Συμβολή Στην Προσομοίωση Και Αναγνώριση Ανεμογεννητριών Με Ασύγχρονη Γεννήτρια Για Την Δημιουργία Μειωμένης Τάξης Ισοδυνάμων Μοντέλων

Abstract

Η παρούσα διατριβή αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος διαπραγματεύεται την προσομοίωση ανεμογεννητριών με συμβατικά μοντέλα όπου εξετάζονται διάφορες μέθοδοι ελέγχου και τεχνικές διαμόρφωσης. Το δεύτερο μέρος της διατριβής διαπραγματεύεται μεθόδους εύρεσης ισοδυνάμων μειωμένης τάξης μοντέλων και εξαρτάται από το πρώτος μέρος αφού οι μέθοδοι αναγνώρισης που μελετώνται χρησιμοποιούν τα δεδομένα που λαμβάνονται από την προσομοίωση των μοντέλων του πρώτου μέρους. Το δεύτερο μέρος της διατριβής θα μπορούσε να υποδιαιρεθεί επιπλέον σε δυο μικρότερα τμήματα. Στο πρώτο μελετώνται κλασσικοί μέθοδοι αναγνώρισης γραμμικών συστημάτων και η εφαρμογή τους σε ανεμογεννήτριες π.χ. μέθοδος πρόβλεψης σφάλματος ενώ στο δεύτερο αναλύονται εφαρμογές τεχνητών νευρωνικών δικτύων σε ανεμογεννήτριες. Αρχικά εξετάζονται λεπτομερή μαθηματικά μοντέλα για την προσομοίωση ανεμογεννητριών σταθερών και μεταβλητών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια. Ειδικότερα περιγράφονται τα μοντέλα του αεροδυναμικού και του μηχανικού συστήματος (μελετώνται οι περιπτώσεις των ισοδυνάμων τριών ή έξι ελαστικά συνδεδεμένων μαζών) καθώς και της ασύγχρονης γεννήτριας. Παράλληλα με την ανάλυση του αεροδυναμικού συστήματος δίνεται και ο τρόπος εξαγωγής της χαρακτηριστικής της βέλτιστης ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων. Στην συνέχεια περιγράφονται τα μοντέλα του έμμεσου ή άμεσου διανυσματικού ελέγχου, καθώς επίσης και του βαθμωτού ελέγχου της ασύγχρονης γεννήτριας. Επίσης, εξετάζονται οι περιπτώσεις ελέγχου της ενεργού και αέργου ισχύος εξόδου μέσω της τάσης ή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα του δικτύου. Τα προηγούμενα μοντέλα χρησιμοποιούνται για τη συγκριτική αξιολόγηση μιας ανεμογεννήτριας σταθερών και μιας μεταβλητών στροφών, καθώς και για την εξέταση του ελέγχου της τάσης του δικτύου από ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών. Επίσης, μοντελοποιούνται μερικές από τις κυριότερες τεχνικές διαμόρφωσης και παρατίθενται αποτελέσματα από την προσομοίωση τους. Εξετάζονται τα μοντέλα για τις τεχνικές διαμόρφωσης που χρησιμοποιούν φέρον σήμα (SPWM, έλεγχος ρεύματος με σύγκριση ράμπας) και PWM τεχνικές χωρίς την χρήση φέροντος σήματος, όπως η τεχνική της υστέρησης και της διαμόρφωσης του χωρικού διανύσματος της τάσης ή του ρεύματος. Τα μοντέλα των εξεταζόμενων τεχνικών διαμόρφωσης συνδυάζονται με τα μοντέλα των υποσυστημάτων μιας ανεμογεννήτριας και από την προσομοίωσή τους εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα της τάσης, τη διάδοση των αρμονικών σε ένα ηλεκτρικό δικτυο, την αποφυγή μηχανικών ταλαντώσεων κτλ.Στη συνέχεια περιγράφεται η μέθοδος δημιουργίας ισοδύναμων μοντέλων για ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας με ασύγχρονη γεννήτρια, χρησιμοποιώντας τη θεωρία της αναγνώρισης συστημάτων. Η αναγνώριση του συστήματος της ανεμογεννήτριας γίνεται για δύο λειτουργικές καταστάσεις. Στην πρώτη περίπτωση τα εξαγόμενα μοντέλα είναι κατάλληλα για την μελέτη σχετικά αργών μεταβολών της τάσης (ποιότητα ισχύος), ενώ στη δεύτερη περιγράφουν την λειτουργία των ανεμογεννητριών κατά την εμφάνιση βραχυκυκλωμάτων στο δίκτυο. Τα ισοδύναμα μοντέλα των ανεμογεννητριών συνδυάζονται με τις κομβικές εξισώσεις του δικτύου διανομής, ώστε να παραχθεί ένα ισοδύναμο μοντέλο μειωμένης τάξης για ολόκληρο το σύστημα. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την ακρίβεια και τα πλεονεκτήματα των ισοδύναμων μοντέλων για την μελέτη των αργών μεταβολών της τάσης καθώς και για την εκτίμηση του ρεύματος βραχυκυκλώσεως.Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα αποτελούν μια εναλλακτική λύση για την αναγνώριση του συστήματος μιας ανεμογεννήτριας σταθερών ή μεταβλητών στροφών. Για την αναγνώριση του συστήματος χρησιμοποιούνται προσοτροφοδοτούμενα και ανατροφοδοτούμενα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Τα ισοδύναμα μοντέλα των ανεμογεννητριών σταθερών και μεταβλητών στροφών είναι κατάλληλα για τη μελέτη αργών μεταβολών της τάσης. Τα εξαγόμενα ισοδύναμα μοντέλα χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση ενός απλουστευμένου δικτύου διανομής και τα εξαγόμενα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα των αναλυτικών. Όλα τα αναπτυχθέντα μοντέλα ενσωματώνονται σε ένα φιλικό προς τον χρήστη προγραμματιστικό περιβάλλον το οποίο ονομάστηκε WIN.T.LAB και αναπτύχθηκε σε περιβάλλον MATLAB-SIMULINK. Εκτός των διαφόρων βιβλιοθηκών μοντέλων, έχουν ενσωματωθεί διάφορα προγραμματιστικά εργαλεία π.χ. ρουτίνες για την πλήρως παραμετρική ανάπτυξη, εκπαίδευση και επαλήθευση ενός τεχνητού νευρωνικού δικτύου, για την δημιουργία τυχαίων χρονοσειρών ανέμου κ.τ.λ. αυξάνοντας τις δυνατότητες του προγράμματος.