Συμβολή στη λειτουργία συστημάτων συνεχούς ρεύματος σε εφαρμογές μικροδικτύων και μητροπολιτικών σιδηροδρομικών δικτύων

Abstract

Η χρήση τεχνολογιών συνεχούς ρεύματος (Direct Current – DC) για τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διεθνώς λόγω των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται τόσο σε επίπεδο παραγωγής όσο και κατανάλωσης. Το ενδιαφέρον αυτό τροφοδοτείται από την ανάγκη επίτευξης υψηλών στόχων σε ότι αφορά το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην ικανοποίηση της συνολικής ζήτησης. Είναι γεγονός ότι ένα μεγάλο πλήθος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και μονάδες αποθήκευσης όπως φωτοβολταϊκά, μπαταρίες, κ.α. λειτουργούν σε συνεχή τάση. Συνεπώς η ενσωμάτωση αυτών των συσκευών σε αρχιτεκτονικές DC δικτύων διανομής μέσω των κατάλληλων DC/DC μετατροπέων αποτελεί μία ελκυστική επιλογή σε ότι αφορά την αύξηση της συνολικής απόδοσης λόγω της μείωσης των ενδιάμεσων βαθμίδων μετατροπής. Τα συστήματα αυτά γενικά παρέχουν βελτιωμένη αξιοπιστία και ευκολότερο έλεγχο σε σύγκριση με τα αντίστοιχα εναλλασσόμενου ρεύματος (Alternative Current – AC) δεδομένης της έλλειψης περιορισμών, όπως είναι η διατήρηση ισοζυγίου αέργου ισχύος, προβλήματα συγχρονισμού κ.α. Στα πλαίσια της διατριβής μελετώνται δύο εφαρμογές των συστημάτων Χαμηλής Τάσης Συνεχούς Ρεύματος (Low Voltage DC – LVDC). Η πρώτη κατηγορία αφορά τοπολογίες μικροδικτύων και ζητήματα που αφορούν τον έλεγχο και τη λειτουργία τους ενώ η δεύτερη κατηγορία αφορά τα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος (π.χ. τύπου Μετρό, Τραμ κλπ.) καθώς και τα οφέλη που προκύπτουν από τη διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας κατά την πέδηση των τρένων. Αρχικά πραγματοποιείται μια ιστορική αναδρομή των δικτύων συνεχούς ρεύματος και παρουσιάζονται οι βασικές εφαρμογές των LVDC συστημάτων στη σύγχρονη εποχή. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στην έννοια των μικροδικτύων και των ηλεκτρικών σιδηροδρομικών δικτύων και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Γίνεται αναφορά στη βασικότερη αρχιτεκτονική ελέγχου (ιεραρχικός έλεγχος) που εμφανίζεται στις τοπολογίες μικροδικτύων και παρουσιάζονται οι βασικές μέθοδοι ανίχνευσης νησιδοποίησης που καταγράφονται στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν τη λειτουργία δικτύων συνεχούς ρεύματος. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύσσεται πρωτότυπη μέθοδος ανίχνευσης νησιδοποίησης βασιζόμενη στη λειτουργία ενός ελεγχόμενου φορτίου παράλληλα στον κεντρικό διακόπτη ενός DC μικροδικτύου και εξετάζεται το ζήτημα της ομαλής μετάβασης από αυτόνομη σε διασυνδεδεμένη λειτουργία. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των επιμέρους στοιχείων του υπό μελέτη μικροδικτύου και εκτελείται προσομοίωση με βάση παραλλαγή των προτύπων IEEE 1547 και UL1741. Επιπροσθέτως, η προτεινόμενη μέθοδος μελετάται και μέσω της Control Hardware-in-the-Loop τεχνικής για εξαγωγή περαιτέρω συμπερασμάτων για την λειτουργία της. Τέλος, η προτεινόμενη μέθοδος εξετάζεται και πειραματικά με χρήση εξοπλισμού του εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας του ΕΜΠ. Η δεύτερη θεματική ενότητα της διατριβής αφορά τα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος (τύπου Μετρό, Τραμ) καθώς και τα οφέλη που προκύπτουν από τη διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας κατά την πέδηση των τρένων. Στα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα τα τρένα λειτουργούν είτε ως φορτία (επιτάχυνση - σταθερή ταχύτητα) είτε ως γεννήτριες (αναγεννητική πέδηση των τρένων). Η παραγόμενη ενέργεια καταναλώνεται από τα άλλα τρένα που κινούνται στο δίκτυο ή καταναλώνεται τοπικά πάνω σε απορριπτικά φορτία (αντιστάσεις) που βρίσκονται εγκατεστημένα στα τρένα. Η ενέργεια αυτή δε μπορεί να επιστραφεί στο δίκτυο διανομής καθώς στην πλειοψηφία των περιπτώσεων οι υποσταθμοί έλξης αποτελούνται από μη ελεγχόμενους ανορθωτές (διατάξεις με διόδους) που δεν επιτρέπουν αμφίδρομη ροή ισχύος. Η διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας οδηγεί τόσο σε μείωση απωλειών, όσο και σε ρύθμιση της τάσης στο δίκτυο. Στα πλαίσια της διατριβής μελετάται η διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας με χρήση: 1. Αμφίδρομων υποσταθμών έλξης (ελεγχόμενες διατάξεις AC/DC) 2. Μονάδων αποθήκευσης (εγκατεστημένες σε σταθερά σημεία στο δίκτυο). Επιπροσθέτως, μελετώνται ζητήματα που αφορούν την επίδραση των δρομολογίων των τρένων στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του σιδηροδρομικού δικτύου (τάση υποσταθμών, ρεύματα γραμμών κ.α.). Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των επιμέρους στοιχείων του δικτύου όπως οι ηλεκτρικοί υποσταθμοί έλξης, τα ηλεκτρικά τρένα καθώς και η μοντελοποίηση του δικτύου για τον υπολογισμό της τάσης που αναπτύσσεται μεταξύ της γραμμής επιστροφής και της γης. Γίνεται εκτενή αναφορά στις τεχνολογίες συστημάτων αποθήκευσης που συναντώνται σε σιδηροδρομικές εφαρμογές. Στα πλαίσια της διατριβής εξετάζονται τόσο ο τοπικός έλεγχος όσο και συντονισμένος έλεγχος των μονάδων (αμφίδρομοι υποσταθμοί και στατικές μονάδες αποθήκευσης) με στόχο τη βέλτιστη ρύθμιση τάσης στην είσοδο των τρένων. Το δίκτυο το οποίο μελετήθηκε αποτελεί παραλλαγή του μητροπολιτικού σιδηροδρομικού δικτύου της Θεσσαλονίκης. Τέλος, η μελέτη των φαινομένων πραγματοποιείται με τη χρήση του εργαλείου MATLAB στο οποίο έχει δημιουργηθεί πρόγραμμα προσομοίωσης της ηλεκτρικής ροής ισχύος σε σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος.