Διερεύνηση Της Λειτουργίας Αντιστροφέων Για Τη Διασύνδεση Διεσπαρμένων Μονάδων Παραγωγής Με Το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΜΔΠ) στα δίκτυα χαμηλής τάσης (ΧΤ). Το πρόβλημα αυτό αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που έχουν να αντιμετωπίσουν σήμερα οι Διαχειριστές των Δικτύων Διανομής και εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο των σημαντικών αλλαγών που έχουν εισαχθεί στους επιμέρους κώδικες δικτύων των μεγαλύτερων ενεργειακών αγορών παγκοσμίως, προκειμένου να αντιμετωπίσουν τα προβλήματα τα οποία προκύπτουν από την ένταξη των ΜΔΠ σε αυτά. Στο ίδιο πλαίσιο, ζητήματα όπως η συμπεριφορά των αντιστροφέων διασύνδεσης σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου, καθώς και οι αρχές σχεδιασμού που πρέπει να ενσωματώσουν οι διασυνδεδεμένες ΜΔΠ ώστε να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας σε σφάλμα (Fault Ride Through Capability, FRTC) έχουν προσελκύσει επίσης το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας.Όσον αφορά το ζήτημα της ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η αντιμετώπισή του στην υφιστάμενη βιβλιογραφία ήταν αρκετά ελλιπής. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι της διεθνούς βιβλιογραφίας δεν είναι συμβατές με τη μαζική διείσδυση των ΜΔΠ στα δίκτυα ΧΤ, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψιν σημαντικά ζητήματα τα οποία προκύπτουν από αυτήν την εξέλιξη. Συγκεκριμένα, ένας σημαντικός αριθμός μεθόδων δεν λαμβάνει υπόψιν τη σημαντική υπόβαθμιση της ποίοτητας της παραγωμένης ισχύος και τα σημαντικά προβλήματα flickering στην τάση στο ΣΚΣ τα οποία προκαλούνται σε περιπτώσεις ασθενών δικτύων ή σε περιπτώσεις υψηλής διείσδισης ΜΔΠ. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι ανίχνευσης φαίνεται να αγνοούν τεχνικούς περιορισμούς που εμποδίζουν την εφαρμογή τους στους αντιστροφείς διασύνδεσης των ΜΔΠ στα δίκτυα ΧΤ και δη στη σημαντική κατηγορία των μικροαντιστροφέων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι μικροαντιστροφείς με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης (οι οποίοι αποτελούν την πιο σημαντική κατηγορία της οικογένειας των μικροαντιστροφέων). Οι εν λόγω αντιστροφείς μπορούν να υλοποιήσουν – εξαιτίας της βαθμίδας μεταγωγής – μονάχα μεθόδους ανίχνευσης οι οποίες διαταράσσουν την ενεργό ισχύ της ΜΔΠ, δυσχεραίνοντας έτσι τη μαζική διείσδυση των ΜΔΠ στα δίκτυα χαμηλής τάσης. Προς την ίδια κατεύθυνση, επισημάνθηκε και η αδυναμία των υφιστάμενων προτύπων αξιολόγησης των μεθόδων αυτών, τα οποία έως σήμερα αξιολογούν τις μεθόδους ανίχνευσης βασιζόμενες σε διατάξεις δοκιμών με έναν μόνο αντιστροφέα διασύνδεσης, χωρίς να λαμβάνουν υπόψιν τις αλληλεπιδράσεις λόγω της σύνδεσης πολλαπλών ΜΔΠ στον ίδιο κόμβο. Τα παραπάνω στοιχεία αποτέλεσαν το βασικό κίνητρο ενασχόλησης της παρούσας διατριβής με το ζήτημα της ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης.Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η υφιστάμενη κατάσταση των μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης καθώς και τα σχετικά υφιστάμενα πρότυπα των σημαντικότερων διεθνών οργανισμών.Στη συνέχεια, προτάθηκε μία μέθοδος ανίχνευσης η οποία δεν διαταράσσει την ενεργό ισχύ της ΜΔΠ και δεν υποβαθμίζει την ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην έμμεση καταγραφή της εμπέδησης στην έξοδο του αντιστροφέα διά της έγχυσης κατάλληλα επιλεγμένης (ως προς την τάξη και το μέτρο) αρμονικής συνιστώσας ρεύματος.Προκειμένου να εφαρμοστεί η μέθοδος αυτή στη σημαντική κατηγορία των μικροαντιστροφέων με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης, προτάθηκε μία τεχνική η οποία επιτρέπει σε αρμονικές συνιστώσες ρεύματος να διοχετευθούν στο σημείο κοινής σύνδεσης (ΣΚΣ) ανεπηρέαστες από τον μεταγωγέα (unfolder) της εν λόγω τοπολογίας. Σημαντικό κομμάτι της παρούσας διατριβής αποτέλεσε και η εξαγωγή μίας γενικής μεθόδου μοντελοποίησης των εν λόγω αντιστροφέων, η οποία βασίζεται στο ισοζύγιο της στιγμιαίας ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, προέκυψε η ανάλυση της στιγμιαίας ισχύος του αντιστροφέα στο πεδίο της συχνότητας, η οποία επέτρεψε την απεμπλοκή της εγχεόμενης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος και της προκαλούμενης αρμονικής συνιστώσας τάσης. Η μεθοδολογία ανάλυσης της στιγμιαίας ισχύος έχει γενική ισχύ και επομένως είναι έγκυρη για οποιονδήποτε τύπο αντιστροφέα.Στη συνέχεια, προτάθηκε μία νέα ολοκληρωμένη μέθοδος ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η οποία βασίζεται στη λογική της έγχυσης κατάλληλης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος και παράλληλα είναι απολύτως συμβατή με τις συνήθεις πλατφόρμες μικροεπεξεργαστών των μικροαντιστροφέων. Τα πλεονεκτήματα της νέας μεθόδου – πέραν της υψηλής ποιότητας ισχύος και της μη διαταραχής της ενεργού ισχύος – είναι το μικρό υπολογιστικό κόστος, η υλοποίησή της σε επίπεδο λογισμικού (δεν απαιτεί τροποποιήσεις στο υλικό της διάταξης) και η απαίτηση μόνο ενός αισθητήρα τάσης στο σημείο διασύνδεσης (ο μετρητής αυτός παρέχεται σε όλους τους αντιστροφείς διασύνδεσης ΜΔΠ). Τούτο επιτεύχθηκε μέσω της ανάπτυξης ενός αλγορίθμου συσχέτισης της τάσης στο σημείο διασύνδεσης (ΣΚΣ) με ένα πρότυπο σήμα (ίδιας αρμονικής τάξης με αυτήν της εγχεόμενης αρμονικής συνιστώσας ρεύματος). Σε επόμενο βήμα, βελτιστοποιήθηκαν οι παράμετροι της νέας μεθόδου σε άμεση συνάρτηση με τα τεχνικά/λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου ΧΤ στο σημείο διασύνδεσης, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η περιοχή (ζώνη) εσφαλμένης ανίχνευσης.Σημαντικό τμήμα της διατριβής αποτελεί η ολοκληρωμένη συγκριτική μελέτη των τεχνικών ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, οι οποίες είναι κατάλληλες για τους μικροαντιστροφείς. Σε αυτό το πλαίσιο, αναδείχθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος στην παρούσα διατριβή υπερισχύει έναντι των υπολοίπων μεθόδων και σχημάτων έγχυσης αρμονικών συνιστωσών, καθιστώντας την ως την πλέον κατάλληλη για εφαρμογή υπό υψηλά ποσοστά διείσδυσης ΜΔΠ ή / και συνθήκες ασθενούς δικτύου. Επιπρόσθετα, σε αυτό το πλαίσιο σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε μία πρότυπη μεθοδολογία αξιολόγησης των τεχνικών ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η οποία είναι κατάλληλη για υψηλά ποσοστά διείσδυσης (ή για ασθενή δίκτυα). στηρίζεται δε, στην εξάλειψη της ΖΜΑ και στην αξιολόγηση της ΖΕΑ, με παραμέτρους το ποσοστό διείσδυσης και τις επιπτώσεις στην ποιότητα της εγχεόμενης ισχύος.Στο επόμενο βήμα, διερευνήθηκε η επίπτωση των πολλαπλών αντιστροφέων και προτάθηκε μία λύση για την αποτελεσματική εφαρμογή της νέας μεθόδου σε πολλαπλούς αντιστροφείς οι οποίοι διασυνδέονται στον ίδιο κόμβο. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης λύσης αποτελεί η απλότητα της εφαρμογής της (σύμφωνα με το πνεύμα των μικροαντιστροφέων), χωρίς να βασίζεται σε μέσα τηλεπικοινωνίας. Επιπρόσθετα, σε αυτό το πλαίσιο προτάθηκε ο δείκτης αναβάθμισης της εγκατάστασης (Upgrading Factor, UF) ως εργαλείο σχεδιασμού των εγκαταστάσεων ΜΔΠ και αξιολόγησης των εφαρμοζόμενων μεθόδων αντι-νησιδοποίησης. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λύσης αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης καιπειραματικών δοκιμών . Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι η προτεινόμενη λύση, σε συνδυασμό με τη μέθοδο αντι-νησιδοποίησης του Κεφαλαίου 6 αποτελούν μία εξαιρετικά αποτελεσματική και ολοκληρωμένη πρόταση για την αξιόπιστη προστασία των εγκαταστάσεων ΜΔΠ με πολλαπλούς μικροαντιστροφείς διασύνδεσης.Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοίωσης καθώς και πειραματικών αποτελεσμάτων επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.