Μέθοδος βέλτιστης οδήγησης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για τη διασφάλιση της ποιότητας ισχύος σε υβριδικά μικροδίκτυα
Authors: Βαλσαμάς Φώτιος 
Published: May 2024

Το ζήτημα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι η ανάπτυξη βέλτιστων μεθόδων οδήγησης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για τη διασφάλιση της ποιότητας ισχύος σε υβριδικά μικροδίκτυα. Από τη μελέτη της βιβλιογραφίας διαπιστώθηκε ότι αυτή είναι η πλέον υποσχόμενη αρχιτεκτονική μικροδικτύων, καθώς ο διαχωρισμός της σε δύο υποδίκτυα επιτρέπει την ευέλικτη οργάνωση των ΣΤ και ΕΤ φορτίων και πηγών ενέργειας, μειώνοντας έτσι αποτελεσματικά τα στάδια μετατροπής και βελτιώνοντας τη συνολική απόδοση του μικροδικτύου. Ειδικότερα, η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη μελέτη των υβριδικών μικροδικτύων υπό το πρίσμα της αντιστάθμισης των αρμονικών συνιστωσών και των διακυμάνσεων που εμφανίζονται σε αυτά, στην ανάπτυξη βέλτιστων μεθόδων οδήγησης των υφιστάμενων μετατροπέων ισχύος του υποδικτύου ΣΤ για την αποτελεσματική αντιστάθμιση των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης που εμφανίζονται στα κομβικά σημεία του, στη διερεύνηση και την επίλυση των ζητημάτων που προκύπτουν από τη χρήση πολλαπλών κυκλωμάτων αντιστάθμισης, καθώς και στη διεύρυνση του συνεργατικού ελέγχου των μεθόδων εικονικής εμπέδησης με τις προταθείσες μεθόδους αντιστάθμισης. Όσον αφορά την αναβάθμιση της ποιότητας ισχύος στα υβριδικά μικροδίκτυα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες αναλύσεις και συγκεκριμένα αυτές του υποδικτύου ΣΤ που αφορούν την αντιστάθμιση αρμονικών συνιστωσών τάσης στον ζυγό ΣΤ, βασίζονται σε απλοποιημένες προσεγγίσεις, οι οποίες είτε αγνοούν τις εμπεδήσεις των γραμμών διασύνδεσης, είτε θεωρούν ότι οι μονάδες αντιστάθμισης συνδέονται απευθείας στην πηγή της αρμονικής παραμόρφωσης, είτε ενσωματώνονται σε αυτή. Έτσι οι υφιστάμενες μέθοδοι αντιστάθμισης παρουσιάζουν διάφορα τεχνικά ζητήματα, τα οποία δεν τις καθιστούν κατάλληλες για τη διεσπαρμένη/απομακρυσμένη αντιστάθμιση αρμονικών στα υβριδικά μικροδίκτυα. Συγκεκριμένα, οι υφιστάμενες μέθοδοι αντιστάθμισης απαιτούν την τροποποίηση του συστήματος που ενσωματώνονται, την προσθήκη επιπλέον υλικού, τη χρήση δαπανηρών πραγματικού χρόνου υποδομών επικοινωνίας και κεντρικών ελεγκτών, ενώ η αποτελεσματικότητά τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωγραφική θέση των μονάδων αντιστάθμισης και τη γνώση διαφόρων παραμέτρων του μικροδικτύου (που δεν είναι εύκολα διαθέσιμες). Επιπλέον, στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολλαπλά κυκλώματα αντιστάθμισης προκαλούνται κυκλοφορούντα ρεύματα, ενώ ο διαμοιρασμός του αρμονικού φόρτου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις εμπεδήσεις των γραμμών διασύνδεσης. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη των μικροδικτύων και συγκεκριμένα τα στοιχεία που απαρτίζουν μια μικροδικτυακή εγκατάσταση, οι βασικές τοπολογίες τους, καθώς και οι ανάγκες και τα ζητήματα που προκύπτουν από τη λειτουργία των μικροδικτύων. Προς την ίδια κατεύθυνση μελετήθηκε διεξοδικά και η υφιστάμενη κατάσταση των υβριδικών μικροδικτύων, εστιάζοντας στις κύριες μεθόδους ελέγχου των δύο υποδικτύων που αφορούν τον διαμοιρασμό των φορτίων, τη διατήρηση της τάσης και την απαλοιφή ασυμμετριών και αρμονικής παραμόρφωσης και στα δύο υποδίκτυα, ενώ ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στην ενεργειακή διαχείρισή τους καθώς και στην αρμονική αλληλεπίδραση των δύο υποδικτύων. Έτσι, εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα ως προς τον ρόλο των υβριδικών μικροδικτύων στην εξέλιξη των συστημάτων ενέργειας, καθώς και των τεχνικών ζητημάτων που πρέπει να αντιμετωπιστούν για την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωσή τους.Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν πρωτότυπες, βέλτιστες μέθοδοι οδήγησης στους υφιστάμενους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος των υβριδικών μικροδικτύων, με σκοπό την αναβάθμιση της ποιότητας ισχύος τους μέσω της αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας της τάσης στα κομβικά σημεία του υποδικτύου ΣΤ. Οι μέθοδοι αυτές αίρουν την ανάγκη προσθήκης επιπλέον συσκευών και επικοινωνιακών υποδομών, προσδίδοντας έτσι σημαντική ευελιξία στο μικροδίκτυο, καθώς επιτρέπουν την επεκτασιμότητά του και απλοποιούν τη διαδικασία εγκατάστασης του, ενώ παράλληλα μειώνουν το κόστος ανάπτυξης και λειτουργίας του.Σημαντικό τμήμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάλυση του υποδικτύου ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων, υπό το πρίσμα της αντιστάθμισης των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης από μετατροπείς αντιστάθμισης που δε συνδέονται απευθείας στον ζυγό ΣΤ. Με βάση τη θεώρηση αυτή, η ανάλυση του υποδικτύου ΣΤ διαφέρει από τη συνήθη προσέγγιση στην οποία αγνοείται η επίδραση των εμπεδήσεων των γραμμών διασύνδεσης. Επομένως, παρουσιάστηκε μια λεπτομερής μαθηματική ανάλυση από την οποία αναδείχθηκαν ο τρόπος λειτουργίας των μεθόδων αντιστάθμισης, τα προβλήματα που εγείρονται από τη χρησιμοποίησή τους και πιθανοί τρόποι αντιμετώπισης αυτών των προβλημάτων, όταν δεν αγνοείται η επίδραση των γραμμών διασύνδεσης. Με τη βοήθεια αυτής της ανάλυσης έγινε σαφές ότι η ανάπτυξη μιας βέλτιστης μεθόδου αντιστάθμισης η οποία δεν επηρεάζεται από τις γραμμές διασύνδεσης και ενσωματώνεται εύκολα στον υφιστάμενο εξοπλισμό, είναι υψίστης σημασίας. Σε αυτό το πλαίσιο αναπτύχθηκε μια βέλτιστη μέθοδος αντιστάθμισης των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης στα κομβικά σημεία του υποδικτύου ΣΤ. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα αντιστάθμισης, το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική απόσταση από τον ζυγό ΣΤ, ενώ η επίτευξη της αντιστάθμισης υλοποιείται μέσω ενός γενετικού αλγορίθμου, ο οποίος αναπτύχθηκε και σχεδιάστηκε για αυτόν τον σκοπό. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη μέθοδος αντιστάθμισης, η οποία μέσω μεταευρετικών αλγορίθμων συντονίζει πολλαπλά κυκλώματα για την επίτευξη της αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας της τάσης στο υποδίκτυο ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων, αποφεύγοντας έτσι προβλήματα που εγείρονται από τη χρησιμοποίηση ενός μόνο κυκλώματος αντιστάθμισης, όπως αστοχίες μονού σημείου και ζητήματα δυναμικότητας. Παράλληλα, αναλύθηκε το υποδίκτυο ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων υπό το πρίσμα της συνεργατικής αντιστάθμισης, με σκοπό την ανάδειξη των προβλημάτων που εγείρονται από τη χρησιμοποίηση πολλαπλών κυκλωμάτων αντιστάθμισης καθώς και τον τρόπο λειτουργίας των μεθόδων που αντισταθμίζουν τοπικά αρμονικές παραμορφώσεις. Τέλος, παρουσιάστηκαν συγκριτικά (ποιοτικά και ποσοτικά) τα τεχνικά χαρακτηριστικά των κυριότερων μεθόδων αντιστάθμισης που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας έτσι τη συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο συγκεκριμένο ερευνητικό ζήτημα. Στο επόμενο βήμα, αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η διερεύνηση του συνεργατικού ελέγχου των μεθόδων εικονικής εμπέδησης με τη μέθοδο της συντονισμένης αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας που προτάθηκε. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύχθηκαν, μοντελοποιήθηκαν και μελετήθηκαν δύο νέες στρατηγικές ελέγχου, οι οποίες διορθώνουν τα σημεία λειτουργίας των κυκλωμάτων αντιστάθμισης που λειτουργούν με μεθόδους εικονικής εμπέδησης. Τα κύρια πλεονεκτήματα των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου είναι η επίτευξη της αποτελεσματικής αντιστάθμισης ανεξάρτητα από τις γραμμές διασύνδεσης, η απαλοιφή των κυκλοφορούντων ρευμάτων που προκαλούνται από τις μεθόδους εικονικής εμπέδησης, η εξασφάλιση του διαμοιρασμού του αρμονικού φόρτου στις χρησιμοποιούμενες μονάδες και η μη χρησιμοποίηση επικοινωνιών πραγματικού χρόνου και κεντρικών ελεγκτών. Η κύρια διαφορά των δύο στρατηγικών έγκειται στο γεγονός ότι η μία προτείνεται αποκλειστικά για μικροδίκτυα με ωμικές γραμμές διασύνδεσης, ενώ η άλλη προτείνεται κυρίως σε μικροδίκτυα με σύνθετες γραμμές διασύνδεσης. Τέλος, η αποτελεσματικότητα των δύο αυτών στρατηγικών αξιολογήθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι οι προτεινόμενες στρατηγικές συμβάλλουν ουσιαστικά στη μείωση των αρνητικών επιδράσεων και στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων εικονικής εμπέδησης.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.