Μελέτη Των Κυκλοφορούντων Ηλεκτρικών Ρευμάτων Σε Μικροδίκτυο Dc Και Καταστολή Τους Μέσω Πρωτογενούς Ελέγχου

Abstract

Η αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, η ανάγκη για όλο και μεγαλύτερη αξιοπιστία στην παροχή της, τα προβλήματα στην ποιότητα της ισχύος, όπως επίσης η ρύπανση του περιβάλλοντος και η κλιματική αλλαγή, έχουν οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών τρόπων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η Διεσπαρμένη Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μικρής κλίμακας πηγών που βρίσκονται κοντά στο φορτίο, αποτελεί σήμερα μία αρκετά διαδεδομένη εναλλακτική λύση ή ενίσχυση του κεντρικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Στο πλαίσιο ανάπτυξης της Διεσπαρμένης Παραγωγής αναπτύχθηκε η ιδέα του μικροδικτύου. Το μικροδίκτυο είναι ένα τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνει πηγές διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία, μέσα προστασίας και αποθήκευσης και μπορεί να λειτουργήσει είτε συνδεδεμένα με το κύριο δίκτυο με δυνατότητα εισαγωγής/εξαγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είτε σε κατάσταση νησιδοποίησης, δηλαδή απομόνωσης από το κύριο δίκτυο. Τα τελευταία χρόνια, τα μικροδίκτυα και ιδιαίτερα τα μικροδίκτυα DC, λόγω των πλεονεκτημάτων τους έναντι των μικροδικτύων AC, προσελκύουν την προσοχή όλο και περισσότερων ερευνητών από όλο τον κόσμο. Παρόλα τα πλεονεκτήματά τους, η ανάπτυξη των μικροδικτύων DC παρουσιάζει ορισμένες προκλήσεις. Η σημαντικότερη πρόκληση αποτελεί το φαινόμενο των κυκλοφορούντων ηλεκτρικών ρευμάτων, δηλαδή ηλεκτρικών ρευμάτων που κυκλοφορούν σε βρόχους που σχηματίζονται μεταξύ των πηγών αντί να καταλήγουν στο φορτίο προκαλώντας σημαντικές απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας στις γραμμές μεταφοράς. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η καταστολή του συγκεκριμένου φαινομένου. Ειδικότερα, στο Κεφάλαιο 1, καταγράφονται οι λόγοι εμφάνισης της Διεσπαρμένης Παραγωγής, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της, ορίζεται το μικροδίκτυο, περιγράφονται οι καταστάσεις λειτουργίας του και τα χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μικροδικτύων AC και DC με ιδιαίτερη έμφαση να δίνεται στα πλεονεκτήματα των μικροδικτύων DC έναντι των μικροδικτύων AC. Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται εκτενής αναφορά στην εφαρμογή του ιεραρχικού ελέγχου στα μικροδίκτυα DC και ιδιαίτερα στον παθητικό πρωταρχικό ή πρωτογενή έλεγχο που ασχολείται με το διαμοιρασμό του φορτίου μεταξύ των πηγών. Ως η σημαντικότερη μορφή παθητικού πρωταρχικού ή πρωτογενούς ελέγχου αναδεικνύεται ο έλεγχος που βασίζεται στις χαρακτηριστικές καμπύλες Droop των μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ένταξη των πηγών στο μικροδίκτυο. Τέλος, αναδεικνύονται τα δύο σημαντικότερα προβλήματα που σχετίζονται με τον έλεγχο Droop, ο κακός διαμοιρασμός του φορτίου και τα κυκλοφορούντα ηλεκτρικά ρεύματα. Στο Κεφάλαιο 3, καταγράφονται οι τρόποι αντιμετώπισης του φαινομένου των κυκλοφορούντων ηλεκτρικών ρευμάτων που προτείνονται από τη διεθνή βιβλιογραφία μέχρι και σήμερα. Έμφαση δίνεται στη μέθοδο Droop Index (DI), όπου η καταστολή των κυκλοφορούντων ηλεκτρικών ρευμάτων πραγματοποιείται μέσω της επιλογής κατάλληλων τιμών για τις εικονικές αντιστάσεις εξόδου R_droop των μετατροπέων του μικροδικτύου DC. Η μέθοδος στοχεύει στη βέλτιστη λύση για το σύστημα, δηλαδή στην μεγαλύτερη δυνατή καταστολή των κυκλοφορούντων ηλεκτρικών ρευμάτων και ταυτόχρονα στη μεγαλύτερη δυνατή μείωση των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στις γραμμές μεταφοράς που αυξάνονται με την αύξηση των αντιστάσεων R_droop. Στο Κεφάλαιο 4, μελετάται η σχέση ανάμεσα στις αντιστάσεις R_droop και στο λόγο ή στους λόγους των τάσεων εξόδου των μετατροπέων ενός μικροδικτύου DC. Συγκεκριμένα, για τέσσερις συνολικά συνδεσμολογίες, δύο μονοπολικές και δύο διπολικές, αναλύονται και υπολογίζονται τα κυκλοφορούντα ηλεκτρικά ρεύματα και τα ηλεκτρικά ρεύματα των γραμμών μεταφοράς. Στη συνέχεια αναπτύσσονται αλγόριθμοι με τη βοήθεια του προγράμματος MATLAB που υπολογίζουν τις αντιστάσεις R_droop για διάφορες τιμές του λόγου ή των λόγων των τάσεων εξόδου των μετατροπέων των συνδεσμολογιών που μελετώνται με δεδομένα τα χαρακτηριστικά τους, δηλαδή τις αντιστάσεις των γραμμών μεταφοράς και τις αντιστάσεις των φορτίων. Τέλος, κατασκευάζουν τις καμπύλες ή τις επιφάνειες που δίνουν κατά προσέγγιση τις αντιστάσεις R_droop για οποιεσδήποτε τιμές του λόγου ή των λόγων των τάσεων εξόδου. Στο Κεφάλαιο 5, με τη βοήθεια του Simulink, μοντελοποιούνται οι συνδεσμολογίες που μελετήθηκαν στο Κεφάλαιο 4. Αρχικά, μηδενίζοντας τις αντιστάσεις R_droop, μετρώνται και καταγράφονται τα ηλεκτρικά ρεύματα των γραμμών μεταφοράς και το κυκλοφορούν ηλεκτρικό ρεύμα για κάθε συνδεσμολογία και για διάφορες τιμές του λόγου ή των λόγων των τάσεων εξόδου των μετατροπέων ενός μικροδικτύου DC. Στη συνέχεια, υπολογίζονται οι αντιστάσεις R_droop, όπως επίσης τα ηλεκτρικά ρεύματα των γραμμών μεταφοράς και το κυκλοφορούν ηλεκτρικό ρεύμα, με βάση τους αλγορίθμους που υλοποιούν τη μέθοδο Droop Index. Τέλος, επιλέγονται οι αντιστάσεις R_droop με βάση τις καμπύλες και τις επιφάνειες που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 4 και μετρώνται τα ηλεκτρικά ρεύματα των γραμμών μεταφοράς και το κυκλοφορούν ηλεκτρικό ρεύμα. Στόχος αποτελεί να συγκριθούν οι δύο μέθοδοι μεταξύ τους και να αντληθούν συμπεράσματα. Στο Κεφάλαιο 6, καταγράφονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργασία, όπως επίσης προτάσεις για τη συνέχεια.