Πώς ελέγχεται η ποιότητα ισχύος ενός έξυπνου δικτύου (smart grid);

Με την εκτεταμένη ενσωμάτωση νέων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια και η βιομάζα, στο διανομέα δικτύου μέσω της διανεμημένης παραγωγής, των μικροδικτύων και των μικρών και μεσαίων σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (συμπεριλαμβανομένων των σταθμών αποθήκευσης ενέργειας και των σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων), το έξυπνο δίκτυο υπό τις νέες συνθήκες αντιμετωπίζει πολλά νέα προβλήματα. Η δομή ελέγχου της ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας στο πλαίσιο της αρχιτεκτονικής του έξυπνου δικτύου αποτελείται κυρίως από διανεμημένη παραγωγή, δίκτυα μεταφοράς και διανομής, φορτία κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, συμπληρωματικές διατάξεις βελτίωσης της ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας κ.ά.

Με την εκτεταμένη ενσωμάτωση νέων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή, η αιολική και η βιομάζα, στο διανομέα δικτύου μέσω της διανεμημένης παραγωγής, των μικροδικτύων και των μικρών και μεσαίων σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (συμπεριλαμβανομένων σταθμών αποθήκευσης ενέργειας και σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων), το έξυπνο δίκτυο βρίσκεται αντιμέτωπο με πολλά νέα προβλήματα υπό τις νέες συνθήκες. Η δομή ελέγχου ποιότητας ισχύος στην αρχιτεκτονική του έξυπνου δικτύου αποτελείται κυρίως από διανεμημένη παραγωγή, δίκτυα μεταφοράς και διανομής, φορτία κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, συμπληρωματικές διατάξεις ποιότητας ισχύος κ.λπ. Αφενός, ως η βασική κινητήρια δύναμη για την ενσωμάτωση νέων πηγών ενέργειας, η εκτεταμένη ενσωμάτωση ηλεκτρονικών ισχύος έχει δημιουργήσει νέα χαρακτηριστικά και προβλήματα στην ποιότητα ισχύος των δικτύων μεταφοράς και διανομής, τα οποία χρήζουν επειγόντως αντιμετώπισης. Αφετέρου, η πολυμορφία, η μη γραμμικότητα και η επιρροή των φορτίων στην πλευρά της κατανάλωσης είναι ολοένα και πιο έντονες, καθιστώντας την αποτελεσματική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας επείγον θέμα. Τα νέα αυτά προβλήματα φέρνουν τόσο ευκαιρίες όσο και προκλήσεις για τις τεχνολογίες ελέγχου της ποιότητας της ισχύος. Ως ο πυρήνας του έξυπνου δικτύου, το μικροδίκτυο είναι ένα μη γραμμικό πολύπλοκο σύστημα που συνδέει πολλαπλές πηγές ενέργειας. Οι διανεμημένες πηγές ενέργειας που περιλαμβάνει έχουν χαρακτηριστικά, όπως διαλείπουσα λειτουργία, πολυπλοκότητα, ποικιλομορφία και αστάθεια. Τα νέα προβλήματα και χαρακτηριστικά της ποιότητας ισχύος του γίνονται ολοένα και πιο εμφανή. Επομένως, ένα από τα βασικά ζητήματα που χρήζουν άμεσης μελέτης και επίλυσης για την εξασφάλιση ασφαλούς και σταθερής λειτουργίας του δικτύου διανομής υπό τη σύνδεση μικροδικτύων είναι το ζήτημα της ποιότητας ισχύος.
Κατηγοριοποίηση διορθωτών ποιότητας ισχύος
Η τεχνολογία ελέγχου αντιστάθμισης ποιότητας ισχύος διακρίνεται σε ενεργητική τεχνολογία ελέγχου και παθητική τεχνολογία αντιμετώπισης. Για διαφορετικά ζητήματα ποιότητας ισχύος, κατηγοριοποιούνται και παρουσιάζονται οι αντίστοιχες συσκευές αντιστάθμισης. Η παθητική τεχνολογία ελέγχου εξουδετερώνει ή αντιμετωπίζει ζητήματα ποιότητας ισχύος, όπως αρμονικές, αέργος ισχύς και ανισορροπία τριών φάσεων, παρεμβάλλοντας επιπλέον ηλεκτρονικούς συμπληρωματικούς μετατροπείς παράλληλα ή σε σειρά. Οι συσκευές αντιστάθμισης περιλαμβάνουν κυρίως παθητικά φίλτρα ισχύος (PPF), ενεργητικά φίλτρα ισχύος (APF), υβριδικά ενεργητικά φίλτρα ισχύος (HAPF), αντισταθμιστές αέργου ισχύος, διορθωτές δυναμικής τάσης (DVR) και ολοκληρωμένους ρυθμιστές ποιότητας ισχύος (UPQC) κ.ά. Μεταξύ αυτών, ο αντισταθμιστής ποιότητας ισχύος που βασίζεται σε μετατροπέα με πολλαπλά υποτροπικά κυκλώματα (MMC) γίνεται θέμα έρευνας και μελλοντικής τάσης στην τεχνολογία διαχείρισης ποιότητας ισχύος μέσης και υψηλής τάσης, λόγω της δομής του με χαμηλή τάση και συνδεσμολογία σε σειρά. Η ενεργητική τεχνολογία ελέγχου περιλαμβάνει ηλεκτρικές συσκευές ή διανεμημένες πηγές ενέργειας που μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά της εισόδου ή της εξόδου τους ως προς την αντίσταση, ώστε να επιτευχθεί ισορροπία στη λειτουργία διαχείρισης της ποιότητας ισχύος. Η ενεργητική τεχνολογία ελέγχου ποιότητας ισχύος δεν βελτιώνει μόνο το βαθμό αξιοποίησης της ισχύος, αλλά και τη συνολική ποιότητα του συστήματος ισχύος, χωρίς να χρειάζεται η προσθήκη επιπλέον συμπληρωματικών συσκευών.
2. Μέθοδοι ελέγχου για αντισταθμιστές ποιότητας ισχύος
Σήμερα, οι αντισταθμιστές ποιότητας ισχύος χρησιμοποιούν κυρίως μετατροπείς τύπου πηγής τάσης ή τύπου πηγής ρεύματος. Οι συνηθισμένες μέθοδοι ελέγχου ρεύματος για αντισταθμιστές περιλαμβάνουν κυρίως: έλεγχο υστέρησης, έλεγχο χωρίς διακοπές, προβλεπτικό έλεγχο με βάση το μοντέλο, έλεγχο αναλογικό-ολοκληρωτικό (PI), έλεγχο αναλογικός-ενοχλητικός (PR), επαναληπτικό έλεγχο και μη γραμμικό ανθεκτικό έλεγχο κ.ά. Επιπλέον, με τη βελτίωση του συμβατικού ελέγχου ρεύματος, μπορεί να ενισχυθεί η απόδοση του ελέγχου με τη χρήση μόνο ενός τρόπου ελέγχου. Για παράδειγμα, η μέθοδος ελέγχου που συνδυάζει τον συμβατικό PI και τον διανυσματικό PI μπορεί να απλοποιήσει τη διαδικασία ανίχνευσης των αρμονικών. Η μέθοδος αποζημίωσης της διαίρεσης της αρμονικής συχνότητας, σε σχέση με την παραδοσιακή μέθοδο πλήρους αποζημίωσης στην πλήρη ζώνη, βελτιώνει την ακρίβεια ανίχνευσης και αποζημίωσης κάθε αρμονικής και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για διάφορες συσκευές υβριδικών ενεργών φίλτρων ισχύος χαμηλής και υψηλής τάσης κ.ά.
3. Ανάλυση και έλεγχος ποιότητας ισχύος μεγάλων κατανεμημένων σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας
Με την αυξανόμενη διείσδυση μεγάλων κατανεμημένων σταθμών παραγωγής ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική (στα επίπεδα 10 kV έως 35 kV), η αλληλεπίδραση και η σύζευξη των αρμονικών που παράγονται από συστήματα κατανεμημένων σταθμών παραγωγής, τα οποία αποτελούνται κυρίως από πολλαπλούς μετατροπείς, με το σύστημα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έχουν γίνει ολοένα και πιο πολύπλοκες. Τα αρμονικά ρεύματα που παράγονται από τους κατανεμημένους σταθμούς παραγωγής παρουσιάζουν χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας και ευρείας περιοχής συχνότητας. Η σχέση μεταξύ του παράγοντα ενίσχυσης συντονισμού, της τάξης αρμονικής και της απόστασης μεταφοράς σε έναν τυπικό κατανεμημένο σταθμό παραγωγής. Κατά τη διάδοση των αρμονικών στο δίκτυο μεταφοράς, επηρεάζονται από παράγοντες όπως η κατανεμημένη χωρητικότητα στις γραμμές μεταφοράς και η τάση των αρμονικών του υποβάθρου, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ενίσχυση των ρευμάτων και των τάσεων λόγω συντονισμού. Υπάρχουν δύο λύσεις για την αντιμετώπιση του προβλήματος του σειριακού-παράλληλου συντονισμού ευρείας ζώνης αρμονικών στο δίκτυο μεταφοράς, δηλαδή: αλλαγή των παραμέτρων του δικτύου μεταφοράς και εξάλειψη του συντονισμού μέσω αντιδραστικών παράλληλων πηνίων. Εγκατάσταση υβριδικών ενεργών φίλτρων υψηλής τάσης για τη μείωση του περιεχομένου των αρμονικών ρευμάτων που εισέρχονται στο ηλεκτρικό δίκτυο.