Έλεγχος αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η ρύθμιση συχνότητας σε αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα υπό συνθήκες υψηλής διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Βασικές δυσκολίες στη ρύθμιση τέτοιων δικτύων που διερευνώνται στην παρούσα διατριβή είναι η μειωμένη αδράνεια, η ανάγκη παροχής εφεδρειών από μονάδες ΑΠΕ στοχαστικής παραγωγής, συσσωρευτές περιορισμένου ενεργειακού αποθέματος και αντλησιοταμιευτικούς σταθμούς με περιορισμούς στην ταχύτητα απόκρισής τους, καθώς και η λειτουργία αυτόνομων συστημάτων σε συνθήκες υπό τις οποίες τροφοδοτούνται πλήρως από πόρους που συνδέονται μέσω μετατροπέων ισχύος. Η διατριβή κινείται σε δύο άξονες, της πρωτεύουσας ρύθμισης μέσω παροχής εφεδρειών ταχείας απόκρισης και της δευτερεύουσας ρύθμισης συχνότητας. Αναφορικά με τον πρώτο άξονα (εφεδρείες ταχείας απόκρισης), παρουσιάζεται μέθοδος ελέγχου φωτοβολταϊκών (Φ/Β) σταθμών που επιτρέπει τη λειτουργία σε συγκεκριμένο επίπεδο ανοδικών εφεδρειών, παρέχοντας επίσης πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και αδρανειακή απόκριση. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν αναδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος συμβάλλει αποτελεσματικά στη διαχείριση δυσμενών συνθηκών διαταραχής του ισοζυγίου ισχύος αυτόνομου ηλεκτρικού δικτύου. Απουσία εσωτερικής αποθήκευσης στο Φ/Β, η ικανότητα συμβολής του σε συνθήκες υποσυχνότητας επηρεάζεται καθοριστικά από το επίπεδο απορρίψεων μέρους της πρωτογενώς διαθέσιμης ενέργειας, το οποίο καθορίζεται αξιολογώντας τις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας. Στη συνέχεια διερευνάται η λειτουργία αυτόνομων συστημάτων υπό συνθήκες πλήρους (100%) τροφοδότησής τους από πόρους που συνδέονται στο δίκτυο μέσω μετατροπέων ισχύος (μπαταρίες και στοχαστικές ΑΠΕ). Από τις προσομοιώσεις νησιωτικού συστήματος συμπεραίνεται ότι η χρήση ελέγχου grid forming σε μέρος των μετατροπέων ισχύος, σε συνδυασμό με την εφαρμογή στατισμού σε όλα τα συστήματα συσσωρευτών, επιτυγχάνει αποτελεσματικό διαμοιρασμό εφεδρειών ταχείας απόκρισης μεταξύ του συνόλου των μονάδων, επιτρέποντας την αποτελεσματική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου ελέγχου στα Φ/Β. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων παροχής πρωτεύουσας εφεδρείας σε αυτόνομα συστήματα που ηλεκτροδοτούνται από υβριδικό σταθμό που περιλαμβάνει αντλησιοταμίευση (υδροστροβίλους και αντλίες) και ανεμογεννήτριες, απουσία θερμικών μονάδων (100% ΑΠΕ). Τα μέσα που αξιοποιούνται για την παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας είναι υδροστρόβιλοι τύπου Pelton, μέσω χρήσης των εκτροπέων δέσμης ύδατος που διαθέτουν, αντλίες μεταβλητών στροφών, ανεμογεννήτριες και συσσωρευτές. Προτείνονται δύο νέες μέθοδοι ελέγχου: η 1η αξιοποιεί τους εκτροπείς των υδροστροβίλων, ώστε να παρέχεται άμεσα η ζητούμενη εφεδρεία, ενώ στη 2η οι συσσωρευτές υποστηρίζουν επιπλέον την παρακολούθηση της παραγόμενης ισχύος των ανεμογεννητριών του υβριδικού σταθμού από το αντλιοστάσιο. Οι προσομοιώσεις αναδεικνύουν πως η προτεινόμενη χρήση εκτροπέων συμβάλλει στη ρύθμιση του ισοζυγίου ισχύος, οδηγώντας όμως σε ενεργειακή υποαξιοποίηση του υδάτινου αποθέματος. Η προσθήκη συσσωρευτών αναδεικνύεται ως η πλέον αποτελεσματική λύση, ειδικά στις περιπτώσεις που εφαρμόζεται η προτεινόμενη μέθοδος συγχρονισμού αιολικού πάρκου – αντλιοστασίου – συσσωρευτών. Επιπλέον των διερευνήσεων παροχής εφεδρειών ταχείας απόκρισης, αναπτύχθηκε μέθοδος ελέγχου τριών επιπέδων για την αποτελεσματική συμμετοχή συσσωρευτών στη δευτερεύουσα ρύθμιση συχνότητας, παράλληλα με θερμικές μονάδες. Το 1ο επίπεδο ελέγχου υλοποιείται τοπικά στις μονάδες συσσωρευτών και εξασφαλίζει διατήρηση ενεργειακών αποθεμάτων εντός αποδεκτών ορίων, παρέχοντας παράλληλα πρωτεύουσα εφεδρεία και αδρανειακή απόκριση. Το 2ο επίπεδο αποτελείται από το κεντρικό σύστημα αυτόματης ρύθμισης παραγωγής που διαμοιράζει την απαιτούμενη δευτερεύουσα εφεδρεία, περιορίζοντας τη συμβολή συσσωρευτών, των οποίων η στάθμη φόρτισης πλησιάζει στο μέγιστο/ελάχιστο αποδεκτό επίπεδο. Το ενεργειακό απόθεμα των μπαταριών επανέρχεται στα επιθυμητά επίπεδα με εφαρμογή του 3ου επιπέδου ελέγχου, που συνιστά προγραμματισμό οικονομικής κατανομής. Επιπρόσθετα, αναπτύσσεται και μέθοδος δευτερεύουσας ρύθμισης συχνότητας για εφαρμογή υπό συνθήκες 100% διείσδυσης ΑΠΕ. Η αποτελεσματικότητα εφαρμογής των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου επιβεβαιώνεται από προσομοιώσεις λειτουργίας νησιωτικού δικτύου, υπό συνθήκες εξάντλησης του ενεργειακού αποθέματος συσσωρευτών που αναλαμβάνουν μεγάλο μέρος της δευτερεύουσας εφεδρείας.