Μελέτη προσομοίωσης «Power Hardware In The Loop» και διερεύνηση ανύψωσης της τάσης εξαιτίας της διείσδυσης φωτοβολταϊκών στη Χαμηλή Τάση

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται και υλοποιείται ένα πείραμα προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο με το εργαστηριακό μικροδίκτυο, και συγκεκριμένα με τον αντιστροφέα φωτοβολταϊκών, σε ρόλο δοκιμίου. Αυτό το είδος πειράματος ονομάζεται Power Hardware In Loop (PHIL). Αρχικά περιγράφονται συνοπτικά οι συσκευές του μικροδικτύου, ο εξομοιωτής πραγματικού χρόνου (RTDS), ο οποίος θα προσομοιώσει το ηλεκτρικό δίκτυο στο όποιο θα «συνδεθεί» το δοκίμιο μας καθώς και ο «ενδιάμεσος» (Interface) που θα επιτελέσει στη σύνδεση των δυο προηγούμενων στοιχείων.

Παρουσιάζονται συνοπτικά οι δυο τεχνικές Ηardware in Loop (HIL) με ιδιαίτερη έμφαση στην PHIL και εξετάζονται ζητήματα που αφορούν στην ευστάθεια και στην ακρίβεια. Παρουσιάζεται το κριτήριο ευστάθειας Nyquist πάνω στο όποιο στηρίζεται η μελέτη της ευστάθειας καθώς και τα δυο είδη σφαλμάτων που εμφανίζονται σε μια προσομοίωση PHIL, το σφάλμα TFP (Transfer Function Perturbation) και το σφάλμα NP (Noise Perturbation). Έπειτα, αναφέρονται οι διάφορες τοπολογίες σύνδεσης του «ενδιάμεσου» (Ιnterface) (με τις οποίες μπορούμε να συνδέσουμε τα στοιχεία του πειράματος με στόχο την αντιμετώπιση των ζητημάτων ευστάθειας και ακρίβειας. Αναλύουμε τη λειτουργιά του ενισχυτή AC/DC/AC ο οποίος θα παίξει το ρόλο του Ιnterface στο πείραμα μας

Σε ότι αφορά το πειραματικό κομμάτι της εργασίας εφαρμόζουμε αρχικά την τεχνική PHIL στο κύκλωμα του διαιρέτη τάσης. Παρουσιάζουμε την τοπολογία και μοντελοποιούμε κατά το δυνατόν καλύτερα το σύστημα μας. Μέσω μετρήσεων βρίσκουμε τη συνολική χρονική καθυστέρηση του βρόχου και μοντελοποιούμε το Interface ως έναν ενισχυτή τάσης με μοναδιαίο κέρδος και λαμβάνοντας υπόψη το φίλτρο εξόδου του. Με χρήση του Matlab εφαρμόζουμε το κριτήριο ευστάθειας Nyquist καθώς επίσης και την απαραίτητη μελέτη ακρίβειας, και παραθέτουμε τα αποτελέσματα. Έπειτα ακολουθούν οι offline προσομοιώσεις που έγιναν στο Simulink καθώς επίσης και τα πειραματικά αποτελέσματα της PHIL εφαρμογής. Τέλος, μελετάμε στο Simulink την περίπτωση όπου ένα ασταθές κύκλωμα διαιρέτη τάσης, σε μια εφαρμογή PHIL, μετατρέπεται σε ευσταθές μέσω της χρήσης ενός φίλτρου ανατροφοδότησης στο ρεύμα.

Στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας εφαρμόζεται η τεχνική PHIL σε ένα δίκτυο αγροτικής περιοχής Χαμηλής Τάσης στο όποιο λειτουργούν φωτοβολταϊκές μονάδες και λαμβάνονται αποτελέσματα για το επίπεδο της τάσης στους διάφορους κόμβους. Περιγράφεται το υπό μελέτη δίκτυο αγροτικής περιοχής και υλοποιούνται κάποια σενάρια παραγωγής-κατανάλωσης με χρήση της τεχνικής PHIL. Έπειτα με χρήση του Simulink παρουσιάζεται η ανύψωση τάσης που εμφανίζεται στους κόμβους του δικτύου για διάφορα σενάρια παραγωγής – κατανάλωσης (offline προσομοίωση). Τέλος εφαρμόζονται δυο τρόποι αντιμετώπισης της ανύψωσης τάσης με τη βοήθεια του αντιστροφέα φωτοβολταϊκών, η μέθοδος περιορισμού ισχύος (power curtailment) καθώς και η μέθοδος ελέγχου του συντελεστή ισχύος (power factor control).

This diploma thesis examines the structure of a simulation experiment in real time with the laboratory microgrid, and specific the photovoltaic inverter. The simulation is called Power Hardware In Loop (PHIL). Firstly, we describe the microgrid devices and the real-time simulator (RTDS), which will simulate the electrical network that will connect the Hardware Under Test (HUT) and our "intermediate» (Interface) which will make the connection of the two previous parts.

Both HIL techniques are mentioned with particular emphasis on PHIL and problems concerning stability and accuracy, are studied. It is shown the Nyquist stability criterion on which the study was based concerning the stability issue and it is presented the two types of errors that occur in a simulation PHIL, the TFP error (Transfer Function Perturbation) and the NP error (Noise Perturbation). After that we indicate the various connection topologies of the interface (interface algorithms) by which we can connect the components of the loop, in order to overcome the issues of stability and accuracy. We analyze the operation of the amplifier AC/DC/AC who will play the role of the interface in our experiment.

Regarding the experimental part of the work, we initially apply the PHIL technique on the voltage divider circuit. We present the topology and we model our system in the best possible way. Through measurements we find the total time delay of the loop and we model the interface as an amplifier with unit gain and influence from the output filter. Using Matlab we apply the Nyquist stability criterion as well as the necessary accuracy study, and we present the results. Following this point, the results from the simulations made in Simulink as well as the experimental results from the PHIL application, are shown. Finally, we study in Simulink the case where an unstable voltage divider circuit, in a PHIL application, becomes stable through the use of a filter in the feedback current.

In the last part of the work we apply the PHIL technique to a LV network in a rural area, in which there is photovoltaic production and we present the results of the voltage levels at the connection nodes. The network of the rural area is described and we implement some production-consumption scenarios using the PHIL technique. Then by using Simulink we saw the voltage rise on the connection nodes of the network for different scenarios of production – consumption (offline simulation). Finally we applied two ways to reduce the voltage rise using the capabilities of the photovoltaic inverters, namely the method of power curtailment and the method of power factor control.