Η παρούσα διπλωματική εργασία καταπιάνεται με τα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος των Συστημά-
των Ηλεκτρικής Ενέργειας και ειδικότερα με τη διαταραχή της Αρμονικής Παραμόρφωσης. Συγκεκρι-
μένα με τη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και την τάση για Κατανεμημένη Παραγωγή
Ενέργειας αυξήθηκε το ενδιαφέρον για την Ποιότητα Ισχύος των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας.
Οι βασικές εξελίξεις στο πεδίο της ενέργειας και ο εκσυγχρονισμός του εξοπλισμού κυρίαρχα με τη
χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος αποτέλεσαν αιτία για έγχυση ανώτερων αρμονικών στο ηλεκτρικό
δίκτυο.
Επιδίωξη της διπλωματικής εργασίας είναι να εισάγει τον αναγνώστη στις βασικές έννοιες των
Αρμονικών και της Ποιότητας Ισχύος, καθώς και να παρουσιάσει τη μελέτη έγχυσης αρμονικών μιας
κατανεμημένης παραγωγής, συγκεκριμένα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, όταν αυτή συνδέεται με
το δίκτυο χαμηλής τάσης. Αναλυτικότερα, αναπτύσσεται η έννοια της Ποιότητας Ισχύος και κατηγοριο-
ποιούνται τα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος που εμφανίζονται σε ένα ΣΗΕ. Περιγράφεται λεπτομερώς
το πρόβλημα της Αρμονικής Παραμόρφωσης της τάσης και του ρεύματος λόγω της μη γραμμικής συ-
μπεριφοράς των φορτίων, παρουσιάζεται η θεωρία ισχύος υπό την παρουσία ανώτερων αρμονικών,
καθώς επίσης παρατίθεται η ανάλυση Fourier ως βοηθητικό και χρήσιμο εργαλείο για την ανάλυση του
φασματικού περιεχομένου ενός σήματος τάσης/ρεύματος. Στη συνέχεια αναλύεται ο όρος της Κατανε-
μημένης Παραγωγής και παρουσιάζονται οι βασικές ανανεώσιμες και μη-συμβατικές πηγές ενέργειας
που χρησιμοποιούνται σε συστήματα Κατανεμημένης Παραγωγής Ενέργειας, υπό το πρίσμα στατιστι-
κών στοιχείων για την παγκόσμια ενεργειακή κατάσταση.
Για την εξυπηρέτηση των στόχων της διπλωματικής εργασίας επιλέχθηκε η προσομοίωση μιας Κα-
τανεμημένης Παραγωγής, εκείνης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 5.5kW συνδεδεμένου στο δίκτυο
χαμηλής τάσης, μέσω ενός μετατροπέα υποβιβασμού τάσης και ενός τριφασικού αντιστροφέα. Η μο-
ντελοποίηση και προσομοίωση του συστήματος έγινε με τη χρήση του πλέον διαδεδομένου προγραμ-
ματιστικού περιβάλλοντος MATLAB/Simulink. Τελικά, παρουσιάζεται μια σειρά αποτελεσμάτων που
αφορούσαν στην απόκριση του συστήματος σε απότομες διαταραχές, στη μελέτη σωστής λειτουργίας
του Maximum Power Point Tracking ελεγκτή και στη μελέτη έγχυσης αρμονικών του φωτοβολταϊκού συ-
στήματος στο δίκτυο με χρήση φίλτρου και χωρίς χρήση φίλτρου. Το εργαλείο του φασματογραφήματος
αποδείχτηκε χρήσιμο για την κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών των σημάτων της τάσης και
του ρεύματος και του αρμονικού τους περιεχομένου στην έξοδο του αντιστροφέα.
Στο Κεφάλαιο 1 δίνεται ο ορισμός της Ποιότητας Ισχύος, καταγράφονται τα Διεθνή Πρότυπα για
την Ποιότητα Ισχύος, καθώς επίσης κατηγοριοποιούνται τα διάφορα προβλήματα Ποιότητας Ισχύος
βάσει του χαρακτηριστικού της τάσης που επηρεάζουν.
Στο Κεφάλαιο 2 ερμηνεύεται το φαινόμενο της παρουσίας αρμονικών τάσεων και ρευμάτων στο
δίκτυο. Παρατίθενται παράλληλα βασικές έννοιες της ανάλυσης Fourier, η οποία αποτελεί εργαλείο
ανάλυσης σημάτων και συστημάτων στο πεδίο της συχνότητας. Καταγράφονται επίσης οι πηγές που
παράγουν αρμονικά ρεύματα και τάσεις, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται η θεωρία ισχύος υπό μη ημιτο-
νοειδείς συνθήκες. Το κεφάλαιο κλείνει με την παράθεση των βασικών δεικτών που περιγράφουν την
Αρμονική Παραμόρφωση.
Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται στατιστική μελέτη που αφορά στην παγκόσμια ενεργειακή κατά-
σταση, πιο ειδικά στην παγκόσμια παραγωγή και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και το μερίδιο
των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας επί αυτών. Εισάγεται η έννοια της Κατανεμημένης Παραγωγής
και αναπτύσσονται οι επιπτώσεις της διείσδυσής της στο δίκτυο. Επιπλέον, αναφέρονται οι βασικές
τεχνολογίες Κατανεμημένης Παραγωγής.
Στο Κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται η προσομοίωση ενός Φωτοβολταϊκού Συστήματος συνδεδεμένου
στο δίκτυο χαμηλής τάσης με τη χρήση του λογισμικού MATLAB/Simulink. Αναλύονται διεξοδικά τα
επιμέρους υποσυστήματα, δηλαδή η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ο DC-DC μετατροπέας, ο ανιχνευτής
σημείου μέγιστη ισχύος-MPPT, αντιστροφέας, το φίλτρο αποκοπής ανώτερων αρμονικών, το δίκτυο
χαμηλής τάσης και παρουσιάζονται τα μοντέλα τους και οι παράμετροί τους.
Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 μετά από μια παρουσίαση του ολικού μοντέλου προσομοίωσης, παρουσιάζο-
νται οι διάφορες μελέτες προσομοίωσης, ήτοι μελέτη απόκρισης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, μελέτη
προσομοίωσης του συστήματος και ανάλυση αρμονικών για σταθερή και μεταβαλλόμενη ένταση της
ακτινοβολίας, μελέτη μεταβολής φορτίου και μελέτη διακοπής. / This Diploma Thesis addresses the problem of Power Quality in Power Systems and particularly the disturbing
effect of harmonic distortion. The field of power quality analysis gained further attention due to the extended
spread of renewable power sources and distributed generation. The technological breakthroughs in the field of
power electronics enabled the efficient utilization of distributed power systems but at the same time increased
the undesired infusion of higher harmonics to the power network.
The main goal of this thesis is to provide a concrete introduction to the concepts and methodological tools
of harmonics and power quality analysis as well as to present a simulation-based study of harmonic infusion of
a distributed generation example. In particular, the case of a Photovoltaic array connected to the low voltage
grid is considered.
Initially, the concept of power quality is presented and the power quality problems that arise in power
systems are categorized. The effect of harmonic distortion is described in detail and the analytical methods of
power system analysis subject to the disturbing effects of higher harmonics are presented. The basic theory as
well as the tools of frequency domain Fourier-based analysis of the voltage and current harmonics are described
in detail, followed by an overview of the concept of distributed power generation and the dominal renewable
and unconventional power sources found in such systems as concluded from statistical analysis of worldwide
power generation.
To enable numerical analysis, a simulation model that captured the behaviour and dynamics of a 5.5kW
Photovoltaic array connected to the low voltage power grid through a buck converter cascaded with a 3-phase
inverter, was developed. The MATLAB/Simulink(R) environment was chosen to perform the simulation studies
due to its extended spread within the engineering community. Based on this model, several results were derived
that present the functionality of the photovoltaic array itself, the role of the Maximum Power Point Tracking
controller and the response of the overall system to input and external disturbances. Extended studies of the
harmonic context of the voltage/current signals both in the case of using an LC filter a well as without were
conducted employing frequency-domain signal processing tools. Apart from the well established method of
Fast Fourier Transform calculations, the intuitive method of spectrograms was also developed and utilized for
the analysis.
This thesis is structured as follows:
In Chapter 1, the definition of Power Quality is given, followed by a literature review of the international
standards and regulations regarding power quality analysis. Moreover, categorization of the several power
quality problems according to the voltage properties is provided.
Chapter 2 deals with the presence of higher harmonics in the voltage and current signals of the power grid.
An overview of the Fourier Analysis is provided and the specific tools used to aid in frequency-domain power
systems analysis are further elaborated. The sources of voltage and current higher harmonics are listed and the
theory of power systems in non perfect sinusoidal conditions is derived. This chapter ends with a brief overview
of metrics describing the level of harmonic distortion.
In Chapter 3, statistical analysis on the worldwide power systems status is presented with a special focus
on the role and share of renewable power sources. The concept of distributed power generation is introduced
followed by its undesired effects on the public power grid. The dominant technologies for distributed generation
are also detailed.
Within Chapter 4, the development of a MATLAB/Simulink simulator of a Photovoltaic Array connected
to the low voltage power grid is presented. The simulator is based on modules that provide the functionality of
the corresponding physical systems including the photovoltaic array itself, the DC-DC converter, the Maximum
Power Point Tracking (MPPT) controller, the inverter, the filter responsible for cutting-off higher harmonics
and the low voltage network. Each module, its simulator model and parameters as well as the interconnections
that form the overall simulator are described in detail.
Finally, in Chapter 5 the simulation based studies are presented. Particularly, the conducted studies include
analysis of the photovoltaic array response, study of the efficiency of the MPPT controller and analysis of the
3-phase voltage and current signals with a special focus on examining their harmonic context. The conducted
simulations contain cases under constant as well as varying irradiance, load variation and short-circuit faults.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/6023 |
| Date | 07 June 2013 |
| Creators | Τσιούρβα, Μαρία |
| Contributors | Βοβός, Νικόλαος, Tsiourva, Maria, Γιαννακόπουλος, Γαβριήλ |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
Page generated in 0.0037 seconds