Μέθοδοι ελέγχου αντιστροφέα Διαμόρφωσης Δικτύου με χρήση της Εξίσωσης Ταλάντωσης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική έχει σκοπό τη διερεύνηση μεθόδων ελέγχου Αντιστροφέων Διαμόρφωσης Δικτύου που συμπεριφέρονται ως Σύγχρονες Γεννήτριες μέσω της χρήσης της Εξίσωσης Ταλάντωσης. Πιο συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η επίδραση της Εικονικής Αδράνειας και του Συντελεστή Απόσβεσης στην συχνότητα ενός ηλεκτρικού δικτύου, μεταβλητές οι οποίες αποτελούν μέρος της Εξίσωσης Ταλάντωσης. Προς αυτόν τον σκοπό, διερευνήθηκαν διεξοδικά οι μέθοδοι ελέγχου μέσω προσομοιώσεων με χρήση του λογισμικού PLECS και Matlab / Simulink και διεξάχθηκαν πειράματα με τον αντιστροφέα του Ευάγγελου Ψαραδέλλη στο εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια σύντομη αναφορά στα παραδοσιακά και τα σύγχρονα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας και επεξηγήθηκε η αφορμή με την οποία ξεκίνησε η διερεύνηση των προαναφερθέντων μεθόδων ελέγχου. Στην συνέχεια, επεξηγήθηκε η λειτουργία του ελέγχου της συντριπτικής πλειοψηφίας των υφιστάμενων αντιστροφέων που είναι διασυνδεδεμένοι στο δίκτυο, ο οποίος αποτελεί τον αποδεσμευμένο έλεγχο των συνιστωσών ισχύος P-Q. Οι αντιστροφείς αυτοί αναφέρονται και ως Αντιστροφείς Ακολούθησης Δικτύου (ή Grid Following Inverters – GFLIs). Έπειτα, αναλύθηκαν διάφοροι καινοτόμοι τρόποι ελέγχου αντιστροφέων ως Αντιστροφείς Διαμόρφωσης Δικτύου (ή αλλιώς Grid Forming Inverters – GFMIs) και έτσι έγινε μια θεωρητική σύγκριση μεταξύ των GFMIs και GFLIs. Παρουσιάστηκαν, ακόμη, και ορισμένα ρυθμιστικά πλαίσια – νόμοι που εξετάζονται ή ισχύουν την παρούσα περίοδο στην Ευρώπη από διαχειριστές του αγγλικού και γερμανικού ηλεκτρικού δικτύου. Βασικό κομμάτι της εργασίας αποτελεί η σειρά προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν. Για αρχή προσομοιάστηκε ένα απομονωμένο δίκτυο ευάλωτο (ως προς την συχνότητα) σε μεταβολές φορτίου, στο οποίο έπειτα προστέθηκε ένας GFMI. Με την προσθήκη αυτή εξετάστηκαν οι επιδράσεις της Εικονικής Αδράνειας και του Συντελεστή Απόσβεσης της Εξίσωσης Ταλάντωσης στη διακύμανση της συχνότητας και τον μέγιστο ρυθμό μεταβολής της. Έπειτα, έγινε μια προσπάθεια χαρτογράφησης του μεγέθους του αντιστροφέα ως προς την μέγιστη ισχύ που πρέπει να παρέχει καθώς και την ενέργεια που καταναλώνεται κατά τις μεταβολές της συχνότητας. Στις τελικές προσομοιώσεις μελετήθηκε και ένα επιπλέον κύκλωμα ελέγχου, με το οποίο μειώθηκε αποτελεσματικά η απαιτούμενη ενέργεια του αντιστροφέα διατηρώντας σταθερές τις επιδόσεις του. Το τελικό κομμάτι αποτελείται από τα εργαστηριακά πειράματα, όπου χρησιμοποιήθηκε ένας αντιστροφέας ελεγχόμενος ως Εικονική Σύγχρονη Γεννήτρια που τροφοδοτούσε ρυθμιζόμενα φορτία αντιστάσεων. Πραγματοποιήθηκαν απότομες μεταβολές φορτίου και μελετήθηκε η επίδραση των μεταβολών αυτών στην συχνότητα του αντιστροφέα. Έτσι, επιβεβαιώθηκε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτή η μέθοδος ελέγχου σε περιβάλλον εργαστηρίου και να παρατηρηθούν τα αναμενόμενα αποτελέσματα ως προς τη διακύμανση της συχνότητας.