Μέθοδοι αποκεντρωμένου ελέγχου μικροδικτύου με ΑΠΕ για τη βελτίωση της λειτουργίας σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση

Abstract

The operation of modern distribution grids has changed due to the high integration ofDistributed Energy Sources (DER). For this reason, quantities of DERs, energy storagesystems (ESS) and loads form subsystems, called microgrids. The microgrids can operateboth grid-connected and isolated in island mode. As the majority of DERs are connectedto microgrid through DC/AC or AC/DC/AC converters, the operation of the microgrid canbe controlled by developing the proper control strategies for these converters.The operation of the microgrid can be divided in several control levels. The primarylevel aims mainly in the steady state operation. In order to avoid communicationinterconnections among the DERs or among the DERs and a central controller, the droopcontrol methodology is mainly adopted. According to this method, each DER injects activeand reactive power, forming the frequency and the voltage of each node, with respect topermissible limits. This operation emulates the parallel operation of synchronousgenerators. However, the different R/X ratio of the connection lines affects the reactivepower sharing. For overcoming this problem, the virtual impedance control is added,which decouples the active and the reactive power. This dissertation proposes theadaptation of the virtual impedance, according to the power factor each DER operates.The power factor should be above 0.8. Therefore, the reactive power does not relyanymore on the impedance of the connection line.Furthermore, in order to enhance the reliable islanded operation of the microgrid, theDERs perform ancillary services, such as feeding of non-linear and asymmetrical loads.Therefore, the converters incorporate the active filter operation, in order to reduce theharmonic distortion and asymmetry of the voltage. A new control strategy is proposed,which transforms the harmonic voltage and the current in dq0 rotating frame, byimplementing the Park transformation. The advantage of the proposed control strategylies on using constant values, which are not affected by the normal frequency variations.Another issue is the cooperation of the microgrid with an Energy Storage System (ESS).The ESS is strategically placed at the Point of Common Coupling (PCC) with the main grid,controlling the connection switch and performing the following services: absorption ofany mismatches between the power production and consumption, detection of the maingrid, synchronization process of the microgrid with the main gird and loss reduction ingrid-connected mode. Contrary to the literature, the proposed strategy does not rely onany kind of physical communication, but only on local measurements. In order to performthis task, the converter of ESS adjusts the microgrid frequency and voltage at the PCC andthe synchronization takes place with seamless transient effects. Moreover, when the gridis connected, the ESS measures the reactive power exchange with the grid and injects a7th harmonic zero-sequence voltage. This voltage is identified by each DER, which in turnadjust their reactive power according to a proposed curve. Due to the load reactive powerfulfillment from the DERs, the reactive currents along the distribution lines are reduced,leading to a loss reduction, too. This dissertation deals with the protection issue of a looped islanded converterdominatedmicrogrid, which is protected by conventional overcurrent devices. In case ofa fault within the microgrid, the microgrid impedance is suddenly reduced, causing thefault detection. In order to calculate the microgrid impedance, the control angle is slightlydistorted, causing a respective distortion in the injected current. The feedback of thedistorted current can be identified in the voltage, calculating in this way the microgridimpedance at the output of each DER. Consequently, each DER injects a fault currentproportional to the measured impedance, following a proposed droop curve. The faultclearing is implemented in a selective way, as the DERs closer to the fault inject largercurrents, compared with the other DERs. Therefore, the microgrid can be protected withconventional overcurrent devices, without any further communication.Finally, a control strategy for loss reduction in island operation mode is also developed.This method utilizes the droop control with adaptive droop coefficients, according to themeasured microgrid impedance. The DERs closer to the loads inject larger currents, whilethe far ones smaller currents, leading to line loss reduction. The proposed methodologycan be implemented in every microgrid topology, irrespective of the location of the DERsand loads. Furthermore, a virtual impedance control is not necessary, as the impact of thedifferent line impedances is inherently adopted in the adaptive droop coefficients.

Η ραγδαία ενσωμάτωση των Διανεμημένων Πηγών Ενέργειας (ΔΠΕ) έχει οδηγήσει στην αλλαγή της φιλοσοφίας για τη λειτουργία του δικτύου. Για το λόγο αυτό, οντότητες αποτελούμενες από ΔΠΕ, συστήματα αποθήκευσης και φορτία σχηματίζουν επιμέρους υποδίκτυα, τα οποία ονομάζονται μικροδίκτυα. Τα μικροδίκτυα μπορούν να λειτουργήσουν είτε σε συνεργασία με το κυρίως δίκτυο σε διασυνδεμένη κατάσταση λειτουργίας, είτε αυτόνομα σε νησιδοποιημένη κατάσταση. Επειδή οι περισσότερες ΔΠΕ συνδέονται στο μικροδίκτυο μέσω DC/AC ή AC/DC/AC μετατροπέων, ο έλεγχος του μικροδικτύου μπορεί να επιτευχθεί μέσω της ανάπτυξης κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου των μετατροπέων τους.Η λειτουργία του μικροδικτύου χωρίζεται σε επιμέρους επίπεδα ελέγχου. Tο πρωτεύον επίπεδο στοχεύει κυρίως στην ορθή λειτουργία του μικροδικτύου σε μόνιμη κατάσταση. Προκειμένου να αποφευχθεί η χρήση συστημάτων επικοινωνίας ανάμεσα στις ΔΠΕ ή ανάμεσα στις ΔΠΕ και κάποιου κεντρικού συστήματος ελέγχου, προτείνεται η μέθοδος των στατικών χαρακτηριστικών. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, κάθε μετατροπέας εγχέει ενεργό και άεργο ισχύ προκείμενου η συχνότητα και η τάση του μικροδικτύου να βρίσκεται εντός των προκαθορισμένων ορίων, προσομοιώνοντας τη λειτουργία των παράλληλων σύγχρονων γεννητριών. Ωστόσο, οι γραμμές σύνδεσης των ΔΠΕ ενδέχεται να έχουν διαφορετικό λόγο R/X, επηρεάζοντας σημαντικά την κατανομήτης άεργου ισχύος, με αποτέλεσμα να υπάρχουν κυκλοφορούντα ρεύματα άεργου ισχύος εντός του μικροδικτύου. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, προτείνεται η προσθήκη μιας εικονικής σύνθετης αντίστασης, η οποία θα απομπλέκει την επίδραση των μεταβολών της ενεργού ισχύος στην κατανομή της άεργου ισχύος, με αποτέλεσμα τη μείωση των κυκλοφορούντων ρευμάτων. Στην παρούσα διατριβή, προτείνεται η χρήση επαγωγικής εικονικής σύνθετης αντίστασης με αναπροσαρμοζόμενη τιμή βάσει του συντελεστή ισχύος των μετατροπέων, ο οποίος δε θα πρέπει να είναι μικρότερος από 0.8. Επομένως, όλοι οι μετατροπείς κατανέμουν την άεργο ισχύ ανεξάρτητα από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των γραμμών σύνδεσης.Παράλληλα, για την βελτίωση της αξιόπιστης λειτουργίας του μικροδικτύου σε κατάσταση νησιδοποιημένης λειτουργίας, οι ΔΠΕ αναλαμβάνουν επιπρόσθετους βοηθητικούς ρόλους. Οι βοηθητικοί ρόλοι περιλαμβάνουν την τροφοδότηση μη γραμμικών και ασύμμετρων φορτίων. Έτσι, οι μετατροπείς αναλαμβάνουν ρόλο ενεργού φίλτρου, στοχεύοντας στη μείωση της παραμόρφωσης και της ασυμμετρίας της τάσης στα επιτρεπτά επίπεδα. Στην παρούσα διατριβή, ο προτεινόμενος έλεγχος υλοποιείται στο στρεφόμενο dq0 πλαίσιο ελέγχου, εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park στην κυματομορφή της τάσης και του ρεύματος εξόδου. Το κυριότερο πλεονέκτημα έγκειται στην απεξάρτηση του ελέγχου από μεταβολές στη συχνότητα λειτουργίας, αφού η γωνία ελέγχου τις συμπεριλαμβάνει με έμμεσο τρόπο. Στη συνέχεια, εξετάστηκε η συνεργατική λειτουργία του μικροδικτύου με ένα σύστημα αποθήκευσης. Το σύστημα αποθήκευσης τοποθετείται στρατηγικά στο σημείο κοινής σύνδεσης (ΣΚΣ) του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο, ελέγχοντας τον διακόπτη διασύνδεσης, προκειμένου να εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες: απορρόφηση της αναντιστοιχίας μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης σε νησιδοποιημένη κατάσταση λειτουργίας, εντοπισμός του κυρίως δικτύου, συγχρονισμός του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο και μείωση των απωλειών σε κατάσταση διασυνδεδεμένης λειτουργίας.Σε αντίθεση με τις μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί, για το συγχρονισμό του μικροδικτύου δεν απαιτείται κάποια επικοινωνία. Ο μετατροπέας του συστήματος αποθήκευσης ρυθμίζει τη συχνότητα και την τάση στο ΣΚΣ μέχρι να συμπέσουν με τις αντίστοιχες του δικτύου και επομένως να αποφευχθούν τυχόν μεταβατικά φαινόμενα κατά τη σύνδεση. Επίσης, όταν το δίκτυο έχει συνδεθεί, το σύστημα αποθήκευσης μετράει την ανταλλαγή άεργου ισχύος στο ΣΚΣ και αποστέλλει μία τάση 7ης αρμονικής στο ομοπολικό σύστημα. Η τάση αυτή γίνεται αντιληπτή από όλες τις ΔΠΕ, οι οποίες αναπροσαρμόζουν την εγχεόμενη άεργο ισχύ τους σύμφωνα με μια προτεινόμενη στατική χαρακτηριστική. Άρα, όλη η ζήτηση της άεργου ισχύος των φορτίων ικανοποιείται από τις ΔΠΕ και όχι από το κυρίως δίκτυο, με αποτέλεσμα να μειώνεται το πλάτος των ρευμάτων των γραμμών και επομένως να μειώνονται οι απώλειες στη διασυνδεδεμένη κατάσταση λειτουργίας.Ένα άλλο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ύπαρξη σφάλματος σε ένα νησιδοποιημένο μικροδίκτυο αποτελούμενο από ΔΠΕ με μετατροπέα, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά συμβατικά μέσα προστασίας. Η ύπαρξη του σφάλματος γίνεται αντιληπτή μέσω της απότομης μεταβολής της σύνθετης αντίστασης του μικροδικτύου. Για τον υπολογισμό της σύνθετης αντίστασης του μικροδικτύου, παραμορφώνεται εσκεμμένα η γωνία ελέγχου, με αποτέλεσμα να εισάγεται στο μικροδίκτυο ένα παραμορφωμένο ρεύμα. Η επίδραση του αλλοιωμένου ρεύματος αναγνωρίζεται στην τάση, επομένως υπολογίζεται έμμεσα το μέτρο της σύνθετης αντίστασης του μικροδικτύου στα άκρα του κάθε μετατροπέα. Στη συνέχεια, κάθε μετατροπέας εγχέει ένα ρεύμα σφάλματος αντιστρόφως ανάλογο του μέτρου της μετρούμενης σύνθετης αντίστασης. Η εκκαθάριση του σφάλματος πραγματοποιείται με επιλεκτικό τρόπο, αφού οι πιο κοντινοί στοσφάλμα μετατροπείς εγχέουν μεγαλύτερα ρεύματα σε σχέση με τους πιο απομακρυσμένους. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μεθοδολογίες που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία, δεν απαιτείται κανένα είδος επιπρόσθετης επικοινωνίας.Τέλος, προτείνεται μία στρατηγική ελέγχου για μείωση των απωλειών σε νησιδοποιημένα μικροδίκτυα. Η μέθοδος προσαρμόζει τις κλίσεις των στατικών χαρακτηριστικών σύμφωνα με τη μετρούμενη σύνθετη αντίσταση του μικροδικτύου. Επομένως, οι πιο απομακρυσμένες ΔΠΕ εγχέουν μικρότερα ρεύματα, συμβάλλοντας στη μείωση των απωλειών. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε τοπολογία μικροδικτύου, ανεξάρτητα από τη θέση των ΔΠΕ ή των φορτίων και χωρίς τη χρήση επικοινωνίας. Επιπλέον, με την προτεινόμενη μέθοδο ελέγχου, δεν απαιτείται η εισαγωγή της εικονικής αντίδρασης.