Ανάπτυξη εργαστηριακής άσκησης σε εξομοιωτή πραγματικού χρόνου για την μελέτη τεχνικών πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ελέγχου σε μικροδίκτυα με αντιστροφείς.

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην μελέτη του ελέγχου μικροδικτύων σε απομονωμένη λειτουργία με αντιστροφείς και στην ανάπτυξη σχετικής εργαστηριακής άσκησης προς εξοικείωση των υποψηφίων νέων μηχανικών με τις μεθόδους και τις έννοιες που συνοδεύουν το θέμα. Δίνεται έμφαση στα επίπεδα ελέγχου, συγκρίνοντας κλασσικές και εξελιγμένες μεθόδους, και ειδικότερα στις τεχνικές συμβατικού και γενικευμένου στατισμού (πρωτεύων έλεγχος), στον κεντρικό δευτερεύοντα έλεγχο τάσης και συχνότητας και στον δευτερεύοντα έλεγχο κατανεμημένου μέσου όρου (Distributed-Level Averaging Proportional - Integral). Αρχικά, περιγράφεται η υφιστάμενη κατάσταση του τομέα της ενέργειας όπως αυτή έχει διαμορφωθεί στο πλαίσιο της ενεργειακής μετάβασης σε φιλικότερες προς το περιβάλλον πηγές. Μετά από μία σύντομη ιστορική αναδρομή του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής, παρατίθενται σύγχρονες τεχνολογικές τάσεις – όπως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), τα μικροδίκτυα (microgrids) και η έννοια των παραγωγών – καταναλωτών (prosumers). Στην συνέχεια, παρατίθεται η εκπαιδευτική αναγκαιότητα για περεταίρω επαφή των φοιτητών με σχετικά θέματα ελέγχου μικροδικτύων μέσα από τις αρχές της διερευνητικής μάθησης (παρατήρηση – θεωρία – ενεργός πειραματισμός – εμπεριστατωμένη εμπειρία). Στο πλαίσιο αυτό γίνεται ανασκόπηση σε υπάρχουσες εκπαιδευτικές προσεγγίσεις. Έπειτα, θεμελιώνεται ο σκοπός της προτεινόμενης εργαστηριακής άσκησης, περιγράφονται οι εκπαιδευτικοί στόχοι και τα αποτελέσματα που αναμένονται από την υλοποίηση της και αναλύεται το θεωρητικό της υπόβαθρο, το οποίο περιλαμβάνει τις έννοιες τόσο των ανώτερων επιπέδων ελέγχου που έχουν αναφερθεί, όσο και των εσωτερικών βρόχων ελέγχου τάσης – ρεύματος (κατώτερο ιεραρχικά επίπεδο). Ακολουθεί ο σχεδιασμός ενός ευέλικτου συστήματος ψηφιακής προσομοίωσης στο RSCAD του εξομοιωτή πραγματικού χρόνου RTDS. Επιπλέον η άσκηση υλοποιείται και στο περιβάλλον MATLAB/Simulink ώστε οι φοιτητές να έχουν στην διάθεσή τους τα μοντέλα προς επεξεργασία, για ακόμα καλύτερη κατανόηση, αφομοίωση και αναπαραγωγή της γνώσης. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν δίνουν τη δυνατότητα να εκτελεστούν προσομοιώσεις για πληθώρα σεναρίων με την ανάλογη παραμετροποίηση, μέσω μίας φιλικής για τον χρήστη διεπαφής. Τέλος, παρουσιάζονται τα ζητήματα τα οποία καλούνται οι φοιτητές να απαντήσουν, καθώς και τα προσδοκώμενα αποτελέσματα από την εκτέλεση των προσομοιώσεων. Όλα τα παραπάνω συνθέτουν μία νέα εκπαιδευτική προσέγγιση γύρω από το θέμα του ελέγχου μικροδικτύων σε απομονωμένη λειτουργία με αντιστροφείς. Η εργασία ολοκληρώνεται με την εξαγωγή των συμπερασμάτων και την καταγραφή πιθανών μελλοντικών προεκτάσεων της άσκησης που αναπτύχθηκε σε θέματα όπως το Power Hardware-In-the-Loop και η προσομοίωση μικροδικτύων συνδεδεμένων με το κυρίως δίκτυο (grid-tied microgrids).

The purpose of this thesis project is to study the control of inverter-based islanded microgrids and to develop a relevant educational approach to expose engineering university students to the concepts and methodologies of the subject. Emphasis is given on the control hierarchy levels by comparing both classic and advanced techniques and more specifically on conventional and generalized droop control (primary control), on centralized secondary voltage and frequency control, and on secondary Distributed-Level Averaging Proportional – Integral (DAPI) control. First, the current trend of the energy sector is outlined in the context of the energy transition to a more environmentally friendly and sustainable power grid. Then, a brief review of the climate change phenomenon and modern technological trends of the sector are discussed – like renewables, microgrids and the concept of “prosumers”. Then, the educational necessity for further student engagement with topics related to microgrid control through the principles of experiential learning (observation-theory-active experimentation-reflective experience) is outlined. In this context, a review of existing educational approaches is provided. Subsequently, the aim of the proposed laboratory exercise is established, the intended learning outcomes are described, and its theoretical background is analyzed, including the concepts of both the higher control levels and the inner voltage-current control loops (lower control level). The design of a flexible digital simulation system in the RSCAD tool of the real-time digital simulator RTDS follows. In addition to that, the exercise is developed in the MATLAB/Simulink environment as well, which gives students the opportunity to have the models at their disposal for personal testing and better understanding. The simulation models that have been developed enable users to perform simulations for a variety of scenarios with the appropriate parameterization through a user-friendly user interface (UI). Finally, the questions that students need to address are presented, as well as the expected results from the execution of the simulations. All the above constitute a new educational approach regarding the topic of inverter-based microgrid control. In the last part of this thesis, conclusions are drawn, and potential future extensions are mapped. Topics such as Power Hardware-In-the-Loop testing and simulation of grid-tied Microgrid setups can serve as interesting additions.