Οργάνωση βιβλιοθήκης μοντέλων για προσομοίωση ΣΗΕ με αιολική διείσδυση και σχεδίαση αδρανειακού ελεγκτή ανεμογεννητριών σε αυτόνομο σύστημα

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η οργάνωση βιβλιοθήκης μοντέλων και εγχειριδίου χρήσης για το λογισμικό πακέτο προσομοίωσης WHSSP (Wind-Hybrid System Simulation Package). Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα WHSSP αναπτύχθηκε σε περιβάλλον MATLAB/Simulink στο εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας του ΕΜΠ και θεωρείται κατάλληλο για δυναμικές προσομοιώσεις και μελέτες ευστάθειας διασυνδεδεμένων ή αυτόνομων δικτύων, στα οποία έχουν διεισδύσει μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής και ειδικότερα αιολικά πάρκα. Στην εργασία αυτή επιχειρείται η συστηματική καταγραφή των μοντέλων του WHSSP που έχουν ήδη αναπτυχθεί σε παλιότερες εργασίες ή αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα μοντέλα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών για τα οποία σχεδιάστηκε αδρανειακός ελεγκτής με βάση ένα πραγματικό αυτόνομο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που προσομοιώθηκε. Προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά των υπό μελέτη διατάξεων αλλά και του αυτόνομου συστήματος πραγματοποιούνται προσομοιώσεις σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Η κάθε διάταξη περιγράφεται από το αντίστοιχο μοντέλο που σχεδιάστηκε στο περιβάλλον του Simulink για τις μελέτες ευστάθειας, όπως αυτό παρουσιάζεται στη βιβλιοθήκη. Τα φορτία στους διάφορους ζυγούς θεωρούνται φορτία αγωγιμότητας εκτός από τον κινητήρα επαγωγής και τα δυναμικά αυτορυθμιζόμενα φορτία για τα οποία χρησιμοποιούνται τα αντίστοιχα μοντέλα της βιβλιοθήκης. Στο κομμάτι της εργασίας που μελετάται η συμπεριφορά των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών έλαβαν χώρα μια σειρά από δοκιμές. Έτσι προς εξαγωγή συμπερασμάτων διεξήχθησαν συγκριτικές δοκιμές με το επαγγελματικό πρόγραμμα PSS/E σε ένα ακτινικό σύστημα σύνδεσης αιολικού πάρκου σε άπειρος ζυγό. Επίσης έγινε σύγκριση με ένα λεπτομερές ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο που αναπαριστά ένα αιολικό πάρκο αποτελούμενο από ανεμογεννήτριες διπλής τροφοδότησης. Στη συνέχεια προσομοιώθηκε το αυτόνομο ηλεκτρικό σύστημα της Ρόδου, όπου έγινε ανάλυση δύο ενδεικτικών σεναρίων λειτουργίας για τη μελέτη της συμπεριφοράς του δικτύου και ιδιαίτερα της συχνότητας αυτού. Το ένα αφορά την περίπτωση μέγιστης παραγωγής από αιολικά πάρκα και το άλλο την περίπτωση μέγιστης αιολικής διείσδυσης ως ποσοστό επί του φορτίου του νησιού. Και στις δύο περιπτώσεις θεωρήθηκε ως διαταραχή του συστήματος η απώλεια μιας συμβατικής μονάδας παραγωγής. Επιπροσθέτως έγινε χρήση της ανάλυσης ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων του γραμμικοποιημένου συστήματος ώστε να μελετηθούν οι κρίσιμοι ρυθμοί απόκρισης που επηρεάζουν τη συμπεριφορά του. Στο πρώτο σενάριο λειτουργίας μελετάται κυρίως η επίδραση του ελέγχου τερματικής τάσης στις Α/Γ μεταβλητών στροφών στη διαμόρφωση της συχνότητας του συστήματος. Στο δεύτερο μελετούνται τρόποι αποφυγής ενεργοποίησης των ηλεκτρονόμων αποκοπής φορτίου λόγω υποσυχνότητας. Για το λόγο αυτό προτείνεται μία εναλλακτική κατανομή της παραγωγής από συμβατικές μονάδες. Τέλος σε χωριστό κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση του σχεδιασμού κατάλληλου αδρανειακού ελεγκτή στις Α/Γ μεταβλητών στροφών προς βελτίωση της απόκρισης της συχνότητας του συστήματος κατά τη μεταβατική βύθιση λόγω απώλειας παραγωγής.

The subject of this diploma thesis is the organization of a library of models and user manual for the simulation software tool WHSSP (Wind-Hybrid System Simulation Package). The educational software tool WHSSP was developed in the environment of MATLAB/Simulink in the Electrical Energy Systems Laboratory of NTUA and is considered suitable for dynamic simulations and stability studies of interconnected or autonomous networks, with penetration of dispersed generation and especially wind farms. In this thesis the systematic recording of WHSSP models that have already been developed in older projects or were developed in the present thesis is carried out. Particular emphasis is given to the models of variable speed wind generators, for which an inertial controller was designed and applied to a real autonomous power system that was simulated. In order to study the behavior of the studied units and the autonomous system simulations are carried out in the environment of MATLAB/Simulink. Each unit is described by the corresponding model that was designed in the environment of Simulink for stability studies. These units are presented in the model library that was developed. The loads of the system are considered as constant impendences except for the induction motor and the dynamically restorative loads, for which the corresponding models from the library are used. In the part of this thesis, where the behavior of variable speed wind generators is studied, various tests took place. Thus, in order to draw conclusions, comparative tests were carried out with the professional program PSS/E in a radial network of a wind park connected to an infinite bus. A comparison test with a detailed electromagnetic model, which represents a wind park with doubly-fed wind generators, was also carried out. Afterwards the autonomous power system of the island of Rhodes was simulated, where analysis of two indicative operation scenarios was conducted studying the behavior of the network and particularly of system frequency. The first scenario concerns the case of maximum generated power from wind farms and the second one corresponds to the case of maximum wind penetration as percentage of the total load of the island. In both cases, the loss of a conventional generating unit was considered as the critical disturbance. In addition, the analysis of eigenvalues and eigenvectors of the linearized system was used, in order to study the main modes of response that influence its behavior. What is mainly studied in the first operation scenario is the effect of the terminal voltage control of variable speed wind turbines on the system frequency regulation. In the second scenario, we study techniques to avoid the activation of underfrequency load shedding relays. For this reason, an alternative generation dispatch between conventional units is proposed. Finally, in a separate chapter, the analysis of designing a suitable inertial controller for the variable speed wind generators is conducted, in order to improve the system frequency response during the transient dip due to generation loss.