Μοντελοποίηση Ανεμογεννητριών Για Τη Μελέτη Δυναμικών Φαινομένων Σε Συνθήκες Αυξημένης Αιολικής Διείσδυσης

Abstract

Η συνεχώς αυξανόμενη αιολική διείσδυση στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θέτειπροκλήσεις στην αιολική τεχνολογία όσον αφορά τη δυνατότητα των ανεμογεννητριών ναλειτουργούν σύμφωνα με τους περιορισμούς που προδιαγράφονται από τους διαχειριστές τωνδικτύων. Πλήθος λειτουργιών ρύθμισης και ελέγχου που παραδοσιακά καλύπτονταν αποκλειστικάαπό συμβατικές μονάδες παραγωγής απαιτούνται πλέον από τις ανεμογεννήτριες που συνδέονται σταδίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη εξειδικευμένωντεχνικών ελέγχου και σχεδίασης των ανεμογεννητριών, που επιτρέπει τη λειτουργία τους ως ενεργέςσυνιστώσες των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας.Κατά τη διάρκεια της διατριβής έμφαση δόθηκε στους δύο βασικούς τύπους ανεμογεννητριώνανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών - η ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένουδρομέα διπλής τροφοδότησης και μετατροπέα μερικής ισχύος συνδεδεμένο στο δρομέα και ηανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια (ηλεκτρικής διέγερσης ή μονίμων μαγνητών) και πλήρημετατροπέα. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της αλληλεπίδρασηςανεμογεννητριών-αιολικών πάρκων και δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας τόσο κατά τη διάρκειασυνθηκών κανονικής λειτουργίας όσο και για τη μελέτη μεταβατικών φαινομένων όπως πχ.σφάλματα στο δίκτυο.Αρχικά αναπτύσσονται δυναμικά μοντέλα που αναπαριστούν την αεροδυναμική και μηχανικήσυμπεριφορά της ανεμογεννήτριας καθώς και το πλήρες ηλεκτρικό σύστημα - γεννήτρια,μετατροπείς και σύνδεση στο δίκτυο. Τα μοντέλα αναπτύχθηκαν σε λογισμικά προσομοιώσης όπωςMatlab/Simulink και DIgSILENT Power Factory. Στη συνέχεια αναπτύσσονται στρατηγικές ελέγχουγια κάθε τύπο ανεμογεννήτριας για την κανονική λειτουργία με στόχο τη μελέτη της επίδρασης τηςδιακύμανσης της αιολικής παραγωγής στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας λόγω διακυμάνσεων στηνταχύτητα ανέμου και επιπρόσθετες τεχνικές ελέγχου για τη λειτουργία κατά τη διάρκεια μεταβατικώνφαινομένων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη κατηγορία μεταβατικών φαινομένων αφοράστη δυνατότητα αδιάλλειπτης παροχής ισχύος κατά τη διάρκεια βυθίσεων τάσης για τους δύο τύπουςανεμογεννητριών καθώς και στη δυνατότητα συμβολής στη ρύθμιση τάσης. Η δεύτερη κατηγορίαμεταβατικών αναφέρεται σε διαταραχές που επιδρούν σημαντικά στο ισοζύγιο ενεργού ισχύος τουσυστήματος και στην απόκριση της συχνότητας. Σχεδιάζονται και μελετώνται ελεγκτές συχνότηταςγια τις ανεμογεννήτριες ώστε να είναι σε θέση να συμβάλλουν στην πρωτεύουσα ρύθμισησυχνότητας με τρόπο παρόμοιο με τις συμβατικές μονάδες. Οι στρατηγικές ελέγχου δεν αναφέρονταιμόνο σε επιμέρους ανεμογεννήτριες αλλά επεκτείνονται και σε αιολικά πάρκα των οποίων ηονομαστική ισχύς σήμερα πλέον προσεγγίζει σε μέγεθος τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής. Οιελεγκτές στο επίπεδο του αιολικού πάρκου αναλαμβάνουν να ρυθμίσουν την παραγωγή ενεργούισχύος των ανεμογεννητριών με βάση σήματα που λαμβάνουν από το διαχειριστή του συστήματοςόσον αφορά πλήθος λειτουργιών, όπως εφεδρεία ενεργού ισχύος, αδρανειακή απόκριση, έλεγχοςστατισμού και όρια ρυθμού μεταβολής ενεργού ισχύος.Τα μοντέλα που αναπτύσσονται χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη διερεύνηση της λειτουργίαςαιολικών πάρκων στα σύγχρονα ΣΗΕ με έμφαση στα μη διασυνδεδεμένα συστήματα, όπως τανησιωτικά. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των απομονωμένων συστημάτων θέτουν ειδικές απαιτήσειςως προς τις υπηρεσίες στήριξης του δικτύου εκ μέρους των αιολικών πάρκων. Η μεθοδολογίαπροσέγγισης περιλαμβάνει μελέτη της λειτουργίας κατά τη διάρκεια διακυμάνσεων στην αιολικήπαραγωγή λόγω της στοχαστικής φύσης του ανέμου και ανάλυση της αλληλεπίδρασηςανεμογεννητριών και δικτύου κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων που επιδρούν είτε στηντάση είτε στη συχνότητα του συστήματος. Τα στάδια ανάλυσης συγκροτούν μια μεθοδολογίαπροσέγγισης των ορίων αιολικής διείσδυσης αλλά και παραμέτρων όπως το ποσό εφεδρείας ενεργούισχύος που πρέπει να απαιτείται από τα αιολικά πάρκα κατά την πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας.