Ανάλυση δυναμικής συμπεριφοράς υβριδικού σταθμού ΑΠΕ με αποθήκευση αντλησιοταμιευτικού τύπου

Κωνσταντέας, Απόστολος; Konstanteas, Apostolos

dc.contributor.author	Κωνσταντέας, Απόστολος	el
dc.contributor.author	Konstanteas, Apostolos	en
dc.date.accessioned	2021-07-27T10:36:57Z
dc.date.available	2021-07-27T10:36:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53702
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21400
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	Υβριδικός σταθμός παραγωγής	el
dc.subject	Αντλησιοταμίευση	en
dc.subject	Μεταβατική συμπεριφορά	el
dc.subject	Δυναμική ανάλυση	el
dc.subject	Έλεγχος συχνότητας	el
dc.subject	Hybrid power station	en
dc.subject	Pumped storage	en
dc.subject	Transient behavior	en
dc.subject	Dynamic analysis	en
dc.subject	Frequency control	en
dc.title	Ανάλυση δυναμικής συμπεριφοράς υβριδικού σταθμού ΑΠΕ με αποθήκευση αντλησιοταμιευτικού τύπου	el
dc.title	Dynamic analysis of a wind pumped hydro power station	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας	el
heal.classification	Renewable Energy Sources	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-06
heal.abstract	Η ανάπτυξη των ΑΠΕ στα ηλεκτρικά συστήματα επιφέρει σημαντικά οφέλη, όπως μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, του κόστους ηλεκτροδότησης και της ενεργειακής εξάρτησης από ορυκτούς πόρους. Παρ’ όλα αυτά, η λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων με υψηλή διείσδυση ΑΠΕ είναι συνδεδεμένη με αρκετές τεχνικές προκλήσεις, όπως οι διαταραχές στη συχνότητα, λόγω της διακύμανσης της μη ελεγχόμενης πρωτογενούς πηγής ενέργειάς τους. Το πρόβλημα αυτό είναι ακόμα μεγαλύτερο σε αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα, όπως τα Μη Διασυνδεδεμένα Νησιά (ΜΔΝ) της Ελλάδας, όπου οι διαταραχές στο ισοζύγιο ισχύος επιφέρουν σημαντικές μεταβολές στη συχνότητα, λόγω της χαμηλής τους αδράνειας και της απουσίας διασύνδεσης με ισχυρό σύστημα. Επιπλέον αυτού, η ανάπτυξη ΑΠΕ σε αυτόνομα συστήματα αντιμετωπίζει σημαντικούς περιορισμούς, λόγω της αδυναμίας απόδοσης της ενέργειας ΑΠΕ σε ώρες σχετικά χαμηλού φορτίου. Μια αποτελεσματική λύση για την ενίσχυση της διείσδυσης ΑΠΕ σε ΜΔΝ, χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα ισχύος τους είναι η ανάπτυξη συστημάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, όπως π.χ. μπαταρίες ή αντλησιοταμιευτικοί σταθμοί, τα οποία σε συνδυασμό με μονάδες ΑΠΕ αποτελούν «υβριδικούς σταθμούς», πλήρως ελεγχόμενους, όπως και οι συμβατικές μονάδες. Στη παρούσα εργασία εξετάζεται η δυναμική συμπεριφορά του υβριδικού σταθμού της Ικαρίας, ο οποίος αποτελεί ένα πρωτοποριακό ενεργειακό έργο, συνδυάζοντας την αιολική με την υδραυλική ενέργεια. Απώτερος σκοπός του έργου είναι αφενός η περαιτέρω διείσδυση των ΑΠΕ στο ηλεκτρικό σύστημα της Ικαρίας, αφετέρου ο περιορισμός της παραγωγής του τοπικού συμβατικού σταθμού παραγωγής στον Άγιο Κήρυκο. Το υβριδικό έργο της Ικαρίας αποτελείται από το αιολικό πάρκο στη Στραβοκουντούρα, τους Μικρούς Υδροηλεκτρικούς Σταθμούς (ΜΥΗΣ) Προεσπέρας και Κάτω Προεσπέρας και το αντλιοστάσιο στην Κάτω Προεσπέρα. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας αναπτύσσονται κατάλληλα μοντέλα, τόσο για τους δύο ΜΥΗΣ όσο και για το αντλιοστάσιο, μέσω του λογισμικού του MATLAB/SIMULINK, με σκοπό τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς των συνιστωσών του υβριδικού σταθμού της Ικαρίας. Αναλυτικότερα, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα, περιγράφεται συνοπτικά το ηλεκτρικό σύστημα της Ικαρίας, παρατίθενται ορισμένα τεχνικά χαρακτηριστικά του υβριδικού σταθμού του νησιού και περιγράφονται οι αρχές διαχείρισής του. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η μοντελοποίηση του υδραυλικού μέρους των ΜΥΗΣ Προεσπέρας και Κάτω Προεσπέρας, αρχικά με χρήση υδατοθυρίδας, και του ρυθμιστή στροφών των υδροστροβίλων, διερευνώντας την απόκρισή τους σε διάφορες διαταραχές. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται ένας εναλλακτικός τρόπος μοντελοποίησης του υδραυλικού μέρους ενός ΜΥΗΣ, ο οποίος αντικαθιστά την απλοποιημένη λογική της υδατοθυρίδας και εισάγει τη λογική των βελόνων στα ακροφύσια του υδροστροβίλου (needles) και των ονύχων εκτροπής (deflectors). Το συγκεκριμένο μοντέλο αποτυπώνει με μεγαλύτερη ακρίβεια το πραγματικό σύστημα και ως εκ τούτου υιοθετείται για το υπόλοιπο των προσομοιώσεων. Στο πλαίσιο της εργασίας διερευνήθηκε και η δυνατότητα αξιοποίησης των deflectors για συμβολή στην πρωτεύουσα ρύθμιση της συχνότητας του νησιού. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η μοντελοποίηση του υδραυλικού μέρους του αντλιοστασίου τόσο με το κυματικό/ελαστικό όσο και με το μη κυματικό/ανελαστικό μοντέλο, ανάλογα με τη θεώρηση που γίνεται για τη στήλη ύδατος των αγωγών. Για λόγους πληρότητας της ανάλυσης, χρησιμοποιούνται και τα δύο μοντέλα, ώστε να αναδειχθεί η διαφορά μεταξύ τους και να αποδειχθεί η καταλληλόλητα του κυματικού για το αντλιοστάσιο της Ικαρίας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μοντελοποίηση του ηλεκτρικού μέρους των αντλιών, οι μεν αντλίες σταθερών στροφών είναι απευθείας συνδεδεμένες στο δίκτυο, χωρίς δυνατότητα ελέγχου της απορροφούμενης ισχύος τους, οι δε αντλίες μεταβλητών στροφών συνδέονται στο δίκτυο μέσω “back-to-back” μετατροπέα ισχύος (AC/DC/AC). Επιπλέον αυτού, αναπτύσσεται και ο έλεγχος ρευμάτων των μετατροπέων πλευράς μηχανής και πλευράς δικτύου. Έπειτα, παρουσιάζονται προσομοιώσεις στο MATLAB/SIMULINK, για διάφορες διαταραχές στο αντλιοστάσιο, για να αξιολογηθεί η λειτουργία του. Επιπλέον των παραπάνω, αξιολογείται και μία αρχή ένταξης-απένταξης των αντλιών σταθερών στροφών. Εν κατακλείδι, στο Κεφάλαιο 4 αναφέρονται τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, επισημαίνεται η πρωτοτυπία της και καταγράφονται πιθανές μελλοντικές της προεκτάσεις.	el
heal.abstract	RES penetration increase in power systems is beneficial in several aspects, such as the reduction of greenhouse gas emissions, cost of electricity, and energy dependance on fossil fuels. At the same time, the operation of electrical systems with high RES penetration results in several technical challenges, such as frequency deviations, due to the variability of their primary source of energy. Such issues are more evident in isolated power systems, like the Non-Interconnected Islands (NII) in Greece, where distortions in their power equilibrium lead to relatively large frequency deviations, due to the small inertia and lack of interconnections with larger power systems. In addition, RES development in island systems faces important restrictions, due to the inability to absorb the full potential of RES production during low load time periods. An efficient solution in increasing RES penetration in NIIs, without compromising their power quality, is the utilization of energy storage systems (ESSs), such as battery energy storage systems (BESSs) or pump-hydro storage plants. These energy storage systems combined with RES units constitute the so-called “hybrid power stations”, which are fully controllable, similarly to conventional units. In the present work, the dynamic behavior of the hybrid power station of Ikaria is examined. The hybrid power station in Ikaria is a pioneering energy project, combining wind and hydroelectric energy. The goal of the project is further increasing the RES penetration in the Ikaria power system, while decreasing the production of the local conventional power station in Agios Kirikos. The hybrid project of Ikaria consists of the following components: the wind farm in Stravokountoura, the small hydro power plants of Proespera and Kato Proespera and the pumping station in Kato Proespera. In the context of the present work, suitable models have been developed, both for the hydro units and the pumping station, using the MATLAB/SIMULINK software, in order to study the dynamic behavior of the components of the Ikaria hybrid station. Chapter 1 includes an introduction to hybrid systems, a brief description of Ikaria power system, along with the basic technical characteristics and the energy management strategies of the hybrid station. Chapter 2 describes the modeling of the hydraulic part of both hydro plants at Proespera and Kato Proespera, modeling its gate and its speed governors, investigating their response to various disturbances. Then, an alternative model is used, replacing the simplified gate modeling, via introducing needle nozzles and deflectors. The latter describes more accurately the real system and is therefore adopted for the rest of the simulations. The present work also explored the possibility of utilizing deflectors to contribute to the primary frequency regulation of the island. Chapter 3 describes the modeling of the hydraulic part of the pumping station, using both the wave /elastic and the rigid model, depending on the water column assumption made. For the sake of completeness of the analysis, both models are used, to highlight the differences between them, resulting in proving the suitability of the wave model for the pumping station of Ikaria. After that, the modeling of the electrical part of the pumps is presented: the fixed speed pumps (FSPs) are directly connected to the grid, without the capability of controlling their power, while the variable speed pumps (VSPs) are connected to the grid via a "back-to-back" power converter (AC/DC/AC). In addition, current control of motor-side and grid-side converters is being developed for the purpose of this analysis. Moreover, simulations are presented in MATLAB/SIMULINK for various disturbances in order to evaluate the operation of the pumping station. Lastly, a “start-stop” principle of the FSPs is evaluated. In conclusion, Chapter 4 describes the main conclusions emerging from this work, along with its novelty and possible future extensions.	en
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιλάκης, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Κορρές, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	95 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false