Έλεγχος και ευστάθεια διεσπαρμένης παραγωγής: μη γραμμική και σθεναρή προσέγγιση σε AC ή/και DC μεταβλητής τοπολογίας αυτόνομα μικροδίκτυα

Abstract

This PhD dissertation belongs to the general research field of modern power systems dynamic analysis, control and stability. In last decades, the distributed generation integration in power systems make economic and environmental incentives. The changes occurred in power systems structure due to the transition from the centralized structure to the distributed one, raises new very interesting, but demanding technological problems. Thus, the robust operation of a multi-variable system with simple decentralized distributed generation units control, which simultaneously guarantees a fully harmonic and stable operation, is a main technological challenge. Plenty of these problems are handled via methods which are proposed in this dissertation.In this dissertation, the autonomous ac or/and dc distributed power systems and microgrid modelling is presented in a modular form, using power electronic converters as controllable interfaces. The implementation of simple control schemes, independent of system parameters, which are incorporated in the microgrid full dynamic model, guarantees a stable operation, for each set point, at a steady state or during a transient period. The modular form of the ac or/and dc microgrids dynamic models, is very useful in the stability analysis, which becomes a flexible and expandable tool, suitable for each variable topology and variable scale microgrid. The cumbersome and complicated procedure of stability analysis is this PhD dissertation main aim.From theoretical point of view, a generalized method to determine the suitable Lyapunov functions for an ac or/and dc microgrid, is presented. The Lyapunov functions come from the system modeling in modular form, with all the particular dynamics and the inner-loop controllers dynamics to be incorporated. The Lyapunov functions of a complex microgrid system are presented in a generalized form, adding all the particular Lyapunov functions of each microgrid part. Also, in this dissertation, the standard methods are extended, using advanced Lyapunov techniques in order to prove the full system input-to-state stability (ISS) property. Combining this property with the passivity property and some convergence theorems, finally the convergence to a nonzero equilibrium for each microgrid system, is proved.To conclude, this dissertation contribution could be evaluated given that flexible microgrid structures will dominate the future power systems in order to feed the increasing power demands. The high penetration of renewable power resources and electric vehicles, and the free energy market lead to these options.

Η παρούσα διατριβή έχει αναπτυχθεί στο γενικότερο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο της δυναμικής ανάλυσης, της σχεδίασης ελέγχου και της ευστάθειας των σύγχρονων συστημάτων ισχύος διεσπαρμένης παραγωγής και μικροδικτύων. Τις τελευταίες δεκαετίες, η ενσωμάτωση της διεσπαρμένης παραγωγής στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας έχει προκαλέσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον από οικονομικής και περιβαλλοντικής πλευράς. Η αλλαγή της δομής των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας οδηγεί τις κεντρικοποιημένες μονάδες να δίνουν τη θέση τους σε μικρότερες, διεσπαρμένες, εγκατεστημένες κοντά στα φορτία κι αναδεικνύει μια σειρά από νέα ενδιαφέροντα αλλά και πιεστικά τεχνολογικά προβλήματα. Μία από τις κύριες τεχνολογικές προκλήσεις αποτελεί η σθεναρή λειτουργία ενός πολυμεταβλητού πλέον συστήματος, με τον κατά το δυνατό απλούστερο αποκεντρωμένο έλεγχο των μονάδων ΔΠ που ταυτόχρονα εξασφαλίζει πλήρως αρμονική κι ευσταθή λειτουργία του συνολικού συστήματος. Οι μεθόδοι που προτείνονται στην παρούσα διατριβή αποσκοπούν στην επίλυση τέτοιων προβλημάτων. Η παρούσα διατριβή αφορά στη μοντελοποίηση αυτόνομων ac ή/και dc συστημάτων ΔΠ και μικροδικτύων σε σπονδυλωτή (modular) μορφή, χρησιμοποιώντας μετατροπείς ισχύος ως ελεγχόμενες διεπαφές. Η εφαρμογή απλών σχημάτων ελέγχου, ανεξάρτητων των παραμέτρων του εκάστοτε συστήματος, οι οποίοι ενσωματώνονται στο πλήρες δυναμικό μοντέλο του μικροδικτύου εγγυώνται ευσταθή συμπεριφορά, για κάθε σημείο λειτουργίας, τόσο στη μόνιμη αλλά και στη μεταβατική κατάσταση. Η σπονδυλωτή δομή των δυναμικών μοντέλων που προκύπτουν για τα ac ή/και dc μικροδίκτυα, οδηγεί στην ανάλυση της ευστάθειας αυτών των συστημάτων με τρόπο σημαντικά αυτόνομο, γεγονός το οποίο την καθιστά εργαλείο ευέλικτο κι επεκτάσιμο σε μεταβλητής τοπολογίας και κλίμακας μικροδίκτυα. Η δύσκολη και σύνθετη διαδικασία ανάλυσης ευστάθειας του συστήματος κλειστού βρόχου αποτελεί επίσης αντικείμενο της διδακτορικής αυτής διατριβής. Σε θεωρητικό επίπεδο παρουσιάζεται μια γενικευμένη μέθοδος ορισμού κατάλληλων συναρτήσεων Lyapunov για την περίπτωση ac ή/και dc μικροδικτύων. Οι συναρτήσεις Lyapunov προκύπτουν με βάση τη σπονδυλωτή μοντελοποίηση των συστημάτων αυτών, συμπεριλαμβανομένων όλων των επιμέρους δυναμικών τους καθώς και των δυναμικών των εσωτερικών ελεγκτών. Προκύπτουν, δε, για ένα σύνθετο μικροδίκτυο σε γενικευμένη μορφή, ως άθροισμα των συναρτήσεων Lyapunov των επιμέρους διασυνδεδεμένων τμημάτων του δικτύου αυτού. Στην παρούσα διατριβή επίσης, με την επέκταση των κλασσικών μεθόδων με τη χρήση των προηγμένων τεχνικών Lyapunov αποδεικνύεται η ιδιότητα της ευστάθειας εισόδου-προς-κατάσταση (input-to-state stability (ISS)) του συνολικού συστήματος. Μέσω της ιδιότητας αυτής και σε συνδυασμό με την ιδιότητα της παθητικότητας και κάποιων πρόσφατων θεωρημάτων σύγκλισης, αποδεικνύεται τελικά κι η σύγκλιση του εκάστοτε συστήματος σε μη μηδενικό σημείο ισορροπίας.Συνολικά, η συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι δυνατό να αξιολογηθεί με δεδομέμενο πως η αρχιτεκτονική των μελλοντικών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, με την ευέλικτη δομή του μικροδικτύου θα κυριαρχήσει για την κάλυψη της ολοένα αυξανόμενης ενεργειακής ζήτησης με τη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά και την απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας να δίνουν ώθηση προς τη κατεύθυνση αυτή.