Συμβολή Φωτοβολταϊκών Σταθμών στη Ρύθμιση Συχνότητας

Abstract

Τα τελευταία έτη η ανάπτυξη των Φωτοβολταϊκών (Φ/Β) συστημάτων έχει σημειώσει ραγδαία εξέλιξη. Το γεγονός αυτό οφείλει να συνδυάζεται με τη συμμετοχή τους στη ρύθμιση του συστήματος, ώστε να μη φθίνει το επίπεδο ασφάλειας, αξιοπιστίας και σχετικής ευστάθειάς του. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται μια πρωτότυπη στρατηγική ελέγχου ενός Φ/Β σταθμού δύο σταδίων – δίχως σύστημα αποθήκευσης ενέργειας – σύμφωνα με την οποία το Φ/Β Πάρκο προσαρμόζει την παραγωγή ενεργού ισχύος του στις ανάγκες της ρύθμισης συχνότητας του δικτύου. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής οδηγεί τον DC/DC μετατροπέα, υλοποιώντας είτε έναν αλγόριθμο Maximum Power Point Tracking (MPPT), είτε την παραγωγή μόνο ενός μέρους της μέγιστης διαθέσιμης Φ/Β ισχύος. Επιπλέον, περιγράφεται και ο απαραίτητος εκτιμητής της τελευταίας, όταν το Φ/Β πάρκο δε λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPP). Στην περίπτωση παραγωγής Φ/Β ισχύος μικρότερης της μέγιστης διαθέσιμης παρουσιάζεται η δυνατότητα εφαρμογής στατισμού, αδρανειακής απόκρισης, καθώς και σταθερού ποσοστού εφεδρείας. Αναλυτικότερα, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και περιγράφεται η εξέλιξη των Φ/Β συστημάτων. Επιπλέον, εξηγείται η αναγκαιότητα της συμμετοχής των σταθμών ΑΠΕ στη ρύθμιση των δικτύων. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η μοντελοποίηση του μηχανικού μέρους των σύγχρονων μηχανών των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και εξηγείται η άμεση συσχέτιση μεταξύ ενεργού ισχύος και συχνότητας. Ύστερα, περιγράφεται η ρύθμιση συχνότητας από τους συμβατικούς σταθμούς. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφοροι Κωδίκες Δικτύων, οι οποίοι αποσκοπούν στη συμβολή των Αιολικών Πάρκων στη ρύθμιση του δικτύου. Μεταξύ αυτών περιγράφεται και ένας Κώδικας που αναφέρεται στη διασύνδεση σταθμών στη Μέση Τάση. Επιπρόσθετα, αναφέρεται ο Κώδικας που έχει προταθεί για εφαρμογή στο Ευρωπαϊκό δίκτυο, ο οποίος θα αφορά όλες τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής, περιγράφοντας όλες τις απαιτήσεις του που αφορούν τη ρύθμιση συχνότητας. Το Κεφάλαιο 3 παρουσιάζει την τοπολογία του εξεταζόμενου Φ/Β σταθμού δύο σταδίων, η απόκριση του οποίου προσομοιώθηκε με το λογισμικό MATLAB/SIMULINK, ώστε να διαπιστωθεί η δυνατότητα συμβολής του στη ρύθμιση συχνότητας ενός μικροδικτύου. Το μικροδίκτυο αυτό περιλαμβάνει τον Φ/Β σταθμό, μια Ντιζελογεννήτρια, μια Ανεμογεννήτρια (Α/Γ) και το φορτίο. Ο Φ/Β σταθμός αποτελείται από το Φ/Β πεδίο, στο οποίο λαμβάνει χώρα η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, τους DC/DC και DC/AC μετατροπείς, το φίλτρο και τον μετασχηματιστή ανύψωσης. Στο Κεφάλαιο αυτό περιγράφονται τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την αναπαράσταση των υποσυστημάτων του Φ/Β σταθμού και του υπολοίπου δικτύου. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται οι ελεγκτές του Φ/Β σταθμού. Ο DC/DC μετατροπέας ρυθμίζεται έτσι ώστε να εξάγεται η επιθυμητή ισχύς από το Φ/Β πεδίο, ανάλογα με την τιμή της συχνότητας. Στη συνέχεια περιγράφεται η στρατηγική ελέγχου του DC/AC μετατροπέα, ο οποίος εγχέει στο μικροδίκτυο την ενεργό ισχύ του Φ/Β πεδίου, που ρυθμίζεται από τον DC/DC μετατροπέα. Για την περιγραφή του ελεγκτή αυτού παρουσιάζεται ο μετασχηματισμός Park, το σύστημα συγχρονισμού με το δίκτυο (PLL) και οι ελεγκτές της τάσεως του DC link και των εγχεόμενων ρευμάτων στο μικροδίκτυο. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του συστήματος. Οι περιπτώσεις που εξετάστηκαν ήταν η μεταβαλλόμενη ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας στα Φ/Β πλαίσια, η μεταβαλλόμενη ζητούμενη εφεδρεία ενεργού ισχύος του Φ/Β σταθμού, η βηματική μείωση και αύξηση του φορτίου και η περίπτωση ταχύτητας ανέμου με τυρβώδη συνιστώσα (της Α/Γ που είναι συνδεδεμένη στο μικροδίκτυο). Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις αυτής.

In recent years the development of Photovoltaic (PV) systems has made an enormous progress. This has to be combined with their contribution to grid regulation, so that the level of system’s security, reliability and stability do not decline. In the present study, a novel control strategy for a two-stage PV system – without an Energy Storage System (ESS) – is developed, according to which the PV Park provides frequency response characteristics, via appropriate adjustment of its generated active power. The DC/DC converter is regulated by this control scheme, either by functioning according to a Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm, or by generating less active power than the maximum available. Moreover, the necessary maximum available PV power estimator is presented, when the PV plant does not operate at its MPP. In this work, suitable control schemes are proposed in order for the PV system to operate at a constant active power reserve level, including droop and inertial control modes. More specifically, in Chapter 1 an introduction to the Renewable Energy Sources (RES) and the progress of PV systems is illustrated. Furthermore, the necessity of the participation of RES plants in grid regulation is explained. In Chapter 2 the model used for the mechanical part of synchronous generators of conventional power plants is described and the correlation between active power and frequency is explained. Then, frequency control of conventional power plants is presented. Thereafter, several Grid Codes describing the contribution of Wind Parks to the grid regulation are illustrated. Among them a Code concerning plants interconnected to Medium Voltage is presented. Additionally, a proposed European Network Code applicable to all generators is presented, illustrating the requirements concerning frequency regulation. The topology of the examined two-stage PV system is described in Chapter 3, the response of which was simulated in MATLAB/SIMULINK, so as to explore the potential of its contribution to frequency control of a microgrid (μG). The μG system comprises this PV plant, a Diesel Unit, a Full-power Converter Wind Turbine and a load. The PV plant consists of the PV Field, where the conversion of solar energy into electrical takes place, a DC/DC and a DC/AC converter, a filter and a step-up transformer. In this Chapter the models used to represent the subsystems of the PV plant and the rest of the microgrid are presented. In Chapter 4 the controllers of the PV plant are described. The DC/DC converter is regulated so that the appropriate level of power is extracted by the PV field, according to frequency. Furthermore, the control strategy of the DC/AC converter is illustrated, which is required to extract the output active power of the PV field into the microgrid. For the description of this controller Park’s transformation is presented, along with the grid synchronization unit (PLL) and the controllers of the DC link’s voltage and the injected currents into the microgrid. Time domain simulations are presented in Chapter 5. The case studies include varying intensity of solar irradiance and active power reserves command, step reduction and rise of the grid’s load and a stochastic wind speed profile of the wind turbine which is connected to the microgrid. The main conclusions of this work are summarized in Chapter 6 along with possible future extensions of this study.