Η υπερθέρμανση του πλανήτη, η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας και η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων, έχει καθιερώσει την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (Α.Π.Ε.), αναπόσπαστο τμήμα των σύγχρονων μοντέλων ηλεκτροπαραγωγής. Το μεγαλύτερο μέρος της συγκομιδής ενέργειας από Α.Π.Ε. προέρχεται από τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα και τα αιολικά πάρκα, δημιουργώντας την έννοια της διεσπαρμένης παραγωγής. Από τις αρχές του 21ου αιώνα, τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα γνωρίζουν αξιοσημείωτη ανάπτυξη, ωθούμενα από πολιτικές ανταγωνιστικών τιμολογίων και από τη ραγδαία πτώση των τιμών των Φ/Β στοιχείων, σημειώνοντας ρεκόρ καταγεγραμμένης παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος το 2012 (101 GW), ενώ στόχοι για ακόμα υψηλότερα ποσοστά διείσδυσης (όπως αυτός της Ιαπωνίας των 60 GW μέχρι το τέλος του 2030) αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα της τάσης για ολοένα υψηλότερα ποσοστά διείσδυσης των Φ/Β μονάδων. Στην Ελλάδα, η αθροιστική εγκατεστημένη ισχύς των Φ/Β συστημάτων ανέρχονταν στις αρχές του 2015 στα 2600 MWP, ενώ η συμβολαιοποιημένη ισχύς ήταν 3100 MWP. Τα έτη 2013 και 2014, η ενέργεια που παράχθηκε από τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα ανήλθε στο 6.6% και στο 7% αντίστοιχα της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ η συμμετοχή των Φ/Β στεγών ως προς το σύνολο της Φ/Β παραγωγής ανήλθε στο 13.5% και στο 13.2% αντίστοιχα. Σε επίπεδο εθνικής παραγωγής και κατανάλωσης, η συμμετοχή των Α.Π.Ε. σε μηνιαία βάση (Μάρτιος 2013-2015) κυμάνθηκε μεταξύ 13%-23%, ενώ η συμμετοχή των Φ/Β συστημάτων ήταν μηνιαίως μεταξύ 26%-47% επί της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. Τέλος, το 52.2% της Φ/Β εγκατεστημένης ισχύος συνδέεται στη Χαμηλή Τάση και το 45.6% στη Μέση Τάση.
Ωστόσο, η διείσδυση των Α.Π.Ε. και ειδικά των Φ/Β συστημάτων περιορίζεται από τις εταιρίες διανομής σε ποσοστά της τάξης του 20-30% της εγκατεστημένης ισχύος του υποσταθμού διανομής. Αναμφίβολα, η σύγχρονη τάση για υψηλά ποσοστά διείσδυσης των Α.Π.Ε. έρχεται σε σύγκρουση με την παρούσα αντίληψη, δημιουργώντας την ανάγκη επαναπροσδιορισμού του τρόπου που αντιλαμβανόμαστε την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Καθίσταται λοιπόν επιτακτική η ανάγκη είτε της αναθεώρησης των υφιστάμενων κανονισμών είτε της θέσπισης νέων, έτσι ώστε να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά οι προκλήσεις που αναδύονται από το σύγχρονο μοντέλο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα προς αυτήν την κατεύθυνση είναι το φαινόμενο της νησιδοποίησης, η ανίχνευση και η ταχεία αντιμετώπισή του.
Το ζήτημα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η διερεύνηση μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης των διεσπαρμένων Φ/Β συστημάτων στα δίκτυα χαμηλής τάσης. Αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η υφιστάμενη κατάσταση των μεθόδων ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, καθώς και τα σχετικά υφιστάμενα πρότυπα των σημαντικότερων διεθνών οργανισμών. Διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι της διεθνούς βιβλιογραφίας αδυνατούν να παρέχουν αξιόπιστη προστασία έναντι του φαινομένου της νησιδοποίησης, ενώ παράλληλα δεν λαμβάνουν υπόψιν τα σημαντικά ζητήματα τα οποία προκύπτουν από τη μαζική διείσδυση των Φ/Β συστημάτων. Προς την ίδια κατεύθυνση, επισημάνθηκε και η αδυναμία των υφιστάμενων προτύπων αξιολόγησης των μεθόδων αυτών, τα οποία έως σήμερα αξιολογούν τις μεθόδους ανίχνευσης βασιζόμενα σε διατάξεις δοκιμών με έναν μόνο Φ/Β αντιστροφέα (τον υπό δοκιμή αντιστροφέα), χωρίς να λαμβάνουν υπόψιν τις αλληλεπιδράσεις λόγω της σύνδεσης πολλαπλών Φ/Β μονάδων στον ίδιο κόμβο. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι ανίχνευσης φαίνεται να αγνοούν τεχνικά ζητήματα τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή τους στους Φ/Β αντιστροφείς χαμηλής τάσης. Οι εν λόγω Φ/Β αντιστροφείς διαθέτουν περιορισμένα μετρητικά όργανα και συμβατικούς μικροεπεξεργαστές, τα οποία δυσχεραίνουν ή καθιστούν αδύνατη την εφαρμογή των περισσότερων μεθόδων ανίχνευσης της υφιστάμενης βιβλιογραφίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι Φ/Β μικροαντιστροφείς με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης (οι οποίοι αποτελούν την πιο σημαντική κατηγορία μικροαντιστροφέων). Οι εν λόγω αντιστροφείς μπορούν να υλοποιήσουν – εξαιτίας της βαθμίδας μεταγωγής – μονάχα μεθόδους ανίχνευσης οι οποίες διαταράσσουν την ενεργό ισχύ του Φ/Β συστήματος, δυσχεραίνοντας έτσι τη μαζική διείσδυση των Φ/Β συστημάτων στα δίκτυα χαμηλής τάσης.
Σε αυτό το πλαίσιο, επινοήθηκε μία τεχνική η οποία επιτρέπει τη δημιουργία αρμονικών συνιστωσών στη σημαντική κατηγορία των μικροαντιστροφέων με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης και επιπρόσθετα επινοήθηκε μία καινούρια μέθοδος ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης. Η μέθοδος αυτή, η οποία βασίζεται στην έγχυση επιλεγμένων αρμονικών συνιστωσών ρεύματος, χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο συσχέτισης προκειμένου να εκτιμήσει την κατάσταση του δικτύου (διασυνδεδεμένο ή αποσυνδεδεμένο) στο σημείο κοινής σύνδεσης (ΣΚΣ), παρουσιάζοντας χαμηλή ζώνη μη ανίχνευσης (ΖΜΑ), πλήρη συμβατότητα με τις πλατφόρμες μικροεπεξεργαστών των Φ/Β αντιστροφέων χαμηλής τάσης, καθώς και διασφάλιση της ποιότητας της ισχύος εξόδου του αντιστροφέα. Στη συνέχεια, η μέθοδος αυτή βελτιστοποιήθηκε ώστε να ελαχιστοποιηθεί η περιοχή (ζώνη) εσφαλμένης ανίχνευσης (ΖΕΑ) και παράλληλα να επιτευχθεί σημαντική μείωση στη ζώνη εσφαλμένης ανίχνευσης της μεθόδου. Ολοκληρώνοντας, διερευνήθηκε και η εφαρμογή της μεθόδου σε πολλαπλούς αντιστροφείς και προτάθηκε μία καινούρια τεχνική για την αποτελεσματική εφαρμογή της μεθόδου σε πολλαπλούς αντιστροφείς οι οποίοι διασυνδέονται στον ίδιο κόμβο. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης τεχνικής αποτελεί η απλότητα της εφαρμογής της (σύμφωνα με το πνεύμα των μικροαντιστροφέων), χωρίς να βασίζεται σε μέσα τηλεπικοινωνίας.
Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων καθώς και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων σε εργαστηριακές διατάξεις οι οποίες κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.
Η εργασία περιλαμβάνει την εισαγωγή και οκτώ κεφάλαια:
Στην Εισαγωγή αναλύονται τα κίνητρα για την έρευνα στην περιοχή των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για τη διασύνδεση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής με το δίκτυο της χαμηλής τάσης και καταγράφονται οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής.
Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται, εν συντομία, τα είδη και οι εφαρμογές των Α.Π.Ε. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα Φ/Β συστήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροπαραγωγή και παρατίθενται πρόσφατα στοιχεία σχετικά με τη διείσδυσή τους στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, αναλύεται συνοπτικά η τεχνολογία της διεσπαρμένης παραγωγής στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία προέρχεται (κυρίως) από ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες Α.Π.Ε. Τέλος, παρατίθενται οι επιπτώσεις της περαιτέρω διείσδυσης των μονάδων αυτών στο δίκτυο μεταφοράς και διανομής της Ελλάδας, χρησιμοποιώντας στοιχεία από τον Διαχειριστή Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ) και τον Ανεξάρτητο Διαχειριστή Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΑΔΜΗΕ), ενώ παρουσιάζονται συνοπτικά οι σύγχρονες-καινοτόμες τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής.
Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται συνοπτική ανασκόπηση των διάφορων σχημάτων ελέγχου που χρησιμοποιούνται στους αντιστροφείς διασύνδεσης Α.Π.Ε. με το δίκτυο διανομής, με έμφαση στα σχήματα ελέγχου που διέπουν τους σύγχρονους Φ/Β αντιστροφείς. Επίσης, γίνεται ειδική αναφορά στην κατηγορία των μικροαντιστροφέων πηγής ρεύματος ως μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για τη διασύνδεση μικρής κλίμακας Φ/Β μονάδων με το δίκτυο χαμηλής τάσης (ΧΤ). Οι εν λόγω μικροαντιστροφείς παρουσιάζουν υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος, απλό σχεδιασμό και απλή δομή ελέγχου, αποτελώντας έτσι μία από τις πιο σημαντικές κατηγορίες μικροαντιστροφέων. Τέλος, παρουσιάζονται οι βασικές δομές των μικροαντιστροφέων καθώς και οι πιο διαδεδομένοι τρόποι ελέγχου τους.
Στο Κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται μία εισαγωγή στα πρότυπα τα οποία εφαρμόζονται στις μεγαλύτερες ενεργειακές αγορές παγκοσμίως, με αναφορά στις σημαντικές αναθεωρήσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν την τελευταία δεκαετία από τους Διαχειριστές Δικτύων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο σημαντικό ζήτημα της νησιδοποίησης, ως ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που έχουν να αντιμετωπίσουν σήμερα οι Διαχειριστές Δικτύων υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΜΔΠ) στο επίπεδο της ΧΤ. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή των λειτουργικών χαρακτηριστικών βάσει των οποίων μία μέθοδος ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης θα είναι συμβατή με τα πρότυπα περί επιτυχούς ανίχνευσης και παράλληλα θα διευκολύνει την επικείμενη μαζική διείσδυση των ΜΔΠ στα δίκτυα διανομής ΧΤ. Σημαντικές παράμετροι σε αυτήν τη μελέτη είναι η συμβατότητα μα τα πρότυπα ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος και με τα τοπολογικά/λειτουργικά χαρακτηριστικά των αντιστροφέων χαμηλής τάσης και κυρίως με των μικροαντιστροφέων που παρουσιάσθηκαν και αναλύθηκαν στο Κεφάλαιο 2.
Στο Κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται ανασκόπηση των υφιστάμενων μεθόδων ανίχνευσης της νησιδοποίησης στα δίκτυα ΧΤ και παρουσιάζεται η αξιολόγησή τους ως προς τις επιπτώσεις που επιφέρουν στο δίκτυο. Επιπλέον, πραγματοποιείται συγκριτική ανασκόπηση των μεθόδων αυτών και προτείνεται μία μέθοδος ανίχνευσης η οποία βασίζεται στην έγχυση αρμονικών συνιστωσών ρεύματος και εναρμονίζεται πλήρως με τις απαιτήσεις που τέθηκαν στο Κεφάλαιο 3.
Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αναλυτικά η δομή ενός μικροανστιστροφέα με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης, περιγράφεται ο τρόπος ελέγχου του και προτείνεται μία κατάλληλη τεχνική παλμοδότησης προκειμένου η μέθοδος ανίχνευσης της νησιδοποίησης που επιλέχτηκε στο Κεφάλαιο 4 να είναι εφαρμόσιμη στην εν λόγω κατηγορία αντιστροφέων. Επίσης, εξάγεται η συνάρτηση μεταφοράς ανοιχτού βρόχου του τροποποιημένου σήματος ελέγχου σε έναν ενδεικτικό μικροαντιστροφέα με ψευδο-δεσμό συνεχούς τάσης (στον μικροαντιστροφέα τύπου Flyback). Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μία μέθοδος ανίχνευσης της νησιδοποίησης, η οποία βασίζεται στην έγχυση αρμονικών συνιστωσών και εφαρμόζεται πειραματικά μέσω της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης στον μικροαντιστροφέα τύπου Flyback. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τη διερεύνηση της χρήσης υπο/ενδο-αρμονικών συνιστωσών στις μεθόδους ανίχνευσης της νησιδοποιήσης οι οποίες βασίζονται στην έγχυση αρμονικών συνιστωσών ρεύματος. Το μαθηματικό μέρος του Κεφαλαίου καθώς και η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου ανίχνευσης της νησιδοποίησης επιβεβαιώνονται τόσο μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης όσο και μέσω πειραματικών δοκιμών.
Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται μία νέα ολοκληρωμένη μέθοδος ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης, η οποία βασίζεται στη λογική της αρχικής μεθόδου και η οποία είναι απολύτως συμβατή με τις συμβατικές πλατφόρμες μικροεπεξεργαστών των Φ/Β αντιστροφέων χαμηλής τάσης. Τα πλεονεκτήματα της νέας μεθόδου – πέραν της υψηλής ποιότητας ισχύος και της μη διαταραχής της ενεργού ισχύος – είναι το μικρό υπολογιστικό κόστος, η υλοποίησή της σε επίπεδο λογισμικού (δεν απαιτεί τροποποιήσεις στο υλικό της διάταξης) και η απαίτηση μόνο ενός αισθητήρα τάσης (ο μετρητής αυτός παρέχεται σε όλους τους Φ/Β αντιστροφείς). Παράλληλα, οι παράμετροι της νέας μεθόδου βελτιστοποιούνται σε άμεση συνάρτηση με τα τεχνικά/λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου χαμηλής τάσης στο σημείο διασύνδεσης, επιτυγχάνοντας την ελαχιστοποίηση της ΖΕΑ της μεθόδου. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τη συγκριτική ανασκόπηση της προτεινόμενης μεθόδου και των επικρατέστερων μεθόδων ανίχνευσης της νησιδοποίησης οι οποίες είναι συμβατές με την κατηγορία των μικροαντιστροφέων. Θεωρητικά αποτελέσματα, αποτελέσματα προσομοιώσεων αλλά και πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου βελτιστοποιημένου σχήματος αντι-νησιδοποίησης.
Στο Κεφάλαιο 7 διερευνάται η περίπτωση των πολλαπλών αντιστροφέων σε κοινό σημείο σύνδεσης και προτείνεται μία λύση για την αποτελεσματική εφαρμογή της νέας μεθόδου σε αυτήν την περίπτωση. Σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης λύσης αποτελεί η απλότητα της εφαρμογής της (σύμφωνα με το πνεύμα των μικροαντιστροφέων), χωρίς να βασίζεται σε μέσα τηλεπικοινωνίας. Ταυτόχρονα, προτείνεται μία καινούρια έννοια η οποία αποτελεί σημαντικό ποιοτικό χαρακτηριστικό των μεθόδων ανίχνευσης της νησιδοποίησης οι οποίες βασίζονται στην έγχυση αρμονικών συνιστωσών. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση πειραματικών αποτελεσμάτων τα οποία επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων λύσεων.
Ολοκληρώνοντας, στο Κεφάλαιο 8 γίνεται μία ανακεφαλαίωση της εργασίας, συνοψίζονται τα πρωτότυπα σημεία αυτής και αναδεικνύεται η συμβολή της στην επιστημονική περιοχή του σχεδιασμού της νέας γενιάς αντιστροφέων διασύνδεσης υπό το πρίσμα της μαζικής διείσδυσης διεσπαρμένης παραγωγής στα δίκτυα χαμηλής τάσης και συγκεκριμένα στην ανίχνευση του φαινομένου της νησιδοποίησης για την πολλά υποσχόμενη κατηγορία των μικροαντιστροφέων.