ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΙΩΑΝΝΗ Β. ΓΚΑΡΤΖΩΝΗ Α.Μ.: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 353 Πάτρα, Ιανουάριος 2013 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΙΩΑΝΝΗ Β. ΓΚΑΡΤΖΩΝΗ Α.Μ.: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων:Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο /2013 Πάτρα, Ιανουάριος 2013

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΙΩΑΝΝΗ ΓΚΑΡΤΖΩΝΗ του ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 17/1/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2013 ΤΙΤΛΟΣ: "ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Γκαρτζώνης Ιωάννης του Βασιλείου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του ανυψωτή τάσης που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Η πρώτη βαθμίδα αποτελεί αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ενώ η δεύτερη υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Γ. Πυρρή. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του ανυψωτή τάσης. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη μεθόδων ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος και η προσομοίωση του συστήματος. Τέλος αναλύουμε τη διαδικασία υλοποίησης του ανυψωτή τάσης και παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτέλεσε η μελέτη και κατασκευή τμήματος του συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας 1kW με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε και προσομοιώθηκε η ανεμογεννήτρια, η ανορθωτική διάταξη και ο ανυψωτής τάσης καθώς και η μέθοδος ελέγχου του. Επιπρόσθετα, κατασκευάστηκε ο ανυψωτή τάσης ισχύος 1kW. Αναλυτικά στην εισαγωγή εξετάζεται σε γενικές γραμμές η φύση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και τα πλεονεκτήματα χρήσης τους ενώ παρατίθεται μια σύντομη περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Επιπρόσθετα, παρατίθεται μια διεξοδική και συγκριτική ανάλυση των ευρέως εφαρμοζόμενων τεχνολογιών και τοπολογιών Διασυνδεδεμένων Αιολικών Συστημάτων. Στο κεφάλαιο 2 διενεργούμε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση των επιμέρους συστημάτων της υπό μελέτης διάταξης. Ξεκινώντας από το ανεμοκινητήριο σύστημα αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που διαθέτει το εργαστήριο και χρησιμοποιήθηκε. Εν συνεχεία προχωρούμε στη διεξοδική ανάλυση του μετατροπέα συνεχούς τάσης τύπου «Interleaved Boost» και στη συνοπτική παρουσίαση του μονοφασικού αντιστροφέα τάσης. Κλείνοντας το κεφάλαιο παρουσιάζουμε την θεωρητική ανάλυση του φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί καθώς και του μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύος. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η διαστασιολόγηση του καθώς και ο έλεγχος του υπό μελέτη συστήματος. Στο κεφάλαιο 4 παραθέτουμε τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε για τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και του ανορθωτή και του ανυψωτή τάσης. Ακόμη, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με έλεγχο μέγιστης απομάστευσης ισχύος. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η διαδικασία κατασκευής των πλακετών, ενώ παρουσιάζεται και ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε.

10 Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζουμε και αναλύουμε τα παλμογραφήματα που πήραμε από την πειραματική διάταξη που κατασκευάσαμε καθώς και τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε για την εύρεση της απόδοσης του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, τα σχέδια των τυπωμένων πλακετών (PCB) καθώς και ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε,. Στο σημείο αυτό οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για τη συνολική αρωγή του κατά την περίοδο εκπόνησης της εν λόγω διπλωματικής εργασίας, τις πολύτιμες συμβουλές και την καθοδήγηση που προσέφερε. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Γεώργιο Χρηστίδη, ο οποίος συνέβαλε τα μέγιστα στη μελέτη αυτής της εργασίας με τις γνώσεις του και τις συμβουλές του, καθώς και όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για την πολύτιμη βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους Γεώργιο Ελευθεράκη και Γεώργιο Πυρρή για την άψογη και ιδιαίτερα ευχάριστη συνεργασία που είχαμε σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας.

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ (DC BUS) ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΚΑΙ ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.1 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ [19] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΜΗ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΠΛΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΔΙΑΔΟΧΙΚΗΣ ΑΓΩΓΗΣ ΚΛΑΔΩΝ (INTERLEAVED)... 59

12 4.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΑΠΛΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ MOSFET ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η εξασφάλιση της απαιτούμενης ενέργειας αποτελεί βασικό παράγοντα για την ευημερία μίας κοινωνίας. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο ρυθμός μεταβολής του ακαθάριστου εθνικού προϊόντος ακολουθεί το ρυθμό μεταβολής της καταναλισκόμενης ενέργειας σε όλα τις χώρες. Γι αυτό το λόγο μεγάλο τμήμα της έρευνας αφιερώνεται στην ανάπτυξη συστημάτων ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο ερευνητικό - αναπτυξιακό καθώς και εμπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε). Οι σημαντικότερες μορφές Α.Π.Ε. είναι η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η ενέργεια από βιομάζα και η γεωθερμική. Αφορμή για αυτό το έντονο ενδιαφέρον αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του 1973, η οποία κατέστησε σαφές πως η απόλυτη ενεργειακή εξάρτηση από τις πετρελαϊκές χώρες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τις μεταφορές αποτελούσε λανθασμένη επιλογή, ενώ παράλληλα οδήγησε σε έρευνες κατά τις οποίες με χρήση ειδικών δορυφόρων χαρτογραφήθηκαν τα αποθέματα πετρελαίου και αποδείχτηκε για πρώτη φορά πως είναι πεπερασμένα. Ένας ιδιαίτερα σημαντικός λόγος που οδήγησε στο έντονο ενδιαφέρον για τις Α.Π.Ε. είναι η προσπάθεια περιορισμού της ρύπανσης του περιβάλλοντος και του κόστους που η ρύπανση συνεπάγεται καθώς με βάση διεθνείς συμβάσεις για κάθε τόνο διοξειδίου του άνθρακα που παράγει κάθε χώρα θα πληρώνει περίπου 25 ευρώ για το 2012 [1], ένα συνολικό κόστος που για τη ΔΕΗ, τον κύριο παραγωγό ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα μας, υπολογίζεται ετησίως στα 2 δις ευρώ. Παράλληλα η πολιτική βούληση πολλών κρατών να ανεξαρτητοποιηθούν από τα κράτη που εξάγουν πετρέλαιο και φυσικό αέριο για οικονομικούς και διπλωματικούς λόγους ενισχύει την εκμετάλλευση Α.Π.Ε. Τα βασικά πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε. [2] είναι τα εξής: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας (ήλιος, άνεμος, ποτάμια, οργανική ύλη, κ.α.) και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, όπως είναι το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο άνθρακας, κλπ. Συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, ενώ παράλληλα συμβάλλουν στην άμβλυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου, καθώς δεν εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου (CO 2, CH 4, N 2 O, HFCs, PFCs, SF 6 ) στην ατμόσφαιρα. 1

14 Προσφέρουν τη δυνατότητα για αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, λόγω της γεωγραφικής τους διασποράς, με αποτέλεσμα τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο και τη συνεπακόλουθη ανακούφιση των συστημάτων υποδομής και τον περιορισμό των απωλειών από τη μεταφορά ενέργειας. Ιδιαίτερα στα ελληνικά νησιά η χρήση αιολικών πάρκων δύναται να μειώσει το ιδιαίτερα υψηλό κόστος παραγωγής ενέργειας από ντηζελογεννήτριες. Παρά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση των Α.Π.Ε., υπάρχουν και μερικά μειονεκτήματα. Τα κύρια από αυτά είναι: Ορισμένες Α.Π.Ε. εξαρτώνται από τα καιρικά φαινόμενα, τα οποία λόγω του στοχαστικού χαρακτήρα τους δεν εξασφαλίζουν την αδιάλειπτη λειτουργία ενός συστήματος που κάνει χρήση μόνο αυτού του είδους ενέργειας. Βέβαια, υπάρχει η λύση της αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας όταν η ζήτηση είναι μικρότερη της προσφοράς, αλλά σήμερα το κόστος για αυτό το σκοπό παραμένει ιδιαίτερα υψηλό και ασύμφορο για μαζική ηλεκτροδότηση. Οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. δεν μπορούν με βάση την τωρινή υποδομή να αποτελέσουν σταθμούς βάσης πλην ελαχίστων υδροηλεκτρικών σταθμών. Για λόγους ευστάθειας του δικτύου και παροχής ποιοτικής ενέργειας στους καταναλωτές το ποσοστό διείσδυσης των Α.Π.Ε. στο δίκτυο είναι περιορισμένο. Η εξέλιξη βέβαια της τεχνολογίας και ιδιαίτερα των μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος μπορεί να συντελέσει στην αύξηση της επιτρεπόμενης ποσόστωσης ενέργειας από Α.Π.Ε. Το κόστος αγοράς εξοπλισμού για την κάλυψη των αναγκών ενός οικιακού καταναλωτή παραμένει υψηλό και με αυξημένο το χρόνο αποπληρωμής της επένδυσης παρά την πτωτική τάση των τελευταίων ετών. 1.2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ο άνθρωπος από την αρχαιότητα εκμεταλλεύεται τη δύναμη του ανέμου. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι τα ιστιοφόρα και οι ανεμόμυλοι. Σήμερα, για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούμε τις ανεμογεννήτριες (Α/Γ), οι οποίες είναι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Εκτός από τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η αιολική ενέργεια ως ανανεώσιμη μορφή, έχει και κάποια ιδιαίτερα γνωρίσματα που καθιστούν την εκμετάλλευσή της ακόμα πιο ελκυστική. Τα βασικότερα είναι: Με τη χρήση της αιολικής ενέργειας μπορεί να εξασφαλιστεί ενεργειακή επάρκεια σε απομακρυσμένα σημεία όπου υπάρχουν εγκαταστάσεις τηλεπικοινωνιών (π.χ. κεραίες κινητής τηλεφωνίας), στις οποίες είναι απαραίτητη η αδιάλειπτη παροχή ισχύος ακόμα και όταν η παροχή ισχύος από το δίκτυο διακόπτεται. Η δυνατότητα αυτή συμβάλλει στη μείωση του κόστους συντήρησης του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού, καθώς η χρήση για 2

15 παράδειγμα μιας ντηζελογεννήτριας που επίσης θα εξασφάλιζε αυτονομία σε περιπτώσεις σφαλμάτων του δικτύου, εκτός από το κόστος αγοράς και συντήρησης που είναι αρκετά υψηλό, απαιτεί συνεχή τροφοδότηση από συμβατικό καύσιμο και άρα υψηλό κόστος λειτουργίας. Η αντικατάσταση των γεννητριών αυτών με ανεμογεννήτριες είναι οικονομικά συμφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον. Οι ανεμογεννήτριες δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για τη συνολική κατασκευή και λειτουργία τη δική τους και των πάρκων. Είναι γεγονός πως σε ένα μέσο αιολικό πάρκο, μια ανεμογεννήτρια θα έχει αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών [3]. Με ένα μέσο χρόνο ζωής γύρω στα 20 χρόνια, αυτό μας δίνει μια απόδοση κοντά στο 8000%. Ιδιαίτερα στη χώρα μας: Τα νησιωτικά συμπλέγματα του Αιγαίου, κυρίως, διαθέτουν πολύ υψηλό αιολικό δυναμικό και μάλιστα άριστης ποιότητας. Η σημαντική διασπορά και ανομοιομορφία του κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας στα διάφορα τμήματα της χώρας έχει ως αποτέλεσμα σε αρκετά νησιά το κόστος να είναι πολλαπλάσιο, ενίοτε και υπερδεκαπλάσιο του οριακού κόστους παραγωγής της Δ.Ε.Η. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι είναι δυνατή η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από την αιολική ενέργεια στις περιοχές αυτές. Η ισχυρή εξάρτηση της χώρας μας από εισαγόμενα καύσιμα (πετρέλαιο, άνθρακα, φυσικό αέριο), τα οποία οδηγούν σε εξάρτηση από το διεθνές οικονομικό περιβάλλον που διαμορφώνει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερα υψηλές τιμές στο πετρέλαιο και τα παράγωγά του. Βέβαια η τεχνολογία των αιολικών συστημάτων αντιμετωπίζει και διάφορα προβλήματα, τα περισσότερα από τα οποία είναι πιθανόν να αμβλύνονται με την εξέλιξη που είναι σε θέση να επιφέρει η εκτεταμένη έρευνα που λαμβάνει χώρα σε διεθνές επίπεδο σήμερα. Τα σημαντικότερα είναι τα εξής δύο: Η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου. Συνεπώς είναι δύσκολος ο ακριβής καθορισμός της ενέργειας που θα παράγουν τα αιολικά πάρκα σε συγκεκριμένες στιγμές. Το γεγονός αυτό μας υποχρεώνει να χρησιμοποιούμε τις αιολικές μηχανές κυρίως σαν εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό πάντοτε με κάποια άλλη πηγή ενέργειας. Σε περιπτώσεις αυτόνομων μονάδων είναι απαραίτητη η ύπαρξη συστημάτων αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, σε μία προσπάθεια να έχουμε συγχρονισμό της ζήτησης και της διαθέσιμης ενέργειας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται αυξημένο αρχικό κόστος και βέβαια επιπλέον απώλειες ενέργειας κατά τις φάσεις μετατροπής για την εξασφάλιση της ομαλής λειτουργίας Οι διακυμάνσεις που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες στο δίκτυο. Οι διακυμάνσεις αυτές οφείλονται κατά ένα μεγάλο μέρος στην τυχαιότητα της ταχύτητας του ανέμου και κατά ένα μικρό μέρος στη μικρή βύθιση που 3

16 παρατηρείται στην αεροδυναμική ροπή κάθε φορά που το πτερύγιο περνά από τον πύργο. Σε περιπτώσεις διασύνδεσης της αιολικής εγκατάστασης με το ηλεκτρικό δίκτυο η παραγόμενη ενέργεια δεν πληροί πάντοτε τις τεχνικές απαιτήσεις του δικτύου, με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου, μηχανημάτων ρύθμισης τάσεως και συχνότητας, καθώς και ελέγχου της αέργου ισχύος. Η εξέλιξη της τεχνολογίας σήμερα έχει δώσει λύσεις στα περισσότερα από τα αναφερόμενα προβλήματα, ιδιαίτερα με την κατασκευή ανεμογεννητριών μεταβλητού βήματος και μεταβλητών στροφών καθώς και της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος. Παρ όλα αυτά υπάρχει κάποιο αυξημένο κόστος για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της παραγόμενης ενέργειας, το οποίο προστίθεται στο συνολικό κόστος. 1.3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Βασικά χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια στην αρχή σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Σχήμα 1.1: Σχεδιάγραμμα τυπικής ανεμογεννήτριας [4] Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων. Σχεδόν σε όλες τις ανεμογεννήτριες έχουν δοκιμαστεί πολλές και διαφορετικές λύσεις, τόσο όσον αφορά στον αριθμό των πτερυγίων αλλά και στον προσανατολισμό του άξονα. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών προσδιορίζονται από τον προσανατολισμό του άξονά τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου και διακρίνονται σε κατακόρυφου και οριζοντίου άξονα. Όσον αφορά στον αριθμό των πτερυγίων διακρίνονται σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες, κ.λ.π. Ο πιο συνηθισμένος τύπος ανεμογεννήτριας σήμερα είναι ο τριπτέρυγος οριζοντίου άξονα. Στο σχήμα 1.2 διακρίνονται τα βασικά στοιχεία που αποτελούν μια ανεμογεννήτρια. 4

17 Σχήμα 1.2: Τομή ατράκτου ανεμογεννήτριας [4] Η πλήμνη είναι το μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια και μέσω του άξονα χαμηλών ταχυτήτων μεταφέρεται η κίνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων. Από εκεί ο άξονας υψηλών ταχυτήτων μεταφέρει την κίνηση στη γεννήτρια, αποτελώντας ουσιαστικά το δρομέα της γεννήτριας. Το κιβώτιο ταχυτήτων παρεμβάλλεται πολλαπλασιάζοντας την τιμή της ταχύτητας του ανέμου που φτάνει σε αυτό από τα πτερύγια. Οι ανεμογεννήτριες συνήθως σχεδιάζονται ώστε να αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας που μπορούν σε ταχύτητες ανέμου ανάμεσα στα 12 με 15 m/s. Δεν υπάρχει λόγος να σχεδιάζονται γεννήτριες που να αποδίδουν τη μέγιστη ισχύ τους σε μεγαλύτερες ταχύτητες μιας και τόσο δυνατοί άνεμοι είναι σπάνιοι. Ο ανεμοκινητήρας δύναται να αποδώσει ωφέλιμη ισχύ μόνο όταν η ισχύς του ανέμου είναι μεγαλύτερη από τις εσωτερικές απώλειες. Τέτοιες είναι οι τριβές, οι απώλειες στο δρομέα, στο κιβώτιο ταχυτήτων κ.τ.λ. Η ταχύτητα του ανέμου κατά την οποία ο ανεμοκινητήρας ξεκινάει να περιστρέφεται λέγεται ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (cut-in speed). Όταν ο άνεμος εμφανίζει υψηλές ταχύτητες (πάνω από m/s) διακόπτεται η λειτουργία της ανεμογεννήτριας για λόγους προστασίας της. Η ταχύτητα διακοπής λειτουργίας ονομάζεται (cut-out speed) Σχέσεις παραγωγής ενέργειας από τον άνεμο Η δημιουργία των ανέμων είναι αποτέλεσμα της ανομοιόμορφης θέρμανσης της ατμόσφαιρας και οφείλεται στη μετακίνηση τεράστιων αερίων μαζών ώστε να γίνει ανακατανομή της θερμότητας που απορροφάται. Θεωρούμε αέρα μάζας m που όταν έχει ταχύτητα v w, ο άνεμος έχει κινητική ενέργεια: 1 2 K m v w (1.1) 2 5

18 Αν ρ είναι η πυκνότητα του αέρα που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (τυπική τιμή 1,3kg/m 3 ), v w η ταχύτητα του ανέμου και S (S=π R 2, όπου R το μήκος των πτερυγίων) η επιφάνεια που σαρώνει ένα πτερύγιο σε μια πλήρη περιστροφή του, τότε m p S v w (1.2) θα είναι η μάζα αέρα που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη συγκεκριμένη επιφάνεια. Συνεπώς, σύμφωνα με τη σχέση 1.1 η κινητική ενέργεια που περνά από την επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή η ισχύς του ανέμου θα είναι: 1 3 Pw p S vw (1.3) 2 Αυτή είναι η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευθεί με έναν ανεμοκινητήρα. Στην πραγματικότητα μόνο ένα μέρος P M αυτής της ισχύος μπορεί να δεσμευθεί, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα (Α/Κ) με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε τα πτερύγια του Α/Κ προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο τα παρακάμπτει χωρίς να τα διαπεράσει. Ονομάζουμε αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C P ενός Α/Κ το λόγο της μηχανικής ισχύος που παράγεται P M προς την ισχύ του ανέμου P W που διαπερνά την επιφάνεια S: C P / P (1.4) P M W Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p εκφράζει το ποσοστό της προσπίπτουσας αεροδυναμικής ισχύος που μετατρέπεται σε μηχανική από τον Α/Κ. Για έναν ιδανικό Α/Κ η μέγιστη τιμή του Cp είναι 0,593 ή 59,3%, το οποίο ονομάζεται όριο του Betz. Στην πράξη, λόγω μηχανικών τριβών, στροβίλων και αεροδυναμικών ατελειών ο C P είναι σημαντικά μικρότερος (30%-40%) [5]. Η ακριβής τιμής του C P εξαρτάται από τον τύπο και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες του Α/Κ, καθώς και τις συνθήκες λειτουργίας. Για ένα συγκεκριμένο Α/Κ με ελεγχόμενη γωνία κλίσης β των πτερυγίων του, ο συντελεστής C P εκφράζεται από συνάρτηση της μορφής: C P = C P (λ,β) (1.5) όπου λ είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) και ορίζεται από τη σχέση: R R (1.6) v w δηλαδή, τη γραμμική ταχύτητα περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Το ω R είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του Α/Κ. Το σχήμα 1.3 δείχνει πώς μεταβάλλεται το C P σαν συνάρτηση του λ με παράμετρο τη γωνία κλίσης β (μετρούμενη σε μοίρες). 6

19 Σχήμα 1.3: Διάγραμμα του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ με το συντελεστή ισχύος C P για διάφορες τιμές του β [3]. Παρατηρούμε ότι ο C p για μια δεδομένη γωνία κλίσης β των πτερυγίων παίρνει μια μέγιστη τιμή C P,max για μια συγκεκριμένη τιμή του λ την οποία συμβολίζουμε με λ opt. Επειδή, λοιπόν ο συντελεστής C p αποκτά τη μέγιστη τιμή του για μια συγκεκριμένη τιμή του λ, αυτό σημαίνει πως για κάθε κλίση των πτερυγίων β και για κάθε ταχύτητα του ανέμου v w, υπάρχει μια γωνιακή ταχύτητα ακροπτερυγίων ω R τέτοια ώστε ο ανεμοκινητήρας να απομαστεύει τη μέγιστη δυνατή μηχανική ισχύ για τη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Στο σχήμα 1.4 βλέπουμε την καμπύλη μέγιστης ισχύος (Optimal line - Maximum Power Point). Σχήμα 1.4: Καμπύλη ισχύος P - ταχύτητας ακροπτερυγίων ω R με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου και σχεδίαση καμπύλης MPP [6] Η ηλεκτρική ισχύς P e που μπορούμε να πάρουμε στην έξοδο της γεννήτριας από έναν άνεμο ταχύτητας v w δίνεται από τη σχέση [5]: 1 3 Pe ne nm CP S vw (1.7) 2 7

20 όπου: n m είναι ο βαθμός απόδοσης του μηχανικού συστήματος (π.χ. κιβώτιο ταχυτήτων κτλ) και n e είναι ο βαθμός απόδοσης ηλεκτρομηχανικής μετατροπής. Τυπικές τιμές για τους συντελεστές απόδοσης είναι n m 0.8 και n e 0,9. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς P e είναι το πολύ ίση με την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Για το λόγο αυτό, όλες οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ) κατασκευάζονται ώστε να λειτουργούν με ασφάλεια στις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Υπάρχουν δύο βασικές διαμορφώσεις όσον αφορά στον τρόπο ελέγχου της αεροδυναμικής ροπής και ισχύος επί του δρομέα [3]: Οι Α/Γ με έλεγχο του βήματος πτερυγίων (pitch controlled) διαθέτουν πτερύγια τα οποία έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονά τους, στην κατεύθυνση η οποία μειώνει τη γωνία πρόσπτωσης και άρα το συντελεστή άνωσης, μια διαδικασία γνωστή σαν βήμα πτέρωσης (pitch feathering). Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου πραγματοποιείται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Οι ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης (stall) διαθέτουν πτερύγια τοποθετημένα στον άξονά τους σε μια σταθερή γωνία. Η γεωμετρία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε αυτόματα, αεροδυναμικά να διασφαλίζεται ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης του ανέμου δίνες και στροβιλισμοί. Στο σχήμα 1.5 που ακολουθεί φαίνεται το αποτέλεσμα από την εφαρμογή ελέγχου της αεροδυναμικής: Σχήμα 1.5: Διάγραμμα μέγιστης ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου [3] Σύνδεση με το δίκτυο Οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι [7]: Λειτουργία σταθερών στροφών - σταθερής συχνότητας Λειτουργία μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας 8

21 Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας Στη λειτουργία σταθερών στροφών (ΛΣΣ) η σύνδεση της ανεμογεννήτριας (Α/Γ) με το δίκτυο γίνεται απευθείας, με τη χρήση ενός μετασχηματιστή προσαρμογής της τάσης εξόδου της Α/Γ στην τάση του δικτύου με το οποίο αυτή συνδέεται. Ένα σχηματικό διάγραμμα της λειτουργίας αυτής φαίνεται στο σχήμα 1.6. Σχήμα 1.6: Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας [8] Το σύστημα με ΛΣΣ παρουσιάζει το πλεονέκτημα της εξαιρετικής απλότητας και αξιοπιστίας και των μηδενικών αναγκών συντήρησης, γεγονός που συνέβαλε στη καθιέρωσή του στις πρώτες ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν, όπου η αξιοπιστία ήταν το βασικότερο από τα προς επίλυση προβλήματα των Α/Γ. Το σχήμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια σειρά από καθοριστικά μειονεκτήματα, τα οποία σχετίζονται με τη σταθερότητα των στροφών και με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Η γεννήτρια του αιολικού συστήματος ΛΣΣ μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε ασύγχρονη. Στην περίπτωση σύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σταθερές και ίσες με το σύγχρονο αριθμό στροφών (N S =120 f S /p, όπου f S είναι η συχνότητα του δικτύου και p ο αριθμός των πόλων της γεννήτριας), ενώ στην περίπτωση επαγωγικής γεννήτριας η ταχύτητα της γεννήτριας μπορεί να μεταβληθεί μόνο κατά το ποσοστό της ολίσθησης λειτουργίας, που δεν υπερβαίνει γενικά το 1,5% (πρακτικά σταθερή ταχύτητα) [7]. Η μεταβλητότητα της ταχύτητας του ανέμου προκαλεί έντονες διακυμάνσεις της μηχανικής ροπής που ασκείται στο δρομέα του συστήματος, οι οποίες διακυμάνσεις εμφανίζονται (με μια μικρή απόσβεση) και στην ηλεκτρομαγνητική ροπή της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν τη μεγάλη καταπόνηση των μηχανικών μερών μετάδοσης της κίνησης του συστήματος, το οποίο συνεπάγεται μείωση της διάρκειας ζωής τους, αφετέρου δε μεγάλες ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της Α/Γ. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος (υψηλό αρμονικό περιεχόμενο), ενώ είναι δυνατό να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η Α/Γ [7]. Ένα άλλο βασικό μειονέκτημα της ΛΣΣ είναι η λειτουργία του ανεμοκινητήρα (ή ρότορα ή δρομέα) σε μη βέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος. Όπως είδαμε από σχήμα 1.3, η μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης της Α/Γ απαιτεί τη μεταβολή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα προς την ταχύτητα του ανέμου, ώστε να επιτυγχάνεται η λειτουργία στην κορυφή των αντίστοιχων καμπυλών (Οptimal line στο σχήμα 1.4), δηλαδή υπό βέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C p,max. Στη ΛΣΣ, έχοντας δηλαδή ω R σταθερό, προκύπτει από τη σχέση (1.6) ότι ο λόγος 9

22 ταχύτητας ακροπτερυγίου λ παίρνει συγκεκριμένη τιμή για συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου συνεπώς η βέλτιστη τιμή λ opt για την οποία ισχύει C p =C p,max προκύπτει μόνο για μία ταχύτητα ανέμου, όπως φαίνεται παρατηρώντας το σχήμα 1.4. Η ΛΣΣ συνεπάγεται λοιπόν τη μη βέλτιστη εκμετάλλευση του ανεμοκινητήρα για τις περισσότερες ταχύτητες ανέμου, γεγονός που οδηγεί σε μεγάλη μείωση του συντελεστή απόδοσης τέτοιων συστημάτων. Η ελαστικότητα που εμφανίζει η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, έχει πολύ σημαντική επίπτωση στα χαρακτηριστικά εξομάλυνσης του όλου συστήματος, σε σύγκριση με τη σύγχρονη γεννήτρια, κάνοντας πιο ομαλή τη σύνδεσή του με το δίκτυο. Το γεγονός αυτό (βεβαίως μαζί με μια σειρά και από άλλα πλεονεκτήματα, όπως το κόστος, η αξιοπιστία, η έλλειψη αναγκών συντήρησης και το χαμηλό βάρος [7]) καθιστούν τη μηχανή επαγωγής (συνήθως βραχυκυκλωμένου κλωβού) ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές Α/Γ σε ΛΣΣ [7]. Ωστόσο σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι η επαγωγική μηχανή καταναλώνει άεργο ισχύ, η οποία γίνεται τόσο μεγαλύτερη όσο αυξάνεται η παραγωγή της ενεργού ισχύος. Για να ισοσταθμίζεται η κατανάλωση αέργου ισχύος της επαγωγικής γεννήτριας ώστε να παίρνουμε συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα, στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο χρησιμοποιείται συστοιχία παράλληλων πυκνωτών [3] Λειτουργία μεταβλητών στροφών - σταθερής συχνότητας Ριζική λύση σε πολλά από τα προβλήματα της ΛΣΣ δίνει η λειτουργία μεταβλητών στροφών (ΛΜΣ), όπου η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταβάλλεται κατά ελεγχόμενο τρόπο, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Για το σκοπό αυτό είχαν προταθεί παλαιότερα διάφορες μέθοδοι με χρήση υδραυλικών συστημάτων ή κιβωτίων ταχυτήτων μεταβαλλόμενου λόγου, αλλά ο πλέον κατάλληλος τρόπος, για λόγους απωλειών, κόστους, αξιοπιστίας και αναγκών συντήρησης, είναι με χρήση μετατροπέα συχνότητας για τη σύνδεση της ηλεκτρικής γεννήτριας στο δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό η ταχύτητα περιστροφής αποδεσμεύεται από τη σταθερή συχνότητα του δικτύου και είναι δυνατή η μεταβολή της εντός ευρέων ορίων [7]. Στο σχήμα 1.7 δίνεται το διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Σχήμα 1.7: Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας [8]. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.7, στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας τριφασικός ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα (AC) ηλεκτρικά μεγέθη της ανεμογεννήτριας σε συνεχή (DC). Η σύνδεση στο δίκτυο γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα (inverter, μονοφασικού η τριφασικού), ο οποίος μετατρέπει τα συνεχή ηλεκτρικά μεγέθη σε εναλλασσόμενα συχνότητας ίδιας με αυτήν του δικτύου(50 ή 60 Hz). Αυτοί οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος μπορούν να αποτελούνται είτε από θυρίστορ, είτε από ημιαγωγικά στοιχεία ελεγχόμενης 10

23 έναυσης και σβέσης, όπως θυρίστορ με πύλη σβέσης (GTO θυρίστορ) ή τανζίστορ (π.χ. IGBT, MOSFET κτλ). Η επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων καθορίζεται κάθε φορά από τις προδιαγραφές του εκάστοτε αιολικού συστήματος όπως τη μεταφερόμενη ισχύ, τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας κτλ. Ο πυκνωτής μεταξύ του αντιστροφέα και του ανορθωτή κάνει εφικτή την πλήρη αποσύζευξη του ελέγχου των δύο μετατροπέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά του δικτύου και στην πλευρά της γεννήτριας. Το βασικότερο πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι η σημαντική αύξηση της ενδοτικότητας των στροφών, γεγονός που επιτρέπει την εξομάλυνση της μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών, την απόσβεση των συντονισμών του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης και τον περιορισμό των μέγιστων φορτίων (αιχμών της ροπής π.χ. για ριπές του ανέμου). Άμεση συνέπεια αυτών είναι ο περιορισμός των καταπονήσεων και άρα η αύξηση της αναμενόμενης διάρκειας ζωής των μηχανικών συνιστωσών και η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους τους, με θετική επίπτωση στο βάρος και το κόστος της κατασκευής (περιορισμός του over-engineering της όλης κατασκευής). Η εξομάλυνση των μηχανικών ροπών συνεπάγεται και εξομάλυνση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της γεννήτριας, γεγονός το οποίο έχει άμεση επίπτωση στην ποιότητα της παραγόμενης ισχύος, η οποία εμφανίζει σημαντική μείωση της μεταβλητότητάς της σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό των προκαλούμενων διαταραχών της συχνότητας από τη σύνδεση Α/Γ σε αυτόνομα συστήματα, καθώς και τη μείωση των ταχειών διακυμάνσεων της τάσης (flicker), που αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό πρόβλημα στην περίπτωση ασθενών δικτύων. Ταυτόχρονα παρέχεται άμεσα η δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της παραγόμενης ισχύος (ακριβέστερα μείωσή της), εάν αυτό είναι επιθυμητό π.χ. προκειμένου να αποφευχθεί η αποσύνδεση Α/Γ λόγω υποφόρτισης των συμβατικών μονάδων σε ώρες χαμηλού φορτίου. Ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ισχύος, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι επίσης δυνατός ο έλεγχος και της αέργου ισχύος εξόδου, με λειτουργία της Α/Γ υπό μοναδιαίο ή και χωρικό συντελεστή ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο η Α/Γ μπορεί να παρέχει στήριξη τάσης σε ασθενή δίκτυα. Συνολικά, η ΛΜΣ, με χρήση κατάλληλων μετατροπέων ισχύος, περιορίζει το μη ελεγχόμενο χαρακτήρα της Α/Γ ως πηγή ισχύος και καθιστά ευκολότερη την ενσωμάτωσή της στα υπάρχοντα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας [9]. Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω λειτουργίας σε μειωμένες στροφές. Επίσης, η χρήση των μετατροπέων ισχύος παρέχει τη δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης σχεδόν μέχρι μηδενικής ταχύτητας (ανάλογα με το είδος των μετατροπέων) μειώνοντας τη φθορά των μηχανικών συστημάτων πέδησης, ενώ επίσης ο έλεγχος υπερφορτίσεων της μηχανής είναι πολύ πιο αποτελεσματικός, αφού ελέγχεται άμεσα το ρεύμα και η ροπή της γεννήτριας. Βασικός στόχος που οδήγησε στην εισαγωγή της ΛΜΣ ήταν η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος, η οποία είναι μειωμένη στη ΛΣΣ. Στη ΛΜΣ είναι δυνατή η αλλαγή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται στην καμπύλη μέγιστης ισχύος 11

24 (Σχήμα 1.4). Αυτό συμβαίνει όταν η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα ω R μεταβάλλεται με την ταχύτητα του ανέμου v w σύμφωνα με τη σχέση 1.6, όπου όμως τώρα λ=λ opt. Λύνοντας ως προς ω R παίρνουμε ότι: v R (1.8) R, opt opt w / δηλαδή, στη ΛΜΣ θεωρητικά ο ανεμοκινητήρας λειτουργεί πάντοτε υπό μέγιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C p,max. Πρέπει πάντως να τονιστεί ότι η αύξηση της απόδοσης σε σχέση με τη λειτουργία σταθερών στροφών είναι πολύ μικρότερη της αναμενόμενης από τις στατικές καμπύλες ισχύος, διότι σε δυναμικές συνθήκες ο δρομέας, λόγω αδράνειας, μπορεί να παρακολουθεί μόνο τις αργές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου και άρα βρίσκεται συνεχώς σε μη βέλτιστη κατάσταση λειτουργίας [7]. Το βασικό μειονέκτημα των αιολικών συστημάτων με ΛΜΣ είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα και το κόστος, λόγω κυρίως του μετατροπέα συχνότητας, ο οποίος αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του κόστος του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Επίσης, η διακοπτική λειτουργία των μετατροπέων έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν την αρμονική παραμόρφωση των ρευμάτων της γεννήτριας, προκαλώντας την αύξηση των απωλειών της και την ανάπτυξη αρμονικών στη ροπή, αφετέρου δε την έγχυση αρμονικών συχνοτήτων στο δίκτυο, απαιτώντας την εγκατάσταση ογκωδών φίλτρων. Τα προβλήματα αυτά είναι ιδιαίτερα έντονα για τους συμβατικούς εξαπαλμικούς μετατροπείς γέφυρας, οι οποίοι χαρακτηρίζονται επιπλέον από την αυξημένη κατανάλωση αέργου ισχύος. Με τη χρήση μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation - PWM) σε διακοπτικές συχνότητες της τάξης των λίγων khz (που είναι εφικτές με τη χρήση MOSFETS ή IGBTS) τα προβλήματα των αρμονικών της γεννήτριας και του δικτύου περιορίζονται σημαντικά, αφού μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνότητες απαιτώντας έτσι μικρότερα φίλτρα [7]. Τα πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα της ΛΜΣ σε συνδυασμό με την πρόοδο της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία επιτρέπει τη μείωση του κόστους και αύξηση της αξιοπιστίας των συστημάτων αυτών, με ταυτόχρονη βελτίωση των λειτουργικών τους χαρακτηριστικών, οδηγεί στη σταδιακή επικράτηση της ΛΜΣ έναντι της ΛΣΣ Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών με το δίκτυο Στα αιολικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην ισχύ που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα, οι οποίες μεταφέρονται μέσω του μηχανικού συστήματος μετάδοσης στην έξοδο της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν να εμφανίζονται έντονες μηχανικές και ηλεκτρικές καταπονήσεις, αφετέρου δε να έχουμε σημαντικές ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της ανεμογεννήτριας. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος, ενώ είναι δυνατόν να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ανεμογεννήτρια. Στη δυναμική αυτών των φαινομένων συμμετέχουν εξίσου ο ανεμοκινητήρας, το μηχανικό σύστημα μετάδοσης της ισχύος, η γεννήτρια, τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που μπορεί να υπάρχουν και το ηλεκτρικό δίκτυο. Προφανώς ισχύει και το αντίθετο, δηλαδή 12

25 αλλαγές στο δίκτυο όπως μεγάλες μεταβολές φορτίου ή βραχυκυκλώματα έχουν τις επιπτώσεις τους στις Α/Γ. Η εμφάνιση μικρών αυξομειώσεων της τάσης (flicker) είναι ένα πολύ σύνηθες αποτέλεσμα της επιρροής των Α/Γ στο δίκτυο. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν μια Α/Γ είναι συνδεδεμένη σε ένα ασθενές δίκτυο, μιας και μικρές αυξομειώσεις του ανέμου προκαλούν μεταβολές στην επαγόμενη τάση στο στάτη της γεννήτριας. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αμβλυνθεί είτε κατά τη σχεδίαση της Α/Γ (μηχανολογικά και ηλεκτρικά) είτε με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, όπως έχει αναφερθεί προηγούμενα. Τα ηλεκτρονικά ισχύος μπορεί να εισάγουν αρμονικές διαταραχές στο εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου, με αποτέλεσμα να χειροτερεύσει η ποιότητα της παραγόμενης ενέργειας. Το πρόβλημα αυτό δημιουργείται γιατί η διαδικασία φιλτραρίσματος δεν είναι τέλεια και μπορεί να αφήσει κάποια κατάλοιπα. Αν μια Α/Γ είναι συνδεδεμένη σε ένα ασθενές δίκτυο, μπορεί να είναι απαραίτητο να ενδυναμωθεί το δίκτυο, προκειμένου να μεταφέρει την ισχύ από την Α/Γ υπό καλύτερη ποιοτικά κατάσταση. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, τα οποία μπορεί να ελέγξουν την κατανάλωση αέργου ισχύος και κατ' επέκταση την τάση στο ζυγό σύνδεσης. Όσον αφορά τώρα στην επίδραση του δικτύου στις Α/Γ έχει παρατηρηθεί ότι διάφορες πτώσεις τάσης αλλά και οι απαιτήσεις αέργου ισχύος μπορεί να οδηγήσουν τις Α/Γ εκτός λειτουργίας. Σήμερα, για το λόγο αυτό, στους κανονισμούς των δικτύων είναι ρητή η απαίτηση για συγκεκριμένη αντοχή των Α/Γ σε τέτοιες καταστάσεις με αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας τους υπό μειωμένη τάση (γνωστό στη διεθνή βιβλιογραφία ως Fault Ride-Through capability) [9]. Τέλος, για διάφορους λόγους υφίστανται περιορισμοί όσον αφορά τη διείσδυση των αιολικών συστημάτων τόσο σε διασυνδεδεμένα όσο και σε αυτόνομα συστήματα. Οι περιορισμοί αυτοί σχετίζονται με τα τεχνικά ελάχιστα των συμβατικών μονάδων παραγωγής αλλά και περιορισμούς που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος [9]. Στα μη διασυνδεδεμένα νησιά, που τροφοδοτούνται στη πλειονότητα από πετρελαϊκές μονάδες υπάρχουν κάποιοι τεχνικοί περιορισμοί που πηγάζουν από τη λειτουργία των ίδιων των μονάδων. Οι μονάδες αυτές δεν μπορούν να υποφορτιστούν κάτω από ένα όριο ισχύος που τίθεται από τους κατασκευαστές τους [9] για λόγους οικονομικούς αλλά και ορθής λειτουργίας. Τα όρια ελάχιστης παραγωγής των συμβατικών μονάδων σε συνδυασμό με την εκάστοτε ζήτηση δημιουργούν κάποια όρια μέγιστης διείσδυσης αιολικής ισχύος, τα οποία ονομάζονται τεχνικά ελάχιστα των συμβατικών μονάδων παραγωγής. Σε αυτόνομα συστήματα όταν οι διακυμάνσεις που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι μεγάλες, δεδομένου ότι το φορτίο παραμένει σταθερό, παρατηρείται διακύμανση στη συχνότητας των αυτόνομων συστημάτων, η οποία οφείλει να ρυθμίζεται από τους ρυθμιστές στροφών του σταθμού. Ακόμα και σε διασυνδεδεμένα συστήματα, μεγάλες αποκλίσεις συχνότητας λόγω απώλειας της αιολικής παραγωγής, ειδικά όταν καλύπτει σημαντικό μερίδιο της ζήτησης του συστήματος, μπορεί να οδηγήσουν ακόμα και σε κίνδυνο ευστάθειας του συστήματος. Το φαινόμενο αυτό είναι σύνηθες όταν παρουσιαστεί ένα σφάλμα στο δίκτυο αλλά και όταν παρουσιάζονται μεγάλες ταχύτητες ανέμου που 13

26 υπερβαίνουν την ταχύτητα αποσύνδεσης των ανεμογεννητριών. Για τους λόγους αυτούς εκτός από τους τεχνικούς περιορισμούς διείσδυσης αιολικής παραγωγής, υπάρχουν και οι δυναμικοί περιορισμοί που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος Αιολικά πάρκα Προκειμένου να αυξηθεί η παραγόμενη ενέργεια και να αξιοποιείται όσο το δυνατόν καλύτερα μια περιοχή με καλό αιολικό δυναμικό, οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται μαζί σαν σύνολο και αποτελούν ένα αιολικό πάρκο. Τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται τόσο στη στεριά όσο και στη θάλασσα, συνήθως κοντά στις ακτές γι' αυτό και ονομάζονται υπεράκτια. Ένα σχεδιάγραμμα που περιγράφει με γενικό τρόπο τις διατάξεις αιολικών πάρκων φαίνεται στο σχήμα 1.8. Σχήμα 1.8: Γενικό διάγραμμα διάταξης αιολικών πάρκων [3] Προτεινόμενο σύστημα Το σύστημα που επιλέξαμε να μελετήσουμε και να κατασκευάσουμε ανήκει στην κατηγορία τοπολογιών «Μεταβλητών Στροφών Σταθερής Συχνότητας» και περιλαμβάνει μία ανεμογεννήτρια, μία ανορθωτική διάταξη, μία ανυψωτική διάταξη συνεχούς ρεύματος, πυκνωτές διασύνδεσης, μία διάταξη αντιστροφής τάσης, μία μονάδα φιλτραρίσματος και έναν μετασχηματιστή. Το σύστημα μας έχει στόχο να συνδεθεί με το δίκτυο χαμηλής τάσης, δηλαδή στο μονοφασικό δίκτυο συχνότητας 50 Ηz και ενεργού τιμής 230 V. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή του ανυψωτή τάσης, ενώ η διάταξη αντιστροφής αποτελεί αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Γ. Πυρρή με τον οποίο υπήρξε στενή συνεργασία. 14

27 Σχήμα 1.9: Το υπό μελέτη σύστημα Η ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει μία τριφασική σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες η οποία συνοδεύεται από μια ανορθωτική τριφασική γέφυρα με διόδους. Ο μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC-DC) είναι ένας μετατροπέας διαδοχικής αγωγής τεσσάρων παράλληλων κλάδων (interleaved boost converter-ibc), ενώ η διάταξη για την αντιστροφή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (DC-AC) είναι ένας μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Μεταξύ των δύο μετατροπέων τοποθετούνται πυκνωτές διασύνδεσης πολύ μεγάλης χωρητικότητας (DC bus). Στην έξοδο του αντιστροφέα συνδέεται ένα κατωδιαβατό LC φίλτρο και στη συνέχεια ένας μονοφασικός μετασχηματιστής ισχύος προκειμένου να επιτευχθεί η διασύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Με το μετατροπέα DC-DC, που μελετήθηκε και υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας υλοποιείται, μέσω του ελέγχου του ένας αλγόριθμος ανίχνευσης μέγιστου σημείου ισχύος (Maximum Power Point Tracking - MPPT), ώστε η ανεμογεννήτρια να αποδίδει κάθε στιγμή τη μέγιστη δυνατή ισχύ για τη δεδομένη ταχύτητα ανέμου, ενώ με το μετατροπέα DC-AC διατηρείται σταθερή η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης (DC bus) μέσω ελέγχου της ενεργού ισχύος που εγχέεται στο δίκτυο, ενώ παράλληλα διατηρείται ο συντελεστής ισχύος σταθερός και ίσο με τη μονάδα ώστε να μην έχουμε μεταφορά αέργου ισχύος από και προς το δίκτυο. Σε διατάξεις μικρής ισχύος, όπως αυτή που μελετήθηκε, συνήθης πρακτική είναι η υλοποίηση του αλγορίθμου MPPT να πραγματοποιείται στον αντιστροφέα, καθώς οι μετρήσεις που απαιτούνται σε μεγέθη από την πλευρά της γεννήτριας είναι εύκολο να γίνουν, ενώ ο DC-DC μετατροπέας χρησιμοποιείται για ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή. Όμως σε μια διάταξη μεγάλης ισχύος, όπως ένα αιολικό πάρκο, δεν είναι οικονομικά και τεχνικά συμφέρον να μεταφέρονται μετρήσεις στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο από το σημείο τοποθέτησης των ανεμογεννητριών λόγω μεγάλου απαιτούμενου μήκους καλωδίων (και άρα αύξησης του κόστους), απωλειών (και άρα αλλοίωσης των μετρούμενων μεγεθών) και φυσικά αυξημένης καθυστέρησης ανάμεσα στη στιγμή της μέτρησης και στη στιγμή που το σήμα φτάνει στον ελεγκτή του αντιστροφέα. Γι' αυτούς ακριβώς τους λόγους επιλέχθηκε ο MPPT αλγόριθμος να εκτελείται στον ελεγκτή του interleaved boost, ώστε τα αποτελέσματα της μελέτης να μπορούν να φανούν χρήσιμα και σε πραγματικές διατάξεις μεγάλης 15

28 ισχύος. Το πρόβλημα που η συγκεκριμένη επιλογή δημιούργησε είναι η απαίτηση μεγάλου πυκνωτή για την DC διασύνδεση και η συνεπαγόμενη αύξηση του κόστους κατασκευής του συστήματος. 16

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΟΡΘΩΤΗ Η υπό μελέτη ανεμογεννήτρια βρίσκεται εγκατεστημένη στην οροφή του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Πρόκειται για το μοντέλο "Whisper 200" της εταιρείας Southwest Windpower. Το φυλλάδιο με τα τεχνικά χαρακτηριστικά παρατίθεται στο Παράρτημα Α. Εικόνα 2.1: Ανεμογεννήτρια στη στέγη του εργαστηρίου Το συγκεκριμένο μοντέλο ανεμογεννήτριας είναι σχεδιασμένο ώστε να παράγει ισχύ 1000W (ονομαστική ισχύς) για ταχύτητα ανέμου 11,6m/s (ονομαστική ταχύτητα), ενώ παραγωγή ισχύος ξεκινά για ταχύτητα ανέμου 3,1m/s (cut-in speed). Ο περιορισμός της ισχύος στην ονομαστική της τιμή στις υψηλές ταχύτητες του ανέμου γίνεται μέσω της εκμετάλλευσης του φαινομένου απώλειας αεροδυναμικής στήριξης (stall controlled Α/Γ), ενώ η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αντέξει είναι τα 55m/s (cut-out speed). Δεν χρησιμοποιεί σύστημα μετάδοσης της κίνησης με ταχύτητες (gear box), ούτε έλεγχο πτερυγίων (pitch control), ενώ διαθέτει διακόπτη βραχυκύκλωσης των τριών φάσεων της εξόδου της σύγχρονης γεννήτριας, με χρήση του οποίου ο δρομέας ακινητοποιείται. Όταν βραχυκυκλώνεται ο στάτης η μηχανή σταματά, γιατί παράγεται ένα ρεύμα βραχυκύκλωσης, που σε συνδυασμό με τους μόνιμους μαγνήτες της Α/Γ, δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή που συνεχώς αντισταθμίζει τη μηχανική ροπή του ανέμου (νόμος δράσης - αντίδρασης) [10]. Αυτό σημαίνει ότι, όσο μεγαλώνει ο άνεμος τόσο τείνει να μεγαλώσει και η γωνιακή ταχύτητα, όμως άλλο τόσο τείνει να αυξηθεί και η τάση λόγω επαγωγής στα τυλίγματα του στάτη. Αυτό συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση του παραγόμενου 17

30 ρεύματος αφού στο βραχυκύκλωμα έχουμε πολύ μικρή αντίσταση (ίση με την εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας) και συνεπώς πολύ μεγάλο ρεύμα. Η χαρακτηριστική καμπύλη της Α/Γ φαίνεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Χαρακτηριστική καμπύλη παραγόμενης ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου [11] Η μηχανή που υπάρχει εγκατεστημένη στο εσωτερικό της συγκεκριμένης ανεμογεννήτριας, είναι μια τριφασική, σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες. Η χρήση της σύγχρονης γεννήτριας έναντι της επαγωγικής εμφανίζει πολλά μειονεκτήματα (ως προς το κόστος, το βάρος, τη συντήρηση κτλ [12]). Ωστόσο το πλεονέκτημα της παραγωγής αέργου ισχύος (απαραίτητη προϋπόθεση σε πολλές εφαρμογές) και άρα η μη ανάγκη ύπαρξης συστοιχίας πυκνωτών για τη μαγνήτιση της μηχανής (αυτοδιεγειρόμενη μηχανή), καθιστά τη σύγχρονη γεννήτρια ευρύτατα χρησιμοποιούμενη σήμερα. Η βασική διαφορά της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμων μαγνητών (PMSG) από μια σύγχρονη γεννήτρια με ηλεκτρική διέγερση είναι η απουσία του τυλίγματος διέγερσης. Οι σύγχρονες γεννήτριες με ηλεκτρική διέγερση μας δίνουν το πλεονέκτημα της δυνατότητας ελέγχου του συντελεστή ισχύος μέσω του ρεύματος διεγέρσεως. Από την άλλη πλευρά οι PMSG πλεονεκτούν στο ότι έχουν καλύτερη απόδοση, εφόσον δεν παρουσιάζουν απώλειες χαλκού στο δρομέα και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος (kw/kg). Επίσης δεν χρειάζονται ψήκτρες και δαχτυλίδια στο δρομέα για την εγκατάσταση του τυλίγματος διέγερσης, άρα χρειάζονται λιγότερη συντήρηση και η κατασκευή τους είναι απλούστερη. Βασικά μειονεκτήματα των PMSG είναι το μεγαλύτερο κόστος λόγω μόνιμων μαγνητών, η ευαισθησία των μαγνητικών υλικών στις υψηλές θερμοκρασίες (σημείο Curie περίπου 250 ⁰C, άρα απαιτείται κάποιο σύστημα ψύξης), το οποίο οδηγεί σε απώλεια 18

31 της μαγνητικής τους ικανότητας με το πέρασμα του χρόνου και συνεπώς αχρήστευση της μηχανής, καθώς και η έλλειψη δυνατότητας ελέγχου του συντελεστή ισχύος [12]. Ένα απλουστευμένο ισοδύναμο κύκλωμα μίας σύγχρονης γεννήτριας παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.2: Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονης γεννήτριας [13] Όπως φαίνεται από το σχήμα η τάση και το ρεύμα σε κάθε φάση στην έξοδο της γεννήτριας συνδέονται με την παρακάτω σχέση: dis US E IS RS LS (2.1) dt όπου U S : η τάση εξόδου της γεννήτριας Ε: η επαγόμενη τάση στο στάτη I S : το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας (ρεύμα στάτη) R S : η αντίσταση του στάτη L S : η επαγωγή του στάτη Η επαγόμενη τάση Ε στο εσωτερικό μιας σύγχρονης γεννήτριας δίνεται από τη σχέση [12]: E K R (2.2) όπου Κ:σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής, Φ: η μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής ω R : η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής. Αντικαθιστώντας τη σχέση (2.2) στη (2.1) παίρνουμε: dis US K R IS RS LS (2.3) dt Δηλαδή, η τάση εξόδου της ανεμογεννήτριας εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και το ρεύμα εξόδου. Η τάση στην έξοδο μιας τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας με διόδους υπολογίζεται συναρτήσει της πολικής τάσης εισόδου από την ακόλουθη σχέση [14]: out 3 in in VDC 2 V, rms 1,35 V, rms (2.4) Στην έξοδο της ανορθωτικής γέφυρας συνδέεται πυκνωτής εξομάλυνσης. 19

32 Από πειραματικές μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο [10], τα όρια τάσης που δύναται να παράγει η ανεμογεννήτρια μετρούμενα μετά την ανορθωτική διάταξη είναι 40V έως 100V. Προφανώς η τιμή της τάσης στην έξοδο του μοντέλου είναι μη μηδενική όταν ο δρομέας της γεννήτριας στρέφεται, κάτι που συμβαίνει όταν ξεπεραστούν οι τριβές, και αυτό σύμφωνα με το τεχνικό φυλλάδιο του κατασκευαστή συμβαίνει σε ταχύτητα ανέμου 3,1 m/s. Ύστερα από μετρήσεις που έχουν γίνει [10] παρατηρήθηκε ότι στη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου η ανεμογεννήτρια εκκινούσε τη λειτουργία της όταν βρισκόταν εν κενώ. Υπό φορτίο ξεκινούσε στα 5,3m/s, ενώ σταματούσε σε ταχύτητα ανέμου 4m/s. Ονομαστική Ισχύς Εξόδου 1000 W Ελάχιστη Τάση Εξόδου Ανορθωτή Μέγιστη Τάση Εξόδου Ανορθωτή Ελάχιστη Ταχύτητα Ανέμου Μέγιστη Ταχύτητα Ανέμου Ονομαστική Ταχύτητα Ανέμου 40 V 100 V 3,1 m/s 55 m/s 11,6 m/s Πίνακας 2.1: Χαρακτηριστικά στοιχεία του μοντέλου «Whisper 200» και της μη ελεγχόμενης ανορθωτικής διάταξης 2.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ Όλοι οι μετατροπείς DC-DC είναι κατάλληλοι προκειμένου να χρησιμοποιηθούν για έλεγχο μέγιστης απομάστευσης ισχύος (MPPT). Στη συγκεκριμένη εφαρμογή η ανεμογεννήτρια θα συνδεθεί με το δίκτυο και εξαιτίας των χαμηλών επιπέδων τάσεως που αυτή παράγει στην έξοδο της απαιτείται ένας μετατροπέας που να έχει δυνατότητα ανύψωσης. Ο μετατροπέας που επιλέχτηκε, όπως έχει αναφερθεί είναι ο inteleaved boost. Ο μετατροπέας boost επιλέχτηκε λόγω της απλότητας του και του χαμηλού κόστους του. Πρόκειται για το μετατροπέα DC-DC, ο οποίος για την υλοποίηση του απαιτεί τα λιγότερα κυκλωματικά στοιχεία καθώς αποτελείται από ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο(mosfet, IGBT, θυρίστορ, GTO,κ.α.), μία δίοδο ισχύος ένα πηνίο και ένα πυκνωτή εξόδου. Πρέπει να τονιστεί ότι δε χρησιμοποιεί μετασχηματιστή. Πολύ σημαντικές βελτιώσεις, οι οποίες αναλύονται στην ενότητα 2.2.2, ιδιαίτερα χρήσιμες και στη συγκεκριμένη εφαρμογή, προσφέρει η αρχή λειτουργίας της διαδοχικής αγωγής κλάδων (interleaving technique) και γι αυτό χρησιμοποιήθηκε. 20

33 2.2.1 Ανάλυση μετατροπέα boost Το κυκλωματικό του διάγραμμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.3: Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα boost [15] Το ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο στο παραπάνω κύκλωμα χρησιμοποιείται σαν διακόπτης. Το πότε και για πόσο θα άγει ο διακόπτης καθορίζεται από την παλμοδότησή του και η συνήθης τεχνική που χρησιμοποιείται είναι η τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation- P.W.M). Η λειτουργία χωρίζεται σε δύο φάσεις. Στη μία ο διακόπτης άγει (δίνεται σήμα), ενώ στην άλλη δεν άγει (δε δίνεται σήμα). Ο λόγος του χρόνου αγωγής προς το χρόνο μίας περιόδου λειτουργίας(χρόνος αγωγής συν χρόνος μη αγωγής) ονομάζεται λόγος κατάτμησης (duty cycle) και συμβολίζεται με δ. Όταν ο διακόπτης άγει (Σχήμα 2.4) ρέει ρεύμα από την πηγή στο πηνίο και στο διακόπτη και επιστρέφει στην πηγή. Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και έτσι δεν άγει απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου. Στο δεύτερο βρόχο που δημιουργείται ο πυκνωτής εκφορτίζεται μέσω του φορτίου. Επομένως στην είσοδο έχουμε μεταφορά ενέργειας από την πηγή στο πηνίο και στην έξοδο από τον πυκνωτή στο φορτίο. Σχήμα 2.4: Κύκλωμα boost με κλειστό διακόπτη [15] Τη στιγμή που ο διακόπτης σταματά να άγει, το ρεύμα του πηνίου τείνει να διακοπεί. Το πηνίο αντιδρά επάγοντας μία αντίθετης πολικότητας τάση στα άκρα του, η οποία 21

34 αθροιζόμενη με την τάση στην είσοδο κάνει τη δίοδο να πολωθεί ορθά. Το κύκλωμα πλέον φαίνεται στο σχήμα 2.5. Σε αυτή τη φάση λειτουργίας ενέργεια μεταφέρεται από την πηγή και το πηνίο στο φορτίο και τον πυκνωτή εξόδου, ο οποίος φορτίζεται. Σχήμα 2.5: Κύκλωμα boost με ανοιχτό διακόπτη [15] Διακρίνονται δύο περιπτώσεις λειτουργίας του μετατροπέα: Λειτουργία συνεχούς αγωγής (Continuous Conduction Mode CCM) Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode DCM) Λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) Ως συνεχής αγωγή (CCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο είναι συνεχώς μη μηδενικό. Σχήμα 2.6: Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων κατά τη συνεχή αγωγή [15] 22

35 Σχήμα 2.7: Ρεύμα και τάση του πηνίου κατά τη συνεχή αγωγή [15] Στη συνεχή αγωγή ισχύουν οι παρακάτω βασικές σχέσεις [16]: Vo 1 V 1 (2.5) I I i i o 1 1 (2.6) ILf,max ILf,min Ii 2 (2.7) Vi ( Vi Vo ) ILf,max ILf,min TS (1 ) TS L L (2.8) f Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής(dcm) Ως ασυνεχής αγωγή (DCM) ορίζεται η κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο παρουσιάζει διαστήματα (δ 1 T S ) στα οποία μηδενίζεται. f 23

36 Σχήμα 2.8: Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων κατά την ασυνεχή αγωγή [15] Σχήμα 2.9: Ρεύμα και τάση του πηνίου κατά την ασυνεχή αγωγή [15] Στην ασυνεχή αγωγή ισχύουν οι παρακάτω βασικές σχέσεις [16]: 2 Vo Vi 1 (2.9) V 2 I L f i o f S 2 Ii Vi 1 (2.10) I 2 I L f I I o o f S I ( ) L,max 1 i (2.11) Lf,max 2 Vi TS L (2.12) f 24

37 ,όπου δ 1 είναι αριθμός που πολλαπλασιαζόμενος με τη συχνότητα παλμοδότησης δίνει το διάστημα κατά το οποίο μηδενίζεται το ρεύμα του πηνίου Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Σχήμα 2.10: Ρεύμα και τάση του πηνίου στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής [15] Τα (οριακά) ρεύματα εισόδου και εξόδου είναι αντίστοιχα: Vo TS IiB, (1 ) 2 L f Vo TS I, B (1 ) 2 L f 2 (2.13) (2.14) Σύγκριση συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής χρησιμοποιείται είτε η μία είτε η άλλη κατάσταση λειτουργίας είτε και οι δύο. Τα πλεονεκτήματα της συνεχούς αγωγής οφείλονται στη μικρότερη κυμάτωση του ρεύματος στο πηνίο και κατά συνέπεια και στο ρεύμα και στην τάση εξόδου και είναι τα παρακάτω: Μικρότερη καταπόνηση των στοιχείων της διάταξης και καλύτερη ποιότητα ισχύος στην έξοδο Μικρότερες υπερτάσεις στις επαγωγές των καλωδίων Λιγότερες διακοπτικές απώλειες Η ασυνεχής αγωγή προτιμάται σε περιπτώσεις όπου απαιτείται μικρός όγκος της κατασκευής, εξαιτίας του γεγονότος ότι η συγκεκριμένη κατάσταση λειτουργίας απαιτεί μικρότερο πηνίο. 25

38 Χαρακτηριστικές εξόδου μετατροπέα ανύψωσης Σχήμα 2.10: Χαρακτηριστικές εξόδου για σταθερή τάση εισόδου V i [15] Σχήμα 2.11: Χαρακτηριστικές εξόδου για σταθερή τάση εξόδου V o [15] Επίδραση παρασιτικών στοιχείων Η θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα που προηγήθηκε θεωρεί όλα τα στοιχεία του κυκλώματος ιδανικά. Όμως, στο μετατροπέα παρουσιάζονται παρασιτικά στοιχεία, τα βασικότερα εκ των οποίων είναι η ωμική αντίσταση του πηνίου (R L ), η αντίσταση αγωγής του διακόπτη (R DS,on για mosfet), η πτώση τάσης της διόδου ισχύος (V d ) και η ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση του πυκνωτή εξόδου (ESR). Τα στοιχεία αυτά ευθύνονται για τη διαφορά των πραγματικών και θεωρητικών καμπυλών. Για παράδειγμα αναφέρουμε τη σχέση τάσης εξόδου προς τάση εισόδου για λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής, η οποία είναι [17]: 26

39 Vi IL RL (1 ) Vd VDS Vo (2.15) 1 1 ενώ η αντίστοιχη ιδανική είναι: Vi Vo (2.16) 1 Το αποτέλεσμα της επίδρασης των παρασιτικών στοιχείων αλλά και των απωλειών, όπως φαίνεται πιο ξεκάθαρα και στο παρακάτω ποιοτικό σχήμα, είναι ότι ο λόγος μετατροπής της τάσης μειώνεται. Ανάλογα με τα στοιχεία του κυκλώματος διαφοροποιείται ο συγκεκριμένος λόγος. Επίσης, παρατηρούμε ότι όσο μεγαλώνει ο λόγος κατάτμησης τόσο μεγαλώνει και η απόκλιση της ιδανικής σχέσης (εξίσωση 2.16) από την σχέση που λαμβάνει υπόψη της τα παραπάνω παρασιτικά στοιχεία (εξίσωση 2.15). Επιπλέον, η αύξηση του λόγου κατάτμησης συνεπάγεται μεγαλύτερη διάρκεια αγωγής των στοιχείων και συνεπώς μεγαλύτερες απώλειες αγωγής, άρα και μικρότερο βαθμό απόδοσης. Για τους δύο παραπάνω λόγους στους μετατροπείς boost συνήθως ο λόγος κατάτμησης ρυθμίζεται ώστε να μην υπερβαίνει το 0,7. Σχήμα 2.12: Χαρακτηριστική καμπύλη V o /V i συναρτήσει του λόγου κατάτμησης [14] Ανάλυση μετατροπέα ανύψωσης διαδοχικής αγωγής κλάδων (interleaved boost converter - IBC) Ο interleaved boost converter (IBC) περιλαμβάνει Ν αριθμό πανομοιότυπων μετατροπέων boost, οι οποίοι συνδέονται παράλληλα και έχουν κοινό πυκνωτή εξόδου (Σχήμα 2.13). Οι διακόπτες άγουν με διαφορά φάσης 360 Ο /Ν. 27

40 Σχήμα 2.13: Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα interleaved boost [18] Τα πλεονεκτήματα του συγκεκριμένου είδους μετατροπέων είναι: Έχουν μειωμένες απώλειες αγωγής Ο τύπος που δίνει τις απώλειες αγωγής σε ένα ημιαγωγικό στοιχείο είναι ο ακόλουθος [16]: P V I R I (2.17) 2 ON ON AVG ON RMS όπου V ON :η τάση αγωγής του στοιχείου I AVG :το μέσο ρεύμα που ρέει κατά την αγωγή R ON :η αντίσταση αγωγής του στοιχείου I RMS :το ενεργό (rms) ρεύμα που ρέει κατά την αγωγή Παρατηρούμε ότι μοιράζοντας το ρεύμα σε παράλληλους κλάδους οι απώλειες αγωγής μειώνονται λόγω της εξάρτησής τους από το τετράγωνο του ενεργού ρεύματος, παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιούνται περισσότερα στοιχεία. Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των κλάδων τόσο ελαττώνονται και οι απώλειες αγωγής. Μικρότερη κυμάτωση ρεύματος εισόδου και εξόδου Αυτό είναι αποτέλεσμα της διαδοχικής αγωγής των κλάδων και γίνεται κατανοητό παρατηρώντας το σχήμα Αύξηση της συχνότητας του ρεύματος εισόδου και εξόδου Άλλο ένα αποτέλεσμα της διαδοχικής αγωγής των κλάδων και επίσης φαίνεται στο σχήμα Πρέπει να τονιστεί ότι η συχνότητα πολλαπλασιάζεται κατά Ν (αριθμός κλάδων) φορές. Έτσι, μειώνεται το μέγεθος των φίλτρων που συχνά απαιτούνται στην κατασκευή μίας διάταξης. Μείωση όγκου πηνίων Τα πηνία σχεδιάζονται για υποπολλαπλάσιο ρεύμα και έτσι μειώνεται ο όγκος τους και η δυσκολία κατασκευής. Μείωση ψυκτικού 28

41 Εξαιτίας των μειωμένων απωλειών απαιτείται μικρότερο ψυκτικό για τα ημιαγωγικά στοιχεία. Μείωση χωρητικότητας πυκνωτή εξόδου Αποτέλεσμα της μείωσης της κυμάτωσης του ρεύματος είναι και η μείωση της κυμάτωσης της τάσης εξόδου, συνεπώς απαιτείται μικρότερος πυκνωτής εξόδου για ην ίδια κυμάτωση. Μειονεκτήματα: Πολυπλοκότητα κατασκευής και παλμοδότησης Κόστος λόγω περισσότερων στοιχείων Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχτηκε ο συγκεκριμένος μετατροπέας για το εξής λόγο: Σε προηγούμενη κατασκευή σχεδιασμένη για το ίδιο σύστημα παρατηρήθηκε ότι ο μετατροπέας boost δεν ήταν δυνατό να διαχειριστεί ισχύ του 1kW εξαιτίας των απωλειών αγωγής. Στις περισσότερες εφαρμογές ο μετατροπέας διαδοχικής αγωγής κλάδων κατασκευάζεται με δύο παράλληλους κλάδους. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχτηκε Ν=4 προκειμένου να μειώσουμε αρκετά τις απώλειες αγωγής. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα ρεύματα των κλάδων καθώς και το συνολικό ρεύμα για τον IBC με τέσσερις κλάδους. Σχήμα 2.14: Κυματομορφές ρευμάτων μετατροπέα interleaved boost με τέσσερις κλάδους:(a) ρεύματα κλάδων, (b) ρεύμα εισόδου, (c) ρεύμα εξόδου [18] 29

42 2.3 ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ (DC BUS) Μεταξύ των δύο μετατροπέων είναι αναγκαία η τοποθέτηση πυκνωτή πολύ μεγάλης χωρητικότητας. Για την ορθή λειτουργία του συστήματος είναι αναγκαίο η τάση μεταξύ των δύο μετατροπέων του να παραμένει να έχει πολύ μικρή κυμάτωση. Επίσης, είναι γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αντιστροφέα απαιτούνται μεγάλα παλμικά ρεύματα εισόδου, τα οποία προσφέρονται από τον πυκνωτή. Για κάθε πυκνωτή ισχύει: dvc ic C (2.18) dt όπου C: η χωρητικότητα του πυκνωτή V C : η τάση του πυκνωτή i C : το ρεύμα του πυκνωτή dv dt i C C C (2.19) Συμπεραίνουμε πως προκειμένου να διατηρούμε μικρή κυμάτωση στον πυκνωτή, εξαιτίας των μεγάλων παλμικών ρευμάτων, η τιμή της χωρητικότητας πρέπει να είναι πολύ μεγάλη. Συνήθως χρησιμοποιείται συστοιχία παράλληλων πυκνωτών. Βασικός λόγος γι αυτό είναι πως στο εμπόριο σπανίζουν πυκνωτές πολύ μεγάλης χωρητικότητας και με τη συστοιχία παράλληλων πυκνωτών επιτυγχάνεται η απαιτούμενη χωρητικότητα με πυκνωτές μικρότερης. Σημαντικό επίσης πλεονέκτημα είναι το γεγονός πως μειώνεται η παρασιτική αντίσταση (ESR) που παρουσιάζει η συστοιχία πυκνωτών. 30

43 2.4 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΚΑΙ ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ Στο σχήμα 2.14 παρουσιάζεται η κυκλωματική δομή του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Παρατηρούμε ότι αποτελείται από τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σαν διακόπτες, από τέσσερις διόδους αντιπαράλληλα σε κάθε ένα διακοπτικό στοιχείο και από δύο πυκνωτές που συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους, ώστε το σημείο σύνδεσης τους να βρίσκεται στο μισό δυναμικό. Στην έξοδο του αντιστροφέα συνδέεται κατωδιαβατό LC φίλτρο για φιλτράρισμα των ανώτερων αρμονικών. Σχήμα 2.14: Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας και φίλτρο εξόδου [15] Διεξοδική ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα και του φίλτρου εξόδου υπάρχει στη διπλωματική εργασία του Γ. Πυρρή. 31

44 2.5 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Στην έξοδο του φίλτρου συνδέεται ένας μονοφασικός μετασχηματιστής. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής είναι η γαλβανική απομόνωση του συστήματος από το δίκτυο. Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός μονοφασικού Μ/Σ δίνεται στο σχήμα Ο δείκτης 1 χαρακτηρίζει ένα μέγεθος του πρωτεύοντος, ενώ ο δείκτης 2 αναφέρεται στα μεγέθη του δευτερεύοντος [20]. Σχήμα 2.16: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός μονοφασικού Μ/Σ [20]. Στο ισοδύναμο έχουμε τα εξής μεγέθη: R 1 :ωμική αντίσταση πρωτεύοντος R 2 :ωμική αντίσταση δευτερεύοντος L σ1 :αυτεπαγωγιμότητα σκεδάσεως πρωτεύοντος L σ2 :αυτεπαγωγιμότητα σκεδάσεως δευτερεύοντος L h1 :κύρια αυτεπαγωγή πρωτεύοντος R Fe :αντίσταση σιδήρου (εκφράζει τις απώλειες υστέρησης και δινορρευμάτων). Τα παρακάτω τονούμενα μεγέθη είναι ανηγμένα στο πρωτεύον και δίνονται από τις σχέσεις: u i n u (2.20) ' 2 2 i (2.21) n ' 2 2 R n R (2.22) ' L n L (2.23) ' όπου, n ο λόγος μετασχηματισμού των τάσεων 32

45 u n u

46 34

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.1 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Όπως έχει αναφερθεί και στην ενότητα 2.1 τα όρια τάσης που δύναται να παράγει η ανεμογεννήτρια μετρούμενα μετά την ανορθωτική διάταξη είναι 40V έως 100V. Η εν λόγω τάση είναι συνεχής με μία μικρή κυμάτωση. Με τις διατάξεις που παρεμβάλλονται θα μετατραπεί σε μονοφασική εναλλασσόμενη συχνότητας 50 Ηz και ενεργού τιμής 230 V που είναι η τάση του μονοφασικού δικτύου χαμηλής τάσης. Στην ενότητα 2.2 τονίστηκε ότι στο μετατροπέα boost χρησιμοποιείται λόγος κατάτμησης δ 0,7 σε κατάσταση συνεχούς.επισημαίνεται ότι ο μετατροπέας θα λειτουργήσει στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM), στη συγκεκριμένη εφαρμογή δεν αποτελεί προτεραιότητα η μείωση του όγκου της κατασκευής (σύγκριση των δύο καταστάσεων αγωγής αγωγής έχει γίνει στο προηγούμενο κεφάλαιο). Από τη σχέση (2.5) για δ=0,7 προκύπτει ο μέγιστος λόγος μετατροπής της τάσης του μετατροπέα: Vo 1 3,33 V 1 0,7 (3.1) i V 3,33 V (3.2) o Η επιλογή της τάσης φόρτισης των πυκνωτών διασύνδεσης που αποτελεί την τάση εξόδου του ανυψωτή και τάση εισόδου του αντιστροφέα πρέπει να γίνει ώστε εξασφαλιστεί η ορθή λειτουργία των δύο μετατροπέων. Η μέγιστη τάση εξόδου στην οποία ο ανυψωτής λειτουργεί σίγουρα χωρίς προβλήματα είναι η τάση που προκύπτει από τη σχέση (2.31) για την ελάχιστη τάση εισόδου. V 3,33 40V 133, 2V o Η ελάχιστη τάση εξόδου στην οποία ο ανυψωτής λειτουργεί ομαλά είναι η τιμή της μέγιστης τάσης εισόδου, δηλαδή 100V (αφού πρόκειται για ανυψωτή). Όσον αφορά στον αντιστροφέα στην έξοδο του έχει την τάση του δικτύου χαμηλής τάσης, η μέγιστη τιμή της οποίας στη χώρα μας είναι: Για τον αντιστροφέα ισχύει [14]: όπου m a : συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους V o peak : πλάτος τάσης εξόδου V d : τάση εισόδου rms,max V =230V 10% 230V 253V i grid (3.3) m a peak VO (3.4) V d 35

48 m a,max peak,max VO ,8 (3.5) V V V d d d Η μέγιστη πρακτική τιμή που συνήθως παίρνει ο συντελεστής διαμόρφωσης του πλάτους είναι κοντά στο 0,8. Υψηλότερες τιμές μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα, καθώς είναι πιθανή η έναυση κάποιου διακόπτη πριν τη σβέση κάποιου άλλου με αποτέλεσμα εσφαλμένη λειτουργία του αντιστροφέα. 357,8 ma,max 0,8 (3.6) V d 357,8 Vd 447, 25V (3.7) 0,8 Παρατηρούμε ότι δεν μπορεί να βρεθεί τιμή που να ικανοποιεί και του δύο μετατροπείς. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος υπάρχουν δύο λύσεις. Η πρώτη είναι η επιλογή ενός άλλου μετατροπέα ανύψωσης με μεγαλύτερη δυνατότητα ανύψωσης ώστε να μπορεί να έχει στην έξοδό του την τιμή 447,25V και η δεύτερη η τοποθέτηση ενός μετασχηματιστή με λόγο μετασχηματισμού τέτοιο ώστε για τάση διασύνδεσης 133,2V και m a 0,8 να καθίσταται δυνατή η σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Προτιμήθηκε η δεύτερη λύση, δηλαδή η χαμηλότερη τάση των πυκνωτών διασύνδεσης, για τους παρακάτω λόγους: Η αντίσταση αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων αυξάνεται με την αύξηση της τάσης διάσπασής τους κάτι που συνεπάγεται μεγαλύτερες απώλειες αγωγής. Το κόστος, επίσης, των ημιαγωγικών στοιχείων όπως και των πυκνωτών διασύνδεσης αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της τάσης διάσπασής τους. Για λόγους γαλβανικής απομόνωσης, όπως έχει αναφερθεί, θα συνδεθεί μετασχηματιστής 1:1, συνεπώς δε θα αυξηθούν οι απώλειες της διάταξης. Το συγκεκριμένο σύστημα προορίζεται για εργαστηριακή διάταξη, στην οποία επιθυμούμε να μελετώνται όλα τα υποσυστήματα που είναι δυνατό να απαντηθούν σε ένα σύστημα διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο. Χρησιμοποιήθηκε μετασχηματιστής με λόγο 1:4. Πρόκειται για μετασχηματιστή του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας ονομαστικής ισχύος 2500VA, ονομαστικής τάσης πρωτεύοντος V 1N =85V, ονομαστικής τάσης δευτερεύοντος V 2N =340V και ονομαστικού ρεύματος δευτερεύοντος 5 Α υπό φορτίο. Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά μεγέθη του είναι: R 1 = Ω, R 2 =1,9Ω, L σ1 =0,223mH, L σ2 =3,568mH, L h1 =0.035mH, R Fe =170Ω. 36

49 Εικόνα 2.2: Ο μονοφασικός μετασχηματιστής που χρησιμοποιήθηκε. Πλέον η σχέση (3.4) γίνεται: m a,max Επιλέγουμε m a =0,75 <0,8 Άρα από τη (3.8): 89,45 Vd 119,266 V 120 V 0,75 357,8 / 4 89,45 V V (3.8) d Παρατηρούμε ότι η 120V<133,2V και συνεπώς δεν παραβιάζεται το όριο στο οποίο ο ανυψωτής λειτουργεί καλά. Η μέγιστη ισχύς που θα διαχειρίζεται το σύστημα είναι 1kW. Η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέων έχει ως κατώτερο όριο την τιμή των 20 khz (ακουστικές συχνότητες). Όσο αυτή αυξάνεται αυξάνονται και οι διακοπτικές απώλειες. Όμως μειώνονται το μέγεθος των απαιτούμενων φίλτρων Έτσι στον αντιστροφέα επιλέχτηκε διακοπτική συχνότητα 25 khz (λίγο πάνω από το όριο). Όσον αφορά στον ανυψωτή επιλέχτηκε μεγαλύτερη συχνότητα, 50 khz, διότι όπως προκύπτει από τη σχέση (2.8) η κυμάτωση του ρεύματος εισόδου, η οποία επιθυμούμε να είναι μικρή, είναι αντιστρόφως ανάλογη της διακοπτικής συχνότητας. Για τις συγκεκριμένες συχνότητες καταλληλότερα ημιαγωγικά στοιχεία είναι τα mosfet και τα IGBT. Για διατάξεις σχετικά χαμηλής ισχύος, όπως είναι η 1kW, συνήθως προτιμώνται τα πρώτα. Έτσι τόσο στον ανυψωτή όσο και στον αντιστροφέα επιλέχτηκαν mosfet σαν διακοπτικά στοιχεία. Ο πυκνωτής που συνδέεται μεταξύ της ανόρθωσης και του μετατροπέα ανύψωσης πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να εξομαλύνει την τάση και αρκετά μικρός ώστε να μπορεί να φορτίζεται και να εκφορτίζεται γρήγορα, δηλαδή να μεταβάλλεται γρήγορα η τάση του. Η τιμή που επιλέχτηκε είναι C=470μF. Η τιμή της επαγωγής των πηνίων του ανυψωτή επιλέχτηκε ώστε οι τέσσερις επιμέρους μετατροπείς boost που αποτελούν το μετατροπέα interleaved boost να λειτουργούν στην κατάσταση συνεχούς αγωγής (CCM). Για να ισχύει το παραπάνω πρέπει το ελάχιστο ρεύμα εισόδου του μετατροπέα να είναι μεγαλύτερο από το οριακό ρεύμα συνεχούς-ασυνεχούς αγωγής (2.13): 37 d

50 I Vo TS,min I, (1 ) f 2 L Lf L B L f Vo TS (1 ) 2 I Lf,min f (3.9) (3.10) Από τις μετρήσεις που έχουν γίνει στη γεννήτρια δεν έχουμε σαφή εικόνα για το ελάχιστο ρεύμα εξόδου της [10]. Γι αυτό κάνουμε την εξής θεώρηση. Θεωρούμε την ελάχιστη ισχύ 4% της ονομαστικής, δηλαδή P min =4% 1000=40W. Αυτή την ισχύ την αντιστοιχούμε στην ελάχιστη τάση εξόδου της ανορθωτικής γέφυρας (40V) και θεωρούμε ότι το ελάχιστο ρεύμα εμφανίζεται τότε. Άρα: Pmin 40 Imin 1A (3.11) V 40 min Σε κάθε κλάδο: I Lf,min =I min /4=0,25A Αντικαθιστώντας στην (2.40) Vo=120V,T S =1/50000 s, δ=0,5 (για ασφάλεια παίρνουμε την τιμή στην οποία αντιστοιχεί η μέγιστη κυμάτωση), I Lf,min =0,25A προκύπτει: L f 1,2mH Επιλέγουμε: L f =1,2mH Ο πυκνωτής εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης (ο οποίος απαιτείται μόνο για αυτόνομη λειτουργία του μετατροπέα) δίνεται από την παρακάτω σχέση [14]: IO TS C (3.12) V όπου I o : το ρεύμα εξόδου δ: ο λόγος κατάτμησης ΔV o : κυμάτωση τάσης εξόδου T s : διακοπτική περίοδος Φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερη η τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή τόσο καλύτερη εξομάλυνση επιτυγχάνεται. Επιλέχτηκε πυκνωτής C=470μF. Θέτουμε δ=0,7 (ο μέγιστος), T s =1/50000 s Για το ρεύμα εξόδου αντικαθιστούμε το μέγιστο: Pmax 1000 Imax 8,33A V 120 o Λύνοντας τη σχέση (3.12) ως προς ΔV o : ΔV o =0,248V Η ποσοστιαία κυμάτωση είναι: 0,248/120=0,2% Η τιμή αυτή είναι πολύ ικανοποιητική. 38

51 Όσον αφορά στη χωρητικότητα των πυκνωτών διασύνδεσης ιδανικά είναι άπειρη. Όπως προέκυψε από προσομοιώσεις [19] η ελάχιστη τιμή που ικανοποιεί την ορθή λειτουργία του συστήματος είναι 50mF. Τέλος, για το φίλτρο εξόδου επίσης από προσομοιώσεις [19] διαπιστώθηκε ότι τα αποτελέσματα από τη χρήση κατωδιαβατού φίλτρου LC με συχνότητα αποκοπής ίση με περίπου 5 khz, είναι πολύ ικανοποιητικά. Οι τιμές των στοιχείων του πηνίου και του πυκνωτή που προέκυψαν είναι 150 μh και 9,4 μf αντίστοιχα, με συχνότητα αποκοπής περίπου 4,2 khz. 3.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Ο έλεγχος του μετατροπέα ανύψωσης έχει ως στόχο τη διαρκή επίτευξη της μέγιστης απομάστευσης ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Όπως φαίνεται από το σχήμα 1.4 η ισχύς που παράγει η ανεμογεννήτρια είναι συνάρτηση δύο παραγόντων, της ταχύτητας του ανέμου και της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα. Συνεπώς, ρυθμίζοντας κατάλληλα την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι δυνατή η λειτουργία της ανεμογεννήτριας στην καμπύλη βέλτιστης ισχύος (Σχήμα 1.4). Από τη σχέση (2.1) περνώντας στο πεδίο Laplace έχουμε: U E I R s L I L I (3.13) S S S S S S Θεωρώντας μηδενικές αρχικές συνθήκες: US E IS RS s LS IS (3.14) Η ισχύς εξόδου της γεννήτριας είναι: PS US IS (3.15) P 39 0 S IS (3.16) US Όπως αναφέρεται και παραπάνω η ισχύς είναι της μορφής: P S =P S (vw, ω R ), vw: η ταχύτητα του ανέμου ω R : η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής. Συνεπώς η (3.16) γίνεται: PS ( vw, R) IS (3.17) U S Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (3.17) και (2.2) στην (3.14) παίρνουμε: PS ( vw, R) PS ( vw, R) US K R RS s LS (3.18) U U S Η (3.18) είναι μία εξίσωση της μορφής: F (vw, ω R, U S )=0 (3.19) Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι για δεδομένη ταχύτητα ανέμου vw εφαρμόζοντας μία τάση U S στην έξοδο της γεννήτριας μπορούμε να ρυθμίσουμε τις στροφές της. Στην περίπτωση που η αντίσταση και η επαγωγή του στάτη είναι αρκετά μικρές ώστε να θεωρούνται αμελητέες προκύπτει από τις (2.1) και (2.2): U E K (3.20) S R S

52 Επειδή πρόκειται για γεννήτρια μόνιμων μαγνητών η μαγνητική ροή Φ είναι σταθερή. Δηλαδή, η σχέση μεταξύ των μεγεθών U S και ω R στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι ανεξάρτητη της ταχύτητας του ανέμου και μάλιστα γραμμική. Άρα εφαρμόζοντας κατάλληλη τάση στην έξοδο της ανορθωτικής γέφυρας ρυθμίζουμε την τάση εισόδου της και κατά συνέπεια τις στροφές της γεννήτριας. Η τάση εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης διατηρείται σταθερή από τον έλεγχο που εφαρμόζεται μέσω του αντιστροφέα. Συνεπώς μεταβάλλοντας το λόγο κατάτμησης του ανυψωτή παίρνουμε διαφορετική τάση στην είσοδο του μετατροπέα. Η ανεύρεση, λοιπόν, του σημείου μέγιστης απομάστευσης ισχύος MPP συνίσταται στην εύρεση του κατάλληλου λόγου κατάτμησης. Υπάρχουν δύο τρόποι για να επιτευχθεί αυτό [21]: Χρησιμοποιώντας δεδομένες χαρακτηριστικές του συστήματος που μελετάται Μέσω αλγόριθμου ανίχνευσης σημείου μέγιστης ισχύος Άλλες μέθοδοι [22] που όμως δεν έχουν εφαρμογή σε ανεμογεννήτριες είναι η μέθοδος σταθερής τάσης ή σταθερού ρεύματος και η μέθοδος παρασιτικής χωρητικότητας Εύρεση μέγιστου σημείου ισχύος βασισμένη σε δεδομένες χαρακτηριστικές Σύμφωνα με αυτή τη λογική βρίσκεται αποθηκευμένη σε ένα πίνακα αντιστοίχισης (look-up table) η καμπύλη μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας, η οποία όπως και η ισχύς της ανεμογεννήτριας αποτελεί συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (vw) και της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα (ω R ). Ο ελεγκτής παίρνει μέτρηση μέσω αισθητήρα της ταχύτητας του ανέμου και προσπελαύνοντας τον πίνακα αντιστοίχησης βρίσκει την ταχύτητα του δρομέα για την οποία έχω MPPT. Η τιμή αυτή αποτελεί την αναφορά σε έναν PI ελεγκτή και συγκρίνεται με την ταχύτητα του δρομέα, η οποία μετράται. Η έξοδος του PI ελεγκτή είναι ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Σχήμα 3.1: MPPT μέσω δεδομένων χαρακτηριστικών Εύρεση μέγιστου σημείου μέσω αλγόριθμου αναζήτησης Μέσω του αλγόριθμου αναζήτησης πραγματοποιούνται συνεχείς διαταραχές του λόγου κατάτμησης και παρατηρείται η μεταβολή της ισχύος μέχρι να βρεθεί το MPP και ο αλγόριθμος ονομάζεται Pesturbations and Observations algorithm, P&O). Η 40

53 βασική αρχή λειτουργίας του αλγορίθμου είναι η πραγματοποίηση μίας μικρής μεταβολής του λόγου κατάτμησης κατά βήμα dδ και στη συνέχεια η μέτρηση της ισχύος. Αν η ισχύς αυξηθεί επαναλαμβάνει την ίδια μεταβολή, αν όχι πραγματοποιεί την ίδια μεταβολή κατά μέτρο αλλά προς αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή dδ. Συνεπώς, ο λόγος κατάτμησης θα μεταβληθεί προς μία κατεύθυνση μέχρι την προσπέραση του MPP,οπότε ξεκινάει να μειώνεται και να αυξάνεται εναλλάξ πραγματοποιώντας ταλάντωση γύρω από το MPP. Σχήμα 3.2: Διάγραμμα ροής αλγορίθμου αναζήτησης P&O 41

54 Μία βελτίωση αυτού του αλγορίθμου χρησιμοποιεί μεταβλητό βήμα που δίνεται από την παρακάτω σχέση: dp d n C (3.21) d n 1 όπου δ n : το βήμα στην n επανάληψη C:σταθερά που εξαρτάται από το υπό έλεγχο σύστημα δ n-1 : το βήμα στην n-1 επανάληψη dp: η μεταβολή της ισχύος που μετρήθηκε από την n-1 μέχρι την n επανάληψη Με χρήση μεταβλητού βήματος ο αλγόριθμος γίνεται ταχύτερος και πιο ακριβής. Μειονέκτημα αποτελεί η δυσκολία στην επιλογή της σταθεράς C. Σε παρόμοια φιλοσοφία λειτουργεί και η μέθοδος της αυξανόμενης αγωγιμότητας (incremental conductance). Η εν λόγω μέθοδος υπολογίζει την παράγωγο της ισχύος ως προς την τάση και έχει ως στόχο το μηδενισμό αυτής. Στηρίζεται στις παρακάτω εξισώσεις: dp d( V I) di I V (3.22) dv dv dv Περιπτώσεις: dp 0 MPP-καμία ενέργεια dv dp 0 Μείωση λόγου κατάτμησης για αύξηση της τάσης dv dp 0 Αύξηση λόγου κατάτμησης για μείωση της τάσης dv Η συγκεκριμένη μέθοδος έχει δύο βασικά πλεονεκτήματα [23] έναντι της κλασσικής P&O. Πρώτον δεν έχει ταλαντώσεις γύρω από το ΜΡΡ και δεύτερον λόγω του γεγονότος ότι υπολογίζεται η παράγωγος (κατεύθυνση) της ισχύος, σε μεταβολές συνθηκών δεν αποπροσανατολίζεται. Μειονέκτημά της είναι το γεγονός ότι απαιτείται περισσότερος υπολογιστικός φόρτος. Τελευταία χρησιμοποιείται μέθοδος συνδυασμού P&O και ασαφούς λογικής που βελτιώνει την απόκριση σε δυναμικές καταστάσεις [23] Σύγκριση δύο τρόπων μέγιστης απομάστευσης ισχύος σε ανεμογεννήτριες Αρχικά χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος που στηρίζεται στις χαρακτηριστικές της ανεμογεννήτριας. Όμως εξαιτίας της γήρανσης της ανεμογεννήτριας οι καμπύλες της με την πάροδο του χρόνου μετατοπίζονται και συνεπώς οι ελεγκτές που αρχικά έχουν υλοποιηθεί στη συνέχεια χάνουν τη λειτουργικότητά τους. Λύση σε αυτό δίνουν οι αλγόριθμοι. Μειονεκτήματα των αλγορίθμων είναι ότι σε απότομες μεταβολές του ανέμου συχνά έχουν αργή απόκριση σε αντίθεση με τη μέθοδο των χαρακτηριστικών και επίσης το γεγονός οι συνεχείς μικρές βηματικές μεταβολές που οι αλγόριθμοι ασκούν καταπονούν την ανεμογεννήτρια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξαιτίας της μη ύπαρξης δεδομένων για τις χαρακτηριστικές της ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου επιλέχτηκε ο δεύτερος 42

55 τρόπος. Επίσης, επιλέχτηκε ο κλασσικός αλγόριθμος P&O εξαιτίας της απλότητάς του. 3.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ [19] Μέσω του ελέγχου του μονοφασικού αντιστροφέα επιδιώκεται, όπως έχει ήδη αναφερθεί, η επίτευξη μοναδιαίου συντελεστή ισχύος, ώστε να μην ανταλλάσσεται άεργος ισχύς με το δίκτυο, καθώς και η σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης (DC bus) ανάμεσα στον IBC και τον αντιστροφέα τάσης. Ανάλυση των δύο ελέγχων βρίσκεται στη διπλωματική εργασία του συναδέλφου Γ. Πυρρή. 43

56 44

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό πακέτο "Simulink" του "Matlab R2011b" που έχει αγορασθεί από το εργαστήριο και έχει εγκατασταθεί στους υπολογιστές του και η επαναληπτική αριθμητική μέθοδος υπολογισμών που χρησιμοποιήθηκε είναι η "ode23tb" μεταβλητού βήματος. Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το συνάδελφο Γεώργιο Πυρρή. 4.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΜΗ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ Τα βασικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 2. Τα παραπάνω στοιχεία δεν επαρκούν για την προσομοίωσή της, όμως είναι τα μόνα που είναι διαθέσιμα. Έπειτα από εκτενή αναζήτηση στη βιβλιογραφία, επιλέχτηκαν τιμές των παραμέτρων της ανεμογεννήτριας που συμβαδίζουν με τις περισσότερες ανεμογεννήτριες της συγκεκριμένης ισχύος (1000W) και μορφής (PMSM). Πρόκειται για τα εξής μεγέθη: Ονομαστική ταχύτητα περιστροφής: n nom =1000rpm Αντίσταση στάτη: Rs=0.65Ω Επαγωγή στάτη: Ls= H Σταθερά τάσης: 125Vp-p/krpm Αδράνεια: J=0.0008kg m 2 Συντελεστής απόσβεσης: F=0.001N m s Ζεύγη πόλων: p=16 Ονομαστική μηχανική ισχύς: P mech,nom =1150W Ονομαστική ηλεκτρική ισχύς: P el,nom =1000W Η ονομαστική ηλεκτρική ροπή υπολογίζεται: Pel, nom Pel, nom 1000 T el, nom 9,55 m ( n 2 ) / 60 ( ) / 60 (4.1) nom nom Η ονομαστική μηχανική ροπή στον άξονα υπολογίζεται: Pmech, nom Pmech, nom 1100 T mech, nom 10,5 m ( n 2 ) / 60 ( ) / 60 nom nom (4.2) Η γωνία κλίσης των πτερυγίων τέθηκε 0 επειδή θα μελετηθούν ταχύτητες ανέμου έως 11,6 m/s. Επίσης, η σύγχρονη μηχανή επιλέχτηκε κυλινδρικού δρομέα και η ηλεκτρεγερτική της δύναμη ημιτονοειδής. Αγνοήθηκε η στατική τριβή. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το κύκλωμα που σχεδιάστηκε: 45

58 [n] -K- Discrete, Ts = 1e-006 s. Generator speed (pu) powergui Product3 Scope3 0 angle Pitch angle (deg) Wind speed (m/s) Tm (pu) Wind Turbine <Rotor speed wm (rad/s)> wind Tm A B C m <Stator current is_a (A)> <Stator current is_b (A)> <Stator current is_c (A)> -K- Gain [n] Generator speed A B C A B C Permanent Magnet Synchronous Machine Scope1 Three-Phase Parallel RLC Branch + - v Vbc + - v Vca Scope2 + - v Vab Σχήμα 4.1: Μοντέλο ανεμογεννήτριας Το μπλοκ Wind Turbine προσομοιώνει τη λειτουργία του ανεμοκινητήρα. Δέχεται σαν εισόδους την ταχύτητα περιστροφής του άξονα (pu), τη γωνία κλίσης των πτερυγίων ( ) και την ταχύτητα του ανέμου (m/s). Η έξοδός του είναι η μηχανική ροπή στον άξονα (pu).το συγκεκριμένο μπλοκ δίνει τη δυνατότητα για απεικόνιση των χαρακτηριστικών του ανεμοκινητήρα, οι οποίες παρουσιάζονται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2: Χαρακτηριστικές ανεμοκινητήρα 46

59 Το μπλοκ Permanent Magnet Synchronus Machine προσομοιώνει τη λειτουργία της σύγχρονης μηχανής μόνιμων μαγνητών. Δέχεται σαν είσοδο τη μηχανική ροπή από τον ανεμοκινητήρα και εξάγει εναλλασσόμενη τριφασική τάση. Στην έξοδο της ανεμογεννήτριας συνδέθηκε τριφασικό ωμικό φορτίο R=25Ω ανά φάση. Η προσομοίωση έγινε για ταχύτητα ανέμου 7,5m/s. Η προσομοίωση έδωσε τα παρακάτω παλμογραφήματα: Σχήμα 4.3: Μηχανική ισχύς στον άξονα της γεννήτριας Σχήμα 4.4: Φασικά ρεύματα στάτη γεννήτριας 47

60 Σχήμα 4.5: Πολικές τάσεις στάτη γεννήτριας Από το σχήμα 4.2 φαίνεται ότι για την εκκίνηση απαιτείται αυξημένη ισχύς, η οποία στη συνέχεια μειώνεται και σταθεροποιείται στην τιμή -226,5W. Στα σχήματα 4.4 και 4.5 φαίνονται τα εναλλασσόμενα μεγέθη που εξάγει η ανεμογεννήτρια και οι αναμενόμενες διαφορές φάσης στη μόνιμη κατάσταση. Το πλάτος των ρευμάτων είναι 2,4A και των τάσεων 103V. Η ισχύς στην έξοδο είναι: I,max V,max 2, Pel ,1W (4.3) Παρατηρούμε δηλαδή απώλειες 12,4W στη γεννήτρια. Δηλαδή η απόδοση στη συγκεκριμένη κατάσταση είναι είναι n=(214,1/226,5) 100%=94,5% Στο σχήμα 4.6 προστέθηκε και ο ανορθωτής: [n] -K- Continuous Generator speed (pu) powergui 0 angle Pitch angle (deg) Wind speed (m/s) Tm (pu) Wind Turbine <Rotor speed wm (rad/s)> wind Scope3 Vd v + - Load Scope2 Scope4 Io i + - C Id i - + V+ V- Anorthotis a b c Tm A m B C Permanent Magnet Synchronous Machine <Stator current is_a (A)> <Stator current is_b (A)> <Stator current is_c (A)> -K- Scope1 Gain [n] Generator speed + - v Vbc + - v Vca Scope5 + - v Vab Σχήμα 4.6: Μοντέλο ανεμογεννήτριας και ανορθωτή 48

61 Το μπλοκ Anorthotis περιέχει την τριφασική ανορθωτική γέφυρα με διόδους. Η είσοδός του είναι η τριφασική τάση της εξόδου της γεννήτριας και έξοδος μία σταθερή τάση, η οποία ασφαλώς περιέχει κυμάτωση. Στην έξοδό της συνδέεται πυκνωτής εξομάλυνσης C=470μF και φορτίο R=50Ω. Η προσομοίωση έδωσε τα παρακάτω παλμογραφήματα: Σχήμα 4.7: Φασικά ρεύματα στάτη γεννήτριας Σχήμα 4.8: Πολικές τάσεις στάτη γεννήτριας 49

62 Σχήμα 4.9: Ρεύμα εξόδου ανορθωτή Σχήμα 4.10: Μεγεθυμένο ρεύμα εξόδου ανορθωτή Από τα σχήματα 4.7 και 4.8 φαίνεται ότι η λειτουργία του ανορθωτή μεταβάλλει τις εξόδους της γεννήτριας ως προς τη μορφή. Η διαφορά φάσης παραμένει αναλλοίωτη. Στα σχήματα 4.9 και 4.10 παρατηρείται η κυμάτωση του ρεύματος εξόδου του ανορθωτή. Στην έξοδο όμως, λόγω του πυκνωτή που απορροφά την κυμάτωση αυτή η κυμάτωση του ρεύματος εξόδου του συστήματος είναι πολύ μικρότερη, όπως φαίνεται στο σχήμα

63 Σχήμα 4.11: Ρεύμα εξόδου συστήματος (στο φορτίο) Σχήμα 4.12: Τάση εξόδου ανορθωτή Πολύ μικρή είναι και η κυμάτωση της τάσης εξόδου στο σχήμα Η μικρή κυμάτωση του ρεύματος και της τάσης εξόδου ευνοούν την ομαλή λειτουργία του μετατροπέα DC-DC που θα συνδεθεί στη συνέχεια. Η μέση τιμή της τάσης εξόδου in είναι 97V. Από τη σχέση (2.4) για V, 100 / 2 70,71V (Σχήμα 4.8) προκύπτει out V DC rms =95,45V. Η μικρή απόκλιση των δύο τιμών οφείλεται στο γεγονός ότι η σχέση (2.4) ισχύει για ημιτονοειδή είσοδο ενώ στη συγκεκριμένη περίπτωση, όπως αναφέρθηκε, κάτι τέτοιο δεν ισχύει. Στη συνέχεια επιδιώκεται η χάραξη των χαρακτηριστικών του συστήματος ανεμοκινητήρας-γεννήτρια-ανορθωτής. Έτσι σχεδιάστηκε το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα

64 s - + [n] -K- -K- Continuous Generator speed (pu) powergui 0 angle Pitch angle (deg) Wind speed (m /s) Tm (pu) 9.55 Product Wind Turbine <Rotor speed wm (rad/s)> -K- [n] wind Product2 Signal 1 R Tm A B m Gain Generator speed Io i + - V+ Anorthotis a C Permanent Magnet Synchronous Machine b Vd v + - Controlled Voltage Source C V- c Scope1 XY Graph Product1 Scope2 XY Graph1 Σχήμα 4.13: Κύκλωμα για χάραξη χαρακτηριστικών ανεμογεννήτριας και ανορθωτή Στην έξοδο του ανορθωτή συνδέθηκε ελεγχόμενη πηγή τάσης, η οποία ελέγχεται από ρεύμα εξόδου και το σήμα R. Τα συγκεκριμένα μπλοκ προσομοιώνουν μία αντίσταση, η τιμή της οποίας προσδιορίζεται από την τιμή του σήματος R. Προκειμένου να δημιουργήσουμε μεταβλητή αντίσταση χρησιμοποιούμε σήμα R που μεταβάλλεται με το χρόνο. H τιμή της αντίστασης τέθηκε 100Ω τη χρονική στιγμή 0 με γραμμική μείωση μέχρι την τιμή 0 τη χρονική στιγμή 4s. Η προσομοίωση αρχικά έγινε για την ονομαστική ταχύτητα ανέμου, 11,6m/s. Προέκυψαν οι ακόλουθες κυματομορφές: Σχήμα 4.14: Μηχανική ισχύς στον άξονα, ηλεκτρική ισχύς στην έξοδο και στροφές δρομέα για 11,6m/s Από το παραπάνω σχήμα γίνεται προφανές ότι η αυξημένη μηχανική ισχύς που δέχεται η γεννήτρια στην εκκίνηση δεν μεταφέρεται στην έξοδό της. Χρησιμοποιείται προκειμένου να υπερνικηθεί η αδράνειά της. 52

65 Σχήμα 4.15: Μεγεθυμένα: Μηχανική ισχύς στον άξονα, ηλεκτρική ισχύς στην έξοδο και στροφές δρομέα για 11,6m/s Το σχήμα 4.15 δείχνει ότι το μέγιστο των καμπυλών μηχανικής και ηλεκτρικής ισχύος εμφανίζεται για διαφορετική ταχύτητα δρομέα. Η μηχανική ισχύς έχει σαν μέγιστο την τιμή -1150W στην περιοχή των 1000rpm, όπως προβλέπεται και από τις καμπύλες του σχήματος 4.2, ενώ το μέγιστο της ηλεκτρικής εμφανίζεται σε λίγο υψηλότερες στροφές και είναι 1000W. Σχήμα 4.16: Διάγραμμα Ηλεκτρικής Ισχύος (pu)-στροφών (pu) για 11,6m/s 53

66 Σχήμα 4.17: Μεγεθυμένο στο MPP διάγραμμα Ηλεκτρικής Ισχύος (pu)-στροφών (pu) για 11,6m/s Η χαρακτηριστική που παρουσιάζεται στα σχήματα 4.16 και 4.17 επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό του MPP. Η μέγιστη τιμή των 1000W εμφανίζεται μεταξύ 1020 και 1060rpm. Σχήμα 4.18: Τάση και ρεύμα εξόδου στο MPP για 11,6m/s Από το σχήμα 4.18 συμπεραίνεται ότι στο MPP η τάση βρίσκεται στην περιοχή τιμών 95,5~100V και το ρεύμα 10~10,5Α. Έπειτα προσομοιώθηκε το σύστημα για ταχύτητα ανέμου 4m/s, η οποία αποτελεί την ελάχιστη ταχύτητα για την οποία έχουμε παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια. 54

67 Σχήμα 4.19: Διάγραμμα Ηλεκτρικής Ισχύος (pu)-στροφών (pu) για 4m/s Σχήμα 4.20: Μεγεθυμένο στο MPP διάγραμμα Ηλεκτρικής Ισχύος (pu)-στροφών (pu) για 4m/s 55

68 Από τα σχήματα 4.19 και 4.20 η μέγιστη τιμή της ισχύος παίρνει την τιμή 43W για ταχύτητα δρομέα μεταξύ 330 και 360rpm. Πρέπει να τονιστεί ότι στις χαρακτηριστικές του σχήματος 4.2 σαν βάση ισχύος χρησιμοποιείται η ονομαστική μηχανική ισχύς 1150W, ενώ στα σχήματα 4.16, 4.17, 4.19 και 4.20 που αφορούν την ηλεκτρική ισχύ χρησιμοποιήθηκε σαν βάση ισχύος η ονομαστική ηλεκτρική ισχύς 1000W. Σε όλα τα σχήματα βάση στροφών αποτελεί ο ονομαστικός αριθμός στροφών 1000rpm. Σχήμα 4.21: Τάση και ρεύμα εξόδου στο MPP για 4m/s Από το σχήμα 4.21 συμπεραίνεται ότι στο MPP η τάση βρίσκεται στην περιοχή τιμών 39,5~40,5V και το ρεύμα 1,05~1,1Α. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και για πέντε ακόμα ταχύτητες ανέμου. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα, όπου όλα τα μετρούμενα μεγέθη αναφέρονται στο MPP. Ταχύτητα ανέμου (m/s) Στροφές δρομέα (Rpm) Ισχύς εξόδου (W) Τάση εξόδου (V) Ρεύμα εξόδου (A) 4 330~ ,5~40,5 1,05~1,1 4,5 380~ ~44,5 1,37~1, ~ ~58 2,5~2,68 7,5 650~ ,5 67~70 4,02~4, ~ ,5 79~80,5 5,97~6,08 10,3 890~ ,5~89,5 7,97~8,06 11,6 1020~ ,5~100 10~10,5 Πίνακας 4.1: Χαρακτηριστικά συστήματος στο MPP για διάφορες ταχύτητες ανέμου Συμπεραίνουμε ότι οι μετρήσεις που έχουν γίνει στην ανεμογεννήτρια και αναφέρονται στο κεφάλαιο 2, αλλά και η υπόθεσή μας για το ελάχιστο ρεύμα που επίσης παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 2 δεν απέχουν πολύ από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. 56

69 m S g D 4.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΠΛΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ Το μοντέλο που σχεδιάστηκε παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Continuous powergui Scope7 Scope2 L i + - IL m a k Diode Vin Pulse Generator Mosfet Co R + - v Vo Scope6 Scope1 Σχήμα 4.22: Μοντέλο μετατροπέα ανύψωσης Για απλοποίηση του μοντέλου αγνοήθηκαν η ωμική αντίσταση του πηνίου, η εν σειρά παρασιτική αντίσταση του πυκνωτή και οι επαγωγές των καλωδίων. Επίσης, για το mosfet λήφθηκε υπόψη η αντίσταση αγωγής R DS,on =0.15Ω και η πτώση τάσης της εσωτερικής διόδου V f =1,3V, ενώ για τη δίοδο η πτώση τάσης V d =0,89V και η εσωτερική της αντίσταση R on =0,1Ω (θεωρήθηκε). Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για τάση εισόδου Vin=100V, λόγο κατάτμησης δ=0,166 (για να ισχύει βάσει της σχέσης (2.16) Vο=120V) και ισχύ P ο =1000W στην έξοδο (δηλαδή το φορτίο επιλέχτηκε R=(V o ) 2 /P=(120) 2 /1000=14,4Ω) ώστε να αντιστοιχίζεται με την ονομαστική κατάσταση της ανεμογεννήτριας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο: 57

70 Σχήμα 4.23: Ρεύμα πηνίου και κυμάτωσή του Στο σχήμα η μορφή είναι τριγωνική, όπως αναμενόταν από τη θεωρία, με κυμάτωση 0,28Α. Από τη σχέση (2.8) παίρνουμε: Vi 100 I L,max I,min 0,166 (1/ 50000) 0, 276 f L T f S A L 0, 0012 f Άρα η κυμάτωση του ρεύματος που εμφανίζεται συμφωνεί με το θεωρητικό τύπο. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η τάση εξόδου: 58

71 Σχήμα 4.24: Τάση εξόδου και κυμάτωσή του Παρατηρείται η τριγωνική κυματομρφή που συμφωνεί με τη θεωρία. Όμως η μέση τιμή δεν είναι 120V. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στο μοντέλο έχουμε τοποθετήσει μη ιδανικά ημιαγωγικά στοιχεία. Η κυμάτωση στο παραπάνω σχήμα είναι 0,06V. Από τις σχέσεις (2.43),(2.44) παίρνουμε: IO TS 8,33 0,166 (1/ 50000) V 0,058V C 0, Συνεπώς και στην περίπτωση της κυμάτωσης της τάσης εξόδου προκύπτει η αναμενόμενη από τη θεωρία τιμή. Στα σχήματα 4.25 και 4.26 παρουσιάζονται οι τάσεις και τα ρεύματα των ημιαγωγικών στοιχείων για την κατάσταση λειτουργίας που αναφέρθηκε: Σχήμα 4.25: Ρεύμα και τάση στο mosfet 59

72 m S g D m S g D m S g D m S g D Σχήμα 4.26: Ρεύμα και τάση στη δίοδο Τα παραπάνω διαγράμματα συμφωνούν με τα αντίστοιχα θεωρητικά του δευτέρου κεφαλαίου. 4.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΔΙΑΔΟΧΙΚΗΣ ΑΓΩΓΗΣ ΚΛΑΔΩΝ (INTERLEAVED) Το μοντέλο που σχεδιάστηκε παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Scope1 Continuous powergui i + - Iin L i + - IL m a k Diode Vin Pulse Generator Mosfet Co R + - v Vo Scope3 L1 i + - IL1 m a k Diode1 Pulse Generator1 Mosfet1 L2 i + - IL2 m a k Diode2 Pulse Generator2 Mosfet2 L3 i + - IL3 m a k Diode3 Pulse Generator3 Mosfet3 Σχήμα 4.27: Μοντέλο μετατροπέα ανύψωσης διαδοχικής αγωγής τεσσάρων κλάδων 60

73 Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για τις ίδιες συνθήκες με τον απλό μετατροπέα ανύψωσης. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το συνολικό ρεύμα εισόδου καθώς και τα ρεύματα των τεσσάρων κλάδων: Σχήμα 4.28: Ρεύμα εισόδου και ρεύματα κλάδων Παρατηρείται, όπως αναμενόταν, ότι η συχνότητα του συνολικού ρεύματος τετραπλασιάζεται. Επίσης, κυμάτωση του συνολικού ρεύματος είναι 0,1Α, ενώ του κάθε κλάδου, όπως και του απλού μετατροπέα ανύψωσης, είναι 0,28Α. Η τάση εξόδου είναι: Σχήμα 4.29: Τάση εξόδου Η κυμάτωση είναι 0,005V, δηλαδή είναι αισθητά μικρότερη από την κυμάτωση του απλού μετατροπέα ανύψωσης (0,06V). Πρέπει να τονιστεί ότι η μείωση της κυμάτωσης τόσο του ρεύματος εισόδου όσο και της τάσης εξόδου δεν είναι αντιστρόφως ανάλογη του αριθμού των κλάδων, δηλαδή στο συγκεκριμένο μετατροπέα δεν υποτετραπλασιάζεται. 61

74 4.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΑΠΛΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Αρχικά ο έλεγχος MPPT εφαρμόστηκε σε ένα απλό σύστημα που περιλαμβάνει μία πηγή τάσης και δύο αντιστάσεις, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4.30: Δοκιμαστικό σύστημα Σύμφωνα με το θεώρημα μέγιστης απορρόφησης ισχύος [24] σε ένα τέτοιο σύστημα η μέγιστη ισχύς που απορροφάται από το φορτίο (R o ) προκύπτει όταν οι δύο αντιστάσεις είναι ίσες. Επίσης για έναν ιδανικό μετατροπέα ανύψωσης ισχύει: 2 2 Vo Vi P o P i R R (4.4) o όπου P o : ισχύς εξόδου P i : ισχύς εισόδου V o : τάση εξόδου V i : τάση εισόδου R o : φορτίο στην έξοδο R i : φορτίο στην είσοδο (αντίσταση φορτίου εξόδου όπως φαίνεται στην είσοδο του μετατροπέα) Από τις σχέσεις (2.5) και (4.4) προκύπτει: 1 Ro (4.5) 2 (1 ) R i i 2 Ri Ro (1 ) (4.6) Ο μετατροπέας ανύψωσης, δηλαδή ανάλογα με την τιμή του λόγου κατάτμησης αλλάζει και την τιμή του φορτίου στην είσοδό του, δηλαδή μεταβάλλεται η αντίσταση εισόδου του. 62

75 m S g D m S g D m S g D m S g D Συνδυάζοντας τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι συνδέοντας το μετατροπέα μετά την αντίσταση R 1 και παράλληλα στην αντίσταση R o μέσω της λειτουργίας του ελεγκτή θα επιλεγεί λόγος κατάτμησης τέτοιος ώστε να εξισωθούν οι αντιστάσεις R 1 και R i. Σχεδιάστηκε το παρακάτω κύκλωμα: Scope1 Continuous powergui R1 i + - Iin L i + - IL m a k Diode i + - Io Vin Ci + - Vi v Mosfet Co Ro + - v Vo Po Scope3 L1 i + - IL1 m a k Diode1 Pi Mosfet1 Scope5 L2 i + - IL2 m a k Diode2 Mosfet2 L3 i + - IL3 m a k Diode3 Mosfet3 d Pulse PWM d Pulse PWM1 d Pulse PWM2 Vi Ii d d Pulse MPPT PWM3 Scope2 Σχήμα 4.31: Δοκιμαστικό σύστημα με το μετατροπέα Επιλέχτηκαν V in =200V, R1=10Ω, R o =14,4Ω. Η μέγιστη ισχύς προκύπτει για λόγο κατάτμησης που βρίσκεται λύνοντας τη σχέση (4.6) ως προς δ: R R i 1 (4.7) Για R i =10Ω και R o =14,4Ω: δ=0,166 Η τιμή της μέγιστης ισχύος είναι: P max =( V in ) 2 /4R1=1000W Στο παραπάνω σχήμα προστέθηκε και πυκνωτής εισόδου προκειμένου να σταθεροποιεί την τάση εισόδου του μετατροπέα. Το μπλοκ MPPT δέχεται σαν o 63

76 εισόδους την τάση και το ρεύμα εισόδου και πραγματοποιώντας τον αλγόριθμο MPPT εξάγει τον κατάλληλο λόγο κατάτμησης σύμφωνα με το διάγραμμα ροής που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.2. Τα μπλοκ PWM δέχονται σαν είσοδο την τιμή του λόγου κατάτμησης και εξάγουν τους κατάλληλους παλμούς. Η ταχύτητα με την οποία ο αλγόριθμος συγκλίνει στην τελική τιμή εξαρτάται από τρεις παράγοντες, τη συχνότητα δειγματοληψίας με την οποία λειτουργεί αλγόριθμος, το βήμα με το οποίο μεταβάλλεται ο λόγος κατάτμησης και την αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης. Ο χρόνος απόκρισης δίνεται από την παρακάτω σχέση: t απόκρισης =(δ τελικό -δ αρχικό )/(f δ dδ) (4.8),όπου δ τελικό = τελική τιμή του λόγου κατάτμησης δ αρχικό =αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης f δ =συχνότητα δειγματοληψίας αλγορίθμου dδ=βήμα μεταβολής του λόγου κατάτμησης Η πρώτη προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για f δ =100Hz, dδ=0,01, δ αρχικό =0,4. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ο λόγος κατάτμησης: Σχήμα 4.32: Λόγος κατάτμησης για f δ =100Hz, dδ=0,01, δ αρχικό =0,4 Παρατηρείται ότι μετά από 0,24s καταλήγει και ταλαντώνεται γύρω από την τιμή 0,16. Ο χρόνος βάση του τύπου (4.8) που αναμενόταν είναι: t απόκρισης =(0,4-0,166)/(100 0,01)=0,234s Ο χρόνος δεν είναι ίσος με τον αναμενόμενο εξαιτίας της απόκλισης της τελικής τιμής του λόγου κατάτμησης από την αναμενόμενο (0,16 αντί 0,166) και οφείλεται στο σχετικά μεγάλο βήμα που επελέγη. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το συνολικό ρεύμα εισόδου καθώς και τα ρεύματα των τεσσάρων κλάδων στη μόνιμη κατάσταση: 64

77 Σχήμα 4.33: Ρεύμα εισόδου και ρεύματα κλάδων στο MPP για f δ =100Hz, dδ=0,01, δ αρχικό =0,4 Παρατηρείται ότι ανά 0,01s (σε κάθε μεταβολή του λόγου κατάτμησης) συμβαίνουν φθίνουσες ταλαντώσεις οι οποίες αλλοιώνουν την τριγωνική μορφή που προβλέπεται από τη θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα. Το σχήμα δείχνει μεγεθυμένα τα ρεύματα των κλάδων στη μόνιμη κατάσταση: Σχήμα 4.34: Μεγεθυμένα ρεύματα κλάδων στο MPP για f δ =100Hz, dδ=0,01, δ αρχικό =0,4 Από το παραπάνω σχήμα επιβεβαιώνεται ότι η εφαρμογή του ελέγχου δεν επηρεάζει τη διαφορά φάσης των κλάδων. Στο σχήμα 4.35 παρουσιάζονται οι ισχείς εισόδου και εξόδου αντίστοιχα: 65

78 Σχήμα 4.35: Ισχείς εισόδου και εξόδου στο MPP για f δ =100Hz, dδ=0,01, δ αρχικό =0,4 Φαίνεται ότι ο έλεγχος οδηγεί το σύστημα ώστε να δέχεται τη μέγιστη ισχύ στην είσοδό του. Η ισχύς εξόδου εξαιτίας των διαταραχών, που οφείλονται στη λετουργία του αλγορίθμου, παρουσιάζει ταλαντώσεις και εξαιτίας των απωλειών μέση τιμή κάτω από 1000W. Προκειμένου να μειωθούν οι ταλαντώσεις που παρουσιάστηκαν στα σχήματα 4.33 και 4.35 αλλά και για μεγαλύτερη ακρίβεια προσέγγισης του MPP πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια προσομοίωση με dδ=0,001. Επιλέχτηκε f δ =1000Hz ώστε ο χρόνος απόκρισης να διατηρείται σταθερός. Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζονται στη μόνιμη κατάσταση ο λόγος κατάτμησης, το συνολικό ρεύμα εισόδου καθώς και τα ρεύματα των τεσσάρων κλάδων και η ισχύς εξόδου: 66

79 Σχήμα 4.36: Λόγος κατάτμησης στο MPP για f δ =1000Hz, dδ=0,001, δ αρχικό =0,4 Σχήμα 4.37: Ρεύμα εισόδου και ρεύματα κλάδων στο MPP για f δ =1000Hz, dδ=0,001, δ αρχικό =0,4 67

80 Σχήμα 4.38: Ισχύς εξόδου στο MPP για f δ =1000Hz, dδ=0,001, δ αρχικό =0,4 Από το σχήμα 4.36 φαινεται ότι πλέον το MPP βρέθηκε στο δ=0,164, δηλαδή προσεγγίστηκε με καλύτερη ακρίβεια. Εξαιτίας της αυξημένης συχνότητας ο αλγόριθμος πραγματοποιεί δύο εσφαλμένα βήματα προς τα κάτω όμως στη συνέχεια επανέρχεται στο ορθό σημείο. Από τα σχήματα 4.37 και 4.38 καθίσταται προφανές ότι μειώθηκαν και οι ταλαντώσεις στα ρεύματα και την ισχύ. Από τα παραπάνω προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα σχετικά με την επιλογή των παραμέτρων του P&O αλγορίθμου. Όσο μικρότερο επιλέγεται το βήμα τόσο καλύτερη είναι η προσέγγιση του MPP και τόσο μικρότερες οι ταλαντώσεις του συστήματος, όμως τόσο πιο αργή γίνεται η απόκριση. Όσο μεγαλύτερη επιλεγεί η συχνότητα τόσο πιο γρήγορη είναι η απόκριση αλλά τόσο πιο πιθανή γίνεται και η εμφάνιση σφαλμάτων του αλγόριθμου. Συνεπώς σε κάθε εφαρμογή ανάλογα με τις απαιτήσεις σε χρόνο και ακρίβεια επιλέγονται και οι παράμετροι του αλγόριθμου. Επίσης η επιλογή των παραμέτρων εξαρτάται από το υπό έλεγχο σύστημα. Για παράδειγμα σε ένα σύστημα με μεγάλη αδράνεια δεν είναι δυνατή η μεγάλη αύξηση της συχνότητας, χωρίς αντίστοιχη αύξηση του βήματος, διότι θα είναι αδύνατη η παρατήρηση μεταβολών. Επίσης, σε ένα σύστημα με μεγάλη απόσβεση η μεγάλη μείωση του βήματος είναι δύσκολη διότι το σύστημα έχει την ιδιότητα να εξαλείφει τις μικρές μεταβολές. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συμπεριφορά του ελέγχου σε διαταραχές του συστήματος. Η πρώτη διαταραχή που θα μελετηθεί είναι η αλλαγή του φορτίου. Αρχικά το φορτίου εξόδου είναι R o =14,4Ω και τη χρονική στιγμή t=0,4sec μεταβάλλεται σε R o =30Ω. Οι υπόλοιπες παράμετροι: V in =200V, R1=10Ω, f s =1000Hz, dδ=0,001, δ αρχικό =0,4 Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται η ισχύς που απορροφά ο μετατροπέας και ο λόγος κατάτμησης: 68

81 Σχήμα 4.39: Ισχύς εισόδου μετατροπέα για μεταβολή φορτίου Σχήμα 4.40: Λόγος κατάτμησης για μεταβολή φορτίου Τη χρονική στιγμή που συμβαίνει η αλλαγή του φορτίου ξεκινάει μία βύθιση της ισχύος και ταυτόχρονα ο ελεγκτής ξεκινάει την αναζήτηση του νέου σημείου MPP. Τη στιγμή αυτό βρεθεί φαίνεται ότι η ισχύς επανέρχεται στην αρχική της τιμή. Η δεύτερη μεταβολή που θα μελετηθεί είναι η αλλαγή της τάσης εισόδου. Αρχικά η τάση εισόδου είναι V in =200V και τη χρονική στιγμή t=0,4s μεταβάλλεται σε V in =140V.Οι υπόλοιπες παράμετροι: R o =14,4Ω, R1=10Ω, f s =1000Hz, dδ=0,001, δ αρχικό =0,4. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται η ισχύς που απορροφά ο μετατροπέας και ο λόγος κατάτμησης: 69

82 Σχήμα 4.41: Ισχύς εισόδου μετατροπέα για μεταβολή τάσης εισόδου Σχήμα 4.42: Λόγος κατάτμησης για μεταβολή τάσης εισόδου Παρατηρείται ότι τη στιγμή που συμβαίνει η μεταβολή ο αλγόριθμος τείνει να αποπροσανατολιστεί όμως γρήγορα επανέρχεται στην αρχική του τιμή. Η ισχύς πέφτει απότομα και σταθεροποιείται γρήγορα στη νέα βέλτιστη τιμή της. 70

83 4.5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Στη συγκεκριμένη ενότητα προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος ανεμογεννήτρια-ανορθωτής-ανυψωτής. Στην έξοδο του ανυψωτή συνδέεται πηγή σταθερής τάσης 120V, η οποία αντικαθιστά τους πυκνωτές διασύνδεσης και τον αντιστροφέα. Στα παρακάτω μοντέλα έχουν ενσωματωθεί και οι παρασιτικές επαγωγές των γραμμών (Li=Lo=10μH), οι οποίες σε συνδυασμό με τους πυκνωτές του συστήματος λειτουργούν ως φίλτρα. Επίσης, έπειτα από αρκετές δοκιμές επιλέχτηκε το βήμα του αλγορίθμου dδ=0,005 και η συχνότητα δειγματοληψίας του f δ =50Hz. Έχοντας υπόψη τα όρια της τάσης εισόδου από τον πίνακα 2.1 και τη σχέση (2.5) προκύπτει ότι τα όρια του λόγου κατάτμησης είναι δ min =0,166 και δ max =0,666. Σύμφωνα με τη σχέση (4.8) ο μέγιστος χρόνος απόκρισης του ελέγχου είναι 2s. Η αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης τέθηκε 0,4. Σχεδιάστηκε το παρακάτω κύκλωμα: [n] -K- Continuous powergui Generator speed (pu) 0 angle Pitch angle (deg) Wind speed (m/s) Tm (pu) 9.55 Scope4 wind Signal 1 Wind Turbine Scope2 Tm <Rotor speed wm (rad/s)> -K- Gain [n] Generator speed Io i V Lo Scope3 Product3 Boost Vout+ Vin+ Vout- Vin- Vi v + - Ii i - + C Li V+ V- Anorthotis a b c A m B C Permanent Magnet Synchronous Machine 120 Scope1 Σχήμα 4.43: Συστήματος ανεμογεννήτρια-ανορθωτής-ανυψωτής Σταθερός άνεμος χωρίς εφαρμογή ελέγχου MPPT Αρχικά προσομοιώθηκε το σύστημα για σταθερό λόγο κατάτμησης δ=0,5 και σταθερή ταχύτητα ανέμου 11,6 m/s. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στη συνέχεια: 71

84 Σχήμα 4.44: Στροφές δρομέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.45: Μεγέθυνση στροφών δρομέα 72

85 Σχήμα 4.46: Ισχύς εισόδου μετατροπέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.47: Μεγεθυμένη ισχύς εισόδου μετατροπέα 73

86 Σχήμα 4.48: Τάση εισόδου μετατροπέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.49: Μεγεθυμένη τάση εισόδου μετατροπέα Από τα σχήματα 4.44 και 4.45 φαίνεται ότι οι στροφές του δρομέα καταλήγουν να ταλαντώνονται μεταξύ των τιμών 697 και 701 rpm. Στα σχήματα 4.46 και 4.47 παρατηρείται ότι η ισχύς που εισάγεται στο μετατροπέα έχει μέση τιμή 657W, με μία ταλάντωση μεταξύ των τιμών 650 και 665W. Επειδή δεν εφαρμόζεται έλεγχος η ανεμογεννήτρια δεν εξάγει την ονομαστική της ισχύ. Τέλος στα σχήματα 4.48 και 4.49 επιβεβαιώνεται η αντίστροφη λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης. Δηλαδή εφόσον η τάση εξόδου του παραμένει σταθερή στα 120V και ο λόγος κατάτμησης είναι 0,5 ο μετατροπέας ρυθμίζει την τάση εισόδου του κοντά στην τιμή των 60 V. Η κυμάτωση είναι μικρότερη του 0,5V. 74

87 4.5.2 Σταθερός άνεμος Τα αποτελέσματα για σταθερή ταχύτητα ανέμου 11,6m/s παρουσιάζονται στη συνέχεια: Σχήμα 4.50: Λόγος κατάτμησης ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.51: Μεγεθυμένος λόγος κατάτμησης στο MPP 75

88 Σχήμα 4.52: Στροφές δρομέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.32: Μεγέθυνση στροφών δρομέα στο MPP 76

89 Σχήμα 4.54: Ισχύς εισόδου μετατροπέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.55: Μεγεθυμένη ισχύς εισόδου μετατροπέα στο MPP 77

90 Σχήμα 4.56: Ισχύς εξόδου μετατροπέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.57: Μεγεθυμένη ισχύς εξόδου μετατροπέα στο MPP Από τα σχήματα 4.52 και 4.53 φαίνεται ότι ο έλεγχος οδηγεί την ανεμογεννήτρια σε στροφές 1035 έως 1055rpm, δηλαδή σύμφωνα με τον πίνακα 4.1 στην περιοχή μέγιστης απομάστευσης ισχύος. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα σχήματα 4.54 και 4.55 όπου παρουσιάζεται η ισχύς εισόδου του μετατροπέα, η οποία έχει μέση τιμή 1000W. Όπως αναμενόταν σε κάθε μεταβολή του λόγου κατάτμησης εμφανίζεται μία φθίνουσα ταλάντωση. Το ίδιο και για την ισχύ εξόδου που παρουσιάζεται στα σχήματα 4.56 και Η ισχύς εξόδου παρουσιάζει μικρότερες ταλαντώσεις από την ισχύ εισόδου και μικρότερη μέση τιμή εξαιτίας, όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενη ενότητα, των απωλειών του μετατροπέα. 78

91 4.5.3 Βηματικές μεταβολές ανέμου Αρχικά εφαρμόζεται άνεμος ταχύτητας 7,5m/s τη χρονική στιγμή t=1,2s γίνεται 11,6m/s και τη χρονική t=2,5s επανέρχεται στην αρχική του τιμή. Προκύπτουν τα εξής σχήματα: Σχήμα 4.58: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου σε βηματικές μεταβολές ανέμου ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.59: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου στο MPP στα 7,5m/s πριν τη μεταβολή 79

92 Σχήμα 4.60: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου στο MPP στα 11,6m/s Σχήμα 4.61: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου στο MPP στα 7,5m/s μετά τη μεταβολή 80

93 Σχήμα 4.62: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου κατά τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης μετά τη μεταβολή από 7,5m/s σε 11,6m/s Σχήμα 4.63: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου κατά τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης μετά τη μεταβολή από 11,6m/s σε 7,5m/s 81

94 Από το σχήμα 4.58 φαίνεται ότι σε κάθε αλλαγή του ανέμου οι στροφές και η ισχύς αλλάζουν ακαριαία, ενώ ο έλεγχος αναζητά το νέο βέλτιστο λόγο κατάτμησης. Στα σχήματα 4.59 έως 4.61 επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία του αλγορίθμου καθώς ρυθμίζει την ισχύ στο MPP σύμφωνα με τον πίνακα 4.1. Από τα σχήματα 4.62 και 4.63 προκύπτει ότι και στην αύξηση και στη μείωση της ταχύτητας του ανέμου ο χρόνος απόκρισης είναι ίδιος και ισούται με 1s Σταδιακές μεταβολές ανέμου Εφαρμόζεται παρόμοιες ταχύτητες ανέμου με τις παραπάνω με τη διαφορά ότι οι μεταβολές τώρα δε γίνονται ακαριαία. Προκύπτουν: Σχήμα 4.64: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου σε σταδιακές μεταβολές ανέμου ως συνάρτηση του χρόνου 82

95 Σχήμα 4.65: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου στο MPP κατά τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης μετά τη σταδιακή μεταβολή από 7,5m/s σε 11,6m/s Σχήμα 4.66: Μεγεθυμένα: ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου κατά τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης μετά τη μεταβολή από 7,5m/s σε 11,6m/s 83

96 Το σχήμα 4.64 μοιάζει με το σχήμα 4.58 που αφορά τις βηματικές μεταβολές Από το σχήμα 4.65 συμπεραίνεται ότι η απόκριση του αλγορίθμου για αύξηση της ταχύτητας του ανέμου είναι ακριβώς ίδια με το αντίστοιχο που αφορά τη βηματική αλλαγή. Κάτι τέτοιο δεν ισχύει στη μείωση της ταχύτητας του ανέμου όπου όπως φαίνεται στο σχήμα 4.66 ο αλγόριθμος καθυστερεί στην εκκίνηση αναζήτησης του νέου MPP και γι αυτό αποκρίνεται σε χρόνο 1,1s Μεταβολή σε άνεμο με διαταραχές Εδώ εξετάζεται η περίπτωση όπου ο άνεμος από σταθερός 9m/s αποκτά μία κυμάτωση 0,5m/s. Ακολουθούν τα παλμογραφήματα: Σχήμα 4.67: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου σε μεταβολή σε άνεμο με διαταρραχές ως συνάρτηση του χρόνου Ο ελεγκτής μένει ανεπηρέαστος, όμως οι διαταραχές του ανέμου μεταφέρονται στις στροφές του δρομέα και στην ισχύ εξόδου Ριπή ανέμου Πολύ συχνό φαινόμενο στη φύση είναι η δημιουργία μίας αιχμής ανέμου. Η προσομοίωσή της έδωσε τα παρακάτω αποτελέσματα: 84

97 Σχήμα 4.68: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς εξόδου σε ριπή ανέμου ως συνάρτηση του χρόνου Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα παρά το γεγονός ότι η αιχμή επιδρά στον αριθμό στροφών του δρομέα και στην ισχύ, ο ελεγκτής εξαιτίας της ταχύτητας του φαινομένου δεν προλαβαίνει να αντιδράσει. 4.6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Στο σχήμα 4.69 παρατίθεται το προσομοιούμενο σύστημα. Σχήμα 4.69: Προσομοίωση του συνολικού αιολικού συστήματος 85

98 Αρχικά και για 0,4s οι δύο μετατροπείς δεν είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους. Ο boost έχει στην είσοδό του το σύστημα ανεμογεννήτρια - ανορθωτής και στην έξοδο του μια πηγή dc τάσης 120V. Ο αντιστροφέας έχει στην είσοδό του την πηγή τάσης και στην έξοδο του το LC φίλτρο, το Μ/Σ καθώς και ένα ωμικό φορτίο 50Ω. Μάλιστα μετά από 0,04s ο αντιστροφέας συνδέεται στο δίκτυο, δηλαδή κλείνει και ο διακόπτης Breaker 2. Μετά από 0,4s ανοίγει ο διακόπτης Breaker 1 και ουσιαστικά έχουμε σύζευξη των δύο μετατροπέων μέσω του πυκνωτή διασύνδεσης χωρητικότητας 50μF. Τονίζεται ότι στο πραγματικό σύστημα ο boost θα λειτουργεί συνεχώς μέχρι να φορτιστεί ο πυκνωτής εξόδου στα 120V στη συνέχεια θα πραγματοποιείται ο συγχρονισμός του αντιστροφέα με το δίκτυο, δηλαδή δε θα χρησιμοποιηθεί πηγή τάσης. Στην προσομοίωση έγινε για εξοικόμηση χρόνου προσομοίωσης. Ο boost πραγματοποιεί συνεχώς MPPT. Η ταχύτητα του ανέμου στη συγκεκριμένη προσομοίωση ρυθμίζεται να είναι ίση με την ονομαστική, δηλαδή 11,6m/s. Ο αντιστροφέας τα πρώτα 0,04s εκτελεί τον έλεγχο συγχρονισμού με το δίκτυο, ενώ μετά το κλείσιμο του διακόπτη Breaker 2 υλοποιείται ο έλεγχος ενεργού - αέργου ισχύος με PR ελεγκτή. Η αναφορά ενεργού ισχύος ρυθμίζεται στα 300W κατά το συγχρονισμό. Μετά τη διασύνδεση των δύο μετατροπέων, ο έλεγχος του αντιστροφέα αναλαμβάνει και τη ρύθμιση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης μέσω της ρύθμισης της αναφοράς ενεργού ισχύος. Στο σχήμα 4.70 βλέπουμε την ισχύ εισόδου του μετατροπέα boost η οποία φτάνει κοντά στην αναμενόμενη τιμή των 1000W. Σχήμα 4.70: Ισχύς εισόδου του μετατροπέα boost Στο σχήμα 4.71 βλέπουμε τις στροφές της ανεμογεννήτριας. Παρατηρούμε πως και οι στροφές φτάνουν κοντά στην ονομαστική τους τιμή. 86

99 Σχήμα 4.71: Στροφές ανεμογεννήτριας Στο σχήμα 4.72 φαίνεται η μεταβολή του λόγου κατάτμησης του μετατροπέα boost ώστε να επιτευχθεί η απομάστευση μέγιστης ισχύος. Σχήμα 4.72: Λόγος κατάτμησης μετατροπέα boost Στα επόμενα δύο παλμογραφήματα παρατίθενται η ενεργός και η άεργος ισχύς που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. 87

100 Σχήμα 4.73: Ενεργός ισχύς εξόδου αντιστροφέα Σχήμα 4.74: Άεργος ισχύς εξόδου αντιστροφέα Παρατηρείται πως αρχικά ο μετατροπέας τροφοδοτεί το ωμικό φορτίο με 800W περίπου ενώ μετά τη σύνδεση με το δίκτυο στέλνει 300W (όσα και η αναφορά ενεργού ισχύος). Μετά τη σύζευξη των δύο μετατροπέων ο αντιστροφέας δίνει 860W προσπαθώντας να διατηρήσει σταθερή την τάση διασύνδεσης. Καταδεικνύεται επομένως πως το σύστημα boost - αντιστροφέας - μετασχηματιστής έχει συντελεστή απόδοσης 86% περίπου. Να σημειωθεί πως μεγάλο ποσοστό απωλειών εισάγει ο μετασχηματιστής. Επίσης ένα μέρος της ισχύος που δίνει ο boost έχει αποθηκευτεί στον πολύ μεγάλης χωρητικότητας πυκνωτή διασύνδεσης λόγω της έστω και μικρής, όπως θα φανεί σε επόμενο σχήμα, αύξησης της τάσης του. Η άεργος ισχύς εξόδου είναι σχεδόν μηδενική εκτός των χρονικών στιγμών που έχουμε μεταβατικά φαινόμενα (σύνδεση με το δίκτυο, σύζευξη μετατροπέων). Στη μόνιμη κατάσταση και όταν το συνολικό σύστημα έχει πλέον συνδεθεί, ισούται με 30 Var, δηλαδή επιτυγχάνεται συντελεστής ισχύος πολύ κοντά στη μονάδα. 88

101 Η τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης παρουσιάζεται παρακάτω. Σχήμα 4.75: Τάση πυκνωτή διασύνδεσης Παρατηρείται πως ο έλεγχος κατορθώνει να διατηρήσει την τάση πολύ κοντά στην επιθυμητή τιμή. Παράλληλα εξαιτίας της μεγάλης χωρητικότητας η κυμάτωση είναι περίπου 0,5V παρά τα μεγάλα ρεύματα συμβάλλοντας έτσι στην ομαλή λειτουργία του αντιστροφέα. Τέλος παρακάτω βλέπουμε το ημίτονο ελέγχου της SPWM παλμοδότησης του αντιστροφέα καθώς και το ρεύμα στο δευτερεύον του μετασχηματιστή, δηλαδή το ρεύμα εξόδου του αιολικού συστήματος. Και στα δύο παλμογραφήματα αποτυπώνονται οι μεταβολές στην ισχύ εξόδου. Μάλιστα αποδεικνύεται πως ο λόγος κατάτμησης m a δεν ξεπερνά την τιμή 0,8 εξασφαλίζοντας ομαλή έναυση και σβέση στα ημιαγωγικά στοιχεία της γέφυρας. Σχήμα 4.76: Ημίτονο αναφοράς SPWM παλμοδότησης 89

102 Σχήμα 4.77: Ρεύμα δευτερεύοντος μετασχηματιστή 90

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής κάθε διάταξης που απαιτείται στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Η υλοποίηση έγινε σε τυπωμένες πλάκες χαλκού, μονής ή διπλής όψης. Τα απαραίτητα σχέδια των τυπωμένων κυκλωμάτων έγιναν με τη χρήση του δωρεάν λογισμικού KiCad και παρουσιάζονται στο Παράρτημα Β. Τέλος στο Παράρτημα Α παραθέτουμε τα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των μονάδων 5.2 ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ Επιλογή ελεγχόμενου διακόπτη ισχύος Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του συστήματος που παρουσιάζονται στον πίνακα 4.1 η μέση τιμή του μέγιστου ρεύματος που αναμένεται να διαχειριστεί ο μετατροπέας σε μόνιμη κατάσταση είναι 10,5Α, δηλαδή σε κάθε κλάδο 2,625Α. Η μέση τιμή που διαρρέει το ημιαγωγικό στοιχείο είναι μικρότερη από αυτή την τιμή όμως για ασφάλεια θεωρούμε αυτή σαν κριτήριο. Η μέγιστη τάση που πέφτει στο στοιχείο είναι η τάση εξόδου που ισούται με 120V. Επιλέχτηκαν το μοντέλο IRF640NPBF της εταιρίας International Rectifier. Σχήμα 5.1: Κυκλωματικό σύμβολο και χαρακτηριστικά μεγέθη του IRF640NPBF Για λόγους προστασίας από υπερτάσεις η τάση αντοχής επιλέχτηκε 200 V, ενώ η επιλογή της αντοχής σε ρεύμα 18Α ίσως φαίνεται υπερβολική όμως έγινε προκειμένου να είναι μικρή η αντίσταση αγωγής του στοιχείου. Περισσότερες λεπτομέρειες για το στοιχείο παρατίθενται στο Παράρτημα Α Επιλογή διόδων ισχύος Χρησιμοποιώντας όμοια κριτήρια με τα mosfet επιλέχτηκαν οι δίοδοι BYW51-200G της εταιρίας ON Semiconductor. 91

104 Σχήμα 5.2: Χαρακτηριστικά μεγέθη και κυκλωματικό σύμβολο της BYW51-200G Μία επιπλέον παρατήρηση σε σχέση με τα mosfet είναι ότι για οικονομία χώρου στην πλακέτα επιλέχτηκαν διπλές δίοδοι κοινής καθόδου. Περισσότερες λεπτομέρειες για το στοιχείο παρατίθενται στο Παράρτημα Α Πυκνωτής εισόδου Εκτός της εξομάλυνσης της τάσης εισόδου που έχει αναφερθεί σε προηγούμενα κεφάλαια η σύνδεση πυκνωτή εισόδου εξυπηρετεί έναν επιπλέον σκοπό. Ο σκοπός αυτός είναι η παροχή διακοπτικών ρευμάτων που απαιτεί ο μετατροπέας όταν συνδεθεί σε πηγή εισόδου που δεν επιτρέπει κάτι τέτοιο (τροφοτικό). Επιλέχτηκε ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής MAL E3 της εταιρίας Vishay. Εικόνα 5.1: MAL E3 Ο πυκνωτής έχει τάση διάσπασης 200 V χωρητικότητα 470μF και ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση 0,3Ω Πυκνωτές εξόδου Στην έξοδο για σταθεροποίηση της τάσης εξόδου χρησιμοποιείται ο ίδιος ηλεκτρολυτικός πυκνωτής με τον πυκνωτή εισόδου. Επίσης παράλληλά του συνδέθηκε πυκνωτής πολυπροπυλενίου (MKP), ο οποίος έχει την ιδιότητα απορρόφησης ρευμάτων γρήγορης συχνότητας τα οποία αδυνατεί να απορροφήσει ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής. Επιλέχτηκε ο πυκνωτής B32654-A3475-J της Epcos με τάση αντοχής 250V. Η χωρητικότητά του είναι 4,7nF. 92

105 Εικόνα 5.2: B32654-A3475-J Κατασκευή πηνίων Για την κατασκευή των πηνίων ακολουθείται ορισμένη διαδικασία που περιγράφεται στη συνέχεια Επιλογή υλικού πυρήνα [21] Γενικά υπάρχουν δύο κατηγορίες πυρήνων: πυρήνες που κατασκευάζονται με βασικό στοιχείο τον σίδηρο (Fe) και ορισμένο ποσοστό προσμίξεων χρωμίου (Cr) και πυριτίου (Si) και πυρήνες που κατασκευάζονται από φερρίτες (υλικά που αποτελούνται από μίγματα οξειδίων και άλλα μαγνητικά υλικά). Τα κράματα σιδήρου εμφανίζουν μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα, οπότε ο συντελεστής απωλειών δινορευμάτων είναι υψηλός. Γι αυτό χρησιμοποιούνται για μαγνητικά στοιχεία που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες, έως 1kHz. Η μαγνητική επαγωγή κορεσμού σε αυτά τα υλικά φτάνει τα 1.8Τ. Όταν σε ένα μαγνητικό υλικό ξεπεραστεί η τιμή αυτή ο πυρήνας οδηγείται στον κορεσμό. Η κατάσταση του κορεσμού είναι μια κατάσταση στην οποία ο πυρήνας δεν έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει παραπάνω ενέργεια από αυτή που είναι ήδη αποθηκευμένη. Το αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι η συνεχής αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του πηνίου και συνεπώς η αύξηση της θερμοκρασίας του μαγνητικού υλικού που οδηγεί σε αύξηση των απωλειών. Όσον αφορά στους πυρήνες που κατασκευάζονται από φερρίτες παρουσιάζουν πολύ υψηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση και επομένως έχουν πολύ μικρές απώλειες δινορρευμάτων. Χρησιμοποιούνται σε υψηλές συχνότητες έως 2MHz. Η μαγνητική επαγωγή κορεσμού στους φερρίτες είναι ίση με 0.3~0.42Τ. Εξαιτίας του γεγονότος ότι η συχνότητα παλμοδότησης του μετατροπέα είναι 50kHz επιλέγεται πυρήνας φερρίτη Προσδιορισμός μέγιστης μαγνητικής επαγωγής Η τιμή αυτή συνήθως είναι λίγο μικρότερη από την οριακή τιμή κορεσμού της πυκνότητας μαγνητικής ροής, Συνεπώς η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής προσδιορίζεται λίγο μικρότερη αυτής του κορεσμού, δηλαδή B max =0,28T Προσδιορισμός μεγέθους και σχήματος πυρήνα Η μέγιστη τιμή της πυκνότητας μαγνητικής ροής περιορίζεται από έναν εκ των δύο παραγόντων τον κορεσμό και τις απώλειες του πυρήνα (απώλειες υστέρησης συν 93

106 απώλειες δινορευμάτων). Για καθεμία από τις παραπάνω περιπτώσεις υπολογίζεται το απαιτούμενο "γινόμενο της επιφάνειας πυρήνα". Το μέγεθος αυτό υποδηλώνει το μέγεθος του πυρήνα και είναι το γνωστό Area Product (AP). Για τον περιορισμό από τον κορεσμό [25]: L ISCpk IFL 4/3 AP Aw Ae ( ) (5.1) B K 94 max 1,όπου: Ι SCpk : η τιμή του μέγιστου (peak) ρεύματος που διαρρέει το πηνίο σε βραχυκύκλωμα I FL : η rms τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο σε πλήρες φορτίο K 1 : = συντελεστής που σχετίζεται με την πλήρωση του πυρήνα και την πυκνότητα ρεύματος Η μέγιστη τιμή του ΔΙ προκύπτει από τη σχέση (2.8) για δ=0,5, V i =60V, L f =1,2mH και T S =1/50000 s και είναι 0,5Α. Επίσης: I peak I m ax, avg (5.2) 2 I max,avg =10,5/4=2,625 A Αντικαθιστούμε στην (5.2) τη μέγιστη κυμάτωση παρά το γεγονός ότι δεν εμφανίζεται σε αυτή την κατάσταση για ασφάλεια. Προκύπτει: I peak =2,875A Για μεγαλύτερη ασφάλεια επιλέγουμε: I peak =3A Αντικαθιστώντας L=0,0012H, I SCpk =3A (θέτουμε την τιμή κορυφής για πλήρες φορτίο), I FL =3A (θέτουμε την τιμή κορυφής για ασφάλεια), B max =0,28Τ, K 1 =0,03 (για πηνίο με ένα τύλιγμα [25]): ΑΡ=1,39cm 2 Για τον περιορισμό από τις απώλειες πυρήνα [25]: L I 4/3 AP Aw Ae ( FL ) (5.3) B K max 2 όπου ΔΙ: η κυμάτωση του ρεύματος πηνίου ΔΒ max =B max ΔΙ/I SCpk (5.4) K 2 : συντελεστής που σχετίζεται με την πλήρωση του πυρήνα και την πυκνότητα ρεύματος Αντικαθιστώντας στην (5.4) B max =0,28Τ, ΔΙ=0,5Α και I SCpk =3A προκύπτει ΔΒ max =0,0466Τ. Στη συνέχεια αντικαθιστούμε στην (5.3) L=0,0012H, ΔΙ=0,5A, I FL =3A, ΔΒ max =0,0466Τ και Κ 2 =0,21( για πηνίο με ένα τύλιγμα [25]): ΑΡ=0,10cm 2 Συνεπώς απαιτείται πυρήνας με AP μεγαλύτερο από 1,39cm 2. Βάση του αποθέματος του εργαστηρίου αλλά λαμβάνοντας και μεγάλο συντελεστή ασφαλείας επιλέχτηκε ο πυρήνας Ε55(55/28/21), ο οποίος έχει AP=8,825cm 2, του οποίου οι διαστάσεις και τα χαρακτηριστικά του μεγέθη παρουσιάζονται παρακάτω:

107 Σχήμα 5.3: Ο πυρήνας Ε55/28/ Προσδιορισμός χαρακτηριστικών αγωγού Γνωρίζοντας ότι από ένα σύρμα χαλκού διατομής 1mm 2 μπορεί να διέλθει ποσότητα ρεύματος 5A υπολογίζεται η διατομή του αγωγού που απαιτείται, έχοντας υπόψη ότι η rms ρεύματος είναι περίπου 2,625Α και για ασφάλεια τη θεωρήσαμε 3Α. Άρα η διατομή βρίσκεται: I peak 3A 2 Acu 0,6mm (5.5) J 5 A 2 mm Η μέγιστη διατομή του αγωγού, όμως προκειμένου να εξαλείφεται η επίδραση του επιδερμικού φαινομένου είναι για διάμετρο αγωγού το πολύ 2ρ=0,67mm [17]. Επιλέχτηκε 2ρ=0,55. Η μέγιστη διατομή προκύπτει: Αmax 2 2 0, 237mm (5.6) Συνεπώς ο αγωγός πρέπει να διαιρεθεί σε κλώνους, ο αριθμός των οποίων είναι μεγαλύτερος από: Acu 0,6 2,531 (5.7) Α 0, 237 max Επελέγησαν 5 κλώνοι Υπολογισμός αριθμού σπειρών Ο ελάχιστος αριθμός σπειρών σπειρών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε ο πυρήνας να μη φτάνει σε κορεσμό είναι [25]: N L I όπου Α e : παράμετρος του πυρήνα σε cm 2 2 max min (5.8) Bmax Ae 95 10

108 Επίσης, η επαγωγή τίθεται σε μη. Σύμφωνα με το σχήμα 5.3 Α e =353mm 2 =3,53 cm 2. Τα υπόλοιπα μεγέθη είναι γνωστά και τελικά βρίσκουμε: Ν min =36,47 Επελέγησαν Ν=37 στροφές Υπολογισμός διακένου Το διάκενο χρησιμοποιείται προκείμενου να μετατοπίζει το βρόχο υστέρησης του μαγνητικού υλικού με σκοπό να καθιστά δυσκολότερη τη μετάβαση σε κατάσταση κορεσμού. Ουσιαστικά μειώνει το λόγο της πυκνότητας της μαγνητικής ροής προς το μαγνητικό πεδίο, μ=β/η(μαγνητική διαπερατότητα). Αυτό έχει επίδραση και στην τιμή της επαγωγής του πηνίου καθώς αυτή δίνεται από τη σχέση [25]: L N A I 2 e (5.9) e όπου Ι e : παράμετρος του πυρήνα Ο ακόλουθος τύπος [14] δίνει το συνολικό μήκος του διακένου για ένα πυρήνα διπλού Ε, όπως αυτός που χρησιμοποιούμε: Ae g (5.10) Ae Bmax ( a d) N 0 όπου μ 0 : η μαγνητική διαπερατότητα του κενού Ν g : ο αριθμός των κανανεμημένων διακένων a,d: διαστάσεις του πυρήνα Ισχύει: μ 0 =4π 10-7 H/m, a=0,0172m, d=0,021m, Ν g =2 (για το συγκεκριμένο τύπο πυρήνα) Συνεπώς: Σg=0,51mm Το μήκος του κάθε κατανεμημένου διακένου είναι: g= Σg/ Ν g =0,255mm Απαγωγός θερμότητας Κατά τη λειτουργία των ηµιαγωγικών στοιχείων οι απώλειες που υπάρχουν μετατρέπονται σε θερμική ενέργεια, η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία των στοιχείων. Με την αλόγιστη αύξησή της καθίσταται δυνατό να καταστραφούν τα στοιχεία. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, τοποθετούνται τα στοιχεία πάνω σε μία μεταλλική επιφάνεια, συνήθως από αλουμίνιο, η οποία είναι κατάλληλα διαμορφωμένη για να απάγει μεγάλα ποσά θερμότητας σε σχέση µε το μέγεθος της. Το μεταλλικό αυτό αντικείμενο λέγεται ψυκτικό σώμα ή απαγωγός θερμότητας και έχει πολλές πτυχώσεις, έτσι ώστε να μεγιστοποιεί το εμβαδόν του χωρίς να αυξηθεί ο όγκος του. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ενέργεια στο περιβάλλον από την επιφάνεια του στοιχείου. Ο υπολογισμός του κατάλληλου ψυκτικού σώματος γίνεται με τις ακόλουθες σχέσεις [14],[16]: pk 96 g

109 P P 4 P 4 P (5.11) loss loss, mosfet loss, diode P P P (5.12) loss, mosfet S, mosfet on, mosfet V I f ( t t ) o i s s( on) s( off ) S, mosfet (5.13) 2 P R R R (5.14) on, mosfet ds, on Ii, rms ds, on Ii, avg ds, on ( Ii ) P P (5.15) loss, diode on, diode P I (5.16) on, diode Vd, on Io, avg Vd, on i (1 ) T T T T P R R R R R R (5.17) j a j a loss JC CS SA SA JC CS Ploss όπου, P loss : Οι συνολικές απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία P loss,mosfet : Οι συνολικές απώλειες σε κάθε mosfet P loss,diode : Οι συνολικές απώλειες σε κάθε δίοδο P S,mosfet : Οι διακοπτικές απώλειες σε κάθε mosfet P on,mosfet : Οι απώλειες αγωγής σε κάθε mosfet P on,diode :Οι απώλειες αγωγής σε κάθε δίοδο R θsa : Η θερμική αντίσταση μεταξύ απαγωγού και περιβάλλοντος Τ j : H μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της επαφής Τ α : Η θερμοκρασία περιβάλλοντος R θjc : Η θερμική αντίσταση μεταξύ επαφής και περιβλήματος του στοιχείου R θcs : Η θερμική αντίσταση περιβλήματος και απαγωγού θερμότητας Στη συγκεκριμένη εφαρμογή ισχύουν V ο =120V, I i =2,625A (μέγιστο,) f s =50kHz, t s(on) =29ns, t s(off) =28,5ns, δ=0,67 (μέγιστο για τον τύπο του mosfet) και δ=0,16 (ελάχιστο για τον τύπο της διόδου), R ds,on =0,3Ω (στο φυλλάδιο αναφέρει 0,15Ω όμως θεωρούμε ότι αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας), V d,on =0,97V, T j =120 o C και Τ a =25 o C, R θjc,mosfet =1 o C/W, R θcs,mosfet =0,5 o C/W, R θjc,diode =3 o C/W. Για τα παραπάνω δεδομένα προέκυψε ψυκτικό σώμα με θερμική αντίσταση μικρότερη του 2,4375⁰C/W. Τελικά χρησιμοποιήθηκε το ψυκτικό σώμα 345AB0750B της ABL Components με θερμική αντίσταση 1,2⁰C/W που φαίνεται στο σχήμα

110 Σχήμα 5.4: Απαγωγός θερμότητας 345AB0750B 5.3 ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ Για την παραγωγή των παλμών που ελέγχουν τη λειτουργία των mosfet χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής dspic30f2020 της εταιρείας Microchip, ο οποίος είναι από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους για τέτοιου είδους εφαρμογές. Σχήμα 5.5: To pin diagram τοu microcontroller dspic30f2020 [26] Οι ακροδέκτες VDD (pin 13), VDD (pin 20) έχουν συνδεθεί με την τροφοδοσία των +5V ενώ οι ακροδέκτες VSS (pin 8), VSS (pin 19) συνδέονται με τη γείωση. Ο ακροδέκτης ΑVDD (pin 28) συνδέθηκε σε τροφοδοσία +5V και ο ακροδέκτης AVSS (pin 27) σε γείωση. Οι δύο τελευταίοι ακροδέκτες συνδέονται σε διαφορετικό τροφοδοτικό από τους προηγούμενους επειδή χρησιμοποιούνται για αναλογικές λειτουργίες σε αντίθεση με τις προηγούμενες που χρησιμοποιούνται για ψηφιακές. Όλες οι γειώσεις συνδέονται μεταξύ τους όμως ώστε να υπάρχει κοινή αναφορά. Μεταξύ των ακροδεκτών τάσης και γείωσης και των δύο τροφοδοσιών συνδέεται ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 47μF για σταθεροποίηση της τάσης. 98

111 Επίσης, κοντά σε κάθε ζεύγος ακροδεκτών τάσης και γείωσης του μικροελεγκτή έχει τοποθετηθεί πυκνωτής MKΤ 100nF, ο οποίος προστατεύει το μικροελεγκτή από υπερτάσεις. Για την επικοινωνία του μικροελεγκτή με τον υπολογιστή και τον προγραμματισμό του, χρησιμοποιήθηκε το αναπτυξιακό MPLAB ICD2. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένα σημείο στην πλακέτα με το οποίο συνδέονται οι απαραίτητοι για τον προγραμματισμό ακροδέκτες του μικροελεγκτή και στο οποίο είναι δυνατό να συνδέεται το αναπτυξιακό. Ο κονέκτορας καθώς και τα pin του μικροελεγκτή που πρέπει να φτάνουν στο σημείο διασύνδεσης φαίνονται στο σχήμα 5.6. Σχήμα 5.6: Κοννέκτορας ICD2 και σχηματικό διάγραμμα για το σημείο διασύνδεσης στην πλακέτα [27] Είσοδοι dspic30f2020 Ως εισόδους του ελεγκτή έχουμε ορίσει τους ακροδέκτες ΑΝ0 (pin 2), ΑΝ1 (pin 3), ΑΝ2 (pin 4), ΑΝ3 (pin 5). Σε αυτούς τους ακροδέκτες φτάνουν τα σήματα από τις μετρήσεις του ρεύματος εξόδου, της τάσης εξόδου, του ρεύματος εισόδου και της τάσης εισόδου αντίστοιχα. Στα σήματα που αφορούν τη μέτρηση ρεύματος παρεμβάλλεται RC κύκλωμα ως κατωδιαβατό φίλτρο για λόγους απαλοιφής των αρμονικών που μπορεί να παρουσιάζονται. Συνήθως επιλέγονται φίλτρα με συχνότητα αποκοπής 10% της συχνότητας παλμοδότησης. Οι αντιστάσεις επιλέχθηκαν 30Ω ώστε να έχουμε μικρή πτώση τάσης και οι πυκνωτές 1μF MKT ώστε να ανταποκρίνονται σε υψηλές συχνότητες. Με αυτές τις τιμές στα στοιχεία του το φίλτρο έχει συχνότητα αποκοπής 5kHz. Επίσης, στον ακροδέκτη 15 συνδέθηκε διακόπτης ο οποίος εφαρμόζει τάση +5V ή γείωση, ο οποίος χρησιμεύει σε ενδεχόμενη αλλαγή προγράμματος. Ο διακόπτης συνδέεται μέσω μιας pull - down αντίστασης στη γείωση στο σημείο σύνδεσης με το pin του μικροελεγκτή. Μία τελευταία είσοδο του μικροελεγκτή αποτελεί το μπουτόν που έχει συνδεθεί με τον ακροδέκτη MCLR (pin 1) και είναι υπεύθυνος για την "επανεκκίνηση" (Reset) του μικροελεγκτή. Όταν το μπουτόν δεν είναι πατημένο, το δυναμικό του ακροδέκτη είναι +5V ο ελεγκτής δουλεύει κανονικά και μπορεί να προγραμματιστεί, ενώ όταν πατηθεί το δυναμικό του ακροδέκτη γίνεται μηδενικό κι έχουμε επανεκκίνηση. 99

112 5.3.2 Έξοδοι dspic30f2020 Τις εξόδους του μικροελεγκτή αποτελούν τα τέσσερα σήματα που παίρνουμε από το περιφερειακό PWM και καταλήγουν να οδηγούν τα MOSFET του μετατροπέα. Τους παλμούς τους παίρνουμε από τους ακροδέκτες PWM1H (pin 25), PWM2H (pin 23), PWM3H(pin 21) και PWM4H(pin 11). Στα τέσσερα αυτά σήματα συνδέονται pull-down αντιστάσεις. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται η αλλαγή της τιμής του σήματος από λογικό 0 σε λογικό εξαιτίας θορύβου. 5.4 ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ MOSFET Από τις εξόδους του μικροελεγκτή οι παλμοί οδήγησης οδηγούνται, μέσω ενός κυκλώματος που τους διαμορφώνει κατάλληλα, στην πύλη των mosfet. Σχήμα 5.7: Η πορεία ενός σήματος παλμοδότησης Οι παλμοί που εξάγονται από το μικροελεγκτή οδηγούνται στο ολοκληρωμένο 74HC541, το οποίο παρουσιάζεται παρακάτω: Σχήμα 5.8: Το ολοκληρωμένο 74HC541 και ο πίνακας αληθείας του Το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο χρησιμοποιείται σαν buffer για ενίσχυση των σημάτων. Τα τέσσερα σήματα συνδέθηκαν στις εισόδους Α1 έως Α5 και εξέρχονται από τις εξόδους Υ1 έως Υ5. Στον ακροδέκτη 20 συνδέθηκε η τροφοδοσία των +5V και στον 10 η γείωση. Για λειτουργία του ολοκληρωμένου ως buffer σύμφωνα με τον πίνακα αληθείας οι ακροδέκτες 1 και 19 συνδέονται στη γείωση. 100

113 Τα σήματα που εξέρχονται από τον buffer έχουν προφανώς πλάτος 5 V. Θεωρητικά η τιμή αυτή αρκεί προκειμένου να φέρει τα mosfet σε αγωγή όμως σε πολλές εφαρμογές εξαιτίας του θορύβου είναι δυνατό αυτό να μη συμβεί. Γι αυτό στη συνέχεια τα σήματα στέλνονται στο ολοκληρωμένο ICL7667 (Σχήμα 5.9) το οποίο ανυψώνει το πλάτος των σημάτων στα 15V. Σχήμα 5.9: Το ολοκληρωμένο ICL7667 Όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα το ολοκληρωμένο μπορεί να χειριστεί δύο σήματα εισόδου, συνεπώς χρησιμοποιήθηκαν δύο τέτοια ολοκληρωμένα. Στον ακροδέκτη 6 συνδέθηκε τροφοδοσία +15V και στον 3 η γείωση. Η γείωση επίσης συνδέεται και στη γείωση του κυκλώματος ισχύος ώστε τα ολοκληρωμένο και το mosfet να έχουν κοινή αναφορά. Πρέπει να τονιστεί ότι το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο αντιστρέφει τις εισόδους κάτι που πρέπει να ληφθεί υπόψη στη διαδικασία του προγραμματισμού. Στη συνέχεια κάθε σήμα εξόδου συνδέεται μέσω αντίστασης με την πύλη του mosfet που οδηγεί. Η αντίσταση αυτή μαζί με την παρασιτική χωρητικότητα του mosfet δημιουργούν ένα RC κύκλωμα το οποίο εμποδίζει την εμφάνιση μεγάλου ρεύματος κατά την έναυση του στοιχείου. Λαμβάνοντας υπόψη το συνοδευτικό φυλλάδιο των mosfet επιλέγουμε αντιστάσεις 2Ω. Επίσης μεταξύ πύλης και πηγής του mosfet συνδέεται δίοδος Zener που άγει σε τάση 18V για προστασία του mosfet το οποίο σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή μπορεί να αντέξει 20 V το πολύ. Επίσης για την εκφόρτιση της παρασιτική χωρητικότητας στο διάστημα που άγει η Zener συνδέθηκε παράλληλά της αντίσταση 10kΩ. Η τιμή επιλέγεται μεγάλη ώστε να δέχεται μηδενικό ρεύμα στα διαστήματα που δεν άγει η Zener. Τέλος, τονίζεται ότι για προστασία από υπερτάσεις των ολοκληρωμένων μεταξύ τροφοδοσίας και γείωσης των τοποθετήθηκαν MKT πυκνωτές 500nF. Η τιμή επιλέχτηκε εμπειρικά. 5.5 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Κυκλώματα μέτρησης τάσης Για τη μέτρηση της τάσης εξόδου και της τάσης εισόδου χρησιμοποιήθηκε το παρακάτω κύκλωμα: 101

114 Σχήμα 5.10: Κύκλωμα μέτρησης τάσης Αποτελείται από ένα διαιρέτη τάσης και ένα τελεστικό ενισχυτή σε συνδεσμολογία ακόλουθου τάσης (buffer). Ο διαιρέτης φροντίζει ώστε το σήμα που στέλνει σαν είσοδο στον απομονωτή να είναι από 0 έως το πολύ 5V ενώ ο buffer χρησιμοποιείται για ενίσχυση του σήματος. Τόσο στην τάση εισόδου όσο και στην τάση εξόδου οι τιμές των αντιστάσεων επιλέχτηκαν R1=270kΩ και R2=10kΩ. Με αυτή την επιλογή των αντιστάεων η μέγιστη τιμή που στέλνει το κύκλωμα μέτρησης της τάσης εισόδου στο μικροελεγκτή είναι R2 10 V o Vi 100 3,57V R2 R (5.18) και η ελάχιστη προφανώς 0. Οι αντίστοιχες για την τάση εξόδου είναι 4,28V και 0V. Η μέγιστη ισχύς που μπορούν να διαχειριστούν οι αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται είναι 250mW. Το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει τις αντιστάσεις στη μέτρηση της εξόδου είναι 120V/(10+270)kΩ=0, Α. Η κατανάλωση στην R1 είναι (0,000428) =50mW<250mW. Η R2 σαν μικρότερη καταναλώνει ακόμα λιγότερο. Δε χρειάζεται ανάλυση για τις αντιστάσεις στη μέτρηση της τάσης εισόδου αφού αυτές διαρρέονται από μικρότερο ρεύμα (εφόσον έχουν μικρότερη μέγιστη τάση). Χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο LM358, το οποίο περιέχει δύο τελεστικούς ενισχυτές και παρουσιάζεται παρακάτω: 102

115 Σχήμα 5.11: Το ολοκληρωμένο LM358 Στον ακροδέκτη 8 συνδέθηκε τροφοδοσία 5V και στον ακροδέκτη 4 η γείωση Κυκλώματα μέτρησης ρεύματος Για την μέτρηση του ρεύματος στην είσοδο και στην έξοδο χρησιμοποιήθηκε το μετρητικό CAS 6-NP της εταιρείας LEM το οποίο μπορεί να μετρήσει έως 19,2Α συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος και παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 5.12: Μετρητικό ρεύματος CAS 6-NP Η έξοδος που δίνουν το συγκεκριμένο μετρητικό καθορίζεται από τη σχέση I V 2,5 0,625 P out (5.19) I,όπου I PN :ονομαστικό ρεύμα του μετρητικού (2-3-6 Α) Ανάλογα με τη σύνδεση των ακροδεκτών του μετρητικού ρυθμίζεται η τιμή του I PN. Για το ρεύμα εισόδου (10,6Α μέγιστο) το I PN ρυθμίστηκε στα 6Α και για το ρεύμα εξόδου (8,33 μέγιστο) στα 3Α. Στην έξοδο συνδέθηκε όπως και στη μέτρηση τάσης buffer για την ενίσχυση του σήματος. Η τάση τροφοδοσίας του μετρητικού είναι +5V Γενικά για τα κυκλώματα μέτρησης Προκειμένου ο μικροελεγκτής να διαβάζει σωστά τα σήματα που στέλνουν οι διατάξεις μέτρησης πρέπει η γείωση των μετρητικών και η γείωση που χρησιμοποιείται για τις αναλογικές λειτουργίες του μικροελεγκτή να είναι κοινή. Τα σήματα μέτρησης τάσης και ρεύματος εξόδου συνδέθηκαν σε κοινό LM358 όπως και τα αντίστοιχα της εξόδου. PN 103

116 Τέλος, τονίζεται ότι, όπως και στα ολοκληρωμένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παλμοδότηση, στα LM358 και στα μετρητικά ρεύματος τοποθετήθηκαν MKT πυκνωτές 500nF. 5.6 ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ Για την τροφοδοσία των στοιχείων των προηγούμενων μονάδων είναι απαραίτητη η κατασκευή μονάδας τροφοδοσίας. Η μονάδα τροφοδοσίας χωρίζεται σε δύο τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Το ένα τροφοδοτεί τα στοιχεία που χειρίζονται ψηφιακά μεγέθη ενώ το άλλο τα στοιχεία που χειρίζονται αναλογικά μεγέθη ώστε ο θόρυβος των αναλογικών να μην επηρεάζει τα ψηφιακά. Το πρώτο τροφοδοτικό παρέχει συνεχή τάση σε δύο ακροδέκτες του dspic30f2020, στο 74HC541 και στα δύο ICL7667. Άρα πρέπει να εξάγει τάση +15V, +5V και γείωση. Χρησιμοποιείται μετασχηματιστής, ο οποίος μετασχηματίζει τη μονοφασική τάση του δικτύου που δέχεται σαν είσοδο από τα 230V rms στα 15V rms. Η ισχύς του υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη την ισχύ που απαιτούν τα στοιχεία που τροφοδοτούνται. Μέγιστη ισχύς dspic30f2020: 5V 200mA=1VA Ισχύς 74HC541: 5V 75mA=0,375VA Ισχύς ICL7667: 2 15V 8mA=0,24VA Ο μετασχηματιστής πρέπει να είναι ονομαστικής ισχύος τουλάχιστον 1,615 VA. Επιλέχτηκε μετασχηματιστής που έχει κατασκευαστεί στο εργαστήριο με ονομαστική ισχύ 5 VA. Μετά το μετασχηματιστή συνδέεται ανορθωτική γέφυρα που εξάγει μία συνεχή τάση με κυμάτωση. Η συνεχής τάση στη συνέχεια χωρίζεται σε δύο κλάδους ο ένας οδηγεί μέσω πυκνωτών εξομάλυνσης στο σταθεροποιητικό τάσης LM7815 και ο άλλος στο LM7805 τα οποία εξάγουν τάση 15 και 5 V αντίστοιχα. Έπειτα συνδέονται πάλι πυκνωτές εξομάλυνσης. Τέλος, για την οπτική επιβεβαίωση της λειτουργίας του τροφοδοτικού, τοποθετήθηκανε παράλληλα στις εξόδους λαμπτήρες χαμηλής ισχύος τύπου LED σε σειρά με αντίσταση που περιορίζει το ρεύμα που διαρρέει τα LED ώστε να μην καταστραφούν. Το δεύτερο τροφοδοτικό δίνει ισχύ σε ένα ακροδέκτη του dspic30f2020, στα δύο LM358 και στα δύο LTS 6-NP. Συνεπώς χρειάζεται εξόδους +5V και γείωση. Ο λόγος μετασχηματισμού του μετασχηματιστή επιλέγεται 230/6. Η ισχύς του: Μέγιστη ισχύς dspic30f2020: 5V 200mA=1VA Ισχύς LM358N: 2 5V 3mA=0,03VA Ισχύς LTS 6-NP: 2 5V 30mA=0,3VA Ο μετασχηματιστής πρέπει να είναι ονομαστικής ισχύος τουλάχιστον 1,33 VA. Επιλέχτηκε μετασχηματιστής που έχει κατασκευαστεί στο εργαστήριο με ονομαστική ισχύ 4,5 VA. Στη συνέχεια ακολουθείται η ίδια διαδικασία με το δεύτερο κλάδο του πάνω τροφοδοτικού. 104

117 5.7 ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Οι παραπάνω διατάξεις υλοποιήθηκαν σε τρεις πλακέτες. Η μία περιλαμβάνει τη μονάδα τροφοδοσίας, η άλλη το κύκλωμα του μικροελεγκτή με τον ακόλουθο τάσης και η τελευταία όλα τα υπόλοιπα τμήματα. Ο διαχωρισμός έγινε διότι το μέγεθος της κάθε πλακέτας δεν μπορεί να υπερβεί το μέγεθος Α4. Επίσης, η τοποθέτηση του μικροελεγκτή σε απόσταση από το κύκλωμα ισχύος μειώνει την πιθανή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή στη λειτουργία του. Η σύνδεση των τροφοδοσιών έγινε με καλώδια ενώ η μεταφορά των λογικών σημάτων με καλωδιοταινία. Τέλος, πρέπει να τονιστεί σε κάθε μεταφορά τροφοδοσίας και σημάτων μεταφέρεται και η αντίστοιχη γείωση. Τα τυπωμένα κυκλώματα των τριών αυτών πλακετών παρουσιάζονται στο Παράρτημα Β. 5.8 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ Ως μικροελεγκτή (microcontroller) αναφέρουμε ένα, υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης, ολοκληρωμένο στοιχείο που αποτελείται από έναν μικροεπεξεργαστή χαμηλής σχετικά υπολογιστικής ισχύος και ένα πεπερασμένο αριθμό ενσωματωμένων περιφερειακών μονάδων. Πρόκειται επομένως για ένα τύπο μικροεπεξεργαστή με υψηλό βαθμό αυτονομίας παρεχόμενο από τα περιφερειακά του, που χαρακτηρίζεται από υψηλή αξιοπιστία, χαμηλό κόστος και ελάχιστη κατανάλωση ισχύος. Επιπρόσθετα έχει χαμηλές εκπομπές ηλεκτρομαγνητικών διαταραχών (E.M.I.) και υψηλότατη απόδοση. Χρησιμοποιείται ευρέως στα ενσωματωμένα συστήματα (embedded systems) Γενική περιγραφή dspic30f2020 Πρόκειται για έναν μικροελεγκτή που έχει κεντρική μονάδα επεξεργασίας των 16-bit και παρέχει υποστήριξη λειτουργιών DSP (Digital Signal Processing). Η μνήμη του μικροελεγκτή αλλά και οι δεκαέξι (16) ειδικοί καταχωρητές (SFR) που χρησιμοποιούνται κατά τον προγραμματισμό του είναι οργανωμένοι σε λέξεις μήκους 16 bit. Το εσωτερικό του ρολόι είναι 14,1MHz. Έχει γίνει πολύπλεξη των σημάτων των περιφερειακών μεταξύ τους. Κατά αυτό τον τρόπο ένας ακροδέκτης του ολοκληρωμένου δύναται να αντιστοιχεί σε περισσότερα τους ενός περιφερειακά, ενώ παράλληλα ένα περιφερειακό δύναται να λειτουργεί δίχως να χρησιμοποιεί όλους του τους ακροδέκτες, απελευθερώνοντας τους για άλλη λειτουργία. Η ενεργοποίηση των περιφερειακών και η αντιστοίχισή τους με ακροδέκτες πραγματώνεται με την κατάλληλη χρήση των ειδικών καταχωρητών SFR. Η CPU έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Τροποποιημένη κατά Harvard αρχιτεκτονική Δυνατότητα προγραμματισμού σε γλώσσα C 83 βασικές εντολές Εντολές των 24-bit με 16-bit μονοπάτι δεδομένων 12Kbytes Flash μνήμης 512bytes μνήμης RAM 105

118 Πίνακα 16 επί 16 καταχωρητών εργασίας Έως 30MIPS ταχύτητα εκτέλεσης εντολών 32 πηγές διακοπών Τρεις εξωτερικές πηγές διακοπής 8 επίπεδα προτεραιότητας για κάθε διακοπή 4 εξαιρέσεις (traps) Ο μικροελεγκτής περιέχει τα ακόλουθα περιφερειακά: Ψηφιακές θύρες εισόδου-εξόδου Τρεις χρονιστές (Timers) Μονάδα αποτύπωσης χρονικής στιγμής συμβάντος (Input Capture Module) Μονάδα σύγκρισης εξόδου (Output Compare Module) Μονάδα γεννητριών PWM Μονάδα σειριακής επικοινωνίας (SPI) Μονάδα Inter-Integrated Circuit (I 2 C) Θύρα ασύγχρονης επικοινωνίας (UART) 10-bit μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα Μονάδα σύγκρισης SMPS Από τα παραπάνω περιφερειακά χρησιμοποιήθηκε η μονάδα παραγωγής PWM, ένας χρονιστής και ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό Μονάδα γεννητριών PWM Το συγκεκριμένο περιφερειακό χρησιμοποιείται για την παραγωγή των εξόδων PWM. 106

119 Σχήμα 5.13: Το διάγραμμα του περιφερειακού Power Supply PWM [26] Οι ακόλουθοι καταχωρητές ελέγχουν τη λειτουργία του περιφερειακού [26]: PTCON PTPER SEVTCMP MDC PWMCONx PDCx PHASEx DTRx ALTDTRx 107

120 TRGCONx IOCONx FCLCONx TRIGx LEBCONx Ιδιαίτερη αναφορά χρίζουν οι καταχωρητές PTPER, PDCx και PHASEx. Ο καταχωρητής PTPER ρυθμίζει τη συχνότητα της παμλοδότησης [26]: fcy PTPER 1 f PTMR Prescaler 2 PWM (5.20) Για f CY =14,1MHz, f PWM =50kHz, PTMR Prescaler=128 προκύπτει: PTPER=18047 Για απλοποίηση των πράξεων επιλέχτηκε PTPER=17999 για το οποίο προκύπτει συχνότητα παλμοδότησης από τη σχέση (6.1): f PWM =50,133kHz Οι καταχωρητές PDCx ρυθμίζουν την τιμή του λόγου κατάτμησης: PDCx (5.21) PTPER 1 2 Για λόγο κατάτμησης δ=50% προκύπτει PDCx=9000 Οι καταχωρητές PHASEx ρυθμίζουν την καθυστέρηση φάσης των εξόδων PWM: PHASE1=0 (μηδενική καθυστέρηση φάσης) PHASE2=0,25 PTPER (καθυστέρηση φάσης 90 ο ) PHASE3=0,5 PTPER (καθυστέρηση φάσης 180 ο ) PHASE4=0,75 PTPER (καθυστέρηση φάσης 270 ο ) Μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό σήμα 10-bit H ADC μονάδα μετατρέπει οποιοδήποτε αναλογικό σήμα από 0-5V σε ψηφιακό εύρους 10-bit. 108

121 Σχήμα 5.14: Το διάγραμμα του περιφερειακού ADC [26] Η μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό ρυθμίζεται μέσω των ακόλουθων καταχωρητών ειδικού σκοπού [26]: ADCON ADSTAT ASBASE ADPCFC ADCPC0 ADCPC1 ADCPC TIMER1 Ο timer1 χρησιμοποιείται στο πρόγραμμά μας προκειμένου να ρυθμίσει τη συχνότητα δειγματοληψίας. 109

122 Σχήμα 5.15: Το διάγραμμα του περιφερειακού TIMER1 [26] Οι καταχωρητές που τον ρυθμίζουν είναι [26]: TMR1 PR1 T1CON Κώδικας Το διάγραμμα ροής του κώδικα που υλοποιήθηκε παρουσιάζεται στο σχήμα 3.2 ενώ στο Παράρτημα Γ παρατίθεται και ο αντίστοιχος κώδικας. 110

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Οι δοκιμές και τα πειράματα για την επιβεβαίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών του συστήματος έγιναν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου. Στην επόμενες εικόνες παρουσιάζεται το συνολικό σύστημα του μετατροπέα: Εικόνα 6.1: Συνολικού σύστημα μετατροπέα 6.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ Αρχικά πραγματοποιήθηκε μέτρηση με σταθερό λόγο κατάτμησης και ωμικό φορτίο ώστε να επιβεβαιωθεί η ορθή λειτουργία του μετατροπέα. Η μέτρηση έγινε για V in =90V, R=39Ω και δ=0,25. Προέκυψαν τα ακόλουθα παλμογραφήματα: 111

124 Σχήμα 6.1: Παλμοί οδήγησης mosfet (V GS ) Παρατηρείται η διαδοχική παλμοδότηση. Επίσης, φαίνεται ότι η συχνότητα παλμοδότησης είναι λίγο μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίζεται στο Κεφάλαιο 5 (52,32kHz αντί 50,133kHz). Σχήμα 6.2: Τάσεις V GS (κίτρινο) και V DS (μωβ) Σχήμα 6.3: Τάσεις V GS (κίτρινο) και V D0 (μωβ) 112

125 Σχήμα 6.4: Τάσεις V GS (κίτρινο) και V Lf (μωβ) Τα σχήματα 6.2, 6.3 και 6.4 συμφωνούν πλήρως με τη θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο

126 Σχήμα 6.5: Τάση V GS (γαλάζιο) ενός κλάδου και τα ρεύματα των τεσσάρων κλάδων (πράσινο) Από το σχήμα 6.5 επιβεβαιώνεται η διαδοχική αγωγή των κλάδων. Επίσης, παρατηρείται ότι τόσο η μέση τιμή όσο και η κυμάτωση του ρεύματος κάθε κλάδου είναι σχεδόν ίδιες που σημαίνει ότι τα πηνία που έχουν κατασκευαστεί είναι σχεδόν ίδια. Σχήμα 6.6: Τάση εξόδου 114

127 Απόδοση (%) Η θεωρητική τιμή της τάσης εξόδου είναι σύμφωνα με τη σχέση (2.5): 1 1 V o Vi , 25 =120 V Σύμφωνα με το σχήμα 6.6 προκύπτει 119V. Η μικρή διαφορά οφείλεται στη μη ιδανικότητα των στοιχείων. 6.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της απόδοσης του ανυψωτή τάσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζονται στον Πίνακα 6.1. Στο σχήμα 6.7 παρουσιάζεται το γράφημα της απόδοσης του συστήματος σε σχέση με το ισχύ εισόδου. Ισχύς εισόδου P i (W) Ισχύς εξόδου P o (W) ,840 91, ,592 93, ,870 97, ,080 97, ,450 97, ,100 97, ,420 98, ,040 97, ,600 96, ,600 95,760 Πίνακας 6.1: Πειραματικά αποτελέσματα μετρήσεων ισχύος Βαθμός απόδοσης n (%) Ισχύς εισόδου (W) Σχήμα 6.7: Απόδοση συστήματος σε σχέση με την ισχύ εισόδου Συμπεραίνουμε ότι στις χαμηλές και υψηλές ισχείς η απόδοση του μετατροπέα είναι χειρότερη απ ότι στις μεσαίες. 115

128 6.4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ Σχηματίστηκε το κύκλωμα που περιγράφεται στην ενότητα 4.4. Σαν φορτίο εξόδου συνδέθηκε παράλληλα στην ωμική αντίσταση και τροφοδοτικό συνεχούς τάσεως 120V, το οποίο ουσιαστικά προσομοιώνει τη λειτουργία του αντιστροφέα. Εφόσον η λειτουργία του ελεγκτή είναι η εξίσωση της αντίστασης R 1 με το φορτίο εξόδου αναμένεται στο MPP η τάση εισόδου του μετατροπέα να είναι η μισή της τάσης του τροφοδοτικού εισόδου. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίνακα 6.2. Vtr (V) Vi (V) Ii (A) Pi (W) ΔPi (W) (ΔPi/Pi)(%) 80 37,5-41,5-1,8-1,65-1,49 67,5-68,475-0,978 1,428 45,3 67, ,7-49,6-53,5 2,27-2,12-1,96 103, , ,86 1,413 1, ,6-61,4-65,4 2,6-2,42-2,25 147,16-148, ,15 1,438 0, ,6-69,6-73,7 3,09-2,93-2,76 202, , ,412 1,224 0, ,0-82,0-86,86 3,42-3,27-3,08 266,76-268,14-267,528 1,38 0, ,1-90,3-94,3 3,91-3,73-3,52 332, , ,936 4,883 1, ,6-98, ,45-4,26-4,05 416,52-420, ,1 6,936 1,651 Πίνακας 6.2: Πειραματικά αποτελέσματα μετρήσεων κλειστού βρόχου Παρατηρούμε ότι όντως τόσο η τάση εισόδου του μετατροπέα όσο και το ρεύμα εισόδου του άρα και η ισχύς σταθεροποιούνται γύρω από μία τιμή. Το γεγονός ότι η μέση τιμή της τάσης εισόδου είναι περίπου ίση με τη μισή της τάσης του τροφοδοτικού εισόδου επιβεβαιώνει ότι το σύστημα οδηγείται σε MPP. Επιπλέον από το τελευταίο σχήμα φαίνεται ότι η ακρίβεια του ελεγκτή είναι εξαιρετική. Στο επόμενο σχήμα δείχνεται το διάγραμμα X-Y Τάσης-Ρεύματος εισόδου του μετατροπέα για την τελευταία μέτρηση του πίνακα: 116

129 Σχήμα 6.8: Διάγραμμα Χ-Υ Τάσης-Ρεύματος εισόδου του μετατροπέα Φαίνεται ότι και τα δύο μεγέθη ταλαντώνονται γύρω από ένα σημείο. Η μεταβολή της τάσης είναι 8 V περίπου και του ρεύματος 400 ma,τα οποία συμφωνούν με τον πίνακα. Στη συνέχεια προκειμένου, να μελετηθεί ο χρόνος απόκρισης του ελεγκτή, μεταβάλλουμε ακαριαία την τάση του τροφοδοτικού από τα 180V στα 100V. Προκύπτει το ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 6.9: Τάση τροφοδοτικού (κίτρινο) και ισχύς εισόδου (κόκκινο) Παρατηρείται ότι, μετά τη μεταβολή, η ισχύς μειώνεται και σε χρόνο 800 msec ο ελεγκτής την αυξάνει στη νέα βέλτιστη τιμή της. Αυτός ο χρόνος δεδομένου ότι η μεταβολή είναι αρκετά μεγάλη αλλά και του γεγονότος ότι η ανεμογεννήτρια έχει μεγάλη αδράνεια είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικός. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται η ισχύς, η τάσης και το ρεύμα εισόδου του μετατροπέα στην τελική κατάσταση: 117

130 Σχήμα 6.10: Ισχύς εξόδου (κόκκινο), τάση εισόδου (πράσινο) και ρεύμα εισόδου (μωβ) Και από το παραπάνω σχήμα επιβεβαιώνεται ότι τάση και ρεύμα εισόδου του μετατροπέα σταθεροποιούνται γύρω από σταθερό σημείο. Το ίδιο ισχύει και για την ισχύ όμως εξαιτίας του γεγονότος ότι η μεταβολή της ισχύος είναι πολύ μικρή δεν είναι δυνατό να απεικονιστεί στο σχήμα. 6.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε ένα σύστημα διασύνδεσης μίας ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Έγινε ανάλυση και προσομοίωση των βαθμίδων που το αποτελούν, με ιδιαίτερη έμφαση στο μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος και κατασκευάστηκε. Κατά την πειραματική διαδικασία αρχικά διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία του μετατροπέα, ενώ ο βαθμός απόδοσής του κρίνεται ιδιαίτερα ικανοποιητικός. Στη συνέχεια διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία και του αλγορίθμου μέγιστης απομάστευσης ισχύος P&O με σταθερό βήμα που εφαρμόστηκε στο μετατροπέα, του οποίου η ταχύτητα απόκλισης και η ακρίβεια είναι εξαιρετικές. Στο σημείο αυτό τονίζεται ότι η επιλογή της συχνότητας δειγματοληψίας και του βήματος παίζει σημαντικό ρόλο στη σύγκλιση του αλγορίθμου. Η δειγματοληψία ανά διαστήματα στα οποία δεν έχει προλάβει να ηρεμήσει το σύστημα από την προηγούμενη μεταβολή πιθανώς να οδηγήσει σε λανθασμένη κατεύθυνση τον αλγόριθμο. Το ίδιο ισχύει αν επιλεγεί μικρό βήμα και οι μεταβολές της ισχύος γίνονται συγκρίσιμες με τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Επίσης, επιλέχτηκε να γίνει η μέτρηση της ισχύος εισόδου και όχι της ισχύος εξόδου ώστε να μη λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες του μετατροπέα και οι οποίες δημιουργούν τοπικά μέγιστα, τα οποία πιθανώς να εγκλώβιζαν τον αλγόριθμο. Τέλος ιδιαίτερο ενδιαφέρον θα παρουσίαζε η σύνδεση όλου του συστήματος που μελετήθηκε ώστε να επιτευχθεί μεταφορά ισχύος από την ανεμογεννήτρια στο δίκτυο χαμηλής τάσης. 118

131 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] Έκδοση ΕΛΕΤΑΕΝ: "Όλα όσα πρέπει να ξέρετε για την αιολική ενέργεια και δεν θέλουν να μάθετε", 2011 [3] Αντώνης Θ. Αλεξανδρίδης: "Τεχνολογίες ελέγχου στα αιολικά συστήματα", Πάτρα 2009 [4] Παναγιώτης Δ. Γρυπαίος : "Διερεύνηση της λειτουργίας και κατασκευή μονοφασικού αντιστροφέα για διασύνδεση ανεμογεννήτριας μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης", Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, 2010 [5] Ζαχαρίας Θωμάς: "Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι", Πάτρα, 2006 [6] Koutroulis E. and Kalaitzakis K.: "Design of a Maximum Power Tracking System for Wind-Energy-Conversion Applications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 2, April 2006 [7] Παπαθανασίου Α. Σταύρος: "Συμβολή στην ανάλυση ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια για την επιλογή του ηλεκτρικού σχήματος", Διδακτορική διατριβή, Ε.Μ.Π., Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Αθήνα 1997 [8] Παπαγεωργίου Κ.Δημήτριος: "Μελέτη και προσομοίωση διάταξης για τη σύνδεση ανεμογεννήτριας με ασύγχρονη μηχανή στο δίκτυο χαμηλής τάσης-κατασκευή της μονάδας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης", Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2007 [9] Μάριος Β. Ντρέκο : "Ανάλυση Λειτουργίας και Έλεγχος Συστήματος Ανεμογεννήτριας Μεταβλητών Στροφών Διασυνδεδεμένης στο Δίκτυο", Διπλωματική Εργασία, Ε.Μ.Π., Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Αθήνα, 2009 [10] Γιακουμής Ιάκωβος: "Μελέτη και κατασκευή συστήματος υβριδικού Α.Π.Ε. μικρής ισχύος αιολικής και φωτοβολταϊκής διάταξης", Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φλεβάρης

132 [11] "Whisper 100/200 Technical Specifications DOC# 0040 REV D 4-07", Southwest Windpower [12] Stephen J. Chapman: "Ηλεκτρικές Μηχανές AC-DC", Εκδόσεις Τζιόλα (μετάφραση στα ελληνικά), 3 η Έκδοση [13] L. G. Gonzalez, E. Figuerez, G. Carcera, O.Carranza "Dynamic Response Analysis of Small Wind Energy Conversion Systems (WESC) Operating with Torque Control versus Speed Control", International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 09), 2009 [14] Ν. Mohan, Τ. Undeland, W. Robbins, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», ΤΖΙΟΛΑ 1996 [15] Τατάκης Κ. Εμμανουήλ, "Ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος και βιομηχανικές εφαρμογές", πανεπιστημιακές σημειώσεις, Πάτρα 2006 [16] Τατάκης Κ. Εμμανουήλ, "Ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος και βιομηχανικές εφαρμογές", Σημειώσεις ομότιτλου μαθήματος, Πάτρα 2003 [17] Μουστακόπουλος Ιωάννης: "Μελέτη και κατασκευή διάταξης μετατροπής συνεχούς τάσεως από ενεργειακά στοιχεία (fuel cells) σε συνεχή τάση μεταβαλλόμενου εύρους προσομοίωση της διάταξης", Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβρης 2010 [18] HWI-BEOM SHINy, JONG-GYU PARKy, SUNG-DONG CHANGy and HYUN-CHIL CHOI: "Generalized analysis of multi-phase interleaved boost converter", 2004 [19] Γεώργιος Μ. Πυρρής, "Διερεύνηση της λειτουργίας συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης - κατασκευή αντιστροφέα τάσης", Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Δεκέμβριος 2012 [20] Σαφάκας Ν. Αθανάσιος: "Ηλεκτρικές Μηχανές Α ", Πάτρα 2005 [21] Κιοσκερίδης Ιωάννης: "Ηλεκτρονικά Ισχύος", ΤΖΙΟΛΑ 2008 [22] D. P. Hohm and M. E. Ropp: Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms,2003 [23] Χαράλαμπος Πάτσιος: "Συμβολή στη βελτιστοποίηση μεθοδολογιών ελέγχου συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές σε συνδυασμό με αποθήκευση ενέργειας", Διδακτορική διατριβή, Ε.Μ.Π., Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Αθήνα

133 [24] Εργαστήριο Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων, Άσκηση 206, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, 2011 [25] Unitrode, Integrated Circuits, "Power Supply Design Seminar", 2003 [26] Microchip, dspic30f2020 datasheet, [27] "MPLAB ICD 2 In-Circuit Debugger User's Guide", Microchip 121

134 122

135 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 123

136 124

137 125

138 126

139 127

140 128

141 129

142 130

143 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Σχήμα Β1: Τυπωμένο κύκλωμα μονάδας τροφοδοσίας Σχήμα Β2: Τυπωμένο κύκλωμα με μικροελεγκτή και ακόλουθο τάσης 131

144 Σχήμα Β3: Τυπωμένο κυκλώματος ισχύος, μετρητικών και τμήματος του κυκλώματος παλμοδότησης 132