Χρήση Αεροφυλακίου Σε Αεριοστροβιλικές Μονάδες Για Ρύθμιση Συχνότητας Και Αποθήκευση Ενέργειας Σε Ηλεκτρικά Συστήματα Με Μεγάλη Αιολική Διείσδυση - Εφαρμογή Στο Αυτόνομο Σύστημα Της Ρόδου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της χρήσης αεροφυλακίου μικρής και μεγάλης κλίμακας σε αεριοστροβιλικές μονάδες, με στόχο τη ρύθμιση συχνότητας και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας αντίστοιχα, σε συστήματα με μεγάλη αιολική διείσδυση. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο αεροφυλακίου μικρής κλίμακας σε περιβάλλον Matlab/Simulink το οποίο ενσωματώθηκε στο μοντέλο μιας αεριοστροβιλικής μονάδας, με στόχο τη μεταβατική αύξηση της παραγόμενης ισχύος σε περιπτώσεις διαταραχών με την έγχυση πεπιεσμένου αέρα στο θάλαμο καύσης. Αφού περιγράφηκε το μοντέλο του αεριοστροβίλου με αεροφυλάκιο με διαφορικές εξισώσεις, συναρτήσεις μεταφοράς και μπλοκ διαγράμματα, αναλύθηκε ο τρόπος ελέγχου του αεροφυλακίου και εξηγήθηκε ο τρόπος υλοποίησής του στο περιβάλλον του Simulink. Ακολούθως, επιλέχθησαν οι κατάλληλες τιμές των παραμέτρων λειτουργίας και προσομοιώθηκε το σύστημα αεριοστρόβιλος-αεροφυλάκιο, θεωρώντας απομονωμένη λειτουργία γεννήτριας. Για το σκοπό αυτό θεωρήθηκαν διάφορες διαταραχές του ηλεκτρικού φορτίου, προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα της ένταξης του αεροφυλακίου στην αεριοστροβιλική μονάδα. Διαπιστώθηκε ότι το αεροφυλάκιο βελτιώνει σημαντικά την πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και συνεισφέρει στη διατήρηση της ευστάθειας, αυξάνοντας την ικανότητα παραγωγής ισχύος, βελτιώνοντας τη μεταβατική απόκριση του αεριοστροβίλου και προσφέροντας στρεφόμενη εφεδρεία στο σύστημα.Στη συνέχεια, αναπτύξαμε σε περιβάλλον Simulink του Matlab ένα μοντέλο συστήματος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας υπό μορφή πεπιεσμένου αέρα το οποίο συνδυάστηκε με το μοντέλο μιας αεριοστροβιλικής μονάδας (Gas-Turbine Compressed Air Energy Storage), κατάλληλο για μελέτες ευστάθειας. Αφού περιγράφηκαν οι διατάξεις ελέγχου του μοντέλου GT-CAES με συναρτήσεις μεταφοράς και μπλοκ διαγράμματα, έγινε αναφορά στον τρόπο υλοποίησής του στο Simulink. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην απόκριση του συστήματος σε περιπτώσεις διαταραχών του φορτίου ή της παραγωγής, και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο η αποθήκευση ενέργειας με πεπιεσμένο αέρα μπορεί να συνεισφέρει στην πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και στη διατήρηση της ευστάθειας. Στην πρώτη εφαρμογή το αεροφυλάκιο χρησιμεύει ως μέθοδος μεταβατικής αύξησης της παραγωγής ισχύος των αεριοστροβιλικών μονάδων σε περιπτώσεις διαταραχών, ενώ στη δεύτερη περίπτωση αποσκοπεί στην αποθήκευση μέρους της αιολικής ενέργειας σε συστήματα με αυξημένη αιολική διείσδυση.Τέλος, τα μοντέλα των δύο μονάδων που αναπτύχθηκαν ενσωματώνονται στο αυτόνομο σύστημα της Ρόδου, όπου θεωρείται αυξημένη διείσδυση αιολικής ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή, για διάφορα σενάρια παραγωγής-κατανάλωσης των συμβατικών μονάδων και των φορτίων αντίστοιχα. Ως διαταραχή επιλέχθηκε η απώλεια ενός σταθμού παραγωγής μια δεδομένη χρονική στιγμή. Η προσομοίωση του τροποποιημένου συστήματος της Ρόδου γίνεται με το λογισμικό πακέτο προσομοίωσης WHSSP (Wind-Hybrid System Simulation Package), το οποίο υλοποιείται σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Διαπιστώθηκε ότι με τη χρήση αεροφυλακίου ως μέθοδος μεταβατικής ενίσχυσης της παραγωγής του αεριοστροβίλου, αποφεύγονται οι αποκοπές φορτίων και βελτιώνεται σημαντικά η μεταβατική απόκριση του συστήματος της Ρόδου στην εξεταζόμενη διαταραχή. Στη συνέχεια εξετάστηκε η ένταξη στο σύστημα της Ρόδου του υβριδικού συστήματος GT-CAES σε συνθήκες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και προέκυψε ότι με τη χρήση του αεροφυλακίου μεγάλης κλίμακας επιτυγχάνεται ικανοποιητική απόκριση στην εξεταζόμενη διαταραχή, παρόμοια με αυτή μιας συμβατικής αεριοστροβιλικής μονάδας ίδιας ονομαστικής ισχύος, με σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές CO2. Ακολούθως, προσομοιώθηκε το αυτόνομο σύστημα της Ρόδου σε συνθήκες πολύ μεγάλης αιολικής διείσδυσης, με τη μονάδα GT-CAES να αποθηκεύει αιολική ενέργεια με την έγχυση πεπιεσμένου αέρα στο αεροφυλάκιο. Διαπιστώθηκε ότι η δυνατότητα απόρριψης του φορτίου του ανεξάρτητου συμπιεστή επιτυγχάνει τη διατήρηση της ευστάθειας του συστήματος και την αποφυγή αποκοπής φορτίων στην εξεταζόμενη διαταραχή, προσφέροντας τη δυνατότητα παράλληλα της πλήρους απορρόφησης της αιολικής ισχύος.