Πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης του αιολικού δυναμικού για τη σύνδεση αιολικών συστημάτων/παρκών στα δίκτυα υψηλών τάσεων

Abstract

This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts: The first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. This analysis was based on the Monte Carlo Simulation Method and simulated in Matlab computational environment. The presented results are far better in comparison to the ones of respective analysis as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Also, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location. In the second part, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. A variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. Alternative solutions are proposed, that are less complicated more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Theoretical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped. An analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and amplify the damping of the initial system Improvements are also proposed for the control of the converter at the grid side. Detailed simulations in Matlab computational environment that carried out are based on realistic operation scenario. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time. Comparisons with the existing control techniques show the supremacy of the proposed schemes.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύει και προτείνει κάποιες νέες λύσεις και μεθοδολογίες όσον αφορά στο πρόβλημα της βέλτιστης απομάστευσης ενέργειας από ένα αιολικό σύστημα. Η διατριβή χωρίζεται σε δυο μέρη: Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στη βέλτιστη επιλογή τόσο του αριθμού, όσο και της θέσης των ανεμογεννητριών σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Το κριτήριο που χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση είναι η μέγιστη παράγωγη ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Η ανάλυση αναπτύχθηκε με χρήση της Μεθόδου Προσομοίωσης Μόντε Κάρλο και προσομοιώθηκε σε περιβάλλον Matlab. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε σχέση με αντίστοιχες αναλύσεις είναι πολύ καλύτερα και όσον αφορά στην παραγόμενη ισχύ αλλά και το κριτήριο βελτιστοποίησης, ενώ εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μέγιστο αριθμό των ανεμογεννητριών και την χωροταξική τους τοποθέτηση. Στο δεύτερο μέρος, που είναι και πιο εκτεταμένο, σκοπός είναι η σχεδίαση νέων ελεγκτών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι επιτυγχάνουν τη μέγιστη παραγωγή ισχύος για συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Αναλύεται ένα σύστημα ανεμογεννήτριας αποτελούμενο από επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται στο δίκτυο με πλήρως ελεγχόμενο ac/dc/ac μετατροπέα με IGBT στοιχεία. Προτείνονται λύσεις λιγότερο πολύπλοκες, πιο ακριβείς και πιο εύκολα εφαρμόσιμες. Η θεωρητική ανάλυση απέδειξε ότι το αρχικό μη γραμμικό σύστημα τηρεί τη θεμελιώδη ιδιότητα των Euler-Lagrange συστημάτων την παθητικότητα, που σημαίνει ότι το σύστημα έχει απόσβεση. Γίνεται επίσης ανάλυση του εφαρμοζόμενου σχήματος του διανυσματικού ελέγχου. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει ότι με κατάλληλη μετατροπή και προσαρμογή των PI ελεγκτών στην πλευρά της γεννήτριας και σημαντικές απλοποιήσεις του σχήματος του διανυσματικού ελέγχου προκύπτουν δύο διαφορετικά σχήματα ελέγχου τα οποία επιτυγχάνουν αυτόματα τον προσανατολισμό στο πεδίο, ενώ διατηρούν και αυξάνουν την απόσβεση του αρχικού συστήματος. Ανάλογες βελτιώσεις προτείνονται και για τον έλεγχο του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου. Αναλυτικές προσομοιώσεις σε περιβάλλον Matlab, βασιζόμενες σε ρεαλιστικά σενάρια λειτουργίας, οδήγησαν σε αποτελέσματα που επαληθεύουν τη θεωρητική ανάλυση και δείχνουν ότι τα προτεινόμενα σχήματα ελέγχου επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση στην παράγωγη ισχύος με τρόπο αποδοτικό και με βελτιωμένους χρόνους απόκρισης. Συγκρίσεις με υπάρχουσες αντίστοιχες τεχνικές ελέγχου δείχνουν την υπεροχήτων προτεινομένων σχημάτων.