Ανάλυση και Διαχείριση Υβριδικού Μικροδικτύου

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, τα μικροδίκτυα βρίσκονται σε συνεχή εξέλιξη με σκοπό τη μεγάλη διείσδυση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στα ηλεκτρικά δίκτυα. Η αναγκαιότητα ενός AC ή DC μικροδικτύου εξαρτάται από τις διαθέσιμες πηγές διεσπαρμένης παραγωγής και τα συνδεδεμένα φορτία. Η υβριδική δομή μπορεί να εξασφαλίσει μία βιώσιμη διάταξη, η οποία συνδυάζει και τις δύο μορφές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, εξετάζεται μία δομή υβριδικού μικροδικτύου συνδεδεμένου στο δίκτυο μέσω δύο παράλληλα συνδεδεμένων μετατροπέων (back-to-back) με DC διασύνδεση. Ενώ η back-to-back σύνδεση μεταξύ δύο AC συστημάτων προσφέρει μία αξιόπιστη, απομονωμένη και αποδοτική ζεύξη, η DC διασύνδεση μπορεί να λειτουργήσει ως ένας DC ζυγός που θα διευκολύνει τη χρήση των DC μικροπηγών. Η διάταξη αυτή επιτρέπει την άμεση παροχή ενέργειας στα τοπικά φορτία αλλά και την ανταλλαγή ισχύος μεταξύ όλων των δικτύων. Προτείνεται στρατηγική ελέγχου που προσφέρει ικανότητα ροής ισχύος από και προς πάσα κατεύθυνση, καθώς και λειτουργία υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Για τον έλεγχο των ροών ισχύος από και προς τα AC δίκτυα σχεδιάζονται ελεγκτές dq-συντεταγμένων. Συγκεκριμένα, υλοποιούνται αποσυζευγμένοι ελεγκτές ρεύματος για τις dq-συνιστώσες και ένας ελεγκτής τάσης για τη DC διασύνδεση σε συνδυασμό με τη στρατηγική Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (PWM). Για τον έλεγχο της ροής ισχύος από και προς το DC μικροδίκτυο χρησιμοποιείται ένας DC/DC μετατροπέας μεταξύ DC διασύνδεσης και DC μικροπηγών ή φορτίων, ο οποίος ελέγχεται μέσω της τεχνικής Ολίσθησης επί Επιφανείας (Sliding mode). Η συγκεκριμένη τεχνική επιτρέπει έλεγχο τεσσάρων τεταρτημορίων για ροή ισχύος προς κάθε κατεύθυνση και λειτουργία είτε υποβιβασμού είτε ανύψωσης τάσης. Το σύστημα μοντελοποιείται και προσομοιώνεται σε περιβάλλον Matlab/Simulink για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μία ιστορική αναδρομή στα ηλεκτρονικά ισχύος, ενώ παράλληλα δίνονται γενικές πληροφορίες για τους τύπους ηλεκτρονικών ισχύος που θα χρησιμοποιηθούν, τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα διάφορα είδη μικροδίκτυων. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζεται η PWM τεχνική, η λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα, και ο έλεγχός του σε σύστημα dq-συντεταγμένων για ροή προκαθορισμένων ποσών ενεργού και άεργου ισχύος από και προς την AC πλευρά. Στο Κεφάλαιο 3, αναλύονται αντίστοιχα η λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή τάσης και ο έλεγχός του σε dq-συντεταγμένες με σκοπό την διατήρηση της τάσης στη DC διασύνδεση και τη λειτουργία του υβριδικού μικροδικτύου υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα κυκλώματα υποβιβασμού και ανύψωσης τάσης, ο DC/DC μετατροπέας τεσσάρων τεταρτημορίων και η τεχνική ελέγχου ολίσθησης επί επιφανείας. Στο τέλος καθενός από τα τρία αυτά κεφάλαια προσομοιώνονται οι αντίστοιχοι μετατροπείς σε περιβάλλον Matlab/Simulink, ενώ στο Κεφάλαιο 5 γίνεται προσομοίωση και επικύρωση της αξιόπιστης λειτουργίας του συνολικού συστήματος για διάφορες συνθήκες λειτουργίας του υβριδικού μικροδικτύου. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κυριότερα συμπεράσματα της παραπάνω ανάλυσης.

In recent years, microgrids are in constant evolution due to the high penetration of Renewable Energy Sources in electrical grids. The need for an AC or DC microgrid depends on the available sources of distributed generation and connected loads. The hybrid structure provides a sustainable configuration combining both forms. In this thesis, a hybrid microgrid structure connected to grid via two parallel connected converters (back-to-back) with DC connection, is considered. While the back-to-back connection between two AC systems could bestow a reliable, efficient and isolated coupling, the DC connection can be employed as a DC bus which will facilitate use of the DC microsources. This configuration permits direct supply to local loads and power trade among all networks. A control strategy that enables power flow to-and-from every direction as well as unity power factor operation, is proposed. In order to control the power flow to-and-from the AC grids, dq-coordinate controllers are designed. Specifically, decoupled current controllers for the dq-components and a voltage controller for the DC link are implemented, along with pulse width modulation (PWM) scheme. In order to control the power flow to-and-from the DC microgrid, a DC / DC converter between the DC link and the DC microsources or loads is used, which is controlled with a Sliding Mode technique. This technique allows four quadrant control for power flow in every direction and either buck or boost operation. The system is modeled and simulated in Matlab / Simulink environment for different operating conditions. In Chapter 1, a historical review of power electronics is made, while general information on the types of power electronics to be used, distributed generation and different types of microgrids, is given. Chapter 2 presents the PWM technique, the operation of three-phase inverter and its control in dq-coordinates for fixed reference active and reactive power flow to-and-from the AC side. In Chapter 3, similarly, we present the operation of three-phase voltage rectifier and its control in dq-coordinates in order to maintain the DC link voltage and ensure unity power factor operation of the hybrid microgrid. Chapter 4 describes the buck and boost circuit models, the four quadrant DC / DC converter and the sliding mode control strategy. At the end of each of these three chapters, the corresponding converter is simulated in Matlab / Simulink environment, while in Chapter 5 the whole system is simulated and a reliable performance is validated for various operating conditions of the hybrid microgrid. Finally, Chapter 6 summarizes the main conclusions of this analysis.