Προσομοίωση και έλεγχος συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου για συμμετοχή στη ρύθμιση συχνότητας

Ζάρρας, Δημήτριος; Zarras, Dimitrios

dc.contributor.author	Ζάρρας, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Zarras, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2020-10-26T18:44:27Z
dc.date.available	2020-10-26T18:44:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51640
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19338
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Autonomous microgrid	en
dc.subject	Hydrogen storage systems	en
dc.subject	Power to gas	en
dc.subject	Primary frequency response	en
dc.subject	Virtual inertial response	en
dc.subject	Αυτόνομο μικροδίκτυο	el
dc.subject	Συστήματα αποθήκευσης υδρογόνου	el
dc.subject	Πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας	el
dc.subject	Εικονική αδρανειακή απόκριση	el
dc.subject	Συνδυαστικός έλεγχος	el
dc.title	Προσομοίωση και έλεγχος συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου για συμμετοχή στη ρύθμιση συχνότητας	el
dc.title	Simulation and control of hydrogen storage systems for the participation to frequency regulation	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Electrical engineering	en
heal.classification	System control	en
heal.classification	Electrical microgrids	en
heal.classification	Hydrogen	en
heal.classification	Έλεγχος συστημάτων	el
heal.classification	Ηλεκτρικά μικροδίκτυα	el
heal.classification	Υδρογόνο	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-22
heal.abstract	Η ραγδαία ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) σε συνδυασμό με την αυξανόμενη διείσδυσή τους στα ηλεκτρικά δίκτυα διεγείρει ζητήματα, τόσο ως προς την ευστάθεια αυτών, όσο και σχετικά με τις αναγκαιότητες αποθήκευσης ενέργειας. Η μείωση της αδράνειας των συστημάτων λόγω υψηλών διεισδύσεων ΑΠΕ αποτελεί γεγονός ιδιαίτερα αισθητό στις περιπτώσεις αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων. Η αποθήκευση δύναται να αποτελέσει τη λύση στα παραπάνω, όταν συνοδεύεται από κατάλληλο έλεγχο ρύθμισης της συχνότητας. Το, πλέον, προωθητικό περιβάλλον για το Υδρογόνο και τα πλεονεκτήματά του καθιστούν την αποθήκευσή του για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας πιο δελεαστική από ποτέ. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία αναπτύσσονται πρωτότυπες στρατηγικές ελέγχου των συνιστωσών ενός ολοκληρωμένου συστήματος Αποθήκευσης Υδρογόνου, με σκοπό τη συμμετοχή του στη ρύθμιση συχνότητας. Το εν λόγω σύστημα αποτελείται από Δεξαμενή Αποθήκευσης του Υδρογόνου (Hydrogen Storage Tank), Κυψέλη Καυσίμου (Fuel Cell) και Ηλεκτρολύτη (Electrolyzer), με τις δύο τελευταίες συνιστώσες του να συνεισφέρουν στην ευστάθεια συχνότητας του μελετώμενου απομονωμένου μικροδικτύου. Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη ανάλυση των διαφόρων τεχνολογιών Υδρογόνου σε fuel cells και electrolyzers με το ενδιαφέρον να επικεντρώνεται στα πλεονεκτήματα των τεχνολογιών PEM (Proton Exchange Membrane), οι οποίες και αξιοποιούνται. Στη συνέχεια, αναλύονται τα στάδια ρύθμισης της συχνότητας και οι θεμελιώδεις αρχές των ελεγκτών στροφών και τάσεως των σύγχρονων γεννητριών με τη θεωρία που τους πλαισιώνει. Πραγματοποιείται, ακόμη, εκτενής διερεύνηση των χρόνων απόκρισης των PEM fuel cells και electrolyzers σύμφωνα με ερευνητικά και βιομηχανικά δεδομένα, προς κατάδειξη της δυνατότητάς τους για συμβολή σε επικουρικές λειτουργίες στήριξης της συχνότητας. Ακολούθως, θεμελιώνεται ο έλεγχος του τριφασικού μετατροπέα ισχύος του Συστήματος Αποθήκευσης Υδρογόνου. Ο ελεγκτής ρεύματος στο dq πλαίσιο αναφοράς θεωρείται η πλέον κατάλληλη επιλογή για τον ανεξάρτητο έλεγχο της ροής ενεργού και άεργου ισχύος από τον μετατροπέα, προς και από το δίκτυο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η ανάλυση του ελέγχου που υλοποιείται στο ανά μονάδα (α.μ.) σύστημα. Κατόπιν, αναλύεται ο τρόπος προσομοίωσης των συνιστωσών Υδρογόνου και επαληθεύονται τα μοντέλα μέσω παραμετρικών διαγραμμάτων. Ειδικά επισημαίνεται ο μετασχηματισμός του μοντέλου του Ηλεκτρολύτη κατά prodlog Lambert W. με την τάση να καθίσταται ως η ανεξάρτητη μεταβλητή ελέγχου. Επιπρόσθετα, εισάγεται η έννοια του State of Fill (SOF) για την αποθήκευση του Υδρογόνου. Η εργασία συνεχίζεται με την εξέταση προτεινόμενων τοπολογιών ανάλογων συστημάτων Η2. Έμφαση αποδίδεται στον τρόπο σύνδεσης του Ηλεκτρολύτη (τοπολογία DC ή AC ζυγού). Βιβλιογραφικά εξετάζονται και βασικές απαιτήσεις σύγχρονων Κωδίκων Συχνότητας. Ύστερα, περιγράφεται η τοπολογία του υπό μελέτη μικροδικτύου και παρουσιάζονται τόσο οι επιμέρους συνιστώσες του, όσο και οι στρατηγικές ελέγχου που τις συνοδεύουν. Αυτές αφορούν τον έλεγχο MPPT της Κυψέλης Καυσίμου, τον πρωτότυπο έλεγχο Power to Gas (P2G) του Ηλεκτρολύτη και τον έλεγχο συχνότητας αυτών, ο οποίος συντίθεται σε έλεγχο πρωτεύουσας ρύθμισης συχνότητας και εικονικής αδρανειακής απόκρισης. Για την αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιούνται προσομοιώσεις στο λογισμικό του MATLAB/Simulink, οι οποίες αφορούν ακραίες βηματικές αυξομειώσεις του φορτίου του συστήματος με και χωρίς τη συνεισφορά των συνιστωσών Υδρογόνου στην ευστάθεια της συχνότητας, αλλά και αυξομειώσεις καυσίμου, προς επαλήθευση της λειτουργίας του 3Φ Μετατροπέα και των MPPT και P2G ελέγχων του fuel cell και του electrolyzer, αντίστοιχα. Μελετάται η επίδραση των παραμέτρων στατισμού και εικονικής αδράνειας και εξετάζεται η βέλτιστη απόκριση μέσω συνδυαστικού ελέγχου. Τα αποτελέσματα αναλύονται και σχολιάζονται. Τέλος, γίνεται μνεία στην ερευνητική πρωτοτυπία της εργασίας, σε πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις της και συζητώνται τα συμπεράσματά της, που καταδεικνύουν ότι νέες μονάδες Υδρογόνου δύνανται να συμβάλλουν καταλυτικά στη βελτίωση της συχνοτικής απόκρισης ενός αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος.	el
heal.abstract	The rapid development of Renewable Energy Sources (RES) in combination with their increasing penetration in the electric grids results in stability issues, as well as the need for energy storage. The decrease of system inertia due to high RES penetration constitutes a well-known technical issue, especially in the case of autonomous electrical systems. Energy storage is capable of providing a solution, when combined with proper frequency regulation control. The current promoting conditions on Hydrogen and its advantages make its usage for storing electricity more appealing than ever. The present Diploma Thesis deals with the development of novel control strategies for the components of a complete Hydrogen Storage System, with the purpose of participating to frequency regulation. The system comprises a Hydrogen Storage Tank, a Fuel Cell and an Electrolyzer, of which the latter two contribute to the frequency stability of the studied isolated microgrid (μG). Initially, a concise analysis of different Hydrogen technologies regarding fuel cells and electrolyzers is established. The interest is focused on PEM (Proton Exchange Membrane) technologies, which are the ones that are simulated in this Thesis. Subsequently, the frequency regulation stages are analyzed along with the fundamental principles of the governors and automatic voltage regulators of synchronous generators. A thorough investigation of PEM fuel cells’ and electrolyzers’ response times is carried out, aiming to evince their potential of contributing to subsidiary frequency regulation services. Additionally, the control of the three-phase power converter of the Hydrogen Storage System is established. The current controller in the dq reference frame is considered as the most appropriate choice for the independent control of the active and reactive power flow of the converter. The analysis of the control, which is performed in the per unit (p.u.) system, is also of interest. Furthermore, the simulation of the Hydrogen components is analyzed and the models are verified through parametric diagrams. The transformation of the Electrolyzer model via the prodlog Lambert W. function is specifically stressed, due to which the voltage becomes the independent control variable. The concept of State of Fill (SOF) is also introduced for the Hydrogen storage station. The Thesis continues with the examination of recommended topologies for similar H_2 systems. Particular emphasis is attributed to the connection options of the Electrolyzer (DC or AC bus topology). Bibliography of the basic requirements of grid Frequency Codes is also examined. Afterwards, the topology of the studied μG is studied and its numerous components along with their control strategies are presented. These refer to the MPPT control of the Fuel Cell, the novel Power to Gas (P2G) control of the Electrolyzer and their frequency control, which is composed of primary frequency regulation and virtual inertial response. For the evaluation of the proposed system, simulations with the MATLAB/Simulink software are performed. The case studies include extreme system load step-changes with and without the contribution of Hydrogen components to frequency stability, as well as fuel step variations for the verification of the proper operation of all the modelled subsystems, such as the three-phase Converter and the MPPT and P2G controls of the fuel cell and the electrolyzer, respectively. The effect of the droop and virtual inertia coefficients is studied and the optimal response through a combinatorial control method is investigated. Τhe results are analyzed and annotated. Finally, the research originality of the Thesis is discussed along with its possible future extensions. Its conclusions are also underlined, which demonstrate that modern Hydrogen units are able of catalytically improving the frequency response of an autonomous electrical system.	en
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.advisorName	Papathanassiou, Stavros	en
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Χατζηαργυρίου, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνόπουλος, Αντώνιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	264 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false