Συνεισφορά φωτοβολταϊκών πάρκων στη ρύθμιση συχνότητας: έμφαση σε ασθενή-αυτόνομα ηλεκτρικά δίκτυα

Abstract

Η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια. Η τάση αυτή αναμένεται να πάρει ακόμα μεγαλύτερες διαστάσεις τις επόμενες δεκαετίες. Μέχρι πρόσφατα οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν είχαν συμβολή στην ευστάθεια του δικτύου, όπως κάνουν οι συμβατικές μονάδες. Αυτό κρίθηκε αναγκαίο, καθώς σταδιακά με την αύξηση της παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η συνολική αξιοπιστία του συστήματος θα μειωνόταν. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αναμένεται να πρωταγωνιστήσουν στην ηλεκτροπαραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Έτσι στην παρούσα διπλωματική γίνεται μια προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της ευστάθειας της συχνότητας του δικτύου από τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Όπως ειπώθηκε το πρόβλημα αυτό προκύπτει από την σταδιακή απώλεια των συμβατικών μονάδων παραγωγής, τα οποία αποτελούνται από σύγχρονες μηχανές. Έτσι λοιπόν εισάγεται μια νέα στρατηγική ελέγχου των φωτοβολταϊκών συστημάτων, η οποία προσομοιώνει μερικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων μηχανών (καμπύλη στατισμού, αδρανειακή απόκριση). Αρχικά γίνεται μία προσέγγιση των χαρακτηριστικών των λεγόμενων «ασθενών δικτύων» (αυτόνομα δίκτυα, μικροδίκτυα, αγροτικά δίκτυα), στα οποία η μελέτη της ευστάθειας είναι ιδιαίτερης σημασίας. Στη συνέχεια ακολουθεί μία ανάλυση για το πως γίνεται η ρύθμιση συχνότητας στα ηλεκτρικά δίκτυα (καμπύλη ρύθμισης φορτίου συχνότητας, αδρανειακή απόκριση), καθώς και μία απαρίθμηση των κανόνων που επιβάλλονται στα ηλεκτρικά δίκτυα στο κομμάτι της συχνότητας. Στη συνέχεια δίνονται κάποιες μέθοδοι για το πώς μπορεί να εισαχθεί εικονική αδράνεια στο δίκτυο μέσω διάφορων μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας). Στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Συγκεκριμένα αναλύεται το μοντέλο του φωτοβολταϊκού πλαισίου που χρησιμοποιήθηκε, όπως επίσης αναφέρονται και διάφορες τεχνικές MPPT αλλά παρουσιάζεται και ένας αλγόριθμος που επιτρέπει την επιβολή ισχύος στο φωτοβολταϊκό σύστημα. Ακολουθεί η ανάλυση της προτεινόμενης φωτοβολταϊκής διάταξης, ώστε να συνεισφέρει στη ρύθμιση της συχνότητας. Πιο αναλυτικά παρουσιάζεται η δομή του φωτοβολταϊκού πάρκου, η μέθοδος εκτίμησης της μέγιστης ισχύος, η καμπύλη στατισμού και η αδρανειακή απόκριση που επιλέχθηκε αλλά και ο τρόπος που συνεργάζονται συνολικά. Επίσης παρουσιάζεται η συμπεριφορά της διάταξης σε ένα προφίλ συχνότητας με την φωτεινότητα σταθερή αλλά και μεταβαλλόμενη. Τέλος προσομοιώθηκαν τρία δίκτυα (ένα ασθενές, ένα ισχυρό και ένα αυτόνομο) ώστε να επιβεβαιωθεί η λειτουργία του προτεινόμενου φωτοβολταϊκού πάρκου με τα αποτελέσματα να είναι ενθαρρυντικά.

The penetration of renewable energy in power systems is increasing rapidly in recent years. This trend is expected to become bigger in the coming decades. Until recently, renewable energy sources were not contributing to grid stability, as conventional units do. This contribution was very critical, because in different case the system reliability would be reduced. Photovoltaic systems are expected to lead in power generation from renewable energy sources. So this thesis is addresses the problem of stability of the grid frequency through PV systems. As said the problem arises from the gradual loss of conventional generating units, which consist of synchronous machines. So, a new control strategy of PV systems is introduced, which simulates some features of synchronous machines (droop control, inertial response). Initially there is a brief survey of the so called "weak grids" (autonomous grids, microgrids, rural grids), in which the study of stability is of particular importance. Then follows an analysis of how frequency regulation in electrical networks (droop control, inertial response) is implemented, and a list of mainly grid codes imposed on electrical networks in the frequency domain. Next there are some methods on how to introduce virtual inertia on the electrical network through various dispersed production-storage units (wind turbines, PV systems, energy storage systems). Then the operation of photovoltaic systems is analyzed. Specifically we analyze the model of solar module used, also various MPPT techniques are mentioned but also we present an algorithm that allows the imposition of power in the PV system. In addition, there is an analysis of the proposed photovoltaic device, to help regulate the grid frequency. More specifically the structure of the solar park is showed, the method of maximum power estimation, the droop curve and the virtual inertial response chosen and the way they work overall. Also the PV park behavior to a frequency profile with constant and changing irradiation is presented. Finally three networks are simulated (a weak, a strong and an autonomous) to confirm the operation of the proposed photovoltaic park and the results are encouraging.