Αντιμετώπιση φαινομένου ανύψωσης τάσης λόγω διείσδυσης φωτοβολταϊκών στη Χαμηλή Τάση

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το φαινόμενο της ανύψωσης τάσης λόγω της σύνδεσης φωτοβολταϊκών μονάδων παραγωγής στη Χαμηλή Τάση, και μελετώνται τρόποι αντιμετώπισης του φαινομένου αυτού. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιείται η μοντελοποίηση και η μελέτη δύο δικτύων αγροτικής περιοχής χαμηλής τάσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά γραμμών, και εκτελούνται προσομοιώσεις για διάφορα σενάρια φωτοβολταϊκής παραγωγής και οικιακών φορτίων. Αρχικά, αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/Β διατάξεων, και εξηγούνται συνοπτικά οι επιδράσεις των περιβαλλοντικών συνθηκών στη λειτουργία τους. Στη συνέχεια γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια του μικροδικτύου, και περιγράφονται οι συσκευές του μικροδικτύου στο εργαστήριο ΣΗΕ. Εξετάζονται οι επιπτώσεις της σύνδεσης φωτοβολταϊκών στη ΧΤ, και αναφέρονται οι προδιαγραφές της ΔΕΗ για την επίτευξη της σύνδεσης. Παρουσιάζονται τρόποι αντιμετώπισης της ανύψωσης τάσης, και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στη μέθοδο περικοπής ενεργού ισχύος (power curtailment), καθώς και στη μέθοδο ελέγχου της αέργου ισχύος (power factor control). Μελετάται η θεωρία της ροής φορτίου, καθώς και της ανάλυσης ευαισθησίας τάσης ως προς την ενεργό και άεργο ισχύ στους κόμβους του δικτύου. Εν συνεχεία, περιγράφεται ο εξομοιωτής πραγματικού χρόνου (RTDS), που θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την πραγματοποίηση προσομοιώσεων. Όσον αφορά τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν, αρχικά γίνεται μελέτη των δύο δικτύων με ανάλυση ροής φορτίου στο Matlab. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ο σχεδιασμός τους στο γραφικό περιβάλλον Simulink του Matlab, και λαμβάνονται αποτελέσματα για το επίπεδο της τάσης στους κόμβους για διάφορα σενάρια παραγωγής-κατανάλωσης. Επίσης, εφαρμόζονται οι δύο αναφερθέντες τρόποι αντιμετώπισης της ανύψωσης τάσης, είτε μεμονωμένα, είτε σε συνεργασία μεταξύ τους. Μελετάται η απόκριση των ελεγκτών τάσης που σχεδιάστηκαν σε μεταβατικές περιόδους. Πραγματοποιείται η μοντελοποίηση ενός Φ/Β πλαισίου και μιας διάταξης MPPT, και κατασκευάζεται μια συστοιχία συνδέοντας κατάλληλα τα παραπάνω πλαίσια. Χρησιμοποιώντας χρονοσειρές ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, υπολογίζεται η παραγωγή από τη Φ/Β συστοιχία στη διάρκεια μιας ημέρας. Γίνεται εισαγωγή της χρονοσειράς παραγωγής, καθώς και μιας χρονοσειράς οικιακού φορτίου στο δεύτερο δίκτυο ΧΤ, και καταγράφεται το προφίλ της τάσης και της ενεργού και αέργου ισχύος στους κόμβους, για διάφορα σενάρια χρήσης των ελεγκτών. Τέλος, πραγματοποιείται η μοντελοποίηση ενός δικτύου ΧΤ, καθώς και των ελεγκτών για τη ρύθμιση της τάσης στο RTDS. Εκτελούνται προσομοιώσεις για την καταγραφή της τάσης και της ενεργού και αέργου ισχύος, και πραγματοποιείται σύγκριση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα στο Simulink.

This diploma thesis examines the voltage rise phenomenon caused by the penetration of distributed photovoltaic generators to low voltage networks, and studies various methods to confront it. In this framework, we model and study two rural Low Voltage networks, with different line features, and we execute simulations for different scenarios of PV production and consumer load profiles. Initially, the basic characteristics of photovoltaic systems are mentioned, and the impacts of environmental conditions on their operation are briefly explained. We are introduced to the concept of microgrids, and the devices of the laboratory microgrid are described. We examine the impacts of PV connection to LV networks, and the specifications for this connection are mentioned. We present methods to mitigate voltage rise, and we emphasize on the active power curtailment method (apc), as well as the power factor control method (pfc). Power flow analysis, and first order voltage sensitivity analysis are discussed. Subsequently, we describe the real-time digital simulator (RTDS), which will be used to conduct experiments. Regarding the experimental part of this thesis, at first we study the aforementioned networks using the load flow analysis code in Matlab. Additionally, we design them in Simulink, and we present the results of the voltage levels at the connection nodes, by implementing various production-consumption scenarios. We implement apc, or pfc, or both methods in order to reduce voltage rise. The response of the network voltage and the designed controllers is observed at transient states. A PV module and an MPPT algorithm are modeled, while a PV array is constructed by connecting the above modules. We calculate the PV array power production during a day, using insolation and module temperature time series. A consumer load profile time series is selected, and both load and production time series are inserted in the second LV network. Both voltage levels and active and reactive power profiles at nodes are recorded. Finally, an LV network and both controllers are modeled for simulations in RTDS. Once more, voltage and active and reactive power profiles are recorded, while the results are compared to the ones resulting from Simulink simulations for the same network.