Συμβολή στο σχεδιασμό ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για διασυνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης φωτοβολταϊκά συστήματα
Authors: Περπινιάς Ιωάννης 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε διεσπαρμένες Φωτοβολταϊκές (Φ/Β) μονάδες (κτιριακά Φ/Β συστήματα) ισχύος 1–20kW, που συνδέονται στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Ειδικότερα, το αντικείμενο της εργασίας εστιάζεται στη διερεύνηση της μεθοδολογίας ελέγχου και της συμπεριφοράς των αντιστροφέων, μέσω των οποίων συνδέονται οι Φ/Β συστοιχίες με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, ύστερα από σφάλμα σε κάποιο από τα σημεία σύνδεσης των μονάδων αυτών με το δίκτυο.Βασικός σκοπός της διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης των κτιριακών Φ/Β μονάδων στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Η πραγματοποίηση αυτού του σκοπού προϋποθέτει τον κατάλληλο σχεδιασμό και έλεγχο των Φ/Β αντιστροφέων, ώστε να ανταποκρίνονται με τρόπο επικουρικό ως προς το δίκτυο σε περίπτωση διαταραχής (disturbance), σύμφωνα με τις απαιτήσεις των νέων κωδικών δικτύου.Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την επιτυχή ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής ήταν οι ακόλουθοι:Η βιβλιογραφική διερεύνηση των νέων κωδικών δικτύου και ειδικότερα της απαίτησης για ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας (Fault Ride Through Capability, FRTC) των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου.Η διερεύνηση της συμπεριφοράς, καθώς και των επιπτώσεων των παραμέτρων σχεδιασμού, των συνδεδεμένων διεσπαρμένων Φ/Β συστημάτων στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, σε περίπτωση μόνιμου σφάλματος, όταν εφαρμόζεται μια μεθοδολογία ελέγχου τέτοια, ώστε να αποκρίνονται ως συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες .Η διερεύνηση της ικανότητας επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β μονάδων χαμηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανομής μέσω ενός βέλτιστου σχεδιασμού τους.Η επινόηση μιας μεθοδολογίας ελέγχου για τα Φ/Β συστήματα ενός δικτύου διανομής χαμηλής τάσης, η οποία θα πρέπει αφενός μεν να ικανοποιεί την εύρυθμη λειτουργία του Φ/Β συστήματος σε μόνιμη κατάσταση, αφετέρου δε να συμβάλει στην ικανοποίηση της απαίτησης FRTC σε περίπτωση σφάλματος.Αρχικά, διενεργείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των μέχρι πρότινος κανόνων λειτουργίας των διεσπαρμένων μονάδων και κυρίως των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης, σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι κώδικες δικτύου της τελευταίας δεκαετίας, με τους οποίους εισάγεται σε υψηλής ισχύος μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, η απαίτηση FRTC. Τέλος, παρουσιάζονται οι πρόσφατες εξελίξεις που αφορούν τους νεοεισαχθέντες κώδικες ορισμένων ενεργειακών αγορών για το δίκτυο χαμηλής τάσης και ιδίως αυτούς που αφορούν τα Φ/Β συστήματα.Έπειτα, λαμβάνοντας υπόψη την ενσωμάτωση των νέων κωδικών δικτύου στα Φ/Β συστήματα χαμηλής τάσης και την απόκριση των κλασσικών γεννητριών σε υψηλότερα επίπεδα τάσης όσον αφορά την ικανοποίηση της απαίτησης FRTC, διερευνάται η συμπεριφορά των Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης, όταν ελέγχονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η λειτουργική τους συμπεριφορά κατά τη διάρκεια διαταραχών, να είναι παρόμοια με αυτή των συμβατικών γεννητριών. Ως παράμετροι της διερεύνησης χρησιμοποιούνται το επίπεδο διείσδυσης, η διασπορά και η εμπέδηση της επαγωγής που εμπεριέχεται στο μετατροπέα των διεσπαρμένων Φ/Β γεννητριών.Ως πρώτο βήμα της διερεύνησης, εξάγονται αναλυτικοί τύποι υπολογισμού των τάσεων των ζυγών και των ρευμάτων των Φ/Β μετατροπέων, σε περιπτώσεις μόνιμων τριφασικών σφαλμάτων σε οποιοδήποτε ζυγό ενός ακτινικού δικτύου διανομής χαμηλής τάσης. Για τις ανάγκες της διερεύνησης αυτής, οι Φ/Β μονάδες μοντελοποιούνται ως πηγές τάσης σε σειρά με την εμπέδηση που εμπεριέχεται στο μετατροπέα μέσω του οποίου συνδέονται στο δίκτυο.Ως δεύτερο βήμα της διερεύνησης, εξετάζεται η επίδραση των παραμέτρων στις προαναφερθείσες ηλεκτρικές ποσότητες και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα όσον αφορά την επιλογή των παραμέτρων και τις δυνατότητες ικανοποίησης της απαίτησης FRTC.Στη συνέχεια, διερευνάται η ικανότητα επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β μονάδων χαμηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασμός των Φ/Β μονάδων με παραμέτρους την τιμή της εμπέδησης που εμπεριέχεται στο μετατροπέα, καθώς και το επίπεδο διείσδυσης, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή τάση στους ζυγούς διασύνδεσης των Φ/Β μονάδων, κατά τη διάρκεια ενός μόνιμου σφάλματος σε οποιοδήποτε ζυγό του δικτύου διανομής. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη επιμήκυνση του χρόνου παραμονής των Φ/Β μονάδων στο δίκτυο, σύμφωνα με την απαίτηση FRTC. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης και τους περιορισμούς που τίθενται αναφορικά με τη συνεισφορά των Φ/Β αντιστροφέων σε περίπτωση σφάλματος, προτείνεται κατάλληλος σχεδιασμός του μετατροπέα, ούτως ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τίθενται από τους νέους κώδικες δικτύου.Σε επόμενο στάδιο, με τη βοήθεια μια εκτενούς βιβλιογραφικής αναζήτησης, σχεδιάζεται, μοντελοποιείται και αναλύεται η μεθοδολογία ελέγχου ενός πλήρους Φ/Β συστήματος αποτελούμενου από Φ/Β συστοιχία ισχύος 6kWp και αντιστροφέα, το οποίο συνδέεται σε δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης και τροφοδοτεί ένα φορτίο. Αρχικά, περιγράφεται και προσομοιώνεται η διαδικασία συγχρονισμού και ελέγχου του Φ/Β συστήματος σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας, ενώ πιστοποιείται η ορθή λειτουργία του τόσο σε σταθερές, όσο και σε μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.Κατόπιν, λαμβάνοντας υπόψη τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διερεύνηση, σε περίπτωση σφάλματος, της συμπεριφοράς των Φ/Β συστημάτων ως συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες, προτείνεται μια σημαντική βελτίωση του αρχικού ελέγχου, ώστε το κάθε Φ/Β σύστημα να αποκρίνεται κατάλληλα και σε μεταβατικές καταστάσεις που οφείλονται σε σφάλματα στο ζυγό διασύνδεσης. Με τον διαφοροποιημένο αυτόν έλεγχο επιτυγχάνεται η λειτουργία του Φ/Β συστήματος εντός των εγγενών περιορισμών που τίθενται από τη συμπεριφορά των Φ/Β συστοιχιών και του μετατροπέα, ενώ παράλληλα ικανοποιείται και η απαίτηση FRTC, με έμφαση στην έγχυση αέργου ισχύος στο σημείο διασύνδεσης κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Επιπλέον, μελετάται η μεταβατική απόκριση του συστήματος για διάφορες περιπτώσεις σφάλματος και τιμών της εμπέδησης που εμπεριέχεται στον αντιστροφέα, καθώς και κατά την επαναφορά της στα αρχικά επίπεδα λειτουργίας. Ακόμα, παρατίθενται τα συμπεράσματα που προκύπτουν αναφορικά με τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου σε σχέση με άλλες που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία.Τέλος, θεωρώντας διαφορετικές τιμές της εμπέδησης που εμπεριέχεται στους Φ/Β αντιστροφείς, προσομοιώνεται και αναλύεται η συμπεριφορά πολλαπλών διεσπαρμένων Φ/Β μονάδων που συνδέονται σε ακτινικό δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, στις οποίες εφαρμόζεται η προταθείσα μεθοδολογία ελέγχου. Από την ανάλυση αυτή αναδεικνύονται οι θετικές επιδράσεις εφαρμογής του προτεινόμενου βελτιστοποιημένου ελέγχου, όσον αφορά την απόκριση και την παραμονή των Φ/Β συστημάτων στο δίκτυο μετά από σφάλμα.