Μελέτη Ευστάθειας και Ακρίβειας της τεχνικής Power-Hardware-In-the-Loop για δοκιμές διεσπαρμένης παραγωγής

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η προσομοίωση πραγματικών πειραμάτων ισχύος η οποία γίνεται σε πραγματικό χρόνο και με δοκίμια πραγματικό εργαστηριακό εξοπλισμό. Η εν λόγο τεχνική ονομάζεται Power-Hardware-In-the-Loop (PHIL) και αποτελεί ένα πρωτοποριακό εργαλείο για την προσομοίωση και τη διεξαγωγή πειραμάτων καθώς επιτρέπει τη διασύνδεση πραγματικού εξοπλισμού (Hardware Under Test - HUT) με ένα προσομοιωμένο σύστημα (Simulated System). Η διασύνδεση επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ενισχυτή ισχύος (Power Interface). Το πρώτο στάδιο της εργασίας περιλαμβάνει μία εισαγωγή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και τα μικροδίκτυα καθώς αυτό είναι σύνηθες αντικείμενο διεξαγωγής PHIL πειραμάτων, όπως γίνεται και στο εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Στη συνέχεια περιγράφεται συνοπτικά ο ψηφιακός προσομοιωτής πραγματικού χρόνου (Real Time Digital Simulator-RTDS) ο οποίος προσομοιώνει το σύστημα στο οποίο θα συνδεθεί το δοκίμιο (HUT), και ακολουθεί συνοπτική παρουσίαση της τεχνικής PHIL καθώς επίσης και των κρίσιμων ζητημάτων της ευστάθειας και της ακρίβειας της PHIL προσομοίωσης. Γίνεται αναφορά στα κριτήρια ευστάθειας Nyquist, Routh και τον Γεωμετρικό Τόπο Ριζών (ΓΤΡ) τα οποία χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της PHIL ευστάθειας. Το δεύτερο στάδιο της εργασίας περιλαμβάνει την μοντελοποίηση του εργαστηριακού PWM ενισχυτή ισχύος (TRIPHASE) με δύο τρόπους. Αρχικά, θεωρητικά με χρήση του φίλτρου εξόδου του και στη συνέχεια με τη διεξαγωγή πειραμάτων μεταβολής της τάσης θεωρώντας τον ως «μαύρο κουτί» και χρησιμοποιώντας το Matlab Identification toolbox για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και συγκρίνονται πέντε μέθοδοι για τον καθορισμό της PHIL ευστάθειας, ονομαστικά: τα κριτήρια ευστάθειας Nyquist, Routh, και ο ΓΤΡ καθώς και η χρήση δύο προσομοιωμένων συστημάτων στο Matlab simulink, τη δυναμική προσομοίωση του ηλεκτρικού κυκλώματος (SimPower-System simulated circuit) και την προσομοίωση του θεωρητικού συστήματος (προσομοίωση του μπλοκ διαγράμματος, Signal-flow simulation). Καταδεικνύονται ελλείψεις και σφάλματα των υπαρχόντων μεθόδων και προτείνονται νέοι πιο αξιόπιστοι μέθοδοι εκτίμησης της PHIL ευστάθειας. Ακολουθεί η παρουσίαση και η σύγκριση δύο μεθόδων από τη βιβλιογραφία για τον καθορισμό της PHIL ακρίβειας και καταδεικνύεται η ισοδυναμία τους. Στη συνέχεια εξετάζεται η ακρίβεια για το κύκλωμα του διαιρέτη τάσης με και χωρίς την προσθήκη του ενισχυτή ισχύος. Τέλος, γίνεται αναφορά στο Low Voltage Ride Through (LVRT) Διεσπαρμένης Παραγωγής και με βάση τα παραπάνω ακολουθεί μελέτη ευστάθειας για PHIL πείραμα με τον εργαστηριακό φωτοβολταϊκό αντιστροφέα ως δοκίμιο. Πραγματοποιείται PHIL δοκιμή χρησιμοποιώντας προτεινόμενο LVRT δίκτυο από διεθνή πρότυπα και εξετάζεται η συμπεριφορά του πραγματικού αντιστροφέα σε βυθίσεις τάσης.

This diploma thesis presents a technique for simulating and testing of power devices in real time with real laboratory equipment. This technique is called Power-Hardware-In-the-Loop (PHIL) and is a novel tool for testing as it features the interconnection of a piece of hardware in the real world, called the Hardware Under Test (HUT) with a Simulated System running in a Real-Time Simulator. A Power Amplifier (interface) is necessary to perform the coupling of the hardware and simulated system. The first section, of the thesis, contains general information about Renewable Energy Sources and microgrids since this is a useful environment for conducting PHIL experiments. Moreover the Real Time Digital Simulator (RTDS), that emulates the simulated system, is briefly described followed by a summary of the PHIL technique as well as issues related to PHIL simulation stability and accuracy. Reference is made to the criteria Nyquist, Routh and Root Locus, which are used for determining the PHIL stability. The second section of this thesis begins with the characterization of the laboratory power amplifier in two different ways. Theoretically considering its output filter, and practically through experiments in steady state and dynamic conditions, assuming that is a “black box”, using Matlab Identification toolbox in order to process the data. Then we present and compare five different methods in order to examine PHIL stability, namely: Nyquist, Routh and Root Locus stability criteria, SimPower-System simulation circuit (simulink implementation with SimPowerSystems library) and Signal flow simulation (simulink implementation with Simulink library.). The comparison shows gaps and errors of existing methods and new methods for determining the PHIL stability are proposed. Then followed the presentation and comparison of two methods from literature for determining the PHIL accuracy and the accuracy of the voltage divider circuit is examined with and without the addition of the power amplifier. Finally, the Low Voltage Ride Through capability of Distributed Generation is presented and taking into account all the above the stability of a PHIL experiment with the laboratory photovoltaic inverter as HUT is examined. PHIL tests are executed using a LVRT simulated network according to standards and the behaviour of the physical inverter during voltage dips is examined.