cost of power supplies for electronic devices when switching to direct current is shown. The problem of quantitative assessment of the efficiency of using direct current for power supply to consumers within the framework of distributed generation with renewable energy sources (RES) is formulated. The solution to this problem is carried out using the example of a residential building power supply microgrid. Modeling of consumer electrical load profiles is carried out based on a probabilistic-statistical model. To assess the potential of renewable energy sources (solar activity, wind speed), data obtained using an alternative energy complex containing a wind generator and solar panels and deployed at the Smolensk branch of MPEI are used. When modeling, power converters are taken into account by the curves of their efficiency depending on the load level, obtained by measurements or from information from technical characteristics. The modeling algorithm is presented in the form of a block diagram. The efficiency of a microgrid on direct current was calculated relative to a similar system on alternating current for different seasons and operating modes. Microgrid operating modes have been determined that provide the greatest relative efficiency of power supply systems during the transition to direct current.
References
1. Маркова В.М., Чурашев В.Н. Децентрализация энергетики: интеграция и инновации // ЭКО. 2020. № 4(550). С. 8—27. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2020-4-8-27. EDN: QCCJKR.
2. Хоботова Л.В., Непринцева Е.В., Шубин С.А. Стратегия цифровой трансформации: оценка цифровой зрелости электроэнергетической отрасли России // Стратегические решения и риск-менеджмент. 2022. Т. 13. № 3. С. 234—244. DOI: 10.17747/2618-947X-2022-3-234-244. EDN: ERBHCY.
3. Зацепина В.И., Кудрявцев А.Е. Гибридная микросеть переменного и постоянного тока на основе фотоэлектрических источников питания и аккумуляторных батарей // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2022. Т. 18. № 3(69). С. 15—23. DOI: 10.53015/18159958-2022-18-3-15.
4. Илюшин П.В., Вольный В.С. Обзор структур микросетей низкого напряжения с распределенными источниками энергии // Релейная защита и автоматизация. 2023. № 1(50). С. 68—80.
5. Распоряжение Правительства РФ № 1523-р от 09 июня 2020 г. «Об Энергетической стратегии России на период до 2035 года».
6. Некрасов С.А., Грачев И.Д. Возобновляемая энергетика: перспективы корректировки развития энергоснабжения в России // Проблемы прогнозирования. 2020. № 1(178). С. 99—109.
7. Королев А.А. и др. Перспективы электроснабжения с применением технологий постоянного тока в распределительных сетях 0,4-20 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение. 2022. № 6(75). С. 14—22.
8. Zhao X., Yang G., Bai X., Yang Z., Yang G. Construction of Low Voltage DC Smart Buildings with Generation-storage-distribution-utilization // Proc. IEEE Sustainable Power and Energy Conf. Nanjing, 2021. Pp. 2140—2143.
9. Weiss R., Ott L., Boeke U. Energy Efficient Low-voltage DC-grids for Commercial Buildings // Proc. IEEE First Intern. Conf. DC Microgrids (ICDCM). Atlanta, 2015. Pp. 154—158. DOI: 10.1109/ICDCM.2015.7152030.
10. Шклярский Я.Э., Соловьев С.В. Особенности микросети на постоянном токе с использованием ветрогенераторов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. № 3. С. 50—53.
11. Rodriguez-Diaz E., Chen F., Vasquez J.C., Guerrero J M., Burgos R., Boroyevich D. Voltage-level Selection of Future Two-level LVdc Distribution Grids: a Compromise Between Grid Compatibiliy, Safety, and Efficiency // IEEE Electrif. Mag. 2016. V. 4(2). Pp. 20—28.
12. Андреенков Е.С. Выбор оптимального уровня напряжения микросети постоянного тока // Тинчуринские чтения – 2023. Энергетика и цифровая трансформация: Материалы Междунар. молодежной науч. конф. Казань: Казанский гос. энергетический ун-т, 2023. Т. 1. С. 171—174.
13. Wunder B., Ott L., Szpek M., Boeke U. Energy Efficient DC-grids for Commercial Buildings // Proc. 36th Intern. Telecommun. Energy Conf. 2014. Pp. 118—125.
14. Булычева Е.А., Киселев К.О., Сафарзода А.Х. Интеллектуальный научно-исследовательский комплекс альтернативной энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. Москва, 2018. № 5(115). С. 71—78.
15. Palacios-Garcia E.J. e. a. Stochastic Model for Lighting’s Electricity Consumption in the Residential Sector. Impact of Energy Saving Actions // Energy Build. 2015. V. 89. Pp. 245—259.
---
Для цитирования: Андреенков Е.С., Шунаев С.А., Питерский Н.С. Анализ эффективности применения постоянного тока в микросети жилого дома // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 21—29. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-21-29.
#
1. Markova V.M., Churashev V.N. Detsentralizatsiya Energetiki: Integratsiya i Innovatsii. EKO. 2020;4(550):8—27. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2020-4-8-27. EDN: QCCJKR. (in Russian).
2. Khobotova L.V., Neprintseva E.V., Shubin S.A. Strategiya Tsifrovoy Transformatsii: Otsenka Tsifrovoy Zrelosti Elektroenergeticheskoy Otrasli Rossii. Strategicheskie Resheniya i Risk-menedzhment. 2022;13;3:234—244. DOI: 10.17747/2618-947X-2022-3-234-244. EDN: ERBHCY. (in Russian).
3. Zatsepina V.I., Kudryavtsev A.E. Gibridnaya Mikroset' Peremennogo i Postoyannogo Toka na Osnove Fotoelektricheskikh Istochnikov Pitaniya i Akkumulyatornykh Batarey. Vesti Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy Chernozem'ya. 2022;18;3(69):15—23. DOI: 10.53015/18159958-2022-18-3-15. (in Russian).
4. Ilyushin P.V., Vol'nyy V.S. Obzor Struktur Mikrosetey Nizkogo Napryazheniya s Raspredelennymi Istochnikami Energii. Releynaya Zashchita i Avtomatizatsiya. 2023;1(50):68—80. (in Russian).
5. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF № 1523-r ot 09 Iyunya 2020 g. «Ob Energeticheskoy Strategii Rossii na Period do 2035 Goda».(in Russian).
6. Nekrasov S.A., Grachev I.D. Vozobnovlyaemaya Energetika: Perspektivy Korrektirovki Razvitiya Energosnabzheniya v Rossii. Problemy Prognozirovaniya. 2020;1(178):99—109. (in Russian).
7. Korolev A.A. i dr. Perspektivy Elektrosnabzheniya s Primeneniem Tekhnologiy Postoyannogo Toka v Raspredelitel'nykh Setyakh 0,4-20 kV. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie. 2022;6(75):14—22. (in Russian).
8. Zhao X., Yang G., Bai X., Yang Z., Yang G. Construction of Low Voltage DC Smart Buildings with Generation-storage-distribution-utilization. Proc. IEEE Sustainable Power and Energy Conf. Nanjing, 2021:2140—2143.
9. Weiss R., Ott L., Boeke U. Energy Efficient Low-voltage DC-grids for Commercial Buildings. Proc. IEEE First Intern. Conf. DC Microgrids (ICDCM). Atlanta, 2015:154—158. DOI: 10.1109/ICDCM.2015.7152030.
10. Shklyarskiy Ya.E., Solov'ev S.V. Osobennosti Mikroseti na Postoyannom Toke s Ispol'zovaniem Vetrogeneratorov. Elektrotekhnicheskie Kompleksy i Sistemy Upravleniya. 2015;3:50—53. (in Russian).
11. Rodriguez-Diaz E., Chen F., Vasquez J.C., Guerrero J M., Burgos R., Boroyevich D. Voltage-level Selection of Future Two-level LVdc Distribution Grids: a Compromise Between Grid Compatibiliy, Safety, and Efficiency. IEEE Electrif. Mag. 2016;4(2):20—28.
12. Andreenkov E.S. Vybor Optimal'nogo Urovnya Napryazheniya Mikroseti Postoyannogo Toka. Tinchurinskie Chteniya – 2023. Energetika i Tsifrovaya Transformatsiya: Materialy Mezhdunar. Molodezhnoy Nauch. Konf. Kazan': Kazanskiy Gos. Energeticheskiy Un-t, 2023;1:171—174. (in Russian).
13. Wunder B., Ott L., Szpek M., Boeke U. Energy Efficient DC-grids for Commercial Buildings. Proc. 36th Intern. Telecommun. Energy Conf. 2014:118—125.
14. Bulycheva E.A., Kiselev K.O., Safarzoda A.Kh. Intellektual'nyy Nauchno-issledovatel'skiy Kompleks Al'ternativnoy Energetiki. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. Moskva, 2018;5(115):71—78. (in Russian).
15. Palacios-Garcia E.J. e. a. Stochastic Model for Lighting’s Electricity Consumption in the Residential Sector. Impact of Energy Saving Actions. Energy Build. 2015;89:245—259
---
For citation: Andreenkov E.S., Shunaev S.A., Pitersky N.S. Analysis of the Efficiency of Using Direct Current in a Microgrid of a Residential Building. Bulletin of MPEI. 2024;4:21—29. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-21-29
2. Хоботова Л.В., Непринцева Е.В., Шубин С.А. Стратегия цифровой трансформации: оценка цифровой зрелости электроэнергетической отрасли России // Стратегические решения и риск-менеджмент. 2022. Т. 13. № 3. С. 234—244. DOI: 10.17747/2618-947X-2022-3-234-244. EDN: ERBHCY.
3. Зацепина В.И., Кудрявцев А.Е. Гибридная микросеть переменного и постоянного тока на основе фотоэлектрических источников питания и аккумуляторных батарей // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2022. Т. 18. № 3(69). С. 15—23. DOI: 10.53015/18159958-2022-18-3-15.
4. Илюшин П.В., Вольный В.С. Обзор структур микросетей низкого напряжения с распределенными источниками энергии // Релейная защита и автоматизация. 2023. № 1(50). С. 68—80.
5. Распоряжение Правительства РФ № 1523-р от 09 июня 2020 г. «Об Энергетической стратегии России на период до 2035 года».
6. Некрасов С.А., Грачев И.Д. Возобновляемая энергетика: перспективы корректировки развития энергоснабжения в России // Проблемы прогнозирования. 2020. № 1(178). С. 99—109.
7. Королев А.А. и др. Перспективы электроснабжения с применением технологий постоянного тока в распределительных сетях 0,4-20 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение. 2022. № 6(75). С. 14—22.
8. Zhao X., Yang G., Bai X., Yang Z., Yang G. Construction of Low Voltage DC Smart Buildings with Generation-storage-distribution-utilization // Proc. IEEE Sustainable Power and Energy Conf. Nanjing, 2021. Pp. 2140—2143.
9. Weiss R., Ott L., Boeke U. Energy Efficient Low-voltage DC-grids for Commercial Buildings // Proc. IEEE First Intern. Conf. DC Microgrids (ICDCM). Atlanta, 2015. Pp. 154—158. DOI: 10.1109/ICDCM.2015.7152030.
10. Шклярский Я.Э., Соловьев С.В. Особенности микросети на постоянном токе с использованием ветрогенераторов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. № 3. С. 50—53.
11. Rodriguez-Diaz E., Chen F., Vasquez J.C., Guerrero J M., Burgos R., Boroyevich D. Voltage-level Selection of Future Two-level LVdc Distribution Grids: a Compromise Between Grid Compatibiliy, Safety, and Efficiency // IEEE Electrif. Mag. 2016. V. 4(2). Pp. 20—28.
12. Андреенков Е.С. Выбор оптимального уровня напряжения микросети постоянного тока // Тинчуринские чтения – 2023. Энергетика и цифровая трансформация: Материалы Междунар. молодежной науч. конф. Казань: Казанский гос. энергетический ун-т, 2023. Т. 1. С. 171—174.
13. Wunder B., Ott L., Szpek M., Boeke U. Energy Efficient DC-grids for Commercial Buildings // Proc. 36th Intern. Telecommun. Energy Conf. 2014. Pp. 118—125.
14. Булычева Е.А., Киселев К.О., Сафарзода А.Х. Интеллектуальный научно-исследовательский комплекс альтернативной энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. Москва, 2018. № 5(115). С. 71—78.
15. Palacios-Garcia E.J. e. a. Stochastic Model for Lighting’s Electricity Consumption in the Residential Sector. Impact of Energy Saving Actions // Energy Build. 2015. V. 89. Pp. 245—259.
---
Для цитирования: Андреенков Е.С., Шунаев С.А., Питерский Н.С. Анализ эффективности применения постоянного тока в микросети жилого дома // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 21—29. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-21-29.
#
1. Markova V.M., Churashev V.N. Detsentralizatsiya Energetiki: Integratsiya i Innovatsii. EKO. 2020;4(550):8—27. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2020-4-8-27. EDN: QCCJKR. (in Russian).
2. Khobotova L.V., Neprintseva E.V., Shubin S.A. Strategiya Tsifrovoy Transformatsii: Otsenka Tsifrovoy Zrelosti Elektroenergeticheskoy Otrasli Rossii. Strategicheskie Resheniya i Risk-menedzhment. 2022;13;3:234—244. DOI: 10.17747/2618-947X-2022-3-234-244. EDN: ERBHCY. (in Russian).
3. Zatsepina V.I., Kudryavtsev A.E. Gibridnaya Mikroset' Peremennogo i Postoyannogo Toka na Osnove Fotoelektricheskikh Istochnikov Pitaniya i Akkumulyatornykh Batarey. Vesti Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy Chernozem'ya. 2022;18;3(69):15—23. DOI: 10.53015/18159958-2022-18-3-15. (in Russian).
4. Ilyushin P.V., Vol'nyy V.S. Obzor Struktur Mikrosetey Nizkogo Napryazheniya s Raspredelennymi Istochnikami Energii. Releynaya Zashchita i Avtomatizatsiya. 2023;1(50):68—80. (in Russian).
5. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF № 1523-r ot 09 Iyunya 2020 g. «Ob Energeticheskoy Strategii Rossii na Period do 2035 Goda».(in Russian).
6. Nekrasov S.A., Grachev I.D. Vozobnovlyaemaya Energetika: Perspektivy Korrektirovki Razvitiya Energosnabzheniya v Rossii. Problemy Prognozirovaniya. 2020;1(178):99—109. (in Russian).
7. Korolev A.A. i dr. Perspektivy Elektrosnabzheniya s Primeneniem Tekhnologiy Postoyannogo Toka v Raspredelitel'nykh Setyakh 0,4-20 kV. Elektroenergiya. Peredacha i Raspredelenie. 2022;6(75):14—22. (in Russian).
8. Zhao X., Yang G., Bai X., Yang Z., Yang G. Construction of Low Voltage DC Smart Buildings with Generation-storage-distribution-utilization. Proc. IEEE Sustainable Power and Energy Conf. Nanjing, 2021:2140—2143.
9. Weiss R., Ott L., Boeke U. Energy Efficient Low-voltage DC-grids for Commercial Buildings. Proc. IEEE First Intern. Conf. DC Microgrids (ICDCM). Atlanta, 2015:154—158. DOI: 10.1109/ICDCM.2015.7152030.
10. Shklyarskiy Ya.E., Solov'ev S.V. Osobennosti Mikroseti na Postoyannom Toke s Ispol'zovaniem Vetrogeneratorov. Elektrotekhnicheskie Kompleksy i Sistemy Upravleniya. 2015;3:50—53. (in Russian).
11. Rodriguez-Diaz E., Chen F., Vasquez J.C., Guerrero J M., Burgos R., Boroyevich D. Voltage-level Selection of Future Two-level LVdc Distribution Grids: a Compromise Between Grid Compatibiliy, Safety, and Efficiency. IEEE Electrif. Mag. 2016;4(2):20—28.
12. Andreenkov E.S. Vybor Optimal'nogo Urovnya Napryazheniya Mikroseti Postoyannogo Toka. Tinchurinskie Chteniya – 2023. Energetika i Tsifrovaya Transformatsiya: Materialy Mezhdunar. Molodezhnoy Nauch. Konf. Kazan': Kazanskiy Gos. Energeticheskiy Un-t, 2023;1:171—174. (in Russian).
13. Wunder B., Ott L., Szpek M., Boeke U. Energy Efficient DC-grids for Commercial Buildings. Proc. 36th Intern. Telecommun. Energy Conf. 2014:118—125.
14. Bulycheva E.A., Kiselev K.O., Safarzoda A.Kh. Intellektual'nyy Nauchno-issledovatel'skiy Kompleks Al'ternativnoy Energetiki. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. Moskva, 2018;5(115):71—78. (in Russian).
15. Palacios-Garcia E.J. e. a. Stochastic Model for Lighting’s Electricity Consumption in the Residential Sector. Impact of Energy Saving Actions. Energy Build. 2015;89:245—259
---
For citation: Andreenkov E.S., Shunaev S.A., Pitersky N.S. Analysis of the Efficiency of Using Direct Current in a Microgrid of a Residential Building. Bulletin of MPEI. 2024;4:21—29. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-21-29
Downloads
Published
2024-04-18
Issue
Section
Electric Power Industry (Technical Sciences) (2.4.3)
