Ανάλυση αιολικού πάρκου ανεμογεννητριών με μηχανές διπλής τροφοδότησης διασυνδεδεμένων στο δίκτυο

Abstract

Η αυξανόμενη χρήση της αιολικής ενέργειας στη σημερινή εποχή σε συνδυασμό με τη ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών ανεμογεννητριών έχει προκαλέσει το έντονο ενδιαφέρον για τη βέλτιστη αξιοποίηση του ανέμου σε ευρύ φάσμα ταχυτήτων. Στο πλαίσιο αυτό, βασική απαίτηση των αιολικών συστημάτων αποτελεί η αδιάλλειπτη παροχή μέγιστης ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο ακόμα και σε συνθήκες διαταραχών. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη κατάλληλου μοντέλου για την ανάλυση και τον έλεγχο ασύγχρονης γεννήτριας διπλής τροφοδότησης, που είναι πλέον πολύ διαδεδομένη στα αιολικά συστήματα. Αρχικά, περιγράφονται τα επιμέρους υποσυστήματα της ανεμογεννήτριας που μελετήθηκε. Συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στο αεροδυναμικό μέρος, αναλύεται μαθηματικά η ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης και επεξηγείται η λειτουργία του back – to – back μετατροπέα με λεπτομερή ανάλυση των επιμέρους τμημάτων του. Στη συνέχεια, εξετάζεται το σύστημα ελέγχου και ο τρόπος λειτουργίας του. Στο σημείο αυτό, περιγράφεται η τεχνική του διανυσματικού ελέγχου και αναλύεται ο έλεγχος της ανεμογεννήτριας τόσο από την πλευρά του δρομέα όσο και από την πλευρά του δικτύου. Ακόμη, περιγράφεται η λειτουργία του συστήματος ανεύρεσης σημείου παροχής μέγιστης ισχύος με δεδομένη χαρακτηριστική καμπύλη. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά αιολικού πάρκου και μελετώνται διάφορες περιπτώσεις λειτουργίας ώστε να αξιολογηθεί η εναρμόνισή του με τις τεχνικές απαιτήσεις του διαχειριστή του ελληνικού συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό, προσομοιώνονται περιπτώσεις κανονικής λειτουργίας αλλά και διαταραχών στην πλευρά του δικτύου. Επιπλέον, συγκρίνονται οι αποκρίσεις του συστήματος της παρούσας εργασίας με εκείνες αντίστοιχου συστήματος της βιβλιογραφίας, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του προτεινόμενου μοντέλου. Τέλος, διερευνάται η επίπτωση στις αποκρίσεις του συστήματος ελέγχου με τυπικά κέρδη ανάδρασης ολοκληρωτικού σφάλματος με εκείνες που προκύπτουν μετά από βελτιστοποίησή τους με τη μέθοδο των Ziegler – Nichols.

The fast development of wind energy in the current era combined with the rapid improvement of wind turbine technology has attracted the interest to optimize their use in wide wind speed ranges. In this context, an essential requirement for wind turbine systems is the uninterrupted supply of maximum power to the grid even under fault conditions. The aim of this thesis is the development of appropriate simulation models for analysis and control of doubly fed asynchronous generators, which are now widely used in wind systems. In a first step, the subsystems of the studied wind turbines are described. More specifically, the aerodynamic part of a wind turbine is examined, the doubly fed asynchronous generator is analyzed and the operation of the back – to – back converter is explained while the constitutive parts are detailed. In a second step, the control and its operating characteristics are examined. At this point, the vector control technique is described while the control actions of the wind turbine are analyzed both at the rotor side and at the grid side. The maximum power point tracking system (MPPT) based on a specific optimum power-speed characteristic is also described. In the followings, a wind farm is simulated under various operating conditions in order to assess fulfillment of the technical requirements of the Greek system administrator. In this context, both normal operating conditions as well as fault cases at the grid side are examined. Moreover, the response results of the studied grid interconnected wind farm system are compared to the corresponding ones of a system found in the literature, in order to validate the proposed model accuracy. Finally, the impact on the controller efficiency is examined when tuning the PI feedback gains by using the Ziegler – Nichols optimization technique.