Βελτίωση της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας Α/Γ με μετατροπείς ισχύος σε σφάλματα δικτύων διανομής μέσω της χρήσης υπερπυκνωτών

Abstract

The scope of this PhD dissertation is to improve the ability of WTGs to ride-through faults and voltage sags, by employing supercapacitor ESS. Two types of variable speed wind turbines generators are examined; the direct driven full-converter generators and the doubly-fed induction generators (DFIGs) with partially rated power converter systems. The dissertation is structured in three main parts.The first part focuses on the control design of a supercapacitor energy storage system (SCESS), integrated in a full-converter driven WTG, in order to ride-through grid faults and selectively attenuate medium frequency wind power fluctuations. A proposed control algorithm, ensures that the power smoothing operation will not affect the fault ride through ability of the WTG, by maintaining the State of Charge (SoC) of the supercapacitor within an optimum range. Analytical expression for the sizing of the SCESS, according to the FRT and power smoothing requirements are also proposed. Finally, the developed power smoothing method is applied in a WTG, operating within a weak autonomous grid along with a conventional synchronous generator. It is shown that the penetration of WTGs in weak electrical grids can be increased, due to the reduction of frequency deviations caused by fluctuating wind power.In the second part of this dissertation, the operation of a DFIG within isolated power systems is examined. A new control strategy for the DFIG, accomplished by a Dynamic Voltage Restorer (DVR) and a SCESS, in order to ride through symmetrical and asymmetrical faults, is proposed. During faults, the DFIG continues to operate normally, while the surplus of power is stored in the SCESS. During asymmetrical faults, the DFIG and the DVR are properly controlled in order to feed the non-faulty phases uninterruptedly. When integrated in a power system with conventional synchronous generators, the proposed FRT control strategy improves the FRT capability of a DFIG, while providing frequency and voltage support to the system, throughout the fault duration. Thus, the transient stability of the power system is significantly improved. In the third part, the grid-connected operation of an inverter-based microgrid is examined. Particularly, a control strategy for improving the ability of the microgrid to ride-though symmetrical and asymmetrical grid voltage sags is proposed. The microgrid is formed of several Distributed Energy Resources (DERs), which utilize WTGs as primary energy source, each combined with a SCESS. During balanced and unbalanced grid voltage sags, the proposed control strategy maintains the microgrid grid-connected, while providing local load with a high quality voltage profile. The proposed control strategy is complemented by properly sized inductances at the point of common coupling between the microgrid and the utility grid. The inductances provide decoupling between the utility grid voltage and the microgrid voltage. All DERs are controlled to support the voltage by injecting reactive power, without any physical communication among them. During unbalanced grid voltage conditions, the DERs operate collectively in order to compensate the undesirable negative and zero sequence voltage components. Thus, a balanced set of three-phase voltages is provided within the microgrid.

Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη εξειδικευμένων διατάξεων, με χρήση συστημάτων αποθήκευσης με υπερπυκνωτές, για τη βελτίωση της ικανότητας αντοχής των Α/Γ σε σφάλματα του δικτύου. Συγκεκριμένα εξετάζονται δύο τύποι Α/Γ μεταβλητών στροφών: Οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδότησης με σύστημα μετατροπέων μερικής ισχύος στο δρομέα (Τύπος Γ) και οι γεννήτριες με σύστημα μετατροπέων πλήρους ισχύος στο στάτη (Τύπος Δ). Η διερεύνηση γίνεται αρχικά για τη διασυνδεδεμένη λειτουργία των Α/Γ σε ισχυρά δίκτυα, ενώ επεκτείνεται και στην τροφοδότηση μη διασυνδεδεμένων δικτύων από Α/Γ, αυτόνομα και σε συνεργασία με συμβατικές μονάδες παραγωγής.Στο πλαίσιο της διερεύνησης των Α/Γ τύπου Δ, παρουσιάζεται αρχικά η διασυνδεδεμένη λειτουργία τους με ένα ευρύτερο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Εξετάζεται η χρήση συστήματος αποθήκευσης με υπερπυκνωτή, με στόχο τη βελτίωση της ικανότητας για αντοχή σε βυθίσεις της τάσης του δικτύου, αλλά και την απορρόφηση των διακυμάνσεων της παραγόμενης ισχύος. Αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος, μέσω του οποίου βελτιώνεται η αξιοποίηση της διαθέσιμης αποθηκευτικής ικανότητας του υπερπυκνωτή, ώστε η λειτουργία εξομάλυνσης της ισχύος να μην περιορίζει την ικανότητα αντοχής των Α/Γ σε σφάλματα του δικτύου. Επιπλέον, εξάγεται μία αναλυτική σχέση υπολογισμού της χωρητικότητας του υπερπυκνωτή, συναρτήσει των απαιτήσεων για αδιάλειπτη λειτουργία και απορρόφηση διακυμάνσεων της ισχύος, σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Στη συνέχεια γίνεται διερεύνηση του προτεινόμενου συστήματος, κατά τη λειτουργία των Α/Γ τύπου Δ εντός ενός αυτόνομου δικτύου, σε συνεργασία με μία συμβατική σύγχρονη γεννήτρια. Αποδεικνύεται ότι η εξομάλυνση της ισχύος εξόδου των Α/Γ περιορίζει σημαντικά τη διακύμανση της συχνότητας του συστήματος.Κατόπιν εξετάζεται η τροφοδότηση μη διασυνδεδεμένων δικτύων από Α/Γ τύπου Γ. Για τη βελτίωση της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας των Α/Γ, προτείνεται η ενσωμάτωση ενός δυναμικού επανορθωτή της τάσης (Dynamic Voltage Restorer) και ενός συστήματος αποθήκευσης με υπερπυκνωτή. Το DVR προστατεύει τη γεννήτρια και διατηρεί ένα σταθερό τριφασικό σύστημα τάσεων στο στάτη, κατά τη διάρκεια των διαταραχών. Αρχικά εξετάζεται η περίπτωση όπου η Α/Γ λειτουργεί αυτόνομα και στη συνέχεια σε συνεργασία με μία συμβατική σύγχρονη γεννήτρια. Κατά την αυτόνομη κατάσταση, η ικανότητα του συστήματος για αδιάλειπτη λειτουργία διερευνάται σε συνθήκες συμμετρικών και ασύμμετρων βραχυκυκλωμάτων. Μέσω των στρατηγικών ελέγχου που αναπτύσσονται, ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου αξιοποιείται, ώστε να συμβάλλει στην εκκαθάριση του σφάλματος, εκχέοντας αυξημένα ρεύματα στις φάσεις που εκδηλώνεται το βραχυκύκλωμα. Παράλληλα, στη διάρκεια ασύμμετρων σφαλμάτων, οι «υγιείς» φάσεις του δικτύου τροφοδοτούνται με υψηλής ποιότητας τάσεις. Στην περίπτωση της συνεργασίας με μία συμβατική σύγχρονη γεννήτρια, το σύστημα εξετάζεται και πάλι υπό ασύμμετρα βραχυκυκλώματα. Η στρατηγική ελέγχου που αναπτύσσεται, έχει ως στόχο την παροχή πρόσθετης στήριξης στη συχνότητα του συστήματος, αλλά και στις τάσεις των φάσεων που δεν εμπλέκονται στο σφάλμα. Τέλος παρουσιάζεται η ικανότητα ενός μικροδικτύου με Α/Γ τύπου Δ, για αδιάλειπτη λειτουργία κατά τη διάρκεια βυθίσεων της τάσης του κυρίως δικτύου. Η προτεινόμενη μεθοδολογία ελέγχου βασίζεται στη συνεργασία των μονάδων διανεμημένης παραγωγής του μικροδικτύου, με στόχο την αντιστάθμιση συμμετρικών και ασύμμετρων διαταραχών. Η εισαγωγή μιας διάταξης ελεγχόμενων αυτεπαγωγών στο σημείο κοινής σύνδεσης του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο, επιτρέπει τη ρύθμιση της τάσης, μέσω του ελέγχου της αέργου ισχύος, που παράγουν οι πηγές. Ιδιαίτερα στην περίπτωση ασύμμετρων διαταραχών, οι μονάδες διανεμημένης παραγωγής συνεργάζονται για την εξάλειψη της ασσυμετρίας και την τροφοδότηση των φορτίων του μικροδικτύου με συμμετρικές τάσεις. Για τη διαχείριση της διαφοράς μηχανικής ισχύος από τον άνεμο και ηλεκτρικής ισχύος προς το δίκτυο, στη διάρκεια των διαταραχών, σε κάθε Α/Γ ενσωματώνεται ένα σύστημα αποθήκευσης με υπερπυκνωτή. Έτσι επιτυγχάνεται η αδιάλειπτη λειτουργία τόσο σε επίπεδο μεμονωμένων Α/Γ, όσο και σε επίπεδο μικροδικτύου συνολικά.