Χρήση Αεροφυλακίου σε Αεριοστροβιλικές Μονάδες για Ρύθμιση Συχνότητας και Αποθήκευση Ενέργειας σε Ηλεκτρικά Συστήματα με Μεγάλη Αιολική Διείσδυση – Εφαρμογή στο Αυτόνομο Σύστημα της Ρόδου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της χρήσης αεροφυλακίου μικρής και μεγάλης κλίμακας σε αεριοστροβιλικές μονάδες, με στόχο τη ρύθμιση συχνότητας και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας αντίστοιχα, σε συστήματα με μεγάλη αιολική διείσδυση. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο αεροφυλακίου μικρής κλίμακας σε περιβάλλον Matlab/Simulink το οποίο ενσωματώθηκε στο μοντέλο μιας αεριοστροβιλικής μονάδας, με στόχο τη μεταβατική αύξηση της παραγόμενης ισχύος σε περιπτώσεις διαταραχών με την έγχυση πεπιεσμένου αέρα στο θάλαμο καύσης. Αφού περιγράφηκε το μοντέλο του αεριοστροβίλου με αεροφυλάκιο με διαφορικές εξισώσεις, συναρτήσεις μεταφοράς και μπλοκ διαγράμματα, αναλύθηκε ο τρόπος ελέγχου του αεροφυλακίου και εξηγήθηκε ο τρόπος υλοποίησής του στο περιβάλλον του Simulink. Ακολούθως, επιλέχθησαν οι κατάλληλες τιμές των παραμέτρων λειτουργίας και προσομοιώθηκε το σύστημα αεριοστρόβιλος-αεροφυλάκιο, θεωρώντας απομονωμένη λειτουργία γεννήτριας. Για το σκοπό αυτό θεωρήθηκαν διάφορες διαταραχές του ηλεκτρικού φορτίου, προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα της ένταξης του αεροφυλακίου στην αεριοστροβιλική μονάδα. Διαπιστώθηκε ότι το αεροφυλάκιο βελτιώνει σημαντικά την πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και συνεισφέρει στη διατήρηση της ευστάθειας, αυξάνοντας την ικανότητα παραγωγής ισχύος, βελτιώνοντας τη μεταβατική απόκριση του αεριοστροβίλου και προσφέροντας στρεφόμενη εφεδρεία στο σύστημα. Στη συνέχεια, αναπτύξαμε σε περιβάλλον Simulink του Matlab ένα μοντέλο συστήματος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας υπό μορφή πεπιεσμένου αέρα το οποίο συνδυάστηκε με το μοντέλο μιας αεριοστροβιλικής μονάδας (Gas-Turbine Compressed Air Energy Storage), κατάλληλο για μελέτες ευστάθειας. Αφού περιγράφηκαν οι διατάξεις ελέγχου του μοντέλου GT-CAES με συναρτήσεις μεταφοράς και μπλοκ διαγράμματα, έγινε αναφορά στον τρόπο υλοποίησής του στο Simulink. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην απόκριση του συστήματος σε περιπτώσεις διαταραχών του φορτίου ή της παραγωγής, και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο η αποθήκευση ενέργειας με πεπιεσμένο αέρα μπορεί να συνεισφέρει στην πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και στη διατήρηση της ευστάθειας. Στην πρώτη εφαρμογή το αεροφυλάκιο χρησιμεύει ως μέθοδος μεταβατικής αύξησης της παραγωγής ισχύος των αεριοστροβιλικών μονάδων σε περιπτώσεις διαταραχών, ενώ στη δεύτερη περίπτωση αποσκοπεί στην αποθήκευση μέρους της αιολικής ενέργειας σε συστήματα με αυξημένη αιολική διείσδυση. Τέλος, τα μοντέλα των δύο μονάδων που αναπτύχθηκαν ενσωματώνονται στο αυτόνομο σύστημα της Ρόδου, όπου θεωρείται αυξημένη διείσδυση αιολικής ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή, για διάφορα σενάρια παραγωγής-κατανάλωσης των συμβατικών μονάδων και των φορτίων αντίστοιχα. Ως διαταραχή επιλέχθηκε η απώλεια ενός σταθμού παραγωγής μια δεδομένη χρονική στιγμή. Η προσομοίωση του τροποποιημένου συστήματος της Ρόδου γίνεται με το λογισμικό πακέτο προσομοίωσης WHSSP (Wind-Hybrid System Simulation Package), το οποίο υλοποιείται σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Διαπιστώθηκε ότι με τη χρήση αεροφυλακίου ως μέθοδος μεταβατικής ενίσχυσης της παραγωγής του αεριοστροβίλου, αποφεύγονται οι αποκοπές φορτίων και βελτιώνεται σημαντικά η μεταβατική απόκριση του συστήματος της Ρόδου στην εξεταζόμενη διαταραχή. Στη συνέχεια εξετάστηκε η ένταξη στο σύστημα της Ρόδου του υβριδικού συστήματος GT-CAES σε συνθήκες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και προέκυψε ότι με τη χρήση του αεροφυλακίου μεγάλης κλίμακας επιτυγχάνεται ικανοποιητική απόκριση στην εξεταζόμενη διαταραχή, παρόμοια με αυτή μιας συμβατικής αεριοστροβιλικής μονάδας ίδιας ονομαστικής ισχύος, με σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές CO2. Ακολούθως, προσομοιώθηκε το αυτόνομο σύστημα της Ρόδου σε συνθήκες πολύ μεγάλης αιολικής διείσδυσης, με τη μονάδα GT-CAES να αποθηκεύει αιολική ενέργεια με την έγχυση πεπιεσμένου αέρα στο αεροφυλάκιο. Διαπιστώθηκε ότι η δυνατότητα απόρριψης του φορτίου του ανεξάρτητου συμπιεστή επιτυγχάνει τη διατήρηση της ευστάθειας του συστήματος και την αποφυγή αποκοπής φορτίων στην εξεταζόμενη διαταραχή, προσφέροντας τη δυνατότητα παράλληλα της πλήρους απορρόφησης της αιολικής ισχύος.

The scope of this diploma thesis is to study the integration of small-scale and large-scale air chambers into gas turbine units, for frequency regulation and energy storage respectively, in systems with high wind penetration. In particular, a small-scale air-chamber model was developed in the Simulink environment of Matlab which was incorporated into the model of a gas turbine unit, in order to increase the power output of the modified gas turbine unit in cases of electric system disturbances, by injecting additional compressed air into the combustion chamber. Having described the model of the gas turbine unit with air-chamber with differential equations, transfer functions and block diagrams, the control system of air-chamber was designed and implemented in Simulink environment. Subsequently, the appropriate values of operating parameters were chosen and the modified unit was simulated, considering generator autonomous operation. For this purpose, rapid load changes were assumed, in order to highlight the advantages of the air reservoir integration into the gas turbine unit. It is concluded that air-chamber significantly improves the primary frequency regulation and contributes to the maintenance of stability, increasing unit’s power capacity and providing system with extra spinning reserve. Following this, a system model for energy storage in the form of compressed air was developed in the Matlab Simulink environment, which was combined with the model of a gas turbine unit (Gas-Turbine Compressed Air Energy Storage), suitable for stability studies. Having described the control system and the operation of the GT-CAES model with transfer functions and block diagrams, reference was made about the way of its implementation in Simulink. This thesis focuses on system response to rapid load changes or generation failures, and examines how energy storage with compressed air may contribute to primary frequency regulation and maintain frequency stability. In the first application, the air-chamber serves as a transient gas turbine power increase method (power boost) in case of disturbances, while in the second case aims at wind energy storage in systems with increased wind penetration. Finally, the models of the two units developed were integrated into Rhodes autonomous system, assuming increased wind energy penetration, for different production-consumption scenarios of conventional units and loads respectively. The loss of a power plant was chosen as system disturbance. The simulation of the modified system of Rhodes is conducted by WHSSP software simulation package (Wind-Hybrid System Simulation Package), which is implemented in the environment of MATLAB/Simulink. It was found that using an air-chamber as a method for transient boost of the gas turbine power production, load shedding is avoided and transient response of the modified Rhodes system is significantly improved. Subsequently, the integration into the Rhodes electrical system of the hybrid GT-CAES unit, under conditions of electricity generation, was studied. It was shown that the use of large-scale air-chamber for power generation satisfactorily contributes to frequency regulation, with response similar to that of a conventional gas turbine unit of the same nominal power, with significantly lower fuel consumption and CO2 emissions. Finally, Rhodes electrical system was simulated under very high wind penetration conditions, using GT-CAES plant to store wind energy by injecting compressed air into the air chamber. It was found that the ability to disconnect the independent compressor motor, reinforces the stability of the system and prevents from load shedding for the examined disturbance, while offering the possibility of full absorption of wind power.