Ανάπτυξη, μοντελοποίηση συστήματος ηλεκτροπαραγωγής (αιολικό-ντήζελ) και έλεγχος του με στατικό σύστημα αντιστάθμισης αέργου ισχύος

Abstract

Ας σημειωθεί ότι η πρώτη επαφή με το γενικότερο αντικείμενο της αιολικής ενέργειας έγινε στη βάση της τεχνοοικονομικής αποτίμησης της βιωσιμότητας της πιθανής εγκατάστασης Α/Γ στο χώρο της Θράκης από την οποία προέκυψαν οι επιστημονικές εργασίες [74], [75], [76]. Το κύριο αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η διερεύνηση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς και η βελτίωσή της σε σχέση με δύο πρακτικά συστήματα ισχύος που περιλαμβάνουν και Α/Γ. Δηλαδή Ενός παραδοσιακού συστήματος ηλεκτροπαραγωγής αποτελούμενου από Αυτόνομο Σταθμό Παραγωγής (ΑΣΠ) και Αιολικό Πάρκο (Α.Π.), και του εξελισσόμενου συστήματος ηλεκτροπαραγωγής που περιλαμβάνει τη διασύνδεση του ηλεκτρικού δικτύου μίας Νήσου με αυτό του Ηπειρωτικού δικτύου μέσω υποβρυχίου καλωδίου. Για τη Νήσο Σαμοθράκη υπάρχει προγραμματισμός για εγκατάσταση ενός Α.Π. συνολικής ισχύος 7.2 MVA (9 x 835 kVA). Και για τα δύο αυτά συστήματα επιδιώκεται η βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς τους με την εγκατάσταση και τη λειτουργία στατικών συστημάτων αντιστάθμισης αέργου ισχύος (Static Var Compensators, SVC). Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας απ’ όπου διαπιστώνεται ότι υπάρχει ένα μικρό κενό όσον αφορά την εξαγωγή κατάλληλων γραμμικών μαθηματικών μοντέλων για το SVC και τη χρησιμοποίησή τους για τον υπολογισμό κατάλληλων ελεγκτών (π.χ. PID controllers με κυκλώματα υστέρησης-προήγησης) που θα μπορούν να συμβάλλουν στη βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς των υπό διερεύνηση συστημάτων. Αυτό το κενό επιδιώκει να καλύψει η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζοντας το ενδιαφέρον της στην εξαγωγή χρήσιμων γραμμικών μαθηματικών μοντέλων για το SVC (με τεχνικές αναγνώρισης συστημάτων, System Identification Methods) τα οποία περιγράφουν τη συμπεριφορά του σε μεγάλες διαταραχές και συνεπώς είναι πιο ελκυστικά στη χρησιμοποίησή τους για τον υπολογισμό κατάλληλων ελεγκτών, σε σχέση με υπάρχοντα στη βιβλιογραφία γραμμικά μαθηματικά μοντέλα του SVC τα οποία περιγράφουν τη συμπεριφορά του γύρω από μία μικρομεταβολή. Στο Κεφάλαιο 2 δίνονται οι κατάλληλες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τη μαθηματική μοντελοποίηση των υπό διερεύνηση συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 3 αναπτύσσεται η μεθοδολογία με την οποία γίνεται η εξαγωγή γραμμικών μαθηματικών μοντέλων για το SVC και αναπτύσσονται τρία γραμμικά μαθηματικά μοντέλα. Ένα γραμμικό μαθηματικό μοντέλο για το SVC (16ης τάξης) για την περίπτωση του συστήματος του Κεφαλαίου 4, η ανάπτυξη του οποίου βασίζεται στη διαταραχή της επαγωγικής αγωγιμότητας του SVC, και δύο γραμμικά μοντέλα για την περίπτωση του συστήματος του Κεφαλαίου 5. Η εξαγωγή του πρώτου γραμμικού μαθηματικού μοντέλου για το SVC (16ης τάξης) του υπό διερεύνηση συστήματος του Κεφαλαίου 5, βασίζεται στη διαταραχή της τάσης στα άκρα του με την εφαρμογή κατάλληλων στατικών φορτίων. Το εξαγόμενο αυτό γραμμικό μαθηματικό μοντέλο διαπιστώθηκε ότι είναι κατάλληλο για την περιγραφή της συμπεριφοράς του SVC για περιορισμένο εύρος διαταραχών (που προκύπτουν είτε με την επιβολή συμμετρικών τριφασικών σφαλμάτων, είτε με την επιβολή στατικών φορτίων) και χρήζει περαιτέρω βελτίωσης γι’ αυτό και δεν χρησιμοποιείται στον υπολογισμό των ελεγκτών PID. Το δεύτερο γραμμικό μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε για το SVC (18ης τάξης) του υπό διερεύνηση συστήματος του Κεφαλαίου 5, βασίζεται στη διαταραχή της επαγωγικής αγωγιμότητας του SVC, και όπως αποδείχθηκε όπως και στην περίπτωση του γραμμικού μαθηματικού μοντέλου SVC για την περίπτωση του συστήματος του Κεφαλαίου 4 είναι κατάλληλο για μεγάλο εύρος διαταραχών γι’ αυτό και χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό κατάλληλων ελεγκτών με ευεργετικά αποτελέσματα όπως αποδεικνύεται από τη μελέτη της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς των υπό διερεύνηση συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται η μεθοδολογία με την οποία γίνεται ο υπολογισμός του κατάλληλου μεγέθους SVC και η επιλογή των παραμέτρων του ρυθμιστή τάσης του, για τη βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς του υπό διερεύνηση συστήματος ηλεκτροπαραγωγής που είναι ο παραδοσιακός Αυτόνομος Σταθμός Παραγωγής Ντήζελ (ο οποίος παραμένει σε εφεδρεία μετά την πόντιση του υποβρυχίου καλωδίου το έτος 2000) με το υφιστάμενο Α.Π. (4 x 55 kW) της Νήσου Σαμοθράκης. Η επίδραση του SVC είναι σημαντική για την επιβολή συμμετρικών τριφασικών σφαλμάτων διάρκειας πέντε κύκλων κοντά στο ζυγό του Α.Π., για φορτία της τάξεως 400 έως 600 kW. Για μεγαλύτερα φορτία 750 έως 1500 kW η περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος επιδιώκεται με την εισαγωγή ενός PID ελεγκτή με δύο βαθμίδες αντιστάθμισης (υστέρησης-προήγησης) ο οποίος ανατροφοδοτεί το σήμα της μεταβολής της ταχύτητας (Δω) μίας εκ των Α/Γ του Α.Π. στο ρυθμιστή τάσης του SVC και σχεδιάζονται δύο τέτοιοι ελεγκτές. Ο πρώτος βασίστηκε στο 4ης τάξης γραμμικό μοντέλο SVC για μικρο-μεταβολές το οποίο υιοθετήθηκε από τη βιβλιογραφία και ο δεύτερος βασίστηκε στο 16ης τάξης γραμμικό μοντέλο SVC που προέκυψε από της διαταραχή της επαγωγικής αγωγιμότητάς του. Τα αποτελέσματα της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς των μεταβλητών του συστήματος δείχνουν περαιτέρω βελτίωση, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιείται ο PID ελεγκτής που βασίστηκε στο 16ης τάξης γραμμικό μοντέλο SVC. Άλλες διαταραχές που εξετάζονται είναι η αποσύνδεση των Α/Γ του Α.Π. και η μεταβολή της ισχύος των Α/Γ του Α.Π. από 0 έως 100% της ονομαστικής τους ισχύος. Στο Κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται η μεθοδολογία με την οποία γίνεται ο υπολογισμός του κατάλληλου μεγέθους SVC και η επιλογή των παραμέτρων του ρυθμιστή τάσης του, για τη βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς του υπό διερεύνηση συστήματος ηλεκτροπαραγωγής που είναι η διασύνδεση του ηλεκτρικού δικτύου της Νήσου Σαμοθράκης με την Ηπειρωτική περιοχή της Θράκης μέσω του υποβρυχίου καλωδίου και η εγκατάσταση του μελλοντικού Α.Π. των 7.2 MVA στο Νησί. Σκοπός του SVC είναι η ενίσχυση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς των Α/Γ του Α.Π. ώστε ο χρόνος αναίρεσης της επιβολής συμμετρικών τριφασικών σφαλμάτων τόσο σε ζυγούς του Ηπειρωτικού δικτύου όσο και σε ζυγούς κοντά στο Α.Π. να ανέλθει στα 100 ms ώστε οι Α/Γ να μη χάνουν την παράλληλη λειτουργία τους με το δίκτυο. Στην αντίθετη περίπτωση οι δρομείς τους υπερταχύνονται και βγαίνουν εκτός λειτουργίας. Μία περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος επιδιώκεται με τη σχεδίαση ενός PID ελεγκτή με δύο βαθμίδες αντιστάθμισης (υστέρησης-προήγησης) ο οποίος ανατροφοδοτεί το σήμα της μεταβολής της ταχύτητας (Δω) μίας εκ των Α/Γ του Α.Π. στο ρυθμιστή τάσης του SVC, που βασίστηκε στο 4ης τάξης γραμμικό μοντέλο SVC για μικρό-μεταβολές το οποίο υιοθετήθηκε από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπάρχει περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής/μεταβατικής συμπεριφοράς της ταχύτητας των Α/Γ του Α.Π. εις βάρος όμως της συμπεριφοράς των τάσεων σε κρίσιμους ζυγούς του συστήματος. Η σχεδίαση ενός δεύτερου PID ελεγκτή με δύο βαθμίδες αντιστάθμισης (υστέρησης-προήγησης) που βασίστηκε στο 18ης τάξης γραμμικό μοντέλο που εξάχθηκε για το SVC έδωσε πιο ικανοποιητική συμπεριφορά των τάσεων σε κρίσιμους ζυγούς του συστήματος. Ένας άλλος παράγοντας που εξετάστηκε είναι τα όρια του περιορισμού του σήματος ανατροφοδότησης της ταχύτητας μίας εκ των Α/Γ του Α.Π. (Δω) στο ρυθμιστή τάσης του SVC. Ο περιορισμός του έχει ευεργετικά αποτελέσματα στην επίδραση της συμπεριφοράς των τάσεων του συστήματος αλλά σε κάθε περίπτωση το γραμμικό μοντέλο 18ης τάξης του SVC είναι προσφορότερο για τη σχεδίαση κατάλληλων ελεγκτών . Άλλες διαταραχές που εξετάζονται είναι η αποσύνδεση ενός αριθμού των Α/Γ του Α.Π. και η μεταβολή της ισχύος των Α/Γ του Α.Π. από 0 έως 100% της ονομαστικής τους ισχύος. Στο Κεφάλαιο 6 δίνονται τα συμπεράσματα και οι προτάσεις για την περαιτέρω συνέχιση της έρευνας στη συγκεκριμένη ερευνητική περιοχή. Τέλος στα σχετικά Παραρτήματα δίνονται τα σχετικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη μαθηματική μοντελοποίηση-προσομοίωση των υπό διερεύνηση συστημάτων και οι Πίνακες των ιδιοτιμών βάσει των οποίων έγιναν οι σχεδιασμοί των σχετικών ελεγκτών.