Συμβολή Φωτοβολταϊκών Σταθμών Στη Ρύθμιση Συχνότητας

Abstract

Τα τελευταία έτη η ανάπτυξη των Φωτοβολταϊκών (Φ/Β) συστημάτων έχει σημειώσει ραγδαία εξέλιξη. Το γεγονός αυτό οφείλει να συνδυάζεται με τη συμμετοχή τους στη ρύθμιση του συστήματος, ώστε να μη φθίνει το επίπεδο ασφάλειας, αξιοπιστίας και σχετικής ευστάθειάς του. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται μια πρωτότυπη στρατηγική ελέγχου ενός Φ/Β σταθμού δύο σταδίων - δίχως σύστημα αποθήκευσης ενέργειας - σύμφωνα με την οποία το Φ/Β Πάρκο προσαρμόζει την παραγωγή ενεργού ισχύος του στις ανάγκες της ρύθμισης συχνότητας του δικτύου. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής οδηγεί τον DC/DC μετατροπέα, υλοποιώντας είτε έναν αλγόριθμο Maximum Power Point Tracking (MPPT), είτε την παραγωγή μόνο ενός μέρους της μέγιστης διαθέσιμης Φ/Β ισχύος. Επιπλέον, περιγράφεται και ο απαραίτητος εκτιμητής της τελευταίας, όταν το Φ/Β πάρκο δε λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPP). Στην περίπτωση παραγωγής Φ/Β ισχύος μικρότερης της μέγιστης διαθέσιμης παρουσιάζεται η δυνατότητα εφαρμογής στατισμού, αδρανειακής απόκρισης, καθώς και σταθερού ποσοστού εφεδρείας. Αναλυτικότερα, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και περιγράφεται η εξέλιξη των Φ/Β συστημάτων. Επιπλέον, εξηγείται η αναγκαιότητα της συμμετοχής των σταθμών ΑΠΕ στη ρύθμιση των δικτύων.Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η μοντελοποίηση του μηχανικού μέρους των σύγχρονων μηχανών των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και εξηγείται η άμεση συσχέτιση μεταξύ ενεργού ισχύος και συχνότητας. Ύστερα, περιγράφεται η ρύθμιση συχνότητας από τους συμβατικούς σταθμούς. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφοροι Κωδίκες Δικτύων, οι οποίοι αποσκοπούν στη συμβολή των Αιολικών Πάρκων στη ρύθμιση του δικτύου. Μεταξύ αυτών περιγράφεται και ένας Κώδικας που αναφέρεται στη διασύνδεση σταθμών στη Μέση Τάση. Επιπρόσθετα, αναφέρεται ο Κώδικας που έχει προταθεί για εφαρμογή στο Ευρωπαϊκό δίκτυο, ο οποίος θα αφορά όλες τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής, περιγράφοντας όλες τις απαιτήσεις του που αφορούν τη ρύθμιση συχνότητας.Το Κεφάλαιο 3 παρουσιάζει την τοπολογία του εξεταζόμενου Φ/Β σταθμού δύο σταδίων, η απόκριση του οποίου προσομοιώθηκε με το λογισμικό MATLAB/SIMULINK, ώστε να διαπιστωθεί η δυνατότητα συμβολής του στη ρύθμιση συχνότητας ενός μικροδικτύου. Το μικροδίκτυο αυτό περιλαμβάνει τον Φ/Β σταθμό, μια Ντιζελογεννήτρια, μια Ανεμογεννήτρια (Α/Γ) και το φορτίο. Ο Φ/Β σταθμός αποτελείται από το Φ/Β πεδίο, στο οποίο λαμβάνει χώρα η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, τους DC/DC και DC/AC μετατροπείς, το φίλτρο και τον μετασχηματιστή ανύψωσης. Στο Κεφάλαιο αυτό περιγράφονται τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την αναπαράσταση των υποσυστημάτων του Φ/Β σταθμού και του υπολοίπου δικτύου.Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται οι ελεγκτές του Φ/Β σταθμού. Ο DC/DC μετατροπέας ρυθμίζεται έτσι ώστε να εξάγεται η επιθυμητή ισχύς από το Φ/Β πεδίο, ανάλογα με την τιμή της συχνότητας. Στη συνέχεια περιγράφεται η στρατηγική ελέγχου του DC/AC μετατροπέα, ο οποίος εγχέει στο μικροδίκτυο την ενεργό ισχύ του Φ/Β πεδίου, που ρυθμίζεται από τον DC/DC μετατροπέα. Για την περιγραφή του ελεγκτή αυτού παρουσιάζεται ο μετασχηματισμός Park, το σύστημα συγχρονισμού με το δίκτυο (PLL) και οι ελεγκτές της τάσεως του DC link και των εγχεόμενων ρευμάτων στο μικροδίκτυο.Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του συστήματος. Οι περιπτώσεις που εξετάστηκαν ήταν η μεταβαλλόμενη ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας στα Φ/Β πλαίσια, η μεταβαλλόμενη ζητούμενη εφεδρεία ενεργού ισχύος του Φ/Β σταθμού, η βηματική μείωση και αύξηση του φορτίου και η περίπτωση ταχύτητας ανέμου με τυρβώδη συνιστώσα (της Α/Γ που είναι συνδεδεμένη στο μικροδίκτυο).Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις αυτής.