Τεχνολογίες Ελέγχου στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Abstract

Ουσιαστικοί περιβαλλοντικοί λόγοι έχουν αποφασιστικά συμβάλει στη μεγάλη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Με δεδομένο ότι οι σημαντικές ποσότητες ισχύος από ΑΠΕ παράγονται κυρίως από αιολικά και φωτοβολταϊκά συστήματα, οι τεχνολογίες ελέγχου των συστημάτων αυτών έχουν κυρίαρχο ρόλο στην ανάπτυξη και στην περαιτέρω διείσδυσή τους στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τεχνικά ζητήματα, τα οποία έχουν να κάνουν με τις διάφορες επικρατούσες τοπολογίες για τα διάφορα είδη αιολικών και φωτοβολταϊκών συστημάτων, αναλύονται διεξοδικά τόσο στο περιγραφικό επίπεδο όσο και στο επίπεδο της δυναμικής λειτουργίας τους. Ζητήματα μεγιστοποίησης της παραγόμενης ισχύος με βάση τις εξωτερικές συνθήκες ή βελτιστοποίησης των ποιοτικών χαρακτηριστικών όπως της έγχυσης άεργου ισχύος κ.ά., αναλύονται θεωρητικά και χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη σχεδίαση κατάλληλων σχημάτων ελέγχου. Προτείνονται ολοκληρωμένες λύσεις, οι οποίες λαμβάνουν υπόψιν όλα τα επιμέρους συστήματα και συσκευές, όπως φίλτρα, γραμμές και ελεγχόμενες συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που αποτελούν τη διεπαφή ισχύος προς τα τοπικά φορτία ή το δίκτυο. Η ανάλυση αναπτύσσεται με βάση τη συνολική δυναμική/μαθηματική περιγραφή του πλήρους συστήματος που εξετάζεται κάθε φορά, στην οποία ενσωματώνονται και οι απαιτούμενοι βρόχοι ελέγχου και ανάδρασης. Η ανάλυση γίνεται με βάση τη θεωρία συστημάτων, με την ευστάθεια να αποτελεί προϋπόθεση που ενσωματώνεται και ικανοποιείται ταυτόχρονα με την εξυπηρέτηση των βασικών στόχων του ελέγχου. Με τον τρόπο αυτό δίνεται η δυνατότητα συγκεκριμένων υπολογισμών και σχεδίασης ολοκληρωμένων αιολικών ή φωτοβολταϊκών συστημάτων. Η λειτουργία των ΑΠΕ με έμφαση στα αιολικά και στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι κυρίαρχης σημασίας και για τη νέα δομή των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Η αμφίδρομη ανταλλαγή ενέργειας από και προς το κύριο δίκτυο είναι ήδη γεγονός, ενώ η εμφάνιση και άλλων νέων τοπικών δομών όπως είναι τα μικροδίκτυα, οι μονάδες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας κ.ά., κάνει ακόμη πιο επιτακτική την ανάγκη της συμβατής μεταξύ τους ανάπτυξης των κυρίαρχων τεχνολογιών ελέγχου σε όλες τις μονάδες οι οποίες αναλύονται στο παρόν σύγγραμμα.

Substantial environmental reasons have decisively contributed to the large penetration of renewable energy sources (RES) in producing electrical energy. Given that RES mainly produce substantial amounts of power utilising wind turbines and photovoltaic (PV) systems, the control technologies of these systems play a significant role in their development and further penetration in electricity production. Technical issues regarding the various prevalent topologies for the diverse types of wind turbines and PV systems are thoroughly analyzed both at the descriptive level as well as at the level of their dynamic operation. Issues of maximizing the generated power based on external conditions or optimizing quality characteristics such as reactive power injections, etc., are theoretically analyzed and then used to design appropriate control schemes. Integrated solutions are proposed, which consider all the individual systems and devices, such as filters, lines and controlled power electronics devices that constitute the power interface to the local loads or the grid. The analysis is developed based on the overall dynamic/mathematical description of the complete system considered each time, incorporating the required control and feedback loops. The entire analysis is based on systems theory with stability being a condition that is incorporated and satisfied while simultaneously the main control objectives are being fulfilled. In this way, it is possible to make specific design calculations for the complete wind turbine and photovoltaic systems. The operation of RES with an emphasis on wind turbines and photovoltaic systems is also crucial for modern power systems. The exchange of energy both from and to the main grid is already taking place, while the emergence of new local systems such as microgrids, energy storage systems, etc., makes even more essential the need for the proper development of the control technologies of all the units, which are analyzed in this book.