Μέθοδοι αποκεντρωμένου ελέγχου μικροδικτύου με ΑΠΕ για τη βελτίωση της λειτουργίας σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση
Creators: name: Ουρεϊλίδης, Κωνσταντίνος Ο.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Μικροδίκτυο
Προστασία μικροδικτύου
Μείωση απωλειών
Αποκεντρωμένος έλεγχος μετατροπέων
Microgrid
Microgrid protection
Power loss reduction
Decentralized converter control

description: Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου σε μετατροπείς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), με σκοπό τη βελτίωση της μόνιμης και μεταβατικής λειτουργίας μικροδικτύων χαμηλής τάσης. Στα μικροδίκτυα προσφέρεται η δυνατότητα λειτουργίας είτε σε συνεργασία με το κυρίως δίκτυο σε διασυνδεμένη κατάσταση λειτουργίας, είτε αυτόνομα σε νησιδοποιημένη κατάσταση. Επειδή οι περισσότερες διανεμημένες πηγές ενέργειας (ΔΠΕ) συνδέονται στο μικροδίκτυο μέσω DC/AC ή AC/DC/AC μετατροπέων, ο έλεγχος του μικροδικτύου μπορεί να επιτευχθεί μέσω της ανάπτυξης κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου των μετατροπέων τους. Στη νησιδοποιημένη κατάσταση λειτουργίας, ο κάθε μετατροπέας ελέγχεται με τη μέθοδο των στατικών χαρακτηριστικών, ενώ προτείνονται τρεις επιμέρους στρατηγικές ελέγχου για την αντιμετώπιση επιμέρους ζητημάτων. Η πρώτη στρατηγική στοχεύει στη μείωση των κυκλοφορούντων ρευμάτων άεργης ισχύς, μέσω της ρύθμισης της εικονικής σύνθετης αντίστασης. Σε αντίθεση με τη βιβλιογραφία, η αναπροσαρμογή της τιμής της εικονικής αντίστασης γίνεται χωρίς τη χρήση επικοινωνίας και ανεξάρτητα από την τοπολογία του μικροδικτύου. Εν συνεχεία, προτείνονται δύο μεθοδολογίες ελέγχου για τη βελτίωση της τάσης από την εισαγωγή μη γραμμικών και ασύμμετρων φορτίων στο μικροδίκτυο. Η μέθοδος που προτείνεται υλοποιείται στο στρεφόμενο dq0 πλαίσιο ελέγχου, με αποτέλεσμα οι μεταβολές τις συχνότητας στη νησιδοποιημένη κατάσταση λειτουργίας να εντάσσονται με έμμεσο τρόπο στον έλεγχο. Επειδή η έννοια του όρου μικροδίκτυο συμπεριλαμβάνει εκτός από τις μονάδες παραγωγής ενέργειας και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, προτείνεται η στρατηγική τοποθέτηση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας στο Σημείο Κοινής Σύνδεσης του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο. Ο στόχος είναι να υλοποιείται η διαδικασία του συγχρονισμού και της μείωσης των απωλειών στη διασυνδεδεμένη κατάσταση λειτουργίας, χωρίς τη χρήση επιπρόσθετης επικοινωνίας. Ένα άλλο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ύπαρξη σφάλματος σε ένα νησιδοποιημένο μικροδίκτυο αποτελούμενο από ΔΠΕ με μετατροπέα, ο οποίος προστατεύεται με συμβατικά μέσα προστασίας. Η ανίχνευση του σφάλματος γίνεται υπολογίζοντας με έμμεσο τρόπο τη μεταβολής της σύνθετης αντίστασης του μικροδικτύου. Στη συνέχεια, κάθε μετατροπέας εξαναγκάζεται να σύμφωνα με την προτεινόμενη μεθοδολογία ελέγχου να εγχέει ένα ρεύμα σφάλματος αντιστρόφως ανάλογο του μέτρου της μετρούμενης σύνθετης αντίστασης. Η εκκαθάριση του σφάλματος πραγματοποιείται με επιλεκτικό τρόπο, αφού οι πιο κοντινοί στο σφάλμα μετατροπείς εγχέουν μεγαλύτερα ρεύματα σε σχέση με τους πιο απομακρυσμένους. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μεθοδολογίες, δεν απαιτείται κανένα είδος επιπρόσθετης επικοινωνίας. Τέλος, προτείνεται μία μεθοδολογία ελέγχου για μείωση των απωλειών σε νησιδοποιημένα μικροδίκτυα. Η μέθοδος προσαρμόζει τις κλίσεις των στατικών χαρακτηριστικών σύμφωνα με τη μετρούμενη σύνθετη αντίσταση. Επομένως, οι πιο απομακρυσμένες ΔΠΕ εγχέουν μικρότερα ρεύματα, συμβάλλοντας στη μείωση των απωλειών. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε τοπολογία μικροδικτύου, ανεξάρτητα από τη θέση των ΔΠΕ ή των φορτίων και χωρίς τη χρήση επικοινωνίας. Επιπλέον, με την προτεινόμενη μέθοδο ελέγχου, δεν απαιτείται η εισαγωγή της εικονικής σύνθετης αντίστασης.
description: The aim of the present dissertation is the development of decentralized control methodologies for converters of Renewable Energy Resources (RES) for the steady-state and transient operation of a low-voltage microgrid. The microgrids can operate both grid-connected and in island mode. Since the majority of the Distributed Energy Resources (DERs) is connected to the microgrid via DC/AC or AC/DC/AC converters, the operation of the microgrid can be successfully controlled by the proper control strategies of the converters. In island operation, each converter implements the droop control method, while three control methods have been proposed, in order to deal with emerging problems of the microgrid. The first one target at the reduction of circulating currents among the connected DERs. For this reason, the virtual impedance control is added. Contrary to other methods presented in the literature, no physical communication is used and the topology of the microgrid can have an arbitrary form. Furthermore, two other methodologies are proposed, in order to feed the microgrid with a high quality voltage, irrespective of non-linear and asymmetrical loads. The methods are implemented by using the dq0 transformation. Therefore, the frequency variations are inserted indirectly in the control strategy. As the microgrid concept contains except from DERs and loads and energy storage systems, this dissertation proposed the strategic placement of one energy storage system at the point of common coupling of the microgrid with the main grid. The goal is to undertake the synchronization process and reduce the power losses in grid-connected operation mode of the microgrid without using any kind of physical communication. Another issue concerns the protection problem in an islanded looped microgrid with converter-dominated DERs. The fault is identified by calculating indirectly the microgrid impedance drop. Consequently, each DER injects a fault current proportional to the measured impedance, following a proposed droop curve. The fault clearing is implemented in a selective way, as the DERs closer to the fault inject larger currents, compared with the other DERs. Therefore, the microgrid can be protected with conventional overcurrent devices, without any further communication. Finally, a control strategy for loss reduction in island operation mode is also developed. This method utilizes the droop control with adaptive droop coefficients, according to the measured microgrid impedance. The DERs closer to the loads inject larger currents, while the far ones smaller currents, leading to line loss reduction. The proposed methodology can be implemented in every microgrid topology, irrespective of the location of the DERs and loads. Furthermore, a virtual impedance control is not necessary, as the impact of the different line impedances is inherently adopted in the adaptive droop coefficients.