Σχεδίαση συστήματος ελέγχου ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με δυνατότητα ρύθμισης τάσης και συχνότητας

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται ένα δυναμικό μοντέλο μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών ονομαστικής ισχύος 2 MW, με συμβατική σύγχρονη γεννήτρια . Η έξοδος της ανεμογεννήτριας συνδέεται με έναν τριφασικό ανορθωτή με διόδους . Ο ανορθωτής μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και συνδέεται με έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης ,όπου το διακοπτικό στοιχείο είναι ένα IGBT. Ο μετατροπέας αυτός εκτός από την ανύψωση της συνεχούς τάσης είναι υπεύθυνος για την ανεύρεση του σημείου μεγίστης ισχύος. Στη συνέχεια , συνδέεται ένας τριφασικός αντιστροφέας τύπου πηγής τάσης με IGBTs , ο οποίος αναλαμβάνει την έγχυση ενεργού και άεργου ισχύος προς το δίκτυο. Στον αντιστροφέα γίνεται χρήση της τεχνικής της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών για την εξάλειψη ανώτερων αρμονικών. Η απόκριση του μοντέλου εξετάστηκε στο περιβάλλον προσομοίωσης Simulink/MATLAB υπό ομαλές συνθήκες λειτουργίας αλλά και υπό διάφορες διαταραχές. Αρχικά , η ανεμογεννήτρια συνδέεται μέσω των μετατροπέων και μιας γραμμής μήκους τριάντα χιλιομέτρων υπό τάση 25kV με μία ιδανική πηγή τάσης 120kV , η οποία αναπαριστά το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Υπό αυτή τη συνδεσμολογία εξετάστηκε η απόκριση του μοντέλου σε βηματικές αλλά και τυχαίες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στη συνέχεια και αφού αναδείχθηκαν τα προβλήματα που παρουσιάζονται μετά από πτώση τάσης του δικτύου , σχεδιάστηκε σύστημα ελέγχου της άεργου ισχύος προσαρμοσμένο στον αντιστροφέα, με το οποίο καθορίζεται το ποσό αυτής που δύναται να προσφερθεί στο δίκτυο σε περίπτωση υπότασης. Το σύστημα αυτό σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να ελεγχθεί από τον διαχειριστή του εκάστοτε δικτύου ενώ έγινε και σχεδιασμός σύμφωνα με τον Γερμανικό κώδικα. Επίσης, σχεδιάστηκε σύστημα ελέγχου το οποίο καθορίζει την παραμονή ή μη της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο σε περιπτώσεις διαταραχών και περιλαμβάνει ένα φορτίο έκτακτης ανάγκης για την κατανάλωση της περίσσειας ισχύος που προκύπτει σε τέτοιες περιπτώσεις. Τέλος, σχεδιάστηκε σύστημα ελέγχου της συχνότητας του δικτύου προσαρμοσμένο στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης , με συνδυασμένο έλεγχο στατισμού και αδρανειακής απόκρισης βασισμένο σε υποδειγματική καμπύλη ισχύος – συχνότητας , αλλά και παραλλαγή αυτού βασισμένη στην πραγματική καμπύλη ισχύος – συχνότητας του Ιρλανδικού κώδικα. Η αποτελεσματικότητα του εξετάστηκε εκτός από το δίκτυο που αναπαριστάται με την ιδανική πηγή τάσης των 120kV , τόσο σε ένα δίκτυο αποτελούμενο από την ανεμογεννήτρια , μια σύγχρονη γεννήτρια και ένα φορτίο όσο και στο πραγματικό ηλεκτρικό δίκτυο της Κύθνου , όπου προσαρμόστηκε σε ανεμογεννήτρια ονομαστικής ισχύος 500 kW σε συνθήκες απότομης αύξησης της ζήτησης ισχύος.

In this thesis, a dynamic model for a variable speed wind turbine with a conventional synchronous generator is developed. The wind turbine is connected through a three-phase diode rectifier, a boost DC to DC converter and a three-phase voltage source inverter to the grid. The DC to DC converter ensures maximum power point tracking while the inverter controls the active and reactive power injected to the grid and uses sinusoidal pulse width modulation technique to eliminate higher harmonics. The model was developed in Simulink/MATLAB simulation environment and both normal operating conditions of the system and disturbances have been examined. Initially, the wind turbine is considered to be connected through the converters and a medium voltage line of thirty kilometers length to an ideal voltage source, representing the electricity grid.In this configuration the model’s response was examined under step changes of the wind speed and typical low and high wind speed variations. In addition the system has been simulated under voltage sags and a control system for the reactive power was designed enabling determination of the reactive power which may be injected to the network in such a case.The system is designed to permit reactive power control by the network administrator and an application according to the German code requirements has been performed. Furthermore, a control system was designed enabling determination of disturbance ride through of the wind turbine, includinga dump load for excess power consumption. Finally, a frequency control system was developed adapted to the boost converter, combining droop as well as inertia control, based on a typical power- frequency curve, and an application has been performed based on the active power- frequency curve foreseen by the Irish code.The proposed methodology has been applied in the case of the system considering an ideal voltage source, to a typical network consisted of a wind turbine, a conventional generator and a load and to the electric grid of Kythnos,considering a 500 kW wind turbine under sudden increase of power demand.