Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη μεταβατικής ευστάθειας και την εφαρμογή προληπτικού ελέγχου στα ΣΗΕ. Ειδικότερα επισημαίνει και αναλύει μια μέθοδο αξιολόγησης της μεταβατικής ευστάθειας των συστημάτων για μια συγκεκριμένη διαταραχή, γνωστή ως Γενικευμένο Κριτήριο Ίσων Εμβαδών (Extended Equal Area Criterion) και με βάση αυτή, προτείνει μια μέθοδο προληπτικού ελέγχου, εφόσον η διαταραχή αυτή είναι επικίνδυνη για το σύστημα. Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγεται η έννοια της μεταβατικής ευστάθειας, η σημασία της για την ορθή λειτουργία των ΣΗΕ, οι μέθοδοι πραγματοποίησης των μελετών της, καθώς και οι στόχοι τους. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην εξίσωση ταλάντωσης, που περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος και τον καθοριστικό ρόλο αυτής στις μελέτες μεταβατικής ευστάθειας είτε μέσω των μεθόδων έμμεσης λύσης είτε μέσω των άμεσων μεθόδων. Στις τελευταίες συμπεριλαμβάνεται και το Κριτήριο Ίσων Εμβαδών, το οποίο αναλύεται στο τέλος του κεφαλαίου και αποτελεί τη βάση για τη διαμόρφωση του Γενικευμένου Κριτηρίου Ίσων Εμβαδών (ΓΚΙΕ). Το τελευταίο εισάγεται και εξετάζεται εκτενώς στο δεύτερο κεφάλαιο. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι θεωρήσεις που χρησιμοποιεί, οι δυνατότητες εφαρμογής του, τα στάδια στα οποία ολοκληρώνεται η μελέτη ευστάθειας μέσω της μεθόδου, καθώς και οι δείκτες ευστάθειας που παρέχει. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια αξιολόγηση της μεθόδου, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Το τρίτο κεφάλαιο ξεκινάει με την αναφορά σε ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του ΓΚΙΕ, που έγκειται στην παροχή της αναλυτικής έκφρασης του περιθωρίου ευστάθειας n. Το περιθώριο n αποτελεί έναν ποσοτικό δείκτη ευστάθειας του συστήματος για συγκεκριμένο χρόνο εκκαθάρισης μιας διαταραχής. Πέραν όμως των πλεονεκτημάτων της γνώσης του πόσο κοντά ή μακριά από την ευστάθεια βρίσκεται το σύστημα για μια διαταραχή, η αναλυτική έκφραση του n δίνει τη δυνατότητα της ανάλυσης της ευαισθησίας του ως προς τις παραμέτρους του συστήματος. Μέσα από την τελευταία αντικατοπτρίζεται η επίδραση που έχει η κάθε παράμετρος στην τιμή του n και επομένως στην ευστάθεια του συστήματος. Έτσι προτείνεται μια μέθοδος ελέγχου, που βασίζεται στην ανάλυση ευαισθησίας του περιθωρίου ευστάθειας. Διατυπώνονται οι θεωρήσεις και η λογική ερμηνεία των βημάτων που ακολουθεί η μέθοδος, ενώ διασαφηνίζεται κάθε της πτυχή, με την ποιοτική εφαρμογή της στις παραμέτρους και Μ, όπου οι μηχανικές ισχείς των γεννητριών και Μ οι αδράνειες τους. Η πρώτη περίπτωση αναφέρεται ως μέθοδος ελέγχου με ανακατανομή της συνολικής ισχύος του συστήματος, ενώ η δεύτερη ως μέθοδος ελέγχου με μεταβολή των αδρανειών των γεννητριών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων του ΓΚΙΕ και των μεθόδων προληπτικού ελέγχου, στο μαθηματικό λογισμικό Matlab, για τριφασικό βραχυκύκλωμα στους ζυγούς του συστήματος τριών μηχανών και εννέα ζυγών της ΙΕΕΕ ((three machine test system). Ακολουθεί ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων και κάποιες γενικές παρατηρήσεις που θεωρήθηκε απαραίτητο, για την ανάλυση των υπό μελέτη μεθόδων σε μεγαλύτερο βάθος, να καταγραφούν. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει από τις εξομοιώσεις των υπό μελέτη μεθόδων, γίνεται μια θεωρητική αξιολόγηση αυτών και εκτίμηση της γενικής τους εικόνας. / The object of this dissertation is about transient stability and preventive control of Power Systems. Specifically it refers to Extended Equal Area Criterion (EEAC), as a way of tackling transient stability and suggest a method of preventive control, based on it. The introductory chapter aims at giving a complete picture of the concept, the methods and the purposes of transient stability assessment at sound operation of Power Systems. The chapter 2 traces the origin of EEAC and links it with EAC (Equal Area Criterion), emphasizing its implement at multimachine systems. In turn states the principle of the former and define the algorithm and the meaning of being the critical machines’ identification the right one. Chapter 3 scrutinizes the derivation of stability margins from EEAC, highlighting the significance of analytical expression of margin for being possible its sensitivity analysis. The stability margin constitutes an index of the degree of system’s stability and in combination with sensitivity analysis, provides the opportunity for applying preventive control. In turn, a method of preventive control based on margin’s sensitivity analysis is suggested. At chapter 4, the simulation results of EEAC and control method, for faults on the three machine test system of IEEE, are presented. Finally, chapter 5 contains the conclusions from the theoretical and practical analysis of EEAC and control methods.

Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε μια εκτεταμένη διερεύνηση μέσω προσομοίωσης της συμπεριφοράς ενός συστήματος αποτελούμενο από μηχανή Diesel , σύγχρονη μηχανή εκτύπων πόλων ως γεννήτρια και ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα ως κινητήρα. Παρουσιάστηκαν όλες οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην μοντελοποίηση ενός τέτοιου συστήματος στο περιβάλλον του προγράμματος SIMULINK του MATLAB. Διερευνήθηκαν όλα τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την εκκίνηση ενός τέτοιου συστήματος καθώς και οι πιο χαρακτηριστικοί τύποι βραχυκυκλωμάτων που μπορούν να παρουσιαστούν κατά την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος, τόσο κατά την μεταβατική κατάσταση λειτουργίας (Transient state), όσο και κατά την μόνιμη κατάσταση λειτουργίας (Steady state). Ακόμη μελετήθηκε η συμπεριφορά του συστήματος κατά την παύση της λειτουργίας του. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την αντιμετώπιση των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων οι οποίες εμφανίζονται σε μία σύγχρονη γεννήτρια παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας μετά από διαταραχές. Ο συμβατικός έλεγχος για τη διατήρηση της μηχανής σε συγχρονισμό μετά από ξαφνικές αλλαγές φορτίου, βραχυκυκλωμάτων, κλείσιμο διακοπτών ή οποιασδήποτε κατάστασης που μπορεί να προκαλέσει αστάθεια στο Σύστημα της Ηλεκτρικής Ενέργειας, γίνεται με χρήση ελεγκτικών διατάξεων Σταθεροποιητών Συστημάτων Ισχύος σε συνδυασμό με τον Αυτόματο Ρυθμιστή Τάσης (ΑΡΤ/ΣΣΙ). Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να σχεδιαστούν και να ρυθμιστούν κατάλληλα οι διατάξεις αυτές, ώστε να εξασφαλίζεται η απόσβεση των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων που εμφανίζονται ανάμεσα στην γεννήτρια και το υπόλοιπο σύστημα. Στην εργασία αυτή, αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στα είδη των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων και την ευστάθεια για δυναμικά Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Στη συνέχεια αναπτύσσεται το δυναμικό μοντέλο ενός απλού συστήματος μιας γεννήτριας άπειρου ζυγού βασισμένο στο απλοποιημένο μοντέλο 4ης τάξης της σύγχρονης μηχανής. Επειδή το μοντέλο αυτό είναι μη γραμμικό προχωράμε στην εξαγωγή του γραμμικοποιημένου μοντέλου που θα μας βοηθήσει για τον σχεδιασμό του κατάλληλου ελεγκτή. Αξιοποιώντας ιδιότητες του μοντέλου παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος σχεδίασης του Σταθεροποιητή Συστήματος Ισχύος που είναι βασισμένη στη λογική των ολοκληρωτικών υπολοίπων. Τέλος με τη βοήθεια του λογισμικού SIMULINK του MATLAB προσομοιώνεται το σύστημα σύγχρονης γεννήτριας συνδεδεμένης σε άπειρο ζυγό, που ελέγχεται με την χρήση του Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης και του Σταθεροποιητή Συστήματος Ισχύος σε κατάσταση τυπικής φόρτισης. Εφαρμόζοντας διαταραχές στο σύστημα παρατηρείται η απόκριση του συστήματος και εκτιμάται η λειτουργία του ελεγκτή. / This thesis aims to address the electromechanical oscillations which appear in a synchronous generator after disturbances. The conventional control for maintaining the machine synchronized after sudden load changes, short circuits, switching or any condition which may cause instability phenomena, is achieved by the use of control circuits such as Power System Stabilizers combined with the Automatic Voltage Regulator ( PSS / AVR). The purpose of this work is to design and configure properly these control circuits to ensure the reduction of electromechanical oscillations that occur between the generator and the rest of the system. In the beginning this thesis, an introduction of the types of power system electromechanical oscillations and stability is being discussed. Afterwards, the dynamic model of a simple system of a generator infinite-bus based on simplified 4th order of synchronous machine is being developed. Due to the model nonlinearities, we export the linearized model which helps us to design a suitable controller. Taking into account the model properties, we provide a systematic method for designing a Power System Stabilizer based on the residues method. Finally, using the MATLAB-SIMULINK software, the synchronous generator infinite-bus system is simulated which is controlled by an Automatic Voltage Regulator and a Power System Stabilizer. After applying disturbances, the system response is driven and analyzed along with the controller functioning.