Μοντελοποίηση Μικροδικτύου για την Μελέτη Ευστάθειας Γρήγορων Αλληλεπιδράσεων Οδηγούµενης Από Μετατροπείς

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωµατικής εργασίας είναι η µελέτη της ευστάθειας γρήγορων αλληλεπιδράσεων οδηγούµενη από µετατροπείς σε µικροδίκτυο αποµονωµένης λειτουργίας. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε µοντέλο σε περιβάλλον Matlab τα αποτελέσµατα του οποίου επιβεβαιώθηκαν µε µια σειρά προσοµοιώσεων σε περιβάλλον Matlab - Simulink. Συγκεκριµένα, παρατηρείται η αλλαγή των ορίων του εύρους τιµών των παραµέτρων ελέγχου των αντιστροφέων αλλά και τα όρια των παραµέτρων των γραµµών µεταφοράς για τα οποία το µικροδίκτυο είναι ευσταθές. Τα αποτελέσµατα οδηγούν σε χρήσιµα συµπεράσµατα για την αλληλεπίδραση των αντιστροφέων του µικροδικτύου αλλά και για την επίδραση των γραµµών µεταφοράς στην ευστάθειά του. Αρχικά, περιγράφονται οι προκλήσεις που έχουν προκύψει και οι στόχοι που έχουν τεθεί σε Ευρωπαϊκό επίπεδο για την αντιµετώπιση της κλιµατικής κρίσης αναδεικνύοντας την σηµασία ένταξης Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα µικροδίκτυα τους τρόπους λειτουργίας τους και την αυξανόµενη χρήση τους παγκοσµίως. Στην συνέχεια, παρουσιάζονται οι κατηγορίες ευστάθειας σε Συστήµατα Ηλεκτρικής Ενέργειας : ευστάθεια τάσης, ευστάθεια γωνίας, ευστάθεια συχνότητας, ευστάθεια συντονισµού (resonance stability) και ευστάθεια οδηγούµενη από µετατροπείς (converter driven stability), η µελέτη της οποίας αποτελεί το αντικείµενο της παρούσας διπλωµατικής. Ακόµη, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας ενός αντιστροφέα και αναπτύσσονται τα µοντέλα στο πεδίο της συχνότητας για δυο τύπους λειτουργίας αντιστροϕέων : Grid-Following (GFL) οι οποίοι επιτελούν έλεγχο ρευµάτος και Grid-Forming (GFM) οι οποίοι επιτελούν έλεγχο τάσης και ρεύµατος. Συγκεκριµένα, ο Grid Following (GFL) αντιστροφέας περιλαµβάνει: µετατροπέα πηγής τάσης (VSC), PR ελεγκτή για τον έλεγχο ρεύµατος και ϕίλτρο L για την καταστολή των αρµονικών και ο Grid Forming (GFM) αντιστροφέας που περιλαµβάνει: µετατροπέα πηγής τάσης (VSC), PR ελεγκτή για τον έλεγχο τάσης, P ελεγκτή για τον έλεγχο ρεύµατος και LC ϕίλτρο για την καταστολή αρµονικών. Σε κάθε περίπτωση, παρουσιάζονται τα κυκλώµατα των διατάξεων, τα διαγράµµατα βαθµίδων και µε την χρήση των θεωρηµάτων συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου για πολλαπλές εισόδους και των νόµων Kirchhoff, υπολογίζεται το ισοδύναµο κύκλωµα Norton (για GFL αντιστροφέα) και Thevenin (για GFM αντιστροφέα) αντίστοιχα. ΄Εχοντας ολοκληρώσει τους ανωτέρω υπολογισµούς, αναπαρίσταται µικροδίκτυο τεσσάρων κόµβων στο οποίο συνδέονται ένας GFM, τρεις GFL αντιστροφείς και ϕορτία σταθερής αγωγιµότητας. Με την χρήση του θεωρήµατος της επαλληλίας, υπολογίζονται αναλυτικά οι σχέσεις που διέπουν τα ρεύµατα εξόδου των αντιστροφέων. Χρησιµοποιώντας τις παραπάνω σχέσεις, παράχθηκε το µοντέλο που αναπτύχθηκε σε Matlab και παρουσιάζεται το κριτήριο αθροιστικού τύπου που επιλέχθηκε να εφαρµοστεί για την µελέτη της ευστάθειας γρήγορων αλληλεπιδράσεων οδηγούµενης από µετατροπείς στην συγκεκριµένη εφαρµογή. Με την εφαρµογή του µοντέλου, παρουσιάζονται τα σηµεία ευστάθειας/αστάθειας του µικροδικτύου συναρτήσει των γραµµών µεταφοράς και των παραµέτρων ελέγχου των GFL αντιστροφέων. Συγκεκριµένα, διενεργούνται συγκριτικές µελέτες στις οποίες µεταβάλλεται το αναλογικό κέρδος του GFM αντιστροφέα και διατηρούνται σε συγκεκριµένες τιµές το αναλογικό και ολοκληρωτικό κέρδος ενός ή δύο GFL αντιστροφέων του µικροδικτύου. Επιπλέον, εξετάζονται τα όρια των τιµών της αυτεπαγωγής των γραµµών µεταφοράς για τα οποία το µικροδίκτυο είναι ευσταθές. Τέλος, προκειµένου να επαληθευτούν τα παραπάνω θεωρητικά αποτελέσµατα, πραγµατοποιήθηκε σειρά προσοµοιώσεων στο περιβάλλον Matlab - Simulink. Τα αποτελέσµατα αναλύονται και σχολιάζονται.