Μη Γραμμική Ανάλυση, Έλεγχος Και Ευστάθεια Συστημάτων Ισχύος Με Φωτοβολταϊκή Πηγή Και Ελεγχόμενους Μετατροπείς

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων ανάλυσης και ελέγχου σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν ως κύρια πηγή φωτοβολταϊκές (Φ/Β) συστοιχίες. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα της Φ/Β πηγής ενέργειας, των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας και των μετατροπέων ισχύος, αναλύεται η συμπεριφορά των Φ/Β συστημάτων είτε σε λειτουργία διασύνδεσης με το δίκτυο ή σε αυτόνομη λειτουργία. Επειδή, δυο είναι οι βασικές ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των Φ/Β συστημάτων, η ανάλυση μας εστιάζεται στους δυο αυτούς μετατροπείς, δηλαδή το μετατροπέα συνεχούς ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (ΣΡ/ΣΡ) ανύψωσης τάσης (μονής ή διπλής κατεύθυνσης) και τον τριφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (ΕΡ/ΣΡ). Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνονται απλοί νόμοι ελέγχου, κοινής μορφής και γενικής χρήσης, για τον έλεγχο συστημάτων Φ/Β πηγής/μετατροπέων ισχύος που είναι εύκολα υλοποιήσιμοι σε ένα πραγματικό σύστημα. Οι διατάξεις ελέγχου αυτές ενσωματώνονται στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος δημιουργώντας έτσι μια ολοκληρωμένη μονάδα διεπαφής, η οποία επιτυγχάνει τους επιθυμητούς στόχους ελέγχου κάθε φορά ανεξάρτητα από την τοπολογία του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, αναπτύσσεται μια γενική μέθοδος ανάλυσης που αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εξασφαλίζει ευστάθεια κλειστού βρόχου για τα συστήματα αυτά, σθεναρότητα και αποτελεσματική λειτουργία στη μεταβατική και μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Αρχικά, η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εφαρμόζεται σε ένα μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης που τροφοδοτεί ένα ωμικό φορτίο. Στη συνέχεια, εξετάζεται η περίπτωση του τριφασικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ. Ακολούθως, μελετάται ένα Φ/Β σύστημα συνδεδεμένο στο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων πολλών βαθμίδων και συγκεκριμένα ενός μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ενός τριφασικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ. Η ολοκλήρωση της εφαρμογής του προτεινόμενου ελέγχου γίνεται με τον έλεγχο ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος που ενσωματώνει συσσωρευτές και τροφοδοτεί φορτία ΣΡ και ΕΡ. Για την πλήρη επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων, οι παραπάνω περιπτώσεις αναλύθηκαν με εκτενείς προσομοιώσεις, ενώ επιπλέον πραγματοποιήθηκαν οι κατάλληλες πειραματικές υλοποιήσεις μέσω σύνθετων εργαστηριακών διατάξεων.