Σχεδίαση εξομοιωτή αδράνειας για ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών- Εφαρμογή στο αυτόνομο σύστημα της Ρόδου

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και σχεδίαση ενός εξομοιωτή αδράνειας για ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών. Η ανάγκη για σχεδίαση του εν λόγω σχήματος ελέγχου προέκυψε από τα προβλήματα που προκάλεσε στην ευστάθεια συχνότητας των αυτόνομων ΣΗΕ η αύξηση της αιολικής διείσδυσης. Για το σκοπό αυτό διεξάγονται προσομοιώσεις σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Η πλειοψηφία των προσομοιώσεων διεξάγονται χρησιμοποιώντας το εκπαιδευτικό πρόγραμμα WHSSP που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας του ΕΜΠ και είναι κατάλληλο για δυναμικές προσομοιώσεις και μελέτες ευστάθειας διασυνδεδεμένων ή αυτόνομων συστημάτων στα οποία έχουν διεισδύσει μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής και κυρίως αιολικά πάρκα. Στη βιβλιοθήκη του WHSSP περιλαμβάνονται τα δύο μοντέλα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών στα οποία εφαρμόζεται ο εξομοιωτής αδράνειας, καθώς και τα διάφορα μοντέλα των συνιστωσών ΣΗΕ τα οποία χρησιμοποιούνται σε αυτή την εργασία. Αρχικά, περιγράφεται η λειτουργία που πρέπει να τελεί ο εξομοιωτής αδράνεια και δίνονται τα χαρακτηριστικά του. Για την περιγραφή της αρχής σχεδίασης χρησιμοποιείται ένα απλοποιημένο μοντέλο ανάλυσης ευστάθειας συχνότητας. Η συγκεκριμένη αρχή σχεδίασης εφαρμόζεται στη συνέχεια σε δύο απλά συστήματα (αργό και γρήγορο σύστημα) αγνοώντας τη δυναμική συμπεριφορά της ανεμογεννήτριας. Στη συνέχεια, εισάγονται στα ίδια συστήματα τα δύο μοντέλα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών και εξετάζεται η επίδραση της δυναμικής συμπεριφοράς τους στο τελικό αποτέλεσμα. Προσομοιώνονται δύο διαφορετικά σημεία λειτουργίας για κάθε μοντέλο ανεμογεννήτριας (μερικό και ολικό φορτίο), ενώ προσδιορίζονται αλλαγές που πρέπει να γίνουν στις ρυθμίσεις τους ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη συνεργασία μεταξύ των διαφόρων σχημάτων ελέγχου κι εντέλει καλύτερο αποτέλεσμα. Τέλος, εξετάζεται η απόκριση της συχνότητας ενός αυτόνομου συστήματος που βασίζεται στα χαρακτηριστικά της Ρόδου μετά από μια μεγάλη διαταραχή. Συγκεκριμένα προσομοιώνονται δύο σενάρια με διαφορετική κατανομή παραγωγής και υψηλή αιολική διείσδυση. Η διαταραχή είναι η απώλεια της μεγαλύτερης μονάδας παραγωγής και για τα δύο σενάρια. Πρώτα, διαπιστώνεται η ανάγκη για συμμετοχή των ανεμογεννητριών στην αδρανειακή απόκριση του συστήματος. Στη συνέχεια, ο εξομοιωτής αδράνειας εφαρμόζεται και στα αιολικά πάρκα με ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών ώστε να εξεταστεί η επίδρασή του στο σύστημα. Επιπλέον, συγκρίνονται τα αποτελέσματα για επιλογή διαφορετικών τιμών για τις παραμέτρους του εξομοιωτή αδράνειας.

The subject of the present diploma thesis is the analysis and design of an inertia emulator for variable-speed wind turbines. The need for the designing of this control loop occurred due to the problems caused to frequency stability of autonomous power systems by the increase of wind energy penetration. For this purpose, simulations are carried out in MATLAB/Simulink environment. The majority of the simulations is carried out by using the simulation software WHSSP, which was developed in the Power Systems Laboratory of NTUA and is suitable for dynamic simulations and stability studies of interconnected or autonomous systems in which distributed generation units, mostly wind parks, have penetrated. The two variable-speed wind turbine models, on which the inertia emulator is applied, are included in the model library of WHSSP, as well as the various power system components that are used in this thesis. At first, the function of the inertia emulator and its characteristics are described. The design principle is presented using a simplified frequency stability analysis model. This design principle is then applied on two simple systems (fast and slow system) ignoring the dynamic behavior of wind turbine generators. Next, the two variable-speed wind turbine models are inserted in the same simple systems and the effect of their dynamic behavior on the final result is examined. Two different operation points are tested for each wind turbine (partial and full load) and changes to their control loop settings are determined in order to achieve better cooperation between the various control loops and, ultimately, better results. Finally, the frequency dynamics of the autonomous power system of the island of Rhodes after a large disturbance is simulated. More specifically, two scenarios of high wind penetration and different dispatch of system load among the conventional generator units are examined. The disturbance for both scenarios is the loss of the biggest conventional unit of the island. The need for the wind turbine generators to provide inertial response to the system is demonstrated. Then, the inertia emulator is applied on the wind parks with variable-speed wind turbines for both scenarios and its impact on the system response and frequency stability is examined. The results for two different selections of the inertia emulator parameters are compared.