Σχεδιασμός και Έλεγχος Λειτουργίας Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται ένα δυναμικό μοντέλο που προσομοιώνει τη λειτουργία ενός αυτόνομου υβριδικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που συνδυάζει ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τεχνολογίες υδρογόνου. Μία ανεμογεννήτρια και μία φωτοβολταϊκή γεννήτρια αποτελούν τις κύριες ενεργειακές πηγές του συστήματος, ενώ μία κυψέλη καυσίμου σε συνδυασμό με μια συστοιχία υπερπυκνωτών χρησιμοποιούνται για να καλύψουν τη διακύμανση της παραγόμενης ισχύος. Προκειμένου να αξιοποιηθούν στο μέγιστο οι δυνατότητες του συστήματος χρησιμοποιήθηκε μία μονάδα ηλεκτρόλυσης σε συνδυασμό με μία δεξαμενή αποθήκευσης υδρογόνου για να απορροφήσει την περίσσεια ισχύος και να την αποθηκεύσει υπό μορφή υδρογόνου. Η διασύνδεση των επιμέρους υποσυστημάτων και η διαχείριση της ισχύος πραγματοποιούνται μέσω ενός κοινού ζυγού συνεχούς ρεύματος. Τα υποσυστήματα μοντελοποιούνται αναλυτικά με μαθηματικές εξισώσεις και δίνεται μεγάλη έμφαση στη δυναμική συμπεριφορά τους. Έπειτα, διαστασιολογείται το σύστημα με χρήση πραγματικών δεδομένων για τις χρονοσειρές ταχύτητας ανέμου – ηλιακής ακτινοβολίας και την ημερήσια καμπύλη φορτίου. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται διαστασιολόγηση εναλλακτικών τοπολογιών υβριδικών συστημάτων και συγκρίνονται με βάση τα οικονομικά αποτελέσματα και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ο διαχειριστικός έλεγχος του συστήματος που βασίζεται στην ασαφή λογική. Ο έλεγχος λαμβάνει υπόψη το ισοζύγιο παραγωγής – ζήτησης και δίνει έμφαση στην ποιότητα της παραγόμενης ισχύος. Παράλληλα εξασφαλίζει την αποδοτική και οικονομική λειτουργία της κυψέλης καυσίμου, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο τη διάρκεια ζωής της και μειώνοντας το μέσο κόστος λειτουργίας του συστήματος. Ακόμα, λαμβάνει υπόψη θέματα ενεργειακής απόδοσης, καθώς και περιορισμούς ασφαλείας στη λειτουργία του ηλεκτρολύτη. Η συμπεριφορά του συστήματος μελετάται στο χρονικό ορίζοντα ενός 24ώρου. Προτείνεται συγκεκριμένη τεχνική ελέγχου της ροής ισχύος η οποία εξασφαλίζει ευσταθή λειτουργία και αδιάλειπτη παροχή ισχύος στο φορτίο. Τέλος αξιολογείται ο προτεινόμενος έλεγχος συγκριτικά με ντετερμινιστικό έλεγχο που έχει αναπτυχθεί στη βιβλιογραφία.

The scope of this thesis is the development of a dynamic model that simulates the operation of an autonomous hybrid renewable energy-based power system. The system employs a wind generator and photovoltaic arrays as main energy sources, while a fuel cell is included for supplying excess power demand. An ultra-capacitor bank is also implemented in order to cover rapid changes of both load demand and power supply due to changes in wind speed or solar radiation. Furthermore, an electrolyzer and a hydrogen storage tank are used in order to convert excess power generation into hydrogen. The system components are connected with a common DC bus and power flow is controlled by specially designed controllers. The subsystems are modeled with mathematical equations and their sizing is determined by an analytic methodology, which uses actual time data regarding wind speed, solar radiation and the daily load curve. Moreover, alternative topologies of hybrid systems are sized and evaluated based to their economical results. The control system is based on fuzzy logic. The control system not only on the supply-demand equilibrium, but also includes concerns of fuel cell long-term durability as well as actual constraints regarding electrolyzer operation and considerations of energy efficiency. The system performance is evaluated on long duration phenomena (24 hours). A particular control technique is proposed for power flow regulation ensuring both firm system performance and uninterrupted supply of load demand. Finally, the proposed control technique is evaluated in comparison with deterministic control technique that has been developed in references.