title: Βελτιστοποίηση ροής άεργου ισχύος από φωτοβολταϊκούς μετατροπείς DC/AC στο ηλεκτρικό δίκτυο
title: Optimization of reactive power flow by DC/AC photovoltaic (PV) inverters into the electrical grid
Creators: name: Κοσμοπουλος Στεφανος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Μία συνέπεια της ραγδαίας μείωσης του κόστους των φωτοβολταϊκών συστημάτων, είναι ότι η εγκατεστημένη ισχύς τους συνεχώς αυξάνεται τα τελευταία χρόνια. Αυτό οδηγεί σε μία μεταβολή στον τρόπο λειτουργίας των δικτύων χαμηλής τάσης, δεδομένου ότι η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος γίνεται αμφίδρομη. Τα υψηλά επίπεδα διείσδυσης των φωτοβολταϊκών παραγωγών ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούν να προκαλέσουν πολλά σημαντικά λειτουργικά προβλήματα στο ηλεκτρικό δίκτυο, όπως την υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος εξαιτίας των πτώσεων τάσης ή των παροδικών υπερτάσεων. Η ύπαρξη φωτοβολταΐκών μετατροπέων DC/AC με δυνατότητα ρύθμισης της άεργου ισχύος συμβάλει στη ρύθμιση της τάσης κάτω από δύσκολες μεταβατικές συνθήκες, συνεισφέρει σημαντικά στην μείωση των απωλειών ενέργειας του δικτύου, στην βελτίωση της ευστάθειας και αξιοπιστίας του, αλλά και σε οικονομικό όφελος τόσο για τον πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και για τον καταναλωτή.
Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη ορισμένων μεθόδων ελέγχου των μετατροπέων DC/AC των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΔΠ) που συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο, προκειμένου να διευκολυνθεί η ομαλή ενσωμάτωσή τους στο δίκτυο χαμηλής τάσης και η όσο το δυνατόν αποδοτικότερη συμβολή αυτών στη ρύθμιση της τάσης του δικτύου. Η λεπτομερής προσομοίωση της λειτουργίας τους έγινε με την βοήθεια του Matlab/Simulink. Στο πλαίσιο των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν, κατασκευάστηκε ένα γενικευμένο μοντέλο ενός δικτύου χαμηλής τάσης με παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από δέκα φωτοβολταϊκά συστήματα ισχύος. Κύριο σκοπό αποτέλεσε η μελέτη της δυνατότητας ρύθμισης της τάσης του δικτύου μέσω του ελέγχου της άεργου ισχύος που διανέμεται στο δίκτυο από τους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς DC/AC, αναπτύσσοντας ένα δυναμικό μοντέλο μιας μεγάλης διανεμημένης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης συνολικής ισχύος 100 kWp. Ο έλεγχος της άεργου ισχύος από τους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς έγινε με την τεχνική του ελέγχου της τάσης μέσω της άεργου ισχύος [Q(U) Control]. Η απόδοση του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου αξιολογήθηκε μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων χρησιμοποιώντας ρυθμιζόμενες παραμέτρους ανά κύκλωμα. Η αρχή λειτουργίας του Q(U) Control βασίζεται στον υπολογισμό και την μεταβολή της άεργου ισχύος που διανέμεται στο δίκτυο από τους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς, ανάλογα με την μετρούμενη τοπική τάση στα άκρα τους. Η εκτίμηση των πολλαπλών σημείων λειτουργίας της άεργου ισχύος γίνεται βάσει μίας χαρακτηριστικής Q-U, η οποία μπορεί να προγραμματιστεί εκ των προτέρων στους μετατροπείς ισχύος. Η συγκεκριμένη τεχνική ελέγχου μπορεί να λειτουργήσει αυτόνομα και επιτρέπει την αύξηση των επιπέδων διείσδυσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο δίκτυο διανομής, διατηρώντας παράλληλα στο ελάχιστο τις καταστάσεις εμφάνισης ανυψώσεων τάσης στο δίκτυο. Ως παράπλευρο όφελος, ο έλεγχος της έγχυσης ή απορρόφησης άεργου ισχύος από κάθε φωτοβολταϊκό μετατροπέα DC/AC παρέχει ένα εργαλείο στις υπηρεσίες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας για την ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών στα κυκλώματα των γραμμών μεταφοράς. Παράλληλα, στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας παρουσιάζεται η εφαρμογή και η ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου στο Matlab/Simulink για την βελτιστοποίηση της ροής άεργου ισχύος σε ρεαλιστικές συνθήκες, σε διάφορα σενάρια παραγωγής ενέργειας. Η ιδέα βασίζεται στον σχεδιασμό μιας σειράς ενεργειών, οι οποίες επιλέγουν κατάλληλα την βέλτιστη ευαισθησία ελέγχου άεργου ισχύος ανάλογα με τις διακυμάνσεις της τάσης στο σημείο σύνδεσης των συστημάτων ισχύος των φωτοβολταϊκών μονάδων με το ηλεκτρικό δίκτυο. Από την ανάλυση των μετρήσεων προέκυψε πως τα αποτελέσματα της αυτής της μεθόδου ρύθμισης τάσης, στα πλαίσια της διάταξης που προσομοιώθηκε, ανταποκρίνονται στην θεωρητική μελέτη που προηγήθηκε.
description: A significant consequence of the rapid cost reduction in photovoltaic (PV) systems is their continuously increasing installed capacity in recent years. This growth is transforming the operation of low-voltage networks, as power flow becomes bidirectional. High penetration levels of photovoltaic electricity generation can lead to several critical operational challenges for the electrical grid, such as power quality degradation due to voltage drops or transient overvoltages. The presence of photovoltaic DC/AC converters capable of reactive power control facilitates voltage regulation under challenging transient conditions, significantly contributing to energy loss reduction, improved grid stability and reliability, as well as economic benefits for both electricity providers and consumers.
The objective of this thesis is to study specific control methods for DC/AC converters in PV Distributed Generation (DG) units connected to the electrical grid. These methods aim to enable the seamless integration of PV systems into low-voltage networks and maximize their contribution to grid voltage regulation. A detailed simulation of their operation was performed using Matlab/Simulink. As part of the simulations, a generalized model of a low-voltage network with electricity generation from ten PV systems was developed. The main goal was to investigate the potential for grid voltage regulation through reactive power control provided by photovoltaic DC/AC converters. A dynamic model of a large distributed photovoltaic installation with a total capacity of 100 kWp was developed. Reactive power control by PV converters was implemented using the Q(U) Control technique, which regulates voltage by adjusting the reactive power injected into or absorbed from the grid based on the locally measured voltage at the converter terminals. The multiple operating points of reactive power are determined by a predefined Q-U characteristic programmed into the power converters. This control method can operate autonomously, allowing for increased PV penetration levels in the distribution network while minimizing voltage rise incidents. Additionally, controlling the reactive power exchange by each DC/AC PV converter provides a tool for minimizing thermal losses in transmission line circuits. This thesis also presents the implementation and development of a control system in Matlab/Simulink to optimize reactive power flow under realistic conditions across various energy production scenarios. The approach is based on designing a series of actions that optimally adjust the sensitivity of reactive power control according to voltage fluctuations at the point of connection of PV power systems to the electrical grid. Analysis of the simulation results shows that this voltage regulation method, within the framework of the simulated configuration, aligns with the theoretical analysis conducted beforehand.