Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12482
Title: Έλεγχος μικροδικτύων βασισμένος σε διεπαφές μέσω αντιστροφέων
Other Titles: Microgrid control based on inverter interfaces
Authors: Ματιάκης, Ιωάννης
Keywords: Μικροδίκτυα
Αντιστροφείς
Έλεγχος μικροδικτύου
Keywords (translated): Microgrids
Inverters
Microgrid control
Abstract: Οι ολοένα αυξανόμενες προκλήσεις με τις οποίες βρίσκεται αντιμέτωπος ο κλάδος του ενεργειακού μηχανικού, όπως η δυσκολία κατασκευής νέων γραμμών μεταφοράς, οι διαρκώς μεταβαλλόμενες απαιτήσεις σε ενέργεια, καθώς και η κλιματική αλλαγή και οι λοιπές περιβαλλοντικές επιπτώσεις των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστούν τα μικρής κλίμακας συστήματα κατανεμημένης παραγωγής μία βιώσιμη και αποδοτική εναλλακτική σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα. Στο πλαίσιο αυτό, το μικροδίκτυο, ένα σύμπλεγμα φορτίων και πηγών κατανεμημένης παραγωγής, είτε συμβατικών, είτε ανανεώσιμων, αναμένεται να αποτελέσει σημαντικό κομμάτι της έρευνας και να δώσει νέα ώθηση στον κλάδο στο προσεχές μέλλον. Παράλληλα, η ραγδαία ανάπτυξη και η προβλεπόμενη επέκταση αυτού του είδους συστημάτων, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ανάγκη για υποστήριξη φορτίου ανεξάρτητα από το δημόσιο δίκτυο ηλεκτρισμού, έχουν καταστήσει επιτακτική ανάγκη τη βελτίωση των υπαρχόντων μηχανισμών ελέγχου τους, καθώς και την ανάπτυξη νέων. Βασικό ρόλο για το σκοπό αυτό μπορεί να παίξει ο αντιστροφέας ισχύος, μία πλήρως ελεγχόμενη συσκευή με ποικίλες δυνατότητες. Οι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που αποτελούν έναν αντιστροφέα έχουν πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά από τις συμβατικές μεθόδους ελέγχου συστημάτων ισχύος που χρησιμοποιούνταν μέχρι πρότινος, απαιτούνται επομένως διαφορετικές μέθοδοι για τη λειτουργία, τον έλεγχο και την προστασία του συστήματος. Με βάση τα παραπάνω, στόχο της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας αποτελεί η βασισμένη σε μοντέλο μελέτη των μηχανισμών ελέγχου σε συστήματα κατανεμημένης παραγωγής υπό τη μορφή μικροδικτύου, με βασικό στοιχείο τον αντιστροφέα ισχύος, ως ελεγχόμενη διεπαφή ανάμεσα σε πηγές ισχύος και φορτία. Σε αυτό το πλαίσιο, παρουσιάζονται τρία πιθανά θεωρητικά μοντέλα μικροδικτύου σε αυτόνομη λειτουργία, από τις πηγές ισχύος μέχρι τα σημεία σύνδεσης με τα φορτία. Οι διατάξεις εσωτερικού και πρωτογενούς ελέγχου των αντιστροφέων και των ανορθωτών, όπως οι βρόχοι ελέγχου τάσης και ρεύματος, καθώς και οι ελεγκτές στατισμού, προσομοιώνονται με χρήση του λογισμικού Simulink. Επιπλέον, εξετάζονται, μελετώνται και αναλύονται τα αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις που προκύπτουν από την προσομοίωση. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στην έννοια της κατανεμημένης παραγωγής, ενώ μέσω μίας ιστορικής αναδρομής αναλύονται οι παράγοντες που έχουν ωθήσει στη ραγδαία ανάπτυξή της τα τελευταία χρόνια. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά ενός μικροδικτύου, τα φορτία και οι τύποι πηγών που μπορεί να περιλαμβάνει, καθώς και οι τρόποι λειτουργίας του με σύνδεση ή όχι στο δημόσιο δίκτυο. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τις τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας, συμβατικές ή ανανεώσιμες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα μικροδίκτυο, με ιδιαίτερη έμφαση στα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα, καθώς και στα συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας-ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται οι μέθοδοι ελέγχου ενός μικροδικτύου, παρουσιάζεται η έννοια του ιεραρχικού ελέγχου, ενώ γίνεται αναφορά στις αρχές λειτουργίας και τις εφαρμογές των μετατροπέων ισχύος και ιδιαίτερα των αντιστροφέων. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τρία θεωρητικά μοντέλα μικροδικτύου, κυκλωματικά και υπό μορφή μαθηματικών εξισώσεων, από τις πηγές ισχύος μέχρι τα φορτία. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται στο έκτο κεφάλαιο η υλοποίηση με χρήση του λογισμικού Simulink των προαναφερθέντων μοντέλων, ενώ μελετάται η συμπεριφορά τους για διάφορες πιθανές διακυμάνσεις στο φορτίο και την τάση ή το ρεύμα εισόδου. Παράλληλα, σχολιάζονται τα αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις που προκύπτουν από την προσομοίωση. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο καταγράφονται κάποια γενικά συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για περεταίρω μελέτη.
Abstract (translated): The steadily growing challenges a power engineer has to confront, such as the difficulty of incorporating additional power lines into existing systems, the constantly changing demand in electrical power, as well as the climate change and the wide range of effects that power systems have on the environment, have established distributed generation systems as a viable and efficient alternative compared to traditional ones. In this frame, the microgrid, a localized grouping of distributed energy resources, either conventional or renewable, and various loads, is expected to evolve into a major field for research and give a boost to the energy sector in the near future. Meanwhile, the rapid growth and projected increase in incorporating small-scale energy sources into the system, in addition to the need of supporting loads independently from the public grid, have rendered the optimization of control methods which are currently in use, as well as the development of new ones, a vital necessity. For this purpose, the power inverter, a fully controllable device offering a multitude of capabilities, plays a basic role. The power electronics that comprise a power inverter have very different operational features compared to conventional control schemes, which were in use for this purpose until recently. Therefore, it is required that alternative methods are developed, regarding the operation, control and protection of microgrid-based systems. Based on the previous facts and assumptions, the present dissertation focuses on the model-based study of the control mechanisms applied on full-scale distributed generation systems in the form of a microgrid, with the voltage source inverter being a key element of the system, functioning as a controllable interface between power sources and loads. In this context, three possible theoretical models of autonomous microgrids are presented, from the power sources to the point of connection to the loads. The inner and local control schemes of the power inverters and rectifiers, including the voltage and current control loops, as well as the droop control schemes, are simulated with the aid of Simulink software. Additionally, the simulation results and plot figures are examined and discussed. More specifically, chapter one introduces the reader to the concept of distributed generation and additionally, the factors that have led to the recent boom of this kind of systems are listed through a historical review. The second chapter focuses on the main characteristics of a microgrid, the types of energy sources and loads that can be incorporated to them, as well as their operation and possible connectivity to the main grid. Chapter three includes the power generation technologies that can be used in a microgrid, either conventional or renewable, with an emphasis on wind and photovoltaic systems, as well as combined heat-power systems. In chapter four, the methods of microgrid control are examined, with the concept of hierarchical control being presented and the operational principals and applications of power converters and inverters being discussed. In the fifth chapter, three possible theoretical microgrid models are presented, including circuit diagrams and mathematical equations, from the power sources to the loads. Chapter six focuses on the realization of the previous models using Simulink, while examining their behavior under various possible fluctuations of their loads and input voltages or currents. Furthermore, the simulation results and the corresponding plot figures are discussed. Finally in chapter seven some general conclusions are drawn and several suggestions for further research are given.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Matiakis(ele).pdf6.53 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.