Συμβολή στη βελτιστοποίηση μεθοδολογιών ελέγχου συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές σε συνδυασμό με αποθήκευση ενέργειας

Abstract

Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα συστήματα ανεμογεννητριών αρχικά σε απομονωμένη λειτουργία, στη συνέχεια σε διασυνδεδεμένη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο και τέλος ενταγμένα σε μικρούς υβριδικούς σταθμούς παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές, οι οποίοι περιλαμβάνουν και συστήματα αποθήκευσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθοδολογίες ελέγχου ενώ παράλληλα αναπτύσσονται και συγκρίνονται εναλλακτικά δυναμικά μοντέλα αναπαράστασης των συνιστωσών των ανεμογεννητριών. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε συζευγμένο μοντέλο αναπαράστασης της γεννήτριας μονίμων μαγνητών, το οποίο συνδυάζει δυναμικό ισοδύναμο κύκλωμα με πεδιακή ανάλυση βασισμένη στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε επέτρεψε τη μελέτη ηλεκτρικών και μηχανικών φαινομένων ανώτερης τάξης με πολύ καλή ακρίβεια. Τα αποτελέσματα του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση κατάλληλου ελεγκτή, ο οποίος επέτρεψε την αντιμετώπιση προβλημάτων κυμάτωσης της ισχύος εξόδου σε περίπτωση εκκεντρότητας της γεννήτριας. Διερευνήθηκε η συμπεριφορά ελεγκτών για την ανεύρεση του σημείου λειτουργίας μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (maximum power point tracking, MPPT). Στα πλαίσια αυτά σχεδιάστηκαν, υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν τέσσερις διαφορετικοί ελεγκτές MPPT ανεμογεννήτριας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους, τόσο σε επίπεδο προσομοίωσης όσο και σε πειραματική διάταξη, στις περιπτώσεις βηματικής μεταβολής της ταχύτητας και πραγματικής χρονοσειράς ανέμου. Η σύγκριση των ελεγκτών οδήγησε στην ανάδειξη συγκεκριμένων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους και σε πρόταση βελτιστοποίησης ελεγκτή ασαφούς λογικής μέσω κατάλληλης προσαρμογής των παραμέτρων εξόδου. Μελετήθηκε ακόμα, η διασυνδεδεμένη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και αναπτύχθηκε ελεγκτής, ο οποίος επιτρέπει την επέκταση παραμονής στο δίκτυο της ανεμογεννήτριας σε περιπτώσεις σφαλμάτων και βυθίσεων της τάσης του δικτύου, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, επιτυγχάνοντας παράλληλα περιορισμό του ρεύματος στις περιπτώσεις αυτές. Τέλος αναλύθηκε η λειτουργία της ανεμογεννήτριας στα πλαίσια ενός αυτόνομου υβριδικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε., ο οποίος συνδυάζει τεχνολογίες υδρογόνου για παραγωγή – αποθήκευση ενέργειας. Προτάθηκε νέα μεθοδολογία διαχείρισης των συνιστωσών, η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη παροχή ισχύος στο φορτίο, σε συνδυασμό με αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση του συστήματος.

The present thesis develops appropriate models for the representation of the operating characteristics of wind generator systems during autonomous as well as grid-connected operation. As far as the autonomous operation is concerned, an extensive investigation of different control strategies has been performed and appropriate maximum power point tracking (MPPT) control techniques have been proposed. For grid-connected operation cases, innovative controllers for the improvement of wind generator behavior during faults have been developed. Moreover, a small autonomous hybrid system including wind generators as well as proton exchange membrane fuel cells and electrolyzers has been investigated. In a first step a coupled field and circuit model has been developed for the permanent magnet generator employed, providing adequate representation of higher order electrical and mechanical phenomena. Based on this model, an appropriate control method has been proposed enabling reduction of the output power ripple due to rotor eccentricity. In a second step, regarding the control of the wind generator under autonomous operation, four different MPPT controllers have been designed and implemented in a prototype wind generator system. These controllers have been evaluated through simulated results validated by measurements under both step and measured wind speed variations. The comparison of the respective system responses illustrated several advantages and disadvantages of each methodology leading to the proposal of a particular optimal controller based on fuzzy logic techniques. Moreover, a controller for grid-connected operation has been developed, enabling extension of the interconnected wind turbine operation under grid faults or voltage sags, according to the international standards, achieving equally current reduction. Finally, the wind generator has been studied as a part of a small renewable energy hybrid production plant. A particular control strategy has been proposed, combining uninterrupted load supply, increased system reliability, avoidance of frequent unnecessary on/off cycling of the fuel cell and transients of power supply for the electrolyzer.