ΗΜΕΡΙΔΑ Λαμία 26/11/15 «Καινοτομία και Εφαρμοσμένη έρευνα στο Τ.Ε.Ι. Στερεάς Ελλάδας στα πλαίσια της πράξης Αρχιμήδης ΙΙΙ» Υποέργο 7: «Διασύνδεση Διεσπαρμένης Παραγωγής από Α.Π.Ε. στα Δίκτυα Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας: Διερεύνηση Τοπολογιών Ηλεκτρονικών Μετατροπέων και ανάπτυξη μοντέλων για μελέτες ανάλυσης Δικτύων (RES)» Περπινιάς Ιωάννης e-mail: jperpiniαs@ece.upatras.gr Υποψήφιος διδάκτορας Πανεπιστημίου Πατρών Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών
Μερίδιο των ΑΠΕ στην παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς Φ/Β συστημάτων Πηγή: Ιnternational Energy Agency
Πρόβλεψη ανάπτυξης Φ/Β συστημάτων χαμηλής και υψηλής κλίμακας ανά έτος Πηγή: European Photovoltaic Industry Association
Αντικείμενο έρευνας Σχεδιασμός ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης, έτσι ώστε σε περίπτωση σφάλματος να ανταποκρίνονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις των νέων κωδικών δικτύου Fault Ride Through Capability (FRTC), και ιδιαίτερα υπό συνθήκες υψηλού επιπέδου διείσδυσης.
Πρόταση: Μοντελοποίηση και ελέγχος των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης ως συμβατικών σύγχρονων γεννητριών, σε περίπτωση διαταραχής του δικτύου συνεισφορά υψηλών ρευμάτων στο σφάλμα και δημιουργία της απαραίτητης επιλεκτικότητας τάσης P,pf = Vpf I,pf P = E Vsin X Q E E I = -V jx V cos - V X 2 E P,pf X X -1 P,pf = tan 2 X V -1 P,pf pf Vpf sin tan 2 V pf
Επιμέρους βήματα ερευνητικής ανάλυσης I. Διερεύνηση εφαρμογής της απαίτησης FRTC σε διεσπαρμένες Φ/Β μονάδες ακτινικού δικτύου διανομής χαμηλής τάσης, υιοθετώντας τη μοντελοποίηση των σύγχρονων γεννητριών κατά το σφάλμα II. III. Πρόταση βέλτιστου σχεδιασμού μετατροπέων των διεσπαρμένων Φ/Β μονάδων σε δίκτυα διανομής χαμηλής τάσης με κριτήριο τη μέγιστη ικανοποίηση του κώδικα FRTC Εφαρμογή προτεινόμενου ελέγχου σφάλματος σε μονοφασικό Φ/Β σύστημα ισχύος 6 kw, ο αντιστροφέας του οποίου προσομοιώνεται με τη βοήθεια ενός μοντέλου μέσης τιμής. Διερεύνηση μεταβατικού φαινομένου κατά τη διάρκεια του σφάλματος
Ι. Υπό εξέταση δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης με Φ/Β μονάδες P,nom PL(%) = *100% S LOAD 5: 5 Φ/Β γεννήτριες/γραμμή 3: 3 Φ/Β γεννήτριες/γραμμή 1: 1 Φ/Β γεννήτρια/γραμμή Θεωρητική ανάλυση με την κατάστρωση εξισώσεων υπολογισμού τάσεων και ρευμάτων στους ζυγούς του δικτύου μετά από σφάλμα (υλοποιήθηκε σε περιβάλλον Μatlab) Τριφασικά βραχυκυκλώματα στους ζυγούς του δικτύου Επίδραση ισοδύναμης εμπέδησης X στις ηλεκτρικές ποσότητες του δικτύου και των Φ/Β Εξέταση διαφορετικών σεναρίων διασποράς και επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β μονάδων
Ι. Αποτελέσματα διερεύνησης για 3 σενάρια διασποράς και PL=30% Μείωση τιμής X και πλήρης διασπορά υψηλότερο επιπέδο τάσεων με παράλληλη αύξηση συνεισφοράς των Φ/Β μονάδων στο ρεύμα βραχυκύκλωσης Απαιτείται συμβιβασμός στην επιλογή της τιμής X ώστε να εφαρμόζεται ο κώδικας FRTC χωρίς να παραβιάζονται τα όρια λειτουργίας των Φ/Β αντιστροφέων
Ι. Αποτελέσματα διερεύνησης με πλήρη διασπορά των Φ/Β μονάδων Υψηλότερο επίπεδο διείσδυσης (PL) χαμηλότερα σχετικά ρεύματα συνεισφοράς Φ/Β αντιστροφέων στο σφάλμα ως προς το ονομαστικό τους για ίδια τιμή X Αμελητέα επίδραση στις τάσεις και το ρεύμα βραχυκύκλωσης των ζυγών του δικτύου από τη μεταβολή του PL
ΙΙ. Πρόταση βέλτιστου σχεδιασμού μετατροπέων των διεσπαρμένων Φ/Β μονάδων χαμηλής τάσης με κριτήριο την ικανοποίηση του κώδικα FRTC Στόχος βελτιστοποίησης: επίτευξη της μέγιστης δυνατής τάσης των διεσπαρμένων Φ/Β γεννητριών στο σημείο διασύνδεσης ύστερα από σφάλμα επιμήκυνση του χρόνου παραμονή τους στο δίκτυο σύμφωνα με το πρότυπο FRTC Αντικειμενική συνάρτηση Περιορισμοί 6 6 6 f(x,pl)= VjLVk,SC_1LVi X,PL i=1 j=1 k=1 d I,nom OD (%) = -1 100% I,max PL (%) = 10 120 % X =0.05 2 OD (%) < OD limit (%) I SC /I SC,TR 1 Παράγοντας υπερδιαστασιολόγησης Υψηλότερο όριο OD limit ικανοποίηση FRTC σε ένα ευρύτερο πεδίο τιμών του PL
ΙΙ. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης Αύξηση OD limit διατήρηση υψηλότερου ποσοστού ζυγών σε επίπεδο τάσης άνω του 0.1 pu μεγαλύτερες πιθανότητες παραμονής στο δίκτυο σύμφωνα με τη χαρακτηριστική FRTC εφόσον το σφάλμα αποδειχθεί παροδικό Οι βέλτιστες τιμές X δεν αλλοιώνουν αξιοσημείωτα τη λειτουργία του εξοπλισμού προστασίας του δικτύου διανομής, ακόμα και για υψηλά επίπεδα διείσδυσης
ΙΙΙ. Εφαρμογή προτεινόμενου ελέγχου σφάλματος σε διασυνδεδεμένο με το δίκτυο μονοφασικό Φ/Β αντιστροφέα χαμηλής τάσης
ΙΙΙ. Εφαρμογή προτεινόμενου ελέγχου σφάλματος σε διασυνδεδεμένο με το δίκτυο μονοφασικό Φ/Β αντιστροφέα χαμηλής τάσης Εξισώσεις μέτρου εσωτερικής τάσης αντιστροφέα και γωνίας ισχύος κατά το σφάλμα 2 E =E = V + I X 2 PV,peak,f PV,peak d,mem d,mem δ=arctan X V I d,mem d,mem Εξισώσεις ενεργού και αέργου ισχύος κατά το σφάλμα EPV,peak,f Vd,f sind P REF,f = 2 X E V cosδ-v Q REF,f = 2 X 2 PV,peak,f d,f d,f * I d,max =I d =I I NV,peak I =3I = I +I I =2.83I * *2 *2 * max INV,peak d,max q,max q,max INV,peak
ΙΙΙ. Αποτελέσματα Προσομοίωσης στο Simulink (κανονική λειτουργία) Εξαγωγή P REF εφαρμόζεται ένας τροποποιημένος αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας 1. ανίχνευση μέγιστου σημείου ισχύος MPP ακόμα και υπό ταχείες περιβαλλοντικές μεταβολές 2. μεταβλητό βήμα για ταχύτερη εύρεση MPP Επιβεβαίωση αποτελεσματικότητας του αλγόριθμου ΜPPT σε ταχείες μεταβολές της ακτινοβολίας
ΙΙΙ. Αποτελέσματα Προσομοίωσης στο Simulink (40% πτώση τάσης δικτύου) L=5 mh L=10 mh I INV,f < I max για L=5 mh και L=10 mh. E PV σταθερή εκτός από ένα πολύ μικρό υπομεταβατικό διάστημα κατά την εκδήλωση του σφάλματος και την επαναφορά της τάσης I INV,f υψηλότερο για χαμηλότερες τιμές πηνίου (L=5 mh) Μεγαλύτερη έγχυση αέργου ισχύος (Q INV,f )
ΙΙΙ. Αποτελέσματα Προσομοίωσης στο Simulink (80% πτώση τάσης δικτύου) L=5 mh L=10 mh Ενεργοποίηση περιοριστή ρεύματος για L=5 mh. Περιορισμός Ι INV,f, E PV, Q INV I INV,f < I max για L=10 mh. E PV σταθερή εκτός από ένα μικρό υπομεταβατικό διάστημα κατά την εκδήλωση του σφάλματος και την επαναφορά της τάσης Παρόμοια έγχυση αέργου και για τις δύο τιμές πηνίου, λόγω του περιοριστή ρεύματος (L=5mH)
Σύνοψη και συμπεράσματα ερευνητικής εργασίας Η προτεινόμενη μέθοδος ελέγχου ωθεί τον Φ/Β αντιστροφέα να συμπεριφέρεται ως πηγή τάσης κατά τη διάρκεια του σφάλματος (παρόμοια με τις σύγχρονες γεννήτριες) και να συνεισφέρει για έναν ορισμένο χρόνο (σύμφωνα με την απαίτηση FRTC) ρεύματα ίσα ή μεγαλύτερα του ονομαστικού του παραμένοντας στο δίκτυο Διερεύνηση της επίδρασης της ισοδύναμης εμπέδησης των Φ/Β αντιστροφέων και των παραμέτρων διασποράς και επιπέδου διείσδυσης στα δίκτυα χαμηλής τάσης σε περίπτωση διαταραχών Καλύτερη ικανοποίηση της απαίτησης FRTC μέσω της πλήρους διασποράς των Φ/Β μονάδων και ιδιαίτερα για υψηλά επίπεδα διείσδυσης σε δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης Πρόταση βελτιστοποίησης σχεδιασμού Φ/Β αντιστροφέων σε συνδυασμό με μια ρεαλιστική υπερδιαστασιολόγησή τους με στόχο τη μέγιστη ικανοποίηση της απαίτησης FRTC σε δίκτυα διανομής χαμηλής τάσης Εφαρμογή και επιβεβαίωση προτεινόμενου ελέγχου σε Φ/Β αντιστροφέα ισχύος 6 kw, όπου προστίθεται και κατάλληλος περιοριστής ρεύματος για την αποφυγή της υπέρμετρης υπερδιαστασιολόγησης και την προστασία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού του Φ/Β αντιστροφέα
Δημοσιεύσεις σε διεθνή και ελληνικά επιστημονικά συνέδρια 1) I. I. Perpinias, N. P. Papanikolaou and E. C. Tatakis, Design Principles of Low Voltage Distribution Networks with Increased Fault Ride Through Capability, 15 th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Lille, France, 2-6 September 2013, pp. 1-8. 2) N. P. Papanikolaou, I. I. Perpinias and E. C. Tatakis, Estimation of Maximum Distributed Photovoltaic Penetration Level, Driven by Flyback Inverters in Discontinuous Conduction Mode, 16 th IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Bucharest, Romania, 25-28 May 2014, pp. 738-742. 3) I. I Perpinias, N. P. Papanikolaou and E. C. Tatakis, Applying Fault Ride Through Capability to Single Phase Grid Connected PV Systems, 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Geneva, Switzerland, 8-10 September 2015. 4) Ι. Ι. Περπινιάς, Ν. Π. Παπανικολάου, Ε. Κ. Τατάκης, Διερεύνηση και Σχεδιασμός Υψηλής Διείσδυσης και Διασποράς Διεσπαρμένων Μονάδων Παραγωγής στα Δίκτυα Διανομής Χαμηλής Τάσης, Πρακτικά Συνόδου «Αθήνα 2013» της Ε.Ε CIGRE, Αθήνα, Δεκέμβριος 2013. 5) Ι. Ι. Περπινιάς, Ν. Π. Παπανικολάου, Ε. Κ. Τατάκης, Βέλτιστος σχεδιασμός διεσπαρμένων Φωτοβολταϊκών συστημάτων χαμηλής τάσης με γνώμονα την επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης, Πρακτικά Συνόδου «Αθήνα 2015» της Ε.Ε CIGRE, Αθήνα, Δεκέμβριος 2015 (επίκειται η παρουσίαση).
Δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά 1) I. I. Perpinias, N. P. Papanikolaou and E. C. Tatakis, "Optimum design of low-voltage distributed photovoltaic systems oriented to enhanced fault ride through capability", IEΤ Generation, Transmission & Distribution, Special Issue on Power Electronic Converter Systems for Integration of Renewable Energy Sources, vol. 9, no. 10, pp. 903-910, July 2015. 2) I. I. Perpinias, N. P. Papanikolaou and E. C. Tatakis, "Fault ride through concept in low voltage distributed photovoltaic generators for various dispersion and penetration scenarios", Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 12, pp. 15-25, Dec. 2015.
Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας