Συμβολή ανεμογεννητριών στη ρύθμιση συχνότητας διατηρώντας εφεδρεία – εφαρμογή σε HVDC πολυτερματικό δίκτυο

Σπετσιώτης, Ανάργυρος Π.; Spetsiotis, Anargyros P.

dc.contributor.author	Σπετσιώτης, Ανάργυρος Π.	el
dc.contributor.author	Spetsiotis, Anargyros P.	en
dc.date.accessioned	2015-06-11T10:53:44Z
dc.date.available	2015-06-11T10:53:44Z
dc.date.issued	2015-06-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40821
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9490
dc.rights	Default License
dc.subject	Αιολικά πάρκα	el
dc.subject	Ανεμογεννήτριες με πλήρη μετατροπέα ισχύος	el
dc.subject	Διατήρηση εφεδρείας ισχύος	el
dc.subject	Απόκριση συχνότητας	el
dc.subject	HVDC πολυτερματικό δίκτυο	el
dc.subject	Έλεγχος πολυτερματικού δικτύου	el
dc.subject	Κώδικες δικτύων	el
dc.subject	Wind farm	en
dc.subject	Full power converter wind turbines	en
dc.subject	Power reserve	en
dc.subject	Frequency response	en
dc.subject	Multi-terminal HVDC grid	en
dc.subject	Multi-terminal grid control strategies	en
dc.subject	Grid codes	en
dc.title	Συμβολή ανεμογεννητριών στη ρύθμιση συχνότητας διατηρώντας εφεδρεία – εφαρμογή σε HVDC πολυτερματικό δίκτυο	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Electric power	en
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C01309
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-27
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι ανεμογεννήτριες μπορούν να διατηρούν εφεδρεία ισχύος και να αποκρίνονται στις μεταβολές της συχνότητας. Παράλληλα εξετάζεται η δυνατότητα ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου, στην υπεράκτια πλευρά του οποίου συνδέονται νησιωτικά συστήματα με μεγάλη αιολική παραγωγή, να συμβάλλει στη ρύθμιση της συχνότητας του συστήματος στο οποίο συνδέεται. Αρχικά γίνεται μια σύντομη αναφορά στη ρύθμιση συχνότητας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και ακολουθεί μια εισαγωγή στους κώδικες δικτύων που αφορούν τη διασύνδεση αιολικών πάρκων (χερσαίων ή υπεράκτιων) στο σύστημα, με επικέντρωση στις απαιτήσεις που σχετίζονται με τη συμμετοχή των πάρκων στη ρύθμιση της συχνότητας. Στη συνέχεια, αφού παρουσιάζονται οι βασικοί τύποι ανεμογεννητριών, πραγματοποιείται ανάλυση και μοντελοποίηση των επιμέρους υποσυστημάτων μιας ανεμογεννήτριας με πολυπολική σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών και πλήρη μετατροπέα ισχύος, η οποία χρησιμοποιείται και κατά τις προσομοιώσεις. Ακολούθως, εισάγεται το ζήτημα της διατήρησης εφεδρείας και απόκρισης συχνότητας από τις ανεμογεννήτριες και τα αιολικά πάρκα. Για να μπορούν οι ανεμογεννήτριες να παρέχουν εφεδρεία πρέπει η παραγόμενη ισχύ τους να είναι μικρότερη από την πραγματικά διαθέσιμη, έτσι ώστε να διατηρείται ανά πάσα στιγμή ένα περιθώριο ισχύος ως εφεδρεία. Αφού παρουσιάζονται τα είδη εφεδρείας που είναι σε θέση να παρέχουν οι ανεμογεννήτριες, επιχειρείται να αναλυθεί η βασική φιλοσοφία και οι τεχνικές μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η επιθυμητή αποφόρτιση των ανεμογεννητριών, ώστε να λειτουργούν διατηρώντας εφεδρεία. Οι δύο βασικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι ο έλεγχος της γωνίας pitch των πτερυγίων (τεχνικές pitching) και η λειτουργία υπό αυξημένη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής (τεχνικές overspeeding), με την κάθε μία να παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Ακολουθεί μια επισκόπηση των μεθόδων αποφόρτισης που προτείνονται στη βιβλιογραφία και βασίζονται στις τεχνικές που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Στη συνέχεια αναφέρονται οι τρόποι με τους οποίους οι ανεμογεννήτριες μπορούν να αποκριθούν στις μεταβολές της συχνότητας, οι οποίοι είναι ο έλεγχος στατισμού και η αδρανειακή απόκριση. Ύστερα, γίνεται η παρουσίαση και η ανάλυση του σχήματος ελέγχου που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση των ανεμογεννητριών ή των αιολικών πάρκων κατά τις προσομοιώσεις και το οποίο δίνει τη δυνατότητα σε μια ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών να διατηρεί εφεδρεία και να αποκρίνεται στις μεταβολές της συχνότητας, τόσο μέσω στατισμού όσο και μέσω τεχνητής αδράνειας. Εν συνεχεία καλύπτονται θέματα που αφορούν τη διαμόρφωση και τη λειτουργία ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου, που αποτελείται από μετατροπείς πηγής τάσης (VSC-HVDC). Μετά από μια σύντομη αναφορά στη συγκεκριμένη τεχνολογία, αναλύονται ζητήματα που έχουν να κάνουν με τη μοντελοποίηση του μετατροπέα πηγής τάσης (μοντέλο μέσων τιμών), τα συστήματα ελέγχου και συγχρονισμού αυτού με το δίκτυο, καθώς και τους πιθανούς τρόπους λειτουργίας διασυνδεδεμένων με το δίκτυο μετατροπέων. Ακολουθεί μια περιγραφή του εξεταζόμενου HVDC πολυτερματικού δικτύου στο Β. Αιγαίο. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται θέματα που αφορούν τον έλεγχο ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου τόσο στην κανονική λειτουργία όσο και στην περίπτωση απόκρισης στις μεταβολές της συχνότητας του ηπειρωτικού συστήματος. Για τον έλεγχο στην κανονική λειτουργία κυρίαρχο ρόλο έχει η ρύθμιση του ισοζυγίου ισχύος. Όσο αναφορά τη συμμετοχή του HVDC δικτύου στη ρύθμιση της συχνότητας, το κύριο ζήτημα έχει να κάνει με τον τρόπο που τα αιολικά πάρκα θα ειδοποιηθούν για τη μεταβολή της συχνότητας στο ηπειρωτικό σύστημα, εάν υποτεθεί ότι δεν υπάρχει κάποιου είδους απομακρυσμένη επικοινωνία. Η λύση που προτείνεται σε αυτή την περίπτωση, είναι η μεταφορά του σφάλματος συχνότητας στα νησιωτικά δίκτυα μέσω τεχνητής μεταβολής των ηλεκτρικών μεγεθών (DC τάση, νησιωτική συχνότητα). Ακολουθούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, όπου αρχικά προσομοιώνεται μια ανεμογεννήτρια εφοδιασμένη με το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου, ώστε να διαπιστωθεί η δυνατότητα της ανεμογεννήτριας να διατηρεί την απαιτούμενη εφεδρεία και να αποκρίνεται στις μεταβολές της συχνότητας. Παράλληλα, ελέγχεται και η συμβατότητα με τους κώδικες δικτύων. Στο δεύτερο μέρος των προσομοιώσεων εξετάζεται η λειτουργία του HVDC πολυτερματικού δικτύου στη μόνιμη κατάσταση για διάφορα επίπεδα εφεδρείας από τα αιολικά πάρκα. Τέλος, διερευνάται η δυνατότητα του δικτύου να συμμετέχει στη ρύθμιση της συχνότητας του ηπειρωτικού συστήματος, τόσο σε περίπτωση υπερσυχνότητας όσο και σε περίπτωση υποσυχνότητας.	el
heal.abstract	This diploma thesis investigates the way in which wind turbines provide power reserve and frequency response. An additional scope is the examination of the ability of a multi-terminal HVDC grid to participate in mainland system frequency control, in case of this grid is used for the interconnection of islands systems with high wind power penetration. Initially, a brief presentation of power systems frequency control is carried out followed by an introduction of grid code requirements for participation of wind power plants (onshore or offshore) in system frequency control. Afterwards, the modelling of a wind turbine based on a multipole permanent magnet synchronous generator with a full converter is performed. This specific wind turbine model is used for the simulations. In the next step, the ability of wind turbines and wind farms to provide power reserves and frequency response is introduced. Wind turbines can provide power reserve only if their actual active power generation is lower than their maximum available power. After a presentation of reserve types, the basic control idea and methods for the deloaded operation of wind turbines are illustrated. The most commonly used methods are pitching techniques and overspeeding techniques. Each from these techniques appears its own advantages and disadvantages. Later, a review of wind turbines deloading methods from bibliography is presented. Following this, the two fundamental frequency response methods, droop control and inertial control, are explained. Subsequently, the presentation of deloading control method that is used for the simulations is taken place. This control scheme gives to variable speed wind turbines the ability to provide power reserve and participate in system frequency control with both droop and inertial control. Next, main issues about the configuration and operation of multi-terminal HVDC grid, which is implemented with voltage source converters (VSC-HVDC), are covered. After a brief reference in specific technology, topics such as the modelling of voltage source converter (average-value model), its control systems and grid synchronization are analyzed. Furthermore, the alternatives operation modes of an interconnected to the grid converter are presented. Moreover the selected case study, which is the planned multi-terminal HVDC interconnection in North Aegean, is described. After that, control strategies of a multi-terminal grid both in steady state operation and in case of mainland frequency disturbance are explained. In normal operation, the regulation of power balance into the HVDC grid has the main role. As far as the frequency response is concerned, the basic problem is the way that offshore wind farms will be informed about the frequency disturbance which takes place in the mainland grid, in case of any communication system is not used. The solution for this issue is the production of a controlled frequency disturbance in the power systems of islands. Finally, the results of the simulations are illustrated and evaluated. Firstly a wind turbine, which is equipped with the proposed control scheme, is simulated. The main objective is the verification of the wind turbine ability to provide power reserve and participate in system frequency control. In parallel, its grid code compatibility is verified. The second part of the simulations includes examination of the steady state operation of the multi-terminal HVDC grid for various levels of wind farms power reserve. Last, the ability of the multi-terminal grid to participate in mainland system frequency regulation is tested for both overfrequency and underfrequency events.	en
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Μανιάς, Στέφανος	el
heal.committeeMemberName	Κλαδάς, Αντώνιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	216 σ.
heal.fullTextAvailability	true