Συμβολή στον έλεγχο και στην προσομοίωση συστημάτων ισχύος χαμηλής τάσης με διεσπαρμένη παραγωγή

Abstract

The drivers of dispersed generation urge its extension to the low voltage network, for which it is contemplated installation of numerous small capacity generators with diverse technical characteristics that are connected using voltage source inverter at their output. Sources and loads as a whole will constitute a single entity for the upstream network, also called microgrid, which shall be able to operate autonomously as a self-regulated island in the event of problems to the upstream network, a fact that entails higher consumer reliability and extension of the dispersed generation production. Islanded operation depends on paralleling the voltage source inverters of the distributed sources that are capable of regulated power output. Inverter paralleling using only local measurements is implemented with proportional control of frequency and voltage with active and reactive power output respectively. The installation of storage devices is necessary due to the fact that the created AC system will lack any form of inertia. This work focuses on the autonomous operation. The local control of the sources through their inverter is investigated so that stable operation is secured. Control methods are proposed so that typical system functions such as load or local generation fluctuations take place smoothly without power oscillations, which is translated to voltage and frequency regulation. The inverter at the output of the sources has implications, except from the operation, to the modeling itself that is needed for the dynamic analysis of the system. Therefore the transient stability methods, as applied to a system with synchronous machines, are adapted for application to an isolated system with voltage source inverters, accounting also for the asymmetries of low voltage network. So, the simulation of the dynamic behavior of the system can be carried out, testing various control strategies according to the characteristics of the power output change of each source. The behavior of the system depends on the magnitude and angle of the impedances that interconnect the voltage source inverters as well as on the control parameters, which are the droops of the frequency and voltage of the inverters with powers and the delay involved in this change. The factors that define the scope of the controlled system parameters are examined first. Controlling frequency with active power has the advantage that the active power production of each source is defined exclusively with the control parameters, irrespective to the position in the network. The influence of the resistance to reactance ratio is considered and specific means to improve the control performance is proposed. System stability is thoroughly analyzed considering two inverters in parallel and applying control methods of the classical control theory. The network dynamic is also included in the analysis on account of the fast response of the inverter. A specific compensation is proposed to improve the relative stability so that the defined response specifications are met for the anticipated system parameters. A large percentage of the load in the low voltage is non linear, thus if the control is confined to the fundamental frequency, voltage distortion may prove prohibitive for the islanded operation. The proposed method employs closed loop control of the terminal voltage and feed forward of the load current for each voltage source inverter, thereby achieving good voltage quality and harmonic sharing among the inverters in proportion to their capacity. The control implementation is in the time domain using instantaneous values thus with overall harmonic compensation. The application of the control method is tested with simulations.

Τα κίνητρα που ευνοούν την διεσπαρμένη παραγωγή ωθούν στην επέκταση της στο δίκτυο χαμηλής τάσης, για το οποίο προβλέπεται η σύνδεση πολυάριθμων πηγών μικρής δυναμικότητας με μεγάλη ποικιλία στα τεχνικά χαρακτηριστικά οι οποίες συνδέονται στην έξοδό τους με αντιστροφέα πηγής τάσης. Το σύνολο πηγών και φορτίων θα φαίνεται από το υπερκείμενο δίκτυο σαν μια ενιαία οντότητα, αποκαλούμενη και μικροδίκτυο, η οποία θα μπορεί σε περίπτωση προβλήματος στο υπερκείμενο δίκτυο να μεταβαίνει σε αυτόνομη κατάσταση λειτουργώντας σαν αυτορυθμιζόμενη νησίδα, γεγονός που συνεπάγεται αυξημένη αξιοπιστία στην παροχή των καταναλωτών και παράταση της διάρκειας της διεσπαρμένης παραγωγής. Η νησιδοποιημένη λειτουργία ουσιαστικά ανάγεται στον παραλληλισμό των αντιστροφέων πηγής τάσης των διεσπαρμένων μονάδων που έχουν δυνατότητα ελεγχόμενης παραγωγής. Για τον παραλληλισμό των αντιστροφέων χρησιμοποιώντας μόνο τοπικές μετρήσεις, η συχνότητα και το μέτρο της τάσης ελέγχονται στον καθένα αναλογικά κατά αντιστοιχία από την ενεργό και την άεργο ισχύ εξόδου. Λόγω απουσίας αδράνειας στο σχηματιζόμενο AC σύστημα, είναι απαραίτητη η εγκατάσταση συσσωρευτών. Η διατριβή εστιάζει στην απομονωμένη λειτουργία. Διερευνάται ο τοπικός έλεγχος των μονάδων μέσω των αντιστροφέων τους ώστε να εξασφαλίζεται η ευσταθής λειτουργία. Προτείνονται μέθοδοι ελέγχου ώστε οι τυπικές λειτουργίες του συστήματος, όπως η απόκριση σε μεταβολές του φορτίου ή της τοπικής παραγωγής, να πραγματοποιούνται ομαλά χωρίς να συνοδεύονται από ταλαντώσεις στις ροές ισχύος, γεγονός που μεταφράζεται σε ρύθμιση της τάσης και της συχνότητας. Ο αντιστροφέας στην έξοδο των μονάδων έχει συνέπεια εκτός από την λειτουργία και σε αυτή καθαυτή την μοντελοποίηση για την δυναμική ανάλυση του συστήματος. Για το λόγο αυτό η μεθοδολογία μεταβατικής ευστάθειας για ένα σύστημα με σύγχρονες μηχανές προσαρμόζεται για αυτόνομο σύστημα με αντιστροφείς πηγής τάσης λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη την ασυμμετρία του δικτύου χαμηλής τάσης. Έτσι είναι δυνατή η προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του συστήματος, δοκιμάζοντας διάφορες στρατηγικές ελέγχου σε συνάρτηση με τα χαρακτηριστικά μεταβολής ισχύος εξόδου της κάθε πηγής. Η συμπεριφορά του συστήματος εξαρτάται από το μέτρο και την γωνία των συνθέτων αντιστάσεων που διασυνδέουν τους αντιστροφείς πηγής τάσης καθώς και από τις παραμέτρους ελέγχου κάθε αντιστροφέα που είναι οι αναλογικές σταθερές μεταβολής της συχνότητας και της τάσης των αντιστροφέων από τις ισχείς και η καθυστέρηση κατά την μεταβολή αυτή. Εξετάζονται λοιπόν οι παράγοντες που καθορίζουν τα όρια εντός των οποίων κινούνται οι παράμετροι του ελεγχόμενου συστήματος. Ο έλεγχος της συχνότητας με την ενεργό ισχύ δίνει την δυνατότητα να καθορίζεται η παραγωγή ενεργού ισχύος κάθε μονάδας μόνο από τις παραμέτρους του ελέγχου, ανεξάρτητα από την θέση στο δίκτυο. Μελετάται η επίπτωση που έχει στον έλεγχο ο λόγος αντίσταση προς αντίδραση των γραμμών του δικτύου και προτείνεται μέθοδος για την βελτίωση της απόδοσης του ελέγχου. Η ευστάθεια του συστήματος αναλύεται διεξοδικά θεωρώντας δύο παραλληλισμένους αντιστροφείς εφαρμόζοντας κλασικές μεθόδους της θεωρίας αυτομάτου ελέγχου. Λόγω της ταχείας απόκρισης του αντιστροφέα η δυναμική του δικτύου συμπεριλαμβάνεται στην ανάλυση. Προτείνεται συγκεκριμένη αντιστάθμιση για την βελτίωση της δυναμικής ευστάθειας έτσι ώστε οι προδιαγραφές που ορίζονται για την απόκριση του συστήματος να ικανοποιούνται για το εύρος των αναμενόμενων παραμέτρων του. Μεγάλο ποσοστό φορτίων στην χαμηλή τάση είναι μη γραμμικά, οπότε αν ο έλεγχος περιοριστεί στην βασική συχνότητα τότε η παραμόρφωση της τάσης μπορεί να αποβεί απαγορευτική για την αυτόνομη λειτουργία. Η προτεινόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί έλεγχο της τάσης των ακροδεκτών σε κλειστό βρόχο και πρόσω τροφοδότηση του ρεύματος φορτίου σε κάθε αντιστροφέα πηγής τάσης και έτσι επιτυγχάνεται καλή ποιότητα τάσης και επιμερισμός των αρμονικών μεταξύ των αντιστροφέων ανάλογα με την δυναμικότητά τους. Ο έλεγχος γίνεται στο πεδίο του χρόνου χρησιμοποιώντας στιγμιαίες τιμές και έτσι οι αρμονικές αντιμετωπίζονται συνολικά. Η εφαρμογή του ελέγχου δοκιμάζεται με προσομοιώσεις σε πρόγραμμα ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης.