Ανάπτυξη δυναμικού θερμικού μοντέλου μετασχηματιστή διανομής για την ανάλυση της επίδρασης της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων στη διάρκεια ζωής τους

Abstract

Οι μετασχηματιστές αποτελούν ένα από τα βασικότερα στοιχεία των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, αφού κατέχουν κυρίαρχο ρόλο τόσο στη μεταφορά όσο και στη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η συνεχής ανάπτυξη της διεσπαρμένης παραγωγής και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την κάλυψη των ανθρώπινων αναγκών αναμένεται να αλλάξουν σημαντικά τη μορφή του τροφοδοτούμενου φορτίου. Τα δίκτυα διανομής πρέπει να ανταπεξέλθουν σε νέες απαιτήσεις ως προς τον έλεγχο του φορτίου, με την εφαρμογή ευέλικτων δομών και πρωτότυπων τεχνικών ελέγχου. Η κλιματική αλλαγή, οι ανησυχίες για τις προμήθειες ορυκτών καυσίμων παγκοσμίως, αλλά και οι αυξημένες ενεργειακές ανάγκες έχουν οδηγήσει τα τελευταία χρόνια στην έντονη ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης. Με τη διείσδυση όμως των ηλεκτρικών οχημάτων η μορφή του φορτίου μπορεί να αλλάξει σημαντικά. Η αλλαγή αυτή μπορεί να επιφέρει πολύ αρνητικά αποτελέσματα στη διάρκεια ζωής των μετασχηματιστών του δικτύου διανομής. Είναι σημαντικό επομένως να αναπτυχθούν συστήματα ελέγχου της φόρτισης των οχημάτων. Για την επιλογή του βέλτιστου τρόπου φόρτισης των οχημάτων στο δίκτυο πρέπει να εξετασθεί, μεταξύ άλλων, και το πώς επιδρά η φόρτιση αυτή στη λειτουργία και στη διάρκεια ζωής των μετασχηματιστών. Για την επιλογή του καταλληλότερου τρόπου φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων, όσον αφορά στην επίδρασή του στους μετασχηματιστές του δικτύου διανομής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μοντέλο υπολογισμού της θερμικής συμπεριφοράς του μετασχηματιστή. Το θερμικό μοντέλο του μετασχηματιστή είναι ένα εργαλείο για την παρακολούθηση και αξιολόγηση των μετασχηματιστών του Δικτύου Διανομής, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντικαταστήσει χρονοβόρες και δαπανηρές μετρήσεις. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός δυναμικού θερμικού μοντέλου του μετασχηματιστή. Από το μοντέλο αυτό υπολογίζουμε θερμοκρασίες, που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του μετασχηματιστή και επιδρούν άμεσα στη διάρκεια ζωής αυτού. Επίσης, με τη χρήση του θερμικού μοντέλου εξετάστηκε η θερμική συμπεριφορά μετασχηματιστών για τη λειτουργία τους υπό δεδομένη ζήτηση και θερμοκρασία περιβάλλοντος και αξιολογήθηκαν οι παράγοντες, που επιδρούν στη διάρκεια ζωής ενός μετασχηματιστή. Τα φορτία, τα οποία εφαρμόστηκαν στο θερμικό μοντέλο και αξιολογήθηκαν μέσω του μοντέλου αυτού, πρoέκυψαν από έναν αλγόριθμο προγραμματισμού της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων, με στόχο την αξιολόγηση διαφορετικών σεναρίων φόρτισης αυτών. Με τον τρόπο αυτό, διερευνήθηκε η επίδραση διαφορετικών μεθόδων φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων στους μετασχηματιστές. Για την ανάπτυξη του θερμικού μοντέλου του μετασχηματιστή χρησιμοποιήθηκε το προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB.

Transformers constitute one of the main elements of energy distribution systems, since they have predominant role in energy transmission and distribution. The continuous development of distributed generation and renewable energy resources, in order to cover energy needs, is expected to change drastically the load witch the energy distribution systems have to serve. Distribution grids have to cope with new requirements, as far as load control is concerned, with the application of flexible structures and prototype control techniques.

Climate change, concerns over supplies of fossil fuels worldwide, as well as, increasing energy needs, have led in recent years, in strong development of electromobility. With the penetration of electric vehicles, however, the form of the load can be changed significantly. This change can lead to very negative results oven the life of the distribution transformers. It is therefore important to develop control systems of the vehicles loading. In order to choose the optimal way of charging the vehicles from the network, it must be considered, among other aspects, the affect of the charging on the operation and on the length of life of the transformers.

In order to select the most suitable way of charging of the electric vehicles, as far as its impact on distribution transformers is concerned, a model which calculates the transformers thermal performance can be used. Transformer thermal model is a tool for condition monitoring and assessment of distribution transformers which can be used in order to replace expensive and time-consuming measurements.

The purpose of this thesis is the development of the transformer’s dynamic thermal model. With the use of this model we can calculate temperatures developed inside the transformer, which directly affect the length of transformers life. In this way, the thermal performance of the transformer was tested, for operation under a given demand and ambient temperature. Also the factors affecting the life of a transformer were evaluated. The loads applied on the thermal model and which were evaluated, derived from an algorithm for schedule of electric vehicles loading in order to assess different scenarios of their charge. In this way, we examined the affect on the transformers from electric vehicles charging. For the development of the transformers thermal model MATLAB programming environment was used.