Μέθοδος βέλτιστης οδήγησης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για τη διασφάλιση της ποιότητας ισχύος σε υβριδικά μικροδίκτυα

Abstract

The objective of this PhD dissertation is to develop optimal driving methods for power electronic devices, in order to enhance the power quality in hybrid microgrids. In particular, this PhD dissertation focuses on the study of hybrid microgrids under the perspective of harmonics and ripple compensation, as well as the development of optimal driving methods for the existing power converters of the DC subgrid, in order to effectively compensate the second-order voltage harmonics at its nodes, while exploring and resolving the issues arising from the use of multiple compensation circuits, and studying the cooperative control of the virtual impedance-based methods with the developed compensation methods. Initially, as regards the microgrid architectures, it was found that among the existing microgrid ones the most promising is the hybrid topology, as it allows the flexible organization of DC and AC loads and power sources, thereby effectively reducing the conversion stages and improving the overall performance of the microgrid. Regarding power quality enhancement in hybrid microgrids, it was found that the existing analyses of hybrid microgrids that address harmonic compensation in the DC subgrid are based on simplified approaches, which either ignore the line impedances or assume that the compensation units are either directly connected to or embedded in the harmonic source. Thus, the existing compensation methods present several technical issues, which make them unsuitable for distributed/remote harmonic compensation in hybrid microgrids. In particular, existing compensation methods require the modification of the host system, the addition of hardware, the use of costly real-time communication infrastructure and central controllers, and their effectiveness is highly dependent on the geographical location of the compensation units and the knowledge of various microgrid parameters that are not easily available. Moreover, in the case where multiple compensation circuits are utilized, they provoke circulating currents, while the harmonic current sharing is strongly influenced by the line impedances. Considering the abovementioned facts, the current state of microgrids was initially studied in depth in this PhD dissertation and specifically the elements that compose a microgrid installation, the basic topologies of microgrids, and the needs and issues arising from their operation. In the same direction, the current state of hybrid microgrids was also studied in detail, focusing on the main control methods of the two subgrids that concern load sharing, voltage control as well as asymmetry and harmonic compensation in both subgrids, while increased attention was given to the energy management of hybrid microgrids and the harmonic interaction of the two subgrids. In that direction, some significant conclusions were drawn on the role of hybrid microgrids in the evolution of power systems, as well as on the technical issues that need to be addressed for their further development and improvement. In this context, in this PhD dissertation the incorporation of optimal driving methods in the existing power electronic devices of hybrid microgrids is proposed, in order to enhance the power quality by compensating the second-order voltage harmonic component in the DC subgrid. The integration of compensation methods into existing power electronic devices without the need of adding additional communication infrastructure provides significant flexibility to the microgrid, as it allows its scalability and simplifies the installation and maintenance process, while reducing installation and operational costs. An important contribution of this PhD dissertation is also the analysis of the DC subgrid of hybrid microgrids under the prospect of second-order voltage harmonic compensation by power devices that are not directly connected to the DC bus. Based on this consideration, the analysis of the DC subgrid differs from the usual approaches used in the relevant literature in which the effect of the line impedances on the compensation effort is ignored. Therefore, a detailed mathematical analysis has been presented which highlights how the compensation methods work, the problems arising from their use and possible ways of overcoming these problems when the effect of the interconnection lines is not ignored. With the aid of this analysis it became clear that the development of an optimal compensation method that is not affected by the interconnection lines, while it can be easily integrated into existing equipment, is of utmost importance. In this context, an optimal method was developed that compensates the second-order voltage harmonic components at the critical nodes of the DC subgrid of hybrid microgrids. This method uses one compensation circuit, which is located remotely from the DC bus, while the compensation is achieved by means of a genetic algorithm, which has been developed and designed for this purpose. Following, an improved compensation method is developed, which through metaheuristic algorithms coordinates multiple power electronic devices to achieve the compensation of the second-order voltage harmonic component in the DC subgrid of hybrid microgrids, and thus avoiding the problems arising from the use of a single compensation circuit, such as single-point of failure and capacity issues. At the same time, the DC subgrid was analyzed from the perspective of coordinated compensation in order to highlight the problems arising from the use of multiple compensation circuits and the way in which compensation methods that rely on local variables work. Finally, the technical characteristics of the proposed method are compared (qualitatively and quantitatively) with other compensation methods that have been proposed in the relevant literature, thus highlighting the contribution of this PhD dissertation. Next, the cooperative control of the virtual impedance based methods with the developed method of coordinated compensation is investigated. From this investigation two new control strategies are developed, modeled and studied, which correct the operating points of compensation circuits that utilize virtual impedance-based methods. The main advantages of the proposed control strategies are that they achieve effective compensation independently of the interconnection lines, they eliminate the circulating currents caused by the virtual impedance-based methods, the harmonic currents are shared properly among the utilized units and the implementation of the strategies does not require any real-time communications nor any central controllers. The main difference between the two strategies lies in the fact that one is proposed exclusively for microgrids with dominant ohmic interconnection lines, while the other one is proposed mainly for microgrids with complex interconnection lines. Finally, the effectiveness of these two strategies is evaluated through simulation results. From these results, it is concluded that the proposed strategies contribute in reducing the negative effects and improving the effectiveness of virtual impedance-based methods. In conclusion, it is worth noting that the mathematical and theoretical analyses of this dissertation are confirmed through simulations and experimental results on laboratory prototypes, which have been constructed for this purpose.

Το ζήτημα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι η ανάπτυξη βέλτιστων μεθόδων οδήγησης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για τη διασφάλιση της ποιότητας ισχύος σε υβριδικά μικροδίκτυα. Από τη μελέτη της βιβλιογραφίας διαπιστώθηκε ότι αυτή είναι η πλέον υποσχόμενη αρχιτεκτονική μικροδικτύων, καθώς ο διαχωρισμός της σε δύο υποδίκτυα επιτρέπει την ευέλικτη οργάνωση των ΣΤ και ΕΤ φορτίων και πηγών ενέργειας, μειώνοντας έτσι αποτελεσματικά τα στάδια μετατροπής και βελτιώνοντας τη συνολική απόδοση του μικροδικτύου. Ειδικότερα, η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη μελέτη των υβριδικών μικροδικτύων υπό το πρίσμα της αντιστάθμισης των αρμονικών συνιστωσών και των διακυμάνσεων που εμφανίζονται σε αυτά, στην ανάπτυξη βέλτιστων μεθόδων οδήγησης των υφιστάμενων μετατροπέων ισχύος του υποδικτύου ΣΤ για την αποτελεσματική αντιστάθμιση των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης που εμφανίζονται στα κομβικά σημεία του, στη διερεύνηση και την επίλυση των ζητημάτων που προκύπτουν από τη χρήση πολλαπλών κυκλωμάτων αντιστάθμισης, καθώς και στη διεύρυνση του συνεργατικού ελέγχου των μεθόδων εικονικής εμπέδησης με τις προταθείσες μεθόδους αντιστάθμισης. Όσον αφορά την αναβάθμιση της ποιότητας ισχύος στα υβριδικά μικροδίκτυα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες αναλύσεις και συγκεκριμένα αυτές του υποδικτύου ΣΤ που αφορούν την αντιστάθμιση αρμονικών συνιστωσών τάσης στον ζυγό ΣΤ, βασίζονται σε απλοποιημένες προσεγγίσεις, οι οποίες είτε αγνοούν τις εμπεδήσεις των γραμμών διασύνδεσης, είτε θεωρούν ότι οι μονάδες αντιστάθμισης συνδέονται απευθείας στην πηγή της αρμονικής παραμόρφωσης, είτε ενσωματώνονται σε αυτή. Έτσι οι υφιστάμενες μέθοδοι αντιστάθμισης παρουσιάζουν διάφορα τεχνικά ζητήματα, τα οποία δεν τις καθιστούν κατάλληλες για τη διεσπαρμένη/απομακρυσμένη αντιστάθμιση αρμονικών στα υβριδικά μικροδίκτυα. Συγκεκριμένα, οι υφιστάμενες μέθοδοι αντιστάθμισης απαιτούν την τροποποίηση του συστήματος που ενσωματώνονται, την προσθήκη επιπλέον υλικού, τη χρήση δαπανηρών πραγματικού χρόνου υποδομών επικοινωνίας και κεντρικών ελεγκτών, ενώ η αποτελεσματικότητά τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωγραφική θέση των μονάδων αντιστάθμισης και τη γνώση διαφόρων παραμέτρων του μικροδικτύου (που δεν είναι εύκολα διαθέσιμες). Επιπλέον, στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολλαπλά κυκλώματα αντιστάθμισης προκαλούνται κυκλοφορούντα ρεύματα, ενώ ο διαμοιρασμός του αρμονικού φόρτου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις εμπεδήσεις των γραμμών διασύνδεσης. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη των μικροδικτύων και συγκεκριμένα τα στοιχεία που απαρτίζουν μια μικροδικτυακή εγκατάσταση, οι βασικές τοπολογίες τους, καθώς και οι ανάγκες και τα ζητήματα που προκύπτουν από τη λειτουργία των μικροδικτύων. Προς την ίδια κατεύθυνση μελετήθηκε διεξοδικά και η υφιστάμενη κατάσταση των υβριδικών μικροδικτύων, εστιάζοντας στις κύριες μεθόδους ελέγχου των δύο υποδικτύων που αφορούν τον διαμοιρασμό των φορτίων, τη διατήρηση της τάσης και την απαλοιφή ασυμμετριών και αρμονικής παραμόρφωσης και στα δύο υποδίκτυα, ενώ ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στην ενεργειακή διαχείρισή τους καθώς και στην αρμονική αλληλεπίδραση των δύο υποδικτύων. Έτσι, εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα ως προς τον ρόλο των υβριδικών μικροδικτύων στην εξέλιξη των συστημάτων ενέργειας, καθώς και των τεχνικών ζητημάτων που πρέπει να αντιμετωπιστούν για την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωσή τους.Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν πρωτότυπες, βέλτιστες μέθοδοι οδήγησης στους υφιστάμενους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος των υβριδικών μικροδικτύων, με σκοπό την αναβάθμιση της ποιότητας ισχύος τους μέσω της αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας της τάσης στα κομβικά σημεία του υποδικτύου ΣΤ. Οι μέθοδοι αυτές αίρουν την ανάγκη προσθήκης επιπλέον συσκευών και επικοινωνιακών υποδομών, προσδίδοντας έτσι σημαντική ευελιξία στο μικροδίκτυο, καθώς επιτρέπουν την επεκτασιμότητά του και απλοποιούν τη διαδικασία εγκατάστασης του, ενώ παράλληλα μειώνουν το κόστος ανάπτυξης και λειτουργίας του.Σημαντικό τμήμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάλυση του υποδικτύου ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων, υπό το πρίσμα της αντιστάθμισης των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης από μετατροπείς αντιστάθμισης που δε συνδέονται απευθείας στον ζυγό ΣΤ. Με βάση τη θεώρηση αυτή, η ανάλυση του υποδικτύου ΣΤ διαφέρει από τη συνήθη προσέγγιση στην οποία αγνοείται η επίδραση των εμπεδήσεων των γραμμών διασύνδεσης. Επομένως, παρουσιάστηκε μια λεπτομερής μαθηματική ανάλυση από την οποία αναδείχθηκαν ο τρόπος λειτουργίας των μεθόδων αντιστάθμισης, τα προβλήματα που εγείρονται από τη χρησιμοποίησή τους και πιθανοί τρόποι αντιμετώπισης αυτών των προβλημάτων, όταν δεν αγνοείται η επίδραση των γραμμών διασύνδεσης. Με τη βοήθεια αυτής της ανάλυσης έγινε σαφές ότι η ανάπτυξη μιας βέλτιστης μεθόδου αντιστάθμισης η οποία δεν επηρεάζεται από τις γραμμές διασύνδεσης και ενσωματώνεται εύκολα στον υφιστάμενο εξοπλισμό, είναι υψίστης σημασίας. Σε αυτό το πλαίσιο αναπτύχθηκε μια βέλτιστη μέθοδος αντιστάθμισης των δεύτερης τάξης αρμονικών συνιστωσών της τάσης στα κομβικά σημεία του υποδικτύου ΣΤ. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα αντιστάθμισης, το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική απόσταση από τον ζυγό ΣΤ, ενώ η επίτευξη της αντιστάθμισης υλοποιείται μέσω ενός γενετικού αλγορίθμου, ο οποίος αναπτύχθηκε και σχεδιάστηκε για αυτόν τον σκοπό. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη μέθοδος αντιστάθμισης, η οποία μέσω μεταευρετικών αλγορίθμων συντονίζει πολλαπλά κυκλώματα για την επίτευξη της αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας της τάσης στο υποδίκτυο ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων, αποφεύγοντας έτσι προβλήματα που εγείρονται από τη χρησιμοποίηση ενός μόνο κυκλώματος αντιστάθμισης, όπως αστοχίες μονού σημείου και ζητήματα δυναμικότητας. Παράλληλα, αναλύθηκε το υποδίκτυο ΣΤ των υβριδικών μικροδικτύων υπό το πρίσμα της συνεργατικής αντιστάθμισης, με σκοπό την ανάδειξη των προβλημάτων που εγείρονται από τη χρησιμοποίηση πολλαπλών κυκλωμάτων αντιστάθμισης καθώς και τον τρόπο λειτουργίας των μεθόδων που αντισταθμίζουν τοπικά αρμονικές παραμορφώσεις. Τέλος, παρουσιάστηκαν συγκριτικά (ποιοτικά και ποσοτικά) τα τεχνικά χαρακτηριστικά των κυριότερων μεθόδων αντιστάθμισης που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας έτσι τη συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο συγκεκριμένο ερευνητικό ζήτημα. Στο επόμενο βήμα, αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η διερεύνηση του συνεργατικού ελέγχου των μεθόδων εικονικής εμπέδησης με τη μέθοδο της συντονισμένης αντιστάθμισης της δεύτερης αρμονικής συνιστώσας που προτάθηκε. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύχθηκαν, μοντελοποιήθηκαν και μελετήθηκαν δύο νέες στρατηγικές ελέγχου, οι οποίες διορθώνουν τα σημεία λειτουργίας των κυκλωμάτων αντιστάθμισης που λειτουργούν με μεθόδους εικονικής εμπέδησης. Τα κύρια πλεονεκτήματα των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου είναι η επίτευξη της αποτελεσματικής αντιστάθμισης ανεξάρτητα από τις γραμμές διασύνδεσης, η απαλοιφή των κυκλοφορούντων ρευμάτων που προκαλούνται από τις μεθόδους εικονικής εμπέδησης, η εξασφάλιση του διαμοιρασμού του αρμονικού φόρτου στις χρησιμοποιούμενες μονάδες και η μη χρησιμοποίηση επικοινωνιών πραγματικού χρόνου και κεντρικών ελεγκτών. Η κύρια διαφορά των δύο στρατηγικών έγκειται στο γεγονός ότι η μία προτείνεται αποκλειστικά για μικροδίκτυα με ωμικές γραμμές διασύνδεσης, ενώ η άλλη προτείνεται κυρίως σε μικροδίκτυα με σύνθετες γραμμές διασύνδεσης. Τέλος, η αποτελεσματικότητα των δύο αυτών στρατηγικών αξιολογήθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι οι προτεινόμενες στρατηγικές συμβάλλουν ουσιαστικά στη μείωση των αρνητικών επιδράσεων και στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων εικονικής εμπέδησης.Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.