Συμβολή Ανεμογεννητριών Στη Ρύθμιση Συχνότητας Διατηρώντας Εφεδρεία - Εφαρμογή Σε Hvdc Πολυτερματικό Δίκτυο

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι ανεμογεννήτριες μπορούν να διατηρούν εφεδρεία ισχύος και να αποκρίνονται στις μεταβολές της συχνότητας. Παράλληλα εξετάζεται η δυνατότητα ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου, στην υπεράκτια πλευρά του οποίου συνδέονται νησιωτικά συστήματα με μεγάλη αιολική παραγωγή, να συμβάλλει στη ρύθμιση της συχνότητας του συστήματος στο οποίο συνδέεται.Αρχικά γίνεται μια σύντομη αναφορά στη ρύθμιση συχνότητας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και ακολουθεί μια εισαγωγή στους κώδικες δικτύων που αφορούν τη διασύνδεση αιολικών πάρκων (χερσαίων ή υπεράκτιων) στο σύστημα, με επικέντρωση στις απαιτήσεις που σχετίζονται με τη συμμετοχή των πάρκων στη ρύθμιση της συχνότητας. Στη συνέχεια, αφού παρουσιάζονται οι βασικοί τύποι ανεμογεννητριών, πραγματοποιείται ανάλυση και μοντελοποίηση των επιμέρους υποσυστημάτων μιας ανεμογεννήτριας με πολυπολική σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών και πλήρη μετατροπέα ισχύος, η οποία χρησιμοποιείται και κατά τις προσομοιώσεις. Ακολούθως, εισάγεται το ζήτημα της διατήρησης εφεδρείας και απόκρισης συχνότητας από τις ανεμογεννήτριες και τα αιολικά πάρκα. Για να μπορούν οι ανεμογεννήτριες να παρέχουν εφεδρεία πρέπει η παραγόμενη ισχύ τους να είναι μικρότερη από την πραγματικά διαθέσιμη, έτσι ώστε να διατηρείται ανά πάσα στιγμή ένα περιθώριο ισχύος ως εφεδρεία. Αφού παρουσιάζονται τα είδη εφεδρείας που είναι σε θέση να παρέχουν οι ανεμογεννήτριες, επιχειρείται να αναλυθεί η βασική φιλοσοφία και οι τεχνικές μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η επιθυμητή αποφόρτιση των ανεμογεννητριών, ώστε να λειτουργούν διατηρώντας εφεδρεία. Οι δύο βασικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι ο έλεγχος της γωνίας pitch των πτερυγίων (τεχνικές pitching) και η λειτουργία υπό αυξημένη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής (τεχνικές overspeeding), με την κάθε μία να παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Ακολουθεί μια επισκόπηση των μεθόδων αποφόρτισης που προτείνονται στη βιβλιογραφία και βασίζονται στις τεχνικές που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Στη συνέχεια αναφέρονται οι τρόποι με τους οποίους οι ανεμογεννήτριες μπορούν να αποκριθούν στις μεταβολές της συχνότητας, οι οποίοι είναι ο έλεγχος στατισμού και η αδρανειακή απόκριση. Ύστερα, γίνεται η παρουσίαση και η ανάλυση του σχήματος ελέγχου που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση των ανεμογεννητριών ή των αιολικών πάρκων κατά τις προσομοιώσεις και το οποίο δίνει τη δυνατότητα σε μια ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών να διατηρεί εφεδρεία και να αποκρίνεται στις μεταβολές της συχνότητας, τόσο μέσω στατισμού όσο και μέσω τεχνητής αδράνειας.Εν συνεχεία καλύπτονται θέματα που αφορούν τη διαμόρφωση και τη λειτουργία ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου, που αποτελείται από μετατροπείς πηγής τάσης (VSC-HVDC). Μετά από μια σύντομη αναφορά στη συγκεκριμένη τεχνολογία, αναλύονται ζητήματα που έχουν να κάνουν με τη μοντελοποίηση του μετατροπέα πηγής τάσης (μοντέλο μέσων τιμών), τα συστήματα ελέγχου και συγχρονισμού αυτού με το δίκτυο, καθώς και τους πιθανούς τρόπους λειτουργίας διασυνδεδεμένων με το δίκτυο μετατροπέων. Ακολουθεί μια περιγραφή του εξεταζόμενου HVDC πολυτερματικού δικτύου στο Β. Αιγαίο. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται θέματα που αφορούν τον έλεγχο ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου τόσο στην κανονική λειτουργία όσο και στην περίπτωση απόκρισης στις μεταβολές της συχνότητας του ηπειρωτικού συστήματος. Για τον έλεγχο στην κανονική λειτουργία κυρίαρχο ρόλο έχει η ρύθμιση του ισοζυγίου ισχύος. Όσο αναφορά τη συμμετοχή του HVDC δικτύου στη ρύθμιση της συχνότητας, το κύριο ζήτημα έχει να κάνει με τον τρόπο που τα αιολικά πάρκα θα ειδοποιηθούν για τη μεταβολή της συχνότητας στο ηπειρωτικό σύστημα, εάν υποτεθεί ότι δεν υπάρχει κάποιου είδους απομακρυσμένη επικοινωνία. Η λύση που προτείνεται σε αυτή την περίπτωση, είναι η μεταφορά του σφάλματος συχνότητας στα νησιωτικά δίκτυα μέσω τεχνητής μεταβολής των ηλεκτρικών μεγεθών (DC τάση, νησιωτική συχνότητα).Ακολουθούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, όπου αρχικά προσομοιώνεται μια ανεμογεννήτρια εφοδιασμένη με το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου, ώστε να διαπιστωθεί η δυνατότητα της ανεμογεννήτριας να διατηρεί την απαιτούμενη εφεδρεία και να αποκρίνεται στις μεταβολές της συχνότητας. Παράλληλα, ελέγχεται και η συμβατότητα με τους κώδικες δικτύων. Στο δεύτερο μέρος των προσομοιώσεων εξετάζεται η λειτουργία του HVDC πολυτερματικού δικτύου στη μόνιμη κατάσταση για διάφορα επίπεδα εφεδρείας από τα αιολικά πάρκα. Τέλος, διερευνάται η δυνατότητα του δικτύου να συμμετέχει στη ρύθμιση της συχνότητας του ηπειρωτικού συστήματος, τόσο σε περίπτωση υπερσυχνότητας όσο και σε περίπτωση υποσυχνότητας.