Σχεδίαση δικτύων υψηλών τάσεων με εργαλεία πληροφορικής για σύνδεση μονάδων ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Abstract

An ad-hoc environment for electric system analysis is presented in this dissertation. This environment is capable to calculate the steady and dynamic behavior of the electric grid. In order this system to operate adequately the collection, store, compilation, analysis, and presentation of all the data needed is essential. Consequently the use of Geographic Information System (GIS) is proposed, mainly due to their readiness of data store. GIS are classifying the data in layers. Every layer includes a package of information (exempli gratia the electric grid, geographic data, photovoltaic potential wind potential). The anteposition of a group layer creates the complete simulation system. After this, the information needed is dispatched to an appropriate for electric grid simulation program. This program is ATP-EMTP which is able to give reliable results and it is an open source program. The suggested technique could be used for grid analysis with renewable energy generations (distributed generations) where the old designed passive electric grid brings out several questions. These questions are related with grid stability issues where the penetration of distributed generation causes important changes to design procedures used. The distributed generation increases short circuit power at the grid. This creates an increase to short circuit currents and requires additional protection measures. Also protection selectivity issues are created. To simulate adequately the electric grid and especially its dynamic behavior the use of appropriate circuit models is essential. Until now the scientific community created efficient circuit models mainly for asynchronous and synchronous generators. Also models are developed for photovoltaic plants but not for fuel cells. A simple and novel dynamic circuit model for a proton exchange membrane (PEM) fuel cell suitable for the analysis and design of power systems is also presented in this dissertation. To evaluate the effectiveness of the proposed model its dynamic performance under load step changes is simulated. Experimental results coming from a commercial PEM fuel cell module that uses hydrogen from a pressurized cylinder at the anode and atmospheric oxygen at the cathode, clearly verify the simulation results.

Στην εργασία αυτή προτείνεται η δημιουργία ενός κατάλληλου περιβάλλοντος ανάλυσης για Συστήµατα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Για την αποτελεσματική του λειτουργία είναι απαραίτητη η συλλογή, αποθήκευση, διαχείριση, επεξεργασία, ανάλυση και παρουσίαση όλων των διδομένων που σχετίζονται µε την ανάλυση του δικτύου όταν σε αυτό συνδέονται παραγωγές από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας. Επιλέχθηκε η χρήση των Συστηµάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) λόγω των πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζουν ως προς την αποθήκευση της πληροφορίας. Τα GIS ταξινοµούν τα δεδοµένα σε επίπεδα (layers). Κάθε επίπεδο περιλαµβάνει µια συγκεκριµένη πληροφορία (για παράδειγµα το ηλεκτρικό δίκτυο, γεωγραφικά δεδοµένα, αιολικό δυναµικό, φωτοβολταϊκό δυναµικό, υδάτινο δυναµικό). Η υπέρθεση όλων των επιπέδων οδηγεί στη δηµιουργία ενός ολοκληρωµένου συστήµατος εξοµοίωσης. Στη συνέχεια η πληροφορία αντλείται αυτόµατα και αποστέλλεται σε κατάλληλο πρόγραµµα ανάλυσης δικτύων ισχύος. Στη συγκεκριµένη περίπτωση έχει επιλεγεί για την ανάλυση το πρόγραµµα ATP-EMTP. Η προτεινόµενη τεχνική είναι χρήσιµη για την ανάλυση δικτύων µε τοπικές παραγωγές από ΑΠΕ (κατανεµηµένη παραγωγή) όπου η µετατροπή του κλασσικού παθητικού δικτύου σε ενεργητικό αναδεικνύει διάφορα λειτουργικά-τεχνικά προβλήµατα καθώς και προβλήµατα σχεδιασµού. Τα προβλήµατα αυτά κυρίως σχετίζονται µε θέµατα λειτουργίας του συστήµατος όπου διαπιστώνεται ότι η διείσδυση της κατανεµηµένης παραγωγής επιφέρει τις σηµαντικότερες αλλαγές στις πρακτικές που χρησιµοποιούνται. Η διείσδυση της κατανεµηµένης παραγωγής αυξάνει την ισχύ βραχυκύκλωσης, άρα και το ρεύµα βραχυκύκλωσης, απαιτώντας ιδιαίτερα µέτρα. Επιπλέον, µε τη διείσδυση της κατανεµηµένης παραγωγής και την αυξηµένη πολυπλοκότητα που αυτή συνεπάγεται, αναδεικνύονται προβλήµατα συντονισµού των µέσων προστασίας, αλλά και προβλήµατα προστασίας των ίδιων των µονάδων κατανεµηµένης παραγωγής κατά τη σύνδεση και τη λειτουργία τους στο δίκτυο, όπως επίσης και του υπάρχοντος δικτύου µε τον εξοπλισµό του. Για την εξοµοίωση και ιδιαίτερα για τη µελέτη των µεταβατικών φαινομένων σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας µε κατανεµηµένη παραγωγή είναι απαραίτητη η ύπαρξη απλών µοντέλων που είναι ικανά να τα εξοµοιώσουν µε επάρκεια. Η ως τώρα ερευνητική δραστηριότητα σε δυναµικά µοντέλα εστιάζεται κυρίως στις ασύγχρονες και σύγχρονες µηχανές που συµβάλουν καθοριστικά στη λειτουργία του συστήµατος (εφαρµόζονται σε ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικά και σε µμονάδες συµπαραγωγής ηλεκτρισµού-θερµότητας). Επίσης έχουν αναπτυχθεί µοντέλα για φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις ενώ υπάρχει έλλειµµα στη κυκλωµατική µοντελοποίηση µονάδων παραγωγής µε κυψέλες υδρογόνου. Κατόπιν τούτου και στα πλαίσια της εργασίας αναδείχτηκε η ανάγκη για ένα νέο κυκλωµατικό µοντέλο κυψελίδων υδρογόνου για χρήση στην ανάλυση ηλεκτρικών δικτύων κυρίως σε επίπεδο διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο και αναπτύχθηκε. Στόχος ήταν να σχηµατιστεί ένα απλουστευµένο αλλά ακριβές ηλεκτρικό ισοδύναµο που θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε εξοµοιώσεις απότοµης µεταβολής του φορτίου. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσµάτων του µοντέλου πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις µε τη χρήση εργαστηριακής συσκευής κυψελών υδρογόνου ισχύος 1,2 kW.