PV system models for assessing the voltage quality behaviour of voltage quality behaviour of distribution grids in the presence of high PV penetration levels

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η αυξανόμενη ανησυχία για τις κλιματικές αλλαγές και η φιλελευθεροποίηση της αγοράς ενέργειας έχουν δημιουργήσει τις κατάλληλες προϋποθέσεις για προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ειδικότερα σε περιοχές με υψηλή ηλιακή ακτινοβολία, η διείσδυση φωτοβολταϊκών (ΦΒ) συστημάτων αναμένεται να είναι αρκετά μεγάλη στο εγγύς μέλλον, καθώς η τεχνολογία γίνεται όλο και πιο ανταγωνιστική. Η υψηλή διείσδυση φωτοβολταϊκών συστημάτων θα έχει σίγουρα σοβαρές συνέπειες για τη λειτουργία του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και νέες προκλήσεις ενδέχεται να προκύψουν καθώς τα επίπεδα διείσδυσης αυξάνονται. Η ερευνητική αυτή εργασία αποτελεί αποτέλεσμα της ανάγκης για μελέτη της αυξανόμενης διείσδυσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων με πρώτιστο στόχο την ανεύρεση των πιθανών προβλημάτων που ενδέχεται να παρουσιαστούν με την ανεξέλεγκτη διασύνδεση τους στο δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, η ερευνητική αυτή εργασία επικεντρώνεται στην ακριβή μοντελλοποίηση των ΦΒ συστημάτων προκειμένου να γινεί εφικτή η μελέτη της συμπεριφοράς του δικτύου διανομής υπό συνθήκες μεταβλητών συγκεντρώσεων ΦΒ συστημάτων. Αρχικά, δύο νέα μοντέλα ΦΒ συστημάτων έχουν δημιουργηθεί για μελέτες σταθερή κατάστασης. Τα μοντέλα αυτά (με επονομασία απλό και προηγμένο ΦΒ μοντέλο αντίστοιχα) έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της τάσης και των αρμονικών του δικτύων διανομής υπό συμμετρικές συνθήκες. Στην συνέχεια, ένα λεπτομερές μοντέλο ΦΒ συστήματος ρυθμίζεται και επαληθεύεται χρησιμοποιώντας μετρήσεις και ακολούθως αξιοποιείται σε μελέτες τάση, αρμονικών, ρύθμισης τάσης και σφαλμάτων. Επιπλέον, ένα γενικευμένο μοντέλο ΦΒ συστήματος έχει αναπτυχθεί για μελέτες στιγμιαίας απόκρισης και έχει την δυνατότητα να προσομοιώνει με ακρίβεια την δυναμική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού συστήματος σε συμμετρικές και ασύμμετρες συνθήκες τάσης. Το προτεινόμενο μοντέλο στιγμιαίας απόκρισης μπορεί να ρυθμιστεί με την βοήθεια μεθόδου καθορισμού παραμέτρων για να προσομοιώνει με επαρκή ακρίβεια την στιγμιαία απόκριση μετατροπέων με διαφορετική παραμετροποίηση. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελέτες, αρμονικών. Η ορθότητα της δυναμικής συμπεριφοράς του μοντέλο έχει επαληθευτεί με τη χρήση δεδομένων προσομοίωσης από το λεπτομερές μοντέλο ΦΒ συστήματος. Η σύγκριση μεταξύ του προτεινόμενου μοντέλου στιγμιαίας απόκρισης και του λεπτομερές μοντέλου ΦΒ συστήματος διεκπεραιώνεται υπό τις ίδιες διακυμάνσεις τάσης και υπό τις ίδιες μεταβολές ενεργού/άεργου ισχύος. Η ανάδειξη τυχόν προβλημάτων ποιότητας ισχύος και η μελέτη της συμπεριφοράς του δικτύου διανομής στην παρουσία ΦΒ συστημάτων γίνεται με την βοήθεια ευρέως αναγνωρισμένων δεικτών ποιότητας ισχύος λαμβάνοντας υπόψη τα τρέχοντα διεθνή πρότυπα και πρακτικές. Επιπλέον, προέκταση της διατριβής αυτής αποτελεί η ακριβής μοντελλοποίηση του δικτύου διανομής, η οποία συνεισφέρει στην ορθή μελέτη των προβλημάτων ποιότητας ισχύος και συμβάλλει στην σύνθεση ενός ολοκληρωμένου εργαλείου προσομοίωσης για την μελέτη της συμπεριφοράς των ΦΒ συστημάτων. Ο απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η βελτίωση της δυνατότητας διασύνδεσης υψηλών συγκεντρώσεων φωτοβολταϊκών συστημάτων στο δίκτυο διανομής, προτείνοντας ακριβής/απλουστευμένες μεθόδους μοντελλοποίησης για την μελέτη της ποιότητας ισχύος, των σφαλμάτων και της ασσυμετρίας φάσεων. Η ανάπτυξη κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης θέτει τις βάσεις για την ανεύρεση/κατανόηση των προβλημάτων ποιότητας ισχύος που σχετίζονται με την διεσπαρμένη παραγωγή για την περαιτέρω επίλυση τους.

In recent years, increasing concerns about climate change and the liberalisation of the energy market have provided the necessary impetus for alternative energy sources. Especially in regions with high solar irradiance, high penetration of photovoltaic (PV) systems is expected to arise in the near future as the technology becomes more competitive. High penetration of Photovoltaic (PV) systems will definitely have serious consequences on the operation of the electricity grid and further challenges will arise as penetration levels increase. The motivation of this work is the aforementioned expected increased penetration of PV and the potential problems associated with the uncontrolled deployment of PV technology. In more detail, the current research work focuses on the accurate modelling of PV systems for assessing the power quality behaviour of the distribution grid while varying the PV capacity. Initially, two PV system models are developed for steady-state studies. The aforementioned models, named simple and advanced PV system models, are used for the study of the voltage and harmonic behaviour of distribution grids under balanced conditions. In the next step, a detailed PV system model (DPVSM) is tuned and validated using measurements and further utilized in voltage, harmonic, voltage regulation and fault studies. Furthermore, a generic PV system model is developed for transient studies capable of representing the response of the PV system during balanced and unbalanced conditions. The proposed transient PV system model (TPVSM) is tuneable and via a parameter estimation method it can adapt to represent the transient response of various inverters found on the market. Also, it can be used for harmonic studies as well. The transient response of the proposed transient PV system model is validated by using simulation data from the detailed PV system model. The comparison is achieved by imposing both the DPVSM and the TPVSM under the same voltage fluctuations and active/reactive power changes. The evaluation of power quality problems via the study of the distribution grid in the presence of PV systems is done with the help of widely accepted power quality indices and by taking into account the latest international standards and practices. Additionally, as an extension of the above work, accurate distribution grid modelling is undertaken which contributes in formulating a complete simulation tool for studying the behaviour of PV systems and enables the proper study of power quality problems. The ultimate aim/goal of this PhD work is to improve the potential of installing high quantities of PV systems via the proposed accurate/reduced models of PV generation designed for use in power quality and fault/unbalanced studies. The development of appropriate models will improve the understanding of problems relative to distributed generation and will lead to the development of appropriate solutions.