Τα θέματα που καλύπτονται στο μάθημα περιλαμβάνουν:
• Εισαγωγή στην ασφάλεια και ευστάθεια ΣΗΕ: ασφαλής λειτουργία, καταστάσεις κανονικής λειτουργίας, συναγερμού, έκτακτης ανάγκης, και κατάρρευσης (black out).
• Δυναμικά φαινόμενα, στάσιμη κατάσταση και ταξινόμηση ευστάθειας γωνίας, τάσης και συχνότητας.
• Μοντελοποίηση μονάδων παραγωγής: γενική διάταξη ατμοηλεκτρικού σταθμού, έλεγχος λέβητα/στροβίλου, μοντέλα ατμοστροβίλου, σύγχρονες γεννήτριες, ισοδύναμα κυκλώματα, μηχανικό μοντέλο και εξίσωση κίνησης δρομέα.
• Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας: ισορροπία παραγωγής-φορτίου, πρωτεύουσα ρύθμιση, ρυθμιστής στροφών, στατισμός (droop), κατανομή φορτίου μεταξύ μονάδων παραγωγής, μονάδες βάσης/ρυθμίζουσες μονάδες και αυτορρύθμιση φορτίου.
• Δευτερεύουσα ρύθμιση και διασυνδεδεμένα συστήματα: περιοχές ελέγχου, ροές στις διασυνδέσεις, επίπεδος έλεγχος συχνότητας, έλεγχος διασύνδεσης, σύνθετος έλεγχος με συντελεστή πόλωσης, ACE και συμμετοχή μονάδων στον δευτερογενή έλεγχο.
• Δυναμικό μοντέλο ελέγχου συχνότητας: κινητική ενέργεια, συντελεστής αυτορρύθμισης φορτίου, μεταβολή ισχύος διασυνδέσεων, δυναμικό μοντέλο απομονωμένης και διασυνδεδεμένης περιοχής, ολοκληρωτικός έλεγχος και χρονική απόκριση.
• Έλεγχος άεργου ισχύος-τάσης: αυτόματος ρυθμιστής τάσης και σύστημα διέγερσης, χαρακτηριστικές λειτουργίας σύγχρονης γεννήτριας, εξάρτηση τάσης ζυγών από άεργο ισχύ, διανυσματικά διαγράμματα, πτώση τάσης σε γραμμές μεταφοράς και μέσα αντιστάθμισης.
• Ευστάθεια τάσης: ορισμοί, αναλυτική περιγραφή με απλό σύστημα δύο ζυγών, περιοχές λειτουργίας, στατικά και δυναμικά μοντέλα φορτίου, μηχανισμοί αστάθειας, επίδραση ΣΑΤΥΦ και ορίων παραγωγής άεργου ισχύος.
• Ευστάθεια γωνίας: σχέσεις ισχύος σύγχρονων γεννητριών κυλινδρικού δρομέα και έκτυπων πόλων, σύνδεση σε άπειρο ζυγό, ισοδύναμα για δυναμικές καταστάσεις, όριο ευστάθειας στάσιμης κατάστασης, ισχύς συγχρονισμού και ολίσθηση πόλων.
• Ευστάθεια μικρών διαταραχών: εξίσωση ταλάντωσης, μικρές ταλαντώσεις με και χωρίς απόσβεση.
• Μεταβατική ευστάθεια: κριτήριο ίσων εμβαδών, κρίσιμος χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος, αναγωγή σε διάταξη σύγχρονης γεννήτριας-άπειρου ζυγού και μέθοδοι βελτίωσης ευστάθειας.
• Σύγχρονα ζητήματα ευστάθειας σε ΣΗΕ:
• Επίδραση ΑΠΕ στην ευστάθεια των σύγρχονων ΣΗΕ,
• Ανάλυση μεγάλων blackouts στο Ευρωπαϊκό ΣΗΕ,
• Εκτίμηση ορίων ευστάθειας σε πραγματικό χρόνο με χρήση μετρήσεων,
• Διαστασιολόγηση εφεδρειών και εξισορρόπηση πραγματικού χρόνου.

Το μάθημα εισάγει τους/τις φοιτητές/τριες στις βασικές έννοιες ελέγχου και ευστάθειας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), με έμφαση στον έλεγχο πραγματικής ισχύος-συχνότητας, στον έλεγχο άεργου ισχύος-τάσης και στην ανάλυση ευστάθειας γωνίας, τάσης και συχνότητας.
Παρουσιάζονται η μοντελοποίηση στροβίλων, γεννητριών, ρυθμιστών στροφών και αυτόματων ρυθμιστών τάσης, τα δυναμικά μοντέλα περιοχών ελέγχου ΣΗΕ, οι μέθοδοι ανάλυσης ευστάθειας μικρών διαταραχών, μεταβατικής ευστάθειας και οι μηχανισμοί αστάθειας τάσης.
Η θεωρία συνδέεται με την επίλυση προβλημάτων που αφορούν τον έλεγχο συχνότητας, τον έλεγχο τάσης και την ευστάθεια γωνίας. Επιπλέον, πραγματοποιούνται εργαστηριακές ασκήσεις με χρήση MATLAB, Simulink και DIgSILENT PowerFactory, διάρκειας 1 ώρας εβδομαδιαίως, με στόχο την καλύτερη κατανόηση και την εμβάθυνση των εννοιών που διδάσκονται στα πλαίσια του μαθήματος.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο/η φοιτητής/τρια θα είναι σε θέση να:
• Κατανοεί τα κριτήρια ασφαλούς λειτουργίας ΣΗΕ, την έννοια Ν-1, τις καταστάσεις λειτουργίας και την ταξινόμηση των δυναμικών φαινομένων και της ευστάθειας ΣΗΕ.
• Περιγράφει και να χρησιμοποιεί βασικά δυναμικά μοντέλα ατμοστροβίλων, σύγχρονων γεννητριών, ρυθμιστών στροφών, συστημάτων διέγερσης και αυτόματων ρυθμιστών τάσης.
• Να κατανοεί τις έννοιες του στατισμού, της κατανομής φορτίου σε μονάδες, της αυτορρύθμισης φορτίου, της πρωτεύουσας και της δευτερεύουσας ρύθμισης συχνότητας, και την έννοια του σφάλματος ελέγχου περιοχής (ACE).
• Αναλύει τον έλεγχο συχνότητας σε απομονωμένες και διασυνδεδεμένες περιοχές ελέγχου.
• Να υπολογίζει και να ερμηνεύει μεγέθη ελέγχου τάσης και άεργου ισχύος.
• Να κατανοεί τις καμπύλες P-V, Q-V σε ΣΗΕ.
• Να αναγνωρίζει μηχανισμούς αστάθειας τάσης.
• Να κατανοεί την επίδραση των φορτίων, των συστημάτων αλλαγής τάσης υπό φορτίο (ΣΑΤΥΦ) και των ορίων άεργου ισχύος γεννητριών στην κατάρρευση τάσης.
• Να υπολογίζει πτώσεις τάσης σε γραμμές μεταφοράς και να διαστασιολογεί σωστά μέσα αντιστάθμισης.
• Να υπολογίζει τα όρια ευστάθειας στάσιμης κατάστασης σε ένα ΣΗΕ
• Να χρησιμοποιεί την εξίσωση κίνησης του δρομέα για να ποσοτικοποιήσει την επίδραση μικρών διαταραχών στις γωνίες και στις ισχείς των γεννητριών
• Να εφαρμόζει το κριτήριο των ίσων εμβαδών για την ανάλυση προβλημάτων μεταβατικής ευστάθειας γωνίας.
• Να αναγνωρίζει σύγχρονες προκλήσεις ευστάθειας εξαιτίας της υψηλής διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
• Να κατανοεί τη σημασία των εφεδρειών στα σύγχρονα ΣΗΕ.
• Να επιλύει τεχνικά προβλήματα και να τεκμηριώνει παραδοχές (μαθηματική μοντελοποίηση και φυσική ερμηνεία των αποτελεσμάτων).

• Τρεις ατομικές/ομαδικές εργασίες (20%), με βάση την ύλη που έχει καλυφθεί στο εργαστήριο. Οι εργασίες περιλαμβάνουν:
– Εργασία στο αντικείμενο του ελέγχου συχνότητας
– Εργασία στο αντικείμενο του ελέγχου τάσης
– Εργασία στο αντικείμενο της μεταβατικής ευστάθειας
• Γραπτή τελική εξέταση (80%) που περιλαμβάνει:
– Επίλυση προβλημάτων (5 από τις 8 μονάδες του βαθμού της γραπτής εξέτασης). Επιτρέπονται οι σημειώσεις και τα συγγράματα
– Αξιολόγηση στοιχείων θεωρίας (3 από τις 8 μονάδες του βαθμού της γραπτής εξέτασης). Δεν επιτρέπονται σημειώσεις και τα συγγράματα
Κριτήρια αξιολόγησης: ορθότητα φυσικής και μαθηματικής μοντελοποίησης, τεκμηρίωση παραδοχών, καθαρότητα παρουσίασης και τεχνική ερμηνεία αποτελεσμάτων, ακρίβεια υπολογισμών.

Εβδομάδα 1: Εισαγωγή στην ασφάλεια και ευστάθεια ΣΗΕ, δυναμικά φαινόμενα και ταξινόμηση ευστάθειας.
Εβδομάδα 2: Μοντέλα ατμοηλεκτρικού σταθμού, στροβίλου και σύγχρονης γεννήτριας. Εξίσωση κίνησης δρομέα.
Εβδομάδα 3: Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας Ι: ισορροπία παραγωγής-φορτίου, πρωτεύουσα ρύθμιση, ρυθμιστής στροφών, droop.
Εβδομάδα 4: Έλεγχος συχνότητας ΙΙ: κατανομή φορτίου σε μονάδες, αυτορρύθμιση φορτίου, περιοχές ελέγχου και δευτερεύουσα ρύθμιση.
Εβδομάδα 5: Δυναμικό μοντέλο ελέγχου συχνότητας, απομονωμένες/διασυνδεδεμένες περιοχές, ολοκληρωτικός έλεγχος και ACE.
Εβδομάδα 6: Έλεγχος τάσης-άεργου ισχύος: αυτόματος ρυθμιστής τάσης, σύστημα διέγερσης, εξάρτηση τάσης ζυγών από την άεργο ισχύ, πτώση τάσης σε γραμμές μεταφοράς, χωρητική αντιστάθμιση σειράς, εγκάρσια αντιστάθμιση, σύγχρονος αντισταθμιστής.
Εβδομάδα 7: Ευστάθεια τάσης: ανάλυση του προβλήματος της ευστάθειας τάσης, περιοχές λειτουργίας (ζώνες λειτουργίας), μοντέλα φορτίου και επίδραση τους στην ευστάθεια τάσης, αντίκτυπος ΣΑΤΥΦ στην ευστάθεια τάσης, και όρια άεργου ισχύος.
Εβδομάδα 8: Ευστάθεια γωνίας Ι: σχέσεις ισχύος-γωνίας, ισοδύναμα στροβιλογεννητριών και γεννητριών έκτυπων πόλων, όριο ευστάθειας στάσιμης κατάστασης και ισχύς συγχρονισμού.
Εβδομάδα 9: Ευστάθεια γωνίας ΙΙ: εξίσωση ταλάντωσης, μικρές ταλαντώσεις και μεταβατική ευστάθεια.
Εβδομάδα 10: Κριτήριο ίσων εμβαδών, κρίσιμος χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος, αναγωγές συστημάτων και μέθοδοι βελτίωσης ευστάθειας.
Εβδομάδα 11: Αξιολόγηση ευστάθειας ΣΗΕ με χρήση μετρήσεων (εκτίμηση επιπέδων αδράνειας ΣΗΕ και προσδιορισμός συντελεστών απόσβεσης εμφανιζόμενων ταλαντώσεων)
Εβδομάδα 12: Ανάλυση σημαντικών blackouts στο Ευρωπαικό σύστημα. Αναλύεται το blackout της Ιταλίας το 2003, της Ελλάδος του 2004, των Δυτικών Βαλκανίων το 2024, και της Ισπανίας το 2025.
Εβδομάδα 13: Εφεδρείες και εξισορρόπηση. Συνδυαστικές ασκήσεις και σύγχρονα ζητήματα ευστάθειας.

Εργαστηριακό Μέρος – Κατανομή ύλης
Εβδομάδα 1: Ροή φορτίου και ασφαλής λειτουργία N–1. Δημιουργία μικρού συστήματος 5-9 ζυγών στο λογισμικό DIgSILENT, έλεγχος τάσεων/φορτίσεων γραμμών, αποσύνδεση γραμμής ή γεννήτριας και αξιολόγηση ασφαλούς/μη ασφαλούς λειτουργίας.
Εβδομάδα 2: Ανάπτυξη μοντέλων βαθμίδων συμβατικών σταθμών παραγωγής στο MATLAB/Simulink. Μελέτη επίδρασης αδράνειας ΣΗΕ στο ρυθμό μεταβολής της συχνότητας και στην ελάχιστη εμφανιζόμενη συχνότητα.
Εβδομάδα 3: Υλοποίηση δομικού διαγράμματος πρωτεύουσας ρύθμισης συχνότητας απομονωμένης περιοχής, μέσω της επέκτασης του μοντέλου που σχεδιάστηκε την Εβδομάδα#2. Βηματική μεταβολή φορτίου, απόκριση συχνότητας, μόνιμο σφάλμα, επίδραση αδράνειας H, στατισμού R και αυτορρύθμισης φορτίου D. Εφαρμογή κριτηρίουRouth-Hurwitz για τον προσδιορισμό του εύρους τιμών του μόνιμου στατισμού, ώστε να έχουμε ευσταθή λειτουργία.
Εβδομάδα 4: Επέκταση του δομικού διαγράμματος της Εβδομάδας#3, ώστε να συμπεριληφθεί και η δευτερεύουσα ρύθμιση συχνότητας. Μελέτη επίδρασης ολοκληρωτικού ελέγχου στην απόκριση συχνότητας του ΣΗΕ. Ανάλυση ευαισθησίας για τις χρονικές σταθερές του ΣΗΕ και το κέρδος του ολοκληρωτικού ελέγχου.
Εβδομάδα 5: Επέκταση του δομικού διαγράμματος της Εβδομάδας#4, με στόχο τη μοντελοποίηση διασυνδεδεμένων περιοχών. Μεταβολή φορτίου σε μία περιοχή, απόκριση συχνότητας των δύο περιοχών και απόκριση ισχύος διασυνδετικής γραμμής, έννοια ACE και επίδραση προγραμματισμένων ανταλλαγών.
Εβδομάδα 6: Μοντελοποίηση αυτόματου ρυθμιστή τάσης σύγχρονης γεννήτριας στο MATLAB/Simulink. Μοντελοποίηση AVR, μεταβολή Vref, επίδραση KA, TA, περιοριστών και βρόχου σταθεροποίησης.
Εβδομάδα 7: Έλεγχος τάσης και άεργου ισχύος σε γραμμές μεταφοράς. Δημιουργία μικρού συστήματος 5-9 ζυγών στο λογισμικό DIgSILENT. Μελέτη επίδρασης συντελεστή ισχύος, άεργης αντιστάθμισης, πυκνωτών/πηνίων, και ΣΑΤΥΦ στην τάση του ΣΗΕ.
Εβδομάδα 8: Προσδιορισμός ευστάθειας τάσης. Υπολογισμός καμπυλών P-V, Q-V για το ΣΗΕ που μελετήθηκε την εβδομάδα #7.
Εβδομάδα 9: Έλεγχος τάσης σε ΣΗΕ με αυξημένη διείσδυση ΑΠΕ. Στρατηγικές ελέγχου P(V), Q(V), cosφ(P). Δημιουργία μικρού συστήματος διανομής μέσης τάσης στο λογισμικό DIgSILENT. Αξιολόγηση αποτελεσματικότητας εξεταζόμενων μεθόδων στη ρύθμιση τάσης του δικτύου. Μελέτη αντίκτυπου λόγου R/X των γραμμών του δικτύου στην αποτελεσματικότητα των μεθόδων.
Εβδομάδα 10: Μεταβατική ευστάθεια. Χρήση του δικτύου που σχεδιάστηκε την Εβδομάδα#1. Μεταβολή φορτίου συστήματος, διεξαγωγή τριφασικών και μονοφασικών βραχυκυκλωμάτων, καταγραφή ροπών, ρευμάτων, τάσεων, και σύγχρονης ταχύτητας των σύγχρονων γεννητριών του ΣΗΕ. Ερμηνεία των αποτελεσμάτων και αξιολόγηση της ευστάθειας του συστήματος.
Εβδομάδα 11: Υπολογισμός κρίσιμου χρόνου απόζευξης σφάλματος, ώστε να διατηρηθεί η ευστάθεια του ΣΗΕ. Χρήση του δικτύου που σχεδιάστηκε την Εβδομάδα#1. Επίδραση διαφορετικών παραμέτρων (μήκος γραμμής μεταφοράς, ροπής αδράνειας σύγχρονων γεννητριών, κλπ.) στην ευστάθεια του ΣΗΕ και υπολογισμός κρίσιμου χρόνου απόζευξης σφάλματος, ώστε να διατηρηθεί η ευστάθεια.
Εβδομάδα 12: Αξιολόγηση ευστάθειας ΣΗΕ σε πραγματικό χρόνο με χρήση μετρήσεων. Χρήση του δικτύου που σχεδιάστηκε την Εβδομάδα#1 και μελέτη διαφορετικών διαταραχών και διαφορετικών λειτουργικών συνθηκών. Καταγραφή δυναμικών αποκρίσεων του ΣΗΕ και ανάλυση τους με στόχο τον υπολογισμό των ιδιοτιμών του ΣΗΕ (δίνοντας έμφαση στους συντελεστές απόσβεσης).
Εβδομάδα 13: Επίδραση μονάδων ΑΠΕ στην ευστάθεια του ΣΗΕ. Χρήση του δικτύου που σχεδιάστηκε την Εβδομάδα#1 και μελέτη περιπτώσεων που αφορούν σημαντική αύξηση μονάδων ΑΠΕ (και άρα μείωση συμβατικής παραγωγής και αδράνειας). Διεξαγωγή δυναμικών προσομοιώσεων κατά την απώλεια μονάδας παραγωγής και γραμμής. Αξιολόγηση RoCoF, nadir συχνότητας, τάσεων και αναγκών εφεδρείας.

Φροντιστηριακές ασκήσεις: Οι φροντιστηριακές ασκήσεις καλύπτουν θέματα που αφορούν:
• Το στατισμό και την κατανομή φορτίου σε μονάδες παραγωγής
• Τον έλεγχο συχνότητας σε διασυνδεδεμένα συστήματα
• Τη δυναμική συμπεριφορά του βρόχου ελέγχου συχνότητας
• Τον υπολογισμό πτώσης τάσης σε γραμμές μεταφοράς
• Τη διαστασιολόγηση μέσων αντιστάθμισης άεργου ισχύος
• Προβλήματα ευστάθειας γωνίας