Μέθοδος αξιοποίησης των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας για την υποστήριξη ασθενών δικτύων έναντι διαταραχών συχνότητας

Abstract

This doctoral dissertation explores methods for enhancing the inertial response of power systems in the context of the massive penetration of distributed generation units. This issue represents a critical challenge for Transmission and Distribution System Operators in transitioning from conventional centralized networks to modern decentralized ones. Within the broader framework of significant upcoming changes, the revision of grid interconnection standards and regulations to facilitate the formation of new networks also emerges as a pressing necessity. In this context, issues such as the behavior of grid-connected inverters under fault conditions and the design principles must be incorporated into new generation units to meet Fault Ride Through Capability (FRTC) requirements, a topic that has gained significant attention in the scientific community. Regarding the challenge of addressing the lack of inertia during frequency disturbances, the existing literature is notably insufficient. Specifically, most current methods rely on synchronization systems and leverage available energy sources connected through conventional inverter structures. Furthermore, a significant portion of these methods fails to account for the uncertainties in frequency estimation inherent in conventional synchronization approaches during extreme or rapid frequency fluctuation events. This highlights their inadequacy for widespread application. Additionally, existing approaches often overlook technical limitations, such as the delays in conventional synchronization methods when estimating the instantaneous frequency during disturbances. These delays, along with the indirect response characteristics of traditional converters, introduce time lags in the overall control loop. Consequently, the response of such systems is limited to a narrow range of frequency-related phenomena. These limitations underline the motivation for this dissertation’s focus on addressing the frequency issue in weak power net-works. The dissertation begins by establishing a reference framework through the study of international standards that define the requirements an inverter must meet to be integrated into the grid. The weaknesses of current standards are highlighted, especially in contrast to the trend toward decentralized generation. A brief historical overview leads to the identification of imminent changes in these standards, drawing on reference reports documenting the phenomenon of inertia scarcity and its destructive impacts, such as the 2021 event. This specific case serves as a stark example of the necessity to evolve both standards and existing infrastructure. The lack of inertia and structures capable of effectively man-aging such phenomena caused the European grid to split into Western and Eastern zones, leading to widespread blackouts. Recommendations for restructuring existing infrastructure with systems capable of stabilizing local grid nodes in vulnerable areas contribute critical insights toward shaping new standards. These findings also guide the development of methods to address the current gaps, serving as the compass for this research. Subsequently, a novel and comprehensive method for addressing the frequency phenomenon in weak grids is proposed. The proposed control scheme falls under the framework of ancillary services and aims to mitigate the effects of inertia scarcity by dampening power oscillations, which are a direct consequence of frequency fluctuations. This scheme complements classical virtual inertia control methods, which rely heavily on the response of synchronization techniques, thereby optimizing the response of the overall distributed generation system during transient events accompanied by significant phase estimation errors from synchronization tools (e.g., abrupt frequency changes). Notably, the proposed method does not eliminate the errors introduced by synchronization tools but mitigates their impact on virtual inertia control loops during such events. This is achieved by partially decoupling the synchronization response’s influence, enabling the balancing of active power and the indirect provision of virtual inertia in collaboration with the main control loops of a voltage source converter. More specifically, the proposed control technique is based on measuring the rate of change of current on the DC side of the inverter. Essentially, physical inertia is emulated through a time delay and a tunable gain factor corresponding to the amount of energy provided. The variations in DC-side current are then converted via a series-connected converter into an injected voltage at the DC bus. This technique can be regarded as a form of virtual impedance, as it contributes to maintaining power flow during dynamic conditions. The control subsequently modifies the output of the interface inverter to appropriately regulate the supply or absorption of active power. The selection of the appropriate series converter was critical, as the effectiveness of the proposed method also depends on this component. The series-connected DC-side converter technique allows for a significant reduction in DC-side current fluctuations caused by synchronization frequency estimation errors. Finally, it is worth noting that the conclusions and theoretical results of this dissertation are validated through simulations as well as experimental results obtained from laboratory prototypes specifically constructed for this purpose.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθόδων ενίσχυσης της αδράνειας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης των διεσπαρμένων μονάδων παραγωγής. Το πρόβλημα αυτό αποτελεί το σημαντικότερο ζήτημα που έχουν να αντιμετωπίσουν οι Διαχειριστές των Δικτύων Διανομής αναφορικά με την μετάβαση από τα συμβατικά κεντρικοποιημένα, στα σύγχρονα μη κεντρικοποιημένα δίκτυα. Επίσης, στο ευρύτερο πλαίσιο των επικείμενων σημαντικών αλλαγών συγκαταλέγεται και η αναθεώρηση των κανόνων και των προτύπων διασύνδεσης. Συγκεκριμένα, ζητήματα όπως η συμπεριφορά των αντιστροφέων διασύνδεσης σε περιπτώσεις σφάλματος του δικτύου, καθώς και οι αρχές σχεδιασμού που πρέπει να ενσωματωθούν στις νέες δια-συνδεδεμένες μονάδες παραγωγής ώστε να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας σε σφάλματα (Fault Ride Through Capability, FRTC), έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Όσον αφορά το ζήτημα της αντιμετώπισης του φαινομένου της έλλειψης αδράνειας κατά τη διάρκεια σφαλμάτων συχνότητας, η υφιστάμενη βιβλιογραφία χαρακτηρίζεται σχετικά ελλιπής. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία βασίζονται κυρίως στο σύστημα συγχρονισμού αλλά και στην εκμετάλλευση των διαθέσιμων εγκατεστημένων ενεργειακών πηγών, διασυνδεδεμένων μέσω συμβατικών δομών αντιστροφέων. Επίσης, ένας σημαντικός αριθμός μεθόδων δεν λαμβάνει υπόψιν την αβεβαιότητα στις εκτιμήσεις συχνότητας των συμβατικών μεθόδων συγχρονισμού κατά τη διάρκεια ακραίων/ταχέων φαινομένων αλλαγής/διακύμανσης της συχνότητας, γεγονός που αναδεικνύει πως οι προτεινόμενες λύσεις είναι ανεπαρκείς, τουλάχιστον για ευρεία χρήση. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι αντιμετώπισης του φαινομένου της έλλειψης αδράνειας φαίνεται να αγνοούν τεχνικούς περιορισμούς, όπως οι καθυστερήσεις των συμβατικών μεθόδων συγχρονισμού στην εκτίμηση της τρέχουσας συχνότητας κατά τα φαινόμενα διαταραχών. Τόσο οι μέθοδοι συγχρονισμού, όσο και οι τεχνικές ελέγχου των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση του ενεργειακού δυναμικού, εισάγουν κατά την αντιμετώπιση των φαινομένων συχνότητας χρονικές καθυστερήσεις στον βασικό βρόχο ελέγχου (βρόχος ελέγχου ρεύματος, τάσης). Έτσι, η απόκριση των μονάδων αυτών επικεντρώνεται μόνο σε ένα συγκεκριμένο εύρος φαινομένων που μπορούν να αντιμετωπιστούν. Τα παραπάνω στοιχεία αποτελούν βασικό κίνητρο ενασχόλησης της παρούσας Διατριβής με το ζήτημα της αντιμετώπισης των φαινομένων συχνότητας στα ασθενή δίκτυα. Αρχικά, τέθηκε το πλαίσιο αναφοράς βάσει της μελέτης των διεθνών προτύπων, καταγράφοντας τις απαιτήσεις που καλείται κάθε αντιστροφέας να καλύψει, προκειμένου να επιτραπεί η διασύνδεση του με το κυρίως δίκτυο. Αναδεικνύονται οι αδυναμίες των υφιστάμενων προτύπων, σε αντιπαραβολή με την τάση / εξέλιξη των δικτύων προς την κατεύθυνση της αποκεντρωμένης παραγωγής. Παρουσιάζεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή που καταλήγει στην ανάδειξη των επικείμενων αλλαγών των προτύπων, λαμβάνοντας υπόψιν συμπερασματικές εκθέσεις αναφοράς επί συγκεκριμένων φαινομένων έλλειψης αδράνειας και του καταστροφικού τους αντίκτυπου, όπως αυτή του φαινομένου του 2021. Το φαινόμενο του 2021 αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της ανάγκης εξέλιξης των προτύπων, αλλά και της υφιστάμενης δομής των δικτύων, δεδομένου ότι λόγω της έλλειψης αδρανείας αλλά και δομών ικανών να αντιμετωπίσεων ταχέως και αποδοτικά τέτοιου είδους φαινόμενα, το Ευρωπαϊκό δίκτυο χωρίστηκε στα δύο (δυτικοευρωπαϊκό και ανατολικοευρωπαϊκό), συνοδευόμενο από την παύση λειτουργίας (blackout) πολλών περιοχών. Οι συμπερασματικές προτάσεις αναδόμησης των υφιστάμενων υπο-δομών συμβάλλουν στη διαμόρφωση των νέων προτύπων, παρέχοντας καίριες πληροφορίες προς την ανάπτυξη μεθόδων που είναι ικανές να καλύψουν το υπάρχον κενό. Τα παραπάνω στοιχεία αποτελούν πυξίδα της έρευνας που η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται, διευκολύνοντας την εξαγωγή των πιθανών μελλοντικών σεναρίων που οι διασυνδεδεμένοι αντιστροφείς θα πρέπει να είναι ικανοί να αντιμετωπίσουν. Στη συνέχεια προτάθηκε μια νέα ολοκληρωμένη μέθοδος αντιμετώπισης του φαινομένου διαταραχών της συχνότητας στα ασθενή δίκτυα. Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου κατατάσσεται στο πλαίσιο των επικουρικών υπηρεσιών και κύριο σκοπό έχει την καταπολέμηση του φαινομένου της έλλειψης αδράνειας μέσω του μετριασμού των ταλαντώσεων ισχύος, οι οποίες είναι άμεση απόρροια των διακυμάνσεων συχνότητας. Αυτό το σχήμα λειτουργίας είναι συμπληρωματικό των κλασσικών σχημάτων παροχής εικονικής αδράνειας (των οποίων η αποτελεσματικότητα έγκειται σχεδόν εξ ολοκλήρου στην απόκριση των μεθόδων συγχρονισμού), βελτιστοποιώντας έτσι την απόκριση του συνολικού συστήματος της διεσπαρμένης μονάδας παραγωγής κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων, τα οποία συνοδεύονται από σημαντικά σφάλματα στην εκτίμητηςτης φάσης από τα μέσα συγχρονισμού (π.χ. απότομες μεταβολές συχνότητας κ.α.). Αξίζει να σημειωθεί, πως η προτεινόμενη μέθοδος δεν αποτρέπει τα σφάλματα που προκύπτουν από τα μέσα συγχρονισμού, αλλά μετριάζει τον αντίκτυπό τους στους βρόχους ελέγχου εικονικής αδράνειας κατά τη διάρκεια των εν λόγω φαινομένων. Αυτό πραγματοποιείται μέσω της εν μέρει απεμπλοκής της επίδρασης της απόκρισης των συμβατικών μεθόδων συγχρονισμού· συνεπώς, είναι δυνα-τή η εξισορρόπηση της ενεργού ισχύος και η έμμεση παροχή εικονικής αδράνειας σε συνεργασία με τους βασικούς βρόχους ελέγχου ενός μετατροπέα πηγής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, η προτεινόμενη τεχνική ελέγχου βασίζεται στη μέτρηση του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος της πλευράς ΣΤ του εκάστοτε αντιστροφέα. Ουσιαστικά, η φυσική ροπή της αδράνειας προσομοιώνεται μέσω της χρονικής καθυστέρησης και ενός ρυθμιζόμενου παράγοντα κέρδους που αντιστοιχεί στο μέγεθος της παρεχόμενης ενέργειας. Στη συνέχεια οι μεταβολές του ρεύματος της πλευράς συνεχούς τάσης μετατρέπονται, μέσω ενός εν σειρά συνδεδεμένου μετατροπέα, σε μία εγχεόμενη τάση στον ζυγό συνεχούς τάσεως. Η τεχνική αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος εικονικής εμπέδησης, δεδομένου ότι συμβάλλει στη διατήρηση της ροής ισχύος κατά τη διάρκεια δυναμικών καταστάσεων. Ο έλεγχος στη συνέχεια τροποποιεί την έξοδο του αντιστροφέα διεπαφής, προκειμένου να διαμορφωθεί κατάλληλα η παροχή ή η απορρόφηση ενεργού ισχύος από αυτόν. Η επιλογή του κατάλληλου εν σειρά μετατροπέα είναι καίριας σημασίας, διότι η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου εξαρτάται και από αυτόν. Η τεχνική της εν σειρά σύνδεσης του μετατροπέα συνεχούς τάσεως παρέχει τη δυνατότητα δραστικής μείωσης των επικείμενων μεταβολών του ρεύματος της πλευράς συνεχούς ρεύματος, οι οποίες προκύπτουν από σφάλματα στην εκτίμηση της συχνότητας του δικτύου από τα μέσα συγχρονισμού. Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και οι θεωρητικές αναλύσεις της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων, αλλά και πειραματικών αποτελεσμά των επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.