Έλεγχος αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

This dissertation investigates frequency control in autonomous power systems operating under high renewable energy sources (RES) share. Power regulation challenges faced in such grids, that are examined in this dissertation, include their low inertia, the need for reserve provision by stochastic RES, batteries with energy reserves limitations, pumped-hydro storage stations with limited ramping capabilities, as well as system operation supplied entirely by inverter-based resources. The investigation presented addresses two main topics, fast reserves provision and secondary frequency regulation. As regards fast reserves, a control strategy is introduced for a photovoltaic (PV) generator, allowing operation at a specified upward reserve level, along with primary frequency regulation and inertia emulation. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed method in supporting an island grid subjected to major active power equilibrium disturbances. In the absence of storage within the PV station, underfrequency support can only be provided when the station operates in curtailed output mode, depending on system conditions. The operation of autonomous systems under 100% inverter-based resources (batteries and stochastic RES) is also examined. In such conditions, the operation of some converters in grid forming mode is required. Simulation results from a non-interconnected island grid show that applying a droop-based grid-forming control scheme in battery converters achieves effective sharing of fast reserves amongst participating units, including PVs adopting the proposed control method. In addition, a comparative assessment is presented of solutions allowing the provision of primary reserves by hybrid stations, consisting of pumped-hydro storage and wind turbines, operating in island grids in the absence of thermal units (100% RES share). Assets utilized for reserve provision include Pelton hydro turbines, regulated via their water jet deflectors, variable speed pumps, wind turbines and batteries. Two novel control methods are introduced; the 1st utilizes the hydro units’ deflectors for fast reserve provision, while in the 2nd method batteries support the pumping facility of the hybrid station in tracking wind power variations. Simulation results demonstrate that the proposed deflector control supports the active power equilibrium, albeit at the detriment of energy efficiency. Battery storage is the most effective solution, especially when implementing the proposed wind farm – pumping station – battery storage coordinating control scheme. A novel three-level power control method is also introduced, allowing the effective participation of batteries in secondary reserves provision, in parallel with thermal units. The 1st control layer is implemented locally, at individual battery station level, ensuring operation within acceptable state of charge limits, while also providing primary reserves and inertia emulation. The 2nd control level is a central automatic generation control system that allocates required secondary reserves, limiting the contribution of batteries whose available energy reserves are diminishing. State of charge restoration is achieved via the economic dispatch algorithm of the 3rd level of control. In addition, a secondary frequency control method for 100% RES conditions is introduced. The effectiveness of the proposed control method is demonstrated via time-domain simulations of an island grid under conditions resulting in battery energy reserves depletion, while providing secondary reserves.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η ρύθμιση συχνότητας σε αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα υπό συνθήκες υψηλής διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Βασικές δυσκολίες στη ρύθμιση τέτοιων δικτύων που διερευνώνται στην παρούσα διατριβή είναι η μειωμένη αδράνεια, η ανάγκη παροχής εφεδρειών από μονάδες ΑΠΕ στοχαστικής παραγωγής, συσσωρευτές περιορισμένου ενεργειακού αποθέματος και αντλησιοταμιευτικούς σταθμούς με περιορισμούς στην ταχύτητα απόκρισής τους, καθώς και η λειτουργία αυτόνομων συστημάτων σε συνθήκες υπό τις οποίες τροφοδοτούνται πλήρως από πόρους που συνδέονται μέσω μετατροπέων ισχύος. Η διατριβή κινείται σε δύο άξονες, της πρωτεύουσας ρύθμισης μέσω παροχής εφεδρειών ταχείας απόκρισης και της δευτερεύουσας ρύθμισης συχνότητας. Αναφορικά με τον πρώτο άξονα (εφεδρείες ταχείας απόκρισης), παρουσιάζεται μέθοδος ελέγχου φωτοβολταϊκών (Φ/Β) σταθμών που επιτρέπει τη λειτουργία σε συγκεκριμένο επίπεδο ανοδικών εφεδρειών, παρέχοντας επίσης πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας και αδρανειακή απόκριση. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν αναδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος συμβάλλει αποτελεσματικά στη διαχείριση δυσμενών συνθηκών διαταραχής του ισοζυγίου ισχύος αυτόνομου ηλεκτρικού δικτύου. Απουσία εσωτερικής αποθήκευσης στο Φ/Β, η ικανότητα συμβολής του σε συνθήκες υποσυχνότητας επηρεάζεται καθοριστικά από το επίπεδο απορρίψεων μέρους της πρωτογενώς διαθέσιμης ενέργειας, το οποίο καθορίζεται αξιολογώντας τις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας. Στη συνέχεια διερευνάται η λειτουργία αυτόνομων συστημάτων υπό συνθήκες πλήρους (100%) τροφοδότησής τους από πόρους που συνδέονται στο δίκτυο μέσω μετατροπέων ισχύος (μπαταρίες και στοχαστικές ΑΠΕ). Από τις προσομοιώσεις νησιωτικού συστήματος συμπεραίνεται ότι η χρήση ελέγχου grid forming σε μέρος των μετατροπέων ισχύος, σε συνδυασμό με την εφαρμογή στατισμού σε όλα τα συστήματα συσσωρευτών, επιτυγχάνει αποτελεσματικό διαμοιρασμό εφεδρειών ταχείας απόκρισης μεταξύ του συνόλου των μονάδων, επιτρέποντας την αποτελεσματική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου ελέγχου στα Φ/Β. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων παροχής πρωτεύουσας εφεδρείας σε αυτόνομα συστήματα που ηλεκτροδοτούνται από υβριδικό σταθμό που περιλαμβάνει αντλησιοταμίευση (υδροστροβίλους και αντλίες) και ανεμογεννήτριες, απουσία θερμικών μονάδων (100% ΑΠΕ). Τα μέσα που αξιοποιούνται για την παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας είναι υδροστρόβιλοι τύπου Pelton, μέσω χρήσης των εκτροπέων δέσμης ύδατος που διαθέτουν, αντλίες μεταβλητών στροφών, ανεμογεννήτριες και συσσωρευτές. Προτείνονται δύο νέες μέθοδοι ελέγχου: η 1η αξιοποιεί τους εκτροπείς των υδροστροβίλων, ώστε να παρέχεται άμεσα η ζητούμενη εφεδρεία, ενώ στη 2η οι συσσωρευτές υποστηρίζουν επιπλέον την παρακολούθηση της παραγόμενης ισχύος των ανεμογεννητριών του υβριδικού σταθμού από το αντλιοστάσιο. Οι προσομοιώσεις αναδεικνύουν πως η προτεινόμενη χρήση εκτροπέων συμβάλλει στη ρύθμιση του ισοζυγίου ισχύος, οδηγώντας όμως σε ενεργειακή υποαξιοποίηση του υδάτινου αποθέματος. Η προσθήκη συσσωρευτών αναδεικνύεται ως η πλέον αποτελεσματική λύση, ειδικά στις περιπτώσεις που εφαρμόζεται η προτεινόμενη μέθοδος συγχρονισμού αιολικού πάρκου – αντλιοστασίου – συσσωρευτών. Επιπλέον των διερευνήσεων παροχής εφεδρειών ταχείας απόκρισης, αναπτύχθηκε μέθοδος ελέγχου τριών επιπέδων για την αποτελεσματική συμμετοχή συσσωρευτών στη δευτερεύουσα ρύθμιση συχνότητας, παράλληλα με θερμικές μονάδες. Το 1ο επίπεδο ελέγχου υλοποιείται τοπικά στις μονάδες συσσωρευτών και εξασφαλίζει διατήρηση ενεργειακών αποθεμάτων εντός αποδεκτών ορίων, παρέχοντας παράλληλα πρωτεύουσα εφεδρεία και αδρανειακή απόκριση. Το 2ο επίπεδο αποτελείται από το κεντρικό σύστημα αυτόματης ρύθμισης παραγωγής που διαμοιράζει την απαιτούμενη δευτερεύουσα εφεδρεία, περιορίζοντας τη συμβολή συσσωρευτών, των οποίων η στάθμη φόρτισης πλησιάζει στο μέγιστο/ελάχιστο αποδεκτό επίπεδο. Το ενεργειακό απόθεμα των μπαταριών επανέρχεται στα επιθυμητά επίπεδα με εφαρμογή του 3ου επιπέδου ελέγχου, που συνιστά προγραμματισμό οικονομικής κατανομής. Επιπρόσθετα, αναπτύσσεται και μέθοδος δευτερεύουσας ρύθμισης συχνότητας για εφαρμογή υπό συνθήκες 100% διείσδυσης ΑΠΕ. Η αποτελεσματικότητα εφαρμογής των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου επιβεβαιώνεται από προσομοιώσεις λειτουργίας νησιωτικού δικτύου, υπό συνθήκες εξάντλησης του ενεργειακού αποθέματος συσσωρευτών που αναλαμβάνουν μεγάλο μέρος της δευτερεύουσας εφεδρείας.