Integrating dual active bridge DC-DC converters: a novel energy management approach for hybrid renewable energy systems

Abstract

Introduction.Hybrid renewable energy systems, which integrate wind turbines, solar PV panels, and battery storage, are essential for sustainable energy solutions. However, managing the energy flow in these systems, especially under varying load demands and climatic conditions, remains a challenge. Thenoveltyof this paper is introduces a hybrid renewable energy system structure using Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converters and an energy management strategy (EMS) to control power flow more effectively. The approach includes a dump load mechanism to handle excess energy, offering a more efficient and flexible system operation. The purpose of this study is to develop a novel approach to managing and controlling hybrid renewable energy systems, specifically through the use of a DAB DC-DC converter. Unlike traditional methods that may struggle with efficiency and flexibility, our approach introduces an innovative EMS that leverages a reduced neural network block for real-time optimal power tracking and a sophisticated control system to adapt to dynamic conditions. This approach aims to improve the flexibility of the system, enhance energy utilization, and address the limitations of existing methods by ensuring rapid and efficient responses to changes in load and climatic conditions. The primary goal of this study is to improve the performance and reliability of hybrid renewable energy systems by optimizing energy distribution and battery management. The strategy aims to ensure continuous energy availability, enhance battery lifespan, and improve system response to dynamic changes.Methods.The proposed EMS was developed and tested using MATLAB/Simulink. The system’s control mechanism prioritizes battery charging when renewable energy output exceeds demand and redirects excess energy to a dump load when necessary. Simulations were conducted under various load and climatic conditions to assess system performance. Results.The simulation results demonstrate that the proposed strategy effectively manages energy flow, ensuring optimal power distribution, quick adaptation to load changes, and maintaining the battery’s state of charge within safe limits. Practical value. The system showed improved stability and efficiency, validating the effectiveness of the control strategy in enhancing the overall performance of hybrid renewable energy systems. References 33, tables 3, figures 13.

Alternate abstract:

Вступ'. Гібридні системи відновлюваної енергетики, які об’єднують вітряні турбіни, сонячні фотоелектричні панелі та акумуляторні батареї, є важливими для стійких енергетичних рішень. Однак управління потоком енергії в цих системах, особливо за змінних вимог до навантаження та кліматичних умов, залишається проблемою. Новизна' цієї статті полягає в представленні гібридної структури системи відновлюваної енергії з використанням подвійних активних мостів (DAB) DC-DC перетворювачів і стратегії управління енергією (EMS) для більш ефективного контролю потоку електроенергії. Цей підхід включає механізм скидання навантаження для обробки надлишкової енергії, що забезпечує більш ефективну та гнучку роботу системи. Метою' цього дослідження є розробка нового підходу до управління та контролю гібридних систем відновлюваної енергії, зокрема за допомогою перетворювача DAB DC-DC. На відміну від традиційних методів, які можуть мати проблеми з ефективністю та гнучкістю, наш підхід запроваджує інноваційну EMS, яка використовує зменшений блок нейронної мережі для відстеження оптимальної потужності в реальному часі та складну систему керування для адаптації до динамічних умов. Цей підхід спрямований на покращення гнучкості системи, покращення використання енергії та усунення обмежень існуючих методів шляхом забезпечення швидкої та ефективної реакції на зміни навантаження та кліматичних умов. Основною метою цього дослідження є покращення продуктивності та надійності гібридних систем відновлюваної енергії шляхом оптимізації розподілу енергії та керування батареями. Стратегія спрямована на забезпечення безперервної доступності енергії, збільшення терміну служби акумулятора та покращення реакції системи на динамічні зміни. Методи'. Запропонована EMS була розроблена та протестована за допомогою MATLAB/Simulink. Механізм керування системою надає пріоритет зарядці батареї, коли вихід відновлюваної енергії перевищує попит, і за необхідності перенаправляє надлишкову енергію на скидання. Для оцінки продуктивності системи було проведено моделювання за різних навантажень і кліматичних умов. Результати' моделювання демонструють, що запропонована стратегія ефективно керує потоком енергії, забезпечуючи оптимальний розподіл потужності, швидку адаптацію до змін навантаження та підтримку стану заряду батареї в безпечних межах. Практична значимість'. Система продемонструвала покращену стабільність та ефективність, підтверджуючи ефективність стратегії керування для підвищення загальної продуктивності гібридних систем відновлюваної енергії. Бібл. 33, табл. 3, рис. 13.