Generalized modeling and stability analysis for modern power systems with large scale integration of converter interfaced RES

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο της μοντελοποίησης, του ελέγχου και της ανάλυσης των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ). Ειδικότερα, εξετάζονται σύγχρονα ΣΗΕ μεταβλητής τοπολογίας με μεγάλη ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) για τη μοντελοποίηση των οποίων προτείνεται μια γενικευμένη μέθοδος. Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις μονάδες που βρίσκονται σε μια σύγχρονη υποδομή ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των τοπικά ελεγχόμενων μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρομηχανικών συνιστωσών, η προτεινόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης περιλαμβάνει με λεπτομερή και ακριβή τρόπο την πλήρη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Δεδομένου ότι η προτεινόμενη γενικευμένη αναπαράσταση διατηρεί τη δομή της ανεξαρτήτως δομικών αλλαγών του εξεταζόμενου συστήματος, μπορεί να αναπτυχθεί έτσι ώστε να μοντελοποιεί επιτυχώς σύγχρονα ΣΗΕ διαφόρων τοπολογιών, ενώ η ίδια η μορφή του μοντέλου είναι μη γραμμική ούτως ώστε να είναι απολύτως συμβατή και να περιγράφει με ακρίβεια την εγγενώς μη γραμμική φύση των σύγχρονων ΣΗΕ. Μία από τις αξιοσημείωτες ιδιότητες που διαθέτει αυτή η προσέγγιση είναι η δυνατότητα άμεσης εξαγωγής ιδιοτήτων ευστάθειας και σύγκλισης των καταστάσεων για οποιοδήποτε είδος συστήματος που είναι συμβατό με αυτήν την γενικευμένη αναπαράσταση, ανεξάρτητα από το μέγεθος ή τη δομή του. Αυτό το γεγονός αποδεικνύεται με λεπτομερή και ακριβή τρόπο, υιοθετώντας ένα θεωρητικό πλαίσιο το οποίο βασίζεται σε προηγμένα εργαλεία μη γραμμικής ανάλυσης. Υπό αυτή την έννοια, η προτεινόμενη αναπαράσταση σύγχρονων ΣΗΕ έχει διπλή υπόσταση, καθώς αποτελεί τόσο ένα ακριβές και γενικευμένο μοντέλο ενός ΣΗΕ, όσο και εργαλείο άμεσης ανάλυσης ευστάθειας. Ένα σημαντικό μέρος αυτής της διατριβής αφιερώνεται επίσης στην ανάπτυξη κατάλληλων συστημάτων ελέγχου για διαφορετικά είδη τοπικά ελεγχόμενων μετατροπέων ισχύος, εστιάζοντας κυρίως στον τύπο που κυριαρχεί στα σύγχρονα ΣΗΕ, τον τριφασικό μετατροπέα πηγής τάσης (VSC). Τα προτεινόμενα σχήματα ελέγχου είναι απλής μορφής και βασίζονται σε ελεγκτές τύπου αναλογικού-ολοκληρωτικού όρου (PI), ενώ διαθέτουν αξιοσημείωτες καινοτομίες στη δομή τους οι οποίες ακυρώνουν με αποτελεσματικό και ευσταθή τρόπο πολλά μειονεκτήματα που παρατηρούνται συνήθως σε τέτοιου είδους σχήματα ελέγχου. Σε αυτό το πλαίσιο, εξετάζονται διάφορες τυπικές εφαρμογές των οποίων οι τοπολογίες βασίζονται σε VSCs, συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων ενός VSC που συνδέεται είτε με ένα ισχυρό ή με ένα ασθενές κυρίως δίκτυο. Για την τελευταία περίπτωση, προτείνεται επίσης ένας κατάλληλο μηχανισμός βρόχου κλειδώματος φάσης (PLL) που συνεισφέρει καθοριστικά στην διατήρηση των συνθηκών συγχρονισμού του τριφασικού μετατροπέα. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη οι περιπτώσεις τοπολογιών διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος (dc-links) που βασίζονται σε τριφασικούς VSCs, ενώ ταυτόχρονα προτείνονται κατάλληλα σχήματα ελέγχου για τις συγκεκριμένες εφαρμογές. Η ευσταθής επίδραση των υλοποιηθέντων σχημάτων ελέγχου στην δυναμική απόκριση του συστήματος κλειστού-βρόχου για τις παραπάνω εφαρμογές αποδεικνύεται υιοθετώντας το ίδιο θεωρητικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται και για την ανάλυση του γενικευμένου μοντέλου σύγχρονων ΣΗΕ. Όπως γίνεται αντιληπτό, όλες οι εξεταζόμενες τοπολογίες είναι απολύτως συμβατές με μια απλούστερη παραλλαγή του γενικευμένου μοντέλου σύγχρονων ΣΗΕ και κατ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν να εξαχθούν άμεσα αυστηρές ιδιότητες ευστάθειας και σύγκλισης των καταστάσεων των δεδομένων συστημάτων. Η περίπτωση φορτίων σταθερής μιγαδικής ισχύος (CPL) διερευνάται επίσης σε σχέση με την προτεινόμενη γενικευμένη αναπαράσταση CIAT. Εξετάζονται διάφορες πτυχές σχετικά με την ανάγκη χαρακτηρισμού ορισμένων φορτίων ως σταθερής μιγαδικής ισχύος στο πρότυπο των σύγχρονων ΣΗΕ, ενώ οι βασικές ιδιότητες τέτοιων φορτίων εξετάζονται λαμβάνοντας υπόψη μια τυπική τοπολογία ελεγχόμενου μετατροπέα ανύψωσης τάσης dc/dc ο οποίος τροφοδοτεί ένα CPL. Τέλος, χρησιμοποιείται η γενικευμένη αναπαράσταση CIAT για την ακριβή μοντελοποίηση μιας ενδεικτικής εφαρμογής ενός σύγχρονου ΣΗΕ, το οποίο διαθέτει ελεγχόμενες διεπαφές μετατροπέων ισχύος καθώς και ηλεκτρομηχανικές συνιστώσες. Σε αυτήν τη διαδικασία, οι αξιοσημείωτες ιδιότητες που συνοδεύουν αυτήν την προσέγγιση μοντελοποίησης αναδεικνύονται πλήρως.