Μοντελοποίηση και έλεγχος υβριδικού συστήματος (Φ/Β γεννήτριας και ανεμογεννήτριας μόνιμου μαγνήτη) σε αυτόνομη και παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο

Abstract

Renewable energy sources (RES) are forms of exploitable energy which are derived from various natural processes, continuously regenerated, not exhausted or replaced [1, 2, 3]. According to the Hellenic Association of RES Producers the total installed RES power in Greece is estimated to 1000 MW, whereas there is potential for high increase, since in certain areas of the country the solar and/or wind potential exhibit very high values [4], The main task of the accomplished investigation is the mandatory increase of RES applications (with the well-known economic, social and environmental consequences) through the study of operation of the hybrid power systems which include PV generator and wind turbine (WT) with Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The above two energy subsystems are likely the most mature technologies of RES exploitation worldwide, which either when used separately (forming stand-alone systems) or when combined (forming hybrid systems) are compatible with the characteristics of Greek climate. According to the Hellenic Association of Photovoltaic Companies the installed PV systems in Greece in 2007 were 2,475 MW from which 68% were connected to the electrical grid while the rest 32% were autonomous. On the other hand, according to the Hellenic Wind Energy Association, in the last five years an average of 115 MW wind parks were installed in Greece, while a minimum value of 10000 MW should be installed until the end of 2020 in order to satisfy the European commitment Greece has undertaken [5,6]. In the beginning of this Ph.D. Thesis certain general information concerning RES is presented (i.e. categories, pros and cons, etc.), whereas their technological progress and applications in Greece and worldwide are described. The investigation is focused on electric power systems which include PV generator or/and WT with PMSG, and by obtaining relevant information from the existing experience and references of the international bibliography the best known types/forms of such systems, their particular characteristics, their most important applications, the points where further investigation and improvement is required, and the principal functions of their subsystems were described. In addition, the most important quantities which describe the solar and wind potential with respect to a site for installation were mentioned. Based on the above quantities, a systematic procedure of statistical analysis of the solar and wind potential of a possible installation site is proposed. This procedure was applied to a particular site, i.e. at the top of a building in the School of Engineering of Democritos University of Thrace in the city of Xanthi, proving/exhibiting its great capabilities, reliability and flexibility. Furthermore, the most accurate and acceptable mathematical models of various subsystems of electrical power systems which include PV generator or/and WT with PMSG are presented. These models are general and were picked from relevant applications of international bibliography. This is the reason why they were properly adapted for such use. At the same time, designs of such electrical power systems in stand-alone, hybrid, autonomous and connected with electric grid configurations are presented (via simulations). In order this investigation to be of more practical interest, special care was given to analyse and study designs of common RES applications (e.g. residential electrical systems, water pumping systems, small and medium scale grid connected systems), with the ultimate goal to achieve proper design and efficient/economical operation. In all proposed/studied power systems in this Ph.D. Thesis proper care was taken in order to simultaneously achieve, by using modem intelligent dynamic control methods (combination of fuzzy logic and neural networks), maximum power point tracking (with high speed, accuracy and stability) from the used electric power sources, and fulfillment of the particular requirements and demands of the autonomous electrical loads and the electric grid. Finally, the proper design of these power systems was confirmed via their techno/economic/socio-environmental assessment by applying a systematic procedure (using a properly developed software) to a practical system being installed in a building at the campus of the Polytechnic School of Democritos University of Thrace (DUTH) in the city of Xanthi. In this Ph.D. Thesis the following are conducted: at the beginning a review of the RES technologies is given; the technology of PV generators and WT with PMSG as well as their systems are fully described; a complete systematic procedure for solar and wind potential statistical analysis of a selected site with respect to a power system installation which includes PV generator or/and WT with PMSG is proposed; the modeling of the various subsystems of power systems which includes PV generator or/and WT with PMSG are presented; a method of modeling, control and simulation of designs of stand-alone and hybrid power systems which includes PV generator or/and WT with PMSG in autonomous and grid connected operation is given; and their proper design and operation through a proposed general methodology for assessing their techno/economic/socio-environmental features are presented. In any case a systematic effort has been made to farther develop and improve the technology of such RES systems with real contribution: to the desired deceleration of the rapid depletion rate of conventional fuels, to the associated avoidance of environmental pollution, to the economic utilization of the solar and wind potential of the planet, and to the improvement of the electric grid load power factor.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που παρέχονται δωρεάν από τη φύση, ανανεώνονται συνεχώς, δεν εξαντλούνται και δεν αντικαθίστανται [1, 2, 3]. Σύμφωνα με τον Ελληνικό Σύνδεσμο Ηλεκτροπαραγωγών από ΑΠΕ η εγκατεστημένη ισχύς ΑΠΕ σήμερα στην Ελλάδα υπολογίζεται στα 1000 MW περίπου, ενώ υπάρχει δυνατότητα μεγάλης αύξησής της, αφού σε ορισμένες θέσεις της χώρας το ηλιακό ή/και το αιολικό δυναμικό είναι ιδιαίτερα πλούσια [4]. Βασικό κίνητρο της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε είναι η επιβεβλημένη πλέον αύξηση των εφαρμογών ΑΠΕ (με τις γνωστές οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές συνέπειες) μέσω της μελέτης της λειτουργίας υβριδικών ηλεκτρικών συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν φωτοβολταϊκή (Φ/Β) γεννήτρια και ανεμογεννήτρια (Α/Γ) με Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΓΜΜ). Οι δύο αυτές ενεργειακές πηγές αποτελούν ίσως τις πιο ώριμες τεχνολογίες εκμετάλλευσης των ΑΠΕ διεθνώς, οι οποίες τόσο όταν χρησιμοποιούνται χωριστά (σχηματίζοντας μεμονωμένα συστήματα) όσο και όταν συνδυάζονται (σχηματίζοντας υβριδικά συστήματα) ταιριάζουν ικανοποιητικά με τα ελληνικά κλιματολογικά χαρακτηριστικά. Σύμφωνα με τον Ελληνικό Σύνδεσμο Εταιριών Φωτοβολταϊκών οι εγκαταστάσεις Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα το 2007 ήταν 2,475 MW περίπου εκ των οποίων το 68% ήταν διασυνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο και το 32% ήταν αυτόνομα, ενώ σύμφωνα με την Ελληνική Επιστημονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας τα τελευταία 5 χρόνια εγκαθίστανται στην Ελλάδα ετησίως κατά μέσω όρο 115 MW αιολικών πάρκων (Α/Π) περίπου ενώ θα πρέπει να εγκατασταθούν κατά ελάχιστο 10000 MW μέχρι το 2020 για να εκπληρωθούν οι ευρωπαϊκές δεσμεύσεις που έχει αναλάβει η χώρα [5, 6]. Έτσι στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή (ΔΔ) αρχικά δόθηκαν κάποια γενικά στοιχεία που αφορούν τις ΑΠΕ (κατηγορίες, μειονεκτήματα-πλεονεκτήματα, κλπ.), και περιγράφηκε ποσοτικά η κατάσταση στην οποία βρίσκεται η τεχνολογική πρόοδος και εφαρμογές τους τόσο στην Ελλάδα όσο και διεθνώς. Η μελέτη επικεντρώθηκε στα συστήματα ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, όπου αντλώντας στοιχεία από την μέχρι τώρα εμπειρία και τις αναφορές της παγκόσμιας βιβλιογραφίας, περιγράφηκαν: οι πιο δημοφιλείς μορφές/τύποι τους, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, οι πιο σημαντικές εφαρμογές τους, τα σημεία όπου χρήζουν περαιτέρω έρευνα και βελτίωση, η αρχή λειτουργίας των υποσυστημάτων τους, καθώς και αναφέρθηκαν τα πιο σημαντικά μεγέθη περιγραφής του ηλιακού και αιολικού δυναμικού πιθανής θέσης εγκατάστασής τους. Με βάση αυτά τα μεγέθη προτάθηκε μια συστηματική διαδικασία στατιστικής ανάλυσης του ηλιακού και αιολικού δυναμικού η οποία υλοποιήθηκε μέσω κατάλληλου λογισμικού (υπάρχοντος και αναπτυχθέντος), που εφαρμόστηκε σε συγκεκριμένη θέση σε κτίριο της Πολυτεχνικής Σχολής (ΠΣ) του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης (ΔΠΘ) στην πόλη της Ξάνθης, επιδεικνύοντας/αποδεικνύοντας έτσι την αξιοπιστία, ευελιξία και τις μεγάλες δυνατότητές τους. Στη συνέχεια, δόθηκαν τα πιο ακριβή και αποδεκτά μαθηματικά μοντέλα των διαφόρων υποσυστημάτων των συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ. Τα μοντέλα αυτά επειδή είναι γενικά και προήρθαν από συναφείς εφαρμογές της διεθνούς βιβλιογραφίας προσαρμόστηκαν κατάλληλα για τέτοια χρήση. Παράλληλα, παρουσιάστηκαν μέσω προσομοιώσεων τέτοιας μορφής ηλεκτρικά συστήματα ισχύος τόσο μεμονωμένα όσο και υβριδικά σε αυτόνομη ή παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Μάλιστα για να έχει η μελέτη μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην ανάλυση και μελέτη συστημάτων που εξυπηρετούν συνήθεις εφαρμογές συστημάτων ΑΠΕ (π.χ. οικιστικά ηλεκτρικά συστήματα, συστήματα άντλησης νερού, διασυνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο διανομής συστήματα μικρής και μεσαίας κλίμακας, κλπ.), επιτυγχάνοντας σωστό σχεδίασμά και αποδοτική/οικονομική λειτουργία. Σε όλα τα μελετώμενα συστήματα της παρούσας ΔΔ ελήφθη κατάλληλη μέριμνα ώστε να επιτυγχάνεται, εφαρμόζοντας σύγχρονες τεχνικές ευφυούς δυναμικού ελέγχου (συνδυασμός ασαφούς λογικής και τεχνιτών νευρωνικών δικτύων), μεταφορά μέγιστης ισχύος από τις χρησιμοποιούμενες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας (ΜΜΙ με μεγάλη ταχύτητα, σημαντική ακρίβεια και εξαιρετική σταθερότητα), καθώς και ικανοποίηση των ιδιαίτερων αναγκών και απαιτήσεων τόσο των αυτόνομων ηλεκτρικών φορτίων όσο και του ηλεκτρικού δικτύου διανομής. Τέλος, ο σωστός σχεδιασμός αυτών των συστημάτων επιβεβαιώθηκε με την αποτίμησή τους, από τεχνική/οικονομική/κοινωνικό-περιβαλλοντική πλευρά, με χρήση μιας ολοκληρωμένης/συστηματικής διαδικασίας η οποία εφαρμόστηκε (μέσω κατάλληλα διαμορφωμένου λογισμικού σε περιβάλλον Matlab) σε τέτοιου είδους πρακτικά συστήματα που βρίσκονται εγκατεστημένα σε κτίριο της ΠΣ του ΔΠΘ στην πόλη της Ξάνθης. Επιγραμματικά, στην παρούσα ΔΔ: γίνεται καταρχήν επιστημονική ανασκόπηση των τεχνολογιών ΑΠΕ, αναλύεται λεπτομερώς η τεχνολογία των Φ/Β γεννητριών και Α/Γ με ΣΓΜΜ και τα συστήματα που σχηματίζουν, προτείνεται μια συστηματική και ολοκληρωμένη διαδικασία στατιστικής ανάλυσης του ηλιακού και αιολικού δυναμικού επιλεγμένης θέσης για εγκατάσταση ενεργειακού συστήματος που περιλαμβάνει Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, περιγράφεται ο τρόπος μοντελοποίησης των διαφόρων υποσυστημάτων των συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, περιγράφεται μια εφαρμοζόμενη μέθοδος μοντελοποίησης, ελέγχου και προσομοίωσης μεμονωμένων και υβριδικών συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ σε αυτόνομη και παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο διανομής, και αποδεικνύεται ο σωστός σχεδιασμός και η λειτουργία τους μέσω μιας προτεινόμενης γενικής διαδικασίας για την τεχνική/οικονομική/κοινωνικό-περιβαλλοντική αποτίμησή τους. Σε κάθε περίπτωση έχει γίνει συστηματική προσπάθεια για την παραπέρα ανάπτυξη και βελτίωση της τεχνολογίας αυτών των μορφών ΑΠΕ με συμβολή: στην επιβράδυνση του υψηλού ρυθμού εξάντλησης των υφιστάμενων συμβατικών/ορυκτών καυσίμων, στον περιορισμό της περιβαλλοντικής μόλυνσης, στην οικονομική εκμετάλλευση του ηλιακού και αιολικού δυναμικού του πλανήτη, και στη βελτίωση του συντελεστή ισχύος του φορτίου του ηλεκτρικού δικτύου διανομής.