Μοντελοποίηση & Έλεγχος συστήματος σύγχρονης γεννήτριας και διεσπαρμένης παραγωγής σε κοινό ζυγό με ασθενή διασύνδεση με ισχυρό δίκτυο

Abstract

Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) σύγχρονης μορφής περιλαμβάνει συμβατικές πηγές ενέργειας, αλλά χαρακτηρίζεται επίσης από μεγάλη και αυξανόμενη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθώς και παρουσία κατανάλωσης κοντά στην παραγωγή. Η ενσωμάτωση αυτών και άλλων τεχνολογιών που έχουν ως διεπαφή με το δίκτυο μετατροπείς ισχύος, έχουν μετασχηματίσει σημαντικά τα σημερινά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ανά τον κόσμο καθιστώντας τα συχνά λιγότερο ισχυρά και με μειωμένη στρεφόμενη αδράνεια, με επακόλουθο τον κίνδυνο πρόκλησης προβλημάτων στην ευσταθή και ασφαλή λειτουργία τους. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μελέτη ενός ενδεικτικού τέτοιου συστήματος και περιλαμβάνει αρχικά ενιαία μοντελοποίηση και στη συνέχεια εφαρμογή κυρίως παραδοσιακών αλλά και μερικών καινούριων μεθόδων ελέγχου που είτε επιτελούν συνήθεις στόχους ρύθμισης, είτε αποσκοπούν στη βελτίωση της επαναφοράς του συστήματος (κυρίως της συχνότητας) έπειτα από διαταραχές. Το συνολικό σύστημα προσομοιώνεται στο περιβάλλον Matlab/Simulink, όπου εξετάζεται και αξιολογείται η συμπεριφορά του σε διάφορους τύπους διαταραχών. Πιο συγκεκριμένα: Στο 1ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται ποιοτικοί ορισμοί της ευστάθειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και η επέκταση αυτών για συστήματα σύγχρονης μορφής, ενώ παράλληλα αναδεικνύεται το πρόβλημα της μειωμένης αδράνειας και κάποιοι τρόποι μετριασμού του. Στο 2ο Κεφάλαιο περιγράφεται ο μετασχηματισμός Park ως βασικό εργαλείο μοντελοποίησης του εξεταζόμενου ΣΗΕ και βάσει αυτού παρουσιάζεται με αρκετή λεπτομέρεια η εξαγωγή των μαθηματικών μοντέλων περιγραφής διαφόρων μονάδων του ΣΗΕ, δηλαδή της σύγχρονης γεννήτριας είτε με τυλίγματα διέγερσης είτε μονίμων μαγνητών, του μετατροπέα ισχύος, της ανεμογεννήτριας, της γραμμής μεταφοράς και των φορτίων. Παράλληλα παρουσιάζονται και οι μέθοδοι ελέγχου των ελεγχόμενων μονάδων (σύγχρονη γεννήτρια και μετατροπείς ισχύος), που στην ουσία τους αποτελούν απλούς PI ελεγκτές. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται βασικοί ορισμοί και θεωρήματα της θεωρίας ευστάθειας κατά Lyapunov, επιχειρείται η σύνδεση αυτών με τους ποιοτικούς ορισμούς ευστάθειας του 1ου Κεφαλαίου και τέλος αποδεικνύεται η ιδιότητα της τοπικής ευστάθειας εισόδου προς κατάσταση (ιδιότητα ℓ-ISS) υπό κάποιες απλοποιητικές παραδοχές για το σύστημα. Στο 4ο Κεφάλαιο παρατίθενται οι παράμετροι του συστήματος που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση, καθώς και οι διαταραχές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια αυτής. Τέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις των αποκρίσεων του συστήματος, μαζί με αντίστοιχα σχόλια.