Τεχνικές ελέγχου συνθετικής αδράνειας για διασυνδεδεμένους μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Με την συνεχή και αυξανόμενη ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την μείωση των σύγχρονων ηλεκτρικών γεννητριών, που χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενεργείας, εμφανίστηκε το φαινόμενο της μείωσης της συνολικής αδράνειας του δικτύου.

Μια καινοτόμα στρατηγική ελέγχου η οποία έχει προταθεί τα τελευταία χρόνια είναι χρήση των εικονικών σύγχρονων μηχανών (VISMA). Η βασική ιδιότητα των εικονικών σύγχρονων μηχανών είναι ότι μπορούν να αντικαταστήσουν όλες τις ιδιότητες και δυνατότητες τις οποίες έχει μια σύγχρονη μηχανή. Τα δυναμικά, στατικά και ηλεκτρικά χαρακτηρίστηκα μιας σύγχρονης μηχανής εκφράζονται μέσα από το μοντέλο του VISMA. Ουσιαστικά, το VISMA είναι ένας τριφασικός μετατροπέας ηλεκτρικής ενέργειας δύο επιπέδων, ο οποίος μπορεί να μιμείται την λειτουργία μιας σύγχρονης μηχανής. Η χρήση του μοντέλου αυτού μπορεί να γίνει για την διασύνδεση αιολικών ή φωτοβολταϊκών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για να προσδίδουν στο σύστημα ηλεκτρικής ενεργείας (ΣΗΕ) την απαιτούμενη αδράνεια (εικονική) την οποία χρειάζεται για την διατήρηση της ευστάθειας του ΣΗΕ. Πρωταρχικός στόχος της ιδέας αυτής είναι ο έλεγχος της αλληλεπίδρασης της εικονικής σύγχρονης μηχανής με το δίκτυο. Το VISMA αποτελείται από δύο εν σειρά ελεγκτές, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο της τάσης και του ρεύματος.

Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται μια περιγραφή του δικτύου ηλεκτρικής ενεργείας καθώς επίσης και οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και οι τρόποι προστασίας των ΣΗΕ. Στην συνέχεια στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενέστερη αναφορά στο κομμάτι της ευστάθειας του δικτύου ηλεκτρικής ενεργείας. Επίσης στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται και η συνεισφορά των σύγχρονων μηχανών για την διατήρηση της ευστάθειας του δικτύου. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση του μοντέλου του μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας που υλοποιήσαμε. Αρχικά, γίνεται ο έλεγχος των επιθυμητών ρευμάτων μέσω του ελεγκτή ρεύματος και ακολούθως, με την τεχνική του PWM, γίνεται η οδήγηση του σήματος αναφοράς στην γέφυρα του αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση της λειτουργίας του μοντέλου της σύγχρονης μηχανής. Μέσα από την μαθηματική ανάλυση για την λειτουργία της σύγχρονης μηχανής εστιάζουμε στις σχέσεις οι οποίες μας βοήθησαν να υλοποιήσουμε το κομμάτι του μοντέλου της σύγχρονης μηχανής του VISMA. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αρχικοποιήσεις που έγιναν για την ορθή λειτουργία της εικονικής μηχανής καθώς επίσης και τα πειράματα ελέγχου λειτουργίας. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του τελικού μοντέλου προσομοίωσης (VISMA) και τα τελικά πείραμα ελέγχου. Επίσης στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται και σύγκριση μοντέλων εικονικών σύγχρονων μηχανών. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα μας και οι μελλοντικές επεκτάσεις που μπορεί να έχει το μοντέλο του VISMA.

The future power system integrated a large share of renewable energy sources, which causes a reduction of the system rotational inertia because the number of synchronous machine will be reduced. Reducing the total inertia of the system may cause stability issues. An idea for solving these issues is to connect a virtual synchronous machine (VISMA) between the grid and the renewable energy source. The concept of VISMA implements a control system in order to combine a three phase inverter to imitate the synchronous generator behaviour. This thesis presents the model of VISMA and shows its functionality. The development of VISMA was the main objective of this thesis.