Kytkettyjen teholähdejärjestelmien dynaamiset mallit

Abstract

Teholähdejärjestelmien mallintaminen nykyisillä menetelmillä käy koko ajan vaikeammaksi järjestelmien rakenteiden monimutkaistumisen ja suorituskykyvaatimusten kasvamisen myötä. Systemaattiset menetelmät kytkettyjen järjestelmien mallintamista varten analysoinnin ja säädön kannalta ovat vielä toistaiseksi puutteellisia, ja järjestelmissä on ollut tapana ohjata vain yhtä sen laitteista. Niinpä nykyiset mallintamismenetelmät ja mallintamissäännöt ovat kaukana optimaalisista, ja systemaattisten tapojen kehittämisestä olisi hyötyä. On syytä muistaa, että tällaisten uusien kehitettävien menetelmien kohdalla on yhä stabiilisuus- ja suorituskykyehtojen täytyttävä.

Tässä diplomityössä kerrotaan aluksi yleisesti sähköverkkojen toiminnasta, ja kuinka sähköä käytännössä välitetään kuluttajille. Lisäksi kerrotaan sähköverkkojen tulevaisuuden näkymistä esittelemällä hajautetun energiantuotannon konsepti, jota kutsutaan myös älykkääksi sähköverkoksi. Tämän jälkeen tutustutaan tasavirtaväyliin, joilla saattaa olla merkittävä rooli hajautetussa energiantuotannossa. Tasavirtaväylillä voidaan välittää tasavirtaa samanaikaisesti useille rinnakkain kytketyille laitteille. Seuraavaksi esitellään erilaisia kompleksitason kiellettyihin alueisiin pohjautuvia impedanssipohjaisia stabiilisuusanalyysimenetelmiä, joille R. D. Middlebrook loi 1970-luvun puolivälissä perustan.

Näiden vaiheiden jälkeen työssä laajennetaan erästä olemassa olevaa dynaamisten teholähdejärjestelmien mallintamismenetelmää koskemaan tasavirtaväyliä muodostamalla tasavirtaväylän tulovirran ja lähtöjännitteen yhtälöt eri tilanteissa. Liikkeelle lähdetään yksinkertaisesta tapauksesta, jossa tasavirtaväylässä on vain yksi haara eli väylässä on tällöin vain yksi komponentti. Tämän jälkeen tarkastellaan miten rinnan- ja sarjakytkentöjen lisääminen vaikuttaa väylän yhtälöihin. Työn viimeisessä osiossa tarkastellaan järjestelmän stabiilisuutta ja käydään läpi järjestelmäesimerkki.

The modeling of connected power systems is constantly becoming more and more difficult due to the overall systems getting more complex, and the higher demands on the system performance. The systematic methods regarding system analysis and control of the connected power systems are still inadequate, and currently used methods have traditionally based on knowledge how to control just one single device of the complete system. Needless to say, such design methods and design rules are far from optimal, and huge benefits could be obtained by developing systematic methods. When developing these kinds of systematic methods we still have to be sure that the developed methods guarantee the stability and the performance specifications of the system.

This master’s thesis will first discuss about the power grids in general, and explain how the electricity is transmitted to the consumers. Then the thesis will discuss about the future of the power grids by explaining the concept of the distributed generation, also known as smart grids. After these phases the work will cover multiport dc busses, which could have a significant role in the distributed generation in the future. These mentioned dc busses can transmit direct current simultaneously to multiple devices which are connected in parallel connection to each other. Next the thesis will describe impedance-based stability assessment methods based on different kinds of forbidden regions in the complex plane. The idea to these methods has been laid down in the mid-1970s by R. D. Middlebrook.

After these phases the thesis will expand one proposed modeling method of the connected power systems to apply with the dc bus networks by creating the equations in different situations for the dc bus input current and output voltage. The thesis will start with the simple case, when just one component is connected to the dc bus. After that the thesis will cover how adding parallel and series connections to the system will affect its equations. The final part of the thesis will focus to system stability and will cover one system example.