Please use this identifier to cite or link to this item: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/17727
Title: Προσομοίωση και Έλεγχος Συστημάτων Αποθήκευσης Υδρογόνου για Συμμετοχή στη Ρύθμιση Συχνότητας
Authors: Ζάρρας, Δημήτριος
Παπαθανασίου Σταύρος
Keywords: Υδρογόνο
Αποθήκευση Ηλεκτρικής Ενέργειας
Κυψέλη Καυσίμου
Ηλεκτρολύτης
PEM
Ρύθμιση Συχνότητας
Στατισμός
Εικονική Αδρανειακή Απόκριση
Συνδυαστικός Έλεγχος
Κώδικες Δικτύου
MPPT
P2G
Τοπολογία DC Ζυγού
Μετατροπέας Ισχύος
Μικροδίκτυο
Αυτόνομο Ηλεκτρικό Σύστημα
Issue Date: 22-Oct-2020
Abstract: Η ραγδαία ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) σε συνδυασμό με την αυξανόμενη διείσδυσή τους στα ηλεκτρικά δίκτυα διεγείρει ζητήματα, τόσο ως προς την ευστάθεια αυτών, όσο και σχετικά με τις αναγκαιότητες αποθήκευσης ενέργειας. Η μείωση της αδράνειας των συστημάτων λόγω υψηλών διεισδύσεων ΑΠΕ αποτελεί γεγονός ιδιαίτερα αισθητό στις περιπτώσεις αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων. Η αποθήκευση δύναται να αποτελέσει τη λύση στα παραπάνω, όταν συνοδεύεται από κατάλληλο έλεγχο ρύθμισης της συχνότητας. Το, πλέον, προωθητικό περιβάλλον για το Υδρογόνο και τα πλεονεκτήματά του καθιστούν την αποθήκευσή του για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας πιο δελεαστική από ποτέ. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία αναπτύσσονται πρωτότυπες στρατηγικές ελέγχου των συνιστωσών ενός ολοκληρωμένου συστήματος Αποθήκευσης Υδρογόνου, με σκοπό τη συμμετοχή του στη ρύθμιση συχνότητας. Το εν λόγω σύστημα αποτελείται από Δεξαμενή Αποθήκευσης του Υδρογόνου (Hydrogen Storage Tank), Κυψέλη Καυσίμου (Fuel Cell) και Ηλεκτρολύτη (Electrolyzer), με τις δύο τελευταίες συνιστώσες του να συνεισφέρουν στην ευστάθεια συχνότητας του μελετώμενου απομονωμένου μικροδικτύου. Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη ανάλυση των διαφόρων τεχνολογιών Υδρογόνου σε fuel cells και electrolyzers με το ενδιαφέρον να επικεντρώνεται στα πλεονεκτήματα των τεχνολογιών PEM (Proton Exchange Membrane), οι οποίες και αξιοποιούνται. Στη συνέχεια, αναλύονται τα στάδια ρύθμισης της συχνότητας και οι θεμελιώδεις αρχές των ελεγκτών στροφών και τάσεως των σύγχρονων γεννητριών με τη θεωρία που τους πλαισιώνει. Πραγματοποιείται, ακόμη, εκτενής διερεύνηση των χρόνων απόκρισης των PEM fuel cells και electrolyzers σύμφωνα με ερευνητικά και βιομηχανικά δεδομένα, προς κατάδειξη της δυνατότητάς τους για συμβολή σε επικουρικές λειτουργίες στήριξης της συχνότητας. Ακολούθως, θεμελιώνεται ο έλεγχος του τριφασικού μετατροπέα ισχύος του Συστήματος Αποθήκευσης Υδρογόνου. Ο ελεγκτής ρεύματος στο dq πλαίσιο αναφοράς θεωρείται η πλέον κατάλληλη επιλογή για τον ανεξάρτητο έλεγχο της ροής ενεργού και άεργου ισχύος από τον μετατροπέα, προς και από το δίκτυο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η ανάλυση του ελέγχου που υλοποιείται στο ανά μονάδα (α.μ.) σύστημα. Κατόπιν, αναλύεται ο τρόπος προσομοίωσης των συνιστωσών Υδρογόνου και επαληθεύονται τα μοντέλα μέσω παραμετρικών διαγραμμάτων. Ειδικά επισημαίνεται ο μετασχηματισμός του μοντέλου του Ηλεκτρολύτη κατά prodlog Lambert W. με την τάση να καθίσταται ως η ανεξάρτητη μεταβλητή ελέγχου. Επιπρόσθετα, εισάγεται η έννοια του State of Fill (SOF) για την αποθήκευση του Υδρογόνου. Η εργασία συνεχίζεται με την εξέταση προτεινόμενων τοπολογιών ανάλογων συστημάτων Η2. Έμφαση αποδίδεται στον τρόπο σύνδεσης του Ηλεκτρολύτη (τοπολογία DC ή AC ζυγού). Βιβλιογραφικά εξετάζονται και βασικές απαιτήσεις σύγχρονων Κωδίκων Συχνότητας. Ύστερα, περιγράφεται η τοπολογία του υπό μελέτη μικροδικτύου και παρουσιάζονται τόσο οι επιμέρους συνιστώσες του, όσο και οι στρατηγικές ελέγχου που τις συνοδεύουν. Αυτές αφορούν τον έλεγχο MPPT της Κυψέλης Καυσίμου, τον πρωτότυπο έλεγχο Power to Gas (P2G) του Ηλεκτρολύτη και τον έλεγχο συχνότητας αυτών, ο οποίος συντίθεται σε έλεγχο πρωτεύουσας ρύθμισης συχνότητας και εικονικής αδρανειακής απόκρισης. Για την αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιούνται προσομοιώσεις στο λογισμικό του MATLAB/Simulink, οι οποίες αφορούν ακραίες βηματικές αυξομειώσεις του φορτίου του συστήματος με και χωρίς τη συνεισφορά των συνιστωσών Υδρογόνου στην ευστάθεια της συχνότητας, αλλά και αυξομειώσεις καυσίμου, προς επαλήθευση της λειτουργίας του 3Φ Μετατροπέα και των MPPT και P2G ελέγχων του fuel cell και του electrolyzer, αντίστοιχα. Μελετάται η επίδραση των παραμέτρων στατισμού και εικονικής αδράνειας και εξετάζεται η βέλτιστη απόκριση μέσω συνδυαστικού ελέγχου. Τα αποτελέσματα αναλύονται και σχολιάζονται. Τέλος, γίνεται μνεία στην ερευνητική πρωτοτυπία της εργασίας, σε πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις της και συζητώνται τα συμπεράσματά της, που καταδεικνύουν ότι νέες μονάδες Υδρογόνου δύνανται να συμβάλλουν καταλυτικά στη βελτίωση της συχνοτικής απόκρισης ενός αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος.
URI: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/17727
Appears in Collections:Διπλωματικές Εργασίες - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DiplomaThesis - D. ZARRAS.pdfΠροσομοίωση και Έλεγχος Συστημάτων Αποθήκευσης Υδρογόνου για Συμμετοχή στη Ρύθμιση Συχνότητας20.6 MBAdobe PDFView/Open


Items in Artemis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.