Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για ένταξή της σε μικροδίκτυα

Abstract

The present Ph.d thesis regards to the design and application of the control of the distributed generation (or microsource) so that distributed generation integrates into microgrids at the low voltage side. The design of the control has to achieve the following: 1) Meet the «plug and play» operation mode that implies that a microsource can be added to the microgrid without reengineering the central control and protection of units that are already part of the system. 2) The distributed generation that is a fuel cell system and a wind turbine in this case, have to provide active and reactive power support to the low voltage microgrid in cases of local load disturbances. 3) The distributed generation have to supply the whole demanded power in case of islanding mode of operation either because of a fault at the mean voltage side or because of an intentional disconnection e.g. maintenance work. 4) The transitioning from the interconnected mode to the islanded mode of operation and vice-versa has to be smooth. Due to the intense non linearity of the system, the control design is based on fuzzy logic. The results of this research regard not only to the theoretical design of the above systems via the simulation program Matlab/Simulink but also to the experimental affirmation of the results in the laboratory. Firstly, a fuel cell system combined with a battery bank forming a hybrid system is simulated and integrated into a weak distribution grid. The response of the control system is simulated firstly under a severe step load change under grid connected mode and secondly when a transitioning to islanded operation mode is caused by an upstream supply outage. Also, a study is made in order to ascertain the range of the efficiency of the proposed control for different types of distribution lines. The performance of the control revealed good in all cases. Secondly, the same hybrid system (of bigger nominal power though) and a wind turbine with doubly induction generator are integrated into a microgrid which is connected to a weak distribution grid via the simulation program. The control of the hybrid system remains the same due to the flexibility of fuzzy reasoning. The response of the control system is simulated firstly under a severe step load change under grid connected mode and secondly when a transitioning to islanded operation mode happens and vice-versa when a transitioning from islanded to interconnected operation mode occurs. Also, the transient response of the system is investigated in the cases when the battery bank is part of the microgrid and when it is eliminated. The performance of the control revealed good in all cases. The experimental setup includes a fuel cell system (Ballard& Nexa System) combined with a battery bank. In order to transfer parts of the designed control and integrate them into the experimental setup, the technology of the digital signal control via the digital signal processor (DSP) is exploited. The transfer of the control to the DSP is done through a software program at the minimum costs. The response of the real system is evaluated under a step load. The performance of the control revealed good in all cases.Through a large number of simulation and experimental results, the proposed control proves to meet the desirable requirements that already are mentioned. The proposed controller, also, prove to be particular flexible and practical in real systems. The latter remark makes the designed control suitable in real systems where the engineer tunes the local controller of each distributed generation easier due to fuzzy logic (easy engineering). It has to be reminded, also, that through the digital control technology, the integration of the control by the engineer is at minimum costs.

Η παρούσα διδακτορική εργασία αφορά στο σχεδιασμό και εφαρμογή ελέγχου σε κατανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να είναι δυνατή η ένταξή της σε μικροδίκτυα στο δίκτυο χαμηλής τάσης. O σχεδιασμός του ελέγχου αποσκοπεί: 1) Στην δυνατότητα σύνδεσης-αποσύνδεσης (Plug and play) της κατανεμημένης παραγωγής στο μικροδίκτυο χωρίς καμμία ιδιαίτερη παρέμβαση από κεντρικό έλεγχο. 2) Η κατανεμημένη παραγωγή, που περιλαμβάνει συστοιχία κυττάρων καυσίμου και ανεμογεννήτρια, πρέπει να παρέχει στήριξη ενεργού και άεργου ισχύος στο μικροδίκτυο διανομής όταν συμβαίνουν διαταραχές φορτίου. 3) Να τροφοδοτεί όλο το φορτίο σε κατάσταση νησιδοποίησης, στην οποία θα μπορεί να μεταβαίνει είτε λόγω σφάλματος στην μέση τάση είτε γιατί το μικροδίκτυο είναι επιθυμητό να λειτουργεί εσκεμμένα στην προαναφερθείσα κατάσταση. 4) Η μετάβαση από τη διασυνδεδεμένη κατάσταση του μικροδικτύου στη νησιδοποίηση και αντίστροφα να γίνεται με τον ομαλότερο δυνατό τρόπο. Λόγω της έντονης μη γραμμικότητας των υπό μελέτη συστημάτων, στο σχεδιασμό των συστημάτων ελέγχου εφαρμόζεται ασαφής λογική. Τα αποτελέσματα της έρευνας αφορούν τόσο τον θεωρητικό σχεδιασμό των παραπάνω συστημάτων με την βοήθεια προγράμματος εξομοίωσης (Matlab/Simulink) όσο και την πειραματική επιβεβαίωση των συμπερασμάτων στο εργαστήριο. Αρχικά, εξομοιώνεται μια συστοιχία κυττάρων καυσίμου συνδυασμένη με μια μπαταρία (υβριδικό σύστημα) και ενσωματώνεται σε ένα ασθενές δίκτυο διανομής. Ο έλεγχος δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου και για μετάβαση από την διασυνδεδεμένη σε νησιδοποιημένη κατάσταση προκειμένου να διαπιστωθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ελέγχου που αναφέρθηκαν. Επιπλέον, γίνεται μια διερεύνηση για το εύρος της αποτελεσματικότητας του ελέγχου για διαφορετικού τύπου γραμμών διανομής. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Στην συνέχεια, το ίδιο υβριδικό σύστημα (μεγαλύτερης όμως ισχύος) και μια ανεμογεννήτρια με γεννήτρια διπλής τροφοδότησης ενσωματώνονται σε ένα μικροδίκτυο που συνδέεται σε ασθενές δίκτυο διανομής στο πρόγραμμα εξομοίωσης. Ο έλεγχος του υβριδικού συστήματος δεν αλλάζει λόγω της ευελιξίας της ασαφούς λογικής. Ο έλεγχος των μικροπηγών δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου και για μετάβαση από την διασυνδεδεμένη σε νησιδοποιημένη κατάσταση και αντιστρόφως για μετάβαση από νησιδοποιημένη σε διασυνδεδεμένη κατάσταση. Επιπλέον, γίνεται μια διερεύνηση της δυναμικής απόκρισης του μικροδικτύου κατά την ύπαρξη μπαταρίας και κατά την απομάκρυνσή της από το μικροδίκτυο. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Για την πειραματική επιβεβαίωση, αξιοποιείται ένα σύστημα συστοιχίας κυττάρων καυσίμου (Ballard& Nexa System) συνδυασμένο με μια μπαταρία στο χώρο του εργαστηρίου. Εφαρμόζεται η τεχνολογία ψηφιακού ελέγχου σήματος μέσω ενός ψηφιακού επεξεργαστή σήματος (DSP). Έτσι, δίνεται η δυνατότητα σε τμήματα του ελέγχου που έχουν ήδη σχεδιαστεί να μεταφέρονται μέσω ειδικού λογισμικού στον επεξεργαστή και να ενσωματώνονται στην κατανεμημένη παραγωγή με ελάχιστο κόστος. Το πραγματικό σύστημα που δημιουργείται δοκιμάζεται για τοπικές μεταβολές φορτίου. Η συμπεριφορά του ελέγχου κρίνεται ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις. Μέσω εκτενών αποτελεσμάτων εξομοίωσης αλλά και πειραματικών, αποδεικνύεται πως ο προτεινόμενος έλεγχος συγκεντρώνει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν. Αποδεικνύεται, μάλιστα, ιδιαίτερα ευέλικτος και πρακτικός όχι μόνο σε θεωρητικές εφαρμογές αλλά και σε πραγματικά δεδομένα. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό αφού δίνει την δυνατότητα στον μηχανικό με ελάχιστο κόστος και με εύκολο χειρισμό λόγω της ασαφούς λογικής και του ψηφιακού επεξεργαστή να ελέγχει οποιαδήποτε κατανεμημένη παραγωγή (easy engineering) με ελάχιστες διορθωτικές κινήσεις.