Αξιοποίηση μετατροπέων Αιολικών Πάρκων για τη βελτίωση της Ευστάθειας Τάσεως ΣΗΕ

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την επίδραση της άεργης υποστήριξης μετατροπέων αιολικών πάρκων στο όριο φόρτισης ενός συστήματος μεταφοράς. Συγκεκριμένα, σκοπός της εργασίας είναι να παρέχει μία εκτίμηση της αύξησης της μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος (και κατά συνέπεια του ορίου ευστάθειας τάσεως) που μπορεί να επιτευχθεί από την προτεινόμενη μέθοδο έκτακτης μέγιστης άεργης υποστήριξης αιολικών πάρκων, παρουσία μεταβλητής αιολικής παραγωγής. Τα συστήματα που εξετάζονται αποτελούνται από γραμμές μεταφοράς στις οποίες συνδέεται μέσω αποκλειστικών γραμμών διανομής μέσης τάσης η αιολική παραγωγή. Τα δεδομένα των γραμμών σύνδεσης προέρχονται από πραγματικά αιολικά πάρκα που είναι συνδεδεμένα στο Ελληνικό σύστημα, στην περιοχή της Πελοποννήσου. Η γραμμή σύνδεσης κάθε πάρκου αποτελείται από τον υποσταθμό Υψηλής/Μέσης Τάσης και περιλαμβάνει μετασχηματιστή ισχύος εξοπλισμένο με ΣΑΤΥΦ. Στον ζυγό Μέσης Τάσης του υποσταθμού υπάρχουν αυτόματοι στατοί πυκνωτές αντιστάθμισης. Τα αιολικά πάρκα και οι επί μέρους ελεγκτές των ανεμογεννητριών έχουν τη δυνατότητα να ρυθμίζουν την έγχυση αέργου ισχύος στον ισοδύναμο ζυγό σύνδεσης κάθε πάρκου. Αρχικά προσομοιώνονται δύο συστήματα δοκιμών με ένα και δύο αιολικά πάρκα αντίστοιχα, ενώ εν συνεχεία προσομοιώνεται ολόκληρο το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα (ΕΔΣ). Για την προσομοίωση της επίδρασης που έχει η μεταβλητότητα του ανέμου στην ικανότητα φόρτισης του συστήματος, δύο συσχετισμένες χρονοσειρές ταχυτήτων ανέμου θεωρούνται ως είσοδος στις ανεμογεννήτριες. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των χρονοσειρών ενεργού παραγωγής, προσομοιώνει τη λειτουργία και τον έλεγχο μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών και συγκεκριμένα μιας ασύγχρονης ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδότησης. Για την εκτίμηση της συνεισφοράς κάθε αιολικού πάρκου, υλοποιούνται τρεις διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου αέργου ισχύος του ηλεκτρονικού μετατροπέα, συγκεκριμένα η ρύθμιση με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, η ρύθμιση τάσης του αιολικού πάρκου και μία προτεινόμενη μέθοδος ευφυούς ελέγχου με εντολή μέγιστης άεργης υποστήριξης των αιολικών πάρκων σε συνθήκες εκτάκτου ανάγκης. Ειδικότερα, η μέθοδος μέγιστης άεργης υποστήριξης εκτάκτου ανάγκης (EMRS) αποτελεί ένα νέο απλουστευμένο σενάριο επικοινωνίας και στρατηγικής ελέγχου της υψηλής τάσης του υποσταθμού ΥΤ/ΜΤ σύνδεσης των διεσπαρμένων πηγών, που απαιτεί μόνο ένα διακριτό σήμα το οποίο θα ζητάει μέγιστη άεργη υποστήριξη από την διεσπαρμένη παραγωγή, όταν η ΥΤ της γραμμής μεταφοράς παραβιάσει ένα κατώφλι ελάχιστης τάσης. Η EMRS μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός φθηνού κι εύκολου να αποκτηθεί καναλιού επικοινωνίας, είτε ασύρματα (π.χ. κινητό τηλέφωνο) ή ενσύρματα από τις γραμμές μεταφοράς. Στην διατριβή πραγματοποιείται επιπρόσθετα διερεύνηση νέων μηχανισμών αστάθειας, που οφείλονται σε αδυναμία μεταφοράς της εγχεόμενης ενεργού ισχύος από μετατροπείς Ηλεκτρονικών Ισχύος, στην προσπάθειά τους να υποστηρίξουν άεργα το σύστημα μεταφοράς σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης. Οι μορφές αστάθειας που ερευνώνται είναι νεοφανείς και δεν έχουν μέχρι στιγμής ταξινομηθεί. Ταυτόχρονα προτείνονται σχήματα προστασίας για την έγκαιρη ανίχνευση και αντιμετώπιση πιθανής αστάθειας του ανωτέρω τύπου σε διαφορετικές λειτουργίες των μετατροπέων κι επιπρόσθετα πραγματοποιείται επαλήθευση της αποτελεσματικότητας των σχημάτων αυτών. Ακολούθως πραγματοποιείται διερεύνηση της εσωτερικής δομής και τοπολογίας των ανεμογεννητριών που απαρτίζουν ένα αιολικό πάρκο (λεπτομερές μοντέλο αιολικού πάρκου), καθώς και ο τρόπος που διαμοιράζονται οι εντολές από τον κεντρικό ρυθμιστή στους επιμέρους ρυθμιστές των μετατροπέων των ανεμογεννητριών. Το μοντέλο κάθε ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει λεπτομερή υλοποίηση των συστημάτων ελέγχου τάσεως, ενεργού και αέργου ισχύος. Επιπρόσθετα εξετάζεται κατά πόσο μπορούν να αναπαρασταθούν επαρκώς οι επιμέρους ανεμογεννήτριες ενός αιολικού πάρκου από μια ισοδύναμη μηχανή. Έπειτα, πραγματοποιείται σύγκριση της πλήρους προσομοίωσης με την Οιονεί Στατική Προσέγγιση για το προσεγγιστικό μοντέλο Αιολικού Πάρκου μίας συγκεντρωμένης ανεμογεννήτριας υπό μεταβλητό άνεμο. Η σύγκριση αποσκοπεί να αναδείξει την Οιονεί Στατική Προσέγγιση ως ένα αξιόπιστο τρόπο για την εκτίμηση του Ορίου Ευστάθειας ενός συστήματος μεταφοράς. Τέλος, πραγματοποιείται διερεύνηση της νεοφανούς αστάθειας για λειτουργία σταθερού ρεύματος των μετατροπέων των ανεμογεννητριών με το πλήρες μοντέλο και προτείνονται μέτρα προστασίας μέσω κατάλληλης παραμετροποίησης των ελεγκτών των ανεμογεννητριών (συγκεκριμένα του ελεγκτή γωνίας-βήματος και της στρατηγικής μέγιστης απολαβής ισχύος). Εν συνεχεία πραγματοποιούνται πιθανοτικές προσομοιώσεις των εξεταζόμενων συστημάτων μέσω της παραγωγής συνθετικών χρονοσειρών, προκειμένου να δημιουργηθεί ένας δειγματικός χώρος πολλαπλών προσομοιώσεων και έτσι να πραγματοποιηθεί στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Αρχικά αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος παραγωγής συνθετικών χρονοσειρών με χρήση στοχαστικών μοντέλων Markov. Αφού γίνει η διακριτοποίηση και η εξαγωγή του πίνακα πιθανοτήτων μετάβασης των δεδομένων χρονοσειρών που αναφέρθηκαν παραπάνω, διερευνάται η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στην αναπαραγωγή των συντελεστών αυτοσυσχέτισης και της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας, με σκοπό την καταλληλότερη επιλογή Μαρκοβιανού μοντέλου των χρονοσειρών. Τέλος, βάσει του επιλεχθέντος μοντέλου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την επανάληψη των προσομοιώσεων, θεωρώντας τη χρήση της μεθόδου Monte Carlo Markov αλυσίδων (MCMC) ως μία κατάλληλη αναπαράσταση της αιολικής ισχύος και των στατιστικών της. Για την προσομοίωση του συστήματος δοκιμών με ένα αιολικό πάρκο χρησιμοποιείται το λογισμικό MATLAB, ενώ για την προσομοίωση του συστήματος δοκιμών με δύο αιολικά πάρκα και του Ελληνικού Διασυνδεδεμένου Συστήματος το πρόγραμμα προσομοίωσης στη μακροπρόθεσμη χρονική κλίμακα WPSTAB.