Διερεύνηση της ασύρματης μεταφοράς ισχύος σε εφαρμογές μικροδικτύων συνεχούς ρεύματος
Authors: Μπαρός Δημήτριος 
Published: January 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος σε εφαρμογές μικροδικτύων συνεχούς ρεύματος. Ειδικότερα, η διατριβή εστιάζεται στη μελέτη των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος (ΑΜΙ), στη δυνατότητα αξιοποίησης αυτών για τη διασύνδεση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΜΔΠ) σε μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος, καθώς και στη διερεύνηση της μεθοδολογίας επίτευξης ενός αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο θα αποτελεί μια λύση γενικού σκοπού με ανεξάρτητα χαρακτηριστικά. Αρχικά, ως προς την αξιοποίηση των ΜΔΠ μέσω συστημάτων ΑΜΙ, διαπιστώθηκε ότι η ανάλυση των συστημάτων AMI με αντιστάθμιση σειράς-σειράς από την υφιστάμενη βιβλιογραφία είναι ελλιπής ως προς την περίπτωση έγχυσης ισχύος σε ένα ζυγό συνεχούς τάσης (ΣΤ). Συγκεκριμένα, η ανάλυση των συστημάτων ΑΜΙ βασίζεται στην απλοποιημένη προσέγγιση της ισοδύναμης αντίστασης, οι οποίες δεν μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη διασύνδεση των ΜΔΠ στους ζυγούς ΣΤ μέσω των συστημάτων ΑΜΙ. Στο ίδιο πλαίσιο, ζητήματα όπως η ανάλυση και μοντελοποίηση της ανορθωτικής γέφυρας διόδων κατά τη διασύνδεση με ζυγούς ΣΤ, καθώς και η εν γένει συμπεριφορά του συστήματος ΑΜΙ όταν τροφοδοτεί μικροδίκτυα ΣΤ παρουσιάζουν σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον.Όσον αφορά το ζήτημα του αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, η αντιμετώπισή του στην υφιστάμενη βιβλιογραφία ήταν ελλιπής. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι βελτιστοποίησης της απόδοσης σε ασύρματους φορτιστές της διεθνούς βιβλιογραφίας δεν αποτελούν λύσεις γενικού σκοπού με ανεξάρτητα λειτουργικά χαρακτηριστικά, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψιν σημαντικά ζητήματα τα οποία αποτελούν παράγοντες αβεβαιότητας κατά την ασύρματη φόρτιση. Συγκεκριμένα, ένας σημαντικός αριθμός μεθόδων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον ενσωματωμένο στο όχημα φορτιστή, από τα τεχνικά του χαρακτηριστικά, την τοπολογία που αποτελείται και από τον τρόπο ελέγχου του. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι ανίχνευσης φαίνεται να μη λαμβάνουν υπόψη τις λειτουργικές συνθήκες των συστημάτων ΑΜΙ. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η διαφοροποίηση των ωμικών αντιστάσεων των πηνίων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος κατά τη διαδικασία της φόρτισης εξαιτίας θερμοκρασιακής αύξησης. Οι εν λόγω τιμές των αντιστάσεων επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό το σημείο ανίχνευσης του βέλτιστου βαθμού απόδοσης για το σύστημα ασύρματης φόρτισης. Προς την ίδια κατεύθυνση, επισημάνθηκε και η αδυναμία ενσωμάτωσης ευέλικτων μεθόδων επικοινωνίας για την ανταλλαγή των απαραίτητων πληροφοριών μεταξύ των δύο πλευρών, η μετάδοση των οποίων έως σήμερα γίνεται με μεθόδους επικοινωνίας πραγματικού χρόνου με αυξημένη πολυπλοκότητα και με προβλήματα συμβατότητας. Τα παραπάνω στοιχεία αποτέλεσαν το βασικό κίνητρο ενασχόλησης της παρούσας διατριβής με το ζήτημα των συστημάτων ΑΜΙ, τόσο για την επίτευξη ενός αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων όσο και για τη μελέτη της δυνατότητας αξιοποίησής τους για τη διασύνδεση ΜΔΠ σε μικροδίκτυα ΣΤ. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η υφιστάμενη κατάσταση τόσο των μικροδικτύων ΣΤ όσο και των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος. Στη συνέχεια, προτάθηκε η ενσωμάτωση συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος για την αξιοποίηση πολλαπλών ΜΔΠ σε μικροδίκτυα ΣΤ. Τα πλεονεκτήματα της ενσωμάτωσης σε κτηριακές (και όχι μόνο) εφαρμογές, είναι ότι προσθέτει σημαντική ευελιξία στον ηλεκτρολογικό και αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, ενώ παράλληλα απλοποιεί τη διαδικασία εγκατάστασης και τις εργασίες συντήρησης. Σημαντικό τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί και η πρόταση ανάλυσης του συστήματος AMI με αντιστάθμιση σειράς-σειράς, εστιάζοντας στη φύση του φορτίου, το οποίο θεωρείται ως μία πηγή σταθερής τάσης, αντιπροσωπεύοντας επαρκώς έναν ζυγό ΣΤ. Με βάση την προαναφερθείσα θεώρηση, η ανάλυση του συστήματος διαφέρει από τη συνήθη προσέγγιση με την ισοδύναμη αντίσταση. Επομένως, παρουσιάστηκε ένα λεπτομερές μαθηματικό μοντέλο που προβλέπει με ακρίβεια την τιμή του συντελεστή ισχύος στην πλευρά ΕΤ της γέφυρας διόδων (χρησιμοποιώντας την πλήρη ανάλυση αρμονικών συνιστωσών). Με τη βοήθεια του προτεινόμενου μαθηματικού μοντέλου αναδείχθηκε η συμπεριφορά σταθερής παραγωγής ισχύος. Η συμπεριφορά αυτή επιβεβαιώθηκε για διάφορες τιμές του συντελεστή ποιότητας πηνίων, καθώς και του συντελεστή σύζευξης, αποτελώντας ένα πλεονεκτικό λειτουργικό χαρακτηριστικό για την περαιτέρω αξιοποίηση των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής σε μικροδίκτυα ΣΤ.Στη συνέχεια, προτάθηκε ένα βελτιωμένο σχήμα ελέγχου για ασύρματους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο μεγιστοποιεί τον βαθμό απόδοσης καθ’ όλον τον κύκλο φόρτισης και για μεγάλο εύρος αστοχίας ευθυγράμμισης. Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου εφαρμόστηκε στον μετατροπέα τροφοδότησης στην πλευρά του πρωτεύοντος και είναι ανεξάρτητο από τον ενσωματωμένο στο όχημα φορτιστή (εάν είναι τοπολογία ενός σταδίου ή δύο σταδίων, τον βρόχο ελέγχου του κ.α.). Σε αυτό το πλαίσιο, προτάθηκε ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης (χωρίς την απαίτηση επικοινωνίας σε πραγματικό χρόνο) για την εύρεση της βέλτιστης εμπέδησης του φορτίου, λαμβάνοντας υπόψιν τις συνθήκες αστοχίας ευθυγράμμισης. Σημαντικό τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί και η πρόταση υλοποίησης της απαραίτητης επικοινωνίας μεταξύ των πλευρών του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος με την τεχνολογία του Internet of Things (IoT). Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής είναι η ευελιξία, το χαμηλό κόστος και η γενικού σκοπού λύση, αποφεύγοντας παράλληλα τα προβλήματα συμβατότητας που αντιμετωπίζουν τα συστήματα ασύρματης ζεύξης που βασίζονται σε κεραίες. Παράλληλα, παρουσιάστηκαν συγκριτικά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των σχημάτων μεγιστοποίησης του βαθμού απόδοσης σε ασύρματους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας τη συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο συγκεκριμένο ερευνητικό ερώτημα.Στο επόμενο βήμα, αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η ευστάθεια του ιεραρχικού ελέγχου σε ένα οικιακό μικροδίκτυο ΣΤ. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση που έχουν τα φορτία σταθερής ισχύος, οι εμπεδήσεις των γραμμών μεταφοράς, οι χρονικές καθυστερήσεις λόγω επικοινωνίας στη μετάδοση των γειτονικών πληροφοριών, καθώς και άλλες παράμετροι του συστήματος. Η μελέτη ανέδειξε ένα βέλτιστο σχήμα δευτερεύοντος κατανεμημένου ελέγχου, ο οποίος επιτυγχάνει αποκατάσταση της τάσης στον ζυγό και αναλογικό διαμοιρασμό του φορτίου. Το πλεονέκτημά του έναντι άλλων σχημάτων κατανεμημένου ελέγχου είναι ότι τυχόν χρονικές καθυστερήσεις λόγω επικοινωνίας δεν οδηγούν σε αστάθεια στον ζυγό τάσης. Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η ενσωμάτωση ενός συστήματος ΑΜΙ στο οικιακό μικροδίκτυο ως ασύρματος φορτιστής ηλεκτρικού οχήματος με δυνατότητα αμφίδρομης ροής της ισχύος. Αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η επίδραση του συστήματος ΑΜΙ στην ευστάθεια του μικροδικτύου τόσο ως φορτίο σταθερής ισχύος, όσο και ως πηγή σταθερής ισχύος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λύσης αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι η προτεινόμενη λύση συμβάλλει ουσιαστικά στην ευστάθεια του μικροδικτύου ΣΤ.Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.