title: Ανάπτυξη λογισμικού για την ανάλυση της μεταβατικής ευστάθειας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με μεγάλη διείσδυση αιολικών συστημάτων
title: Software development for transient stability analysis of power electric systems with large wind penetration
Creators: name: Λασκαρης Ανδρεας
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: Η εργασία αυτή αφορά την υλοποίηση λογισμικού για τον υπολογισμό της μεταβατικής ευστάθειας σύγχρονων γεννητριών αλλά και μονάδων ανεμογεννητριών. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο παραδοσιακό δίκτυο ηλεκτροδότησης με μια αναφορά στις συμβατικές μονάδες παραγωγής. Στη συνεχεία γίνεται επέκταση σε μονάδες ανεμογεννητριών με μια ιστορική ανάδρομη στη χρήση τους. Επιπλέον τοποθετείται και μια στατιστική ανάλυση που αναδεικνύει τη σημαντικότητα των μονάδων αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η κατανομή της ταχύτητας του άνεμου τονίζοντας τη στοχαστική φύση του. Έπειτα γίνεται αναφορά στον τρόπο υπολογισμού της κατανομής του άνεμου με τη μέθοδο του Weibull. Τέλος η ανάλυση καταλήγει στις βασικές αρχές της θεωρίας πτέρωσης όπου και υπολογίζεται με καλή ακρίβεια η ισχύς που προσδίδει ο άνεμος πάνω στα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η θεωρία της λειτουργίας των ηλεκτρικών μηχανών με μεγάλη έμφαση στις σύγχρονες γεννήτριες όπου διακρίνονται όλα τα χαρακτηριστικά και οι διαφοροποιήσεις των σύγχρονων μηχανών. Η ανάλυση επεκτείνεται στη χρήση του μετασχηματισμού Park με βάση την οποία γίνεται επέκταση στην επίλυση των εξισώσεων των σύγχρονων γεννητριών ηλεκτρικής διέγερσης και μονίμων μαγνητών αντίστοιχα. Μετά από την επίλυση των δύο τύπων σύγχρονης γεννήτριας αναλύεται η Ευστάθεια των σύγχρονων μηχανών σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, παρατείθενται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μιας σύγχρονης γεννήτριας ηλεκτρικής διέγερσης υπό τη λειτουργία της σαν συμβατική μονάδα παραγωγής. Στο τέταρτο κεφάλαιο εισάγεται η γενική δομή μιας ανεμογεννήτριας με τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των συστημάτων της. Έπειτα γίνεται διαχωρισμός των επιμέρους συστημάτων με πρώτο από αυτά να αναλύεται το αεροδυναμικό σύστημα και η θεωρία της μεγίστης απολαβής ισχύος από τον άνεμο. Μετά από μια επιπλέον ανάλυση των σύγχρονων γεννητριών σε αιολικά συστήματα, η συνέχεια άφορα τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς που τοποθετούνται και τον τρόπο ελέγχου αυτών. Στο τέλος του κεφαλαίου προσομοιώνεται η απόκριση ενός αιολικού συστήματος σε φυσιολογικές συνθήκες, σε βυθίσεις τάσεις, ριπές άνεμου αλλά και βραχυκυκλώματα. Το πέμπτο κεφάλαιο άφορα την περιγραφή ενός ηλεκτρικού δικτύου και την ανάλυση των ροών φορτίου σε αυτό. Αναφέρεται ξεχωριστά η μορφή της κάθε συνιστώσας του δικτύου και έπειτα ο τρόπος επίλυσης της ροής ισχύος σε αυτό. Το κεφάλαιο αυτό καταλήγει στη γενική μορφή των ζυγών και στους υπολογισμούς των τάσεων τους με τη χρήση των εξισώσεων ροών φορτίου. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται συνδυασμός των προηγουμένων κεφαλαίων με σκοπό την υλοποίηση λογισμικού το οποίο υπολογίζει τη μεταβατική ευστάθεια των μονάδων παραγωγής ενός δικτύου όταν σε αυτό εφαρμόζονται ακραίες συνθήκες (ριπές άνεμου, απότομη αύξηση ζήτησης ισχύος, βραχυκυκλώματα κ. α.). Στην αρχή αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των στοιχείων του λογισμικού. Έπειτα αναλύεται η μέθοδος υπολογισμού της ροής φορτίου πάνω σε δεδομένο ηλεκτρικό δίκτυο. Στο σημείο αυτό τοποθετείται η μέθοδος υπολογισμού η οποία είναι η Gauss     με την επέκταση της Gauss-Seidel. Μετά, ακολουθεί μια σύντομη εξήγηση της ροής των υπολογισμών και εξηγείται αναλυτικά ο τρόπος επίλυσης των διαφορικών εξισώσεων που χρησιμοποιήθηκε σε όλα τα κεφάλαια της εργασίας. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατείθενται τα αποτελέσματα του λογισμικού για την ανάλυση ενός ηλεκτρικού δικτύου έξι ζυγών στο οποίο είναι συνδεδεμένα όλα τα πιθανά συστήματα. Τέλος παρατείθeνται τα τελικά συμπεράσματα και οι πιθανές επεκτάσεις του παρόντος λογισμικού.
description: This thesis concerns the implementation of software for the transient stability analysis of power electric systems with high wind penetration. The first chapter is an introduction to the traditional power grid with a reference to conventional generating units. It is then expanded to wind turbine units with a historical background in their use. In addition, a statistical analysis is placed that highlights the importance of these units. The second chapter analyzes the distribution of wind speed, emphasizing its contemplative nature. What refers next is the way of calculating the wind distribution with the Weibull method. Finally, the analysis ends with the basic principles of the theory of flotation where the power given by the wind on the blades of a wind turbine is calculated with good accuracy. In the third chapter the theory of the operation of electric motors is developed with great emphasis on modern generators where all the features and differentiations of modern motors are distinguished. The analysis extends to the use of the Park transform, which extends to solving the equations of synchronous electrical excitation generators and permanent magnet, respectively. After the solution of the two types of synchronous generators, the Stability of synchronous machines in electricity systems is analyzed. Finally, the results of the simulation of a synchronous electrically excited generator under its operation as a conventional production unit are presented. The fourth chapter introduces the general structure of a wind turbine with the basic technical characteristics of its systems. Then the individual systems are separated with the first of them analyzing the aerodynamic system and the theory of maximum power point tracking from the wind. After an additional analysis of modern generators in wind systems, the continuation concerns the electronic converters that are installed and how to control them. At the end of the chapter, the response of a wind system is simulated in normal conditions, in sinking voltages, gusts of wind and short circuits. The fifth chapter deals with the description of an electrical network and the power flow analysis in it. The form of each component of the network is mentioned separately along with the way of resolving the power flow in each one of them. Meaning that this chapter deals with the general form of scales and their voltage calculations using power flow equations. In the sixth and last chapter, the previous chapters are combined in order to implement a software that calculates the transient stability of the production units of a network when extreme conditions are applied to it (wind gusts, sharp increase in power demand, short circuits, etc.). The characteristics of the software components are listed at the beginning. Then the method of calculating the load flow on a given electrical network is analyzed. At this point, the calculation method Gauss with the Gauss-Seidel extension are described. Next to it, there is a good analysis of the differential equation solving method that applied to every chapter of this thesis. At the end of this chapter there is a simulation of how each system reacts to various extreme conditions like the ones described before but with the extention that all systems are connected to a theoretical grid so that each system can affect the other. Finally, the final conclusions and possible future extensions for this software are presented.