Μελέτη αρμονικών σε δίκτυα χαμηλής τάσης με υψηλή διείσδυση φωτοβολταϊκών

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα των αρμονικών σε δίκτυα χαμηλής τάσης στα οποία υπάρχει υψηλή διείσδυση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων. Σε πρώτη φάση διερευνάται ο μηχανισμός με τον οποίο γίνεται η εισαγωγή των αρμονικών στη τάση σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο λόγω του παραμορφωμένου ρεύματος που καταναλώνουν ή εγχύουν μη γραμμικές ηλεκτρικές διατάξεις. Παράλληλα, εξετάζονται τα προβλήματα που μπορούν να προκληθούν σε ένα δίκτυο του οποίου η τάση είναι “μολυσμένη” με αρμονικές, αλλά και οι τρόποι με τους οποίους αυτές περιορίζονται. Το πρόβλημα προσανατολίζεται σε συγκεκριμένες ηλεκτρικές διατάξεις οι οποίες αποτελούν βασική λειτουργική μονάδα των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων που συνδέονται στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Πρόκειται για τους αντιστροφείς, το παραγόμενο ρεύμα των οποίων έχει εκ των πραγμάτων αξιόλογη αρμονική παραμόρφωση. Στη συνέχεια, γίνεται μία αναθεώρηση των προτύπων ποιότητας ισχύος από την πλευρά των επιτρεπόμενων εκπομπών αρμονικών ρεύματος αλλά και των προδιαγραφών ποιότητας ισχύος (με έμφαση στις αρμονικές) που πρέπει να πληρεί ένα ηλεκτρικό δίκτυο. Στο επόμενο στάδιο, αναλύεται σε θεωρητικό επίπεδο ο μηχανισμός δημιουργίας αρμονικών στην τάση από πηγές αρμονικών ρεύματος σε δίκτυα χαμηλής τάσης. Τα πειράματα που διενεργούνται έχουν ως σκοπό τον εντοπισμό των παραμέτρων οι οποίες επηρεάζουν την ένταση των εκπεμπόμενων αρμονικών στον εργαστηριακό αντιστροφέα και για αυτό γίνονται καταγραφές των εκπεμπόμενων αρμονικών του σε διάφορες τιμές αποδιδόμενης ισχύος. Επίσης μελετώνται οι εκπομπές του με πειράματα τεχνητής παραμόρφωσης της τάσης στην οποία συνδέεται. Παράλληλα, διενεργούνται μετρήσεις αρμονικών σε συχνότητες μεγαλύτερες από αυτές που καλύπτουν τα πρότυπα emc (μεγαλύτερες από 2kHz). Τέλος, καταμετρώνται οι φασικές γωνίες των αρμονικών ρεύματος σε όμοιους αντιστροφείς και διερευνάται η σχέση μεταξύ των γωνιών ίδιων τάξεων. Στο τελικό στάδιο της εργασίας, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις σε Η/Υ με το λογισμικό PSCAD-EMTDC. Στα πλαίσια της μελέτης αρμονικών, μοντελοποιούνται δίκτυα χαμηλής τάσης (με έμφαση στα αγροτικά δίκτυα) στα οποία εισάγονται μοντέλα αρμονικών πηγών κατ' αντιστοιχία με την διείσδυση των φωτοβολταϊκών αντιστροφέων στα αντίστοιχα πραγματικά δίκτυα χαμηλής τάσης. Οι πηγές αρμονικών που επιστρατεύονται για τη μελέτη είναι, αρχικά πηγές ρεύματος με εκπομπή αρμονικών σταθερών πλατών και φασικών γωνιών, μετρημένες κυματομορφές πραγματικών αντιστροφέων και στο τέλος πλήρης μοντελοποίηση μονοφασικού αντιστροφέα. Οι προσομοιώσεις ορίζονται από ποικίλα σενάρια διαφορετικών χαρακτηριστικών (δικτύων, φορτίων και πηγών αρμονικών) με απώτερο σκοπό τόσο την εξαγωγή συμπερασμάτων για την ένταση του προβλήματος των αρμονικών, λόγω της διείσδυσης Φ/Β σε δίκτυα Χ.Τ., όσο και την εγκυρότητα των διαφορετικών μοντελοποιήσεων των πηγών αρμονικών.

In the current diploma thesis, it is examined the problem of harmonics in low voltage electrical networks with high penetration of photovoltaic systems. In the fist place it's investigated the mechanism of harmonic generation in the networks voltage due to the distorted current that a non linear electrical device consumes or injects. Furthermore, problems that can occur in a network whose voltage is “polluted” as long as ways of harmonic mitigation are addressed. The harmonic problem is studied for specific electrical devices which are the basic functional units of the photovoltaic gridconnected plants. These are the power inverters of which the output current is in fact remarkably distorted. Thereafter, the power quality standards are evaluated from the perspective of allowable harmonic current emission of an electrical device but also for the requirements (focusing on voltage harmonics) that an electrical grid must meet. In the next stage, a theoretical analysis is performed, regarding the harmonic voltage generation mechanism due to harmonic current sources in low voltage networks. The experiments which are conducted aim to the identification of the parameters that affect the intensity of the emitted current harmonics of the laboratory inverter and for this reason harmonic current emissions are measured in various values of its output power. Also, it is studied the inverter harmonic current emission by technically polluting (with voltage harmonics), the voltage that it is being connected. Still, harmonics at frequencies higher than the standards are covering (greater than 2kHz) are measured. Finally, the phase angles of current harmonics in inverters of the same type are measured and it is being investigated the relation between angles of the same order. In the final stage of the thesis, simulations are performed using the PSCAD-EMTDC software. In the context of a harmonic study, low voltage networks are modeled (emphasizing on rural networks) with harmonic sources in correspondence with the penetration of PV inverters in actual low voltage networks. The harmonic sources utilized for this study are, firstly Rigid harmonic sources (with fixed current harmonic amplitudes and phase angles), measured waveforms from actual inverters and finally a fully modeled singlephase inverter. The simulations are defined by a variety of scenarios with different characteristics (network loads and sources of harmonics) with the aim of drawing conclusions as to the intensity of the problem of harmonics due to the penetration of photovoltaic in LV networks, as long as the validity of different modeling of harmonic sources.