Προσομοιωση Και Γραμμικοποιηση Συστηματος Ηλεκτρικης Ενεργειας Για Την Αναλυση Βραχυπροθεσμης Ευσταθειας Τασης

Abstract

Στην παρούσα διατριβή, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην ανάλυση ευστάθειας των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), όπως αυτή διαμορφώνεται σε αποκεντρωμένο περιβάλλον από πλευράς παραγωγής, λόγω της αυξημένης διείσδυσης μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. Ειδικότερα, η διατριβή εστιάζει στη διερεύνηση των προβλημάτων βραχυπρόθεσμης αστάθειας τάσης τα οποία οφείλονται σε μηχανές επαγωγής, είτε αυτές λειτουργούν ως φορτία σε οικιακούς, εμπορικούς ή βιομηχανικούς καταναλωτές είτε ως γεννήτριες σε αιολικά πάρκα.Κυρίαρχο θέμα στη διατριβή είναι η ανάπτυξη ενός προγράμματος προσομοίωσης ΣΗΕ. Το εξεταζόμενο πρόγραμμα ονομάζεται WHSSP (Wind-Hybrid System Simulation Package) και έχει αναπτυχθεί σε περιβάλλον MATLAB/SIMULINK στο Εργαστήριο ΣΗΕ του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Το πρόγραμμα WHSSP θεωρείται κατάλληλο για δυναμικές προσομοιώσεις και μελέτες ευστάθειας μικρών έως μεσαίων διασυνδεδεμένων ή αυτόνομων δικτύων, στα οποία έχουν διεισδύσει μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής και ειδικότερα αιολικά πάρκα. Επιπρόσθετα, το λογισμικό πακέτο WHSSP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς.Μία από τις αρχικές αιτίες ενός φαινομένου βραχυπρόθεσμης αστάθειας τάσης είναι ο βραχυπρόθεσμος περιορισμός στο ρεύμα διέγερσης των σύγχρονων γεννητριών και η συνακόλουθη αδυναμία στήριξης των τάσεων στους αντίστοιχους ζυγούς. Συνεπώς, δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην επέκταση του μοντέλου Συστήματος Προστασίας Υπερδιεγέρσεως για σύγχρονες μηχανές, το οποίο ανάλογα με το μέγεθος της υπερδιέγερσης έχει τη δυνατότητα να δράσει τόσο στη μακροπρόθεσμη όσο και στη βραχυπρόθεσμη χρονική κλίμακα.Στην παρούσα διατριβή μελετάται, με τη βοήθεια του προγράμματος WHSSP, η συμβολή διαφόρων παραγόντων στην εκδήλωση των φαινομένων βραχυπρόθεσμης αστάθειας τάσης και ειδικότερα οι μηχανισμοί που μπορεί να οδηγήσουν στην εμφάνιση περαιτέρω καταστροφικών φαινομένων όπως αστάθειας γωνίας των σύγχρονων μηχανών. Σημειώνεται ότι αυτό έχει πέραν της ακαδημαϊκής αξίας (ακριβέστερη διάκριση μεταξύ των τύπων αστάθειας και των χρονικών κλιμάκων) και πρακτική χρησιμότητα, αφού από την ανάλυση θα προκύψουν μέτρα αντιμετώπισης της αστάθειας.Ειδικότερα, διερευνάται η χρονική αλληλουχία μεταξύ των φαινομένων της αστάθειας τάσης και γωνίας στη βραχυπρόθεσμη χρονική κλίμακα, η οποία σε αρκετές περιπτώσεις είναι αρκετά δύσκολο να εξακριβωθεί. Για το λόγο αυτό, αναπτύσσεται πρόγραμμα για την παρακολούθηση των ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων του συστήματος κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, η ανάλυση των οποίων μπορεί να υποδείξει τις μεταβλητές κατάστασης και άρα τις διατάξεις του μηχανισμού βραχυπρόθεσμης αστάθειας.Η παρακολούθηση των ιδιοτιμών του συστήματος πραγματοποιείται στο λογισμικό πακέτο WHSPP με τη βοήθεια μίας διαδικασίας γραμμικοποίησης κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, σύμφωνα με την οποία κατασκευάζεται σε κάθε χρονική στιγμή ο Ιακωβιανός πίνακας κατάστασης του συστήματος. Ωστόσο, επειδή το σύστημα δεν λειτουργεί απαραίτητα σε σημείο ισορροπίας κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, ο υπολογιζόμενος Ιακωβιανός πίνακας πρέπει να θεωρηθεί ότι αναφέρεται σε ένα εν δυνάμει σημείο ισορροπίας, το οποίο προκύπτει εάν οι τιμές των μεταβλητών εισόδου τροποποιηθούν κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί ισορροπία για τις τρέχουσες τιμές των μεταβλητών κατάστασης. Οι πληροφορίες και τα συμπεράσματα που εξάγονται από τη διαδικασία της γραμμικοποίησης κατά την προσομοίωση δεν αποτελούν ακριβείς και αυστηρές ενδείξεις της ευστάθειας του συστήματος, αποδεικνύονται ωστόσο ιδιαίτερα χρήσιμες στον χαρακτηρισμό της φύσης ενός φαινομένου αστάθειας.Στη διατριβή εξετάζονται δύο περιπτώσεις βραχυπρόθεσμης αστάθειας τάσης, οι οποίες εκδηλώνονται μετά το βραχυπρόθεσμο περιορισμό υπερδιέγερσης των τοπικών σύγχρονων γεννητριών και οδηγούν τελικά σε κατάρρευση τάσεως του δικτύου.Στην πρώτη περίπτωση, η αστάθεια εκδηλώνεται αρχικά σε μία ομάδα ανεμογεννητριών, οι οποίες παραμένουν συνδεδεμένες στο δίκτυο, με αποτέλεσμα να συμπαρασύρουν και τις υπόλοιπες σε αστάθεια. Σημειώνεται ότι η τοπική σύγχρονη γεννήτρια παραμένει σε συγχρονισμό με το δίκτυο για όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης.Στη δεύτερη περίπτωση, παρουσιάζονται σημαντικές δυσκολίες στην εξακρίβωση του είδους της βραχυπρόθεσμης αστάθειας, διότι οι χρονικές προσομοιώσεις αποδεικνύουν ότι εκδηλώνονται σχεδόν ταυτόχρονα τα φαινόμενα της επιβράδυνσης τριών κινητήρων επαγωγής και του αποσυγχρονισμού μίας τοπικής σύγχρονης γεννήτριας. Στην περίπτωση αυτή, η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας γραμμικοποίησης οδηγεί στη διάκριση της χρονικής αλληλουχίας μεταξύ των φαινομένων της αστάθειας τάσης και γωνίας.Σημειώνεται ότι και στις δύο περιπτώσεις προτείνονται και αξιολογούνται κατάλληλα μέτρα για την αντιμετώπιση της αστάθειας.Τέλος, το πρόγραμμα προσομοίωσης του λογισμικού πακέτου WHSSP χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση - από πλευράς βραχυπρόθεσμης ευστάθειας τάσης - της συνδεσμολογίας ενός συγκεκριμένου επιπέδου αιολικής διείσδυσης σε ένα ασθενές δίκτυο.