Συμβολή στη λειτουργία συστημάτων συνεχούς ρεύματος σε εφαρμογές μικροδικτύων και μητροπολιτικών σιδηροδρομικών δικτύων

Abstract

The use of Direct Current (DC) technologies for electricity distribution networks is of particular international interest because of the technologies used in both production and consumption level. This interest is fueled by the need of achieving high targets in terms of share of renewable energy sources in addressing total demand. It is a fact that a large number of renewable energy sources and storage units such as photovoltaics, batteries, etc. operate with a direct voltage. Therefore, integrating these devices into DC distribution network architectures through appropriate DC/DC converters is an attractive option in terms of increasing overall performance due to the reduction of intermediate conversion steps. These systems generally provide improved reliability and easier control compared to AC alternatives, given the lack of constraints such as reactive power balance, synchronization problems, and so on. In this thesis two applications of Low Voltage DC (LVDC) systems were studied. The first category is about microgrid topologies and issues related to their control and operation while the second category is about electric railway networks operating in DC (Metro, Tram) as well as the benefits resulting from management of the generative energy producing during the braking phase of the trains. Firstly, the history of the DC networks and the basic applications of LVDC systems are presented. An introduction to the concept of microgrids and electric railway networks is performed and their basic characteristics are presented. Reference is made to the basic control architecture (hierarchical control) concerning the operation of microgrids as well as the basic islanding detection methods that appear in literature for the operation of DC networks. In this thesis a novel islanding detection method is developed based on the operation of a controllable load in parallel to the central switch of a DC microgrid. Additionally, the issue of smooth transition of a DC microgrid from stand-alone to interconnected operation is examined. Modeling of the individual elements of the studied microgrid is presented and simulations are performed based on variations of the IEEE 1547 and UL1741 standards. The performance of the proposed control strategy is evaluated through simulations, Control Hardware-in-the-loop tests and fully hardware experiments performed at the Electric Energy Systems Laboratory of National Technical University of Athens. The second section of this thesis is about electric railway networks operating in DC (Metro, Tram) as well as the benefits resulting from management of the generative energy producing during the braking phase of the trains. In railways, trains operate either as loads (acceleration - constant speed phase) or as generators (regenerative braking of trains). The energy produced is consumed by other trains running on the network or consumed locally on on-board dump loads (resistors). The produced energy cannot be returned to the distribution network since in most cases the traction substations consist of uncontrollable rectifiers (diode devices) that do not allow bi-directional power flow. Managing the energy produced leads both to reduction of losses and to voltage regulation in the railway network. In the context of this thesis, management of the generative energy is studied using: 1) Bidirectional traction substations (controllable AC/DC inverters), 2) Storage units (installed at fixed points in the railway network). Additionally, the influence of train schedules on the electrical characteristics of the railway network (substation voltage, line currents, etc.) are studied. The performed analysis include modeling of individual network elements such as electric traction substations, electric trains as well as network modeling to calculate the voltage developed between the return line and the earth (rail to ground voltage). Extensive reference to storage technologies encountered in railway applications, is made. The thesis examines both local controls and coordinated control of the units (bidirectional substations and stationary storage devices) in order to optimize network voltage regulation of the trains. The network studied is a modified version of the Metro railway network of Thessaloniki. Finally, the study of these issues is carried out using MATLAB simulation tool, in which a simulation program of the electric power flow is created in DC power networks.

Η χρήση τεχνολογιών συνεχούς ρεύματος (Direct Current – DC) για τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διεθνώς λόγω των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται τόσο σε επίπεδο παραγωγής όσο και κατανάλωσης. Το ενδιαφέρον αυτό τροφοδοτείται από την ανάγκη επίτευξης υψηλών στόχων σε ότι αφορά το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην ικανοποίηση της συνολικής ζήτησης. Είναι γεγονός ότι ένα μεγάλο πλήθος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και μονάδες αποθήκευσης όπως φωτοβολταϊκά, μπαταρίες, κ.α. λειτουργούν σε συνεχή τάση. Συνεπώς η ενσωμάτωση αυτών των συσκευών σε αρχιτεκτονικές DC δικτύων διανομής μέσω των κατάλληλων DC/DC μετατροπέων αποτελεί μία ελκυστική επιλογή σε ότι αφορά την αύξηση της συνολικής απόδοσης λόγω της μείωσης των ενδιάμεσων βαθμίδων μετατροπής. Τα συστήματα αυτά γενικά παρέχουν βελτιωμένη αξιοπιστία και ευκολότερο έλεγχο σε σύγκριση με τα αντίστοιχα εναλλασσόμενου ρεύματος (Alternative Current – AC) δεδομένης της έλλειψης περιορισμών, όπως είναι η διατήρηση ισοζυγίου αέργου ισχύος, προβλήματα συγχρονισμού κ.α. Στα πλαίσια της διατριβής μελετώνται δύο εφαρμογές των συστημάτων Χαμηλής Τάσης Συνεχούς Ρεύματος (Low Voltage DC – LVDC). Η πρώτη κατηγορία αφορά τοπολογίες μικροδικτύων και ζητήματα που αφορούν τον έλεγχο και τη λειτουργία τους ενώ η δεύτερη κατηγορία αφορά τα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος (π.χ. τύπου Μετρό, Τραμ κλπ.) καθώς και τα οφέλη που προκύπτουν από τη διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας κατά την πέδηση των τρένων. Αρχικά πραγματοποιείται μια ιστορική αναδρομή των δικτύων συνεχούς ρεύματος και παρουσιάζονται οι βασικές εφαρμογές των LVDC συστημάτων στη σύγχρονη εποχή. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στην έννοια των μικροδικτύων και των ηλεκτρικών σιδηροδρομικών δικτύων και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Γίνεται αναφορά στη βασικότερη αρχιτεκτονική ελέγχου (ιεραρχικός έλεγχος) που εμφανίζεται στις τοπολογίες μικροδικτύων και παρουσιάζονται οι βασικές μέθοδοι ανίχνευσης νησιδοποίησης που καταγράφονται στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν τη λειτουργία δικτύων συνεχούς ρεύματος. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύσσεται πρωτότυπη μέθοδος ανίχνευσης νησιδοποίησης βασιζόμενη στη λειτουργία ενός ελεγχόμενου φορτίου παράλληλα στον κεντρικό διακόπτη ενός DC μικροδικτύου και εξετάζεται το ζήτημα της ομαλής μετάβασης από αυτόνομη σε διασυνδεδεμένη λειτουργία. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των επιμέρους στοιχείων του υπό μελέτη μικροδικτύου και εκτελείται προσομοίωση με βάση παραλλαγή των προτύπων IEEE 1547 και UL1741. Επιπροσθέτως, η προτεινόμενη μέθοδος μελετάται και μέσω της Control Hardware-in-the-Loop τεχνικής για εξαγωγή περαιτέρω συμπερασμάτων για την λειτουργία της. Τέλος, η προτεινόμενη μέθοδος εξετάζεται και πειραματικά με χρήση εξοπλισμού του εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας του ΕΜΠ. Η δεύτερη θεματική ενότητα της διατριβής αφορά τα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος (τύπου Μετρό, Τραμ) καθώς και τα οφέλη που προκύπτουν από τη διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας κατά την πέδηση των τρένων. Στα ηλεκτρικά σιδηροδρομικά δίκτυα τα τρένα λειτουργούν είτε ως φορτία (επιτάχυνση - σταθερή ταχύτητα) είτε ως γεννήτριες (αναγεννητική πέδηση των τρένων). Η παραγόμενη ενέργεια καταναλώνεται από τα άλλα τρένα που κινούνται στο δίκτυο ή καταναλώνεται τοπικά πάνω σε απορριπτικά φορτία (αντιστάσεις) που βρίσκονται εγκατεστημένα στα τρένα. Η ενέργεια αυτή δε μπορεί να επιστραφεί στο δίκτυο διανομής καθώς στην πλειοψηφία των περιπτώσεων οι υποσταθμοί έλξης αποτελούνται από μη ελεγχόμενους ανορθωτές (διατάξεις με διόδους) που δεν επιτρέπουν αμφίδρομη ροή ισχύος. Η διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας οδηγεί τόσο σε μείωση απωλειών, όσο και σε ρύθμιση της τάσης στο δίκτυο.Στα πλαίσια της διατριβής μελετάται η διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας με χρήση: 1) Αμφίδρομων υποσταθμών έλξης (ελεγχόμενες διατάξεις AC/DC), 2) Μονάδων αποθήκευσης (εγκατεστημένες σε σταθερά σημεία στο δίκτυο). Επιπροσθέτως, μελετώνται ζητήματα που αφορούν την επίδραση των δρομολογίων των τρένων στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του σιδηροδρομικού δικτύου (τάση υποσταθμών, ρεύματα γραμμών κ.α.). Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των επιμέρους στοιχείων του δικτύου όπως οι ηλεκτρικοί υποσταθμοί έλξης, τα ηλεκτρικά τρένα καθώς και η μοντελοποίηση του δικτύου για τον υπολογισμό της τάσης που αναπτύσσεται μεταξύ της γραμμής επιστροφής και της γης. Γίνεται εκτενή αναφορά στις τεχνολογίες συστημάτων αποθήκευσης που συναντώνται σε σιδηροδρομικές εφαρμογές. Στα πλαίσια της διατριβής εξετάζονται τόσο ο τοπικός έλεγχος όσο και συντονισμένος έλεγχος των μονάδων (αμφίδρομοι υποσταθμοί και στατικές μονάδες αποθήκευσης) με στόχο τη βέλτιστη ρύθμιση τάσης στην είσοδο των τρένων. Το δίκτυο το οποίο μελετήθηκε αποτελεί παραλλαγή του μητροπολιτικού σιδηροδρομικού δικτύου της Θεσσαλονίκης. Τέλος, η μελέτη των φαινομένων πραγματοποιείται με τη χρήση του εργαλείου MATLAB στο οποίο έχει δημιουργηθεί πρόγραμμα προσομοίωσης της ηλεκτρικής ροής ισχύος σε σιδηροδρομικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος.