Προσομοίωση σε πραγματικό χρόνο επιδράσεων διεσπαρμένης παραγωγής σε δίκτυα διανομής με χρήση ψηφιακών μοντέλων και πραγματικού εξοπλισμού

Abstract

The subject of this doctoral thesis is the use of real-time simulation and specifically Power Hardware in the Loop (PHIL) simulation, to study the impact of distributed generation on the distribution network. PHIL simulation allows the connection of hardware power equipment (e.g. photovoltaic inverter) to a simulated network. The potential future role of PHIL simulation for laboratory testing and studying of phenomena in power systems is explained. The stability and accuracy issues of PHIL simulation, the main methods for evaluating and achieving stability and methods for accuracy estimation are presented. A new method to achieve stability is proposed, which maintains sufficient accuracy, while it allows the connection of a scaled-down device to analyse the behaviour of the full-scale device. Stability considerations are provided and the accuracy improvement by using the proposed method is quantified. Next, modern functions for the provision of ancillary services by distributed generation are presented concerning voltage control (cosφ(P), Q(V) control) and frequency control (P(f) control, virtual inertia). The stability issue of Q(V) control is explained. A review of recent international standards/guidelines is performed, concerning steady-state voltage support, dynamic network support and frequency control, which includes a comparative analysis and identification of gaps. Advanced testing procedures using conventional approaches are proposed, along with PHIL test procedures. Subsequently, the development of the PHIL environment at the Electric Energy Systems laboratory of NTUA is described, which includes the protection schemes applied and preliminary PHIL experiments are presented. Α benchmark system for PHIL testing is proposed, which includes reference test procedure, setup and network. Problematic interactions between local voltage controller of distributed generation and On-Load Tap Changer (OLTC) are examined with pure digital simulations. The proposed method to achieve stability and accuracy is applied and PHIL tests are executed using a scaled-down photovoltaic inverter to analyse the behaviour of the full-scale inverter. The PHIL tests show interactions that were not visible at the pure digital simulations, which demonstrate the value of the PHIL approach. The model of the voltage controller of the inverter is validated by comparing the results of the PHIL tests and the pure digital simulations. PHIL tests on frequency control are performed to study the impact of droop control and virtual inertia. Next, PHIL simulation is employed for laboratory education of students on important topics of the operation of the modern power system. A double PHIL setup is developed, creating two work benches, which provides hands-on experience to the students in small groups and allows experiential learning. The assessment of the laboratory exercises by the students was clearly positive. Finally, the electromagnetic interference from inverters of distributed generation on electronic meters is analysed, which can result in energy measurement errors. A detailed review of standards/guidelines is performed, which highlights the gap in the 2 kHz - 150 kHz range and reports recent developments and remaining issues. Laboratory setups for testing immunity and emissions are described and immunity tests on electronic meters and emissions tests on inverters are performed.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εφαρμογή της προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο σε μελέτες επίδρασης της Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΔΠ) στα δίκτυα διανομής και ειδικότερα της μεθόδου Power Hardware in the Loop (PHIL), κατά την οποία πραγματικός εξοπλισμός ισχύος (π.χ. αντιστροφέας φωτοβολταϊκών) συνδέεται σε προσομοιωμένο σύστημα. Παρουσιάζεται η μέθοδος PHIL και εξηγείται ο πιθανός μελλοντικός της ρόλος στις εργαστηριακές δοκιμές και στη μελέτη φαινομένων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζεται το πρόβλημα της ευστάθειας της PHIL μεθόδου, οι βασικές μέθοδοι εκτίμησης και επίτευξης της ευστάθειας, καθώς και μέθοδοι εκτίμησης της ακρίβειας. Προτείνεται νέα μέθοδος επίτευξης ευστάθειας διατηρώντας καλή ακρίβεια, που επιτρέπει τη σύνδεση δοκιμίου μικρότερης ισχύος για την εκτίμηση της συμπεριφοράς του δοκιμίου πλήρους ισχύος. Αναλύονται θέματα ευστάθειας και γίνεται ποσοτικοποίηση της βελτίωσης της ακρίβειας από τη χρήση της μεθόδου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σύγχρονοι έλεγχοι παροχής επικουρικών υπηρεσιών από μονάδες ΔΠ, που αφορούν τη συνεισφορά στη ρύθμιση τάσης (cosφ(P) και Q(V) έλεγχος) και στη ρύθμιση συχνότητας (P(f) έλεγχος, εικονική αδράνεια) και εξηγείται το ζήτημα της ευστάθειας του Q(V) ελέγχου. Γίνεται ανασκόπηση διεθνών προτύπων/οδηγιών, συγκριτική ανάλυση και αναγνώριση ελλείψεων που αφορά τη ρύθμιση τάσης σε μόνιμη κατάσταση, τη συμπεριφορά σε μεταβατική κατάσταση και τη ρύθμιση συχνότητας. Προτείνονται προηγμένες διαδικασίες δοκιμών συμβατικού τύπου και PHIL δοκιμές για επικουρικές υπηρεσίες. Εν συνέχεια, παρουσιάζεται η ανάπτυξη της PHIL εργαστηριακής διάταξης στο εργαστήριο ΣΗΕ του ΕΜΠ, οι αλγόριθμοι προστασίας του πειράματος, ορίζεται διαδικασία, τοπολογία και δίκτυο αναφοράς για PHIL δοκιμές και περιγράφονται προκαταρκτικά PHIL πειράματα. Πραγματοποιούνται ψηφιακές προσομοιώσεις προβληματικής συνεργασίας τοπικού ελέγχου τάσης ΔΠ και Σύστηματος Αλλαγής Τάσης Υπό Φορτίο (ΣΑΤΥΦ). Εφαρμόζεται η προτεινόμενη μέθοδος επίτευξης ευστάθειας και ακρίβειας και πραγματοποιούνται PHIL δοκιμές συνεργασίας ΔΠ και ΣΑΤΥΦ, χρησιμοποιώντας αντιστροφέα μικρότερης κλίμακας και βγάζοντας συμπεράσματα για τον αντιστροφέα πλήρους ισχύος. Οι PHIL δοκιμές δείχνουν αλληλεπιδράσεις που δεν ήταν ορατές στις αμιγώς ψηφιακές προσομοιώσεις, φανερώνοντας τη χρησιμότητα της PHIL μεθόδου. Γίνεται επικύρωση μοντέλου ελεγκτή τάσης αντιστροφέα συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των PHIL δοκιμών και των αμιγώς ψηφιακών προσομοιώσεων. Πραγματοποιούνται PHIL δοκιμές ρύθμισης συχνότητας, όπου εξετάζεται η επίδραση του στατισμού και της εικονικής αδράνειας. Έπειτα, η PHIL μέθοδος εφαρμόζεται σε εργαστηριακές ασκήσεις για την εκπαίδευση φοιτητών σε σημαντικά θέματα της λειτουργίας των σύγχρονων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Αναπτύσσεται προηγμένη διπλή διάταξη PHIL, δημιουργώντας δύο πάγκους εργασίας, που επιτρέπει τη χρήση πραγματικού εξοπλισμού από τους φοιτητές σε μικρές ομάδες, σε συνδυασμό με βιωματική μάθηση. Οι εργαστηριακές ασκήσεις αξιολογήθηκαν σαφώς θετικά από τους φοιτητές. Τέλος, εξετάζονται προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών αντιστροφέων ΔΠ σε ηλεκτρονικούς μετρητές που μπορούν να οδηγήσουν σε εσφαλμένη καταγραφή της ενέργειας. Γίνεται λεπτομερής ανασκόπηση των προτύπων/οδηγιών, υπογραμμίζεται το κενό στο εύρος συχνοτήτων 2 kHz - 150 kHz και περιγράφονται οι πρόσφατες εξελίξεις στην τυποποίηση και οι υπολειπόμενες εργασίες. Παρουσιάζονται διατάξεις δοκιμών ατρωσίας και εκπομπών και πραγματοποιούνται δοκιμές ατρωσίας ηλεκτρονικών μετρητών και εκπομπών αντιστροφέων.