ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΙΑΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Transcript

1 ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΙΑΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΙΩΑΝΝΗ Ι. ΠΕΡΠΙΝΙΑ ΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ: 335 ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2016

2 Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ιωάννης Περπινιάς 2016 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώµατος

3

4

5 Ευχαριστώ θερµά τους γονείς µου, Ιωσήφ και Μαρία, καθώς και τον αδερφό µου Ευστράτιο- Αλέξανδρο για την αµέριστη συµπαράστασή τους και για την προσπάθεια µιας ζωής προκειµένου να ολοκληρώσω τις σπουδές µου και να καταλήξω στην εκπόνηση αυτής της ιδακτορικής ιατριβής. Θέλω επίσης, να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που στάθηκαν δίπλα µου συµµετέχοντας στις αγωνίες µου καθώς και στις ευχάριστες και στις δύσκολες στιγµές σε όλη τη διάρκεια αυτής της προσπάθειας.

6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Η εργασία αυτή πραγµατεύεται το σχεδιασµό και τον έλεγχο των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος που διασυνδέουν Φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήµατα µε το δίκτυο χαµηλής τάσης, έτσι ώστε σε περίπτωση σφάλµατος να ανταποκρίνονται κατάλληλα, σύµφωνα µε τις απαιτήσεις των νέων κωδικών δικτύου, ακόµα και υπό συνθήκες υψηλού επιπέδου διείσδυσης. Οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς που διασυνδέουν τις Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) µε το δίκτυο αποτελούν δοµικό στοιχείο των Φ/Β συστηµάτων αλλά και όλων των ειδών ΑΠΕ και είναι επιφορτισµένοι, µέσω κατάλληλων τεχνικών ελέγχου, για την οµαλή σύνδεση των ΑΠΕ στο δίκτυο και την προσφορά ισχύος σ αυτό. Ειδικότερα, στην περίπτωση διαταραχών του δικτύου, ο έλεγχος των ηλεκτρονικών µετατροπέων διαδραµατίζει καθοριστικό ρόλο στην απόκριση των ΑΠΕ όσον αφορά την παραµονή τους ή όχι στο δίκτυο για το διάστηµα της διαταραχής. Μέχρι πρόσφατα, τα διεθνή πρότυπα διασύνδεσης ΑΠΕ στο ηλεκτρικό δίκτυο προέβλεπαν την άµεση αποσύνδεση των ΑΠΕ σε περίπτωση κάποιας διαταραχής στο σηµείο διασύνδεσης, ώστε η επίδραση των ΑΠΕ να µην επηρεάζει επιβλαβώς τη λειτουργία του δικτύου. Εποµένως, η φιλοσοφία αυτή έθετε µεγάλους περιορισµούς στο επίπεδο διείσδυσης, διότι σε περίπτωση ταυτόχρονης αποσύνδεσης πολλών ΑΠΕ, θα προέκυπταν σοβαρά ζητήµατα ευστάθειας στο δίκτυο. Όµως, την τελευταία δεκαετία διενεργείται σηµαντική ερευνητική προσπάθεια για την οµαλή ένταξη αυξηµένης διείσδυσης των ΑΠΕ στο ηλεκτρικό δίκτυο και για την κατάλληλη απόκρισή τους σε περίπτωση διαταραχών του δικτύου, µε στόχο την παραµονή σε αυτό για ορισµένο χρονικό διάστηµα και την υποστήριξή του. Προς την κατεύθυνση αυτή, έχουν εισαχθεί, από τις διάφορες ενεργειακές αγορές σε παγκόσµιο επίπεδο, νέοι κώδικες δικτύου σε συνθήκες διαταραχών. Οι νέοι κώδικες αυτοί αναφέρονταν αρχικά στα επίπεδα της υψηλής και µέσης τάσης, όµως τα τελευταία 3 4 χρόνια έχουν επεκταθεί και στη χαµηλή τάση. Η έρευνα που πραγµατοποιείται στα πλαίσια αυτής της διατριβής επικεντρώνεται σε Φ/Β συστήµατα ισχύος 1 20kW, τα οποία συνδέονται στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η συνεχής τεχνολογική ανάπτυξη των Φ/Β συστηµάτων χαµηλής ισχύος και η ευελιξία τους να τοποθετούνται σε στέγες ή και προσόψεις κτιρίων µε ελάχιστο κόστος συντήρησης, προσφέρει µεγάλες προοπτικές για την περαιτέρω εξάπλωσή τους στο δίκτυο διανοµής των αστικών περιοχών. εδοµένης της εκτενούς βιβλιογραφίας σε θέµατα όπως οι I

8 αλγόριθµοι εύρεσης του σηµείου µέγιστης ισχύος µε ή χωρίς σκίαση Φ/Β πλαισίων και ο έλεγχος αντινησιδοποίησης, το αντικείµενο της παρούσας διατριβής εστιάζεται στην κατάλληλη απόκριση των Φ/Β συστηµάτων χαµηλής τάσης σε συνθήκες σφάλµατος του δικτύου, µε γνώµονα την επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης Φ/Β συστηµάτων, συνεπάγεται και την παραµονή τους στο δίκτυο σε συνθήκες σφάλµατος για ορισµένο χρονικό διάστηµα, κατά το οποίο οφείλουν να υποστηρίζουν το δίκτυο. Αυτή η συµπεριφορά παραπέµπει στις συµβατικές σύγχρονες γεννήτριες ενός κλασσικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίες παραµένουν συνδεδεµένες για ορισµένο χρονικό διάστηµα σε περίπτωση πτώσης τάσης και συνεισφέρουν µεγαλύτερο ρεύµα από το ονοµαστικό τους κατά τη διάρκεια της διαταραχής. Με βάση το σκεπτικό αυτό, εξετάζεται ως πρώτο βήµα η εφαρµογή της προαναφερθείσας ιδέας σε συνθήκες σφάλµατος και στους Φ/Β µετατροπείς. Είναι προφανές ότι δηµιουργούνται αρκετά ζητήµατα προς διερεύνηση, τα οποία θα αναλυθούν στα πλαίσια της παρούσας ιδακτορικής διατριβής. Αρχικά, διερευνάται ο έλεγχος των Φ/Β συστηµάτων, ώστε να συµπεριφέρονται ως σύγχρονες γεννήτριες σε περίπτωση σφάλµατος. Σε πρώτη φάση, η υπό διερεύνηση µεθοδολογία ελέγχου χρησιµοποιείται για την εξαγωγή αναλυτικών τύπων υπολογισµού των τάσεων των ζυγών και των ρευµάτων των Φ/Β µετατροπέων σε περίπτωση µόνιµου τριφασικού σφάλµατος σε οποιοδήποτε ζυγό ενός τυπικού ακτινικού δικτύου διανοµής. Κατόπιν, ενσωµατώνοντας τη θεωρητική ανάλυση σε λογισµικό προγραµµατισµού, διενεργούνται τριφασικά σφάλµατα σε διάφορους ζυγούς µε παραµέτρους το επίπεδο διείσδυσης, τη διασπορά και την εµπέδηση που εµπεριέχεται στους αντιστροφείς των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών. Τα αποτελέσµατα της ανάλυσης ροής φορτίου κατά το σφάλµα αξιολογούνται και εξάγονται χρήσιµα συµπεράσµατα για την επίδραση αυτών των παραµέτρων στην απόκριση των Φ/Β µονάδων και των ηλεκτρικών µεγεθών του δικτύου σε περίπτωση µόνιµου τριφασικού σφάλµατος. Στη συνέχεια, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασµός των διεσπαρµένων Φ/Β µονάδων µε στόχο την κατά το δυνατό µεγαλύτερη χρονικά παραµονή τους στο δίκτυο σε περίπτωση τριφασικού σφάλµατος. Με τον τρόπο αυτό διερευνάται η ικανότητα επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β µονάδων χαµηλής τάσης σε ακτινικό δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Ο σχεδιασµός διενεργείται µέσω κατάλληλου αλγορίθµου βελτιστοποίησης, ο οποίος II

9 λαµβάνει υπόψη του τους περιορισµούς των διεσπαρµένων Φ/Β µονάδων που αφορούν τη συνεισφορά τους στο σφάλµα. Σε επόµενο στάδιο σχεδιάζεται, µοντελοποιείται και αναλύεται η µεθοδολογία ελέγχου ενός πλήρους Φ/Β συστήµατος αποτελούµενου από Φ/Β συστοιχία ισχύος 6kWp και αντιστροφέα, το οποίο συνδέεται σε δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης και τροφοδοτεί ένα φορτίο. Συγκεκριµένα, πιστοποιείται, µέσω προσοµοίωσης, η ορθή λειτουργία του σε µόνιµη κατάσταση, τόσο σε σταθερές, όσο και σε µεταβαλλόµενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Κατόπιν, ο έλεγχος εµπλουτίζεται µε κατάλληλες προσθήκες, έτσι ώστε κάθε Φ/Β σύστηµα να αποκρίνεται κατάλληλα και σε περιπτώσεις σφαλµάτων του ζυγού διασύνδεσης µε το δίκτυο. Με τον διαφοροποιηµένο αυτόν έλεγχο επιτυγχάνεται η ορθή λειτουργία του Φ/Β συστήµατος δεδοµένων των εγγενών περιορισµών που τίθενται από τη συµπεριφορά των Φ/Β συστοιχιών και του µετατροπέα, ενώ παράλληλα ικανοποιείται και η απαίτηση FRTC, µε έµφαση στην έγχυση αέργου ισχύος στο σηµείο διασύνδεσης κατά τη διάρκεια του σφάλµατος. Επιπλέον, µελετώνται η µεταβατική και µόνιµη απόκριση του Φ/Β συστήµατος σε σφάλµα για διάφορες τιµές της εµπέδησης που εµπεριέχεται στον αντιστροφέα και αναφέρονται τα συγκριτικά πλεονεκτήµατα της προτεινόµενης µεθόδου σε σχέση µε άλλες που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Τέλος, η προτεινόµενη µέθοδος ελέγχου εφαρµόζεται σε ένα ακτινικό δίκτυο διανοµής µε την παρουσία πολλαπλών Φ/Β συστηµάτων, αναδεικνύοντας τις θετικές επιδράσεις υιοθέτησης του προτεινόµενου βελτιωµένου ελέγχου, όσον αφορά την παραµονή των Φ/Β συστηµάτων στο δίκτυο µετά από σφάλµα και την προοπτική επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των µονάδων αυτών. Η εργασία περιλαµβάνει την εισαγωγή και δέκα (10) κεφάλαια: Στην Εισαγωγή παρουσιάζονται οι λόγοι ανάπτυξης των ΑΠΕ και περιγράφονται οι δυνατότητες που µπορεί να προσφέρει η διεσπαρµένη παραγωγή, τόσο στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο αλλά και στους χρήστες αυτού. Εκτενέστερη αναφορά γίνεται στα διασυνδεδεµένα Φ/Β συστήµατα χαµηλής τάσης που χρησιµοποιούνται σε κτιριακές εγκαταστάσεις και αποτελούν το κύριο αντικείµενο της εργασίας. Τέλος, επισηµαίνονται οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται, εν συντοµία, τα είδη και οι εφαρµογές των ΑΠΕ µε έµφαση στην ηλεκτροπαραγωγή, ενώ παρατίθενται πρόσφατα στοιχεία σχετικά µε τη διείσδυσή τους στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, αναλύεται η τεχνολογία της διεσπαρµένης παραγωγής στα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία προέρχεται, κυρίως, III

10 από ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες ΑΠΕ, ενώ παρατίθενται και οι επιπτώσεις της περαιτέρω διείσδυσης των µονάδων αυτών µε έµφαση στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται αναλυτικά οι δοµικές µονάδες των Φ/Β συστηµάτων, καθώς και οι εφαρµογές τους, µε έµφαση στα Φ/Β συστήµατα που συνδέονται στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης, τα οποία προσφέρουν µεγάλη ευελιξία στην εγκατάστασή τους σε εξωτερικές επιφάνειες ιδιωτικών και δηµόσιων κτιρίων. Ειδικότερα, αναφέρονται οι δοµικές µονάδες που συγκροτούν το Φ/Β σύστηµα, οι δυνατοί τρόποι σύνδεσης των Φ/Β πλαισίων, καθώς και τα χαρακτηριστικά και οι επιµέρους λειτουργίες των ηλεκτρονικών µετατροπέων µέσω των οποίων συνδέεται η Φ/Β συστοιχία µε το δίκτυο. Τέλος, παρουσιάζονται οι κανονισµοί και τα πρότυπα που διέπουν τη λειτουργία και την εγκατάσταση όλων των µονάδων του Φ/Β συστήµατος στο δίκτυο χαµηλής τάσης. Στο Κεφάλαιο 3 επιχειρείται αρχικά µια ανασκόπηση των παραδοσιακών κανόνων λειτουργίας των διεσπαρµένων µονάδων σε περίπτωση σφάλµατος, δίνοντας έµφαση στα διασυνδεδεµένα Φ/Β συστήµατα χαµηλής τάσης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι αναθεωρηµένοι (της τελευταίας δεκαετίας) κώδικες δικτύου (standards) διάφορων ενεργειακών αγορών σε παγκόσµιο επίπεδο, µε τους οποίους εισάγεται σε υψηλής ισχύος µονάδες διεσπαρµένης παραγωγής η απαίτηση της ικανότητας αδιάλειπτης λειτουργίας σε βύθιση της τάσης (σφάλµα) του δικτύου. Ο όρος στη διεθνή βιβλιογραφία συναντάται ως Low Voltage Ride Through Capability (LVRTC) ή ως Fault Ride Through Capability (FRTC). Πρέπει να σηµειωθεί ότι τα πρότυπα αυτά αφορούν το δίκτυο υψηλής και µέσης τάσης. Τέλος, παρουσιάζονται οι πρόσφατες εξελίξεις που αφορούν τους νεοεισαχθέντες κανονισµούς ορισµένων ενεργειακών αγορών για το δίκτυο χαµηλής τάσης και ιδίως αυτούς που αφορούν τα Φ/Β συστήµατα. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται αρχικά οι σχεδιαστικές προκλήσεις που εγείρονται από την εφαρµογή της απαίτησης FRTC σε διεσπαρµένες Φ/Β µονάδες που συνδέονται σε ακτινικά δίκτυα διανοµής χαµηλής τάσης. Έχοντας υπόψη τη συµπεριφορά των κλασσικών γεννητριών σε υψηλότερα επίπεδα τάσης όσον αφορά την ικανοποίηση της απαίτησης FRTC, σε περίπτωση διαταραχής του δικτύου, προτείνεται να διερευνηθεί η συµπεριφορά των Φ/Β συστηµάτων ΧΤ όταν ελέγχονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η λειτουργική τους συµπεριφορά, κατά τη διάρκεια διαταραχών, να είναι παρόµοια µε αυτή των συµβατικών γεννητριών. Καταρχήν, επισηµαίνονται τα πλεονεκτήµατα που απορρέουν από αυτήν τη συµπεριφορά και τονίζεται η ιδιότητα της επιλεκτικότητας (selectivity) των γεννητριών σε περίπτωση IV

11 σφάλµατος, ανάλογα µε την πτώση τάσης στο σηµείο διασύνδεσης, καθώς και η δυνατότητα υποστήριξης του δικτύου κατά το σφάλµα. Στη συνέχεια, για ένα τυπικό ακτινικό δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης εξάγονται αναλυτικοί τύποι υπολογισµού των τάσεων των ζυγών και των ρευµάτων των Φ/Β µετατροπέων σε περίπτωση µόνιµου τριφασικού σφάλµατος σε οποιοδήποτε ζυγό του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 5, για την περίπτωση ενός τυπικού ακτινικού δικτύου διανοµής χαµηλής τάσης του ελληνικού συστήµατος και χρησιµοποιώντας τους αναλυτικούς τύπους που προέκυψαν στο προηγούµενο κεφάλαιο, διερευνάται η συµπεριφορά των διεσπαρµένων Φ/Β συστηµάτων όταν ελέγχονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η λειτουργική τους συµπεριφορά, κατά τη διάρκεια ενός µόνιµου τριφασικού βραχυκυκλώµατος, να είναι παρόµοια µε αυτή των συµβατικών γεννητριών. Ως παράµετροι της διερεύνησης χρησιµοποιούνται το επίπεδο διείσδυσης, η διασπορά και η εµπέδηση της επαγωγής που εµπεριέχεται στο µετατροπέα των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών. Επιπλέον µελετάται η δυνατότητα ικανοποίησης της απαίτησης FRTC. Η ανάλυση των αποτελεσµάτων οδηγεί στην εξαγωγή σηµαντικών συµπερασµάτων για την επίδραση αυτών των παραµέτρων στην απόκριση των Φ/Β µονάδων και των ηλεκτρικών µεγεθών του δικτύου σε περίπτωση µόνιµου τριφασικού σφάλµατος. Στο Κεφάλαιο 6 διερευνάται η ικανότητα επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β µονάδων χαµηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Για το λόγο αυτό, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασµός των Φ/Β µονάδων µε παραµέτρους την τιµή της εµπέδησης που εµπεριέχεται στο µετατροπέα, καθώς και το επίπεδο διείσδυσης, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η µέγιστη δυνατή τάση στους ζυγούς διασύνδεσης των Φ/Β µονάδων, κατά τη διάρκεια ενός µόνιµου σφάλµατος σε οποιοδήποτε ζυγό του δικτύου διανοµής. Με τον τρόπο αυτό πραγµατοποιείται η όσο το δυνατόν µεγαλύτερη επιµήκυνση του χρόνου παραµονής των Φ/Β µονάδων στο δίκτυο, σύµφωνα µε την απαίτηση FRTC. Λαµβάνοντας υπόψη τα αποτελέσµατα της βελτιστοποίησης και τους περιορισµούς που τίθενται, προτείνεται κατάλληλος σχεδιασµός του µετατροπέα, ούτως ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τίθενται από τους νέους κώδικες δικτύου. Στο Κεφάλαιο 7 σχεδιάζεται, µοντελοποιείται και αναλύεται η µεθοδολογία ελέγχου ενός πλήρους Φ/Β συστήµατος αποτελούµενου από Φ/Β συστοιχία ισχύος 6kWp και αντιστροφέα, το οποίο συνδέεται σε δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης και τροφοδοτεί ένα φορτίο. Ο σχεδιασµός αυτός, που βασίζεται σε εκτενή βιβλιογραφική αναζήτηση, έχει ως στόχο την ορθή λειτουργία του Φ/Β συστήµατος σε µόνιµη κατάσταση. Ειδικότερα, περιγράφεται και V

12 προσοµοιώνεται η διαδικασία συγχρονισµού και ελέγχου του Φ/Β συστήµατος σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας. Με τον τρόπο αυτό, πιστοποιείται η ορθή λειτουργία του τόσο σε µόνιµη κατάσταση όσο και σε περιπτώσεις µεταβολής των περιβαλλοντικών συνθηκών. Στο Κεφάλαιο 8 προτείνεται σηµαντικές προσθήκες στον έλεγχο µόνιµης κατάστασης, ώστε το κάθε Φ/Β σύστηµα να αποκρίνεται κατάλληλα και σε µεταβατικές καταστάσεις, που οφείλονται σε σφάλµατα στο ζυγό. Με τον τροποποιηµένο αυτόν έλεγχο επιτυγχάνεται λειτουργία του Φ/Β συστήµατος εντός των ενδογενών περιορισµών που ανακύπτουν από τη συµπεριφορά των Φ/Β συστοιχιών και του µετατροπέα, ενώ παράλληλα ικανοποιείται και η απαίτηση FRTC, µε έµφαση στην έγχυση αέργου ισχύος στο σηµείο διασύνδεσης κατά τη διάρκεια της διαταραχής. Στη συνέχεια, αναλύεται η µεταβατική απόκριση του συστήµατος για διάφορες περιπτώσεις σφάλµατος, καθώς και κατά την επαναφορά της στα αρχικά επίπεδα λειτουργίας. Τέλος, παρατίθενται τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την εφαρµογή του προτεινόµενου ελέγχου σε αντιπαραβολή µε άλλες µεθόδους, που έχουν παρουσιασθεί στη βιβλιογραφία. Στο Κεφάλαιο 9 η προταθείσα βελτιωµένη µέθοδος ελέγχου εφαρµόζεται σε ένα ακτινικό δίκτυο διανοµής µε την παρουσία πολλαπλών διεσπαρµένων Φ/Β συστηµάτων, για διαφορετικές τιµές της επαγωγής που εµπεριέχεται στους Φ/Β αντιστροφείς. Ο στόχος της συγκεκριµένης ανάλυσης έγκειται στην ανάδειξη των θετικών επιδράσεων εφαρµογής του προτεινόµενου βελτιστοποιηµένου ελέγχου, όσον αφορά την απόκριση και την παραµονή των Φ/Β συστηµάτων στο δίκτυο µετά από σφάλµα. Τέλος, στο Κεφάλαιο 10 γίνεται µία ανακεφαλαίωση της εργασίας, συνοψίζονται τα πρωτότυπα σηµεία αυτής και αναδεικνύεται η συµβολή της στην επιστηµονική περιοχή των διασυνδεδεµένων µε τα δίκτυα διανοµής χαµηλής τάσης Φ/Β µονάδων. Τέλος, καταγράφονται προτάσεις για µελλοντική έρευνα επί του θέµατος. Στο σηµείο αυτό, θα ήθελα να εκφράσω τις θερµές ευχαριστίες µου προς τον κ. Εµµανουήλ Τατάκη, Καθηγητή, επιβλέποντα της διδακτορικής διατριβής, για τη δυνατότητα που µου έδωσε να εκπονήσω αυτή την εργασία, καθώς επίσης και για την αµέριστη ηθική υποστήριξή του σε δύσκολες στιγµές και τις καθοριστικές επιστηµονικές παρεµβάσεις του σε όλη τη διάρκεια της εργασίας. VI

13 Επίσης ευχαριστώ θερµά τον κ. Σταύρο Παπαθανασίου, Αναπληρωτή Καθηγητή, µέλος της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής, για τις καίριες υποδείξεις του και τη βοήθειά του στη βελτίωση του τελικού κειµένου της διατριβής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω θερµά τον κ. Γαβριήλ Γιαννακόπουλο, Καθηγητή, µέλος της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής, για τις ουσιαστικές υποδείξεις και παρατηρήσεις του. Τέλος, ευχαριστώ θερµά τον κ. Νικόλαο Παπανικολάου, Επίκουρο Καθηγητή, για τις επιστηµονικές παρεµβάσεις του, τις ιδέες του και το ενδιαφέρον του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Αισθάνοµαι την ανάγκη επίσης να ευχαριστήσω τους συνάδελφους µεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και το µόνιµο προσωπικό του Εργαστηρίου για την αρµονική συνεργασία που είχαµε όλα αυτά τα χρόνια. VII

14 VIII

15 Περιεχόµενα Περιεχόµενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΧΟΙ... 7 Ε.1. Περιβάλλον και Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ)... 7 Ε.2. ΑΠΕ και Συστήµατα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ)... 9 Ε.3. Στόχοι Παρούσας ιατριβής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Εισαγωγή Είδη ΑΠΕ και Εφαρµογές τους Υφιστάµενη κατάσταση στις ΑΠΕ και προοπτικές Ανασκόπηση των ΣΗΕ και σηµερινή κατάσταση Παραδοσιακά ΣΗΕ κεντρικοποιηµένης παραγωγής και σχετικά ζητήµατα ιεσπαρµένη Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Ορισµός Τεχνολογίες µονάδων ιεσπαρµένης Παραγωγής Μονάδες αποθήκευσης ενέργειας Οφέλη ενσωµάτωσης µονάδων διεσπαρµένης παραγωγής στα ΣΗΕ Ζητήµατα αυξηµένης διείσδυσης µονάδων διεσπαρµένης παραγωγής στα ΣΗΕ Εµπορικά και οικονοµικά θέµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΟΜΙΚΕΣ ΜΟΝΑ ΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Φωτοβολταϊκά κύτταρα Φωτοβολταϊκά πλαίσια Εισαγωγή Μοντελοποίηση-Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Ηλεκτρονικοί µετατροπείς για τη διασύνδεση Φ/Β συστηµάτων µε το δίκτυο Εναλλασσόµενου ρεύµατος

16 Περιεχόµενα Απαιτήσεις για τη σύνδεση µε το δίκτυο Απαιτήσεις για τη λειτουργία της Φ/Β γεννήτριας Βαθµίδες διασυνδεδεµένων Φ/Β ηλεκτρονικών µετατροπέων Εφαρµογές Φ/Β συστηµάτων Αυτόνοµα Φ/Β συστήµατα ιασυνδεδεµένα Φ/Β συστήµατα Τεχνολογίες διασύνδεσης κτιριακών Φ/Β συστηµάτων στο δίκτυο χαµηλής τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΚΩ ΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ Εισαγωγή Προέλευση και χαρακτηριστικά διαταραχών τάσης στα ΣΗΕ Ανασκόπηση των αρχικών προτύπων λειτουργίας των µονάδων Π αναφορικά µε διαταραχές του δικτύου Νέοι κώδικες για τη διασύνδεση µονάδων διεσπαρµένης παραγωγής µε το δίκτυο Γενικά χαρακτηριστικά και εξέλιξη Απαιτήσεις σε µόνιµη κατάσταση λειτουργίας Απαίτηση για ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας σε πτώση τάσης του δικτύου Αναθεώρηση προτύπων διασύνδεσης διεσπαρµένων γεννητριών µέσης και χαµηλής τάσης σύµφωνα µε τους νέους κώδικες δικτύου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΩΝ Φ/Β ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΕ ΑΚΤΙΝΙΚΑ ΙΚΤΥΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΙΚΑΝΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΑΙΤΗΣΗΣ FRTC Εισαγωγή Αρχές σχεδιασµού των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών χαµηλής τάσης για την ικανοποίηση της απαίτηση FRTC ιερεύνηση ελέγχου των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών για την ικανοποίηση της απαίτησης FRTC Θεωρητική ανάλυση σε ακτινικό δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης και σχεδιασµός των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών για την ικανοποίηση της απαίτησης FRTC

17 Περιεχόµενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΑΚΤΙΝΙΚΟΥ ΙΚΤΥΟΥ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΕΣ Φ/Β ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΣΕ ΕΝΑ ΖΥΓΟ Εισαγωγή Χαρακτηριστικά του υπό εξέταση ακτινικού δικτύου διανοµής χαµηλής τάσης ιερεύνηση συµπεριφοράς ακτινικού δικτύου διανοµής µε Φ/Β γεννήτριες ΧΤ µε παραµέτρους την εµπέδηση των Φ/Β αντιστροφέων και το επίπεδο διασποράς ιερεύνηση συµπεριφοράς ακτινικού δικτύου διανοµής µε Φ/Β γεννήτριες ΧΤ µε παραµέτρους την εµπέδηση των Φ/Β αντιστροφέων και το ποσοστό διείσδυσης Εξαγόµενα συµπεράσµατα και προτάσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΩΝ Φ/Β ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΕ ΙΚΤΥΑ ΙΑΝΟΜΗΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΤΗΝ ΕΠΙΤΕΥΞΗ ΥΨΗΛΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΙΕΣ ΥΣΗΣ Εισαγωγή Μέθοδοι και εφαρµογές βελτιστοποίησης στην ένταξη µονάδων Π στα δίκτυα διανοµής Πρόταση βέλτιστου σχεδιασµού διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών σε δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης Αποτελέσµατα βελτιστοποίησης και συµπεράσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Εισαγωγή Μοντελοποίηση και διαστασιολόγηση των συνιστωσών του Φ/Β συστήµατος Μοντελοποίηση Φ/Β συστοιχίας Μοντελοποίηση Φωτοβολταϊκού αντιστροφέα διασύνδεσης µε το δίκτυο ιαστασιολόγηση του υπό µελέτη Φ/Β συστήµατος Έλεγχος διασυνδεδεµένων Φ/Β συστηµάτων σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας Ανασκόπηση βιβλιογραφίας Μέθοδοι ελέγχου MPPT σε Φ/Β συστήµατα

18 Περιεχόµενα Έλεγχος ισχύος εξόδου διασυνδεδεµένων Φ/Β συστηµάτων Έλεγχος του υπό µελέτη Φ/Β συστήµατος σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας Συγχρονισµός του υπό µελέτη Φ/Β συστήµατος µε το δίκτυο Έλεγχος MPPT και ρεύµατος εξόδου του υπό µελέτη Φ/Β συστήµατος Ανάλυση του Φ/Β συστήµατος σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας Λειτουργία υπό σταθερή ακτινοβολία Λειτουργία υπό µεταβαλλόµενο προφίλ ακτινοβολίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΙΚΤΥΟΥ Εισαγωγή Ανασκόπηση ελέγχων σε Φ/Β συστήµατα χαµηλής τάσης µετά από σφάλµα στο δίκτυο Προτεινόµενος έλεγχος ενός Φ/Β συστήµατος χαµηλής τάσης σε περίπτωση σφάλµατος Ανίχνευση σφάλµατος Αναλυτική περιγραφή προτεινόµενου ελέγχου Προσοµοιώσεις και σχολιασµός αποτελεσµάτων ιερεύνηση λειτουργίας για πτώση τάσης στο PCC 40% ιερεύνηση λειτουργίας για πτώση τάσης στο PCC 80% Συµπεράσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΑΚΤΙΝΙΚΟΥ ΙΚΤΥΟΥ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΕΣ Φ/Β ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Υπό µελέτη δίκτυο διανοµής µε την παρουσία πολλαπλών Φ/Β συστηµάτων Αποτελέσµατα προσοµοίωσης και σχολιασµός τους ιερεύνηση λειτουργίας για πτώση τάσης 40% στον ζυγό PCC ιερεύνηση λειτουργίας για πτώση τάσης 80% στον ζυγό PCC Συµπεράσµατα

19 Περιεχόµενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΣΥΜΒΟΛΗ Ανακεφαλαίωση Συµβολή της παρούσας εργασίας Μελλοντική έρευνα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙI ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙΙ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙV ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ V ΠΕΡΙΛΗΨΗ SUMMARY

20 Περιεχόµενα 6

21 Εισαγωγή - Στόχοι ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΧΟΙ Ε.1. Περιβάλλον και Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας βασιζόταν µέχρι πρόσφατα αποκλειστικά σε ορυκτές πρώτες ύλες, όπως ο λιγνίτης, ο άνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Όµως το πεπερασµένο δυναµικό των οργανικών αυτών καυσίµων σε συνδυασµό µε τη συνεχή αύξηση του πληθυσµού άρα και των ενεργειακών αναγκών σε παγκόσµιο επίπεδο, καθιστούν την εκµετάλλευση εναλλακτικών πηγών ενέργειας επιτακτική. Επιπλέον, τα παραπροϊόντα των συµβατικών θερµοηλεκτρικών σταθµών παραγωγής, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, επιβαρύνουν σηµαντικά το περιβάλλον προκαλώντας επιβλαβείς αλλοιώσεις στην κλιµατική συµπεριφορά. Αυτές οι κλιµατικές µεταβολές αναφέρονται ως φαινόµενο του θερµοκηπίου, το οποίο περιγράφει την υπερθέρµανση της γης λόγω των ρύπων που οφείλονται στον ανθρώπινο παράγοντα. Για την ανάσχεση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, το 1997 στην πόλη Κυότο της Ιαπωνίας, οι αναπτυγµένες βιοµηχανικά χώρες συµφώνησαν στην εφαρµογή µιας δεσµευτικής συµφωνίας, η οποία είναι γνωστή ως πρωτόκολλο του Κυότο [1]. Το πρωτόκολλο προέβλεπε αρχικά τη µείωση κατά 5.2% (σε σχέση µε το 1990) των εκποµπών έξι αερίων που ευθύνονται για το φαινόµενο του θερµοκηπίου και η πρώτη περίοδος εφαρµογής διήρκησε από το 2008 έως το Η δεύτερη περίοδος ξεκίνησε το 2013 και εκτείνεται έως το Με βάση την πρόσφατη συµφωνία του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου των κρατών-µελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Ε.Ε), ο στόχος για τη µείωση των εκποµπών ορίστηκε στο 18% σε σχέση µε τα επίπεδα του 1990 [2]. Όπως γίνεται αντιληπτό, οι εγγενείς αδυναµίες και οι βλαβερές συνέπειες των συµβατικών πηγών ενέργειας έχουν οδηγήσει την παγκόσµια κοινότητα σε αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας φιλικών προς το περιβάλλον. Μια λύση στο ενεργειακό πρόβληµα είναι η χρήση της πυρηνικής ενέργειας, η οποία δε στηρίζεται στην καύση ορυκτών καυσίµων, εποµένως δεν επιτείνει το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Παρ όλα αυτά, η πυρηνική διάσπαση (σχάση) των ατόµων ουρανίου που χρησιµοποιούνται ως πρώτη ύλη, δηµιουργεί ραδιενεργά απόβλητα, εποµένως δε µπορεί να θεωρηθεί καθαρή ενέργεια. Επιπλέον, το ουράνιο είναι µη ανανεώσιµο, οπότε στο µακρινό µέλλον θα εκλείψει ως πρώτη ύλη. Η πυρηνική ενέργεια θα καταστεί απεριόριστη και πιο ελκυστική αν επιτευχθεί από τους επιστήµονες πυρηνική σύντηξη, δεδοµένου ότι το καύσιµο που απαιτείται είναι το υδρογόνο, το οποίο µπορεί να 7

22 Εισαγωγή - Στόχοι παραχθεί σε πρακτικά ανεξάντλητες ποσότητες µε υδρόλυση του νερού. Επιπλέον, η σύντηξη δε δηµιουργεί µακρόβια πυρηνικά απόβλητα. Σε κάθε περίπτωση, ο αντίλογος στη χρήση πυρηνικής ενέργειας προκύπτει όχι µόνο από το πολύ υψηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης των σταθµών παραγωγής, αλλά κυρίως από τους κινδύνους που ενέχει και µάλιστα µε µη αναστρέψιµες συνέπειες σε περιπτώσεις ατυχηµάτων [3]. Ένα καύσιµο που χρησιµοποιείται τελευταία στην ηλεκτροπαραγωγή είναι το υδρογόνο. Το υδρογόνο προέρχεται κατά κύριο λόγο από την επεξεργασία ορυκτών καυσίµων, όπως το φυσικό αέριο και µπορεί να αξιοποιηθεί σε ηλεκτροπαραγωγικούς σταθµούς από κυψέλες καυσίµου, ως µία πολύ φιλικότερη πηγή παραγωγής ενέργειας ως προς το περιβάλλον συγκριτικά µε τους παραδοσιακούς σταθµούς. Αυτό συµβαίνει, διότι οι εκποµπές βλαβερών αερίων στις κυψέλες καυσίµου είναι σηµαντικά µικρότερες από αυτές ενός συµβατικού σταθµού καύσης λιγνίτη, διότι οφείλονται µόνο στην µέθοδο παραγωγής του υδρογόνου. Επιπρόσθετα, το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί µέσω αεριοποίησης βιοµάζας ή ηλεκτρόλυσης νερού, εποµένως διαθέτει πολύ µεγαλύτερα αποθέµατα σε σχέση µε το λιγνίτη και το φυσικό αέριο. Μάλιστα, στην περίπτωση της εξαγωγής υδρογόνου µέσω ηλεκτρόλυσης νερού µε την απαιτούµενη ενέργεια να προέρχεται από ανανεώσιµες πηγές, οι κυψέλες καυσίµου θεωρούνται «καθαρές» µορφές ενέργειας διότι δεν παράγουν ρύπους. Συµπερασµατικά, υπάρχουν σηµαντικές προοπτικές ανάπτυξης σταθµών ηλεκτροπαραγωγής µε καύσιµο το υδρογόνο, όµως µέχρι στιγµής το υψηλό κόστος δεν ευνοεί την κατασκευή µονάδων κυψελών καυσίµου κλίµακας µεγαλύτερης των 50MW. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσµα η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς να παραµένει σε πολύ χαµηλά επίπεδα συγκριτικά µε τους παραδοσιακούς σταθµούς [4]. Εναλλακτική επιλογή ενέργειας των συµβατικών µεθόδων αποτελούν οι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Ως ΑΠΕ ορίζονται οι µη ορυκτές πηγές ενέργειας, οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στη φύση, όπως η ηλιακή, η αιολική, η υδροηλεκτρική, η κυµατική, η παλιρροϊκή, η γεωθερµική και η ενέργεια από βιοµάζα. Οι ΑΠΕ είναι καθαρές µορφές ενέργειας και θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον, διότι τουλάχιστον άµεσα είτε δεν παράγουν τοξικά αέρια είτε τα προϊόντα της καύσης τους δε συνεισφέρουν στο φαινόµενο του θερµοκηπίου (ενέργεια από βιοµάζα). Παρ όλα αυτά, υπάρχουν σε ορισµένες περιπτώσεις κάποιες έµµεσες εκποµπές βλαβερών αερίων, οι οποίες προκύπτουν κατά τη διάρκεια κατασκευής της µονάδας και κατά τις διαδικασίες εκµετάλλευσης και µεταφοράς της προκύπτουσας ενέργειας. Σε κάθε περίπτωση όµως, οι προαναφερθείσες έµµεσες εκποµπές επιβλαβών αερίων είναι πολύ µικρότερες και πρακτικά θεωρούνται αµελητέες συγκριτικά µε τις άµεσες εκποµπές των 8

23 Εισαγωγή - Στόχοι συµβατικών σταθµών παραγωγής [5]. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των ΑΠΕ αποτελεί το γεγονός ότι υπάρχει δυνατότητα εκµετάλλευσης των γεωγραφικών συνθηκών κάθε περιοχής. Για παράδειγµα το υψηλό ηλιακό και αιολικό δυναµικό της Ελλάδας ευνοεί τη δηµιουργία φωτοβολταϊκών και αιολικών συστηµάτων. Με αυτό τον τρόπο οι ΑΠΕ µπορούν να συµβάλλουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και στην ανάπτυξη της εγχώριας οικονοµίας. Περισσότερες λεπτοµέρειες για τα επιµέρους χαρακτηριστικά των ΑΠΕ ανά είδος δίνονται στο Κεφάλαιο 1. Στην κατεύθυνση της ανάπτυξης των ΑΠΕ κινείται και η ευρωπαϊκή πολιτική µε στόχο να υλοποιηθούν οι δεσµεύσεις για τη µείωση των εκποµπών τοξικών αερίων, όπως αυτές προβλέπονται στο πρωτόκολλο του Κυότο. Η οδηγία του Ευρωπαϊκού κοινοβουλίου αναφέρεται στην υποχρέωση των κρατών-µελών της Ε.Ε να καλύψουν τουλάχιστον το 20% των ενεργειακών τους αναγκών µέσω ΑΠΕ µέχρι και το 2020 [6]. Για το σκοπό αυτό, η Ε.Ε χρηµατοδοτεί προγράµµατα µε αντικείµενο την προώθηση κινήτρων αναφορικά µε την ευρεία διείσδυση των ΑΠΕ στα ευρωπαϊκά ηλεκτρικά συστήµατα. Γι αυτό δίνονται ισχυρά κίνητρα σε ιδιώτες αλλά και κράτη µέσω επιδοτήσεων [7]. Ε.2. ΑΠΕ και Συστήµατα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) Κατά τα πρώτα χρόνια ανάπτυξης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι συµβατικοί σταθµοί κατασκευάστηκαν πλησίον των σηµείων κατανάλωσης, δηλαδή κοντά σε πόλεις. Όµως η λογική της κατανεµηµένης παραγωγής εγκαταλείφθηκε σύντοµα και υιοθετήθηκε η σηµερινή πρακτική της κεντρικοποιηµένης παραγωγής. Οι λόγοι ήταν καταρχάς περιβαλλοντικοί, διότι τα παραπροϊόντα των σταθµών επιβάρυναν σηµαντικά το αστικό περιβάλλον και τη ζωή των κατοίκων, αλλά και οικονοµικοί, διότι το κόστος αποθήκευσης και µεταφοράς των καυσίµων ήταν αρκετά υψηλό. Η παραδοσιακή δοµή των σηµερινών ηλεκτρικών δικτύων χαρακτηρίζεται κεντρικοποιηµένη, διότι οι συµβατικές ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες είναι σταθµοί ισχύος τουλάχιστον κάποιων δεκάδων ΜW και βρίσκονται συγκεντρωµένες κοντά στα σηµεία εξόρυξης των πρώτων υλών, εποµένως µακριά από αστικές περιοχές. Στη συνέχεια, η µεταφορά της ενέργειας στα σηµεία κατανάλωσης διενεργείται µέσω του δικτύου µεταφοράς και διανοµής. Αρχικά, η ενσωµάτωση των ΑΠΕ στα ΣΗΕ βασίστηκε στη λογική της κεντρικοποιηµένης παραγωγής µε την κατασκευή µεγάλων µονάδων ισχύος που συνδέονται στην υψηλή τάση. 9

24 Εισαγωγή - Στόχοι Κυρίαρχη θέση µεταξύ των ΑΠΕ µεγάλης ισχύος έχουν τα αιολικά και τα Φ/Β πάρκα. Ωστόσο, αν και οι ΑΠΕ εξελίσσονται τεχνολογικά τα τελευταία χρόνια, διαθέτουν ορισµένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την περαιτέρω αξιοποίηση και διείσδυσή τους σε µεγάλη κλίµακα στην παγκόσµια ενεργειακή αγορά. Προς το παρόν, οι µονάδες ΑΠΕ χαρακτηρίζονται από χαµηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για µεγάλη παραγωγή ισχύος απαιτούνται συχνά εκτεταµένες εγκαταστάσεις. Εποµένως, το κόστος επένδυσης ενός κεντρικοποιηµένου σταθµού ΑΠΕ ανά µονάδα εγκατεστηµένης ισχύος, σε σύγκριση µε τις σηµερινές τιµές των συµβατικών καυσίµων, παραµένει αρκετά υψηλότερο. Ωστόσο, η διαρκής τεχνολογική βελτίωση των εγκαταστάσεων ΑΠΕ και η µαζική παραγωγή των δοµικών τους µονάδων, καθώς και το ολοένα και αυξανόµενο κόστος των συµβατικών σταθµών λόγω της διαφαινόµενης εξάντλησης των ορυκτών καυσίµων, οδηγούν στο συµπέρασµα ότι η διαφορά στο κόστος θα ισοσκελιστεί ή ακόµα και θα υπερκεραστεί [8]. Σε κάθε περίπτωση όµως, η δηµιουργία κεντρικοποιηµένων σταθµών από ΑΠΕ, αν και συνεισφέρει στην ενεργειακή ενίσχυση του διασυνδεδεµένου ηλεκτρικού συστήµατος, επιφέρει επιπλέον φόρτιση των γραµµών µεταφοράς και διανοµής µε ταυτόχρονη αύξηση των απωλειών ή ακόµα µπορεί να δηµιουργήσει την ανάγκη για κατασκευή νέων γραµµών. Αυτό φυσικά αυξάνει κατά πολύ το κόστος µιας κεντρικής µονάδας µεγάλης ισχύος από ΑΠΕ. Ένα ακόµα αρνητικό γνώρισµα ορισµένων ΑΠΕ αποτελεί το φαινόµενο των συχνών διακυµάνσεων στη διαθεσιµότητά τους, οι οποίες µπορεί να είναι µεγάλης διάρκειας απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή µονάδων αποθήκευσης. Ιδιαίτερα στην περίπτωση µεγάλων κεντρικών µονάδων παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ, η απαίτηση για επαρκείς αποθηκευτικές µονάδες αυξάνει σηµαντικά το κόστος επένδυσης. Οι ηλιακές, αιολικές και κυµατικές εφαρµογές χαρακτηρίζονται ως διαλείπουσες πηγές ενέργειας ακριβώς επειδή λειτουργούν διακοπτόµενα, ανάλογα µε τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή της εγκατάστασής τους. Στον αντίποδα, οι µονάδες υδροηλεκτρικών, βιοµάζας και γεωθερµίας µπορούν να λειτουργούν αδιάλειπτα. Εντούτοις, η διακοπτική λειτουργία των φωτοβολταϊκών ή αιολικών µονάδων δεν αποτελεί αξεπέραστο πρόβληµα, διότι η γενική περίοδος λειτουργίας τους µπορεί να προβλεφθεί πολύ εύκολα σε ένα αρχικό επίπεδο. Ιδίως στην περίπτωση της ηλιακής ενέργειας που χρησιµοποιείται στα Φ/Β συστήµατα, η κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι γνωστό ότι παρουσιάζει µηδενικές τιµές από τις βραδινές µέχρι τις πρώτες πρωινές ώρες. Επιπρόσθετα, η παραγωγή ενέργειας µπορεί να εκτιµηθεί επακριβώς µέσω κατάλληλων αλγορίθµων τεχνητής νοηµοσύνης [9]. 10

25 Εισαγωγή - Στόχοι Σε αντιδιαστολή των ενδοιασµών που χαρακτηρίζουν τις εγκαταστάσεις ΑΠΕ µεγάλης ισχύος αντίστοιχης µε αυτής των συµβατικών σταθµών, η χρήση µονάδων ΑΠΕ µικρότερης ισχύος γνωρίζει ιδιαίτερης αποδοχής και ανάπτυξης τα τελευταία χρόνια. Οι µονάδες αυτές είναι συνήθως µικρότερες των 100MW και συνδέονται σε δίκτυα µέσης ή χαµηλής τάσης ανάλογα µε την ισχύ τους. Η πρακτική αυτή έχει καθιερωθεί να ονοµάζεται διεσπαρµένη (dispersed) ή αποκεντρωµένη (decentralized) ή κατανεµηµένη (distributed) παραγωγή ενέργειας [10]. Οι ΑΠΕ ευνοούν την ανάπτυξη της διεσπαρµένης παραγωγής, διότι το δυναµικό τους (ηλιακό, αιολικό, κτλ) είναι ούτως ή άλλως διασκορπισµένο σε αντίθεση µε τις ορυκτές πρώτες ύλες που είναι συγκεντρωµένες σε συγκεκριµένα σηµεία. Η διεσπαρµένη παραγωγή από ΑΠΕ παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα, όπως τη µείωση των απωλειών στις γραµµές µεταφοράς άρα και την εξοικονόµηση ενέργειας. Επιπρόσθετα, η τοπική παραγωγή µπορεί να βελτιώσει την αξιοπιστία του συνολικού δικτύου εξυπηρετώντας τοπικές αιχµές φορτίων σε περιπτώσεις αυξηµένης ζήτησης [11]. Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι αν και τα δίκτυα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έχουν κεντρικοποιηµένη δοµή, τα οφέλη της χρήσης και η ανάπτυξη των ΑΠΕ στο µεσαίο και χαµηλό επίπεδο τάσης δείχνει να αλλάζει την παραδοσιακή αυτή λογική. Χαρακτηριστική εφαρµογή της διεσπαρµένης παραγωγής είναι τα Μικροδίκτυα (Microgrids) µε χρήση ΑΠΕ διαφόρων µορφών. Τα µικροδίκτυα αποτελούν ένα συνδυασµό µονάδων διεσπαρµένης παραγωγής (<10 ΜW), αποθήκευσης και φορτίων ως ένα υποσύστηµα συνδεδεµένο µε το δίκτυο διανοµής µέσης ή χαµηλής τάσης, µε δυνατότητα λειτουργίας τόσο συνδεδεµένα (grid-connected) όσο και αυτόνοµα (stand-alone). Στην περίπτωση συµµετοχής και γεννητριών ντίζελ εκτός από ΑΠΕ στις µονάδες παραγωγής, τα µικροδίκτυα χαρακτηρίζονται υβριδικά. Ουσιαστικά το µικροδίκτυο αποτελεί µια µικρογραφία ενός µεγάλου διασυνδεδεµένου δικτύου και εξυπηρετεί συνήθως αποµονωµένους καταναλωτές σε αγροτικές περιοχές, νησιά κτλ. [12]. Αν και η ενσωµάτωση διεσπαρµένων µονάδων από ΑΠΕ δε συναντά ιδιαίτερα προβλήµατα στο δίκτυο της µέσης τάσης, δε συµβαίνει το ίδιο και µε τις αστικές περιοχές, στις οποίες η δοµή των σύγχρονων πόλεων δεν ευνοεί την εύκολη εγκατάσταση τέτοιων µονάδων. Εξαίρεση αποτελούν τα Φ/Β συστήµατα µε τα οποία αξιοποιείται η ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίθετα, το δυναµικό άλλων µορφών ΑΠΕ, όπως αυτό της αιολικής ενέργειας, µπορεί να είναι αρκετά περιορισµένο στο αστικό περιβάλλον. Τα Φ/Β συστήµατα που συνδέονται στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης είναι ισχύος µέχρι µερικών kw και µπορούν εύκολα να εγκατασταθούν στις εξωτερικές επιφάνειες (οροφές, προσόψεις) 11

26 Εισαγωγή - Στόχοι κατοικιών αλλά και εµπορικών ή δηµόσιων κτιρίων. Στη βιβλιογραφία, τα συγκεκριµένα συστήµατα έχει επικρατήσει να αναφέρονται ως ιασυνδεδεµένα Κτιριακά Φ/Β Συστήµατα (Building Integrated Photovoltaics BIPV) και φαίνεται να αποτελούν µια ιδιαίτερα ελκυστική προοπτική για την αύξηση της διείσδυσης διεσπαρµένης παραγωγής από ΑΠΕ στα δίκτυα χαµηλής τάσης [13]. Προς το παρόν, η εξάπλωση των Φ/Β συστηµάτων χαµηλής τάσης υπόκειται σε περιορισµούς όσον αφορά το ποσοστό διείσδυσής τους σε σχέση µε την εγκατεστηµένη ισχύ του κεντρικού δικτύου. Λαµβάνοντας υπόψη τους µέχρι πρότινος διεθνείς κώδικες-πρότυπα δικτύου για τη διεσπαρµένη παραγωγή στο επίπεδο της χαµηλής τάσης [14], οι διασυνδεδεµένες µονάδες υποχρεώνονταν σε αποσύνδεση το ταχύτερο δυνατό, από το κοινό σηµείο σύνδεσής τους µε το δίκτυο (Point of Common Coupling, PCC), σε περίπτωση κάποιας διαταραχής, ούτως ώστε να αποφεύγεται η πρόκληση επιπρόσθετων προβληµάτων για το δίκτυο και για τις ίδιες τις κατανεµηµένες µονάδες. Είναι εύλογο λοιπόν ότι απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη σηµαντικής διείσδυσης Φ/Β συστηµάτων χαµηλής τάσης στο δίκτυο, αποτελεί η κατάλληλη απόκριση των µονάδων αυτών σε περίπτωση σφάλµατος. ιαφορετικά η αθρόα ένταξή τους στο δίκτυο µπορεί να επιφέρει λειτουργικά προβλήµατα, όπως ευστάθειας και έλλειψη αξιοπιστίας, στην αδιάλειπτη παροχή υψηλής ποιότητας ενέργειας στους καταναλωτές [15]. οµικό στοιχείο των Φ/Β συστηµάτων αποτελούν οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος (αντιστροφείς), οι οποίοι είναι επιφορτισµένοι µε τη σύνδεση και τον έλεγχο ισχύος της Φ/Β πηγής ηλεκτρικής ενέργειας µε το δίκτυο. Η προοπτική της ένταξης σηµαντικού αριθµού Φ/Β µονάδων σε κτιριακές εγκαταστάσεις αστικών περιοχών αποτελεί σηµαντικό πεδίο έρευνας στις µέρες µας, όσον αφορά τον τρόπο ελέγχου των αντιστροφέων σε καταστάσεις σφάλµατος στο PCC [16], [17]. Ε.3. Στόχοι Παρούσας ιατριβής Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε διεσπαρµένες φωτοβολταϊκές (Φ/Β) µονάδες (κτιριακά Φ/Β συστήµατα), που συνδέονται στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Ειδικότερα, το αντικείµενο της εργασίας εστιάζεται στη διερεύνηση της µεθοδολογίας ελέγχου και της συµπεριφοράς των αντιστροφέων, µέσω των οποίων συνδέονται οι Φ/Β συστοιχίες µε το δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης, ύστερα από σφάλµα σε κάποιο από τα σηµεία σύνδεσης των µονάδων αυτών µε το δίκτυο. 12

27 Εισαγωγή - Στόχοι Βασικός σκοπός της διατριβής είναι η συµβολή της στον τοµέα των Φ/Β µονάδων διεσπαρµένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης των κτιριακών Φ/Β µονάδων στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Η πραγµατοποίηση αυτού του σκοπού προϋποθέτει τον κατάλληλο σχεδιασµό και έλεγχο των Φ/Β αντιστροφέων, ώστε να ανταποκρίνονται µε τρόπο επικουρικό ως προς το δίκτυο σε περίπτωση διαταραχής. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού, καθορίζονται επιµέρους στόχοι. Πρώτος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των προτύπων (standards) και κωδικών δικτύου Low Voltage Fault Right Through Capability (LVRTC) ή Fault Right Through Capability (FRTC), οι οποίοι αναφέρονται στους κανόνες διασύνδεσης διεσπαρµένων µονάδων παραγωγής στην υψηλή και µέση τάση, σε συνθήκες διαταραχών στο κοινό σηµείο σύνδεσης τους µε το δίκτυο (Point of Common Coupling PCC). Λαµβάνοντας υπόψη και τους νεοεισαχθέντες κανονισµούς ορισµένων ενεργειακών αγορών για το δίκτυο χαµηλής τάσης, εξάγονται τα χαρακτηριστικά που απαιτείται να ενσωµατωθούν στα Φ/Β συστήµατα χαµηλής τάσης, ώστε να αποκτήσουν την ικανότητα σχεδόν αδιάλειπτης λειτουργίας σε περίπτωση παροδικού σφάλµατος του δικτύου, προσφέροντας βοηθητικές υπηρεσίες και υποστηρίζοντάς το κατά το διάστηµα της διαταραχής. εύτερος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ενδελεχής διερεύνηση της συµπεριφοράς, καθώς και των επιπτώσεων των παραµέτρων σχεδιασµού, των συνδεδεµένων στο δίκτυο χαµηλής τάσης διεσπαρµένων Φ/Β συστηµάτων, σε περίπτωση µόνιµου σφάλµατος, όταν εφαρµόζεται µια µεθοδολογία ελέγχου τέτοια ώστε να αποκρίνονται ως συµβατικές σύγχρονες γεννήτριες. Ταυτόχρονα αναλύονται οι δυνατότητες ικανοποίησης της απαίτησης FRTC. Οι παράµετροι σχεδιασµού που εξετάζονται είναι το επίπεδο διείσδυσης, η διασπορά και η εµπέδηση που εµπεριέχεται στο µετατροπέα των διεσπαρµένων Φ/Β γεννητριών. Η ιδέα της µελέτης αυτής βασίζεται στο γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά µιας τυπικής απαίτησης FRTC παραπέµπουν στην επιλεκτικότητα στο σφάλµα των συµβατικών σύγχρονων µηχανών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ανάλογα µε την πτώση τάσης στο PCC και στη δυνατότητα υποστήριξης του δικτύου κατά το σφάλµα. Ως πρώτο βήµα της διερεύνησης, εξάγονται αναλυτικοί τύποι υπολογισµού των τάσεων των ζυγών και των ρευµάτων των Φ/Β µετατροπέων, σε περιπτώσεις µόνιµων τριφασικών σφαλµάτων σε οποιοδήποτε ζυγό ενός ακτινικού δικτύου διανοµής χαµηλής τάσης. Για τις ανάγκες της διερεύνησης αυτής, οι Φ/Β µονάδες µοντελοποιούνται ως πηγές τάσης σε σειρά µε την εµπέδηση που εµπεριέχεται στο µετατροπέα µέσω του οποίου συνδέονται στο δίκτυο. 13

28 Εισαγωγή - Στόχοι Ως δεύτερο βήµα της διερεύνησης εξετάζεται η επίδραση των παραµέτρων στις προαναφερθείσες ηλεκτρικές ποσότητες και εξάγονται σηµαντικά συµπεράσµατα όσον αφορά την επιλογή των παραµέτρων και τις δυνατότητες ικανοποίησης της απαίτησης FRTC. Τρίτος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της ικανότητας επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β µονάδων χαµηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανοµής. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασµός των Φ/Β µονάδων αναφορικά µε την επιλογή της εµπέδησης που εµπεριέχεται στο µετατροπέα, καθώς και του ποσοστού διείσδυσης, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η µέγιστη δυνατή τάση στους ζυγούς διασύνδεσης των Φ/Β µονάδων κατά τη διάρκεια ενός µόνιµου σφάλµατος σε οποιοδήποτε ζυγό του δικτύου διανοµής. Με τον τρόπο αυτό πραγµατοποιείται η όσο το δυνατόν µεγαλύτερη επιµήκυνση του χρόνου παραµονής των Φ/Β µονάδων στο δίκτυο, σύµφωνα µε την απαίτηση FRTC. Πρέπει να επισηµανθεί ότι η πραγµατοποίηση του στόχου αυτού επιτυγχάνεται σε συνδυασµό µε µια πρόταση κατάλληλης υπερδιαστασιολόγησης των Φ/Β αντιστροφέων, δεδοµένων των περιορισµών ρεύµατος που τίθενται αναφορικά µε τη συνεισφορά των Φ/Β αντιστροφέων σε περίπτωση σφάλµατος. Τέταρτος και τελευταίος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η επινόηση µιας µεθοδολογίας ελέγχου διεσπαρµένων Φ/Β συστηµάτων, που συνδέονται στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Η προτεινόµενη µεθοδολογία ελέγχου θα πρέπει αφενός µεν να ικανοποιεί την εύρυθµη λειτουργία του Φ/Β συστήµατος σε µόνιµη κατάσταση, αφετέρου δε να συµβάλει στην ικανοποίηση της απαίτησης FRTC σε περίπτωση σφάλµατος περιορισµένης διάρκειας. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, αρχικά, σχεδιάζεται, µοντελοποιείται και αναλύεται η µεθοδολογία ελέγχου ενός πλήρους Φ/Β συστήµατος αποτελούµενου από Φ/Β συστοιχία και αντιστροφέα, το οποίο συνδέεται σε δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης. Ο σχεδιασµός αυτός, που βασίζεται σε εκτενή βιβλιογραφική αναζήτηση, έχει ως στόχο την ορθή λειτουργία του Φ/Β συστήµατος σε µόνιµη κατάσταση. Στη συνέχεια, λαµβάνοντας υπόψη τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από τη διερεύνηση, σε περίπτωση σφάλµατος, της συµπεριφοράς των Φ/Β συστηµάτων ως συµβατικές σύγχρονες γεννήτριες, προτείνεται µια σηµαντική βελτίωση του αρχικού ελέγχου, ώστε το κάθε Φ/Β σύστηµα να αποκρίνεται κατάλληλα και σε µεταβατικές καταστάσεις που οφείλονται σε σφάλµατα στο ζυγό. Με τον τροποποιηµένο αυτόν έλεγχο διαφοροποιείται µεν, ελαφρώς, η συµπεριφορά των Φ/Β συστηµάτων από αυτή των συµβατικών σύγχρονων γεννητριών, αλλά έτσι βρίσκεται εντός των περιορισµών που ανακύπτουν από το Φ/Β σύστηµα και το 14

29 Εισαγωγή - Στόχοι µετατροπέα, ενώ παράλληλα ικανοποιείται και η απαίτηση FRTC, µε έµφαση στην έγχυση αέργου ισχύος στο σηµείο διασύνδεσης κατά τη διάρκεια της διαταραχής. Τέλος, προσοµοιώνεται και αναλύεται η συµπεριφορά πολλαπλών διεσπαρµένων Φ/Β µονάδων που συνδέονται σε ακτινικό δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης, στις οποίες εφαρµόζεται η προταθείσα µεθοδολογία ελέγχου και εξάγονται διάφορα συµπεράσµατα. 15

30 Εισαγωγή - Στόχοι 16

31 Κεφάλαιο 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή Οι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) διαδραµατίζουν ενεργό ρόλο στα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια και αναµένεται να έχουν καθοριστική σηµασία στο µέλλον. Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή της διατριβής, η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος, λόγω της καύσης ορυκτών καυσίµων (πετρέλαιο, άνθρακας, λιγνίτης) στην ηλεκτροπαραγωγή και η συνεχής αύξηση της ενεργειακής ζήτησης έχουν οδηγήσει την παγκόσµια ενεργειακή πολιτική σε αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας και αξιοποίησής της µέσω εξελιγµένων τεχνολογικών εφαρµογών. Σύµφωνα µε την οδηγία 2009/28/EC του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου [6], ως ενέργεια από ανανεώσιµες µη ορυκτές πηγές θεωρείται η ηλιακή, αιολική, γεωθερµική, υδροηλεκτρική, κυµατική, παλιρροϊκή, ενέργεια των ωκεανών και η ενέργεια από βιοµάζα. Οι περισσότερες εξ αυτών έχουν ως βάση την ηλιακή ακτινοβολία, όπως θα αναλυθεί σε επόµενη παράγραφο του παρόντος κεφαλαίου. Οι ΑΠΕ χαρακτηρίζονται από πολλούς και ως ήπιες ή πράσινες µορφές ενέργειας, διότι για την εκµετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέµβαση, όπως η εξόρυξη και η καύση και επιπλέον πρόκειται για «καθαρές» µορφές ενέργειας, οι περισσότερες εξ αυτών δεν εκλύουν καθόλου διοξείδιο του άνθρακα ή άλλα βλαβερά για το περιβάλλον αέρια. Καταχρηστικά ήπιες µορφές θεωρούνται η ενέργεια από βιοµάζα και η γεωθερµική, διότι αν και απαιτείται καύση (βιοµάζα) ή γεώτρηση (γεωθερµία) για την εκµετάλλευσή τους, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι συνήθως αµελητέες, συγκρινόµενες µε τις επιπτώσεις από συµβατικές ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες. Στην παράγραφο 1.2 παρουσιάζονται ορισµένα στοιχεία για κάθε µορφή ΑΠΕ, όσον αφορά την προέλευσή της, τον τρόπο αξιοποίησής της µέσω σύγχρονων τεχνολογικών εφαρµογών µε έµφαση στην ηλεκτροπαραγωγή, καθώς και τη διείσδυση αυτών στο ενεργειακό ισοζύγιο. Πρέπει να σηµειωθεί ότι όσον αφορά τα Φ/Β συστήµατα που αποτελούν εφαρµογή της αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας, προς το παρόν δίνονται κάποιες γενικές πληροφορίες. 17

32 Κεφάλαιο 1 Λεπτοµερής ανάλυση µε έµφαση στα Φ/Β διασυνδεδεµένα συστήµατα στο δίκτυο διανοµής χαµηλής τάσης, τα οποία αποτελούν και το αντικείµενο µελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής, βρίσκεται στο Κεφάλαιο 2. Στην παράγραφο 1.3 παρουσιάζονται ορισµένες γενικές πληροφορίες για την υφιστάµενη ανάπτυξη των ΑΠΕ και τις προοπτικές περαιτέρω εξάπλωσής τους µελλοντικά. Στην παράγραφο 1.4, επιχειρείται µια ανασκόπηση των ΣΗΕ και παρουσιάζεται παραστατικά η σηµερινή δοµή τους. Στην παράγραφο 1.5, αναφέρονται οι επιφυλάξεις, όσον αφορά τα παραδοσιακά ΣΗΕ κεντρικοποιηµένης παραγωγής. Τέλος, στην παράγραφο 1.6, επιχειρείται η διασαφήνιση της έννοιας της διεσπαρµένης παραγωγής µέσω της σχετικής βιβλιογραφίας, ενώ παρουσιάζονται αναλυτικά οι τεχνολογίες διεσπαρµένης παραγωγής και αποθήκευσης Επιπλέον, παρουσιάζονται συνοπτικά οι θετικές επιδράσεις, αλλά και τα εγειρόµενα ζητήµατα αναφορικά µε τη διείσδυση των µονάδων αυτών στο δίκτυο, όπως και ζητήµατα εµπορικής και οικονοµικής φύσεως. 1.2 Είδη ΑΠΕ και Εφαρµογές τους Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέµου που προέρχεται από τη µετακίνηση αερίων µαζών της ατµόσφαιρας. Οι µετακινήσεις του αέρα, δηλαδή οι άνεµοι, προέρχονται από τις µεταβολές και τις διαφορετικές από τόπο σε τόπο τιµές της ατµοσφαιρικής πίεσης. Οι διαφορετικές αυτές τιµές της πίεσης οφείλονται στην ανοµοιόµορφη θέρµανση (απορρόφηση ενέργειας) της ατµόσφαιρας κάθε τόπου από την ηλιακή ακτινοβολία. Εποµένως, η αιολική ενέργεια δηµιουργείται έµµεσα από την ηλιακή ενέργεια. Θεωρείται απόλυτα «καθαρή» µορφή ενέργειας εφόσον δεν παράγει κανενός είδους ρύπους κατά τη µετατροπή της σε ηλεκτρική. Στις µέρες µας η αιολική ενέργεια αξιοποιείται κυρίως στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µέσω των ανεµογεννητριών, οι οποίες µετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέµου σε ηλεκτρική [18]. Οι ανεµογεννήτριες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες, ανάλογα µε τον προσανατολισµό του άξονά τους. Σήµερα έχουν επικρατήσει οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα (περιστροφή άξονα παράλληλα προς τον άνεµο) σε ποσοστό άνω του 90% σε σχέση µε αυτές του κατακόρυφου άξονα. Η τεχνολογική άνθιση των ανεµογεννητριών, τόσο σε επίπεδο έρευνας [19], όσο και σε εµπορικές εφαρµογές εξελίσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια. Μάλιστα, η ονοµαστική ισχύς της µεγαλύτερης ανεµογεννήτριας στον κόσµο στις αρχές του 2015 ανήλθε σε 8 ΜW [20]. Εποµένως, µια συστοιχία πολλών ανεµογεννητριών ή ένα αιολικό πάρκο όπως έχει επικρατήσει να ονοµάζεται, µπορεί να λειτουργήσει σαν ένας µεγάλος 18

33 Κεφάλαιο 1 σταθµός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, τα αιολικά πάρκα κατασκευάζονταν αποκλειστικά στη γη (onshore wind farms), συνήθως σε ορεινές περιοχές, όµως τα τελευταία 15 χρόνια επεκτάθηκαν και στην επιφάνεια της θάλασσας (offshore wind farms). Εκτός των ανεµογεννητριών µεγάλης ισχύος, ανάπτυξη γνωρίζουν και οι µικρές ανεµογεννήτριες χαµηλής ισχύος έως 50kW, ιδιαίτερα στην Κίνα, στην Αµερική και στη Μεγάλη Βρετανία. Αν και το µερίδιο συµµετοχής τους στην συνολική παραγωγή ισχύος από αιολικά είναι πολύ µικρό σε σχέση µε τις µεγάλες ανεµογεννήτριες, σύµφωνα µε τις προβλέψεις του Ευρωπαϊκού Οργανισµού Αιολικής Ενέργειας (European Wind Energy Association, EWEA) η παγκόσµια εγκατεστηµένη ισχύς σε µικρές ανεµογεννήτριες θα ξεπεράσει τα 4.6GW έως το 2020 [21]. Οι ανεµογεννήτριες χαµηλής ισχύος παρέχουν τη δυνατότητα αξιοποίησης του αιολικού δυναµικού που είναι διαθέσιµο σε περιοχές που δεν είναι εφικτή η εγκατάσταση µεγάλων ανεµογεννητριών, καθώς και τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στην κατανάλωση. Στη συνέχεια δίνονται κάποια ενδεικτικά στοιχεία για την ταχεία ανάπτυξη των αιολικών εγκαταστάσεων σε παγκόσµιο επίπεδο, µε βάση την αναφορά του 2014 που εξέδωσε το διεθνές συµβούλιο αιολικής ενέργειας (Global Wind Energy Council, GWEC), το οποίο αποτελεί την εµπορική ένωση για τη βιοµηχανία της αιολικής ενέργειας σε παγκόσµιο επίπεδο [22]. Συγκεκριµένα, στο σχήµα 1.1 παρουσιάζεται η συνολική παγκόσµια εγκατεστηµένη ισχύς από αιολικά από το 1997 έως και το 2014, όπου φαίνεται ξεκάθαρα η εκθετική αύξηση της εγκατεστηµένης ισχύος. Εξέχουσα θέση κατέχει η Κίνα µε 31% της συνολικής ισχύος [22]. Όσον αφορά την Ελλάδα, το ύψος της εγκατεστηµένης ισχύος από αιολικά στα τέλη του 2014, έφτανε περίπου τα 1.98GW [22]. Σχήµα 1.1: Παγκόσµια εγκατεστηµένη ισχύς αιολικών το διάστηµα [22]. 19