Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΡΑΣΙΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΟΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΥΠΟΔΟΜΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΤΗΣ» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Πτυχιούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΟΥ-ΧΑΣΣΟΥΝΤ ΣΤΕΦΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα ΙΕΡΑΡΧΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ DC ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Επιβλέπων Καθηγητής ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάρτιος

2 - 2 -

3 2021 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Παναγόπουλο-Χασσούντ Στέφανο, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον/ην ίδιο/α, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παναγόπουλος-Χασσούντ Στέφανος - 3 -

4 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα ΙΕΡΑΡΧΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ DC ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ του Πτυχιούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΟΥ-ΧΑΣΣΟΥΝΤ ΣΤΕΦΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 22/03/2021 Ο Επιβλέπων Καθηγητής: Ο Διευθυντής του ΔΠΜΣ: Κωνσταντόπουλος Γεώργιος Αναπληρωτής Καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνιος Καθηγητής - 4 -

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: ΙΕΡΑΡΧΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ DC ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Περίληψη Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της ευστάθειας και την αποτελεσματικότητα του εφαρμοζόμενου ιεραρχικού ελέγχου σε ένα dc μικροδίκτυο, αποτελούμενο από παράλληλους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης συνδεδεμένους σε ένα κοινό ζυγό ενός γραμμικού φορτίου (φορτίο σταθερής αντίστασης) ή ενός μη γραμμικού φορτίου (φορτίο σταθερής ισχύος) το οποίο λόγω του φαινομένου της αρνητικής εμπέδησης που εισάγει, δημιουργεί προβλήματα αστάθειας. Σκοπός του ελέγχου είναι ο σωστός καταμερισμός του φορτίου στις μικροπαραγωγές και η ρύθμιση της τάσης του μικροδικτύου. Οι προσομοιώσεις των συστημάτων πραγματοποιήθηκαν σε περιβάλλον Matlab/Simulink με τη βοήθεια της εργαλειοθήκης, Simpower Systems. Στην αρχή έγινε μια εισαγωγή στις διεσπαρμένες παραγωγές και σε κάποια χαρακτηριστικά των μικροδικτύων. Στη συνέχεια αναφέραμε ορισμένους μετατροπείς ισχύος δίνοντας περισσότερη έμφαση στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε και στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Τέλος, για το θεωρητικό μέρος της εργασίας, αναλύσαμε τα δύο βασικά επίπεδα του εφαρμοζόμενου στα dc μικροδίκτυα, ιεραρχικού ελέγχου, τον πρωτογενή και τον δευτερογενή έλεγχο. Στην συνέχεια ακολούθησε το πρακτικό μέρος της εργασίας με την διεξαγωγή των προσομοιώσεων και την ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν

6 Subject: HIERARCHICAL CONTROL IN DC MICROGRIDS. Abstract The present dissertation deals with the study of the stability and efficiency of the applied hierarchical control, in a dc microgrid, consisting of several parallel converters connected to a common linear (constant resistance) or non-linear (constant power) load. Constant power loads often cause instability due to their negative impedance characteristics. The simulations were performed using Simpower Systems toolbox of Matlab/Simulink. We also analyze the stability of the applied control. In the beginning, the concept of distributed generation and a few characteristics of the microgrids were mentioned. Then, we made a reference to electronic power converters and also a detailed analysis of the dc/dc boost converter. We completed the theoretical background by analyzing the first two levels of hierarchical control, the primary and secondary control. Finally, the simulations were executed and we presented the accending results

7 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Γεώργιο Κωνσταντόπουλο για τον χρόνο που μου αφιέρωσε και την πολύτιμη καθοδήγησή του, δίχως την οποία δεν θα πραγματοποιούταν αυτή η μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους κοντινούς μου ανθρώπους που πάντα με στηρίζουν

8 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1) Ανασκόπηση ) Περιγραφή κεφαλαίων ) Διεσπαρμένη παραγωγή ) Μικροδίκτυο ) Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ) Ιεραρχικός έλεγχος ) Διεξαγωγή προσομοιώσεων και αποτελέσματα 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 2.1) Εισαγωγή ) Είδη και τεχνολογίες Διεσπαρμένων Παραγωγών ) Συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού ) Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας ) Φωτοβολταικά Συστήματα ) Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή ) Βιβλιογραφία 2 ου κεφαλαίου.20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ 3.1) Εισαγωγή ) Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας ) Αc μικροδίκτυο ) Dc μικροδίκτυο ) Ελεγκτές μικροδίκτυου ) Κεντρικός ελεγκτής (CC) ) Ελεγκτής μικροπαραγωγής (ΜC) ) Βιβλιογραφία 3 ου κεφαλαίου..27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ 4.1) Εισαγωγή ) Μονοφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης ) Dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης ) PWM τεχνική ελέγχου μετατροπέα ανύψωσης τάσης ) Ανάλυση λειτουργίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης ) Λειτουργία μετατροπέα με συνεχή αγωγή ρεύματος ) Λειτουργία μετατροπέα με ασυνεχή αγωγή ρεύματος ) Μοντέλο μέσης τιμής μετατροπέα ανύψωσης τάσης ) Βιβλιογραφία 4 ου κεφαλαίου

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΙΕΡΑΡΧΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ 5.1) Εισαγωγή ) Πρωτογενής έλεγχος dc μικροδικτύου ) Έλεγχος στατισμού (droop control) ) Βρόχοι ελέγχου τάσης και ρεύματος μετατροπέα ) PID ελεγκτής ) Δευτερογενής έλεγχος dc μικροδικτύου ) Παρομοίωση δικτύου επικοινωνιών με γράφο ) Όρος διόρθωσης ρεύματος δi ) Όρος διόρθωσης τάσης δv ) Έλεγχος k παράλληλα συνδεδεμένων μετατροπέων ) Βιβλιογραφία 5 ου κεφαλαίου..56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1) Εισαγωγή ) Φαινόμενο αρνητικής εμπέδησης φορτίων σταθερής ισχύος ) Σύστημα δύο παράλληλων μετατροπέων σε κοινό φορτίο, με το μοντέλο μέσης τιμής ) Φορτίο σταθερής αντίστασης ) Φορτίο σταθερής ισχύος ) Προσομοίωση του μοντέλου μέσης τιμής, συστήματος δύο παράλληλων μετατροπέων σε κοινό φορτίο ) Φορτίο σταθερής αντίστασης ) Φορτίο σταθερής ισχύος ) Προσομοίωση του διακοπτικού μοντέλου, συστήματος πέντε μετατροπέων σε κοινό φορτίο ) Ίσος καταμερισμός φορτίου, με συνδυασμό πρωτογενούς και δευτερογενούς ελέγχου ) Kαταμερισμός φορτίου σε κλίμακα 1:2:3:4:5, με τη χρήση του ελέγχου robust droop control ) Καταμερισμός φορτίου σε κλίμακα 1:2:3:4:5, με συνδυασμό πρωτογενούς και δευτερογενούς ελέγχου ) Συμπεράσματα ) Βιβλιογραφία 6 ου κεφαλαίου

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1) Ανασκόπηση Μέχρι σήμερα, λόγω της ανακάλυψης των μετασχηματιστών, των ac μηχανών και πολλών άλλων προτερημάτων της εναλλασσόμενης τάσης, τα ac συστήματα παραγωγής,διανομής και μεταφοράς συναντιούνται κατά κόρον. Ωστόσο εξαιτίας της ραγδαίας ανάπτυξης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας συνεχούς τάσης, σε συνδυασμό με την πληθώρα των dc φορτίων και συσκευών αποθήκευσης ενέργειας, έκαναν τους επιστήμονες να στρέψουν το βλέμμα τους και στο ενδεχόμενο της dc διανομής της ενέργειας. H άποψη για δημιουργία συστημάτων διανομής συνεχούς τάσης, ενισχύθηκε λόγω και της απουσίας των εννοιών της συχνότητας και της αέργου ισχύος, γεγονός που καθιστά τον έλεγχο πολύ πιο απλό και την ποιότητα ισχύος πολύ καλύτερη. Βέβαια για να είναι αποτελεσματικό, αξιόπιστο και ευσταθές ένα σύστημα που αποτελείται από διάφορες μικροπαραγωγές, φορτία, ηλεκτρονικούς μετατροπείς και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, είναι επιτακτική η ανάγκη για ομαδοποίηση των στοιχείων αυτών σε μικρότερα συστήματα που θα μπορούν να λειτουργήσουν και να ελεγχθούν αυτόνομα, καλύπτοντας τις ηλεκτρικές και θερμικές ανάγκες μιας μικρής κοινότητας. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται μικροδίκτυα και ο βασικός στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής είναι η εφαρμογή ενός ιεραρχικού ελέγχου σε αυτά, που θα προσφέρει ευστάθεια στο σύστημα και θα αποσκοπεί στον σωστό καταμερισμό των φορτίων στις διάφορες μικροπαραγωγές και στη σωστή ρύθμιση της τάσης του. Ο έλεγχος που εξετάσαμε περιλαμβάνει τα δύο βασικότερα επίπεδα του ιεραρχικού ελέγχου, των πρωτογενή και τον δευτερογενή έλεγχο 1.2) Περιγραφή κεφαλαίων 1.2.1) Διεσπαρμένη παραγωγή Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο ορίζεται η έννοια της διεσπαρμένης παραγωγής και αναφέρονται μερικά χαρακτηριστικά των πιο γνωστών διεσπαρμένων παραγωγών, δηλαδή των συστημάτων συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, των φωτοβολταικών συστημάτων, των ανεμογεννητριών και των μικρών υδροηλεκτρικών παραγωγών

11 1.2.2) Μικροδίκτυο Στο 3 ο κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στα ac και dc μικροδίκτυα, παρουσιάζοντας τα βασικά χαρακτηριστικά και τις διαφορές τους. Αναφέρονται, επίσης, οι βασικότερες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας ( μπαταρίες, υπεραγώγιμα πηνία, σφόνδυλοι, υπερπυκνωτές ) και γίνεται μια συνοπτική περιγραφή στους δύο πιο σημαντικούς ελεγκτές των μικροδικτύων, τον κεντρικό ελεγκτή και τους ελεγκτές μικροπαραγωγών ) Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος Σε αυτό το κεφάλαιο αναφέρονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος και ο ρόλος που έχουν στο μικροδίκτυο, ως συνδετικοί κρίκοι μεταξύ των διαφορετικών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα γίνεται μια συνοπτική περιγραφή του μονοφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης και μια λεπτομερής ανάλυση του dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος και χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις του 5 ου κεφαλαίου. Για τον dc/dc μετατροπέα περιγράψαμε την PWM τεχνική ελέγχου και υπολογίσαμε το μοντέλο μέσης τιμής του 1.2.4) Ιεραρχικός έλεγχος Στο 5 ο κεφάλαιο, ορίζεται ο ιεραρχικός έλεγχος των dc μικροδικτύων και αναλύονται τα δύο πρώτα επίπεδα αυτού, ο πρωτογενής έλεγχος που βασίζεται στον έλεγχο στατισμού και είναι υπεύθυνος για τον σωστό καταμερισμό του φορτίου στις μικροπαραγωγές και ο δευτερογενής έλεγχος που προσθέτει τους όρους διόρθωσης στον πρωτογενή έλεγχο και είναι υπεύθυνος για τη σωστή ρύθμιση της τάσης του μικροδικτύου και την διόρθωση τυχόν ανακριβειών στον καταμερισμό του φορτίου ) Διεξαγωγή προσομοιώσεων και αποτελέσματα Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται οι προσομοίωση του μικροδικτύου που είναι προς μελέτη, έχοντας ως θεωρητικό υπόβαθρο τα κεφάλαια 3,4 και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προκύπτουν. Πιο συγκεκριμένα γίνεται η προσομοίωση ενός συστήματος δύο παράλληλων μετατροπέων συνδεδεμένων σε ένα κοινό φορτίο με βάση το μοντέλο μέσης τιμής και πραγματοποιείται και ένας έλεγχος ευστάθειας για το σύστημα. Ο έλεγχος που εφαρμόστηκε σε αυτό το σύστημα ήταν μόνο ο πρωτογενής. Στη συνέχεια προσομοιάστηκε ένα σύστημα πέντε παράλληλων μετατροπέων συνδεδεμένων σε ένα κοινό φορτίο με βάση το διακοπτικό μοντέλο. Στο σύστημα αυτό, οι έλεγχοι που εφαρμόστηκαν και μελετήθηκαν ήταν ο συνδυασμός πρωτογενούς και δευτερογενούς ελέγχου και ένα διαφορετικό είδος πρωτογενούς ελέγχου, ο robust droop control. Για το κοινό φορτίο μελετήθηκε η περίπτωση ενός γραμμικού φορτίου ( φορτίο σταθερής αντίστασης ) και ενός μη γραμμικού φορτίου (φορτίο σταθερής ισχύος)

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 2.1) Εισαγωγή Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι ζωές των ανθρώπων είναι άμεσα εξαρτώμενες από την ηλεκτρική ενέργεια. Κάθε δραστηριότητα και ανάγκη του ανθρώπου συνδέεται περισσότερο ή λιγότερο με τον ηλεκτρισμό. Αυτό που δεν γνωρίζουν όμως όλοι, είναι ότι η παραγωγή και η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι εύκολη διαδικασία. Όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, παρατηρούνται προβληματισμοί γύρω από τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής και μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, σε διεθνή επίπεδο κι αυτό λόγω της ραγδαίας εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων, της μικρής ενεργειακής απόδοσης και της μόλυνσης του περιβάλλοντος. Αυτοί οι λόγοι οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να στρέψει το βλέμμα της σε πιο ευέλικτες, αστείρευτες και φιλικές προς το περιβάλλον μορφές ενέργειας, τις λεγόμενες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Η αξιοποίηση όμως των ΑΠΕ έφερε την ανάγκη για παραγωγή ενέργειας τοπικά, στο επίπεδο της διανομής. Η παραγωγή αυτή ορίζεται ως Διεσπαρμένη Παραγωγή (ΔΠ). Το κύρια χαρακτηριστικά των ΔΠ είναι ότι είναι μονάδες μικρής ισχύος, συνδεδεμένες συνήθως στο δίκτυο διανομής σε διάσπαρτα μέρη με αποτέλεσμα να παρέχουν υψηλής ποιότητας ισχύ, δεδομένου ότι μειώνονται αισθητά οι απώλειες διανομής. Ένα άλλο βασικό πλεονέκτημα των ΔΠ, πέραν του αναμενόμενου που είναι η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, είναι ότι είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στα πλαίσια της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού καθώς η βλάβη σε µία ΔΠ θα έχει περιορισμένη επίπτωση σε ολόκληρο το σύστημα σε σχέση µε τη βλάβη σε µία μεγάλη θερμική μονάδα παραγωγής ή σε µία µεγάλη γραµµή μεταφοράς. Παρά όμως τα πολλά πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι διεσπαρμένες παραγωγές, υστερούν σε κάποια θέματα σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως ότι έχουν σχετικά υψηλό κόστος κεφαλαίου ανά kw εγκατεστημένης ισχύος, σε σχέση µε τους μεγάλους σταθμούς παραγωγής. Επίσης η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν κάποιες ΑΠΕ όπως η ηλιακή ενέργεια ή η αιολική ενέργεια δεν είναι σταθερή καθώς εξαρτάται άμεσα από περιβαλλοντικούς παράγοντες, ενώ τέλος υπάρχουν αρκετά θέματα προστασίας και ασφάλειας των ΔΠ που χρειάζονται διερεύνηση

13 2.2) Είδη και τεχνολογίες Διεσπαρμένων Παραγωγών 2.2.1) Συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού Τα συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, γνωστά ως Combined Heat and Power (CHP), συνδυάζουν την παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από την ίδια πηγή ενέργειας. Η θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για θέρμανση όσο και ψύξη. Κατά τη λειτουργία ενός CHP συστήματος, τα μεγάλα ποσά θερμότητας που αποβάλλονται στο περιβάλλον, είτε μέσω των ψυκτικών κυκλωμάτων (συμπυκνωμάτων ατμού, πύργων ψύξης, ψυγείων νερού κινητήρων ντίζελ κτλ.) είτε μέσω των καυσαερίων (αεριοστρόβιλων, κινητήρων ντίζελ, κινητήρων Otto κτλ.), ανακτώνται και χρησιμοποιούνται ωφέλιμα. Έτσι, ενώ οι συμβατικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής έχουν βαθμό απόδοσης 30% - 45%, ο βαθμός απόδοσης των συστημάτων συμπαραγωγής φθάνει το 80%- 90%. Τα CHP συστήματα, όμως, που λειτουργούν ως διεσπαρμένες παραγωγές, είναι πιο μικρά και διαφέρουν αρκετά από τα μεγάλα συμβατικά CHP συστήματα και ονομάζονται micro- CHP συστήματα. Τα micro-chp συστήματα έχουν μικρότερη παραγόμενη ισχύ και χρησιμοποιούνται σε σπίτια ή μικρά εμπορικά κτίρια. Ενώ τα περισσότερα μεγάλα CHP συστήματα παράγουν πρωταρχικά ηλεκτρισμό και δευτερευόντως θερμότητα, τα micro-chp συστήματα λειτουργούν κυρίως για παραγωγή θερμότητας και ο ηλεκτρισμός είναι υποπροϊόν. Έτσι η ενεργειακή παραγωγή των micro-chp συστημάτων οδηγείται κυρίως από τις θερμικές απαιτήσεις των καταναλωτών. Τα micro-chp συστήματα είναι αξιόπιστα, στιβαρά, φθηνά και μπορούν να λειτουργήσουν με καύσιμα όπως φυσικό αέριο, βιοκαύσιμο, προπάνιο ή υγρό καύσιμο κι έχουν καθαρή καύση με λίγα σωματίδια. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται ένα micro-chp. Εικόνα 2.1: micro-chp σύστημα [2.3]

14 Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής μηχανικής ισχύος, στις οποίες βασίζονται τα micro-chp συστήματα, είναι οι εξής: Μηχανές εσωτερικής καύσης Μηχανές τύπου Stirling Μικροστρόβιλοι (Microturbines) Κυψέλες Καυσίμου 2.2.2) Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας Η αιολική ενέργεια είναι από τις πιο διαδεδομένες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας καθώς: Είναι άφθονη και δωρεάν Έχει ελάχιστες επιπτώσεις στο περιβάλλον (εγκατάσταση αιολικών πάρκων) Οι ανεμογεννήτριες έχουν απλή κατασκευή, μεγάλη διάρκεια ζωής και χαμηλό λειτουργικό κόστος Ικανοποιούνται απομακρυσμένα φορτία δίχως να χρειάζεται η εγκατάσταση μεγάλων σταθμών παραγωγής γραμμών μεταφοράς, αποκεντρώνονται δηλαδή τα ενεργειακά συστήματα. Τα συστήματα αυτά μετατρέπουν την αιολική σε ηλεκτρική ενέργεια. Το κύριο τμήμα τους είναι ο δρομέας, ο οποίος συνδέεται με την ηλεκτρική γεννήτρια μέσω κιβωτίου ταχυτήτων πολλών σχέσεων. Τα κύρια στοιχεία μιας ανεμογεννήτριας (α/γ) είναι ο πύργος στήριξης, ο δρομέας κι η άτρακτος. Στην άτρακτο βρίσκονται η γεννήτρια κι ο μηχανισμός μετάδοσης της κίνησης. Ο δρομέας μπορεί να έχει δύο ή περισσότερα πτερύγια. Η ανεμογεννήτρια αιχμαλωτίζει την κινητική ενέργεια από την ροή του ανέμου μέσω των πτερυγίων και τη μεταφέρει στην επαγωγική γεννήτρια μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων, όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Το κιβώτιο ταχυτήτων μετατρέπει τη χαμηλή ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων σε υψηλή ταχύτητα περιστροφής του άξονα της γεννήτριας. Η συχνότητα κι η τάση εξόδου διατηρούνται στα επιθυμητά όρια μέσω τεχνικών μέτρησης, ελέγχου και προστασίας [2.1]

15 Εικόνα 2.2: Εσωτερικό ανεμογεννήτριας [2.10] Η ισχύς εξόδου των α/γ δίνεται από τη σχέση: P = 1 2 C p ρ V 3 A όπου: P η ισχύς (W) της α/γ, C p ο συντελεστής ισχύος, ρ η πυκνότητα του αέρα (kg/m3 ), V η ταχύτητα του ανέμου (m/s), A το εμβαδό επιφάνειας σάρωσης των πτερυγίων (m2 ) της α/γ. Ο συντελεστής ισχύος Cp έχει μέγιστη πρακτική τιμή περίπου 0.4, δίνει το ποσοστό της ισχύος του ανέμου που εξάγεται από το δρομέα της α/γ κι οι τιμές του εξαρτώνται από τη σχεδίαση του δρομέα, από το βήμα πτερυγίων και το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ: λ = ω δr V όπου: ω δ είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της α/γ, R είναι η ακτίνα των πτερυγίων, V η ταχύτητα του ανέμου, [2.1]. Εικόνα 2.3: Καμπύλη σχέσης C p και λ [2.4]

16 Κατηγορίες ανεμογεννητριών Ο βασικός διαχωρισμός των ανεμογεννητριών είναι σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα και ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα (vertical-axis) έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη διεύθυνση του ανέμου. Το πλεονέκτημα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι ότι μπορούν να περιστρέφονται με άνεμο οποιασδήποτε κατεύθυνσης οπότε δεν χρειάζονται μηχανισμό προσανατολισμού. Ακόμα έχουν πιο απλή κατασκευή και καταλαμβάνουν μικρότερο χώρο. Μειονεκτούν όμως σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα καθώς έχουν χαμηλότερη απόδοση, υψηλή ροπή εκκίνησής, με αποτέλεσμα να χρειάζονται εξωτερική παρέμβαση για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται και μεγαλύτερες μηχανικές καταπονήσεις. Μερικές από τις ανεμογεννήτριες τέτοιου τύπου είναι οι Darrieus και οι Savonius. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος, παράλληλο δηλαδή στη διεύθυνση του ανέμου. Οι πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται είναι οριζόντιου άξονα καθώς μπορούν να λειτουργήσουν και σε χαμηλούς και σε δυνατούς ανέμους και έχουν μεγάλο συντελεστή ισχύος. Κάποια από τα μειονεκτήματα τους είναι η πολυπλοκότητα τους και συνεπώς το μεγάλο κόστος κατασκευής και συντήρησης τους αλλά και η ανάγκη ύπαρξης μηχανισμού για τον προσανατολισμό στη διεύθυνση του ανέμου. Χωρίζονται ανάλογα με των αριθμό των πτερυγίων τους σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες και πολυπτέρυγες. Η πιο διαδεδομένη είναι η ανεμογεννήτρια με τρία πτερύγια ) Φωτοβολταικά Συστήματα Τα φωτοβολταικά συστήματα είναι τα γνωστά σε όλους συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Σήμερα τα φωτοβολταικά συστήματα, λόγω της μεγάλης ηλιοφάνειας που χαρακτηρίζει τη χώρα μας, της φιλικότητα τους προς το περιβάλλον, της αθόρυβης λειτουργίας τους και πολλών άλλων πλεονεκτημάτων τους αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους εναλλακτικούς παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιούν ηλεκτρονικούς μετατροπείς για τη σύνδεση τους στο δίκτυο καθώς παράγουν τάση συνεχούς ρεύματος και λόγω της μικρής ισχύος του κάθε φωτοβολταικού κυττάρου (solar cell), τα κύτταρα συνδυάζονται μεταξύ του σε σειρά και παράλληλα δημιουργώντας τις φωτοβολταικά πλαίσια (solar panel). Τα πλαίσια με τη σειράς τους συνδέονται και σχηματίζουν ένα φωτοβολταικό σύστημα (PV System)

17 Εικόνα 2.4: Σχέση κυττάρου, πλαισίου, συστήματος [2.5] Για να εκμεταλλευόμαστε τη μέγιστη ισχύ από ένα φωτοβολταικο κύτταρο, χρησιμοποιείται το λεγόμενο σύστημα ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT). Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και βασίζεται στις χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας του φωτοβολταικού κυττάρου (Εικ. 2.4) που δείχνουν τη σχέση μεταξύ της τάσης και του ρεύματος, ώστε να ανιχνεύσει το σημείο όπου η ισχύς του κυττάρου γίνεται μέγιστη. Το συγκεκριμένο σημείο εξαρτάται από την θερμοκρασία λειτουργίας των κυττάρων, την προσπίπτουσα ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και άλλους παράγοντες που αφορούν την κατάσταση των υλικών (καθαρότητα της γυάλινης επικάλυψης των πλαισίων, γήρανση κτλ. ) Εικόνα 2.5:Χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταικού κυττάρου [2.6]

18 Τύποι φωτοβολταικών κυττάρων Οι βασικότεροι τύποι φωτοβολταικού κυττάρου είναι οι εξής : Μονοκρυσταλλικού πυριτίου (απόδοση περίπου 15%) Πολυκρυσταλλικού πυριτίου (απόδοση περίπου 12%) Άμορφου πυριτίου (απόδοση περίπου 6%) Υβριδικής τεχνολογίας (απόδοση περίπου 17%) [2.1] 2.2.4) Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Η υδροηλεκτρική παραγωγή, όπως το προδίδει και η λέξη, αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ροή του νερού. Η ισχύς της παραγωγής δεν είναι σταθερή καθώς εξαρτάται από την τοπολογία της περιοχής που είναι εγκατεστημένη η παραγωγή και από το ετήσιο ποσοστό βροχής. Η ισχύς εξόδου P ενός υδροστρόβιλου δίνεται από την παρακάτω σχέση: P = QHηρg Όπου Ρ η συνολική ισχύς σε (W), Q η ροή του νερού σε (m 3 /s), H η υψομετρική διαφορά επιφάνειας νερού και γεννήτριας σε (m), η η συνολική απόδοση, ρ η πυκνότητα του νερού σε (1000 kg/m 3 ), g η επιτάχυνση της βαρύτητας σε (m/s 2 ) [2.1] Κατηγορίες υδροστρόβιλων Οι σύγχρονοι υδροστρόβιλοι διακρίνονται στις εξής δύο κατηγορίες: Υδροστρόβιλοι ολικής προσβολής: Χαρακτηρίζονται και ως υδροστρόβιλοι αντιδράσεως καθώς η ροή διά μέσου του δρομέα γίνεται με παράλληλη μεταβολή της στατικής πίεσης του υγρού. Η λειτουργία του δρομέα στους υδροστρόβιλους αυτούς είναι αξονοσυμμετρική και για τον λόγο αυτό το τμήμα εισόδου πρέπει να περιβάλλει τον δρομέα εξασφαλίζοντας αξονοσυμμετρικές συνθήκες της ροής στην διατομή εισόδου του δρομέα. Στους υδροστρόβιλους ολικής προσβολής κατατάσσονται οι υδροστρόβιλοι ακτινικής και μικτής ροής τύπου Francis και οι υδροστρόβιλοι αξονικής ροής όπως ο υδροστρόβιλος τύπου Kaplan (εικ. 2.6) και οι άλλες παραλλαγές των υδροστροβίλων αξονικής ροής (σωληνωτός, βολβοειδής κλπ)

19 Εικόνα 2.6:Υδροστρόβιλος τύπου Kaplan [2.7] Υδροστρόβιλους μερικής προσβολής: Χαρακτηρίζονται και ως υδροστρόβιλοι δράσεως δεδομένου ότι ολόκληρος ο δρομέας λειτουργεί σε χώρο ομοιόμορφης στατικής πίεσης οπότε ο βαθμός αντιδράσεως είναι μηδενικός. Στους υδροστρόβιλους μερικής προσβολής σε κάθε χρονική στιγμή, μόνο ένα τμήμα του δρομέα τροφοδοτείται και συμβάλλει στην μετατροπή της ενέργειας. Σε αυτούς του υδροστρόβιλους κατατάσσεται ο υδροστρόβιλος τύπου pelton (εικ. 2.7) [2.8] Εικόνα 2.7:Υδροστρόβιλος τύπου Pelton [2.9]

20 2.3) Βιβλιογραφία 2 ου κεφαλαίου [2.1] Καθ. Νικόλαος Α. Βοβός, σημειώσεις μαθήματος ΕΞΕΛΙΓΜΕΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, Πανεπιστήμιο Πατρών (2016). [2.2] Καθ. Αλεξανδρίδης, Α.Θ, σημειώσεις μαθήματος ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ, Πανεπιστήμιο Πατρών (2013) [2.3] Maryam Mohammadi Maghanki, Barat Ghobadian, Gholamhassan Najafi, Reza janzadeh, Micro combined heat and power (MCHP) technologies and applications, Tehran, Iran, 2013 [2.4] Needhu Varghese, Battery Charge Controller for Hybrid Stand Alone System Using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System, nternational Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability (ICEETS) 2016 At: Nagercoil, India [2.5] [2.6] Chris Glaser, Solar Panel MPPT for Pulsed-load Applications, Applications Engineer, Texas Instruments [2.7] [2.8] Καθ. Σκόδρας Γεώργιος, σημειώσεις μαθήματος Hπιες και νέες μορφές ενέργειας, Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας [2.9] [2.10]

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ 3.1) Εισαγωγή Ένα σύνολο από διεσπαρμένες παραγωγές που τροφοδοτούν μικρά φορτία σε κοντινή μεταξύ τους απόσταση και με την βοήθεια συσκευών αποθήκευσης ενέργειας, θα μπορούσε να σχηματίσει ένα μικρής κλίμακας και χαμηλής τάσης δίκτυο, η λειτουργία του οποίου γίνεται είτε διασυνδεδεμένα, είτε αυτόνομα με το συμβατικό δίκτυο διανομής. Το δίκτυο αυτό ονομάζεται μικροδίκτυο. Το μικροδίκτυο αντιμετωπίζεται από το κύριο σύστημα ως μια ενιαία ελεγχόμενη μονάδα, που καλύπτει τις ανάγκες μια μικρής τοπικής κοινότητας, προσφέροντας αξιοπιστία και ασφάλεια και διαφέρει σημαντικά από ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής. Πιο συγκεκριμένα οι μονάδες παραγωγής ενός μικροδίκτυου είναι πολύ μικρότερης ισχύος (<100 KW) και η ενέργεια που παράγουν μπορεί να συνδεθεί απευθείας στη διανομή, εφόσον είναι σε τάση διανομής. Ακόμα λόγω της μικρής απόστασης τους από τους καταναλωτές οι απώλειες γραμμής θεωρούνται αμελητέες. Συνοψίζοντας, η χρήση μικροδίκτυων προσφέρει αξιόπιστη ενέργεια λόγω της αυτάρκειας του και της ικανότητας νησιδοποίησής του από το δίκτυο, μείωση της κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων με την ενσωμάτωση περισσότερων ανανεώσιμων πηγών και πρόσβαση στην ενέργεια για κάθε απομακρυσμένο φορτίο. Εικόνα 3.1:Μικροδίκτυο [3.2]

22 3.2) Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Όπως προαναφέρθηκε και στο προηγούμενο υποκεφάλαιο, για τη σωστή λειτουργία ενός μικροδίκτυου είναι απαραίτητη η ύπαρξη συσκευών που μπορούν και αποθηκεύουν ενέργεια, ώστε το μικροδίκτυο να καλύπτει τα κρίσιμα φορτία του σε περίπτωση αποσύνδεσης του από το δίκτυο. Οι βασικότερες από αυτές τις συσκευές είναι οι εξής: Μπαταρίες Υπεραγώγιμα πηνία Σφόνδυλους με υπεραγώγιμη έδραση Υπερπυκνωτές Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά κάποια χαρακτηριστικά των συσκευών αυτών. [3.1] Μπαταρίες Η επιβολή του ηλεκτρικού αυτοκινήτου για περιβαλλοντικούς λόγους, καθώς και η ανάγκη για εξομάλυνση της τροφοδοσίας ισχύος από αιολικές κι ηλιακές πηγές ενέργειας, αύξησαν κατακόρυφα τη σημασία των μπαταριών τα τελευταία χρόνια. Οι πιο γνωστές μπαταρίες είναι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος, οι οποίες είναι μικρού κόστους αλλά μικρής πυκνότητας ενέργειας. Άλλες γνωστές μπαταρίες που χρησιμοποιούνται κυρίως στην τροφοδοσία ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι οι μπαταρίες νικελίου-υδρογονούχου μετάλλου, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και οι μπαταρίες λιθίου με ηλεκτρολύτη πολυμερή. Υπεραγώγιμα πηνία Τα υπεραγώγιμα πηνία αποθηκεύουν μαγνητική ενέργεια που χρησιμοποιείται όταν υπάρχει ανάγκη για μεγάλη ισχύ, της τάξης των MW, σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα μερικών, δηλαδή, δευτερολέπτων. Η ροή συνεχούς ρεύματος σε έναν πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά δημιουργεί έναν ηλεκτρομαγνήτη που είναι υπεύθυνος για την αποθήκευση της μαγνητικής ενέργειας. Η φόρτιση και η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενους μετατροπείς ισχύος. Η ποσότητα της ενέργειας που αποθηκεύεται σε αυτά τα συστήματα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του πηνίου που επηρεάζουν την αυτεπαγωγή του L και δίνεται από τον γνωστό τύπο της ενέργειας Ε = 1 2 Li2 Όπου i το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο

23 Σφόνδυλοι Οι σφόνδυλοι είναι δίσκοι ή κύλινδροι που περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα αποθηκεύοντας κινητική ενέργεια η οποία εύκολα μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική, συνδέοντάς τους σε μια γεννήτρια. Οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου είναι ο λόγος που η αποθήκευση ενέργειας δεν είναι για μεγάλο χρονικό διάστημα και γι αυτό το λόγο χρησιμοποιείται η λεγόμενη υπεραγώγιμη έδραση που μειώνει πολύ σημαντικά τις αναπτυσσόμενες τριβές. Η υπεραγώγιμη έδραση στην απλούστερη της μορφή αποτελείται από έναν μόνιμο μαγνήτη που αιωρείται σε μια σταθερή θέση πάνω από έναν υπεραγωγό. Υπερπυκνωτές Ένας άλλος τρόπος για αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας είναι με την αποθήκευση ηλεκτρικού φορτίου χρησιμοποιώντας τους γνωστούς σε όλους πυκνωτές. Οι υπερπυκνωτές γνωστοί και ως ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλού στρώματος ή ηλεκτροχημικοί πυκνωτές αποθηκεύουν πολύ περισσότερο φορτίο σε σχέση με τους συμβατικούς πυκνωτές ενώ φορτίζουν πιο γρήγορα και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια από τις μπαταρίες, καθώς δεν υποφέρουν από τη φυσική φθορά των φορτίσεων και εκφορτίσεων που χαρακτηρίζει τις μπαταρίες. Η ενέργεια που αποθηκεύεται ισούται με Ε = 1 2 CV2 Όπου V η διαφορά δυναμικού μεταξύ των οπλισμών του πυκνωτή. Εικόνα 3.2:Υπερπυκνωτής [3.3]

24 3.3) Ac μικροδίκτυο Ένα μικροδίκτυο όπως προαναφέραμε μπορεί να αποτελείται από διεσπαρμένες παραγωγές εναλλασσόμενης αλλά και συνεχούς τάσης. Ομοίως και τα φορτία του. Η σύνδεση μεταξύ των πηγών, των φορτίων, των συσκευών αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και του δικτύου γίνεται με τη βοήθεια ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος όπως οι inverters και οι converters που θα αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο. Σε ένα ac μικροδίκτυο οι παραγωγές, τα φορτία και οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να είναι είτε ac είτε dc αλλά συνδέονται όλοι σε έναν κοινό ζυγό εναλλασσόμενης τάσης, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.3. Εικόνα 3.3: AC μικροδίκτυο [3.3] Τα ac μικροδίκτυα συναντιόνται στις περισσότερες των περιπτώσεων, λόγω της ac φύσης του κυρίως δικτύου και της εύκολης δυνατότητας επέκτασης τους και εισαγωγής σε αυτά νέων μονάδων με τη βοήθεια των μετατροπέων. Ακόμα ακολουθούν πολύ βασικούς κανόνες και η προστασία τους βρίσκεται σε πολύ πιο ανεπτυγμένο στάδιο σε σχέση με αυτήν των dc μικροδίκτυων. Τα βασικά τους μειονεκτήματα είναι οι αυξημένες απαιτήσεις και οι ενεργειακές απώλειες κατά τη διαδικασία των μετατροπών καθώς και ο περίπλοκος έλεγχος που απαιτείται για τη διατήρηση της συχνότητας, των τάσεων και των ισχύων στις επιθυμητές τιμές. Αυτοί είναι και λόγοι που οδήγησαν στο να αναπτυχθούν και διαφορετικού είδους μικροδίκτυα με μικροπαραγωγές, φορτία και συσκευές να συνδέονται σε δίαυλο dc τάσης. Τα γνωστά dc μικροδίκτυα

25 3.4) Dc μικροδίκτυο Ένα dc μικροδίκτυο είναι συνήθως ένα μικροδίκτυο μικρότερης ισχύος και προτιμάται όταν οι περισσότερες μικροπαραγωγές και φορτία είναι συνεχούς ρεύματος. Αυτό διότι συνδέονται με έναν κοινό dc ζυγό χωρίς την ανάγκη χρησιμοποίησης περίπλοκων dc/ac αντιστροφέων για την μετατροπή της τάσης τους, παρά μόνο με dc/dc απλούς μετατροπείς. Η σύνδεση των παραγωγών εναλλασσόμενου ρεύματος με τον dc δίαυλο επιτυγχάνεται με ac/dc μετατροπείς ή ανορθωτές όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.4 Εικόνα 3.4: DC μικροδίκτυο [3.4] Οι βασικοί λόγοι που καθιστούν ένα dc μικροδίκτυο άξιο ενδιαφέροντος και μελέτης είναι η πληθώρα των dc μικροπαραγωγών (φωτοβολταικά, κυψέλες καυσίμου) και των dc φορτίων (οικιακές συσκευές, ηλεκτρικά αυτοκίνητα) που συναντάμε στην καθημερινότητα. Ωστόσο, παρουσιάζουν και πολλά άλλα πλεονεκτήματα όπως: Οι μικρότερες απώλειες καλωδίων, λόγω της απουσίας αέργου ισχύος και του επιδερμικού φαινομένου Λόγω της χρήσης dc/dc μετατροπέων, η δομή τους είναι απλούστερη και οικονομικότερη Έχουν καλύτερη ποιότητα ισχύος λόγω της έλλειψης της αέργου ισχύος και των αρμονικών συνιστωσών Ο έλεγχος τους περιορίζεται μόνο στον έλεγχο τάσης και ενεργού ισχύος λόγω της απουσίας της άεργου ισχύος και της συχνότητας, καθιστώντας τον εξαιρετικά πιο απλό

26 3.5) Ελεγκτές μικροδίκτυου Ένα μικροδίκτυο για να λειτουργεί ομαλά, αξιόπιστα και αυτόνομα όσο είναι αποσυνδεδεμένο ή συνδεδεμένο με το κυρίως δίκτυο, χρειάζεται τον απαραίτητο έλεγχο. Ο έλεγχος αυτός προέρχεται από τον κεντρικό ελεγκτή (Central Controller (CC)) και τους επιμέρους ελεγκτές των μικροπαραγωγών και συσκευών αποθήκευσης ενέργειας (Microsource Controller (MC) ) 3.5.1) Κεντρικός ελεγκτής (CC) O Κεντρικός ελεγκτής, συνεργαζόμενος με τους επιμέρους MCs, είναι υπεύθυνος για το συνολικό έλεγχο της λειτουργίας του μικροδικτύου και την προστασία του. Καθορίζει τα σημεία αναφοράς των ελεγκτών ενεργού ισχύος-συχνότητας (P-f) και αέργου ισχύος-τάσης (Q-V), συντονίζει την προστασία του μικροδίκτυου, διατηρεί την ισχύ που εισέρχεται από το κυρίως δίκτυο εντός των συμφωνηθέντων τιμών και συνεισφέρει στην βέλτιστη οικονομική λειτουργία των μικροπαραγωγών. Ο κεντρικός ελεγκτής επικοινωνεί με τους microsource controllers και τους συντονίζει μέσω δύο εφαρμογών, της εφαρμογής διαχείρισης ενέργειας (Energy Manager Module (EMM)) και της εφαρμογής συντονισμού της προστασίας (Protection Coordination Module (PCM)). Εφαρμογή διαχείρισης ενέργειας (ΕΜΜ) Η EMM παρέχει τις βασικές λειτουργίες ελέγχου για τη βέλτιστη οικονομική λειτουργία του μικροδίκτυου, ελέγχει την παραγωγή των μικροπαραγωγών, ελέγχει τις οικιακές διεργασίες και τις διαδικασίες αποθήκευσης ενέργειας, διατηρώντας την ποιότητα ισχύος. Επίσης είναι υπεύθυνη για διάφορες βοηθητικές υπηρεσίες στο δίκτυο όπως η εξομάλυνση αιχμών φορτίου ή η ρύθμιση της τάσης του, παρέχοντας ή απορροφώντας άεργο ισχύ. Κάποιες από τις βασικές λειτουργίες ελέγχου είναι οι εξής [3.1]: Έλεγχος τάσης (Παρέχει τα σημεία αναφοράς της τάσης για προκαθορισμένους ζυγούς του μικροδίκτυου) Έλεγχος πραγματικής ισχύος (Παρέχει τα σημεία αναφοράς της πραγματικής ισχύος) Έλεγχος των θερμικών φορτίων (Ρυθμίζει το συντελεστή προτεραιότητας ως προς τη σχετική σημασία των ηλεκτρικών κα θερμικών φορτίων για Micro-CHP παραγωγές) Ενεργειακή βελτιστοποίηση με μέγιστη απόδοση (Συμβάλει στην βέλτιστη συνεργασία μεταξύ των διάφορων μικροπαραγωγών) Διαχείριση της διαδικασίας αποθήκευσης ενέργειας (Ελέγχει τα φορτία χαμηλής προτεραιότητας αποσυνδέοντας τα όποτε είναι απαραίτητο)

27 Εφαρμογή συντονισμού προστασίας (PCM) H PCM είναι υπεύθυνη για τη συνολική προστασία του μικροδίκτυου. Η βασική της λειτουργία είναι να ξεχωρίζει της απαιτήσεις προστασίας μεταξύ της διασυνδεδεμένης και της αυτόνομης λειτουργίας του μικροδίκτυου και να ρυθμίζει κατάλληλα τους ηλεκτρονόμους των διακοπτών. Άλλη μια λειτουργία της είναι να συγχρονίσει και να επανασυνδέσει ομαλά τα στοιχεία του μικροδίκτυου με το κυρίως δίκτυο, όταν αυτό επανέλθει στην κανονική του κατάσταση ) Ελεγκτής μικροπαραγωγής (ΜC) Ο MC είναι υπεύθυνος για τον τοπικό έλεγχο των μικροπαραγωγών ενός μικροδίκτυου και μπορεί να λειτουργεί είτε αυτόνομα είτε σε συνεργασία με τον CC. Οι βασικότερες λειτουργίες ελέγχου ενός MC είναι ο έλεγχος πραγματικής ισχύοςσυχνότητας (P-f) και αέργου ισχύος-τάσης (Q-V) μέσω των καμπυλών στατισμού (droop), που θα αναλύσουμε σε επόμενο κεφάλαιο, οι απαιτήσεις αποθήκευσης για γρήγορη ικανοποίηση φορτίου και η χρήση του P-f ελέγχου για το μοίρασμα του φορτίου στις μικροπαραγωγές. Μέσω των λειτουργιών αυτών επιτυγχάνεται Η ικανότητα ασφαλούς και χωρίς μεγάλες μεταβολές σύνδεση επιπρόσθετων μικροπαραγωγών στο σύστημα Η γρήγορη και ασφαλής σύνδεση και αποσύνδεση του μικροδίκτυου από το δίκτυο Ο ξεχωριστός έλεγχος της παραγωγής πραγματικής και άεργης ισχύος Η ευστάθεια του συστήματος [3.1] 3.6) Βιβλιογραφία 3 ου κεφαλαίου [3.1] Καθ. Νικόλαος Α. Βοβός, σημειώσεις μαθήματος ΕΞΕΛΙΓΜΕΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, Πανεπιστήμιο Πατρών (2016). [3.2] [3.3] [3.4] Duy-Hung Dam, Hong-Hee Lee, An adaptive power distributed control method to ensure proportional load power sharing in DC microgrid considering equivalent line Impedances, 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) [3.5] Ντίνος Χαραλαμπίδης, Βασικές αρχές μικροδίκτυων και η συμβολή τους στην αποτελεσματική διαχείριση των τοπικών ενεργειακών πόρων, University of Cyprus [3.6] Ασπιώτης Γρηγόριος, Τιμπαλέξης Χρήστος, Σχεδίαση μικροδικτύου σεληνιακής βάσης και ανάλυση ροής φορτίου, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης,

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ 4.1) Εισαγωγή Όπως αναφέραμε πολλάκις στα προηγούμενα κεφαλαία, ένα μικροδίκτυο αποτελείται από πολλές μικροπαραγωγές, φορτία και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας με διαφορετικά χαρακτηριστικά το καθένα από τα υπόλοιπα ή από τον κοινό ζυγό τους. Μπορεί να είναι ac ή dc στοιχεία, μπορεί να έχουν διαφορετικές τάσεις λειτουργίας, συχνότητες, ισχείς κτλ. Πώς αυτά μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους, να συνεργαστούν και να εξασφαλίσουν μια ασφαλή και αρμονική λειτουργία του μικροδικτύου όταν είναι τόσο διαφορετικά μεταξύ τους. Εδώ έρχεται μια άλλη κατηγορία στοιχείων που θα παίξει το ρόλο του συνδετικού κρίκου και θα λύσει όλα αυτά τα προβλήματα. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία, έλεγχο και την μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μια μορφή σε μία άλλη. Ήρθαν να αντικαταστήσουν τους ηλεκτρομηχανικούς μετατροπείς, που χρησιμοποιούσαν ηλεκτρικές μηχανές (γεννήτριες ή κινητήρες) προσφέροντας μικρότερο όγκο, βάρος και κόστος, καλύτερο βαθμό απόδοσης λόγω των μικρότερων απωλειών και μεγαλύτερη αξιοπιστία Σήμερα έχουν βρει χρήση σε πάρα πολλές εφαρμογές στο χώρο της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως για παράδειγμα Στην μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας και πιο συγκεκριμένα στην μορφή συνεχούς υψηλής τάσης (HVDC) όπου χρειάζεται μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή και το αντίστροφο Στη σύνδεση των ΑΠΕ με το δίκτυο Στα κινητήρια συστήματα όπου ελέγχουν κάποια λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, όπως η ροπή ή ταχύτητα περιστροφής τους Στα τροφοδοτικά και στα συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (UPS)

29 Με βάση τη μορφή της ανταλλασσόμενης και της μετατρεπόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος χωρίζονται στις εξής τέσσερις βασικές κατηγορίες Μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή τάση (ac/dc rectifiers): Οι μετατροπείς αυτοί γνωστοί και ως ανορθωτές, ανάλογα με τη μορφή της εισόδους τους χωρίζονται σε μονοφασικούς ή πολυφασικούς ( διφασικούς, τριφασικούς κλπ) Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη τάση (dc/ac inverters): Οι μετατροπείς αυτοί γνωστοί και ως αντιστροφείς, έχουν αντίθετη λειτουργία από αυτή των ανορθωτών και χωρίζονται στις ίδιες κατηγορίες βάσει των εξόδων τους. Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (dc/dc converters): Οι μετατροπείς αυτοί, με τους οποίους θα ασχοληθούμε και αποκλειστικά στην παρούσα εργασία, μετατρέπουν την σταθερού πλάτους και πολικότητας συνεχή τάση σε διαφορετικού πλάτους ή/και πολικότητας συνεχή τάση. Ανάλογα με την σχέση της τάσης εισόδου με την τάση εξόδου διακρίνονται σε μετατροπείς υποβιβασμού τάσης εξόδου (buck dc/dc converters), μετατροπείς ανύψωσης τάσης εξόδου (boost dc/dc converters) και μετατροπείς υποβιβασμού-ανύψωσης τάσης εξόδου (Βuck-boost dc/dc converters) Μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση (ac/ac converters): Οι μετατροπείς αυτοί μετασχηματίζουν την εναλλασσόμενη τάση σταθερού πλάτους και συχνότητας σε εναλλασσόμενη τάση με μεταβλητό πλάτος και συχνότητα Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζονται τα σύμβολα των οι τεσσάρων κατηγοριών με τη σειρά που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Εικόνα 4.1: Σύμβολα μετατροπέων [4.1] Στα επόμενα υποκεφάλαια παρουσιάζεται η λειτουργία ενός μονοφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης και αναλύεται η λειτουργία ενός dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης, τον οποίο θα χρησιμοποιήσουμε και για την διεξαγωγή της προσομοίωσης αυτής της εργασίας

30 4.2) Μονοφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης Ένας αντιστροφέας πηγής τάσης τροφοδοτείται από μία πηγή συνεχούς τάσης που προέρχεται από κάποιο φωτοβολταικό, κάποια μπαταρία ή γενικά από κάποια ανορθωτική διάταξη και ανάλογα με τη μορφή της εναλλασσόμενης εξόδου του μπορεί να είναι μονοφασικός ή πολυφασικός αντιστροφέας. Επίσης αναλόγως με τον αριθμό τον ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων συναντάμε δύο συνδεσμολογίες του. Την συνδεσμολογία ημιγέφυρας (Half bridge inverter) που έχει δύο διακοπτικά στοιχεία και την συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας (Full bridge inverter) με τέσσερα διακοπτικά στοιχεία. Τα διακοπτικά αυτά στοιχεία μπορεί να είναι είτε στοιχεία που ελέγχεται μόνο η έναυση και απαιτείται κάποιο βοηθητικό κύκλωμα σβέσης όπως τα θυρίστορ, είτε στοιχεία που ελέγχεται και η έναυση και ή σβέση τους όπως τα BJT,MOSFET,IGBT κλπ. Στην εικόνα 4.2 φαίνεται η διάταξη ενός μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας που αποτελείται από τέσσερα διακοπτικά στοιχεία ( S1, S2, S3, S4 ), τέσσερις διόδους αντιπαράλληλες στα διακοπτικά στοιχεία, που επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση όταν οι διακόπτες δεν άγουν, έναν πυκνωτή υψηλής χωρητικότητας που εξομαλύνει μια ανορθωμένη τάση και ένα φορτίο στην έξοδό του. Εικόνα 4.2: Μονοφασικός Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας [4.1]

31 Ο έλεγχος των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα γίνεται με δύο βασικές μεθόδους, την μέθοδο διαμόρφωσης εύρους παλμών ( Pulse width modulation (PWM)) και την μέθοδο των τετραγωνικών παλμών. Παρακάτω παρουσιάζεται η λειτουργία του αντιστροφέα με μια συγκεκριμένη PWM τεχνική, την ημιτονοειδή PWM (SPWM) η οποία μπορεί να χωριστεί σε SPWM με διπολική τάση εξόδου και SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. Έλεγχος αντιστροφέα με την SPWM τεχνική με διπολική τάση εξόδου Σύμφωνα με αυτήν την τεχνική, οι διακόπτες του αντιστροφέα ελέγχονται ως ζεύγη ( S1, S2, και S3, S4 ) από τη σύγκριση ενός ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου με μια περιοδική τριγωνική κυματομορφή (σήμα φορέα). Όταν το σήμα ελέγχου είναι μεγαλύτερο από το σήμα φορέα, άγουν οι διακόπτες S1, S2 και η τάση εξόδου γίνεται ίση με την τάση εισόδου (uo=vdc) ενώ όταν συμβαίνει το αντίθετο άγουν οι διακόπτες S3, S4 και η τάση εξόδου γίνεται ίση με -Vdc όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.3. Εικόνα 4.3: Κυματομορφές μονοφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης με τη μέθοδο SPWM με διπολική τάση εξόδου [4.1] Όπου uc : Σήμα ελέγχου Vc : Πλάτος σήματος ελέγχου utr : Σήμα φορέα Vtr : Πλάτος σήματος φορέα uo : Έξοδος

32 Επίσης ορίζουμε παρακάτω μεταβλητές: Fc : Συχνότητα σήματος ελέγχου Ftr : Συχνότητα σήματος φορέα ΜΑ = Vc : Συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους Vtr ΜF = Ftr : Συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας Fc Κάνοντας ανάλυση fourier στην κυματομορφή εξόδου, διαπιστώνουμε ότι η βασική της αρμονική έχει συχνότητα τη συχνότητα του σήματος ελέγχου Fc και ότι όταν ΜΑ < 1 το πλάτος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου ισούται με (Vo)1 = ΜΑ Vdc ενώ όταν ΜΑ > 1 τότε έχουμε υπερδιαμόρφωση και Vdc < (Vo)1 < 4 Vdc μέχρι οι παλμοί να π γίνουν τετραγωνικοί και να έχουμε (Vo)1 = 4 Vdc όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.4 π Εικόνα 4.4: Μεταβολή λόγου (Vo)1 / Vdc καθώς αυξάνεται ο Μ Α [4.1] Όσον αφορά τις ανώτερες αρμονικές αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων, γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου. Στην πρώτη ομάδα υπάρχει μια κεντρική αρμονική σε συχνότητα Ftr και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά αυτής που δίνονται από τη σχέση F ν = F tr ± 2(v 1)F c ν = 1,2,3, [4.2] Ενώ στην δεύτερη ομάδα δεν υπάρχει η κεντρική αρμονική αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνονται από τη σχέση F ν = 2F tr ± (2v 1)F c ν = 1,2,3, [4.2]

33 Τέλος αξίζει να αναφερθεί ότι υπάρχει και η SPWM μέθοδος με μονοπολική τάση εξόδου όπου οι διακόπτες του πρώτου κλάδου παλμοδοτούνται με παλμούς που παράγονται από τη σύγκριση της τριγωνικής κυματομορφής με το ημίτονο αναφοράς ενώ οι διακόπτες του άλλου κλάδου παλμοδοτούνται με παλμούς που παράγονται από τη σύγκριση της τριγωνικής κυματομορφής με ένα ημίτονο αναφοράς που είναι μετατοπισμένο κατά 180 σε σχέση με το προηγούμενο. Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ο διπλασιασμός της συχνότητας των αρμονικών της τάσης εξόδου, σε σχέση με τη συχνότητα του τριγώνου. [4.2] 4.3) Dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης Ο μετατροπέας αυτός γνωστός και ως dc/dc boost converter είναι και ο μετατροπέας που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν, κατά τη διεξαγωγή αυτής της εργασίας. Με τον μετατροπέα αυτόν καταφέρνουμε να πάρουμε στην έξοδο του μια τάση Vo μεγαλύτερη της τάσης εισόδου του Vin. Στην εικόνα 4.5 φαίνεται η κυκλωματική δομή του μετατροπέα ανύψωσης τάσης ο οποίος αποτελείται από την dc πηγή εισόδου, ένα πηνίο L, έναν ελεγχόμενο ημιαγωγικό διακόπτη MOSFET Sw, μια δίοδο, έναν πυκνωτή εξόδου μεγάλης χωρητικότητας C και ένα φορτίο RL στην έξοδο. Εικόνα 4.5: Κυκλωματική δομή μετατροπέα ανύψωσης τάσης[4.1] Η θεωρητική ανάλυση που θα ακολουθήσει πραγματοποιείται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στηρίζεται στην υπόθεση ότι όλα τα στοιχεία του κυκλώματος είναι ιδανικά, ότι δηλαδή ο ημιαγωγικός διακόπτης έχει μηδενικούς χρόνους έναυσης και σβέσης, μηδενικές απώλειες αγωγής, μηδενική πτώση τάσης

34 και η δίοδος είναι ιδανική. Επίσης ο πυκνωτής εξόδου είναι πολύ μεγάλος ώστε η τάση εξόδου να θεωρηθεί σχεδόν σταθερή. [4.2] Για τη συνέχεια της ανάλυσης ορίζονται οι παρακάτω συμβολισμοί Ton : Χρονικό διάστημα αγωγής του διακοπτικού στοιχείου Toff : Χρονικό διάστημα αποκοπής του διακοπτικού στοιχείου Τs = Ton + Toff : Διακοπτική περίοδος λειτουργίας Fs = 1 : Διακοπτική συχνότητα λειτουργίας Τs D = T on : Λόγος κατάτμησης (Duty cycle) T s Vdc : Μέση τιμή τάσης εισόδου Vo : Μέση τιμή τάσης εξόδου IL : Μέση τιμή ρεύματος εισόδου Io : Μέση τιμή ρεύματος εξόδου 4.3.1) PWM τεχνική ελέγχου μετατροπέα ανύψωσης τάσης Ο έλεγχος των διακοπτικών στοιχείων πραγματοποιείται, όπως στους αντιστροφείς έτσι και εδώ, με την PWM τεχνική, όπου η τάση εξόδου του μετατροπέα συγκρίνεται με μια τάση αναφοράς και η διαφορά τους μπαίνει ως είσοδος σε έναν ελεγκτή. Ο ελεγκτής παράγει ένα σήμα ελέγχου, το οποίο συγκρίνεται με μια περιοδική κυματομορφή παράγοντας τους παλμούς ελέγχου του διακοπτικού στοιχείου όπως φαίνεται και στις εικόνες 4.6, 4.7. Η συχνότητα της περιοδικής κυματομορφής καθορίζει τη διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα. Ο έλεγχος του μετατροπέα ανύψωσης τάσης θα αναλυθεί εκτενέστερα στο 5 o κεφάλαιο. Εικόνα 4.6: PWM τεχνική ελέγχου του μετατροπέα [4.3]

35 Εικόνα 4.7: PWM τεχνική ελέγχου του μετατροπέα [4.3] 4.3.2) Ανάλυση λειτουργίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα το διακοπτικό στοιχείο είναι είτε σε κατάσταση αγωγής, είτε σε κατάσταση αποκοπής. Κατάσταση αγωγής διακοπτικού στοιχείου Όταν το διακοπτικό στοιχείο άγει, ο μετατροπέας παίρνει τη μορφή της εικόνας 4.8. Στην κατάσταση αυτή το πηνίο εξομάλυνσης L αποθηκεύει ενέργεια με τη μορφή μαγνητικού πεδίου και η δίοδος πολώνεται ανάστροφα, αφού το ένα της άκρο είναι συνδεδεμένο στη γη και έχει δυναμικό 0 ενώ το άλλο παίρνει την θετική τάση εξόδου Vo. Συνεπώς το φορτίο απομονώνεται από την είσοδο. Στο τέλος η ενέργεια του πηνίου μηδενίζεται και η δίοδος παύει να άγει

36 Εικόνα 4.8: Κύκλωμα μετατροπέα κατά την αγωγή του διακοπτικού στοιχείου Κατάσταση αποκοπής διακοπτικού στοιχείου Όταν το διακοπτικό στοιχείο είναι σε αποκοπή, ο μετατροπέας παίρνει τη μορφή της εικόνας 4.9. Το ρεύμα της επαγωγής τείνει να μειωθεί και η έξοδος απορροφά ενέργεια και από την επαγωγή και από την είσοδο. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα του πηνίου αντιστρέφεται και η δίοδος πολώνεται ορθά και άγει. Κάποια στιγμή η ενέργεια του πηνίου μηδενίζεται και η δίοδος παύει να άγει. Εικόνα 4.9: Κύκλωμα μετατροπέα κατά την αποκοπή του διακοπτικού στοιχείου Με την PWM τεχνική ελέγχου, εμφανίζονται δύο περιοχές λειτουργίας στους μετατροπείς. Η περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος και η περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύματος. Παρακάτω αναλύεται η λειτουργία και στις δύο περιοχές

37 4.3.3) Λειτουργία μετατροπέα με συνεχή αγωγή ρεύματος Στη λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή ρεύματος, το ρεύμα ρέει μέσα από την επαγωγή L καθ όλη την περίοδο λειτουργίας Ts. Οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος στην επαγωγή φαίνονται στην εικόνα Εικόνα 4.10: Κυματομορφές μετατροπέα για συνεχή αγωγή ρεύματος [4.1] Από τις κυματομορφές αυτές και από το γεγονός ότι η επαγωγή δεν καταναλώνει ενεργό ισχύ, η μέση τιμή της τάσης ul ισούται με το μηδέν. Συνεπώς ισχύει V dc DT s = (V o V dc )(1 D)T s (4.1) Oπότε V o = 1 V dc 1 D (4.2) Επίσης έχοντας θεωρήσει τον μετατροπέα ιδανικό, η ισχύς εισόδου του θα ισούται με την ισχύ εξόδου του. Άρα P in = P out => V dc I dc = V 0 I o => V o V dc = I dc I o = 1 1 D (4.3)

38 Aν Ι L,min και Ι L,max είναι η ελάχιστή και η μέγιστη τιμή αντίστοιχα, του ρεύματος της επαγωγής L, θα ισχύει I dc = Ι L,min + Ι L,max 2 (4.4) I o = Ι L,min + Ι L,max (1 D) (4.5) 2 Και Ι L,max Ι L,min = V dc L DT s = V o V dc (1 D)T L s = V o L D(1 D)T s (4.6) 4.3.4) Λειτουργία μετατροπέα με ασυνεχή αγωγή ρεύματος Κατά τη λειτουργία στην ασυνεχή αγωγή ρεύματος, το ρεύμα του φορτίου είναι μικρότερο από κάποια οριακή τιμή, με αποτέλεσμα το ρεύμα της επαγωγής κάποια στιγμή να μηδενίζεται όπως φαίνεται και στις αντίστοιχες κυματομορφές της εικόνας Εικόνα 4.11: Κυματομορφές μετατροπέα για ασυνεχή αγωγή ρεύματος [4.1] Όπως στη συνεχή αγωγή, έτσι κι εδώ η μέση τιμή της τάση ul ισούται με το μηδέν, οπότε θα ισχύει V dc DT s = (V o V dc )δ 1 T s (4.7)

39 Άρα V o V dc = D + δ 1 δ 1 (4.8) Ομοίως κι εδώ λόγω του ιδανικού μετατροπέα P in = P out => V dc I dc = V 0 I o => V o V dc = I dc I o = D + δ 1 δ 1 (4.9) Όσον αφορά τι τιμές των ρευμάτων εισόδου και εξόδου, ισχύει I dc = D + δ 1 2 Και Ι L,max = D + δ 1 2 V dc L DT s (4.10) I ο = I dc δ 1 D + δ 1 = V dc δ 1 2L DT s (4.11) 4.3.5) Μοντέλο μέσης τιμής μετατροπέα ανύψωσης τάσης Βασιζόμενοι στο κύκλωμα του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (εικ. 4.5) και θεωρώντας μια μεταβλητή ελέγχου του διακοπτικού στοιχείου, u όπου u=0 όταν το στοιχείο είναι σε αποκοπή και u=1 όταν είναι σε αγωγή, εφαρμόζουμε στο κύκλωμα τους βασικούς νόμους του Kirchhoff και για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας (κλειστός και ανοιχτός διακόπτης) και έχουμε u = 0 { L di L dt = V dc u o C du o dt = i L u o R L (4.12) u = 1 { L di L dt = V dc C du o dt = u o R L (4.13)

40 Συνδυάζοντας τις δύο περιπτώσεις των σχέσεων (4.12) και (4.13) προκύπτει το διακοπτικό μοντέλο του μετατροπέα: { L di L dt = (1 u)u o + V dc C du o dt = (1 u)i L u o R L (4.14) Θεωρώντας ως μεταβλητή κατάστασης το x = [ il uo ] Τ και μεταβλητή ελέγχου το u, έχουμε το μη γραμμικό διακοπτικό μοντέλο ẋ = f(x) + g(x)c. [4.4] Για τον έλεγχο όμως του μετατροπέα, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το διακοπτικό μοντέλο καθώς η μεταβλητή ελέγχου u παίρνει μόνο διακριτές τιμές. Έτσι για το σχεδιασμό ελέγχου συνεχούς χρόνου πρέπει να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα. Έστω ότι έχουμε της γραφικές παραστάσεις της εικόνας Εικόνα 4.12: Γραφικές παραστάσεις i L-t και u o-t διακοπτικού μοντέλου [4.4] Για να περάσουμε στο συνεχές χρόνο θα πρέπει η περίοδος Τ να τείνει στο μηδέν. Έστω λοιπόν το διακοπτικό μη γραμμικό σύστημα μιας εισόδου-μιας εξόδου. [4.4] ẋ = f(x) + g(x)u (4.15) και { u = 1, for t k < t t k + μ(χ(t k ))Τ u = 0, for t k + μ(χ(t k ))Τ < t t k + Τ Γράφοντας τη διαφορική εξίσωση (4.15) ως ολοκληρωτική, έχουμε τη στιγμή t k + μ(χ(t k ))Τ : t k +μ(χ(t k ))Τ x(t k + μ(χ(t k ))Τ) = x(t k ) + [f(x(σ)) + g(x(σ)) ]dσ (4.16) t k Ενώ τη στιγμή t k + Τ, έχουμε x(t k + Τ) = x(t k + μ(χ(t k ))Τ) + t k +Τ t k +μ(χ(t k ))Τ f(x(σ))dσ (4.17)

41 Συνδυάζοντας τις εξισώσεις (4.16) και (4.17), έχουμε t k +μ(χ(t k ))Τ x(t k + Τ) = x(t k ) + [f(x(σ)) + g(x(σ))]dσ t k +Τ t k +μ(χ(t k ))Τ f(x(σ))dσ => t k + t k +Τ t k +μ(χ(t k ))Τ x(t k + Τ) = x(t k ) + f(x(σ))dσ + g(x(σ))dσ (4.18) t k t k Πολλαπλασιάζοντας και τα δύο μέλη της εξίσωσης με 1/Τ και παίρνοντας το όριο για Τ -> 0, η εξίσωση (4.18) για t=tk γίνεται t+τ 1 lim [x(t + T) x(t)] = lim Τ 0 Τ [1 Τ 0 Τ f(x(σ))dσ + t 1 Τ t+μ(χ(t))τ t g(x(σ))dσ (4.19) Όμως ισχύει [4.4] { lim 1 [x(t + T) x(t)] = x (t) Τ lim t+τ 1 Τ f(x(σ))dσ = f(x(t)) Τ >0 Τ >0 lim Τ >0 1 Τ t t+μ(χ(t))τ t g(x(σ))dσ = g(x(t))μ(x(t)) (4.20) Από (4.19) και (4.20) παρατηρούμε ότι x (t) = f(x(t)) + g(x(t))μ(x(t)) (4.21) Η εξίσωση (4.21) περιγράφει το μοντέλο συνεχούς χρόνου του μετατροπέα, και λαμβάνοντας υπόψιν και την εξίσωση (4.15) φτάνουμε στο συμπέρασμα ότι το μοντέλο συνεχούς χρόνου έχει ακριβώς την ίδια μορφή με το διακοπτικό μοντέλο, αν αντικαταστήσουμε τη διακριτή είσοδο u {0,1} με την είσοδο συνεχούς χρόνου μ [0,1], περιγράφεται δηλαδή από τις παρακάτω εξισώσεις [4.4] { L di L dt = (1 μ)u o + V dc C du o dt = (1 μ)i L u o R L (4.22)

42 4.4) Βιβλιογραφία 4 ου κεφαλαίου [4.1] Ιορδάνης Κιοσκερίδης, Ηλεκτρονικά ισχύος, Εκδόσεις Τζιόλα [4.2] Καθ. Εμμανουήλ Κ. Τατάκης, Σημειώσεις μαθήματος Μετατροπείς πηγής τάσης, αλληλεπίδραση με το δίκτυο, μέθοδοι ελέγχου τους, Πανεπιστήμιο Πατρών [4.3] Μαρία Δ. Παπαγεωργίου, Μελέτη της ευστάθειας και προσομοίωση πρωτογενούς και δευτερογενούς ελέγχου σε μικροδίκτυο ΣΡ, ΕΜΠ, Αθήνα 2015 [4.4] Καθ. Αντώνιος Αλεξανδρίδης, Καθ. Γεώργιος Κωνσταντόπουλος, Σημειώσεις μαθήματος Μετατροπείς πηγής τάσης, αλληλεπίδραση με το δίκτυο, μέθοδοι ελέγχου τους, Πανεπιστήμιο Πατρών [4.5] Δέσποινα Ι. Μακρυγιώργου, Έλεγχος και ευστάθεια διεσπαρμένης παραγωγής: Μη γραμμική και σθεναρή προσέγγιση σε ac ή/και dc μεταβλητής τοπολογίας αυτόνομα μικροδίκτυα, Πανεπιστήμιο Πατρών,

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο ΙΕΡΑΡΧΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ 5.1) Εισαγωγή Ένα μικροδίκτυο για να λειτουργεί ομαλά με ευστάθεια, αξιοπιστία και διαχρονικότητα πρέπει να περνάει από πολλά επίπεδα και πολλές διαδικασίες ελέγχου. Όσον αφορά τα dc μικροδίκτυα τα οποία μας απασχολούν και στην συγκεκριμένη εργασία, ο έλεγχος κρίνεται απαραίτητος λόγω της παράλληλης σύνδεσης μικροπαραγωγών, φορτίων και συσκευών αποθήκευσης ενέργειας που προσθέτει δυσκολίες στην ευστάθεια του συστήματος, στον σωστό καταμερισμό των διαφόρων φορτίων στις μικροπαραγωγές και στην διατήρηση των τάσεων του μικροδικτύου στα επιθυμητά επίπεδα. Ένας κεντρικός ελεγκτής θα μπορούσε να αντιμετωπίσει αυτά τα προβλήματα μαζεύοντας όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τον κάθε μετατροπέα αλλά χρειάζεται πολύ μεγάλης ταχύτητας επικοινωνίες και είναι ευάλωτος σε σφάλματα δικτύου. Προτείνεται λοιπόν ένα είδος αποκεντρωμένου ελέγχου, με χαμηλού εύρους ζώνης επικοινωνία, που θα εφαρμόζεται στους dc/dc μετατροπείς, και θα χωρίζεται σε διαφορετικά επίπεδα ελέγχου για περισσότερη αποτελεσματικότητα. Ο έλεγχος αυτός ονομάζεται ιεραρχικός έλεγχος και τα τρία βασικότερα επίπεδα στα οποία χωρίζεται είναι τα εξής: [5.1][5.2][5.3][5.4] Πρωτογενής έλεγχος : Εφαρμόζεται τοπικά σε κάθε μετατροπέα και είναι υπεύθυνος για τον σωστό καταμερισμό του φορτίου στις μικροπαραγωγές. Θα αναλυθεί εκτενέστερα στη συνέχεια. Δευτερογενής έλεγχος: Είναι υπεύθυνος για τη ρύθμιση της τάσης του μικροδικτύου σε κάποια επιθυμητή τιμή και τον καλύτερο καταμερισμό του φορτίου, που δεν επιτευχθεί μετά τον πρωτογενή έλεγχο. Θα αναλυθεί εκτενέστερα στη συνέχεια. Τριτογενής έλεγχος: Είναι υπεύθυνος για τη ροή ισχύος μεταξύ του μικροδικτύου και του κυρίως δικτύου. Αποτελεί τον βασικό σύνδεσμο επικοινωνίας του μικροδικτύου με τους διαχειριστές του συστήματος διανομής και μεταφοράς

44 Στην εικόνα 5.1 παρουσιάζεται ο ιεραρχικός έλεγχος ενός dc μικροδικτύου. Εικόνα 5.1: Ιεραρχικός έλεγχος dc μικροδικτύου [5.4] 5.2) Πρωτογενής έλεγχος dc μικροδικτύου Μια από τις βασικότερες προκλήσεις που καλείται να αντιμετωπίσει ένα dc μικροδίκτυο λόγω της διαφορετικότητας των τάσεων των μικροπαραγωγών και των αντιστάσεων των γραμμών διασύνδεσης, είναι ο σωστός καταμερισμός του φορτίου στις διάφορες μικροπαραγωγές και η σωστή ρύθμιση της τάσης εξόδου τους. Επιτακτική είναι και η ανάγκη, ο έλεγχος για την επίτευξη του στόχου αυτού να γίνεται τοπικά στους μετατροπείς της κάθε μικροπαραγωγής χωρίς την ύπαρξη επικοινωνιών που θα πρόσθεταν επιπλέον χρόνο και σφάλματα στο σύστημα. Ο πρωτογενής έλεγχος είναι υπεύθυνος για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων και η βασικότερη μέθοδος που χρησιμοποιεί είναι ο λεγόμενος έλεγχος στατισμού (droop control) ) Έλεγχος στατισμού (droop control) Ο έλεγχος στατισμού βασίζεται στην είσοδο μια εικονικής αντίστασης ή αλλιώς αντίστασης στατισμού, με στόχο την μείωση της τιμής αναφοράς για την τάση έξοδού του κάθε μετατροπέα όταν το ρεύμα εξόδου του αυξάνεται. Η μαθηματική έκφραση για τον έλεγχο στατισμού φαίνεται στη σχέση (5.1). V k ref = V k i k d k, k = 1,2, (5.1)

45 Όπου V ref k η τιμή αναφοράς της τάσης εξόδου του κάθε μετατροπέα, V k η τάση αναφοράς ή τάση ανοιχτού κυκλώματος, i k το ρεύμα εξόδου του κάθε μετατροπέα και d k η αντίσταση στατισμού του κάθε μετατροπέα. [5.5] Για να καταλάβουμε καλύτερα τον έλεγχο στατισμού και την λειτουργία στον καταμερισμό του φορτίου, θεωρούμε το κύκλωμα της εικόνας 5.2 όπου φαίνεται ο έλεγχος στατισμού σε δύο ισοδύναμα Thevenin δύο παράλληλα συνδεδεμένων μετατροπέων σε ένα κοινό φορτίο. Εικόνα 5.2: Ισοδύναμα Thevenin δυο μετατροπέων συνδεδεμένων σε κοινό φορτίο [5.5] Εφαρμόζοντας το νόμο τάσεων του Kirchhoff στο κύκλωμα της εικόνας 5.2 έχουμε: V 0 = V ref i 1 (d 1 + R 1 ) (5.2) Και V 0 = V ref i 2 (d 2 + R 2 ) (5.3) Αν εξισώσουμε τις σχέσεις (5.2) και (5.3), καταλήγουμε στην εξής σχέση: i 1 i 2 = d 2 + R 2 d 1 + R 1 (5.4) Σε ένα μικροδίκτυο, όμως, που οι γραμμές διασύνδεσης είναι μικρές, οι αντιστάσεις των γραμμών σε σχέση με τις εικονικές αντιστάσεις θα είναι αρκετά μικρότερες (d k R k ) και συνεπώς μπορούμε να θεωρήσουμε ότι d 1 + R 1 d 1 και d 2 + R 2 d 2. Την θεώρηση αυτή την κάνουμε επίσης, διότι δεν είναι εύκολο να γνωρίζουμε τις ακριβείς αντιστάσεις των γραμμών διασύνδεσης, αντίθετα με τις εικονικές αντιστάσεις, οι τιμές των οποίων είναι δική μας επιλογή. Έτσι λοιπόν καταλήγουμε στην εξής σχέση: i 1 i 2 d 2 d 1 (5.5) Επίσης όσο πιο μεγάλες αντιστάσεις στατισμού έχουμε, τόσο περισσότερο θα ισχύει η σχέση (5.5) και θα μπορούμε να ελέγξουμε εμείς τον καταμερισμό του φορτίου όπως επιθυμούμε. Αυτό φαίνεται και από τη γραφική παράσταση της εικόνας

46 όπου απεικονίζεται η σχέση τάσης-ρεύματος στον έλεγχο στατισμού με μικρές και μεγάλες αντιστάσεις στατισμού. Εικόνα 5.3: Γραφική παράσταση ελέγχου στατισμού με μικρές και μεγάλες αντιστάσεις στατισμού Από την εικόνα 5.3 επιβεβαιώνεται αυτό που ειπώθηκε. Ότι, δηλαδή, όσο μεγαλύτερες είναι οι αντιστάσεις στατισμού, τόσο πιο ίσο καταμερισμό φορτίου έχουμε, αν d 1 = d 2. Φαίνεται όμως και το βασικότερο πρόβλημα του ελέγχου στατισμού κατά τον πρωτογενή έλεγχο, αυτό της αύξησης της απόκλισης της τάσης του φορτίου (V0) από την τάση αναφοράς (Vref) όσο αυξάνεται η αντίσταση στατισμού. Το πρόβλημα αυτό καλείται να επιλύσει το δεύτερο επίπεδο του ιεραρχικού ελέγχου, ο δευτερογενής έλεγχος, τον οποίο θα αναλύσουμε εκτενώς σε επόμενο υποκεφάλαιο ) Βρόχοι ελέγχου τάσης και ρεύματος μετατροπέα Ο πρωτογενής έλεγχος όμως δεν ολοκληρώνεται μόνο με τον έλεγχο στατισμού. Ο έλεγχος στατισμού είναι υπεύθυνος, μόνο για τον ορισμό της τιμής αναφοράς της τάσης εξόδου του κάθε μετατροπέα. Η τάση εξόδου στη συνέχεια συγκρίνεται με την τάση αναφοράς και η διαφορά τους (σφάλμα) γίνεται η είσοδος ενός ελεγκτή αντιστάθμισης που παράγει την τιμή αναφοράς για το ρεύμα της επαγωγής. Αυτός είναι ένας αργός βρόχος ελέγχου και ονομάζεται βρόχος τάσης (εξωτερικός βρόχος ελέγχου). Στη συνέχεια ακολουθεί ένας γρηγορότερος βρόχος ελέγχου, ο βρόχος ρεύματος (εσωτερικός βρόχος ελέγχου). Στο βρόχο ρεύματος συγκρίνεται το ρεύμα της επαγωγής του μετατροπέα με την τιμή αναφοράς και το σφάλμα τους γίνεται η

47 είσοδος ενός δεύτερου ελεγκτή που παράγει το τελικό σήμα αναφοράς της PWM μεθόδου ελέγχου, που αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Η διαδικασία αυτή μαζί με τον έλεγχο στατισμού, αποτελούν τον πρωτογενή έλεγχο που απεικονίζεται στην εικόνα 5.4, όπου: V k, i k η τάση και το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα, αντίστοιχα. V ref η τάση αναφοράς του ελέγχου στατισμού. V k ref η τιμή αναφοράς της τάσης εξόδου του μετατροπέα. i Lk ref η τιμή αναφοράς του ρεύματος της επαγωγής του μετατροπέα. i LK το ρεύμα της επαγωγής του μετατροπέα. d K η αντίσταση στατισμού. Εικόνα 5.4: Πρωτογενής έλεγχος dc μικροδικτύου Ο ελεγκτής που χρησιμοποιείται επί των πλείστων στους βρόχους ελέγχου, για να διορθώσει τη διαφορά μεταξύ του μετρήσιμου σήματος και του επιθυμητού σήματος αναφοράς, είναι ο PID ελεγκτής. Ο PID ελεγκτής χρησιμοποιεί έναν αναλογικό όρο (proportional) που περιγράφει την αντίδραση στο στιγμιαίο σφάλμα, έναν ολοκληρωτικό όρο (integral) που περιγράφει την αντίδραση στο συσσωρευτικό σφάλμα και έναν παραγωγικό όρο (derivative) που περιγράφει την απόκριση σε σχέση με τον ρυθμό μεταβολής του σφάλματος [5.6]. Στο επόμενο υποκεφάλαιο αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός PID ελεγκτή

48 5.2.3) PID ελεγκτής Η μορφή ενός PID ελεγκτή μαζί με το σύστημα που ελέγχει, φαίνεται στην εικόνα 5.5. Εικόνα 5.5: Γενική μορφή PID ελεγκτή [5.6] Στο σχήμα της εικόνας 5.5, φαίνεται η ελεγχόμενη μεταβλητή εξόδου y(t) που συγκρίνεται με την επιθυμητή τιμή r(t) δίνοντάς το σφάλμα e(t) ως είσοδο του PID ελεγκτή. Oι τρείς όροι του PID ελεγκτή, ο αναλογικός όρος ( k p e(t) ), o ολοκληρωτικός t όρος ( k I e(τ)dτ 0 ) και ο διαφορικός όρος ( k D de(t) dt ) προστίθενται και δίνουν την έξοδο u(t) του PID ελεγκτή που ελέγχει το σύστημα. Η εξίσωση της εξόδου του ελεγκτή είναι η εξής: t de(t) u(t) = k p e(t) + k I e(τ)dτ + k D 0 dt (5.6) Τα k p, k I, k D είναι το αναλογικό, το ολοκληρωτικό και το διαφορικό κέρδος αντίστοιχα. Λόγω της αρνητικής ανάδρασης, αν η ελεγχόμενη μεταβλητή είναι μικρότερη της επιθυμητής τιμής, έχουμε αύξηση του σήματος ελέγχου ενώ αν είναι μεγαλύτερη, έχουμε μείωση του σήματος ελέγχου. Αναλογικός όρος του PID ελεγκτή Ο αναλογικός όρος παράγει ένα σήμα εξόδου ανάλογο στην τρέχουσα τιμή του σφάλματος και είναι αυτός που συνεισφέρει περισσότερο στην έξοδο του ελεγκτή. Αν το αναλογικό κέρδος k p είναι μεγάλο θα έχουμε μια μεγάλη αλλαγή στην έξοδο για μια δεδομένη αλλαγή στο σφάλμα αλλά θα μπορούσαμε να οδηγηθούμε πιο εύκολα στην αστάθεια. Από την άλλη μεριά αν το κέρδος είναι μικρό, έχουμε ως

49 αποτέλεσμα μια μικρή απόκριση εξόδου σε ένα μεγάλο σφάλμα εισόδου και έναν λιγότερο ανταποκρίσιμο ελεγκτή. Στην εικόνα 5.6 φαίνεται το πως επιδρά ο αναλογικό όρος στο σύστημα, για να φτάσει η ελεγχόμενη μεταβλητή στην επιθυμητή τιμή. [5.7] Εικόνα 5.6: Επίδραση αναλογικού όρου στο σύστημα [5.7] Στην εικόνα 5.6 φαίνεται το πρόβλημα της χρήσης μόνο του αναλογικού όρου, αυτό του σφάλματος της μόνιμης κατάστασης. Ότι δηλαδή η ελεγχόμενη μεταβλητή δεν θα φτάσει ποτέ την επιθυμητή τιμή. Αυτό το πρόβλημα καλείται να διορθώσει ο ολοκληρωτικός όρος του PID ελέγχου. Ολοκληρωτικός όρος του PID ελεγκτή Ο ολοκληρωτικός όρος λαμβάνει υπόψιν το συσσωρευτικό σφάλμα μέχρι το χρόνο t. Στη συνέχεια το συσσωρευτικό σφάλμα πολλαπλασιάζεται με το ολοκληρωτικό κέρδος k I. Έτσι αν η εφαρμοζόμενη δράση δεν είναι αρκετή για να φέρει το σφάλμα στο μηδέν, αυτή η δράση θα αυξηθεί με το πέρασμα του χρόνου. Στην εικόνα 5.7 φαίνεται το πως επιδρά ο ολοκληρωτικός όρος στο σύστημα, για να φτάσει η ελεγχόμενη μεταβλητή στην επιθυμητή τιμή. [5.6],[5.7]

50 Εικόνα 5.7: Επίδραση αναλογικού και ολοκληρωτικού όρου στο σύστημα [5.7] Παρατηρούμε ωστόσο ότι ο ολοκληρωτικός όρος εισάγει περισσότερες ταλαντώσεις στο σύστημα. Διαφορικός όρος του PID ελεγκτή Ο διαφορικός όρος πολλαπλασιάζει το ρυθμό μεταβολής του σφάλματος με το διαφορικό κέρδος k D με στόχο να μειώσει τις υπερυψώσεις και τις ταλαντώσεις και να βελτιώσει τη μεταβατική απόκριση. Το μόνιμο σφάλμα δεν επηρεάζεται από τον διαφορικό όρο. Στην εικόνα 5.8 φαίνεται η διαφορά στην απόκριση ενός συστήματος για αλλαγές στην τιμή του διαφορικού κέρδους. [5.8] Εικόνα 5.8: Επίδραση διαφορικού όρου στο σύστημα [5.8] Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι κάποιοι όροι μπορεί να απουσιάζουν από έναν ελεγκτή. Για παράδειγμα θα μπορούσαμε να είχαμε μόνο τον αναλογικό όρο, άρα έναν P ελεγκτή ή τον αναλογικό και ολοκληρωτικό όρο, άρα έναν PI ελεγκτή όπως αυτός που θα χρησιμοποιηθεί στην διεξαγωγή της προσομοίωσης στην συνέχεια της εργασίας

51 5.3) Δευτερογενής έλεγχος dc μικροδικτύου Ο δευτερογενής έλεγχος είναι το δεύτερο επίπεδο του ιεραρχικού ελέγχου, που καλείται να διορθώσει τυχόν ανακρίβειες του καταμερισμού του φορτίου από τον πρωτογενή έλεγχο και όποια απόκλιση της τάσης του φορτίου από την τάση αναφοράς, προκαλείται από τον έλεγχο στατισμού. Αυτό το κάνει προσθέτοντας δύο όρους διόρθωσης στον πρωτογενή έλεγχο, όπως φαίνεται και στη σχέση (5.7). Έναν όρο διόρθωσης ρεύματος δii που διορθώνει τον καταμερισμό του φορτίου στις μικροπαραγωγές και έναν όρο διόρθωσης τάσης δvi που διορθώνει την διαφορά της τάσης του ζυγού του φορτίου από την τάση αναφοράς. [5.9] V k ref = V ref + δu k + δi k d k i k, k = 1,2, (5.7) Όπου V k ref η τιμή της αναφοράς της τάση εξόδου του κάθε μετατροπέα, V ref η τάση αναφοράς ή τάση ανοιχτού κυκλώματος, i k το ρεύμα εξόδου του κάθε μετατροπέα και d k η αντίσταση στατισμού του κάθε μετατροπέα ) Παρομοίωση δικτύου επικοινωνιών με γράφο Ο δευτερογενής έλεγχος, χρησιμοποιεί ένα δίκτυο επικοινωνιών, για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των γειτονικών μετατροπέων, ώστε να τις επεξεργάζεται και να παρέχει τους δύο παραπάνω όρους διόρθωσης στον πρωτογενή έλεγχο του κάθε μετατροπέα. Το δίκτυο επικοινωνιών μπορεί να παρομοιαστεί με έναν κυκλικό γράφο (εικ. 5.9) με τους κόμβους του VG = {u1, u2,.. un} να αντιστοιχούν στους μετατροπείς και τους κλάδους του EG VG VG, στους συνδέσμους επικοινωνίας. Επίσης ορίζεται και ο πίνακας γειτνίασης ΑG = [αkj] R nxn, όπου n, ο αριθμός των κόμβων, και αkj τα βάρη των συνδέσμων επικοινωνίας. Ισχύει αkj = 1 αν οι κόμβοι k,j (μετατροπείς k,j) επικοινωνούν μεταξύ τους ( uk, uj EG) και αkj = 0 αν δεν επικοινωνούν. Τέλος ορίζεται ένας διαγώνιος πίνακας DG = diag {dgk}, με dgk = α kj και ο Laplacian πίνακας L= DG - ΑG. [5.9] Εικόνα 5.9: Δίκτυο επικοινωνιών 8 μετατροπέων

52 5.3.2) Όρος διόρθωσης ρεύματος δi Ο όρος διόρθωσης ρεύματος δi, όπως προαναφέρθηκε, είναι υπεύθυνος για τον ακριβέστερο καταμερισμό του φορτίου, που δεν επιτυγχάνεται με τον πρωτογενή έλεγχο και υπολογίζεται από την εξής σχέση : δi k = b 1 k k α kj ( i j k j i k k k )dt (5.8) Όπου b 1 είναι ένα θετικό κέρδος, k k ο συντελεστής αναλογικότητας του καταμερισμού του φορτίου και α ij τα βάρη των συνδέσμων επικοινωνίας, όπου α kj = 1 αν υπάρχει σύνδεσμος επικοινωνίας μεταξύ των μετατροπέων k και j και α kj = 0 αν δεν υπάρχει [5.9]. Ξαναγράφοντας τη σχέση (5.8) σε μορφή πινάκων προκύπτει η σχέση : δi = b 1 KLKidt (5.9) Με δi = [δi 1 δi 2 δi n ] T, K = diag ( 1 k k ) και L o Laplacian πίνακας [5.9] 5.3.3) Όρος διόρθωσης τάσης δv Ο όρος διόρθωσης τάσης δv, καλείται να διορθώσει την απόκλιση, που προκαλείται από τον πρωτογενή έλεγχο, της τάσης του ζυγού του φορτίου από την τάση αναφοράς, και υπολογίζεται από την σχέση (5.10). δu k = b 2 g k (V ref V 0 ) dt (5.10) Όπου b 2 είναι ένα θετικό κέρδος, V 0 η τάση του φορτίου και g k το βάρος του μετατροπέα k, όπου g k = 1 αν o μετατροπέας επικοινωνεί με το φορτίο και g k = 0 αν δεν επικοινωνεί [5.9]. Όπως και στον συντελεστή διόρθωσης ρεύματος έτσι και εδώ, μπορούμε να ξαναγράψουμε τη σχέση (5.10) σε μορφή πινάκων και θα έχουμε : δu = b 2 (V ref V 0 )gdt (5.11) με g = [g 1 g 2 g n ] T. [5.9] Αν αντικαταστήσουμε τις σχέσεις (5.9) και (5.11) στη σχέση (5.7), έχουμε: V = V ref 1 n id + [b 2 (V ref V 0 )g b 1 KLKi]dt (5.12) με V = [V 1 V 2 V n ] T και D = diag(dgk). Όμως η (5.12) στην μόνιμη κατάσταση γίνεται: b 2 (V ref V 0 )g b 1 KLKi = 0 n (5.13)

53 με 0 n, n τάξεως διάνυσμα με όλα τα στοιχεία του μηδενικά. Από τη σχέση (5.13), αν k k g k 0, ισοδυναμούν οι σχέσεις (5.14) και (5.15) που αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα του δευτερογενούς ελέγχου. i 1 k 1 = i 2 k 2 = = i n k n (5.14) V 0 = V ref (5.15) 5.4) Έλεγχος k παράλληλα συνδεδεμένων μετατροπέων Στο σύστημα της εικόνας 5.10 φαίνεται ένα σύστημα k παράλληλα συνδεδεμένων μετατροπέων ανύψωσης τάσης σε ένα κοινό ζυγό, και ο πρωτογενής και δευτερογενής έλεγχος τους. Ο συγκεκριμένος έλεγχος θα χρησιμοποιηθεί και στη συνέχεια στις προσομοιώσεις. Όπως παρατηρούμε, ο πρωτογενής έλεγχος εφαρμόζεται τοπικά σε όλους τους μετατροπείς, ενώ όσον αφορά τον δευτερογενή, χρειάζεται ένα σύστημα επικοινωνιών για τη μεταφορά των συγκεκριμένων πληροφορίων που χρειάζονται για τον υπολογισμό των συντελεστών διόρθωσης. Ο όρος διόρθωσης δi εφαρμόζεται σε όλους τους μετατροπείς και κάθε μετατροπέας πρέπει να έχει συνεχή επικοινωνία με τους γειτονικούς του μετατροπείς (j N:Neighbors) ώστε να γνωρίζει τα ρεύματα εξόδων τους, όπως φαίνεται και στο δίκτυο επικοινωνιών της εικόνας 5.9. Για την διόρθωση της τάσης του ζυγού του φορτίου, ο όρος διόρθωσης δv0 του δευτερογενούς ελέγχου εφαρμόζεται μόνο σε έναν, οποιονδήποτε μετατροπέα, καθώς ο ζυγός του φορτίου είναι κοινός για όλους. Συνεπώς ένας από τους μετατροπείς χρειάζεται, μέσω του δικτύου επικοινωνιών, να γνωρίζει, εκτός από τα ρεύματα εξόδων των γειτονικών του μετατροπέων και την τάση του ζυγού του φορτίου. Παρακάτω παρατίθενται οι ορισμοί των συμβολισμών της εικόνας V k, i k : Τάση και ρεύμα εξόδου του k μετατροπέα, αντίστοιχα V 0 : Τάση ζυγού φορτίου V k ref : Τιμή αναφοράς της τάσης εξόδου του k μετατροπέα V ref : Τάση αναφοράς ή τάση ανοιχτού κυκλώματος i Lk : Ρεύμα της επαγωγής του k μετατροπέα i Lk ref : Τιμή αναφοράς του ρεύματος της επαγωγής του k μετατροπέα R k : Αντίσταση γραμμής διασύνδεσης του k μετατροπέα με το φορτίο d k : Αντίσταση στατισμού του k μετατροπέα δv 0 : Όρος διόρθωσης τάσης του ζυγού του φορτίου δi k : Όρος διόρθωσης ρεύματος του k μετατροπέα b 1 : Κέρδος συντελεστή διόρθωσης τάσης b 2 : Κέρδος συντελεστή διόρθωσης ρεύματος

54 Εικόνα 5.10: Ιεραρχικός έλεγχος συστήματος k παράλληλων μετατροπέων