Συμβολή στην Ασφαλή Λειτουργία Μη Διασυνδεδεμένων Νησιών με υψηλή διείσδυση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας

Abstract

Τα μη διασυνδεδεμένα νησιά (ΜΔΝ) χαρακτηρίζονται από υψηλά κόστη παραγωγής και περιορισμούς στην διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), παρά το εξαιρετικό δυναμικό που μπορεί να διαθέτουν. Πολλοί διαχειριστές δικτύων νησιών ανά τον κόσμο έχουν εγκαταστήσει ή διερευνούν την υλοποίηση πιλοτικών έργων, που περιλαμβάνουν καινοτόμες τεχνικές ελέγχου και μονάδες αποθήκευσης ώστε να αυξήσουν την διείσδυση των ΑΠΕ και να μειώσουν το κόστος λειτουργίας. Η διατριβή εστιάζει στην ασφάλεια της λειτουργίας των μη διασυνδεδεμένων νησιών με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αρχικά παρουσιάζονται οι κύριες προκλήσεις που υπάρχουν στην λειτουργία ΜΔΝ με υψηλή διείσδυση ΑΠΕ. Στη συνέχεια τονίζονται οι επικουρικές υπηρεσίες των μονάδων ηλεκτρονικών ισχύος στην ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης σε ΜΔΝ. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται η αξιοποίηση μετατροπέα δημιουργίας δικτύου (Grid Forming) για την κεντρική μονάδα αποθήκευσης, ο οποίος παρέχει έλεγχο τάσης, εικονική αδράνεια και παροχή γρήγορης πρωτεύουσας εφεδρείας. Το βασικό του πλεονέκτημα είναι ότι εξασφαλίζει ομαλές μεταβάσεις σε συνθήκες 100% διείσδυσης ΑΠΕ. Προτείνονται επίσης, τεχνικές για τον αυτοματοποιημένο δευτερεύοντα έλεγχο τάσης και συχνότητας όπως και μια καινοτόμα τεχνική αυτόματης ρύθμισης της παραγωγής βασισμένη σε μεθοδολογία Προβλεπτικού Ελέγχου με Μοντέλο (Model Predictive Control). Οι έλεγχοι αξιολογούνται μέσω πειραματικής διάταξης Control Ηardware in the Loop. Οι ευμετάβλητές συνθήκες λειτουργίας όπως και τα νέα χαρακτηριστικά που θα διέπουν την λειτουργία των ΜΔΝ, με την εφαρμογή επικουρικών υπηρεσιών από τις μονάδες ηλεκτρονικών ισχύος, καθιστούν αναγκαία την υλοποίηση μεθοδολογίας για την εξακρίβωση της δυναμικής ασφάλειας του συστήματος. Αξιοποιείται η καινοτόμα τεχνική μηχανικής μάθησης των βέλτιστων δέντρων απόφασης για την εξαγωγή γραμμικών κανόνων οι οποίοι μπορούν να εκτιμήσουν με μεγάλη ακρίβεια την ασφάλεια του συστήματος ως προς τη συχνότητα. Συγκρίνεται με άλλες τεχνικές επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης και συμβατικές πρακτικές που εφαρμόζονται σε ΜΔΝ ως προς την ακρίβεια τους σε ένα σύνολο αξιολόγησης. Ωστόσο, όπως παρουσιάζεται στα πλαίσια της διατριβής, η εκτίμηση της απόδοσης ταξινομητών δυναμικής ασφάλειας, χρησιμοποιώντας ένα σύνολο παραδειγμάτων αξιολόγησης, ενδεχομένως να μην παρέχει ασφαλή εκτίμηση του πως προσεγγίζει ο ταξινομητής όλα τα πραγματικά όρια λειτουργίας. Παράλληλα, η λειτουργία ενός ταξινομητή ως «μαύρο κουτί» χωρίς κάποια συσχέτιση με τις φυσικές εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των δυναμικών φαινομένων του συστήματος δύσκολα γίνεται αποδεκτή από τους διαχειριστές του δικτύου ΜΔΝ. Κύρια συνεισφορά της διατριβής είναι η σχεδίαση και εφαρμογή μιας μεθόδου που για πρώτη φορά συνδέει την απόδοση ενός ταξινομητή δυναμικής ασφάλειας με αναλυτικές μεθοδολογίες υπολογισμού του μεταβατικού της συχνότητας, στο ίδιο μαθηματικό πρόβλημα, ώστε να εντοπίζει αντιπαραδείγματα για τον ταξινομητή ή να αποδείξει πως ο ταξινομητής ταξινομεί σωστά όλες τις ανασφαλείς συνθήκες λειτουργίας όπως ορίζονται από συγκεκριμένες μεθοδολογίες υπολογισμού του μεταβατικού της συχνότητας. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η απόλυτα ασφαλής εκτίμηση των συνθηκών λειτουργίας ενός συστήματος ως προς την δυναμική ασφάλεια της συχνότητας. Τέλος, προτείνεται μια επαναληπτική διαδικασία εκπαίδευσης του ταξινομητή που οδηγεί σε κανόνες λειτουργίας που αποδεδειγμένα ταξινομούν σωστά όλες τις ανασφαλείς συνθήκες λειτουργίας και μπορούν να αξιοποιηθούν στην οικονομική λειτουργία του συστήματος. Η δυναμική ασφάλεια του συστήματος και η επίδραση των υπηρεσιών των μονάδων ηλεκτρονικών ισχύος πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν και στην οικονομική λειτουργία του συστήματος. Προτείνεται πρωτότυπη μοντελοποίηση του ημερήσιου προγραμματισμού ένταξης μονάδων με χρήση των κανόνων του ταξινομητή βέλτιστων δέντρων απόφασης ως περιορισμούς για να εξασφαλιστεί η δυναμική ασφάλεια της συχνότητας του συστήματος. Για την διαχείριση της αβεβαιότητας στην λειτουργία του συστήματος, που εισάγεται από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τόσο στην παραγωγή τους όσο και στην παροχή επικουρικών υπηρεσιών στην συχνότητα, αλλά και από το φορτίο του συστήματος, προτείνεται μια τεχνική εύρωστης βελτιστοποίησης για την επίλυση του προβλήματος του ημερήσιου προγραμματισμού ένταξης μονάδων.