Μοντελοποίηση ανεμογεννητριών για τη μελέτη δυναμικών φαινομένων σε συνθήκες αυξημένης αιολικής διείσδυσης

Abstract

Ιncreasing wind power penetration in modern power systems is posing serious challenges to wind turbine technology regarding wind turbines’ capability to operate according to the restrictions specified by system operators. Numerous regulatory and control functions traditionally offered exclusively by conventional units are nowadays required by wind turbines connected to the grid. The scope of this PhD dissertation is to develop dedicated control and design techniques for wind turbines enabling them to behave as active components of power systems. During the dissertation emphasis was given to two basic types of variable speed wind turbines - the doubly-fed induction generator wind turbine and the direct driven wind turbine with synchronous generator (electrical excitation or permanent magnet) and full converter. The models are used to investigate the interaction of wind turbines-wind farms with the grid during normal operation and during transient events, such as faults in the grid. In the first step, dynamic models are developed representing the aerodynamic and mechanical behavior of the wind turbine as well as the complete electrical system - generator, converters and connection to the grid. The models were developed in simulation softwares such as Matlab / Simulink and DIgSILENT Power Factory. Afterwards control strategies are designed for each type of wind turbine for normal operation in order to investigate the effect of wind power fluctuations in the electricity system due to fluctuations in wind speed and additional control techniques for the operation during transient phenomena in the grid. The first type of transient phenomena refers to the fault-ride through capability during voltage dips for the two types of wind turbines and the possible contribution to the voltage control. The second type refers to events with significant impact on the active power balance and system frequency. Frequency controllers are designed for wind turbines to be able to contribute to the primary frequency control in a similar way to conventional units. Control strategies do not only refer to individual wind turbines but also to wind farms with a rated power that approaches that of conventional power plants. The controllers at the wind farm level regulate active power production of individual wind turbines based on signals received from the system operator for various functions, such as active power reserve, inertial response, droop control and limits of rate of change of active power. The models developed are then used to investigate the operation of wind farms in modern power systems, with emphasis given on non-interconnected systems, such as island systems. The characteristics of isolated systems pose special requirements for grid support services on behalf of wind farms. The methodology approach includes investigation of the operation during wind power fluctuations due to the stochastic nature of wind and analysis of the interaction between wind turbines and the grid during transient phenomena that affect either the voltage or the frequency of the system. The steps of investigation establish a methodology to estimate the limits of wind power penetration as well as other parameters, such as the amount of active power reserve required by wind farms during primary frequency control. Although the quantitative results produced with the specific system under study (Rhodes power system) can not be generalized, it is clear that the control strategies developed and presented in this dissertation provide with the possibility of extending the limits of wind power penetration without violating the dynamic security margins of the system.

Η συνεχώς αυξανόμενη αιολική διείσδυση στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θέτει προκλήσεις στην αιολική τεχνολογία όσον αφορά τη δυνατότητα των ανεμογεννητριών να λειτουργούν σύμφωνα με τους περιορισμούς που προδιαγράφονται από τους διαχειριστές των δικτύων. Πλήθος λειτουργιών ρύθμισης και ελέγχου που παραδοσιακά καλύπτονταν αποκλειστικά από συμβατικές μονάδες παραγωγής απαιτούνται πλέον από τις ανεμογεννήτριες που συνδέονται στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη εξειδικευμένων τεχνικών ελέγχου και σχεδίασης των ανεμογεννητριών, που επιτρέπει τη λειτουργία τους ως ενεργές συνιστώσες των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια της διατριβής έμφαση δόθηκε στους δύο βασικούς τύπους ανεμογεννητριών ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών – η ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα διπλής τροφοδότησης και μετατροπέα μερικής ισχύος συνδεδεμένο στο δρομέα και η ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια (ηλεκτρικής διέγερσης ή μονίμων μαγνητών) και πλήρη μετατροπέα. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης ανεμογεννητριών-αιολικών πάρκων και δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας τόσο κατά τη διάρκεια συνθηκών κανονικής λειτουργίας όσο και για τη μελέτη μεταβατικών φαινομένων όπως πχ. σφάλματα στο δίκτυο. Αρχικά αναπτύσσονται δυναμικά μοντέλα που αναπαριστούν την αεροδυναμική και μηχανική συμπεριφορά της ανεμογεννήτριας καθώς και το πλήρες ηλεκτρικό σύστημα – γεννήτρια, μετατροπείς και σύνδεση στο δίκτυο. Τα μοντέλα αναπτύχθηκαν σε λογισμικά προσομοιώσης όπως Matlab/Simulink και DIgSILENT Power Factory. Στη συνέχεια αναπτύσσονται στρατηγικές ελέγχου για κάθε τύπο ανεμογεννήτριας για την κανονική λειτουργία με στόχο τη μελέτη της επίδρασης της διακύμανσης της αιολικής παραγωγής στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας λόγω διακυμάνσεων στην ταχύτητα ανέμου και επιπρόσθετες τεχνικές ελέγχου για τη λειτουργία κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη κατηγορία μεταβατικών φαινομένων αφορά στη δυνατότητα αδιάλλειπτης παροχής ισχύος κατά τη διάρκεια βυθίσεων τάσης για τους δύο τύπους ανεμογεννητριών καθώς και στη δυνατότητα συμβολής στη ρύθμιση τάσης. Η δεύτερη κατηγορία μεταβατικών αναφέρεται σε διαταραχές που επιδρούν σημαντικά στο ισοζύγιο ενεργού ισχύος του συστήματος και στην απόκριση της συχνότητας. Σχεδιάζονται και μελετώνται ελεγκτές συχνότητας για τις ανεμογεννήτριες ώστε να είναι σε θέση να συμβάλλουν στην πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας με τρόπο παρόμοιο με τις συμβατικές μονάδες. Οι στρατηγικές ελέγχου δεν αναφέρονται μόνο σε επιμέρους ανεμογεννήτριες αλλά επεκτείνονται και σε αιολικά πάρκα των οποίων η ονομαστική ισχύς σήμερα πλέον προσεγγίζει σε μέγεθος τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής. Οι ελεγκτές στο επίπεδο του αιολικού πάρκου αναλαμβάνουν να ρυθμίσουν την παραγωγή ενεργού ισχύος των ανεμογεννητριών με βάση σήματα που λαμβάνουν από το διαχειριστή του συστήματος όσον αφορά πλήθος λειτουργιών, όπως εφεδρεία ενεργού ισχύος, αδρανειακή απόκριση, έλεγχος στατισμού και όρια ρυθμού μεταβολής ενεργού ισχύος. Τα μοντέλα που αναπτύσσονται χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη διερεύνηση της λειτουργίας αιολικών πάρκων στα σύγχρονα ΣΗΕ με έμφαση στα μη διασυνδεδεμένα συστήματα, όπως τα νησιωτικά. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των απομονωμένων συστημάτων θέτουν ειδικές απαιτήσεις ως προς τις υπηρεσίες στήριξης του δικτύου εκ μέρους των αιολικών πάρκων. Η μεθοδολογία προσέγγισης περιλαμβάνει μελέτη της λειτουργίας κατά τη διάρκεια διακυμάνσεων στην αιολική παραγωγή λόγω της στοχαστικής φύσης του ανέμου και ανάλυση της αλληλεπίδρασης ανεμογεννητριών και δικτύου κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων που επιδρούν είτε στην τάση είτε στη συχνότητα του συστήματος. Τα στάδια ανάλυσης συγκροτούν μια μεθοδολογία προσέγγισης των ορίων αιολικής διείσδυσης αλλά και παραμέτρων όπως το ποσό εφεδρείας ενεργού ισχύος που πρέπει να απαιτείται από τα αιολικά πάρκα κατά την πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας. Αν και τα ποσοτικά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη συγκεκριμένη περίπτωση συστήματος που μελετάται (σύστημα Ρόδου) δεν μπορούν να γενικευθούν αυτομάτως, εν τούτοις είναι σαφές ότι οι στρατηγικές ελέγχου που αναπτύσσονται και παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή παρέχουν τη δυνατότητα επέκτασης των ορίων αιολικής διείσδυσης χωρίς παραβίαση των ορίων δυναμικής ασφάλειας του συστήματος