«Μελέτη και προσομοίωση υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ(AC/DC)»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Παπαχρήστου Σπυρίδωνος του Ευαγγέλου Αριθμός Μητρώου: 6611 Θέμα «Μελέτη και προσομοίωση υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ(AC/DC)» Επιβλέπων Δρ. Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2015

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη και προσομοίωση υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ(AC/DC)» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παπαχρήστου Σπυρίδωνος του Ευαγγέλου Αριθμός Μητρώου: 6611 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη και προσομοίωση υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ(AC/DC)» Φοιτητής: Παπαχρήστου Σπυρίδων Επιβλέπων: Δρ. Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Περίληψη Η κατανεμημένη παραγωγή (Κ.Π.) παίζει σημαντικό ρόλο στην σύγχρονη παραγωγή ενέργειας κυρίως λόγω των δυσκολιών στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς αλλά και στις συνεχείς κλιματολογικές αλλαγές, όπως η αύξηση της παγκόσμιας θερμότητας. Η κατανεμημένη παραγωγή που βασίζεται είτε μόνο σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας,είτε σε συμπαραγωγή συμβατικών πηγών μαζί με ΑΠΕ όπως συνδυασμοί μικρών υδροηλεκτρικών, φωτοβολταικών, ανεμογεννητριών, μηχανών diesel, ηλιοθερμικών συστημάτων, κυψελών καυσίμου και μπαταριών αλλά και σε μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, αναμένεται να δώσουν σημαντική ώθηση στο εγγύς μέλλον. Έτσι λοιπόν σήμερα όλο και περισσότερο εισάγεται η έννοια του μικροδικτύου.το μικροδίκτυο αποτελεί ένα σύμπλεγμα φορτίων και κατανεμημένων παραγωγών ενέργειας το οποίο αντιμετωπίζεται ώς ένα ελεγχόμενο σύστημα και μπορεί να λειτουργήσει είτε διασυνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο είτε αυτόνομα. Εξαιτίας όμως της εισαγωγής φορτίων ΣΡ αλλά και της ένταξης ΚΠ και ΑΠΕ στα συμβατικά συστήματα ΕΡ, οδηγούμαστε στην αναζήτηση εναρμόνισης των δικτύων ΣΡ και ΕΡ. Για να αποφύγουμε και τις μεγάλες απώλειες λόγω των πολλαπλών μετατροπών ισχύος στα αυτόνομα μικροδίκτυα ΕΡ ή ΣΡ, θα εισάγουμε την έννοια του υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ(AC/DC),το οποίο αποτελεί ένα σύμπλεγμα μικροδικτύου ΕΡ, μικροδικτύου ΣΡ, 3

4 μετατροπέων ισχύος, εξοπλισμού ελέγχου και συστήματος διαχείρισης ενέργειας το οποίο λειτουργεί τόσο διασυνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο(grid-tied) όσο και αυτόνομα (isolated). Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αρχικά στο Κεφάλαιο 2 η θεωρητική ανάλυση για το υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι διαθέσιμες μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας(φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες,μπαταριες) και στο Κεφάλαιο 4 οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται στο υβριδικό μικροδίκτυο. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η μοντελοποίηση και ο έλεγχος του προτεινόμενου υβριδικού συστήματος ώστε να έχουμε τις λιγότερες μετατροπές ισχύος και κατά συνέπεια τις λιγότερες δυνατές απώλειες,το οποίο προσομοιώνεται μέσω του λογισμικού MATLAB/SIMULINK στο Κεφάλαιο 6 όπου παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα. 4

5 Abstract Distributed generation (D.G.) plays an important role in modern energy production mainly due to difficulties in building new transmission lines and also due to climatic changes, such as increasing global heat. Distributed generation based either solely on renewable energy sources or in co-conventional sources with renewable sources such as combinations of small hydro plants, photovoltaics, wind turbine generators, diesel engines, solar thermal systems, fuel cells and batteries as well as in cogeneration units of electricity and heat, are about to give a major boost in the near future.so nowadays, we reach more and more the concept of microgird. Microgrid is complex of distributed generations and loads, which is treated as a controlled system and can operate either interconnected with the utility grid or isolated. However, due to the introduction of dc loads and integration of DGs and RES in conventional ac systems, we need to deal with an harmonization of ac and dc energy systems. To prevent large losses due to multiple conversions in the individual AC or DCmicrogrids, we are about to introduce a new concept of hybrid AC/DC microgrid which is a complex of AC-microgrid,DC-microgrid,power converters, control equipment and power management system(pms) that works either in grid-tied or in isolated mode.in Chapter 2, we do all the theorytical analysis of hybrid ac/dc microgrid concept, such as basic configuration, control strategies, and system safety. Then, in Chapter 3 we present and analyse the available energy sources and storage units,i.e. photovoltaics, wind turbine generators and batteries. Additionally, in Chapter 4 we present the available power electronic devices and converters.in Chapter 5, we observe the modeling and control strategies of a proposed hybrid ac/dc system which is simulated in Chapter 6 through MATLAB/SIMULINK, where we present and comment the results. 5

6 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Kατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) Ορισμός Σκοπός Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) Λόγοι ανάπτυξης της ΚΠ Διαθέσιμες τεχνολογίες ΚΠ Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ΚΠ Μετάβαση από το σήμερα στο αύριο Μικροδίκτυα Εισαγωγή-ορισμός Εφαρμογές Διασύνδεση με το δίκτυο Δίκτυα Διανομής και Μεταφοράς Σύνδεση Μονάδων Επιδράσεις του μικροδικτύου στην διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο Μεταβολή Τάσης Ποιότητα Ισχύος Μεταβατικά φαινόμενα Χαρακτηριστικά λειτουργίας Ανεξαρτητοποίηση μονάδων ( Peer to Peer ) Άμεση διασύνδεση μονάδων ( Plug n Play ) Πλεονεκτήματα μικροδικτύου Μειονεκτήματα μικροδικτύου ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ ΕΡ/ΣΡ (AC/DC) Εναρμόνιση συστημάτων ΕΡ (ac) και ΣΡ (dc) Εξέλιξη των συστημάτων ισχύος Μετάδοση ΣΡ στα συστήματα ΕΡ Εισαγωγή φορτίων ΣΡ στα συστήματα ΕΡ Ένταξη ΚΠ και Μικροδικτύων στα συστήματα ΕΡ Μετατροπές ισχύος στα συστήματα ΕΡ και ΣΡ Ροή ισχύος στα συστήματα ΕΡ Ροή ισχύος στα συστήματα ΣΡ Δυνατότητες συστημάτων διανομής ΣΡ και ΕΡ Πλεονεκτήματα και ευκαιρίες διανομής ΣΡ Πλεονεκτήματα διανομής ΕΡ Σκοπός ανάπτυξης του υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ Βασική Δομή υβριδικού μικροδικτύου Τρόποι λειτουργίας

7 2.4.1.Διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο (grid-tied mode) Απομονωμένη λειτουργία (islanded mode) Στρατηγικές ελέγχου Κεντρικός έλεγχος Έλεγχος μονάδων παραγωγής Έλεγχος συστήματος αποθήκευσης Έλεγχος φορτίων Συστήματα προστασίας Σταθερότητα Τεχνικο-οικονομικά ζητήματα Κύρια πλεονεκτήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Φωτοβολταϊκά Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ηλιακά κύτταρα (PV cells) Λειτουργία ηλιακού κυττάρου Ισοδύναμο κύκλωμα Ανίχνευση σημείου μέγιστης λειτουργίας (MPPT) Παράγοντες απόδοσης φωτοβολταϊκών Ηλιακοί ιχνηλάτες (trackers) Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ανεμογεννήτριες Αιολική ενέργεια Λειτουργία και τεχνικά/κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Κόστος και Μέλλον Τύποι ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή σύγχρονη μηχανή Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Ηλεκτρικοί συσσωρευτές (Μπαταρίες) Κατασκευαστική δομή και αρχές λειτουργίας Χαρακτηριστικά μεγέθη Παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα Τύποι συσσωρευτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Μετατροπείς ΣΤ/ΣΤ(DC/DC) Σκοπός Λειτουργίας Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης(buck converter) Μετατροπέας ανύψωσης τάσης(boost converter) Μετατροπέας υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης (buck/boost) Τεχνική Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (Pulse Width Modulation-PWM)

8 4.2. Μετατροπείς ΕΤ/ΣΤ(DC/AC) ή Inverters Αντιστροφείς στο φωτοβολταϊκό σύστημα Αντιστροφέας με DC/DC boost μετατροπέα Αντιστροφείς στην Ανεμογεννήτρια Μετατροπέας ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ(back-to-back) στην DFIG Ελεγκτές φόρτισης-εκφόρτισης συσσωρευτών Παράλληλοι ρυθμιστές Εν σειρά ρυθμιστές ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Σκοπός Περιγραφή προτεινόμενου συστήματος Διαμόρφωση συστήματος Λειτουργία συστήματος Μοντελοποίηση του φωτοβολταϊκού Μοντελοποίηση της μπαταρίας Μοντελοποίηση της DFIG Δυναμικό μοντέλο σε σύγχρονα περιστρεφόμενο πλαίσιο Δυναμικό μοντέλο στον χώρο κατάστασης Έλεγχος μετατροπέων στην διασυνδεδεμένη λειτουργία Αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης (P&O) Έλεγχος boost μετατροπέα Έλεγχος κεντρικού μετατροπέα Έλεγχος μετατροπέα DFIG Έλεγχος στην πλευρά του δικτύου Έλεγχος μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας Έλεγχος μετατροπέα μπαταρίας Έλεγχος μετατροπέων στην αυτόνομη λειτουργία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Προσομοίωση φωτοβολταϊκού μοντέλου Προσομοίωση μπαταρίας Προσομοίωση μοντέλου ανεμογεννήτριας με DFIG Προσομοίωση υβριδικού συστήματος διασυνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο Προσομοίωση υβριδικού συστήματος σε αυτόνομη λειτουργία

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κατανεμημένη Παραγωγή και Μικροδίκτυα 1.1. Kατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) Ορισμός Η κατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) ορίζεται ως η παραγωγή ενέργειας μικρής κλίμακας, άμεσα συνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής, με τιμές που κατά κανόνα κυμαίνονται από 1kW μέχρι 100MW. Είναι μία σχετικά καινούρια τάση στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας και στην βιομηχανία ηλεκτρισμού. Συχνά συναντάται και με τους εναλλακτικούς ελληνικούς όρους: διανεμημένη παραγωγή, διάσπαρτη παραγωγή, επί τόπου παραγωγή, ενσωματωμένη παραγωγή, αποκεντρωμένη παραγωγή. Στα αγγλικά ονομάζεται Distributed Generation ενώ συναντάται επίσης με ένα πλήθος εναλλακτικών όρων όπως: embedded generation, dispersed generation, decentralised generation. Προκειμένου να διατυπωθεί ένας ενιαίος ορισμός, αλλά και να γίνει κατανοητή η έννοια της κατανεμημένης παραγωγής, είναι απαραίτητο να γίνει αναφορά πάνω σε κάποια βασικά ζητήματα που αφορούν αυτόν τον τρόπο παραγωγής όπως είναι ο σκοπός για τον οποίο γίνεται η παραγωγή, η τοποθεσία, το μέγεθος, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται, η περιοχή που τροφοδοτεί,οι επιπτώσεις στο περιβάλλον, ο τρόπος λειτουργίας και το ποσοστό διείσδυσης της ΚΠ. Παρακάτω γίνεται μία περιγραφή ορισμένων από τα θέματα αυτά προκειμένου να καταστεί σαφές σε τι αναφερόμαστε όταν μιλάμε για κατανεμημένη παραγωγή.[1] 10

11 Εάν θέλαμε να δώσουμε έναν ενιαίο ορισμό που μπορεί να γίνει γενικά αποδεκτός θα μπορούσαμε να πούμε ότι κατανεμημένη παραγωγή είναι οποιαδήποτε πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένη άμεσα στο δίκτυο διανομής ή στη θέση κατανάλωσης ή πιο απλά οι μονάδες παραγωγής ενέργειας έχουν εγκατασταθεί κοντά στο σημείο κατανάλωσης (φορτίο).[2] Σκοπός Σκοπός της κατανεμημένης παραγωγής είναι η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στην καρδιά ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας από πολλές μικρές πηγές ενέργειας, εξαρτάται δηλαδή κυρίως από την εγκατάσταση και την λειτουργία ενός συνόλου από μικρού μεγέθους, συμπαγείς και καθαρές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στη θέση του ηλεκτρικού φορτίου. Αυτό που επιδιώκεται είναι η παραγωγή ενεργού ισχύος χωρίς ωστόσο να επιβάλλεται η παραγωγή άεργου ισχύος. Σχήμα 1.1. Κεντρική κατανεμημένη παραγωγή 11

12 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) Στο σημείο αυτό θεωρείται απαραίτητο να γίνει μια μικρή αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ανανεώσιμες Πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) αποκαλούνται οι εκμεταλλεύσιμες μορφές ενέργειας που προέρχονται από φυσικές διεργασίες. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ανήκουν στις ήπιες μορφές ενέργειας, δηλαδή δεν χρειάζεται κάποια ενεργητική παρέμβαση(εξόρυξη, άντληση ή καύση) και είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Το κύριο όμως χαρακτηριστικό των ΑΠΕ είναι ότι ανανεώνονται συνεχώς και οι πηγές τους είναι ανεξάντλητες. Σε παγκόσμιο επίπεδο οι ΑΠΕ δεν αξιοποιούνται αρκετά ακόμα και κατέχουν μικρό ποσοστό της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο, μόλις το 7%. Ειδικότερα στην Ελλάδα η παραγωγή από ΑΠΕ είναι αρκετά περιορισμένη και μόνο τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να εντατικοποιείται η ενασχόληση με αυτές. Οι βασικότερες από τις ΑΠΕ είναι η αιολική και η ηλιακή ενέργεια, ενώ εξίσου σημαντικό ρόλο στις φιλικές προς το περιβάλλον μορφές ενέργειας έχουν η γεωθερμία, η ενέργεια από βιομάζα αλλά και η υδροηλεκτρική. Στις ΑΠΕ συμπεριλαμβάνεται και η πυρηνική ενέργεια, μια από τις αμφιλεγόμενες πηγές, αφού διατηρούνται αρκετές επιφυλάξεις για την ασφαλή και ειρηνική χρήση της. Αναφορά πρέπει επίσης να γίνει και στην αποθήκευση ενέργειας. Στον τομέα αυτό πρωτοπορία αποτελούν οι κυψέλες καυσίμου(fuel cells), τα οποία δεν είναι συσκευές αποθήκευσης αλλά παραγωγής ενέργειας με χρήση καυσίμου το υδρογόνο. Έτσι το υδρογόνο σαν καύσιμο μπορεί να δώσει την λύση ως προς την αποθήκευση αλλά και την μεταφορά ενέργειας, τις δύο κύριες πηγές προβληματισμού των ερευνητών. Το ενδιαφέρον για την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ καθώς και για την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδοτικών τεχνολογιών που δεσμεύουν το δυναμικό τους, παρουσιάστηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1979 ως αποτέλεσμα κυρίως των απανωτών πετρελαϊκών κρίσεων της εποχής και παγιώθηκε την τελευταία δεκαετία, μετά την συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων από την χρήση κλασσικών πηγών ενέργειας. Σήμερα όμως λαμβάνονται υπόψη στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών για την ενέργεια, λόγω της εξέλιξης των τεχνολογιών τους και τη διερεύνηση της παραγωγικής βάσης τεχνολογίας σε αναπτυσσόμενες χώρες, με αντίστοιχη μείωση του κόστους επένδυσης και παραγωγής. Αποτελούν επίσης για τα κράτη στρατηγική επιλογή, αφού έχουν ωριμάσει και είναι ασφαλείς, ανταγωνιστικές και ελκυστικές σε ιδιώτες και επενδυτές. Ενώ η εφαρμογή τους 12

13 συμβάλει στην βελτίωση των περιβαλλοντικών δεικτών και ειδικότερα στην μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και στην απεξάρτηση από το εισαγόμενο πετρέλαιο. Στην προώθηση των ΑΠΕ στην παγκόσμια ενεργειακή αγορά συνέβαλε το γεγονός ότι μπορούν να βοηθήσουν στην ενεργειακή αυτάρκεια των μικρών αναπτυσσόμενων χωρών, αποτελώντας εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Οι ΑΠΕ αποτελούν ευέλικτες εφαρμογές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας παράλληλα την ανάγκη για τεράστιες μονάδες ενεργειακής παραγωγής. Ταυτόχρονα υποβοηθείται η αποκέντρωση και η ανάπτυξη της τοπικής οικονομίας σε κάθε περιοχή όπου εγκαθίστανται τέτοιου είδους μονάδες. Ένα ακόμη όφελος που προσφέρουν οι ΑΠΕ είναι στην οικονομία και σχετίζεται με την βελτίωση της απασχόλησης. Οι ΑΠΕ παρουσιάζουν καταπληκτικό δυναμικό ως προς τη δημιουργία και την διαφύλαξη θέσεων εργασίας γεγονός που εναρμονίζεται πλήρως με τις ανάγκες της εποχής που διανύουμε. Μελέτες δείχνουν πως χιλιάδες θέσεις εργασίας εντοπίζονται μόνο από μια μορφή ανανεώσιμων πηγών. Οι εν λόγω θέσεις εργασίας υπολογίζεται ότι θα δημιουργηθούν κυρίως σε αγροτικές, αδύναμες από πλευράς υποδομών περιοχές, καθιστώντας τον ρόλο τους πολύ σημαντικό.[3] Λόγοι ανάπτυξης της ΚΠ Αν και η κατανεμημένη παραγωγή είχε ξεχαστεί σαν έννοια τα χρόνια που ακολούθησαν, την τελευταία δεκαετία αρχίζει να κάνει εμφανή την χρησιμότητα της και να εξετάζονται τρόποι με τους οποίους θα γίνει εφικτή η εφαρμογή της και πάλι στα σύγχρονα πλέον δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιστροφή της κατανεμημένης παραγωγής στο προσκήνιο οφείλεται σε μία σειρά λόγων η οποίοι επιγραμματικά είναι οι παρακάτω : Αυξημένη απαίτηση για ενέργεια υψηλής αξιοπιστίας Ανάπτυξη των τεχνολογιών κατανεμημένης παραγωγής Περιορισμοί στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς 13

14 Προβληματισμοί για της κλιματικές αλλαγές Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας Η εφαρμογή της κατανεμημένης παραγωγής προς το παρόν γίνεται σε μικρή κλίμακα λόγω οικονομικών αλλά και τεχνικών ζητημάτων, τα οποία είναι δυνατό να αντιμετωπιστούν με κατάλληλο σχεδιασμό, όμως από αρκετούς ερευνητές αναμένεται ότι μελλοντικά θα γνωρίσει ευρεία αποδοχή και χρήση. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αναφέρονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται καθώς επίσης γίνεται αναφορά στα οφέλη αλλά και τα προβλήματα που δημιουργούνται από την εφαρμογή αυτού του τρόπου παραγωγής στα ήδη υπάρχοντα δίκτυα.[2] Διαθέσιμες τεχνολογίες ΚΠ Στην κατανεμημένη παραγωγή δεν υπάρχει κάποιος περιορισμός όσον αφορά την τεχνολογία η οποία θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Μπορούν να προσδιοριστούν τρεις βασικές κατηγορίες[1]: 1. Συνεργασία συμβατικών πηγών με Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως συνδυασμοί μικρών υδροηλεκτρικών, φωτοβολταικών, ανεμογεννητριών, μηχανών diesel, ηλιοθερμικών συστημάτων, κυψελών καυσίμου και μπαταριών 2. Μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας 3. Μόνο ανανεώσιμες πηγές, όπως ήλιος, άνεμος, βιομάζα, υδατοπτώσεις, ενέργεια ωκεανού και γεωθερμική ενέργεια. Η κατηγορία αυτή είναι η πιο φιλική προς το περιβάλλον. Οι κυριότερες τεχνολογίες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας, καθώς και τα τυπικά μεγέθη τους φαίνονται στον πίνακα (1.1) (πηγή: Pepermans G. et al., 2005). 14

15 Πίνακας 1.1. Τεχνολογίες και μεγέθη κατανεμημένης παραγωγής Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ΚΠ Γεγονός είναι πως οι τεχνολογίες κατανεμημένης παραγωγής περιγράφονται ως περιβαλλοντικά φιλικές σε σχέση με τις αντίστοιχες τεχνολογίες όπου υπάρχει ένας ή πολλοί κεντρικοί και μεγάλου μεγέθους σταθμοί παραγωγής. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη άμεσες και έμμεσες (κατά τη διάρκεια κατασκευής της μονάδας) εκπομπές δεν μπορεί όλες οι τεχνολογίες ΚΠ να θεωρηθούν φιλικές προς το περιβάλλον. Γενικότερα για να γίνει μια εκτεταμένη μελέτη πάνω στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις απαιτούνται στοιχεία για τις άμεσες αλλά και τις έμμεσες εκπομπές ρύπων για την κάθε χρησιμοποιούμενη τεχνολογία. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι εκπομπές ρύπων για κάθε είδους εφαρμοζόμενης τεχνολογίας παρατηρούμε ότι οι εκπομπές ενός τυπικού σταθμού κατανεμημένης παραγωγής είναι σαφώς χαμηλότερες σε σχέση με αυτές των σταθμών που ως καύσιμη ύλη χρησιμοποιούν κάρβουνο.[4] 15

16 Πίνακας 1.2. Σύγκριση χρόνου απόσβεσης και εκποµπών διαφόρων ενεργειακών τεχνολογιών [πηγή: Pepermans G. et al., 2005] Ο παραπάνω πίνακας (1.2) δείχνει ότι οι εκπομπές ενός τυπικού σταθμού κατανεμημένης παραγωγής είναι σαφώς χαμηλότερες σε σχέση με αυτές των σταθμών που ως καύσιμη ύλη χρησιμοποιούν κάρβουνο. Επίσης, οι εκπομπές σε SO 2 και CO 2 των μεγάλων υδροηλεκτρικών μονάδων και των αεροστρόβιλων συνδυασμένου κύκλου είναι επίσης χαμηλότερες από τις αντίστοιχες των σταθμών αυτών. Η τεχνολογία βιομάζας δεν συμπεριλήφθηκε στην λίστα διότι θεωρείται CO 2 ουδέτερη καθώς. Η εκπομπή NO x αναφέρεται ότι είναι 20-40% μικρότερη από τις μονάδες ορυκτών καυσίμων, ενώ οι εκπομπές SO 2 θεωρούνται αμελητέες. Επιπρόσθετα, περιβαλλοντικά οφέλη που προκύπτουν από την μείωση των απωλειών στις γραμμές μεταφοράς λόγω της σωστής χωροταξίας των σταθμών κατανεμημένης παραγωγής σε σχέση με την τοποθεσία και δυναμικότητα, μπορεί να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο το περιβαλλοντικό ισοζύγιο της κατανεμημένης παραγωγής. Οι συστοιχίες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας(μπαταρίες) καθώς και οι κυψέλες καυσίμου δεν έχουν άμεσες εκπομπές. Πέρα από τις εκπομπές κατά τη διαδικασία της κατασκευής, το μίγμα καυσίμου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται στις μπαταρίες, θα πρέπει να συμπεριληφθεί στις έμμεσες εκπομπές. Ομοίως, στην περίπτωση των κυψελών καυσίμου οι έμμεσες εκπομπές είναι 16

17 συνάρτηση του μίγματος που απαιτείται για την παραγωγή του υδρογόνου, αφού αυτό δεν γίνεται να εξορυχτεί. Επιπλέον, κάποιοι πιστεύουν πως η μεγάλη διείσδυση και χρήση σταθμών κατανεμημένης παραγωγής θα έχει ως αποτέλεσμα την υπολειτουργία των μεγάλων κεντρικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα να αυξηθούν οι εκπομπές ανά παραγόμενη kwh. Άλλα στοιχεία τα οποία κάνουν δύσκολη την ενιαία περιβαλλοντική εκτίμηση, είναι οι διαφορετικές απόψεις που διατυπώνονται σε διάφορα σχετικά θέματα όπως για παράδειγμα, την επικινδυνότητα των πυρηνικών σταθμών, ή την υψηλή στάθμη θορύβου και την οπτική ρύπανση που μπορεί να προκαλεί μια ανεμογεννήτρια.[4] Συνεπώς γίνεται αντιληπτό ότι δεν μπορεί να περιγραφεί το σύνολο των τεχνολογιών κατανεμημένης παραγωγής ως περιβαλλοντικά φιλικό.εντούτοις, η χρήση κατανεμημένων μονάδων παραγωγής που βασίζονται σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας, θεωρείται ότι περιορίζει ή μειώνει τις εκπομπές ανεπιθύμητων αερίων ρύπων και αερίων του θερμοκηπίου Μετάβαση από το σήμερα στο αύριο Σήμερα Τα υπάρχοντα δίκτυα βασίζονται κυρίως σε μεγάλους κεντρικούς σταθμούς παραγωγής που συνδέονται με συστήματα μεταφοράς υψηλής τάσης τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται με συστήματα μέσης και χαμηλής τάσης. Η διανομή και η μεταφορά της ενέργειας γίνεται κατά κύριο λόγο μονοπωλιακά από δημόσιους φορείς ενώ αντίθετα στον τομέα παραγωγής είναι δυνατόν να υπάρχει μεγάλος ανταγωνισμός. Η παροχή ισχύος και ο έλεγχος του δικτύου γίνονται στα σημερινά δίκτυα από κεντρικές εγκαταστάσεις. Υπάρχει λίγο εώς καθόλου συμμετοχή του καταναλωτή και απουσιάζει εντελώς η επικοινωνία. Οι διασυνδέσεις αναπτύχθηκαν κυρίως για αμοιβαία υποστήριξη μεταξύ χωρών και περιφερειών σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. 17

18 Αύριο Τα μελλοντικά δίκτυα διανομής θα έχουν ενεργητικό ρόλο και θα πρέπει να εξασφαλίζουν αμφίδρομη ροή ισχύος. Τα Ευρωπαϊκά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν πλέον σε ένα πλαίσιο μοντέλου αγοράς στο οποίο οι μονάδες παραγωγής διανέμονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις της κάθε αγοράς και το κέντρο ελέγχου του δικτύου αναλαμβάνει ένα γενικό ρόλο εποπτείας. Μια μεγάλη ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγεται από μεγάλους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής θα προέρχεται από διεσπαρμένη παραγωγή και ΑΠΕ. Παράλληλα είναι δυνατό να χρειασθεί η ύπαρξη εφεδρείας σε περίπτωση ελλιπούς παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές. Αυτό προϋποθέτει πολλές αλλαγές στα υπάρχοντα δίκτυα διανομής και μεταφοράς αφού πολλές διασυνδέσεις και καλή επικοινωνία είναι απαραίτητη.[5] Σχήμα 1.2. Παρόν και μέλλον παραγωγής 18

19 1.2. Μικροδίκτυα Εισαγωγή-ορισμός Ως μικροδίκτυο ορίζεται ένα υποσύστημα του κεντρικού δικτύου συνδεδεμένο σε ένα σημείο με το δίκτυο διανομής, το οποίο περιλαμβάνει μονάδες παραγωγής, φορτία και στοιχεία αποθήκευσης της ενέργειας, ενώ μπορεί και λειτουργεί είτε συνδεδεμένο με το δημόσιο δίκτυο, είτε αυτόνομα. Ανά την υφήλιο ένα σημαντικό κομμάτι του πληθυσμού στερείται πρόσβασης στο δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο, ενώ οι ενεργειακές ανάγκες ενός άλλου σημαντικού κομματιού αυξάνονται ραγδαία, με αποτέλεσμα την ανάγκη για επέκταση των συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και την κατασκευή νέων σταθμών παραγωγής. Με την ένταξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στην παραγωγή ενέργειας έγινε και πιο επίκαιρος ο όρος μικροδίκτυα (microgrid/mini-grid). Η μικρό-παραγωγή, όπως ονομάζεται η παραγωγή αυτού του είδους, δεν είναι μια νέα έννοια στην ηλεκτρική παραγωγή και διανομή ενέργειας. Αναφέρεται στην παραγωγή ενέργειας που κυμαίνεται στην κλίμακα των μερικών εκατοντάδων kw. Ωστόσο, τα μικροδίκτυα είναι μια νέα έννοια που δημιουργήθηκε από την συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας και την αδυναμία των υπαρχόντων δικτύων να ανταπεξέλθουν αξιόπιστα σε αυτές τις απαιτήσεις. Τα μικροδίκτυα αποτελούν, στην ουσία, μικρογραφίες του δημόσιου δικτύου και συμβάλλουν στην κατανεμημένη παραγωγή, παρέχοντας την δυνατότητα σε απομονωμένους καταναλωτές να έχουν αδιάλειπτη, τοπική ηλεκτρική παροχή. Το γεγονός ότι για την παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τα βάζει στο επίκεντρο των εξελίξεων στον συγκεκριμένο τομέα, τόσο της ερευνητικής όσο και της εμπορικής δραστηριότητας. 19

20 Σχήμα 1.3. Χαρακτηριστική δομή ενός μικροδικτύου Οι κατηγορίες των μονάδων που μπορούν να διαχωριστούν σε ένα μικροδίκτυο είναι οι εξής: μονάδες παραγωγής ενέργειας, μονάδες αποθήκευσης ενέργειας και μονάδες κατανάλωσης ενέργειας - φορτία. Δεδομένου όμως πως οι μονάδες παραγωγής του μικροδικτύου παράγουν συνεχή τάση και ρεύμα, με τα μεγέθη αυτά να παράγονται συχνά και με μεταβαλλόμενο/ασταθή ρυθμό, γίνεται ευθύς αντιληπτό πως κυρίαρχο ρόλο σε ένα μικροδίκτυο παίζουν οι αντιστροφείς(inverters). Οι συσκευές αυτές είναι υπεύθυνες για την μετατροπή ρεύματος και τάσης στην τελική αc τους μορφή, που είναι εκμεταλλεύσιμη από το δίκτυο. Αν το μικροδίκτυο χρησιμοποιεί κλασσικές μονάδες παραγωγής, όπως γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος τότε οι αντιστροφείς δεν είναι απαραίτητοι. Οι μονάδες παραγωγής μπορούν να είναι είτε κλασσικής παραγωγής, είτε από ήπιες μορφές ενέργειας, δίνοντας πολλές δυνατότητες και μεγάλη ευχέρεια επιλογών ανάλογα με τους φυσικούς πόρους της τοποθεσίας που γίνεται η εγκατάσταση. Οι μονάδες κατανάλωσης - φορτία δεν διαχωρίζονται από τα φορτία που υπάρχουν στα ηλεκτρικά δίκτυα. Τα μικροδίκτυα εξυπηρετούν καταναλώσεις που χρειάζονται αδιάλειπτη λειτουργία και εξασφαλίζουν τη συνεχή τους τροφοδοσία με υψηλή ποιότητα ισχύος. 20

21 Σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο έχουν οι μονάδες αποθήκευσης που είναι αυτές που εξασφαλίζουν την αυτονομία του μικροδικτύου. Οι μονάδες αυτές μπορούν να είναι είτε συσσωρευτές είτε καύσιμα που έχουν αποθηκευτεί με τη βοήθεια των μονάδων παραγωγής κατά την λειτουργία τους π.χ. υδρογόνο. Τυπικές πηγές ενός μικροδικτύου είναι οι γεννήτριες ντίζελ ή φυσικού αερίου συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού (γεννήτριες, μικροστρόβιλοι), οι ανεμογεννήτριες, τα φωτοβολταϊκά, οι κυψέλες καυσίμου, οι γεωθερμικοί και οι ηλιοθερμικοί σταθμοί, τα μικρά υδροηλεκτρικά, οι μονάδες που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη βιομάζα, βιοντίζελ ή οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας. Σε αυτά θα αναφερθούμε αναλυτικότερα σε επόμενες παραγράφους. Μια συνδυασμένη χρήση των νέων τεχνολογιών συμπαραγωγής και ανανεώσιμων πηγών, θα μπορούσε ίσως να κάνει την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας στο μικροδίκτυο ανταγωνιστική αυτής των κεντρικών δικτύων. Η αξιόπιστη λειτουργία ενός μικροδικτύου, συνεπάγεται εκτός από την κάλυψη των απαιτήσεων ενεργού και άεργου ισχύος, και τη συνεχή ρύθμιση της τάσης και της συχνότητας αυτού. Παράλληλα θα πρέπει να περιλαμβάνει όλες τις διατάξεις προστασίας από σφάλματα, βραχυκυκλώματα ή διαρροές Εφαρμογές To μικροδίκτυο αποτελεί μια ευέλικτη προσέγγιση που κατέχει μια ακτίνα εφαρμογών η οποία εκτείνεται σε αρκετούς τομείς: Απομονωμένα και εκτός κεντρικού δικτύου συστήματα Ο τομέας αυτός αντιπροσωπεύει τον μεγαλύτερο αριθμό μικροδικτύων σε παγκόσμιο επίπεδο αλλά έχει την μικρότερη μέση χωρητικότητα. Εμπόριο και βιομηχανία Εφαρμογές σε εμπορικά κέντρα και σε κρίσιμες ζώνες παραγωγής. Αναμένεται να σημείωσει ιδιαίτερη ανάπτυξη τα επόμενα χρόνια. Οικιακές χρήσεις Αφορά οικιακούς πελάτες κυρίως στους τομείς της αποδοτικότητας και της ασφάλειας. 21

22 Κρίσιμες καταστάσεις Αφορά την περαιτέρω ασφάλεια ενσωματώνοντας ανανεώσιμες κατανεμημένες παραγωγές ενέργειας με σκοπό την διασφάλιση της παροχής ισχύος χωρίς την διαρκή εξάρτηση από τα καύσιμα παροχής και το κεντρικό δίκτυο. Αποτελεί το μικρότερο τμήμα της παγκόσμιας αγοράς αυτή τη στιγμή, αλλα αρχίζει να παρατηρείται ανάπτυξη και σε αυτόν τον τομέα. Ιδρύματα και πανεπιστημιουπόλεις Προσφέρεται καλύτερη βραχυπρόθεσμη δυνατότητα ανάπτυξης.[6] Διασύνδεση με το δίκτυο Ένα μικροδίκτυο μπορεί να έχει δυνατότητα διασύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Σε μια τέτοια παραλληλισμένη λειτουργία είναι δυνατή η ανταλλαγή ενέργειας. Έχουμε παροχή πλεονάζουσας ενέργειας σ αυτό όταν η ισχύς του φορτίου είναι μικρότερη από την παραγωγή ή απορρόφηση ενέργειας όταν οι μονάδες του μικροδικτύου δεν επαρκούν να καλύψουν τη ζήτηση ισχύος. Ακόμη σε περίπτωση μόνιμα διασυνδεδεμένης λειτουργίας είναι δυνατή η αξιόπιστη τροφοδότηση του μικροδικτύου από τις δικές του μονάδες σε περίπτωση κατάρρευσης του κεντρικού δικτύου. Δεδομένης της μικρής ισχύος των περισσότερων μονάδων ενός μικροδικτύου, η παραγωγή και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας είναι προτιμότερο να γίνεται στην χαμηλή τάση καθώς δεν απαιτείται η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Το μέγεθος δηλαδή των μονάδων παραγωγής είναι ουσιαστικά αυτό που καθορίζει την στάθμη λειτουργίας. Το μέγεθός του συνολικότερα, μονάδων παραγωγής και φορτίων, καθορίζει εξάλλου και τον τρόπο διασύνδεσής του με άλλα μικροδίκτυα ή με το κεντρικό δίκτυο, στην μέση ή στην χαμηλή τάση. Προφανώς μεγάλη ισχύς απαιτεί διασύνδεση στη μέση τάση, που σημαίνει και αύξηση απωλειών. Πρέπει να τονιστεί ότι σε περιπτώσεις παραλληλισμένης λειτουργίας με το κεντρικό δίκτυο, αυτό που πρωτίστως επιδιώκεται είναι να μην προκαλεί το μικροδίκτυο προβλήματα. Η ποιότητα της τάσης πρέπει να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του δικτύου, η απορροφούμενη ενέργεια να μην ξεπερνά τις απαιτήσεις ενός τυπικού καταναλωτή. 22

23 Σε ένα δεύτερο στάδιο, ένα μικροδίκτυο μπορεί να συμπεριφερθεί επικουρικά στο κεντρικό δίκτυο. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβαίνει αν το μικροδίκτυο ρυθμιζόταν ώστε να μπορεί να υποστηρίξει το κεντρικό δίκτυο, π.χ. να παρέχει ή να απορροφά ενεργό ή άεργο ισχύ όταν απαιτείται, ακόμη και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Στην δεύτερη αυτή περίπτωση απαιτείται προφανώς και μια μορφή επικοινωνίας μεταξύ των κέντρων ελέγχου μικροδικτύου και κεντρικού δικτύου.[7] Στην συνέχεια, θα πρέπει να γίνει μια σύντομη αναφορά στις διαφορές χαρακτηριστικών ανάμεσα στα δίκτυα διανομής και μεταφοράς. Έτσι θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε πιο σφαιρικά την επίδραση της ενός μικροδικτύου στα υπάρχοντα δίκτυα Δίκτυα Διανομής και Μεταφοράς Είναι σημαντικό να εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά των δικτύων διανομής και μεταφοράς από τεχνική πλευρά καθώς εμφανίζουν ουσιαστικές διαφορές μεταξύ τους. Πρώτον, τα δίκτυα διανομής έχουν σχεδιαστεί για διαφορετικό σκοπό από αυτά της μεταφοράς, με κύρια διαφορά ότι τα συστήματα διανομής δεν έχουν προβλέψει για τη σύνδεση τους με μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, η σύνδεση της κατανεμημένης παραγωγής οδηγεί σε αλλαγή της τιμής του ρεύματος σφάλματος, ως εκ τούτου, ενδέχεται να απαιτηθεί επανασχεδιασμός του τοπικού συστήματος προστασίας από σφάλματα. Επιπλέον, τα δίκτυα διανομής είναι συνήθως ακτινικά(ή βροχοειδή που λειτουργούν ακτινικά) και όχι διασυνδεδεμένα, δηλαδή η ροή ενέργειας στα δίκτυα αυτά είναι συνήθως προς μία διεύθυνση οπότε με τη σύνδεση μονάδων παραγωγής ενός μικροδικτύου η ροή ισχύος αλλάζει. Δεύτερον, οι γραμμές υψηλής τάσης, π.χ. γραμμές μεταφοράς έχουν χαμηλή αντίσταση σε σύγκριση με τους αγωγούς χαμηλής τάσης των δικτύων διανομής. Στις γραμμές μεταφοράς η επίδραση της αντίστασης καλωδίου (R) στην πτώση τάσης είναι μικρή, αφού το μέγεθός της είναι εν γένει λιγότερο από την αντίδραση (X), δηλαδή X R > 5. Ως εκ τούτου, η αντίδραση είναι η πιο σημαντική παράμετρος στην πτώση τάσης και τις απώλειες των αγωγών. Στα συστήματα διανομής, ωστόσο, η αντίσταση στις γραμμές είναι συχνά μεγαλύτερη ή τουλάχιστον παρόμοια με την αυτεπαγωγή. Οπότε η αντίσταση της γραμμής διανομής προκαλεί σημαντική πτώση τάσης κατά μήκος των γραμμών διανομής και συνεπώς παρουσιάζονται αυξημένες οι απώλειες γραμμής. Η σύνδεση της κατανεμημένης παραγωγής μπορεί επομένως να έχει σημαντική επιρροή στο τοπικό 23

24 επίπεδο τάσης. Τρίτον, η χαμηλή τάση στα άκρα των συστημάτων διανομής δεν είναι συνήθως συνδεδεμένη με τα συστήματα επιτήρησης και ελέγχου δεδομένων (SCADA), συνεπώς η συλλογή δεδομένων που απαιτούνται για τον τοπικό έλεγχο του συστήματος διανομής, όπως και των μονάδων παραγωγής του μικροδικτύου είναι αρκετά δύσκολη. Η πολυπλοκότητα συλλογής δεδομένων για τον έλεγχο του συστήματος σε ανταγωνιστικές αγορές αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι οι ανεξάρτητοι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν τις μονάδες τους, σύμφωνα με τα μηνύματα των τιμών της αγοράς, που δεν αντιστοιχούν απαραίτητα στις απαιτήσεις των συστημάτων ελέγχου στις τοπικές περιοχές παραγωγής και διανομής Σύνδεση Μονάδων Η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η σύνδεση του μικροδικτύου με το δίκτυο μπορεί να διαφέρει σημαντικά από την παραδοσιακή κεντρική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μεγάλες μονάδες παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιούν σύγχρονες γεννήτριες, ικανές να ελέγχουν την απόδοση άεργου ισχύος στο σύστημα. Οι μεγάλες μονάδες κατανεμημένης παραγωγής επίσης, αξιοποιώντας φυσικό αέριο, για παράδειγμα, κάνουν χρήση σύγχρονων γεννητριών. Οι μεσαίου αλλά ιδιαίτερα οι μικρού μεγέθους μονάδες κατανεμημένης παραγωγής συχνά χρησιμοποιούν ασύγχρονες γεννήτριες (επίσης γνωστές ως επαγωγικές γεννήτριες), δεδομένου ότι είναι σημαντικά φθηνότερες από τις σύγχρονες γεννήτριες. Οι ασύγχρονες γεννήτριες ωστόσο, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας από τις σύγχρονες. Για παράδειγμα, μια απευθείας διασυνδεδεμένη ασύγχρονη γεννήτρια δεν είναι σε θέση για την παροχή άεργου ισχύος αλλά απαιτεί άεργο ισχύ από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της εκκίνησης της διαδικασίας και εν λειτουργία.διαφορετικές τεχνικές επιλογές υπάρχουν για να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα της διασύνδεσης ασύγχρονης γεννήτριας, από μονάδες κατανεμημένης παραγωγής, όπως πυκνωτές και ηλεκτρονικά ισχύος. Και τέλος, οι πολύ μικρές μονάδες, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, οι μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου πρέπει να συνδεθούν μέσω διεπαφής (μετατροπέας) με το δίκτυο, καθώς αυτά τα μικροσυστήματα παράγουν συνεχές ρεύμα. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος προσφέρουν διαφορετικές λύσεις για τη μετατροπή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο και την παραγωγή ενεργούς/άεργου ισχύος με την απαιτούμενη συχνότητα. Οι μετατροπείς αυτοί εισάγουν «επίσης νέα ζητήματα ελέγχου και νέες 24

25 δυνατότητες» για την ολοκλήρωση των δικτύων αφού μπορεί να χρησιμοποιηθούν για έλεγχο της τάσης στο δίκτυο διανομής, για παράδειγμα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα πρόβλημα που μπορεί να προκύψει είναι ότι οι μετατροπείς αλληλεπιδρούν μέσω του δικτύου διανομής πράγμα που μπορεί να οδηγήσει σε διακυμάνσεις στην παροχή ρεύματος ή σε ταλαντώσεις στα δίκτυα διανομής. Ωστόσο, τέτοιες περιπτώσεις φαίνεται να είναι πολύ σπάνιες.[7] Επιδράσεις του μικροδικτύου στην διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στις επιδράσεις από την επικείμενη διασπαρμένη παραγωγή ενέργειας. Οι επιδράσεις εν συντομία συνοψίζονται στις εξής παρακάτω: Αλλαγές στο επίπεδο της τάσης των δικτύων Ποιότητα της παραγόμενης ισχύος Μεταβολή των ρευμάτων από σφάλματα του δικτύου- αλλαγή του επιπέδου βραχυκύκλωσης Τροποποίηση των μηχανισμών προστασίας του δικτύου. Αύξηση των παραγόμενων αρμονικών στο δίκτυο από τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος Επιπτώσεις στην ευστάθεια του συστήματος Μεταβολή Τάσης Έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνικές για την διατήρηση της τάσεως στα επιθυμητά όρια. 25

26 Κυρίως ρυθμίζεται ο λόγος μέσης / χαμηλής τάσης του μετασχηματιστή του υποσταθμού ώστε να διατηρείται η τάση στα επιθυμητά όρια Η αντίστροφη ροή ισχύος και η προκαλούμενη ανύψωση της τάσης μπορεί να περιοριστεί είτε αναστρέφοντας την ροή άεργου ισχύος χρησιμοποιώντας ασύγχρονες γεννήτριες ή υποδιεγείροντας τις σύγχρονες γεννήτριες Σε πολλά δίκτυα χρησιμοποιούνται εξελιγμένες τεχνικές ελέγχου της τάσης μέσω ρύθμισης των λήψεων του αυτομετασχηματιστή σύμφωνα με την εκτίμηση της πτώσης τάσης απο μετρήσεις του ρεύματος Υπάρχει ανάγκη να επιβληθούν στοχαστικά όρια για την διακύμανση της τάσης, οπως π.χ. γίνεται στο πρότυπο ΕΝ Ποιότητα Ισχύος Για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας της ισχύος λαμβάνονται υπόψη κυρίως δυο παράγοντες : Οι μεταβατικές διακυμάνσεις της τάσης. Η παρουσία αρμονικών στο δίκτυο. Ένα σημαντικό ζήτημα για την ποιότητα ισχύος είναι οι βυθίσεις της τάσης που ορίζονται ως μειώσεις της τάσης (από 10% έως και το 90% της ονομαστικής τιμής) σε χρονικά διαστήματα μεταξύ μισού κύκλου μέχρι και αρκετών λεπτών. Εάν κατά την ζεύξη/απόζευξη των γεννητριών επιτρέπεται η ανταλλαγή μεγάλων ρευμάτων με το δίκτυο τότε μπορεί να εμφανιστούν μεταβατικές διαταραχές στην τάση του δικτύου. Τα προβλήματα αυτά μπορούν να περιοριστούν με την χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και σωστό συγχρονισμό των σύγχρονων γεννητριών κατά την ζεύξη τους με το σύστημα. 26

27 Μεταβατικά φαινόμενα Νέες τεχνολογίες υπόσχονται πολλά στην διαχείριση των μεταβατικών φαινομένων. Για την κάλυψη υψηλών αιχμών ζήτησης, όπως για παράδειγμα τα κλιματιστικά κατά τους καλοκαιρινούς μήνες(ένα πρόβλημα που συναντάμε πολύ συχνά στην χώρα μας) και την αποθήκευση περισσευούμενης ενέργειας, ένα μικροδίκτυο, ιδιαίτερα όταν βρίσκεται σε απομονωμένη λειτουργία, μπορεί να χρησιμοποιεί ενέργεια που αποθηκεύεται σε υπερπυκνωτές, μηχανές υψηλής στρεφόμενης αδράνειας (flywheels), συσσωρευτές, ή με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μέσω συμπιεστών αέρα. Η τελευταία δε τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε περιοχές όπου αιολικά ή ηλιακά πάρκα βρίσκονται κοντά σε θάλασσα ή λίμνη, οπότε και αποθηκεύουν την περισσευούμενη ενέργεια που παράγουν, αντλώντας νερό σε ταμιευτήρες υψηλότερης στάθμης. Στη συνέχεια όταν χρειάζεται ενέργεια οι κινητήρες άντλησης χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ισχύ στο μικροδίκτυο. Πρέπει να τονιστεί ότι ένας πολύπλοκος έλεγχος ενός τέτοιου συστήματος με την παρούσα διαθέσιμη τεχνολογία απαιτεί την χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, για τη διασύνδεση των περισσότερων πηγών ενέργειας του μικροδικτύου με τους ζυγούς. Είτε η παραγόμενη ισχύς είναι διαρκώς μεταβαλλόμενη όπως στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών και ανεμογεννητριών, είτε ελεγχόμενη όπως των υδροηλεκτρικών σταθμών και των πετρελαιογεννητριών, η διοχέτευση αυτής μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων κάνει εφικτό τον έλεγχο των πιο σημαντικών μεγεθών αυτής, δηλαδή της τάσης και της συχνότητας, μέσω της ροής ενεργού και άεργου ισχύος. Έτσι το βασικότερο στοιχείο ενός μικροδικτύου είναι συνήθως ένας ηλεκτρονικός αντιστροφέας ισχύος, όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα. Αυτό μπορεί να γίνεται είτε με την οδήγηση μιας ελεγχόμενης γεννήτριας, είτε με την διαχείριση συσσωρευτών ή μικροστροβίλων, είτε με τον έλεγχο των ηλεκτρονικών ισχύος των άλλων μικρομονάδων παραγωγής ενέργειας.[7] Χαρακτηριστικά λειτουργίας Ανεξαρτητοποίηση μονάδων ( Peer to Peer ) Ένα βασικό χαρακτηριστικό των μικροδικτύων, που αξίζει αναφοράς, είναι η δυνατότητα των μονάδων να λειτουργούν ανεξάρτητα η μια της άλλης. Έχουν δηλαδή ομότιμη συμμετοχή στο εκάστοτε δίκτυο. Αυτό ονομάζεται και peer to peer, φράση που 27

28 προέρχεται από την ορολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται ότι δεν υπάρχουν μονάδες όπως ένας κεντρικός ελεγκτής ή μια κεντρική μονάδα αποθήκευσης που να έχουν κρίσιμο ρόλο στην λειτουργία του μικροδικτύου. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι το μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα από τις μονάδες που είναι συνδεδεμένες ή ακόμα πιο σημαντικά- την απώλεια ορισμένων εξ αυτών. Έτσι το βάρος/ευθύνη της σταθερής λειτουργίας του μικροδικτύου δεν πέφτει πάνω σε μια «κεντρική» μονάδα με τις άλλες να έχουν ρόλο υποστήριξης, αλλά διαμοιράζεται εξίσου, με αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλές μονάδες οδηγοί χωρίς να χρειάζονται επιπλέον τρόποι επικοινωνίας.[8] Άμεση διασύνδεση μονάδων ( Plug n Play ) Το μικροδίκτυο έχει την δυνατότητα να μην χρειάζεται επαναπροσδιορισμό των ελέγχων του σε περίπτωση που προστεθεί/αφαιρεθεί κάποια από τις μονάδες του(παραγωγής ή αποθήκευσης ή κάποιο φορτίο). Έτσι οι μονάδες μπορούν να συνδέονται/αποσυνδέονται άφοβα σε οποιοδήποτε σημείο του μικροδικτύου. Εδώ χρειάζεται να επισημάνουμε ότι πρωταγωνιστικό ρόλο στην λειτουργία plug n play παίζουν οι μετατροπείς που διαθέτει το μικροδίκτυο. Η κάθε μονάδα και ο έλεγχός της, θα πρέπει να είναι σε θέση να ανταποκρίνεται στις αλλαγές του συστήματος, είτε των χαρακτηριστικών του δικτύου, είτε του φορτίου χωρίς να απαιτεί την συγκέντρωση δεδομένων από άλλα φορτία ή μονάδες παραγωγής.[9] Τα δύο τελευταία χαρακτηριστικά που αναφέραμε προσφέρουν στα μικροδίκτυα το πλεονέκτημα της εύκολης και άμεσης επέκτασής τους ενώ ταυτόχρονα μπορούν να προσαρμόζονται στις εκάστοτε καταστάσεις ζήτησης και τροφοδοσίας. Έτσι, με μικρό κόστος και μηδαμινές απώλειες στον τομέα της σταθερότητας και ασφάλειας, μπορούν να προστεθούν φορτία και μονάδες παραγωγής όσο οι ανάγκες το απαιτούν. 28

29 Πλεονεκτήματα μικροδικτύου Εν συντομία παρουσιάζουμε τα σημαντικότερα οφέλη ενός μικροδικτύου: Απόδοση ενέργειας: Η συνολική απόδοση της ενέργειας αυξάνεται με τις εφαρμογές συμπαραγωγής, που αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των μικροδικτύων. Ενώ λοιπόν μέχρι την δημιουργία των μικροδικτύων είχαμε μεγάλη κεντρική παραγωγή ισχύος και τοπική παραγωγή θερμότητας, με την δημιουργία των μικροδικτύων τόσο η παραγωγή ισχύος όσο και της θερμότητας γίνονται τοπικά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η κατανάλωση ενέργειας που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα να μειώνεται κατά το 1/3 Ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Αυξημένη αξιοπιστία και προσαρμοστικότητα του συστήματος ενέργειας Υψηλή μείωση των απωλειών από την μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, αφού η παραγωγή γίνεται τοπικά Οφέλη για το δίκτυο, όπως δυνατότητα τοπικής παραγωγής, ελέγχου τάσης και συχνότητας Σε περιόδους αιχμής φορτίου αποτρέπει την κατάρευση μειώνοντας το φορτίο του δικτύου Το μικροδίκτυο μπορεί να ενεργήσει για να μετριάσει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας για τους χρήστες δημιουργώντας το σύνολο ή μέρος του ζητούμενου φορτίου Και στον περιβαλλοντικό τομέα: Σημαντική μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα Τα μικροδίκτυα ενισχύουν την χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 29

30 Οι επιπτώσεις από την χρήση μεγάλων γεωγραφικών εκτάσεων (για τις εγκαταστάσεις κλπ.) αποφεύγονται.[6] Μειονεκτήματα μικροδικτύου Όπως κάθε νέα τεχνοτροπία, έτσι και το μικροδίκτυο έχει ορισμένα μειονεκτήματα, τα οποία ωστόσο δεν είναι σε καμία περίπτωση ικανά να το επισκιάσουν. Αυτά είναι: Η τάση, η συχνότητα και η ισχύς της ποιότητας είναι τρεις κύριες παράμετροι που πρέπει να εξεταστούν και να ελέγχονται σε αποδεκτά επίπεδα, ενώ παράλληλα διατηρείται το ισοζύγιο ενέργειας και ισχύος Η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να αποθηκεύεται σε συστοιχίες μπαταριών, με αποτέλεσμα να απαιτείται αρκετός χώρος αλλά και συντήρηση Ο επανασυγχρονισμός με το κεντρικό δίκτυο παρουσιάζει δυσκολίες. Η τοποθέτηση αξιόπιστων διατάξεων προστασίας αποτελεί μια εκ των σημαντικότερων προκλήσεων σε οτι αφορά την λειτουργία ενός μικροδικτύου Η αναμονή φορτίου και η ακριβής μέτρηση της ενέργειας (παραγόμενης και λαμπβανόμενης απο το δίκτυο) ίσως σταθούν εμπόδια στην αρχική ανάπτυξη των μικροδικτύων Πρότυπα διασύνδεσης πρέπει να αναπτυχθούν για να εξασφαλιστεί η συνοχή. - Το πρότυπο IEEE P1547 που προτείνεται απο το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών καταλήγει στην πλήρωση αυτού του κενού.[6] 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Το Υβριδικό Μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ (AC/DC) 2.1. Εναρμόνιση συστημάτων ΕΡ (ac) και ΣΡ (dc) Εξέλιξη των συστημάτων ισχύος Έχουν περάσει πάνω από εκατό χρόνια από τότε που ο Tomas Edison έχτισε το πρώτο σύστημα παροχής ηλεκτρισμού συνεχούς ρεύματος (dc) στις 4 Σεπτέμβρη του 1882, στην οδό Pearl στην Νέα Υόρκη. Απο τότε, πολλά σημαντικά γεγονότα συνέβησαν στην βιομηχανία παροχής ηλεκτρισμού. Το πρώτο σημαντικό γεγονός ήταν «ο πόλεμος των ρευμάτων», όπως ονομάστηκε και ξεκίνησε το Ο Tomas Edison και το σύστημα διανομής συνεχούς ρεύματος ΣΡ- απο την μία πλευρά και οι George Westinghouse και Nikolai Tesla απο την άλλη, με το σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος ΕΡ- (ac). Ο πόλεμος «έληξε» περίπου το 1891 οπού το εναλλασσόμενο ρεύμα βγήκε νικητής και αναδείχθηκε ως το επικρατές μέσο διανομής ισχύος. Το κλειδί για την επικράτηση του εναλλασσόμενου συστήματος ήταν η εφεύρεση του μετασχηματιστή, ο οποίος μπορούσε εύκολα να ανυψώσει την μέση τάση σε υψηλή και υπερυψιλή τάση για μεγάλης απόστασης μεταφορά ισχύος από έναν απομονωμένο σταθμό παραγωγής ΕΡ στα κέντρα φορτίων εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά με τις λιγότερες απώλειες μετάδοσης. Οι μετασχηματιστές μπορούν επίσης να υποβιβάσουν την υψηλή τάση σε χαμηλή τάση στους σταθμούς φορτίων ωστε να διανέμουν τους εξοπλισμούς χαμηλής τάσης. Από το τέλος του πολέμου αυτού και μετά, τα συστήματα ΕΡ αναπτύχθηκαν και επεκτάθηκαν με τρομερούς ρυθμούς. Από τα αρχικά μικρά απομονωμένα δίκτυα, που τροφοδοτούσαν αποκλειστικά φορτία φωτισμού και κίνησης και προμήθευαν μόνο μερικές χιλίαδες καταναλωτών, πλέον έχουν αναπτυχθεί υπερ-διασυνδεδεμένα δίκτυα που 31

32 προμηθεύουν εκατομμύρια πελάτες σε τεράστιες γεωγραφικές εκτάσεις σε μια ή περισσότερες χώρες. Τα επίπεδα τάσης και οι χωρητικότητες των δικτύων μετάδοσης έχουν αυξηθεί από τα αρχικά τριφασικά συστήματα ΕΡ των 2.4 kv, 250kW στην πόλη Redlands στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, στην πρώτη εμπορική μεγάλης απόστασης,ύπερυψηλής τάσης, γραμμή μεταφοράς ΕΡ στην Κίνα των kv, 2.000MW. Η απόσταση διανομής έχει αυξηθεί από μερικά χιλιόμετρα σε χιλιάδες χιλιόμετρα. Μετά απο τόσα σημαντικά γεγονότα, είναι φανερό ότι το σύστημα ισχύος ΕΡ αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα ηλεκτρολογικά επιτεύγματα του 20 ου αιώνα. Αυτό όμως σημαίνει ότι το συνεχές ρεύμα πέθανε; Η απάντηση είναι φυσικά και όχι. Τα τελευταία 50 χρόνια η ανάπτυξη εφαρμογών προχωρημένων τεχνολογιών ελέγχου σε συμβατικά φορτία συστημάτων ισχύος, η βασιζόμενη σε ηλεκτρονικά ισχύος μετάδοση υψηλής συνεχής τάσης (HVdc) και η εισαγωγή όλο και περισσότερο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα συστήματα διανομής χαμηλής τάσης μας καλεί να αναθεωρήσουμε για την χρησιμότητα και αναγκαιότητα του ΣΡ και του ΕΡ στα συστημάτα παροχής ηλεκτρισμού.[10] Μετάδοση ΣΡ στα συστήματα ΕΡ Αν και σημαντικά γεγονότα έχουν επιτευχθεί στα συστήματα μετάδοσης υψηλής εναλλασσόμενης τάσης (HVac), δεν σημαίνει απαραίτητα ότι το εναλλασσόμενο δίκτυο είναι πιο αποδοτικό από το συνεχές δίκτυο κάτω από τα ίδια επίπεδα τάσης. Είναι γνωστό ότι μια -ίδιου μεγέθους- γραμμή μετάδοσης μπορεί να μεταφέρει μεγαλύτερη ισχύ με λιγότερες απώλειες οταν χρησιμοποιείται ΣΡ απ ότι ΕΡ εξαιτίας των θερμικών ορίων και ορίων σταθερότητας. Οι μηχανικοί αρχικά απολάμβαναν την ευκολία και υψηλή αποδοτικότητα της μετάδοσης ΕΡ, απλά ανυψώνοντας την τάση με τους μετασχηματιστές για την μεταφορά ισχύος μεγάλης απόστασης. Παραταύτα, πάντα υπήρχαν περιορισμοί και προβλήματα. Το πλεονέκτημα της μετάδοσης ΣΡ αναγνωρίστηκε εκ νέου λόγω της ανάπτυξης προχωρημένων τεχνικών ηλεκτρονικών ισχύος. Η πρώτη πλήρως εμπορική μονάδα μεταφοράς HVdc παγκοσμίως τέθηκε σε λειτουργία στο νησί Gotland στην Σουηδία το 1954, με το έργο να ονομάζεται Gotland 1. Αν και το Gotland 1 με έπιπεδο τάσης 100kV μπορεί να μεταφέρει μόνο 20MW ισχύος μέσω ενος υποθαλάσσιου καλωδίου 98 χιλιομέτρων από το νησί μέχρι την κοντινή ηπειρωτική περιοχή, παραταύτα αποτελεί την απαρχή της παρεμβολής του ΣΡ μέσα στα κυριαρχούντα δίκτυα μετάδοσης ΕΡ. Από τότε λοιπόν, πολλά έργα HVdc έχουν κατασκευαστεί ή είναι υπό κατασκευή στα 32

33 υπάρχοντα εναλλασσόμενα συστήματα ισχύος παγκοσμίως. Το επίπεδο τάσης έχει επίσης αυξηθεί από τα ±100kV στα ±800kV. Κύρια πλεονεκτήματα της μετάδοσης συνεχούς υψηλής τάσης (HVdc) πάνω στα εναλλασσόμενα συστήματα αποτελούν οι υψηλότερες τιμές ισχύος για μια δοθείσα γραμμή και ο καλύτερος έλεγχος των ροών ισχύος, ειδικότερα σε παροδικές και επείγοντες καταστάσεις που μπορούν να οδηγήσουν σε ξαφνικές διακοπές ρεύματος. Υπολογίζεται ότι μέχρι σήμερα υπάρχουν πάνω από 130 ολοκληρωμένα και σε εξέλιξη έργα HVdc. Στον πίνακα (2.1) αναφέρονται μερικά έργα σε διαφορετικά επίπεδα τάσης. Τα έργα αυτά αναδεικνύουν τις υψηλές απαιτήσεις της μετάδοσης ΣΡ στα υψηλά και υπερυψηλά επίπεδα τάσης των μελοντικών συστημάτων ισχύος.[10] Πίνακας 2.1. Επιλεγμένα έργα μεταφοράς ΣΡ με διαφορετικά επίπεδα τάσης Εισαγωγή φορτίων ΣΡ στα συστήματα ΕΡ Τα εναλλασσόμενα συστήματα προσφέρουν το πλεονέκτημα των εγγενών χαρακτηριστικών των μηχανών ΕΡ και τη δυνατότητα των μετασχηματιστών για εύκολη μεταφορά ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις για την παροχή απομονωμένων φορτίων. Η σταδιακή όμως αλλαγή των τύπων φορτίων στα τοπικά κατανεμημένα εναλλασσόμενα συστήματα δημιουργεί την ανάγκη για την εισαγωγή επιπρόθετων δικτύων ΣΡ. 33

34 Τα αρχικά συστήματα ισχύος χτίστηκαν για να προμηθεύουν φορτία όπως φωτισμός, θέρμανση και φορτία κίνησης. Στα αρχικά στάδια ενός συστήματος ΣΡ ή ΕΡ, τα φορτία ΕΡ ή ΣΡ και οι γεννήτριες φτιάχνονταν έτσι ώστε να προσαρμόζονται στα συστήματα παροχής. Από τότε που το ΕΡ έγινε το κυρίαρχο μέσο παροχής, τα συστήματα ΕΡ έχουν εξελιχθεί με τρομερή ταχύτητα στα σημερινά επίπεδα. Στα συστήματα ΕΡ, όλα τα φορτία αναγκάζονται να προσαρμόζονται σε συστήματα παροχής ΕΡ. Για τα εγγενή φορτία ΣΡ, έχουν χρησιμοποιηθεί ανορθωτές ΕΡ/ΣΡ ώστε να συνδέονται στα δίκτυα ΕΡ, χωρίς όμως να διακριθούν οι επιρροές των επιπρόσθετων συνδέσεων των κυκλωμάτων των ανορθωτών. Μία σημαντική αλλαγή που συνέβη αθόρυβα στα συμβατικά εναλλασσόμενα συστήματα, με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος για την βελτίωση της απoδοτικότητας της χρησιμοποιήσης ενέργειας και της ευελιξίας του ελέγχου, ήταν η ταχύτατη ανάπτυξη των φορτίων ΣΡ. Αν αναζητήσουμε τα φορτία στα σύγχρονα συστήματα ισχύος, παρατηρείται ότι τα φορτία ΣΡ (dc loads) και τα φορτία ΕΡ με μετατροπείς (ACwC) είναι σε κυρίαρχη θέση στα περισσότερα συστήματα ισχύος ΕΡ. Τα αγνά φορτία ΕΡ έχουν μειωθεί σημαντικά με το πέρασμα του χρόνου. Στην καθημερινότητά μας στο σπίτι ή στο γραφείο οι εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούμε όπως οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εκτυπωτές, τηλεοράσεις και γενικά ηλεκτρικές συσκευές που μας περιβάλλουν είναι ως επί το πλείστον φορτία συνεχούς ρεύματος (dc). Ακόμα και τα συμβατικά εναλλασσόμενα φορτία οδηγούμενα από ac κινητήρες όπως ψυγεία, πλυντήρια, κλιματιστικά ή βιομηχανικοί εξοπλισμοί, αντικαθίστανται σταδιακά από ac κινητήρες με αντιστροφείς (inverters) για τον έλεγχο στροφών και την εξοικονόμηση ενέργειας. Παράλληλα στα σύγχρονα συστήματα ΕΡ είναι ζήτημα χρόνου να αντικατασταθούν οι αποδοτικές λάμπες φθορισμού ΕΡ με τις πιο αποτελεσματικές διόδους εκπομπής φωτός (LEDs). Επίσης οι ηλεκτρικές εστίες τόξου ΣΡ και ΕΡ που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανίες χάλυβα τείνουν να αντικατασταθούν από αντίστοιχες συνεχούς ρεύματος αφού καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια απ ότι μια εναλλασσόμενου, για την ίδια παραγωγή. Επιπλέον οι βιομηχανικές ηλεκτροχημικές διεργασίες είναι σχεδόν αγνοί προμηθευτές ΣΡ.[10] Τυπικά φορτία των μελλοντικών συστημάτων ισχύος φαίνονται στον πίνακα (2.2). Παρατηρείται ότι ένα μεγάλο ποσοστό των μελλοντικών φορτίων θα είναι συνεχή φορτία. Είμαστε λοιπόν υποχρεωμένοι να συνεχίσουμε με το ΕΡ, ή θα πρέπει να αναθεωρήσουμε για τα δίκτυα ΣΡ στα κανατεμημένα συστήματα; 34

35 Πίνακας 2.2. Τυπικά φορτία των μελλοντικών συστημάτων ισχύος Ένταξη ΚΠ και Μικροδικτύων στα συστήματα ΕΡ Σχήμα 2.1. Διάγραμμα εναλλασσόμενου συστήματος μετάδοσης χωρίς ΚΠ και συνεχή συστήματα (HVdc) Άλλο ένα εξέχον γεγονός, το οποίο παρατηρήθηκε πρόσφατα στα εναλλασσόμενα συστήματα, είναι η πρόσθεση Κατανεμημένων Παραγωγών (ΚΠ) και μικροδικτύων (ΜΔ) για την εφαρμογή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως ανεμογεννήτριες (WTGs), φωτοβολταϊκά συστήματα (PV), γεννήτριες κυψελών καυσίμου (Fuel cell generators), συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ESSs) και ηλεκτρικά οχήματα (Elecric Vehicles EVs) στα τοπικά συστήματα διανομής. Οι έξοδοι από τα φωτοβολταϊκά πάνελς και τις 35

36 κυψέλες καυσίμου είναι ισχύος ΣΡ. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να λειτουργούν σε ΕΡ και σε ΣΡ. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι γεννήτριες κυψελών καυσίμου απαιτούν αντιστροφείς ΣΡ/ΕΡ(dc/ac) για να συνδεθούν στα εναλλασσόμενα συστήματα διανομής. Ένα περίπλοκο κύκλωμα ελέγχου επίσης απαιτείται για κάθε αντιστροφέα dc/ac ώστε να συγχρονίζεται με τα εναλλασσόμενα συστήματα των 50 ή 60Ηz αλλά και να προμηθεύει υψηλής ποιότητας εναλλασσόμενα ρεύματα χωρίς αρμονικές. Οι μπαταρίες χρειάζονται έναν ελεγκτή φόρτισης/εκφόρτισης για να συνδεθεί στο δίκτυο ΕΡ. Τα EVs σήμερα αντιμετωπίζονται μόνο ως φορτία ΕΡ. Ως εκ τούτου, ένας ελεγκτής ac/dc απαιτείται για την φόρτιση της μπαταρίας του ηλεκτρικού οχήματος. Όμως τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως αποθήκευση ενέργειας ώστε να μαλακώσουν την λειτουργία των συστημάτων ισχύος στο μέλλον. Η ολοκλήρωση των κατανεμημένων μονάδων παραγωγής δεν άλλαξε μόνο την δομή των εναλλασσόμενων συστημάτων αλλά και την κατεύθυνση της ροής ισχύος από μονόδρομη σε αμφίδρομη στα συστήματα διανομής και υπομετάδοσης. Το σχήμα (2.1) δείχνει την συμβατική διαμόρφωση του εναλλασόμενου συστήματος και την κατεύθυνση της ροής ισχύος χωρίς ΚΠ, ενώ το σχήμα (2.2) δείχνει την διαμόρφωση και τις κατευθύνσεις ισχύος με KΠ την οποία αντιπροσωπεύει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Στο σχήμα (2.2) φαίνεται ξεκάθαρα η υψηλή παρουσία της εισχώρησης ΣΡ στα συστήματα ΕΡ, αναδεικνύοντας έτσι την χρησιμότητά του στα μελλοντικά συστήματα ισχύος.[10] Σχήμα 2.2. Διάγραμμα συστήματος ΕΡ με ΚΠς και HVdc 36

37 Μετατροπές ισχύος στα συστήματα ΕΡ και ΣΡ Αξίζει τελικά να αναβαθμίσουμε τα υπάρχοντα εναλλασσόμενα συστήματα διανομής σε πιο αποδοτικές δομές διανομής με συνδυασμό ΣΡ και ΕΡ; Οι πολλαπλές μετατροπές ισχύος και οι σχετιζόμενες απώλειες απόδοσης χρειάζεται να αναλυθούν Ροή ισχύος στα συστήματα ΕΡ Σε ένα εναλλασσόμενο σύστημα με ΚΠ όπως φαίνεται στο σχήμα (2.2) το ΣΡ από το φωτοβολταϊκό πάνελ ή τις γεννήτριες κυψελών καυσίμου πρέπει να μετατραπεί σε ΕΡ μέσω των αντιστροφέων ΣΡ/ΕΡ (dc/ac) πριν την διασύνδεσή τους με το δίκτυο διανομής. Αν η ισχύς από τις πηγές ΕΡ καταναλώνεται τελικώς από φορτία ΕΡ, δεν χρειάζεται άλλη μετατροπή ισχύος. Για φορτία ΣΡ, η οδικός χάρτης ροής ισχύος είναι ΕΡ ΣΡ(ac dc) και έτσι χρειάζεται ένας ανορθωτής ΕΡ/ΣΡ(ac/dc). Για φορτία ACwC (ΕΡ με μετατροπείς), ο οδικός χάρτης είναι ac dc ac και χρειάζονται τόσο ανορθωτές ac/dc όσο και αντιστροφείς dc/ac. Αν η ισχύς απο τις πηγές ΣΡ καταναλώνεται τελικώς από φορτία ΕΡ, ο οδικός χάρτης της ροής ισχύος θα είναι dc ac και χρειάζεται σύνδεση αντιστροφέων dc/ac. Για φορτία ΣΡ, ο οδικός χάρτης θα είναι dc ac dc και χρειάζονται τόσο αντιστροφείς dc/ac όσο και ανορθωτές ac/dc. Για τα φορτία ACwC, ο οδικός χάρτης θα είναι dc ac dc ac και συνδέονται αντιστροφέας dc/ac, ανορθωτής ac/dc και αντιστροφέας dc/ac. Πίνακας 2.3. Οδικοί χάρτες μετατροπών ισχύος για συστήματα ΕΡ και ΣΡ 37

38 Ροή ισχύος στα συστήματα ΣΡ Όπως ήδη αναφέρθηκε, τα δίκτυα ΣΡ όλο και αναβιώνονται την σύγχρονη εποχή λόγω της ανάπτυξης των ανανεώσιμων πηγών ΣΡ και των λόγω των εγγενών πλεονεκτημάτων των φορτίων ΣΡ στο εμπόριο, την βιομηχανία και τις κατοικίσιμες εφαρμογές. Σε ένα σύστημα ΣΡ, η εναλλασσόμενη ισχύς από τις πηγές ΕΡ πρέπει να μετατραπεί σε ΣΡ χρησιμοποιώντας μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ(ac/dc) πριν την διασύνδεσή τους με το δίκτυο διανομής. Αν η ισχύς από τις πηγές ΣΡ καταναλώνεται από φορτία ΣΡ, τότε δεν χρειάζεται περαιτέρω μετατροπή ισχύος. Τόσα για φορτία ΕΡ όσο και για ACwC φορτία ο οδικός χάρτης ροής ισχύος θα είναι dc ac και χρειάζεται η σύνδεση αντιστροφέα ΕΡ/ΣΡ. Αν η ισχύς από τις πηγές ΕΡ καταναλώνεται τελικά από φορτία ΣΡ, ο χάρτης ροής ισχύος είναι ac dc και συνδέεται ανορθωτής ac/dc. Για φορτία ΕΡ και ACwC, ο οδικός χάρτης θα είναι ac dc ac και συνδέονται τόσο ac/dc όσο και dc/ac μετατροπείς ισχύος. Οι οδικοί χάρτες των μετατροπών ισχύος για τα αυτόνομα ac ή dc συστήματα φαίνονται στον πίνακα (2.3).Γενικά, ένα εναλλασσόμενο σύστημα διανομής έχει περισσότερες διεργασίες μετατροπών απ ότι ενα σύστημα συνεχούς διανομής. Πρέπει να τονίσουμε ότι ο οδικός χάρτης μετατροπών ισχύος δεν περιλαμβάνει τις ac/ac ανυψώσεις/υποβιβασμούς τάσης για τις πηγές ΕΡ και τα φορτία που συνδέονται στο σύστημα ΕΡ, ούτε τα dc/dc bulk/boost στάδια μετατροπών για τις πηγές και φορτία ΣΡ. Από τον πίνακα (2.3) μπορούμε να εξάγουμε ότι θα υπάρχουν πολύ λίγες ή καθόλου διεργασίες μετατροπών αν οι πηγές και τα φορτία ΕΡ συνδεθούν στο δίκτυο ΕΡ και οι πηγές και φορτία ΣΡ στο δίκτυο ΣΡ. Σε αυτήν την περίπτωση θα έχουμε τις λιγότερες απώλειες μετατροπών ισχύος.[10] 38

39 Δυνατότητες συστημάτων διανομής ΣΡ και ΕΡ Πλεονεκτήματα και ευκαιρίες διανομής ΣΡ Ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να ενσωματωθούν άμεσα στον ζυγό ΣΡ. Το γεγονός αυτό συντελεί στην εξάλειψη των μετατροπών, εξοικονομώντας έτσι περίπου 10% της παραγόμενης ενέργειας. Αξιόπιστη και αδιάλειπτη παροχή Η διαρκής επιθυμία για αξιόπιστες τεχνολογίες πληροφοριών απαιτεί αδιάλειπτες παροχές ισχύος. Κάθε τέτοια παροχή πρέπει να προμιθεύει τις συσκευές αποθήκευσης ζυγού ΣΡ, οι οποίες θα παρέχουν ενέργεια σε κάποια εφαρμογή κατά την διάρκεια απρογραμμάτιστων διακοπών ΕΡ. Σταθερότητα Τάσης Τα στοιχεία του κατανεμημένου συστήματος διανομής ΣΡ δεν θα ελαφρείνουν αλλά θα επιδεινώσουν τους υπολογισμούς στην σταθερότητα της τάσης, κυρίως αν συνυπάρχουν τα συστήματα ΣΡ και ΕΡ, όπως πρέπει. Παρ όλα αυτά, τα ενεργά στάδια εισόδου των παροχών ισχύος μπορεί να μην εξασφαλίσουν καλό συντελεστή ισχύος, μπορεί επίσης να διαχέουν άεργο ισχύ μέσα στις παροχές ΕΡ ώστε να ελέγχεται η τάση και να εξασφαλίζεται σταθερότητα. 39

40 Φωτιστικά φθορίου και Ηλεκτρονικές συσκευές Τα στραγγαλιστικά πηνία των φωτισμών φθορίου εξυπηρετούνται από την ισχύ ΣΡ. Απομακρυνόμενοι από τις λιγότερο αποδοτικές λάμπες πυρακτώσεως προς τεχνολογίες φωτισμού όπως συμπαγή φωτιστικά φθορίου (και τελικά στερεάς κατάστασης φωτισμούς) τα οποία εφαρμόζονται άψογα στην διανομή ΣΡ. Με αυτό τον τρόπο εξοικονομούμε και εδραιώνουμε τουλάχιστον ένα βήμα μετατροπής ισχύος το οποίο σήμερα υπάρχει σε κάθε φωτιστικό. Κάτι παρόμοιο ισχύει και για τις οικιακές ηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίες απαιτούν ισχύ ΣΡ και πρέπει να ανορθώνουν την παροχή ΕΡ που τους παρέχεται. Οδηγοί μεταβλητής ταχύτητας Οι οδηγοί (drives) μεταβλητής ταχύτητας, που βρίσκονται τόσο στην παραγωγή όσο και στα φορτία, χρησιμοποιούνται για να ισορροπούν τις ισχείς εισόδου και εξόδου. Ο έλεγχος μεταβλητής ταχύτητας μπορεί πιο εύκολα να εξασφαλιστεί από μια πηγή ΣΡ. Ποιότητα ισχύος Ενώ τα ηλεκτρονικά ισχύος συχνά αντιμετωπίζονται ως αιτία χαμηλής ποιότητας ισχύος οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος εμφανίζονται στα περισσότερα πρότυπα ποιότητας ισχύος τοποθετημένα σε ένα εναλλασσόμενο σύστημα και μπορούνν ακόμα και να βελτιώσουν την ποιότητα εναλλασσόμενης ισχύος. Τα πρώτα στάδια των παροχών ισχύος ΣΡ πρέπει πάντα να διορθώνουν τον συντελεστή ισχύος. Καλές πρακτικές σχεδιασμού και φιλτραρίσματος εξασφαλίζουν αποδεχτή αρμονική ποιότητα ισχύος. Η δυνατότητα αυτή προκύπτει από την χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπών ισχύος όχι μόνο για να αποτραπεί η κακή ποιότητα ισχύος, αλλά και να βελτιωθεί. Ανησυχίες για την ανθρώπινη υγεία Πιθανές ανησυχίες για την ανθρώπινη υγεία από την έκθεση στο σύστημα διανομής ΕΡ (60Hz) μας οδηγούν σε όλο και περισσότερη χρήση των συστημάτων διανομής ΣΡ.[11] 40

41 Πλεονεκτήματα διανομής ΕΡ Μετασχηματισμός της τάσης Ίσως το κυριότερο πλεονέκτημα των συστημάτων ΕΡ είναι η ευκολία με την οποία η εναλλασσόμενη τάση μπορεί να ανυψωθεί για την διανομή σε μεγάλη απόσταση και εν συνεχεία να υποβιβαστεί, αν είναι απαραίτητο, δίπλα από το φορτίο κατανάλωσης.η μετατροπή της συνεχούς τάσης βελτιώνεται, αλλά η μετατροπή αυτή ίσως ποτέ να μην γίνει τόσο απλή και δεν έχουμε φτάσει ακόμα στο σημείο όπου η μετατροπείς ΣΡ να μπορούν να ανταγωνιστούν τους μετασχηματιστές για την διανομή Υψηλής Τάσης. Η μόνη εξαίρεση είναι η μετάδοση HVdc, η οποία ανορθώνεται και αντιστρέφεται σε και από υψηλή συνεχή τάση σε ένα περιορισμένο αριθμό απομονωμένων υποσταθμών. Προστασία κυκλωμάτων Η προστασία κυκλωμάτων στα εναλλασσόμενα συστήματα διανομής είναι πιο ώριμη απ ότι στα συστήματα συνεχούς διανομής, άρα είναι σχεδόν αδύνατο να κάνουμε δίκαιη σύγκριση. Ωστόσο τα συστήματα προστασίας για την διανομή ΕΡ έχουν το πλεονέκτημα λόγω των περιοδικών διελεύσεων μηδενικής τάσης, όπου σε αυτές τις στιγμές οι διακόπτες έχουν περισσότερες πιθανότητες να εξαφανίσουν τα τόξα ρευμάτων βραχυκύκλωσης. Σταθερότητα Τάσης Η σταθερότητα της τάσης αποτελεί ζήτημα τόσο για τα συστήματα συνεχούς διανομής όσο και για εναλλασόμενης και αποτελεί ακόμα μεγαλύτερη πρόκληση όταν τα δύο συστήματα ενώνονται. Το πλεονέκτημα του εναλλασσόμενου συστήματος είναι ότι η σταθερή τάση μπορεί να ελεγθεί ανεξάρτητα από την πραγματική ισχύ μέσω της διαχείρισης της άεργου ισχύος. Σε ένα συνεχές σύστημα, οι πτώσεις τάσεις αποτελούν άμεσες συνέπειες της ροής πραγματικής ισχύος κατα μήκος του αγωγού. Διακρίνεται πλέον ότι υπάρχει μια ενδιαφέρουσα αλληλεπίδραση μεταξύ ac και dc συστημάτων και εξοπλισμού ηλεκτρονικών ισχύος. Οι παροχές ενεργούς ισχύος μπορούν να διαχειριστούν τους συντελεστές ισχύος στους τερματικούς σταθμούς και μπορούν να εγχέουν άεργο ισχύ μέσα σε ένα ac σύστημα ώστε να ελέγχεται η ac τάση του συστήματος.[11] 41

42 2.2. Σκοπός ανάπτυξης του υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη ενότητα (2.1), έχοντας ώς κυρίαρχο μέσω μεταφοράς το σύστημα ΕΡ, είναι φυσικό να εγκαθιστούμε ποικίλους εφαρμοσμένους μετατροπείς μέσα στις διάφορες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις ώστε να προσαρμόζονται στο σύστημα ΕΡ. Οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί ποτέ δεν αμφέβαλαν με την λογική ύπαρξης αυτών των μετατροπέων και σπανίως αναθεωρούν για την αποδοτικότητά τους. Όμως, η υπερθέρμανση του πλανήτη και οι περιορισμένοι ορυκτοί πόροι μας έχουν αναγκάσει να δώσουμε μεγαλύτερη προσοχή στην ανανεώσιμη ενέργεια και την αποδοτικότητα της χρησιμοποίησης της ενέργειας. Είναι επίσης η κατάλληλη στιγμή να επανεξετάσουμε την δομή του συστήματος ισχύος ΕΡ και την αποδοτικότητά του. Όπως αναλύθηκε και στην προηγούμενη υποενότητα (2.1.5) για τα αυτόνομα συστήματα ΕΡ και ΣΡ έτσι και για τα αυτόνομα μικροδίκτυα ΕΡ και ΣΡ ισχύουν τα ίδια ζητήματα με τις πολλαπλές μετατροπές ισχύος. Τα AC-μικροδίκτυα έχουν αναπτυχθεί για να χρησιμοποιούν τις υπάρχουσες τεχνολογίες και πρότυπα προστασίας των δικτύων ΕΡ. Όμως, η παραγωγή ισχύος από τις διάφορες κατανεμημένες παραγωγές όπως φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου είναι ισχύος ΣΡ και χρειάζεται να μετατραπεί σε ισχύ ΕΡ μέσα από συστήματα μετατροπέων όπως αντιστροφείς ΣΡ/ΕΡ(DC/AC) για την σύνδεση τους στο κεντρικό δίκτυο.αυτή η εναλλασσόμενη ισχύς μετατρέπεται ξανά σε συνεχή η οποία απαιτείται για τα σημερινά ηλεκτρικά φορτία όπως τα συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (UPS), τα φωτιστικά φθορισμού και τα διάφορα ηλεκτρικά οχήματα. Επομένως, ένα αυτόνομο AC-μικροδίκτυο είναι λιγότερο αποδοτικό εξαιτίας των παραπάνω απωλειών ισχύος που συμβαίνουν κατά τις πολλαπλές μετατροπές. Εκτός αυτού, η δυνατότητα συγχρονισμού, η σταθερότητα και η ζήτηση άεργου ισχύος αποτελούν εγγενή μειονεκτήματα ενός AC-μικροδικτύου.[12] Τα DC-μικροδίκτυα, τώρα, φαντάζουν ως μια καλύτερη εναλλακτική λόγω των προαναφερόμενων λόγων για κατανεμημένες παραγωγές που βασίζονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Όμως, η παραγωγή ισχύος από πηγές όπως ντιζελογεννήτριες, μικρές υδροτουρμπίνες με σύγχρονες γεννήτριες, φωτοβολταϊκά πάνελς αλλά και ηλεκτρικά φορτία αποτελεί μια μίξη εναλλασσόμενης και συνεχούς ισχύος. Έπομένως, ένα αυτόνομο DC-μικροδίκτυο δεν μπορεί να εξαλείψει εντελώς τις απώλειες που συμβαίνουν στα πολλαπλά στάδια μετατροπών, αν και οι απώλειες που συμβαίνουν στις μετατροπές ΣΡ/ΣΡ είναι λιγότερες από αυτές που γίνονται στις μετατροπές ΕΡ/ΣΡ και ΣΡ/ΕΡ. 42

43 Σε ένα αυτόνομο μικροδίκτυο ΕΡ, τα φορτία ΕΡ απαιτούν απλό στάδιο μετατροπής και τα φορτία ΣΡ απαιτούν πολλαπλές μετατροπές.παρόμοια, σε ένα αυτόνομο μικροδίκτυο ΣΡ τα φορτία ΣΡ απαιτούν απλή μετατροπή ενώ τα φορτία ΕΡ πολλαπλά στάδια μετατροπών. Έτσι, ενα υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ αποτελεί μια ευεργετική λύση ώστε να διευκολύνει την σύνδεση των διάφορων ανανεώσιμων ΕΡ και ΣΡ πηγών ενέργειας και φορτίων με το σύστημα ισχύος με σκοπό να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες μετατροπών. Τα λειτουργικά ζητήματα όμως ενός υβριδικού μικροδικτύου θα είναι σίγουρα πιο περίπλοκα και γι αυτο χρήζει ιδαίτερης έρευνας η μελέτη του. Αντικείμενο αυτής της εργασίας λοιπόν είναι η μελέτη του υβριδικού μικροδικτύου και η προσομοίωση ενός βέλτιστου μοντέλου που θα παρουσιάζει τις λιγότερες απώλειες μετατροπών Βασική Δομή υβριδικού μικροδικτύου Το υβριδικό AC/DC μικροδίκτυο αποτελεί ένα σύμπλεγμα AC-μικροδικτύου, DCμικροδικτύου, αμφίδρομων μετατροπέων ισχύος, εξοπλισμού ελέγχου και συστήματος διαχείρισης ενέργειας, όπως φαίνεται στο σχήμα (2.3). Το AC-μικροδίκτυο αποτελείται από ΚΠς με εναλλασσόμενη ισχύ εξόδου όπως ντιζελογεννήτριες,μικρές υδροτουρμπίνες με σύγχρονες γεννήτριες, παραγωγή ενέργειας βαζιζόμενη στην βιομάζα κλπ, φορτία ΕΡ,μηχανές υψηλής στρεφόμενης αδράνειας (flywheels) με διεπαφή ΕΡ/ΕΡ και σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο μέσω αμφίδρομου - βασιζόμενο σε ηλεκτρονικά ισχύος- διακόπτη σε σημείο κοινής σύζευξης. Το DC-μικροδίκτυο περιλαμβάνει ΚΠς με DC ισχύ εξόδου όπως φωτοβολταïκά πάνελς (PV), κυψέλες καυσίμου (fuel cells) κλπ, αλλά και φορτία που απαιτούν DC ισχύ εισόδου όπως τροφοδοτικά UPS, λαμπτήρες φθορισμού κλπ.παράλληλα περιλαμβάνει σύστημα αποθήκευσης ενέργειας ΣΡ όπως μπαταρία,υπερπυκνωτές κ.α. αλλά και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα. Τα στοιχεία αυτά συνδέονται στον ζυγό ΣΡ μέσω μετατροπέα DC/DC buck ή boost. 43

44 Σχήμα 2.3. Βασική δομή υβριδικού AC/DC μικροδικτύου Ένας αμφίδρομος AC-DC/DC-AC μετατροπέας ή κύριος μετατροπέας απαιτείται για την διεπαφή AC και DC μικροδικτύου.συνήθως περιλαμβάνεται και ένας εφεδρικός μετατροπέας ώστε να αποφύγουμε οποιαδήποτε απομόνωση των ΑC και DC υποδικτύων.ο κύριος στόχος του αμφίδρομου AC/DC μετατροπέα είναι να διατηρεί την ομαλή μεταφορά ισχύος μεταξύ ac και dc μικροδικτύων και να διατηρεί σταθερές τις τάσεις των ac και dc ζυγών κάτω από διάφορες παραγωγές και συνθήκες φορτίων. Η μεταφορά ισχύος λαμβάνει χώρα από το ac στο dc μικροδίκτυο αν η παραγωγή στο ac μικροδίκτυο είναι μεγαλύτερη απ ότι στο dc μικροδίκτυο και αντιστρόφως, τόσο στη διασυνδεδεμένη όσο και στην αυτόνομη λειτουργία.[10] 2.4. Τρόποι λειτουργίας Οι δύο τρόποι λειτουργίας του υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ είναι: η λειτουργία διασύνδεσης με το δίκτυο ή διασυνδεδεμένη λειτουργία (grid-tied mode) και η αυτόνομη ή απομονωμένη λειτουργία (islanded mode).η σταθερή και αξιόπιστη λειτουργία βασίζεται 44

45 κατα κύριο λόγο στους κύριους μετατροπείς, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και τα συστήματα μετατροπών ΣΡ και ΕΡ και στις δύο πλευρές.το σύστημα μπορεί να ελέγχεται κεντρικά από ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας και μπορεί επίσης να λειτουργεί και κάτω απο αποκεντρωμένο έλεγχο.[12] Διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο (grid-tied mode) Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, το κεντρικό δίκτυο λειτουργεί ως ο αιωρούμενος ζυγός του υβριδικού μικροδικτύου ώστε να εξισορροπεί τη ζήτηση φορτίου και την τροφοδοσία. Το πλεόνασμα ισχύος στο υβριδικό μικροδίκτυο θα μεταφερθεί στο κεντρικό δίκτυο και η έλλειψη ισχύος στο υβριδικό μικροδίκτυο θα καλύπτεται από το κεντρικό δίκτυο.το κεντρικό δίκτυο σε αυτή την περίπτωση λειτουργεί σαν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με άπειρη χωρητικότητα. Ως εκ τούτου, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ESSs) του μικροδικτύου δεν θεωρούνται κρίσιμα και μπορούν να αφαιρεθούν. Όλα τα συστήματα μετατροπών είναι ελεγμένα να λειτουργούν στο σημείο ανίχνευσης μέγιστης ισχύος (MPPT mode) για να λαμβάνεται η μέγιστη ενέργεια από τις ανανεώσιμες πηγές. Οι λειτουργίες του κύριου μετατροπέα είναι: να διατηρεί απαλή την μεταφορά ισχύος μεταξύ ζυγών ΣΡ και ΕΡ, να προμηθεύει σταθερή τάση στον ζυγό ΣΡ και να μειώνει την διάχυση αρμονικών στο κεντρικό δίκτυο. Μια σημαντική λειτουργία του κύριου μετατροπέα είναι να λύνει το πρόβλημα ανισορροπίας του κεντρικού δικτύου που προκαλείται από ανισόρροπα φορτία που συνδέονται στο δίκτυο ΕΡ. Όταν η έξοδος των πηγών ΣΡ είναι μεγαλύτερη από τα φορτία ΣΡ, τότε ο κύριος μετατροπέας λειτουργεί σαν αντιστροφέας και μεταφέρει ισχύ από την dc στην ac πλευρά. Διαφορετικά, ο μετατροπέας μεταφέρει ισχύ απο την ac στην dc πλευρά. Όταν η συνολική ισχύς είναι μεγαλύτερη από το ολικό φορτίο στο υβριδικό μικροδίκτυο, θα διαχέεται ενέργεια στο κεντρικό δίκτυο. Αλλιώς, το μικροδίκτυο θα λαμβάνει ενέργεια από το κεντρικό δίκτυο Απομονωμένη λειτουργία (islanded mode) Σε αυτή την λειτουργία, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ESSs) στο dc υποδίκτυο ή οι ντιζελογεννήτριες στο ac υποδίκτυο συμπεριφέρονται ως απομονωτές ενέργειας για να ισορροπούν το πλεόνασμα και την έλλειψη ισχύος και να διατηρούν το 45

46 σύστημα σταθερό κάτω από διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Οι μετατροπείς των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορούν να δουλεύουν σε λειτουργία MPPT ή OFF-MPPT ανάλογα με την εναλλασσόμενη συχνότητα και την συνεχή τάση. Όταν η συνεχής τάση ή η εναλλασόμενη συχνότητα (ή και οι δύο) είναι χαμηλές, οι ανανεώσιμες πηγές πρέπει να λειτουργούν στο σημείο μέγιστης ισχύος (ΣΜΙ -MPP) και οι ελεγκτές των συστημάτων αποθήκευσης πρέπει να λειτουργούν σε κατάσταση αποφόρτισης ή η ντιζελογεννήτρια να παράγει περισσότερη ισχύ.ο κύριος μετατροπέας ελέγχεται ώστε να μεταφέρει ισχύ μεταξύ των συνδέσμων ΕΡ και ΣΡ ανάλογα με τις συνθήκες των φορτίων και των αποθεμάτων στις δύο πλευρές. Όταν η συνεχής τάση και η εναλλασσόμενη συχνότητα είναι υψηλές, που υποδεικνύει ότι υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας και από τις δύο πλευρές, η ντιζελογεννήτρια θα παράγει λιγότερη ισχύ, οι ελεγκτές των αποθηκευτικών συστημάτων θα πρέπει να λειτουργούν σε κατάσταση φόρτισης ώστε να αποθηκεύουν ενέργεια και ο κύριος μετατροπέας ελέγχεται ώστε να μεταφέρει ισχύ μεταξύ των πλευρών ΕΡ στις πλευρές ΣΡ ανάλογα με τις συνθήκες αποθεμάτων.αν όλα τα συστήματα αποθήκευσης είναι πλήρως φορτισμένα, η ισχύς εξόδου της ντιζελογεννήτριας θα είναι μηδενική και η τάση/συχνότητα και στις δύο πλευρές θα είναι ακόμα υψηλή και μερικοί μετατροπείς θα πρέπει να λειτουργούν σε κατάσταση OFF-MPPT, δηλαδή εκτός σημείου ανίχνευσης μέγιστης ισχύος.[12] 2.5. Στρατηγικές ελέγχου Ο κύριος σκοπός των στρατηγικών ελέγχου είναι: να συγχρονίζει το AC-μικροδίκτυο με το κεντρικό δίκτυο, να διατηρεί την ισορροπία ισχύος μεταξύ της παραγωγής και του φορτίου ιδιαιτέρως κατά την απομονωμένη λειτουργία, να διατηρεί επίσης σταθερή την τάση και την συχνότητα του AC ζυγού στο AC-μικροδίκτυο, όπως και την DC τάση στο DC-μικροδίκτυο, να διατηρεί την ποιότητα ισχύος που διαχέεται στο κεντρικό δίκτυο, όπως και να διατηρεί ομαλή την μεταφορά ισχύος μεταξύ του AC-μικροδικτύου και του DC-μικροδικτύου για την σταθερή λειτουργία του συστήματος κάτω από τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας αλλά και να λαμβάνεται η μέγιστη ισχύς από τις διάφορες συνδεδεμένες ανανεώσιμες πηγές. Η στρατηγική ελέγχου εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας.κατά την διασυνδεδεμένη λειτουργία με το κεντρικό δίκτυο, η τάση του ζυγού ΣΡ διατηρείται σταθερή από τον ελεγκτή-αντιστροφέα λαμβάνοντας υπ όψιν ότι η τάση 46

47 και η συχνότητα στον ζυγό ΕΡ ελέγχονται από τον μετατροπέα του κεντρικού δικτύου. Κατά την απομονωμένη λειτουργία, η τάση στον ζυγό ΣΡ ελέγχεται από το σύστημα αποθήκευσης, λαμβάνοντας υπ όψιν ότι το πλάτος της τάσης και η συχνότητα του ζυγού ΕΡ ελέγχονται από τους ελεγκτές των παράλληλων αντιστροφέων. Η στρατηγική ελέγχου εφαρμόζεται σε δύο επίπεδα, το επίπεδο συστήματος και το επίπεδο μονάδων Κεντρικός έλεγχος Ο κεντρικός ελεγκτής είναι ο κύριος υπεύθυνος για τον έλεγχο και την διαχείριση των μικροδικτύων.εκτελεί συντονισμένες λειτουργίες και ελέγχους των τοπικών μικρομονάδων παραγωγής στο μικροδίκτυο ώστε να διατηρείται η σταθερότητα στο σύστημα. Επίσης λαμβάνει πληροφορίες από όλους τους τοπικούς ελεγκτές και παρακολουθεί την κατάσταση του συστήματος.οι κύριες λειτουργίες του κεντρικού ελεγκτή είναι: να παρέχει σημεία ρύθμισης ρεύματος για τις κατανεμημένες μονάδες και οικονομικό προγραμματισμό, να ελέγχει το φορτίο αιχμής, να ελέγχει τα μη-κρίσιμα φορτία κατά τη διάρκεια της απομόνωσης, να ελαχιστοποιεί τις απώλειες του συστήματος, να ανιχνεύει τις συνθήκες απομόνωσης, να εκκινήσει τον επανασυγχρονισμό με τους τοπικούς ελεγκτές όταν επαναφέρεται το δίκτυο, να επαναφέρει τις ροές ισχύος μεταξύ των τοπικών μονάδων παραγωγής.[13] Έλεγχος μονάδων παραγωγής Οι διάφορες μικροπηγές ισχύος στο υβριδικό AC/DC μικροδίκτυο είναι διασυνδεδεμένες μέσω πέντε διαφορετικών τύπων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος δηλ. AC/DC, AC/DC/DC, DC/DC, DC/AC και AC-DC/DC-AC αμφίδρομου μετατροπέα. Αυτοί οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μονάδων παραγωγής τόσο στην διασυνδεδεμένη όσο και στην απομονωμένη λειτουργία. Διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου χρησιμοποιούνται, όπως φαίνεται και στο σχήμα (2.4), για τον έλεγχο των μονάδων παραγωγής στο AC-μικροδίκτυο αλλά και στο DC-μικροδίκτυο. Οι μονάδες παραγωγής στο AC-μικροδίκτυο ελέγχονται με: τον έλεγχο πραγματικήςάεργου ισχύος(pq control), τον έλεγχο στατισμού(droop control) και τον έλεγχο 47

48 τάσης/συχνότητας(v-f control),ενώ οι πηγές στο DC-μικροδίκτυο ελέγχονται χρησιμοποιώντας αναλογικές(analog) και ψηφιακές(digital) τεχνικές ελέγχου. Στην μέθοδο του PQ-ελέγχου [14], ο οποίος εφαρμόζεται κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία, οι τιμές αναφοράς για την πραγματική και άεργο ισχύ δίνονται από τον ελεγκτή του κεντρικού δικτύου στους ελεγκτές των μονάδων παραγωγής στο ACμικροδίκτυο.Οι μέθοδοι του droop-ελέγχου και του V-f ελέγχου[14], οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά την απομονωμένη λειτουργία, είναι σαν το πρωτεύοντα και δευτερεύοντα έλεγχο, αντίστοιχα, στο δίκτυο διανομής.υπάρχουν δύο διαφορετικές μέθοδοι ελέγχου στατισμού(droop).η μέθοδος πραγματικής ισχύος συχνότητας(p-f droop control) ελέγχει τη συχνότητα μέσω του ελέγχου της πραγματικής ισχύος που παρέχεται από τις κατανεμημένες μονάδες, ενώ η μέθοδος άεργου ισχύος-τάσης (Q-V droop control) ελέγχει το μέγεθος της τάσης μέσω του ελέγχου της άεργου ισχύος που παρέχεται από τις κατανεμημένες παραγωγές.αυτές οι μέθοδοι μπορούν να ελαχιστοποιήσουν τις διακυμάνσεις στην τάση και την συχνότητα μόνο για μικρές διαταραχές[15]. Προκειμένου να ελαχιστοποιήσουμε μεγάλες διαταραχές τάσης και συχνότητας, χρησιμοποιούμε τον έλεγχο τάσης-συχνότητας (V-f). Ο V-f έλεγχος χρησιμοποιεί PI και PID ελεγκτές ώστε να αποσβένουν τις ταλαντώσεις στην τάση και τη συχνότητα. Οι ελεγκτές θα πρέπει να σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε στην απομονωμένη λειτουργία, να περνούν από τον PQ έλεγχο στον droop έλεγχο για μικρές διακυμάνσεις και από τον droop έλεγχο στον V-f έλεγχο για μεγάλες διακυμάνσεις. Οι τεχνικές αναλογικού ελέγχου χρησιμοποιούν την διαφορά της τάσης εξόδου και του ρεύματος εξόδου με τις τιμές αναφοράς και είναι γνωστές ως έλεγχος λειτουργίας τάσης και έλεγχος λειτουργίας ρεύματος αντίστοιχα. Οι τεχνικές αυτές είναι απλές και φθηνές αλλά πάσχουν από χαμηλή ευελιξία, χαμηλή αξιοπιστία και υψηλή πολυπλοκότητα και ευαισθησία.οι τεχνικές ψηφιακού ελέγχου χωρίζονται σε:έλεγχο ρεύματος, προγραμματιζόμενο έλεγχο πρόβλεψης ψηφιακού ρεύματος, έλεγχο πρόβλεψης μεταβλητής συχνότητας, έλεγχο αισθητήρα λιγότερου ρεύματος λειτουργίας και έλεγχο πρόβλεψης εξάντλησης για dc/dc μετατροπείς.[16] 48

49 Σχήμα 2.4. Μέθοδοι ελέγχου μονάδων παραγωγής στο υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ Έλεγχος συστήματος αποθήκευσης Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας στο μικροδίκτυο πρέπει να ελέγχεται ώστε να απορροφά ή να απελευθερώνει ισχύ γρήγορα προκειμένου να μειώνει την επιρροή των διακυμάνσεων στην παραγωγή και τα φορτία στο κεντρικό δίκτυο. Η φόρτιση και η εκφόρτιση του συστήματος αποθήκευσης ελέγχονται ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας και την κατάσταση του φορτίου στο υβριδικό σύστημα αποθήκευσης.[17] Έλεγχος φορτίων Γενικά, τα φορτία στο υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ είναι ελέγξιμα ή προγραμματιζόμενα. Υπάρχουν δύο τύποι φορτίων ανάλογα με την προτεραιότητα, τα κρίσιμα ή ευαίσθητα ή υψηλής προτεραιότητας φορτία και τα μη-κρίσιμα ή κοινά ή χαμηλής προτεραιότητας φορτία. Ο ελεγκτής φορτίων πρεπεί να σχεδιάζεται με τέτοιο 49

50 τρόπο ώστε να αποβάλλει τα μη-κρίσιμα φορτία σε περίπτωση ανισορροπίας ισχύος, ιδιαιτέρως κατά την απομονωμένη λειτουργία. Συνοψίζοντας, η επιλογή της στρατηγικής ελέγχου εξαρτάται από τη διαμόρφωση των αυτόνομων χρησιμοποιούμενων μονάδων παραγωγής, του συστήματος αποθήκευσης, των τύπων φορτίων και του τρόπου λειτουργίας του συστήματος. Έχουν εμφανιστεί δίαφοροι τύποι στρατηγικών ελέγχου όπως: συγκεντρωμένος έλεγχος, αποκεντρωμένος έλεγχος, ιεραρχικός έλεγχος, κατανεμημένος έλεγχος, συντονισμένος έλεγχος, έλεγχος πλαισίου αναφοράς, πολυεπίπεδος έλεγχος (multi-level),ασύρματος έλεγχος και έλεγχος και παρακολούθηση ευρείας περιοχής (wide aera monitoring and control-wamc).[12] 2.6. Συστήματα προστασίας Η τοπολογία του δικτύου, η διανομή της ροής φορτίου αλλά και το μέγεθος και η κατεύθυνση του ρεύματος βραχυκύκλωσης διαφέρουν τελείως στο υβριδικό AC/DC μικροδίκτυο σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μεγέθη στο παραδοσιακό ακτινικό δίκτυο διανομής.τα κλασικά ρελέ που ήταν σχεδιασμένα για τα παραδοσιακά ακτινικά δίκτυα διανομής, δεν μπορούν να ανταποκριθούν σωστά εξαιτίας του αντίκτυπου του υβριδικού AC/DC μικροδικτύου. Η χρήση των παραδοσιακών συστημάτων προστασίας στο υβριδικό μικροδίκτυο μπορεί να οδηγήσει σε δυσλειτουργία και απόρριψη των διακοπτών. Όμως, τα DC-μικροδίκτυα στο υβριδικό AC/DC μικροδίκτυο μπορούν να προστατεύονται από τους αντίστοιχους ελεγκτές τους. Έχουν προταθεί διάφορα συστήματα προστασίας για τα υβριδικά μικροδίκτυα ΕΡ/ΣΡ ανάλογα με τους τρόπους λειτουργίας όπως: το εξελιγμένο σύστημα προστασίας ρεύματος, προστασία περιοριστή ρεύματος βραχυκύκλωσης και το σύστημα προστασίας ευρείας περιοχής (wide area protection - WAP) τα οποία εφαρμόζονται κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία ενώ το σύστημα προστασίας τάσης και το σύστημα προστασίας παραμόρφωσης ολικών αρμονικών εφαρμόζονται κατά την αυτόνομη λειτουργία.[18] 50

51 2.7. Σταθερότητα Η σταθερότητα στο υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ αποτελεί ζήτημα ζωτικής σημασίας εξαιτίας της παρουσίας των δίαφορων κατανεμημένων μονάδων παραγωγής, την αλληλεπίδραση μεταξύ των διάφορων τύπων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Η ανάλυση της σταθερότητας στο AC-μικροδίκτυο ακολουθεί τους ίδιους κανόνες με αυτή του υπάρχοντος AC δικτύου. Στο DC-μικροδίκτυο όμως, ζητήματα σταθερότητας προκύπτουν εξαιτίας της παρουσίας των ηλεκτρονικών διεπαφών ισχύος. Μικρή αστάθεια σήματος στο AC-μικροδίκτυο μπορεί να προκληθεί λόγω του ελεγκτή ανατροφοδότησης, της συνεχούς μεταγωγής φορτίου, της απόσβεσης του συστήματος και του ορίου ισχύος τον κατανεμημένων μονάδων παραγωγής κλπ.ένα σφάλμα με μετέπειτα απομόνωση, μια απώλεια κατανεμημένης γεννήτριας, κάποιο σφάλμα στο κεντρικό δίκτυο ή στο υβριδικό AC/DC μικροδίκτυο ή μεγάλες αλλαγές στο φορτίο προκαλούν το μεγαλύτερο πρόβλημα παροδικής αστάθειας. Οι περιοριστές ορίων άεργου ισχύος/ρεύματος, δυναμικά φορτία όπως επαγωγικοί κινητήρες και οι ρυθμιστές τάσης δημιουργούν τα περισσότερα προβλήματα αστάθειας τάσης στα AC-μικροδίκτυα. Οι συμπληρωματικοί βρόχοι ελέγχου, οι σταθεροποιητές και ο συντονισμένος έλεγχος των μικρομονάδων παραγωγής και του συστήματος διαχείρισης ενέργειας μπορούν να βελτιώσουν την σταθερότητα μικρών σημάτων. Η παροδική σταθερότητα μπορεί να βελτιωθεί με τον έλεγχο του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, με τις μεθόδους απόρριψης φορτίων, με τον έλεγχο των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και με τις προσαρμοσμένες συσκευές προστασίας. Η ρύθμιση τάσης με τις κατανεμημένες γεννήτριες, η αντιστάθμιση άεργου ισχύος με τις κατανεμημένες συσκευές ευέλικτων συστημάτων διανομής(fact) όπως ο STATCOM, ο προχωρημένος ελεγκτής φορτίου,η απόρριψη φορτίων και οι τροποποιημένοι περιοριστές ρεύματος των μικρομονάδων μπορούν να βελτιώσουν την σταθερότητα του AC-μικρδικτύου. Ο ελεγκτής του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας στο DC-μικροδίκτυο προκαλεί αστάθεια στο DCυποδίκτυο του υβριδικού AC/DC μικροδικτύου. Η σταθερότητα της τάσης στο DCμικροδίκτυο μπορεί να βελτιωθεί με την ρύθμιση τάσης από τις κατανεμημένες γεννήτριες του DC-μικροδικτύου, με τον ελεγκτή γρήγορης αποθήκευσης ενέργειας και τον ακριβή έλεγχο του αμφίδρομου AC-DC/DC-AC μετατροπέα.[19] 51

52 2.8. Τεχνικο-οικονομικά ζητήματα Τα λειτουργικά ζητήματα, ο έλεγχος, η προστασία και η σταθερότητα του υβριδικού AC/DC μικροδικτύου είναι πιο περίπλοκα και εννοιολογικά διαφορετικά από αυτά των υπάρχοντων εναλλασσόμενων δικτύων διανομής. Η πρακτική εφαρμογή του υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ χρειάζεται να ξεπεράσει διάφορες τεχνικές και οικονομικές προκλήσεις όπως: Η κατασκευή ενός νέου δικτύου ΣΡ και η αναβάθμιση του υπάρχοντος δικτύου ΕΡ αποτελεί μια μακροχρόνια διαδικασία. Ανάγκη ανάπτυξης των κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου και συστημάτων προστασίας για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία του υβριδικού AC/DC μικροδικτύου τόσο στην διασυνδεδεμένη όσο και στην απομονωμένη λειτουργία. Ανάγκη σχεδίασης του ελέγχου συντονισμού μεταξύ των διάφορων τύπων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για την ομαλή ανταλλαγή ισχύος μεταξύ των διάφορων τύπων κατανεμημένων μονάδων παραγωγής κάτω από τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Ανάγκη επανασχεδίασης οικιακών προϊόντων ή προϊόντων γραφείου για την αφαίρεση των εφαρμοσμένων ανορθωτών ΕΡ/ΣΡ. Τα βέλτιστα επίπεδα τάσης πρέπει να προσδιοριστούν για την εύκολη σύνδεση των διάφορων τύπων φορτίων ΣΡ. [10] 2.9. Κύρια πλεονεκτήματα Σύμφωνα με τα προηγούμενα υποκεφάλαια και την ανάλυση που έγινε διαπιστώσαμε ότι οι πολλαπλές μετατροπές ισχύος στο υβριδικό μικροδίκτυο έχουν μειωθεί στο ελάχιστο λόγω της συνύπαρξης των συνδέσμων ΕΡ και ΣΡ. Τα πλεονεκτήματα του υβριδικού μικροδικτύου μπορούν να συνοψιστούν παρακάτω: 52

53 Η εξάλειψη των περιττών πολυμετατροπικών διαδικασιών συνεπάγεται μείωση των συνολικών απωλειών ισχύος. Η εξάλειψη των εφαρμοσμένων ανορθωτών για τα φορτία ΣΡ και ΕΡ-με μετατροπείς στο υπάρχον δίκτυο ΕΡ συνεπάγεται απλοποίηση του εξοπλισμού και μείωση κόστους των ηλεκτρονικών προϊόντων. Η σύνδεση όλων των φορτίων ΣΡ στον ζυγό ΣΡ του υβριδικού μικροδικτύου θα κάνει πιο εύκολο τον έλεγχο της διάχυσης των αρμονικών στον ζυγό ΕΡ μέσω των κύριων μετατροπέων, εξασφαλίζοντας έτσι υψηλής ποιότητας εναλλασσόμενο ρεύμα στο κεντρικό δίκτυο. Το δίκτυο ΣΡ μπορεί να επιλύσει προβήματα ρευμάτων αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας που προκαλούνται από ασταθή φορτία στο κεντρικό σύστημα διανομής.[10] 53

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας 3.1. Φωτοβολταϊκά Τα φωτοβολταϊκά είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική τάση και ρεύμα.η λειτουργία των φωτοβολταϊκών βασίζεται στους ημιαγωγούς, οι οποίοι κάνουν την παραπάνω μετατροπή. Παράγουν συνεχή τάση και η μετατροπή της σε εναλλασσόμενη(για τη μετέπειτα σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο) γίνεται με τη βοήθεια ενός αντιστροφέα. Η απόδοσή τους κυμαίνεται μεταξύ 8-12% και εξαρτάται κυρίως από την τεχνολογία τους, από τη θέση του ήλιου, από την καθαρότητα του ουρανού αλλά και την καθαρότητα του φωτοβολταϊκού και την θερμοκρασία στην επιφάνειά του Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Με την χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων μετατρέπουμε την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Το φαινόμενο στο οποίο στηρίζεται η λειτουργία τους είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Ο Γάλλος φυσικός Edmont Becquerel (1839) είναι εκείνος που παρατήρησε την ανάπτυξη τάσεως μεταξύ δυο ηλεκτροδίων μέσα σε ηλεκτρολύτη, όταν ηλιακό φως πέσει σε ένα από αυτά. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο εκφράζει τον μηχανισμό της απ' ευθείας μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα, χρησιμοποιώντας τη μεταφορά ενέργειας των προσπιπτόντων φωτονίων στα υπάρχοντα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα ημιαγώγιμο υλικό.[20] 54

55 3.1.2.Ηλιακά κύτταρα (PV cells) Τα ηλιακά κύτταρα παρασκευάζονται κυρίως από πυρίτιο και χρησιμοποιούνται διάφορα είδη κυττάρων. Τα κύτταρα πυριτίου μπορούν να διαχωριστούν σε τρία είδη: τα πολυκρυσταλλικά, τα μονοκρυσταλλικά και του άμορφου πυριτίου.το λεπτό ημιαγωγικό υλικό δημιουργεί ενα ηλεκτρικό πεδίο, αρνητικό στη μία πλευρά και θετικό στην άλλη. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στο ηλιακό κύτταρο τα ηλεκτρόνια συγκρούονται χαλαρά από τα άτομα του ημιαγωγικού υλικού. Όταν οι ηλεκτρικοί αγωγοί συνδέονται με τις θετικές και τις αρνητικές πλευρές δημιουργείται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και τα ηλεκτρόνια λαμβάνονται με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα μπορούν να έχουν στρογγυλή ή τετράγωνη κατασκευή.[20] Σχήμα 3.1. Βασική δομή ηλιακού κυττάρου 55

56 3.1.3.Λειτουργία ηλιακού κυττάρου Τα ηλιακά κύτταρα όπως είδαμε είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο, παράγοντας έτσι ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές). Ένα μέρος από του φορείς αυτούς διαχωρίζεται με την επίδραση του ενσωματωμένου πεδίου της διόδου και εκτρέπεται προς τα εμπρός (τα ελεύθερα e-) ή προς τα πίσω (οι οπές h+), Οι υπόλοιποι φορείς επανασυνδέονται και εξαφανίζονται. Επίσης ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου, ενώ ένα άλλο μέρος της διέρχεται από το στοιχείο χωρίς να απορροφηθεί, μέχρι να συναντήσει το πίσω ηλεκτρόδιο. Δημιουργείται έτσι όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές) πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συγκεντρώσεις ισορροπίας. Σχήμα 3.2. Λειτουργία του ηλιακού κυττάρου Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Δηλαδή, η διάταξη αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η αποδοτική λειτουργία των ηλιακών 56

57 φωτοβολταϊκών στοιχείων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στην πρακτική εκμετάλλευση του παραπάνω φαινομένου. Εκτός από τις προσμίξεις των τμημάτων p και n μίας ομοένωσης, δηλαδή υλικού από το ίδιο βασικά ημιαγωγό, το ενσωματωμένο ηλεκτροστατικό πεδίο, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την πραγματοποίηση ενός ηλιακού στοιχείου, αλλά και κάθε φωτοβολταϊκής διάταξης, μπορεί να προέρχεται επίσης και από διόδους άλλων ειδών. Όπως για παράδειγμα από διόδους ετεροενώσεων p-n διαφορετικών στοιχείων ή από διόδους Schottky.[20] Ισοδύναμο κύκλωμα Το ισοδύναμο κύκλωμα για ένα μη ιδανικό στοιχείο φαίνεται παρακάτω σχήμα (3.3).Περιλαμβάνει την αντίσταση R S (series resistance) που παρεμβάλλεται στην κίνηση των φορέων μέσα στον ημιαγωγό (κυρίως στο εμπρός επιφανειακό στρώμα του) και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια. Σχήμα 3.3. Ισοδύναμο κύκλωμα Φ/Β κυττάρου Όπου: - R S : η σε σειρά αντίσταση του κυττάρου, που παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης του κυττάρου - R SH : Η παράλληλη αντίσταση του κυττάρου. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν στην επαφή p-n ή στην εξωτερική επιφανειακή διαρροή. Ισούται με το αντίστροφο της αγωγιμότητας G S (Shunt resistance-shunt conductance). 57

58 Οι επιπτώσεις των αντιστάσεων αυτών στην I-V χαρακτηριστική εμφανίζονται στο επόμενο σχήμα (3.4). Σχήμα 3.4. Χαρακτηριστικές Ι-V που δείχνουν την επίδραση της αγωγιμότητας G S, και της αντίστασης R S, σε σχέση με το ιδανικό στοιχείο To φωτοβολταϊκό κύτταρο υπό σκότος δουλεύει σαν μία p-n επαφή ή πιο απλά σαν μια δίοδος.εφόσον δεν παράγει ενέργεια (μηδενική τάση και ρεύμα) εξωτερικά φαίνεται σαν ένας δέκτης. Όταν το ηλιακό κύτταρο φωτιστεί παράγει ένα φωτόρευμα I L και το ρεύμα που δίνει στα άκρα του είναι : I I I L D όπου I D είναι το ρεύμα διόδου. Για τη μαθηματική περιγραφή του φωτοβολταϊκού μπορούμε να πούμε ότι σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, αποκαθίσταται ισορροπία όταν η τάση, που αναπτύσσεται ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, προκαλεί αντίθετο ρεύμα που αντισταθμίζει το φωτόρευμα: I ev I0 exp 1 nkt (3.1) όπου : I Φ : το φωτόρευμα Ι 0 : το ρεύμα κόρου της διόδου 58

59 e : το φορτίο του ηλεκτρονίου V: Η τάση στην έξοδο του κυττάρου n : Συντελεστής ποιότητας της διόδου (μεταξύ 1 και 2) k : Η σταθερά Boltzmann (1.38 x J/K ) T : Η απόλυτη θερμοκρασία του κύτταρου Έτσι η τάση ανοιχτού κυκλώματος θα ισούται με: V oc nkt I ph ln 1 e I 0 (3.2) Φαινομενικά το V oc αυξάνεται με την αύξηση του n, όμως ουσιαστικά το Ι 0, αυξάνεται τόσο γρήγορα σε σχέση με το n, όπου η μέγιστη τιμή για το V oc δίνεται για εκείνη την τιμή του Ι Φ όπου n=1. Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου το ρεύμα I SC, που ονομάζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης (ή μηδενικής αντίστασης), θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα Ι Φ. Αν το κύκλωμα του στοιχείου κλείσει με μέσω μίας αντίστασης R, τότε το ρεύμα θα ισούται με: IR I I 0 expe 1 nkt (3.3) Η βέλτιστη τιμή της αντίστασης R s είναι η τιμή για την οποία η ισχύς γίνεται μέγιστη και υπολογίζεται από την εξίσωση: I evm ev m 1 1 exp I nkt nkt 0 (3.4) Η R m εξαρτάται από το Ι Φ, Ι 0, και το n συνεπώς είναι συνάρτηση της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά και των ιδιοτήτων της ένωσης. Ο λόγος της μέγιστης ισχύος I m *V m, δια το γινόμενο της τάσης ανοιχτοκύκλωσης, V OC και του I SC, ρεύματος βραχυκύκλωσης ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης (fill factor-ff): 59

60 FF IV I V m m (3.5) SC OC Αντιπροσωπεύει το λόγο του εμβαδού του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V του στοιχείου υπό συνθήκες ακτινοβολίας, προς το εμβαδό που ορίζεται από τις τιμές I sc και V oc (σχήμα 3.5). Σχήμα 3.5. Χαρακτηριστική Καμπύλη I-V Ο συντελεστής πλήρωσης ορίζεται ως ο λόγος του εμβαδού της σκούρας περιοχής δια το εμβαδό της μεγαλύτερης. Αυτές οι τρεις παράμετροι, I sc, V oc, και FF είναι οι πλέον απαραίτητες χαρακτηριστικές παράμετροι για την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Η απόδοση δίνεται από την σχέση: N FF IV H A (3.6) Όπου Η είναι η ένταση (πυκνότητα της ισχύος) της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου εμβαδού A.[21] Ανίχνευση σημείου μέγιστης λειτουργίας (MPPT) Η τεχνολογία της ανίχνευσης της μέγιστης ισχύος άρχισε να χρησιμοποιείται σχετικά πρόσφατα στις εφαρμογές των φωτοβολταϊκών και αποτελεί πλέον χαρακτηριστικό κάθε 60

61 καλού αντιστροφέα για σύνδεση με το δίκτυο ή φορτιστή συσσωρευτών. Η λογική πίσω από τη λειτουργία τους είναι η εξής: Παρακολουθώντας συνεχώς τις τιμές τάσης και έντασης εξόδου των φωτοβολταϊκών γεννητριών, προκαλούν ανά τακτά χρονιά διαστήματα μια διαταραχή της τάσης εξόδου. Αν διαπιστωθεί ότι με την ανύψωση της τάσης, αυξάνεται η ισχύς που παρέχει η γεννήτρια τότε αυξάνουν την τάση προς τα πάνω ώσπου να έρθει μια ισορροπία. Αυτό είναι και το σημείο μέγιστης λειτουργίας. Όπως προαναφέρθηκε στην εξέταση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, η ένταση που παράγεται από ένα φ/β στοιχείο, δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται αντίστροφα απ' ότι μεταβάλλεται η τάση. Για κάποιο συγκεκριμένο ζεύγος τάσης - έντασης, το στοιχείο δίνει τη μέγιστη ισχύ του. Ωστόσο επειδή κάθε στιγμή η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο στοιχείο δεν είναι σταθερή, ομοίως δεν είναι σταθερή και η τάση εξόδου του. Είναι λοιπόν επιθυμητό για κάθε στιγμή το φωτοβολταϊκό στοιχείο να μην παράγει την τάση και την ένταση όπως αυτά καθορίζονται από την αντίσταση του κυκλώματος που υπάρχει στα άκρα του, αλλά να δίνει στην έξοδο αυτό το ζεύγος τάσης - έντασης που μεγιστοποιεί την ισχύ του. Αυτό επιτυγχάνεται με ένα κύκλωμα DC/DC μετατροπέα ανύψωσης- υποβιβασμού τάσης, στα άκρα της ηλεκτρονικής συσκευής στην οποία εισέρχεται η ισχύς του φωτοβολταϊκού.ένα απλοποιημένο σχεδιάγραμμα DC/DC μετατροπέα που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό της μέγιστης ισχύς εξόδου της φ/β γεννήτριας φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.6. Μετατροπέας DC/DC με λογικό αλγόριθμο MPPT, για την εύρεση της μέγιστης ισχύος Η παραγόμενη ισχύς από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι P = VI. Όταν η λειτουργία του στοιχείου μετατοπιστεί σε διαφορετικό σημείο της καμπύλης V-I λόγω μεταβολής στην 61

62 εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία ή μεταβολή του φορτίου, τότε η τάση μεταβάλλεται κατά dv και η ένταση κατά di. Τότε η παραγόμενη ισχύς είναι: P dp VI V dv I di (3.7) Αγνοώντας τους όρους 2 ης τάξης έχουμε: dp dv I di V (3.8) Όπως γίνεται φανερό απ' την καμπύλη ισχύος του φωτοβολταϊκού, ο όρος dp (η κλίση δηλαδή της καμπύλης ισχύος) είναι μηδέν στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο σημείο αυτό (maximum power point) λοιπόν η άνωθεν εξίσωση γίνεται: 0 dv I di V dv di V (3.9) I Στην εξίσωση αυτή, ο πρώτος όρος εκφράζει την δυναμική αντίσταση της πηγής (Z d ) ενώ ο δεύτερος την στατική αντίσταση (Z s ). Με βάση αυτή την εξίσωση υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος[22]: Α) Μία διαταραχή ρεύματος εισάγεται περιοδικά στην φωτοβολταϊκή πηγή ενώ μετρούνται η δυναμική αντίσταση αυτής Z d και η στατική αντίσταση Z s. Η τάση λειτουργίας αυξάνεται ή μειώνεται μέχρι να ικανοποιηθεί η εξίσωση του σημείου μέγιστης ισχύος, δηλαδή Z d = - Z s. B) Μια δεύτερη μέθοδος ελέγχου είναι να αυξάνεται η τάση όσο ισχύει η συνθήκη: dp dv 0 δηλαδή η ισχύς αυξάνεται με αύξηση της τάσης. Σε αντίθετη περίπτωση η τάση μειώνεται. Η τάση σταθεροποιείται όταν μηδενίζεται σχεδόν αυτός ο ρυθμός μεταβολής. Γ) Μια τρίτη κάνει χρήση του γεγονότος ότι στα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία ο λόγος τάσης στη μέγιστη ισχύ προς τάση ανοιχτοκύκλωσης είναι σταθερός, δηλ. 62

63 V V mpp OC K. (3.10) (περίπου 0,72 για τα στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου). Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο το οποίο παραμένει ανοιχτοκυκλωμένο τοποθετείται δίπλα από τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες για να μετράται συνεχώς η τάση ανοιχτοκύκλωσης αυτού. Η τάση τότε των παραγωγικών φ/β στοιχείων ρυθμίζεται κάθε στιγμή στο σημείο (K V oc ), που εξασφαλίζει τη μέγιστη ισχύ. Το λογικό κύκλωμα ελέγχου μετρά την τάση και την ένταση εξόδου των φωτοβολταϊκών γεννητριών, η οποία βέβαια εξαρτάται κάθε στιγμή από την ακτινοβολία που προσπίπτει, τη θερμοκρασία της γεννήτριας και φυσικά από την αντίσταση που συναντά η γεννήτρια στα άκρα της. Εφαρμόζοντας μία από τις παραπάνω μεθόδους, στέλνει σήμα στον μετατροπέα DC/DC να ανυψώσει ή να μειώσει την τάση μέχρι να εντοπιστεί το σημείο μέγιστης ισχύος. Ανάλογα με την περίπτωση λοιπόν το συγκεκριμένο κύκλωμα λειτουργεί είτε ως μετατροπέας ανύψωσης είτε ως μετατροπέας υποβιβασμού Παράγοντες απόδοσης φωτοβολταϊκών Δεδομένης της μικρής απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου έχει μεγάλη σημασία να γίνει πλήρης εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας στο μέρος που θα τοποθετηθεί. Γι' αυτόν τον σκοπό ακολουθούνται συγκεκριμένα βήματα τα οποία εξασφαλίζουν την όσο το δυνατόν καλύτερη εκμετάλλευση του ηλίου και την βέλτιστη λειτουργία του φωτοβολταϊκού. Ηλιακή ακτινοβολία. Ο ήλιος διαγράφει συγκεκριμένη τροχιά γύρω από τη Γη και ανάλογα με το που βρίσκεται το σημείο που θα τοποθετηθεί το φωτοβολταϊκό προσδιορίζεται κατάλληλα ο προσανατολισμός του. Η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή του κατακόρυφου του ηλιακού συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου ορίζεται ως η αζιμούθια γωνία.για να έχουμε μέγιστη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας η γωνία πρόσπτωσης πρέπει να είναι κάθετη στο συλλέκτη οπότε και η αζιμούθια γωνία να είναι μηδέν. Για το βόρειο ημισφαίριο όπου βρίσκεται και η Ελλάδα, η αζιμούθια 63

64 γωνία είναι μηδέν, οπότε και ο προσανατολισμός του συλλέκτη πρέπει να είναι προς το νότο. Επίσης η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη, δηλαδή η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και τον ορίζοντα είναι ίση με τον γεωγραφικό παράλληλο της περιοχής που βρίσκεται αυτός. Για την Πάτρα π.χ. είναι ίση με 38 ο. Για μεγαλύτερη απόδοση των φ/β στοιχείων είναι προτιμότερο η κλίση των συλλεκτών να μη μένει σταθερή όλο το χρόνο, αλλά να αλλάζει συνεχώς κατά τη διάρκεια του έτους. Για την Πάτρα π.χ. μια καλή λύση είναι να τοποθετούνται οι συλλέκτες υπό κλίση 60 ο τους χειμερινούς μήνες και 30 ο τους θερινούς. Θερμοκρασία. Ένας ακόμη παράγοντας που επιδρά αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών είναι η θερμοκρασία. Με την αύξηση της θερμοκρασίας προκαλείται αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι διαπερνά ισχυρότερο ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου, που συνεπάγεται μείωση της V OC και του FF. Αν ο συντελεστής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου με μια συμβατική θερμοκρασία είναι n, η τιμή του σε διαφορετική θερμοκρασία θ θα είναι: η θ =η σ θ (3.11) όπου σ θ ο αδιάστατος συντελεστής θερμοκρασιακής διόρθωσης της απόδοσης. Στη συμβατική θερμοκρασία ο σ θ είναι ίσος με μονάδα και μειώνεται κατά περίπου 0,005 ανά βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας για τα συνηθισμένα φ/β στοιχεία πυριτίου του εμπορίου. Στο σχήμα που ακολουθεί (σχήμα 3.7) παρουσιάζεται η σχέση απόδοσης-θερμοκρασίας. 64

65 Σχήμα 3.7. Τυπική απόκλιση μεταβολής απόδοσης θερμοκρασίας Το παραπάνω σχήμα δείχνει την τυπική απόκλιση της μεταβολής της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία τους. Η κλίμακα του φαντασικού άξονα δίνει το ποσοστό της απόδοσης του στοιχείου σε σχέση με την απόδοση του στη συμβατική θερμοκρασία 20 C. Η κλίμακα της θερμοκρασίας στον άξονα των τετμημένων είναι λογαριθμική.[21] Ηλιακοί ιχνηλάτες (trackers) Μια πιο εξεζητημένη λύση που εφαρμόζεται είναι η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πάνω σε ηλιακούς ιχνηλάτες(solar trackers).οι ηλιακοί ιχνηλάτες είναι κινούμενες πλατφόρμες πάνω στις οποίες τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά. Οι πλατφόρμες αυτές είναι συνδεδεμένες με κύκλωμα το οποίο ελέγχει κάθε στιγμή την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ένας κινητήρας στη βάση τους επιτρέπει την κίνηση της πλατφόρμας από την ανατολή μέχρι τη δύση. Επίσης συναντώνται εφαρμογές που επιτρέπουν την κίνηση και στο κατακόρυφο επίπεδο, δηλαδή μεταβάλλουν και την κλίση των συλλεκτών. Το κύκλωμα ελέγχου, έχει φωτοαισθητήρες τοποθετημένους πάνω στην πλατφόρμα με ίδια κλίση με τους ηλιακούς συλλέκτες. Μια μικρή διαταραχή στον προσανατολισμό της πλατφόρμας θα προκαλέσει αύξηση ή μείωση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Εάν υπάρξει αύξηση τότε το κύκλωμα ελέγχου θα περιστρέψει την πλατφόρμα προς την κατεύθυνση που προκάλεσε την αύξηση. Αντίθετα μια μείωση της προσπίπτουσας ηλιακής 65

66 ακτινοβολίας θα την περιστρέψει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Μετρήσεις δείχνουν ότι η χρήση μιας τέτοιας τεχνολογίας μπορεί να αυξήσει την απόδοση των φωτοβολταϊκών συλλεκτών από 10% τους χειμερινούς μήνες μέχρι 40% τους θερινούς, εν συγκρίσει με την περίπτωση σταθερά τοποθετημένων συλλεκτών. Ωστόσο, το υψηλό κόστος που συνεπάγεται η εγκατάσταση πολλών τέτοιων μηχανισμών, ιδιαίτερα αν πρόκειται για πολλές συστοιχίες συλλεκτών, αλλά και η μικρότερη μηχανική αντοχή στους ανέμους, δεν έχουν διαδώσει ευρέως αυτή την τεχνολογία. Σχήμα 3.8. Παραγόμενη ποσότητα ηλεκτρισμού ανά m από φωτοβολταϊκό πλαίσιο για διάφορες τεχνικές τοποθέτησης Στο παραπάνω διάγραμμα (σχήμα 3.8), φαίνονται οι διάφορες τεχνικές τοποθέτησης. Από την υψηλότερη καμπύλη: σύστημα παρακολούθησης ηλίου σε δύο άξονες, σύστημα παρακολούθησης με ένα άξονα, τοποθετημένο με κλίση 39 ο, τοποθετημένο οριζόντια Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Οι τεχνολογίες φωτοβολταϊκών που εντάσσονται στις ανανεώσιμες είναι σημαντικά ασφαλέστερες, παρέχοντας μια λύση σε πολλά περιβαλλοντικά και κοινωνικά προβλήματα 66

67 που σχετίζονται με τα ορυκτά καύσιμα και την πυρηνική ενέργεια. Μη συμπεριλαμβανομένης της εξάντλησης των φυσικών πόρων, το κύριο πλεονέκτημά τους σχετίζεται με τις μειωμένες εκπομπές του CO 2, και με την απουσία άλλων εκπομπών ή αποβλήτων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Σε σχέση με το περιβάλλον, η χρήση φωτοβολταϊκών φέρει τα επιπλέον πλεονεκτήματα: Μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (κυρίως CO 2 και NO x ) και προφύλαξη από τις εκπομπές τοξικών αερίων (SO 2, σωματιδιακή ύλη). Αποκατάσταση υποβαθμισμένης γης. Μείωση των απαιτούμενων γραμμών μεταφοράς του ηλεκτρικού δικτύου. Βελτίωση της ποιότητας των υδατικών πόρων. Σε σχέση με τον κοινωνικο-οικονομικό τομέα, τα οφέλη από την εκμετάλλευση των φωτοβολταϊκών περιλαμβάνουν: Αύξηση της ενεργειακής ανεξαρτησίας σε περιφερειακό/εθνικό επίπεδο. Προώθηση σημαντικών ευκαιριών απασχόλησης. Ποικιλία και ασφάλεια στην παροχή ενέργειας. Υποστήριξη της απελευθέρωσης της ενεργειακής αγοράς. Επιτάχυνση της ηλεκτροδότησης σε απομακρυσμένες και αγροτικές περιοχές στα αναπτυσσόμενα κράτη. Τα φωτοβολταϊκά είναι μια από τις πιο βιώσιμες ανανεώσιμες ενεργειακές τεχνολογίες για τη χρήση σε αστικό περιβάλλον και ταιριάζουν με τα υλικά επένδυσης των κτιρίων. Αποτελούν επίσης μια ελκυστική επιλογή για τη χρήση στις φυσικές περιοχές και τα εθνικά πάρκα, όπου η αποφυγή των πυλώνων και των καλωδίων είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Μειονεκτήματα Η επίπτωση στη χρήση γης στα φυσικά οικοσυστήματα, εξαρτάται από ειδικούς παράγοντες όπως είναι η τοπογραφία του τοπίου, η περιοχή του εδάφους που καλύπτεται από τα φ/β συστήματα, ο τύπος του εδάφους, η απόσταση από περιοχές φυσικού κάλους ή από ευαίσθητα οικοσυστήματα και η βιοποικιλότητα. Οι επιπτώσεις και η αλλαγή του 67

68 τοπίου είναι πιθανό να επέλθουν κατά τη διαδικασία κατασκευής. Επιπλέον, η εφαρμογή ενός φ/β συστήματος σε μια πρώην καλλιεργήσιμη έκταση είναι πιθανό να ζημιώσει τις καλλιεργήσιμες περιοχές. Το συναισθηματικό δέσιμο του παραγωγού με τη γη του, είναι πιθανό να αποτελέσει την αιτία για διαφωνίες και δυσαρέσκειες. Κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής λειτουργίας, τα φ/β συστήματα δεν εκπέμπουν αέρια, ή υγρά απόβλητα, αλλά ούτε και ραδιενεργά κατάλοιπα. Στη περίπτωση των στοιχείων Δισελινιούχου Ινδικού χαλκού (CiS) ή του Τελουριούχου Καδμίου (CdTe), που περιέχουν μικρές ποσότητες τοξικών ουσιών, υπάρχει κίνδυνος έπειτα από πυρκαγιά σε κάποια συστοιχία, αυτά τα στοιχεία να ελευθερωθούν στο περιβάλλον. Ειδικότερα, στην περίπτωση κεντρικού σταθμού μεγάλης κλίμακας, υπάρχει ο κίνδυνος να ελευθερωθούν τοξικές ουσίες λόγω κάποιας δυσλειτουργίας, θέτοντας σε κίνδυνο την υγεία των κατοίκων που ζουν εκεί κοντά.[23] Επίσης, μπορεί να προκύψουν προβλήματα στο έδαφος και στoυς υπόγειους υδροφόρους αγωγούς σε περίπτωση απερίσκεπτης διάθεσης των υλικών. Η οπτική ρύπανση εξαρτάται από τον τύπο, το σχήμα και από το περιβάλλον ενός φ/β συστήματος. Προφανώς, εάν εγκατασταθεί ένα σύστημα σε μια περιοχή φυσικού κάλους, θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό αρνητικά την περιοχή. Όμως, με προσεκτική και σωστά μελετημένη σχεδίαση τοποθέτησης ενός συστήματος σε ένα μοντέρνο κτίριο θα επηρεάσει θετικά τον περιβάλλοντα χώρο. Η επένδυση των εξωτερικών επιφανειών εμπορικών κτιρίων με φ/β συστήματα, αναδεικνύει την αρχιτεκτονική πλευρά της τεχνολογίας. Με βάση αυτή την οπτική, έχουν αναπτυχθεί διάφορα είδη φωτοβολταϊκών πλαισίων με σκοπό την αρχιτεκτονική, αισθητική και λειτουργική αναβάθμιση κτιριακών και άλλων κατασκευών. Σήμερα, η παραγωγή της νέας γενιάς φ/β συστημάτων είναι ενεργειακά πολύ απαιτητική, ειδικά όσο αφορά τα μονοκρυσταλλικά και πολυκρυσταλλικά στοιχεία. Οι ενεργειακές απαιτήσεις, περιορίζονται μόνο στη διαδικασία κατασκευής των κυψελών, ενώ δε λαμβάνονται υπόψη οι ενδεχόμενες ενεργειακές απαιτήσεις (και κατ επέκταση οι εκπομπές αερίων ρύπων) για τη διαδικασία μεταφοράς προς τοποθέτηση, καθώς θεωρούνται αμελητέες σε σχέση με τις απαιτήσεις κατασκευής. Τα στοιχεία λεπτού φίλμ απαιτούν σημαντικά λιγότερη ενέργεια ανά W σε σχέση με την τεχνολογία c-si και a-si (άμορφου πυριτίου), λόγω της διαφορετικής απόδοσης της κυψέλης. Επίσης, απαιτούνται μικρές ποσότητες σπάνιων στοιχείων όπως (In, Te, Ga), όπως και τοξικών (Cd).[24] 68

69 3.2. Ανεμογεννήτριες Αιολική ενέργεια Αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αιολική ενέργεια είναι από τις μορφές εκείνες που ο άνθρωπος εκμεταλλεύτηκε πριν χιλιάδες χρόνια. Μέχρι και τις αρχές του 20 ου αιώνα, το αιολικό δυναμικό χρησιμοποιούταν στους αλευρόμυλους και για άντληση νερού. Με τη βιομηχανοποίηση, η ευμετάβλητη αιολική ενέργεια, παραχώρησε τη θέση της στις μηχανές που λειτουργούσαν με ορυκτά καύσιμα, ή στο ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο παρήγαγε πιο σταθερή ισχύ. Στις αρχές του 1970, με τη πρώτη πετρελαϊκή κρίση, η αιολική ενέργεια επανέκαμψε. Αυτή τη φορά όμως, η εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού στράφηκε αποκλειστικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι πρώτες ανεμογεννήτριες είχαν ήδη αναπτυχθεί στις αρχές του 20ου αιώνα, και σταδιακά μέχρι τη δεκαετία του 1970 η τεχνολογία είχε κάνει άλματα προόδου. Από τη δεκαετία του 1990 και έπειτα, η αιολική ενέργεια ήταν η σημαντικότερη από τις αειφόρες ενεργειακές πηγές. Από τότε, η παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας διπλασιάζεται κάθε τρία χρόνια.το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας έπεσε στο 1/6 από τις αρχές του 1980 και πιστεύεται ότι θα συνεχίσει με παρόμοιους ρυθμούς. Αξιοσημείωτη είναι η ανάπτυξη της τεχνολογίας στις ανεμογεννήτριες. Στα τέλη του 1980, η κορυφαία τεχνολογία έφτανε τα 300kW με διάμετρο πτερύγιων 30 μέτρα. Από τα τέλη του 1990 πλέον, είναι διαθέσιμες ανεμογεννήτριες ισχύος 1500kW με διάμετρο πτερυγίων 70 μέτρα, ενώ έχουν εγκατασταθεί ανεμογεννήτριες ισχύος 2, 3.5 MW. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι περισσότερο από το 73% της παγκόσμιας παραγωγής αιολικής ενέργειας, προέρχεται από πέντε κράτη: ΗΠΑ, Κίνα, Ισπανία, Γερμανία και Ινδία. Καταλήγουμε έτσι στο συμπέρασμα, ότι οι γνώσεις στο συγκεκριμένο γνωστικό ζήτημα προέρχονται κυρίως από τις παραπάνω περιοχές. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών απαιτεί ένα μεγάλο πεδίο επιστημονικής βάσης που στηρίζεται κυρίως στην αεροδυναμική, τη δυναμική κατασκευών, τη μηχανολογία και την ηλεκτρολογία.[25] 69

70 Μελέτες έχουν δείξει ότι το αιολικό δυναμικό είναι πρακτικά απεριόριστο (υπάρχουν βέβαια περιορισμοί χώρου, πρόσβασης κλπ). Τα αποτελέσματα μελετών για την αιολική ενέργεια, εξαρτώνται από την ποιότητα των διαθέσιμων δεδομένων καθώς και από τις υποθέσεις για την τεχνολογία και το διαθέσιμο χώρο. Τέτοιες μελέτες μπορούν να παρέχουν μια προσέγγιση του συνολικού αιολικού δυναμικού. Επιπλέον, πρέπει να επισημανθεί ότι το αιολικό δυναμικό μπορεί να ποικίλει για διαφορετικές περιοχές. Σημαντικό, ωστόσο, ζήτημα, είναι οι μακροπρόθεσμες μεταβολές του αιολικού δυναμικού. Οι έρευνες έχουν δείξει, ότι η μεταβολή της μέσης ισχύος από τη μια εικοσαετή περίοδο στην επόμενη, έχει μια σταθερή απόκλιση της τάξης του 10% ή λιγότερο. Επομένως, η αβεβαιότητα του αιολικού δυναμικού δεν είναι σημαντική σε σχέση με το χρόνο ζωής μιας ανεμογεννήτριας Λειτουργία και τεχνικά/κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Οι ανεμογεννήτριες εκμεταλλεύονται την αιολική ενέργεια κοντά στο επίπεδο του εδάφους. Το ρεύμα αέρα είναι τυρβώδες στη περιοχή αυτή. Η ταχύτητα του ανέμου μεταβάλλεται με το ύψος και η κατανομή της ταχύτητας του ανέμου εξαρτάται από τις τοπικές συνθήκες. Υπάρχει επίσης και μια κατανομή της διεύθυνσης του ανέμου ανάλογα με το ύψος. Έτσι, κατά μήκος του ρότορα του ανεμοκινητήρα πνέουν άνεμοι με διαφορετικές κατανομές ταχύτητας και κατεύθυνσης. Οι τύποι ανεμογεννητριών που υπάρχουν στην αγορά ποικίλουν. Παρ όλα αυτά, τα βασικά κατασκευαστικά στοιχεία είναι κοινά, ανεξαρτήτου τύπου. Αυτά είναι τα εξής: Ο Πύργος Ο Έλικας ή Ρότορας (που φέρει τα πτερύγια) Το μηχανικό φρένο Το κιβώτιο ταχυτήτων Ο μηχανισμός περιστροφής και προσανατολισμού Οι αισθητήρες ταχύτητας και το σύστημα ελέγχου ταχύτητας. 70

71 Σχήμα 3.9. Δομικά μέρη ανεμογεννήτριας Οι ανεμοκινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε: - Οριζόντιου άξονα, στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου - Κατακόρυφου άξονα, στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στην επιφάνεια της γης και κάθετος στη ροή του ανέμου. Οι ανεμοκινητήρες οριζόντιου άξονα έχουν συνήθως δυο ή τρία πτερύγια, ή και πολλά περισσότερα. Οι ανεμοκινητήρες με πολλά πτερύγια, μοιάζουν με ένα συμπαγή δίσκο που αποτελείται από συμπαγή πτερύγια και αποκαλούνται high- solidity συσκευές (hs). Τέτοιοι ανεμοκινητήρες χρησιμοποιούνται στην άντληση νερού κλπ. Όταν αντίθετα η περιοχή σάρωσης είναι κενή λόγω ύπαρξης δύο ή τριών πτερυγίων τότε οι συσκευές αναφέρονται ως low-solidity devices (ls). Οι τελευταίες αποτελούν και τη πιο συνηθισμένη περίπτωση 71

72 ανεμογεννητριών σήμερα. Οι δρομείς τους έχουν δύο ή τρία πτερύγια, και έχουν δυνατότητα παραγωγής 1MW ισχύος. Οι ανεμογεννήτριες με τρία πτερύγια έχουν κυριαρχήσει στην αγορά. Από την άλλη, οι ανεμογεννήτριες με δυο πτερύγια έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι ελαφρύτερες, με αποτέλεσμα να είναι ευκολότερη η διαδικασία κατασκευής τους, άρα και φθηνότερη. Γενικότερα όμως, ο τρίπτερος δρομέας είναι κατά 5% αποδοτικότερος από τον δίπτερο, ενώ τα φορτία που ενεργούν σε κάθεπτερύγιο είναι μικρότερα. Αντίθετα, ο μονόπτερος είναι ο φθηνότερος από όλους, έχει 10% μικρότερη απόδοση από τον δίπτερο, αλλά έχει θορυβώδη λειτουργία και η ζυγοστάθμισή του παρουσιάζει σοβαρό πρόβλημα. Οι ανεμοκινητήρες κάθετου άξονα, είναι κατασκευαστικά απλούστεροι από τους ανεμοκινητήρες οριζόντιου άξονα, διότι δεν απαιτούν πτερύγιο ή σύστημα αυτοματισμού για τον προσανατολισμό του δρομέα στη διεύθυνση πνοής του ανέμου και επιπλέον το σύστημα μετατροπής της μηχανικής ενέργειας του δρομέα σε άλλη μορφή ενέργειας βρίσκεται στο έδαφος, στη βάση του ανεμοκινητήρα. Συνεπώς, τα έξοδα αυτοματισμού, συντήρησης ή επισκευών είναι σαφώς μικρότερα σε σύγκριση με τον ανεμοκινητήρα οριζόντιου άξονα. Λόγω όμως των ιδιόμορφων πτερυγίων είναι πολύ δύσκολη η κατασκευή τους αλλά και η μεταφορά τους στο σημείο εγκατάστασης. Προς το παρόν πάντως οι ανεμοκινητήρες κάθετου άξονα δεν είναι οικονομικά ανταγωνιστικοί των ανεμοκινητήρων οριζόντιου άξονα. Παρακάτω φαίνονται σε αντιπαράθεση δύο ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα αντίστοιχα. Σχήμα Ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα 72

73 Οι ανεμογεννήτριες αγγίζουν τη μέγιστη απόδοση σε ταχύτητες ανέμου m/s. Στις ταχύτητες αυτές, η παραγωγή ενέργειας προσεγγίζει την ονομαστική τιμή. Σε μεγαλύτερες ταχύτητες η παραγόμενη ισχύς του δρομέα είναι αναγκαίο να περιοριστεί.[26] Στην συνέχεια θα παρουσιαστούν ενδεικτικά οι βασικές μαθηματικές αρχές και τα διαγράμματα λειτουργίας της ανεμογεννήτριας. Η ηλεκτρική ενέργεια που προκύπτει από τη μετατροπή της αεροδυναμικής ισχύος του αέρα υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση P n n C AV 3 M M E p (3.12) Όπου ο κάθε όρος συμβολίζει τα εξής: η M : ο συντελεστής απόδοσης του μηχανικού συστήματος, με τυπικές τιμές 0.7 0,8 η Ε : ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής, με τυπική τιμή περίπου 0.9 ρ : η πυκνότητα του αέρα, περίπου 1.3 Kg/m 3 C p : ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος A : η επιφάνεια που καλύπτουν τα πτερύγια, δίσκος ακτίνας R, οπότε A = π R 2 V : η ταχύτητα του ανέμου (m/s). O συντελεστής C P εξαρτάται από δύο μεγέθη, το λ και το β, όπου λ είναι η ταχύτητα των πτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου και δίνεται από τη σχέση: R (3.13) V όπου ω η ταχύτητα περιστροφής και R το μήκος του πτερυγίου. 73

74 Πρακτικά οι τιμές του συντελεστή C P είναι περί τα λόγω μηχανικών τριβών, αεροδυναμικών απωλειών και στροβίλων. Ωστόσο, η ακριβής τιμή του εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας καθώς και από τις συνθήκες λειτουργίας της. Για μεσαίες ή μεγάλες ανεμογεννήτριες (διάμετρος πάνω από 20 m ) ο συντελεστής C P έχει τιμές κοντά στο 0.4 ενώ για μικρότερου μεγέθους μηχανές είναι πιο μικρός. Ο βαθμός απόδοσης για τους διάφορους τύπους λαμβάνει τιμές : - Οριζόντιου άξονα-περιστρεφόμενες 30% - Κατακόρυφου άξονα-μεγάλης ταχύτητας 40% Ο συντελεστής β είναι η ελεγχόμενη γωνία κλίσης των πτερυγίων και λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς όταν θεωρούμε ανεμογεννήτριες με πτερύγια μεταβλητού βήματος. Η ταχύτητα του ανέμου μεταβάλλεται με το ύψος από το έδαφος σύμφωνα με τη λογαριθμική σχέση : V S Z d vln Z0 (3.14) όπου Z είναι το ύψος, Ζ 0 το ύψος τυρβώδους ροής και d το ύψος των τοπικών εμποδίων. Η σχέση που δίνει την παραγόμενη ισχύ από την ανεμογεννήτρια ισχύει μόνο για συγκεκριμένες περιοχές ταχυτήτων. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς για μία ευρεία περιοχή ταχυτήτων[26]. 74

75 . Σχήμα Διάγραμμα Ισχύος Ταχύτητας (ανέμου) Η ταχύτητα V c είναι η ελάχιστη ταχύτητα ανέμου πάνω από την οποία ανεμογεννήτρια αρχίζει να παράγει ηλεκτρική ισχύ, η ταχύτητα V r είναι η ταχύτητα στην οποία παράγεται η ονομαστική ισχύς ενώ η V f είναι η ταχύτητα αποκοπής όπου πάνω από αυτή η παραγωγή διακόπτεται για λόγους προστασίας της κατασκευής Κόστος και Μέλλον Στη δεκαετία του 1990, το κόστος κατασκευής ανεμογεννητριών μειωνόταν στο 20% κάθε φορά που διπλασιαζόταν η παραγωγή τους. Σήμερα, η κατασκευή ανεμογεννητριών που συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο διπλασιάζεται κάθε τρία χρόνια. Ανάλογες περίπου αυξήσεις συμβαίνουν και στον τομέα της βιομάζας, ενώ κατά πολύ μεγαλύτερες είναι αυτές στον τομέα των φωτοβολταϊκών. Η DEA (Danish Energy Agency) προβλέπει, ότι μέχρι το 2020 θα έχει επέλθει μείωση του κόστους ενέργειας σε ποσοστό 50%. Ωστόσο, δεν είναι εύκολη μια άμεση σύγκριση με το κόστος της ηλεκτρικής παραγωγής, εξαιτίας του ότι αυτά διαφέρουν μεταξύ των κρατών, λόγω των αποκλίσεων σε διαθεσιμότητα πόρων, διαφορετικών φορολογικών ρυθμίσεων κλπ. Συνοψίζοντας, θα λέγαμε ότι τελικά το κόστος εγκατάστασης ανεμογεννητριών καθορίζεται από τους παρακάτω παράγοντες: α) Ετήσια ταχύτητα ανέμου και κατανομή αυτής β) Παρεμπόδιση μεταξύ των ανεμογεννητριών γ) Ύψος επένδυσης 75

76 δ) Κόστος μελέτης και σύνδεσης των ανεμογεννητριών ε) Κόστος συντήρησης στ) Χρόνος ζωής ζ) Κόστος αποσυναρμολόγησης. Η μελλοντική ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας είναι άμεσα συνυφασμένη με τον αντίκτυπο που θα έχει στο ευρύ κοινό. Αυτό εξαρτάται από την επιβάρυνση που προκαλούν οι εγκαταστάσεις αιολικών πάρκων στο περιβάλλον (αλλοίωση βιότοπων, ηχορύπανση, φυσική ρύπανση κατά την κατασκευή κλπ). Το οικονομικό σκέλος των εφαρμογών της αιολικής ενέργειας εξαρτάται από την αιολική δραστηριότητα σε κάθε περιοχή, αλλά οι αποτυχημένες επενδύσεις μπορεί να προκληθούν και από αναξιόπιστες μετρήσεις των ανέμων ή ανακριβή μοντελοποίηση των ροών αυτών. Ακολουθεί ένα απλό παράδειγμα: Η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη της 3 ης δύναμης της ταχύτητάς του. Έτσι, μια απόκλιση 10% στην ταχύτητα του ανέμου, θα συνεπάγεται απόκλιση 30% στην αναμενόμενη ισχύ αυτού. Άρα, οι ακριβείς επί τόπου μετρήσεις είναι απολύτως αναγκαίες για την εξαγωγή ασφαλών αποτελεσμάτων. Οι μετρήσεις αυτές υστερούν στο γεγονός ότι τα δεδομένα περιορίζονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή υποψήφια για εγκατάσταση εφαρμογής ανεμογεννητριών. Ακόμα, οι μετρήσεις δεν γίνονται στο ύψος του δρομέα, εισάγοντας ακόμη ένα σφάλμα. Η λύση βρίσκεται στην εφαρμογή υπολογιστικών μοντέλων με βάση τα οποία θα γίνεται αξιολόγηση των συνθηκών ανέμου στο ζητούμενο ύψος, στη συγκεκριμένη περιοχή, με δεδομένα που θα συλλέγονται από ένα βολικό σημείο και τέλος, θα λαμβάνονται υπόψη και άλλα στοιχεία, όπως φυσικά εμπόδια, κτίσματα κλπ. Επιπλέον, ο θόρυβος και η οπτική ρύπανση που προξενούν οι ανεμογεννήτριες, παίζουν σημαντικό ρόλο στο κατά πόσο θα γίνουν ευπρόσδεκτες, ειδικότερα από τις κοινότητες που βρίσκονται στην ευρύτερη περιοχή εγκατάστασής τους. Το θέμα του θορύβου, ωστόσο, μπορεί να διορθωθεί με την κατάλληλη διάταξη των ανεμογεννητριών. Μικρά συστήματα ανεμογεννητριών (μέχρι 10 kw) χρησιμοποιούνται κυρίως για αυτόνομη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κατοικίες, και γενικότερα σε περιοχές που δεν υπάρχει διασύνδεση με το δίκτυο διανομής. Επίσης, χρησιμοποιούνται συνήθως και για να τροφοδοτούν απομονωμένες εγκαταστάσεις (τηλεπικοινωνιακά συστήματα, κατοικίες κλπ). Οι ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούνται για αυτές τις εφαρμογές φτάνουν τα 30 kw. Για συστήματα ηλεκτροδότησης σε υπαίθριες περιοχές και χωριά μέχρι 300 kw, οι ανεμογεννήτριες συνδυάζονται με ντιζελογεννήτριες, ή συστήματα 76

77 συσσωρευτών. Αυτόνομοι ανεμοκινητήρες χρησιμοποιούνται επίσης για παραγωγή μηχανικού έργου, όπως άντληση νερού κλπ. Δεν υπάρχουν λεπτομερή στοιχεία για την παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύ αυτόνομων ή μικρής κλίμακας ανεμογεννητριών. Εκτιμάται πάντως ότι η ζήτηση για αυτόνομα συστήματα θα αυξηθεί στα επόμενα χρόνια. Γενικώς, τρέχουν διάφορα προγράμματα για εφαρμογή τέτοιων υβριδικών συστημάτων με σκοπό να καλύψουν αραιοκατοικημένες περιοχές.[27] Τύποι ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες περιέχουν έναν από τους δύο τύπους γεννητριών: Α) Τις σύγχρονες που διακρίνονται σε γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα και γεννήτριες μόνιμων μαγνητών και Β) Τις ασύγχρονες (επαγωγικές), με δύο τύπους, αυτή με βραχυκυκλωμένο κλωβό (squirrel cage) και αυτή με δακτυλιοφόρο δρομέα (wound rotor). Με βάση τον τρόπο λειτουργίας οι ανεμογεννήτριες εντάσσονται σε δύο μεγάλες «οικογένειες» : Ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (fixed speed wind turbines) Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (variable speed wind turbines). Για ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, η γεννήτρια (επαγωγική) συνδέεται άμεσα στο δίκτυο. Δεδομένου ότι η ταχύτητα καθορίζεται σχεδόν πάντα από τη συχνότητα δικτύου, άρα είναι και μη ελέγξιμη, δεν είναι δυνατό με τις διαταρραχές του αέρα να έχουμε εναλλασσόμενη ενέργεια. Οι μηχανές σταθερής ταχύτητας ελέγχονται από εξοπλισμό ηλεκτρονικών ισχύος, ο οποίος καθιστά δυνατό τον έλεγχο της ταχύτητας του ρότορα. Με αυτό τον τρόπο οι διακυμάνσεις δύναμης που προκαλούνται από τις παραλλαγές αέρα μπορούν να απορροφηθούν, αλλάζοντας την ταχύτητα ρότορα και έτσι μπορούν να μειωθούν οι διακυμάνσεις ισχύος(λόγω του στροβιλισμού του ανέμου). Αυτός είναι ένας τρόπος να ξεπεραστούν ορισμένα από τα προβλήματα που παρουσιάζει ο συγκεκριμένος τύπος γεννήτριας. 77

78 Η περιστροφική ταχύτητα της ανεμογεννήτριας είναι αρκετά χαμηλή και πρέπει επομένως να προσαρμοστεί στην ηλεκτρική συχνότητα. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: με ένα κιβώτιο ταχυτήτων ή με τον καθορισμό του αριθμού των ζευγών πόλων της γεννήτριας. Ο αριθμός ζευγών πόλων που διαθέτει κάθε μηχανή καθορίζει την επιτρεπτή μηχανική ταχύτητα της γεννήτριας, λαμβάνοντας υπόψη την ηλεκτρική συχνότητα. Το κιβώτιο ταχυτήτων προσαρμόζει την ταχύτητα του ρότορα στη μηχανική ταχύτητα της γεννήτριας. Στα επόμενα υποκεφάλαια παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι συστημάτων και γεννητριών.[28] Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή Για τις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, η επαγωγική μηχανή είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο με μία διάταξη ομαλής εκκίνησης(soft starter) και μία συστοιχία πυκνωτών για τη μείωση της κατανάλωσης άεργου ισχύος, σύμφωνα και με το σχήμα (3.12). Η ταχύτητα του ρότορα σε αυτόν τον τύπο καθορίζεται εξ ορισμού από το κιβώτιο ταχυτήτων και τον αριθμό των πόλων της γεννήτριας. Συνήθως υπάρχουν δύο σταθερές ταχύτητες. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση δύο κινητήρων με διαφορετικά ζεύγη πόλων και χαρακτηριστικά. Έτσι μπορούμε να επιτύχουμε καλύτερη εκμετάλευση του αιολικού δυναμικού και μείωση των απωλειών στις χαμηλές ταχύτητες. Αυτό το μοντέλο ανεμογεννήτριας χρησιμοποιήθηκε αρκετά τα προηγούμενα χρόνια. Στην περίπτωση των ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας, η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη απευθείας στο δίκτυο. Το πλεονέκτημά τους έγγειται στο ότι είναι κατασκευαστικά απλές, στιβαρές, αξιόπιστες και το κόστος των ηλεκτρικών τους μερών και της συντήρησης χαμηλό. Δυστυχώς όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, επειδή η ταχύτητα είναι σχεδόν σταθερή στην συχνότητα του δικτύου, άρα και μη ελέγξιμη, δεν είναι δυνατόν να απορροφήσει τις διακυμάνσεις ισχύος, ενώ ο έλεγχος της ισχύος είναι σημαντικά αργός καθώς η μόνη δυνατότητα ελέγχου είναι η ρύθμιση της γωνίας προσβολής. 78

79 Σχήμα Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή σύγχρονη μηχανή Το σύστημα στο σχήμα (3.13) αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια εξοπλισμένη με έναν αντιστροφέα συνδεδεμένο στο στάτη της γεννήτριας. Η γεννήτρια μπορεί να είναι είτε επαγωγική βραχυκλωμένου κλωβού ή σύγχρονη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε η ταχύτητα του άξονα να ανταποκρίνεται στην προσδοκώμενη από τη γεννήτρια ταχύτητα. Οι σύγχρονες γεννήτριες ή οι μόνιμου μαγνήτη σύγχρονες γεννήτριες μπορούν να σχεδιαστούν με πολλαπλά ζεύγη πόλων, που στην περίπτωση αυτή δεν είναι απαραίτητο να έχουμε κιβώτιο ταχυτήτων. Σχήμα Σύστημα μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή σύγχρονη μηχανή Μέσω της λειτουργίας με μεταβλητές στροφές μπορεί να προσαρμόζεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας σε οποιαδήποτε ταχύτητα του ανέμου. Με αυτό 79

80 τον τρόπο το λ διατηρείται σταθερό σε μία προκαθορισμένη τιμή που αντιστοιχεί στο συντελεστή μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης (αρχή του αεροδυναμικού ελέγχου ισχύος, Pitch control). Σε αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις της ισχύος που προκαλούνται απο μεταβολές του ανέμου αποσβένονται μέσω της αλλαγής της ταχύτητας του δρομέα. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη πρόσληψη ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας. Τα μειονεκτήματά της είναι οι απώλειες στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος καθώς και οι αυξημένες απαιτήσεις για καλύτερη απόδοση του αντιστροφέα Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Το σύστημα που φαίνεται στο σχήμα (3.14) λειτουργεί με μια μηχανή διπλής τροφοδοσίας (Doubly Fed Induction Generator - DFIG), με τον στάτη να είναι απευθείας συνδεδεμένος στο δίκτυο ενώ το τύλιγμα του ρότορα,μέσω των δακτυλίων, σε έναν αντιστροφέα. Σχήμα Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας 80

81 Αυτό το σύστημα έχει γίνει το τελευταίο διάστημα πολύ δημοφιλές και χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα στα αιολικά πάρκα.η ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια δαχτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας είναι ο κυρίαρχος τύπος στη σημερινή διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών, καταλαμβάνοντας ποσοστό μεγαλύτερο του 70%. Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι ο αντιστροφέας δεν χρειάζεται να διαχειριστεί πάνω από το 30% της συνολικής ισχύος.αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των απωλειών του αντιστροφέα και επιπλέον το κόστος κατασκευής του να είναι αρκετά μικρότερο. Επίσης, υπάρχει μια εναλλακτική τοπολογία για σύστημα με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας, η οποία χρησιμοποιεί εξωτερικές αντιστάσεις που μπορούν να ελέγχουν με κύριες όμως αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα της ισχύος και την ελεγξιμότητα της άεργου ισχύος.ένα άλλο μειονέκτημα είναι η ανάγκη για έναν πολύπλοκο έλεγχο.[29] 3.3. Ηλεκτρικοί συσσωρευτές (Μπαταρίες) Οι μπαταρίες είναι συσκευές που αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια με ηλεκτροχημική μορφή. Το σχήμα (3.15) παρουσιάζει την σχηματική περιγραφή μιας εγκατάστασης αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες. Τα κύρια συστατικά της εγκατάστασης είναι: μια συστοιχία μπαταριών, ένας εξοπλισμός ρύθμισης ισχύος και ο έλεγχος. Σχήμα Αποθήκευση ενέργειας με μπαταρίες 81

82 3.3.1.Κατασκευαστική δομή και αρχές λειτουργίας Η κατασκευή των δευτερογενών συσσωρευτών είναι μία βαριά βιομηχανική διαδικασία που περιλαμβάνει τη χρήση επικίνδυνων και τοξικών ουσιών. Η διαδικασία αυτή είναι συνήθως μαζική και συνδυάζει πλήθος σειριακών και παραλλήλων επεξεργασιών. Αν και η διαδικασία κατασκευής ποικίλει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, ωστόσο ορισμένα χαρακτηριστικά είναι κοινά σε όλες σχεδόν τις μπαταρίες. Δομική μονάδα του συσσωρευτή είναι το στοιχείο (cell) και μία εποπτική παρουσίαση της μονάδας αυτής δίνεται στο παρακάτω σχήμα (3.16). Σχήμα Δομή στοιχείου ενός συσσωρευτή Το στοιχείο είναι η βασική ηλεκτροχημική μονάδα της μπαταρίας, συνίσταται από μία θετική και μία αρνητική πλάκα που είναι βυθισμένες σε ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη και περικλείονται σε ένα δοχείο. Με τη βοήθεια του παραπάνω σχήματος θα γίνει μία περιγραφή των συστατικών μερών του στοιχείου ώστε να γίνεται στη συνέχεια, πιο εύκολα και κατανοητά η αναφορά σε σχετικά θέματα. Ενεργό Υλικό (Active Material): To ενεργό υλικό από τη θετική και την αρνητική πλάκα είναι ένας συνδυασμός υλικών τα οποία, είναι οι βασικοί συντελεστές της ηλεκτροχημικής 82

83 αντίδρασης μέσα στην κυψελίδα. Η ποσότητα του ενεργού υλικού σε μία μπαταρία είναι ανάλογη της χωρητικότητας της. Σε μία τυπική μπαταρία μολύβδου, το ενεργό υλικό είναι συνδυασμός διοξειδίου του μολύβδου (PbO 2 ) στη θετική πλάκα με μεταλλικό πορώδη μόλυβδο (Pb) στην αρνητική, που αντιδρούν σε διάλυμα θειικού οξέος (H 2 SO 4 ) κατά τη λειτουργία της μπαταρίας. Ηλεκτρολύτης: Ο ηλεκτρολύτης είναι το αγώγιμο μέσο που επιτρέπει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της ιοντικής ανταλλαγής ή της ανταλλαγής ηλεκτρονίων, επάνω στις πλάκες της κυψελίδας. Στις μπαταρίες μολύβδου είναι διάλυμα θειικού οξέος (H 2 SO 4 ) σε υγρή μορφή ή σε μορφή gel, ενώ στις μπαταρίες νικελίου (Ni) είναι διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ). Σε περιπτώσεις σαν τη δική μας, που ο ηλεκτρολύτης είναι υγρό διάλυμα, συχνά, απαιτείται η αναπλήρωση νερού λόγω του φαινομένου της εξαέρωσης. Πλέγμα (Grid): Σε μία μπαταρία μολύβδου, το πλέγμα συνήθως είναι ένα πλαίσιο από κράμα μολύβδου το οποίο υποστηρίζει το ενεργό υλικό επάνω στις πλάκες και είναι αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος. Υλικά κράματος όπως το αντιμόνιο (Sb) ή το ασβέστιο (Ca) συχνά χρησιμοποιούνται για να αυξήσουνε τη μηχανική αντοχή των πλακών και έχουν χαρακτηριστική επίδραση στις επιδόσεις της μπαταρίας. Οι συσσωρευτές του συστήματος έχουν μικρή πρόσμιξη αντιμονίου (Sb < 3%) στα θετικά ηλεκτρόδια, με αποτέλεσμα να μπορούν να λειτουργούν διατηρούμενοι σε άριστη κατάσταση συνεχώς για 3 χρόνια σε λειτουργία ετοιμότητας όταν τις διαπερνάει ρεύμα 2,23 V/cell και βρίσκονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 20 C. Πλάκες (Plates): Οι πλάκες, που συνίστανται από το πλέγμα και από το ενεργό υλικό, είναι το βασικό στοιχείο της μπαταρίας και συνήθως αναφέρονται ως ηλεκτρόδια. Γενικά, υπάρχει ένα πλήθος αρνητικών και θετικών πλακών, συνδεδεμένων παράλληλα, μέσα σε μία κυψελίδα. Το πάχος τους και η σχέσεις των επιφανειών μεταξύ των αρνητικών και των θετικών πλακών, έχουν καθοριστική επίδραση στα χαρακτηριστικά της μπαταρίας. Διαχωριστής (Separator): Ο διαχωριστής είναι ένα πορώδες απομονωτικό μέσο μεταξύ των πλακών της μπαταρίας που εμποδίζει την αγώγιμη επαφή μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Σε πολλές περιπτώσεις ο διαχωριστής εφαρμόζεται σαν φάκελος και περικλείει ολόκληρο το ηλεκτρόδιο, εμποδίζοντας τη δημιουργία βραχυκυκλώματος, λόγω των διαχεόμενων υλικών στο κάτω μέρος των πλακών. 83

84 Πόλοι ή Τερματικοί Πόλοι (Terminal Poles): Οι πόλοι είναι οι εξωτερικές θετικές ή αρνητικές, ηλεκτρικές συνδέσεις της μπαταρίας. Ένα φορτίο ή ένα φωτοβολταϊκό σύστημα συνδέεται με τη μπαταρία μέσω των πόλων. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές είναι ουσιαστικά μετατροπείς χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική και, συνήθως, έχουν τη δυνατότητα να εκτελούν αυτή τη μετατροπή και προς την αντίθετη κατεύθυνση παρέχοντας με άμεσο τρόπο τη δυνατότητα συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι κατά την ηλεκτροχημική αυτή διαδικασία ηλεκτρόνια αφαιρούνται από το ενεργό υλικό του ενός ηλεκτροδίου μια αντίδραση που ονομάζεται οξείδωση ( oxidation) και ηλεκτρόνια προστίθενται στο ενεργό υλικό του άλλου ηλεκτροδίου η διεργασία αυτή ονομάζεται και αναγωγή (reduction ). Η δυνατότητα να αποταμιεύουν ενέργεια ανά πάσα στιγμή ή όχι είναι αυτή που χωρίζει τους συσσωρευτές στις δύο κυριότερες κατηγορίες. Στην κατηγορία των πρωτογενών (primary) συσσωρευτών ανήκουν αυτοί που έχουν αποθηκευμένη χημική ενέργεια την οποία και μπορούν να την αποδώσουν ως ηλεκτρική, δεν μπορούν όμως να επαναφορτιστούν. Οι τυπικές μπαταρίες λιθίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία και επειδή δεν μπορούν να επαναφορτιστούν δεν είναι λειτουργικές στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τέτοια συστήματα ανήκουν στην κατηγορία των δευτερευόντων (secondary) συσσωρευτών. Η δυνατότητα τους να επαναφορτίζονται είναι αυτή που τους κάνει κατάλληλους για φωτοβολταϊκά συστήματα και ο πιο συνηθισμένος τύπος τους είναι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέως.[30] Χαρακτηριστικά μεγέθη Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα συσσωρευτή μετριέται σε Watt-hours (Wh) ή kilowatt-hours (kwh) ενώ το ποσό της χωρητικότητας σε Amperehours (Ah). Ακόμα η ενεργειακή απόδοση μιας μπαταρίας ορίζεται ως το παρακάτω μέγεθος: Ενεργειακή απόδοση = έ που προσδίδεται κατά την εκφόρτιση έ που απαιτείται για μια πλήρη φόρτιση Κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 70% και 80%. 84

85 Παράλληλα, ορίζεται η απόδοση φόρτισης ως: Απόδοση φόρτισης = μπερώρια εκφόρτισης μπερώρια για πλήρη φόρτιση, η οποία κυμαίνεται στο 95% για μπαταρίες μολύβδου και λίγο χαμηλότερα για νικελίουκαδμίου. Ο λόγος που η ενεργειακή απόδοση είναι χαμηλότερη της απόδοσης φόρτισης είναι διότι οι συσσωρευτές αποφορτίζονται σε χαμηλότερη τάση απ ότι όταν φορτίζονται. Ακόμα έχουμε τον ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης που ορίζεται ως: Ρυθμός = Χωρητικότητα(Ah) Xρόνος φόρτισης ή εκφόρτισης(h) Έτσι για παράδειγμα όταν δούμε την επιγραφή 10 C X εννοούμε το ρεύμα που αντιστοιχεί στην C χωρητικότητα η οποία εκφορτίστηκε μέσα σε 10 ώρες, ανάλογα υπάρχει και το C. 100 DOD (depth of discharge) είναι το ποσοστό της χωρητικότητας που έχει αφαιρεθεί από μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία ενώ αντίθετα SOC (state of charge) είναι το ποσοστό της χωρητικότητας που έχει απομείνει. Έτσι δοσμένου του DOD, το SOC θα δίνεται απο τον τύπο SOC = 100 DOD (3.15) Cycle of Life: Είναι ένα μέτρο που δείχνει πόσους κύκλους μπορεί να αποδώσει ένας συσσωρευτής κατά την διάρκεια της ζωής του. Με την έννοια κύκλο εννοούμε μια αποφόρτιση μέχρι το DOD και μια πλήρη φόρτιση ακολούθως. 85

86 3.3.3.Παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας δεν είναι σταθερή. Η ονομαστική χωρητικότητα ορίζεται ως ο αριθμός των μέγιστων αμπερώριων που μπορεί μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία να αποδώσει κάτω από ορισμένες συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές είναι: Α) Το ρεύμα ή αντίστοιχα ο ρυθμός με τον οποίο πραγματοποιείται η εκφόρτιση Β) Η θερμοκρασία της μπαταρίας Γ) Η τελική τάση στην οποία η μπαταρία εκφορτίζεται (End Voltage) Πιο αναλυτικά, έχουμε πρώτα για το ρυθμό αποφόρτισης ότι όσο πιο μεγάλος είναι αυτός τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας σε σχέση με την ονομαστική της και αυτό συμβαίνει γιατί το οξύ που δημιουργείται δεν μπορεί να διαχυθεί αρκετά γρήγορα στις πλάκες και έτσι δεν θα υπάρχει ικανοποιητική ποσότητα οξέος για της χημικές αντιδράσεις της αποφόρτισης το οποίο σημαίνει λιγότερη διάρκεια και το οποίο με τη σειρά του συνεπάγεται μικρότερη χωρητικότητα. Όσον αφορά την θερμοκρασία, όσο πιο μικρή αυτή είναι τόσο μικρότερη είναι και η χωρητικότητα κατι που εξηγείται από ένα συνδυασμό παραγόντων όπως η αυξημένη αντίσταση και ο μειωμένος ρυθμός διάχυσης του ηλεκτρολύτη. Γενικά η ονομαστικές χωρητικότητες αναφέρονται σε θερμοκρασία των 20 o C, έτσι θα πρέπει να ληφθεί υπόψη μια μεγαλύτερη χωρητικότητα από την προβλεπόμενη για μέρη με αρκετά μικρότερες θερμοκρασίες ενώ για μέρη με μεγαλύτερες θερμοκρασίες το φαινόμενο δεν επιδρά σημαντικά στην αύξηση της χωρητικότητας. Τέλος για την τελική τάση, όσο πιο μικρή είναι αυτή τόσο πιο μεγάλη θα είναι η χωρητικότητα. Συνήθως, για μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα, αυτή κυμαίνεται μεταξύ 1.75 και 1.85 Volt ανά κυψέλη Τύποι συσσωρευτών Σήμερα, υπάρχει μεγάλη ποικιλία επαναφορτιζόμενων μπαταριών διαθέσιμων εμπορικά και πολύ περισσότερες στη φάση σχεδιασμού. Ο ακόλουθος είναι ένας συνοπτικός 86

87 κατάλογος των κύριων συστημάτων ενεργειακής αποθήκευσης μέσω μπαταριών που έχουν χρησιμοποιηθεί ή έχουν προταθεί για τις εφαρμογές ενεργειακής αποθήκευσης. Οι μπαταρίες οξειδίων μολύβδου είναι ανέξοδες και μπορούν να παραχθούν για μεγάλες δυναμικότητες που απαιτούνται συχνά για ενεργειακή αποθήκευση. Οι μπαταρίες Νικελίου-Καδμίου (Ni-Cd) έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής σε στάσιμες εφαρμογές και είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές σε κακή μεταχείριση. Το κόστος τους είναι μάλλον υψηλό και αυτό περιορίζει τις εφαρμογές. Οι μπαταρίες Nickel-Metal Hydride (NiMH) αποτελούν μια νέα τεχνολογία που χρησιμοποιείται τελευταία ευρέως σε φορητές εφαρμογές. Πρόσφατα έχουν δαπανηθεί πολλά χρήματα για την εξέλιξη των τεχνολογιών αυτών για ηλεκτρικά οχήματα. Το βασικό πλεονέκτημα των NiMH απέναντι στις Ni-Cd είναι η μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα. Το θειικό νάτριο (NaS) είναι μια τεχνολογία που λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες σχεδόν 300 o C κάτι που επιβάλει μεγάλες απαιτήσεις για λειτουργία και συντήρηση. Τα NaS έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, υψηλή αποδοτικότητα φόρτισης-εκφόρτισης, μεγάλη διάρκεια ζωής και είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Οι μπαταρίες λιθίου (Li-Ion) είναι ο νεότερος τύπος μπαταριών και είναι αρκετά διαφορετικός από τους υπόλοιπους. Είναι μη υδατικοί και η χημεία τους είναι απλά η μετάβαση των ιόντων λιθίου από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο μέσω ενός οργανικού ηλεκτρολύτη, που παρεμβάλλεται στη μικροδομή των ηλεκτροδίων. Οι πολυμερείς μπαταρίες λιθίου περιλαμβάνουν την τεχνολογία λιθίου και τις σχετικές χημείες χρησιμοποιώντας τα μεταλλικά κατιόντα λιθίου. Σε όλες τις περιπτώσεις τα ηλεκτρόδιο συνδέονται μαζί με μια πολυμερή μήτρα για να διαμορφώσουν μια λεπτή ελασματική κατασκευή. Αν και είναι συνηθισμένο να μιλάμε για την ονομαστική τάση κυψελών για κάθε τύπο μπαταρίας, πρέπει να σημειωθεί ότι η πραγματική τάση κυψελών των περισσότερων μπαταριών ποικίλλει αρκετά, και κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης. Η 87

88 πραγματική τάση που εμφανίζεται στην έξοδο κάθε στιγμή, και σε κάθε κυψέλη, εξαρτάται από το ρεύμα στο φορτίο και την εσωτερική σύνθετη αντίσταση της κυψέλης και αυτό ποικίλλει με, θερμοκρασία, το ποσοστό φόρτισης (SOC) και με την ηλικία της κυψέλης. Στην πραγματικότητα οι διαφορετικοί τύποι μπαταριών αντιδρούν μάλλον διαφορετικά σε διάφορα επίπεδα φόρτισης ή εκφόρτισης. Τα διαγράμματα που ακολουθούν (3.17), (3.18) παρουσιάζουν τις καμπύλες εκφόρτισης για τις μπαταρίες οξειδίων μολύβδου και τις λιθίου αντίστοιχα και την εξέλιξη της τάσης στο διαφορετικό ποσοστό φόρτισης. Σχήμα Διάγραμμα τάσης ως συνάρτηση του χρόνου εκφόρτισης στις μπαταρίες Οξειδίων Μολύβδου Σχήμα Διάγραμμα τάσης ως συνάρτηση του ρεύματος εκφόρτισης στις μπαταρίες λιθίου 88

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος Κύριο ρόλο στην λειτουργία του μικροδικτύου έχουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Οι μετατροπείς ισχύος είναι απαραίτητοι για την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος και τάσης σε εναλλασσόμενα, αλλά και στην μετατροπή από συνεχές σε συνεχές, ανάλογα με την σχεδίαση του μικροδικτύου. Ο έλεγχος που χρησιμοποιείται στους μετατροπείς ώστε να διατηρούν τα χαρακτηριστικά του δικτύου, είτε του κυρίως (του κεντρικού δικτύου) είτε του σχηματιζόμενου δικτύου (αυτόνομη λειτουργία), ή να τα ορίζουν οδηγοί στο να υπάρχει κατηγοριοποίηση των μονάδων και των μετατροπέων. Όπως αναφέρθηκε και στο Κεφάλαιο 2, ένα συμβατικό υβριδικό μικροδίκτυο μπορεί να έχει διάφορα είδη μετατροπέων όπως αντιστροφείς ΣΤ/ΕΤ(DC/AC) αλλά και μετατροπείς ΣΤ/ΣΤ(DC/DC) τύπου buck ή boost για την σύνδεση μονάδων παραγωγής ή αποθήκευσης στον ζυγό ΣΡ. Κύριο φυσικά ρόλο στο υβριδικό μικροδίκτυο αναλαμβάνει ο αμφίδρομος AC-DC/DC-AC μετατροπέας ή κύριος μετατροπέας που απαιτείται για την διεπαφή των AC και DC μικροδικτύου. Συνήθως περιλαμβάνεται και ένας εφεδρικός μετατροπέας ώστε να αποφύγουμε οποιαδήποτε απομόνωση των ΑC και DC υποδικτύων. Ο κύριος στόχος του αμφίδρομου AC/DC μετατροπέα είναι να διατηρεί την απαλή μεταφορά ισχύος μεταξύ ac και dc μικροδικτύων και να διατηρεί σταθερές τις τάσεις των ac και dc ζυγών κάτω απο διάφορες παραγωγές και συνθήκες φορτίων. Στις επόμενες ενότητες πρόκειται να αναλυθούν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος εκείνει που αναμένεται να χρησιμοποιηθούν στην μελέτη και προσομοίωση του προτεινόμενου μοντέλου. Θα παρουσιάσουμε αρχικά τους μετατροπείς DC/DC και ύστερα θα γίνει παρουσίαση των αντιστροφέων που θα χρησιμοποιηθούν για το φωτοβολταϊκό σύστημα, την ανεμογεννήτρια αλλά και του ελεγκτή φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας. 89

90 4.1. Μετατροπείς ΣΤ/ΣΤ(DC/DC) Σκοπός Λειτουργίας Oι μετατροπείς DC/DC χρησιμοποιούνται σε διάφορα κυκλώματα όπως σε κυκλώματα φόρτισης μπαταριών και σε κυκλώματα ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (MPPT). Εφόσον τα φωτοβολταϊκά πλαίσια παράγουν μόνο DC τάση, οι μετατροπείς DC/DC καθίστανται ιδιαίτερα χρήσιμοι παρέχοντας τη δυνατότητα προσαρμογής της DC τάσης ή του ρεύματος σε οποιοδήποτε σημείο του κυκλώματος. Οι μετατροπείς DC/DC συνήθως προτιμούνται γιατί είναι μικρότεροι, πιο ελαφρείς, παρέχουν υψηλής ποιότητας έξοδο και είναι πιο αποδοτικοί από τα γραμμικά τροφοδοτικά. Τα γραμμικά τροφοδοτικά συνήθως έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης, παρόλο που παρέχουν υψηλής ποιότητας DC τάση στην έξοδο. Αυτό συμβαίνει διότι τα γραμμικά τροφοδοτικά ουσιαστικά συμπεριφέρονται ως μεταβλητός διαιρέτης τάσης που λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρείται σταθερή η τάση στην έξοδο. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο διαιρέτης τάσης συνεχώς χάνει ενέργεια με τη μορφή θερμότητας στις αντιστάσεις, τα γραμμικά τροφοδοτικά έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης. Συνεπώς, ο υψηλότερος βαθμός απόδοσης των μετατροπέων DC/DC είναι ιδιαίτερα επιθυμητός σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές όπου η μεγιστοποίηση της αποδιδόμενης ισχύς είναι ο κύριος στόχος. Επιπλέον οι μετατροπείς DC/DC έχουν τη δυνατότητα να παράγουν τάση εξόδου μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση εισόδου σε αντίθεση με τα γραμμικά τροφοδοτικά που μπορούν να παρέχουν μόνο τάση εξόδου μικρότερη από την τάση εισόδου. Κύριος στόχος των DC/DC μετατροπέων είναι να μετατρέψουν την DC τάση στην είσοδο σε μια διαφορετική DC τάση στην έξοδο. Η συσκευή θα πρέπει επίσης να έχει τη δυνατότητα να διατηρεί μια σταθερή και ελέγξιμη DC τάση στην έξοδο ανεξάρτητα από αλλαγές στην τάση εισόδου. Τα κυκλώματα αυτά χρησιμοποιούν ένα τουλάχιστον ημιαγωγικό στοιχείο, το οποίο θα είναι πάντα είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής. Με τη χρήση των ημιαγωγικών στοιχείων η μέση τιμή της τάσης εξόδου είναι διαφορετική από την τιμή της τάσης εισόδου. Για την παροχή μιας σταθερής μέσης τιμής τάσης εξόδου θα πρέπει οι διακόπτες να λειτουργούν περιοδικά και να ελέγχονται. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας των μετατροπέων DC/DC, η ενέργεια συνήθως αποθηκεύεται σε πηνία και πυκνωτές πριν μεταφερθεί στην έξοδο. Επιπλέον, το διακοπτικό στοιχείο που χρησιμοποιείται είναι σχεδόν πάντα τρανζίστορ, που το αν 90

91 βρίσκεται σε κατάσταση αποκοπής ή αγωγής μπορεί να ελεγχθεί μέσω ενός κυκλώματος ελέγχου. Πολλών ειδών ημιαγωγικών στοιχείων είναι διαθέσιμα για αυτή τη λειτουργία μεταξύ των οποίων το διπολικό τρανζίστορ (bipolar junction transistor - BJT) και το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field effect transistor -FET). Χρησιμοποιώντας για παράδειγμα το BJT, το τρανζίστορ αυτό έχει έναν ακροδέκτη ελέγχου (βάση) που ελέγχει το ρεύμα που διαρρέει τους άλλους δυο ακροδέκτες (συλλέκτης και εκπομπός). Έτσι με ένα μικρό ρεύμα στη βάση μπορούμε να ελέγξουμε ένα πολύ μεγαλύτερο ρεύμα που διαρρέει μέσα από το συλλέκτη και τον εκπομπό. Για να άγει το τρανζίστορ, αυξάνουμε το ρεύμα στη βάση μέχρι η πτώση τάσης συλλέκτη εκπομπού να γίνει σχεδόν μηδέν. Σε αυτή τη περίπτωση το τρανζίστορ βρίσκεται στον κόρο γιατί δεν μπορεί να διαρρεύσει μεγαλύτερο ρεύμα. Για να πάει το τρανζίστορ στην αποκοπή, μειώνουμε το ρεύμα βάσης σχεδόν στο μηδέν με αποτέλεσμα το ρεύμα συλλέκτη-εκπομπού να γίνει επίσης πάρα πολύ μικρό. Παρόλο που υπάρχει μεγάλη ποικιλία μετατροπέων DC/DC, όλοι αποθηκεύουν ενέργεια σε πηνία και πυκνωτές και η ροή ενέργειας από το ένα στοιχείο στο άλλο ελέγχεται με διακοπτικά στοιχεία. Τα στοιχεία αυτά μπορούν να επιτύχουν υψηλή ενεργειακή απόδοση, γιατί τα τρανζίστορ καταναλώνουν πολύ λίγη ενέργεια στην κατάσταση αποκοπής και στον κόρο. Στην κατάσταση αγωγής υπάρχει μικρή πτώση τάσης πάνω στο τρανζίστορ λόγω της μικρής αντίστασης που εμφανίζει, και στην κατάσταση αποκοπής το τρανζίστορ διαρρέεται από πολύ μικρό ρεύμα. Επιπλέον, αφού τα διακοπτικά στοιχεία λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες (από δεκάδες khz έως μερικά MHz), στοιχεία όπως πυκνωτές, πηνία και μετασχηματιστές μπορούν να είναι μικρότερη σε μέγεθος και επομένως να κοστίζουν λιγότερο. Ο μετατροπέας DC/DC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την βελτιστοποίηση της φόρτισης των μπαταριών και της αποδιδόμενης ισχύος ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, με την μετατροπή μιας τάσης ή ενός ρεύματος σε μια άλλη τάση ή ρεύμα στην έξοδο του. Αυτή η μετατροπή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διάφορα μέρη, όπως ανάμεσα σε φωτοβολταϊκά πλαίσια και σε μπαταρίες, μεταξύ φωτοβολταϊκών πλαισίων και αντιστροφέα και μεταξύ μπαταρίας και αντιστροφέα.οι μετατροπείς DC/DC χρησιμοποιούνται επίσης για την ρύθμιση της τάσης στην έξοδο τους ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις της τάσης στην είσοδο τους ή του φορτίου. Αυτή η δυνατότητα των μετατροπέων DC/DC να αντιδρούν σε αλλαγές θα αξιοποιηθεί στους ανιχνευτές μέγιστου σημείου ισχύος (MPPT). Επιπλέον, οι μετατροπείς DC/DC μπορούν να έχουν ενσωματωμένο ένα μετασχηματιστή για γαλβανική απομόνωση, ώστε να παρέχουν 91

92 ασφάλεια για όποιον ακουμπάει τον εξοπλισμό.όταν ο μετασχηματιστής είναι ενσωματωμένος συνήθως μπαίνει στην είσοδο σε σειρά με το διακοπτικό στοιχείο. Η βασική αρχή των διακοπτικών τροφοδοτικών είναι να παρέχουν μια διαφορετική μέση τιμή τάσης στην έξοδο σε σχέση με την είσοδο με το να ανοιγοκλείνουν το διακόπτη και έτσι άλλοτε να αφήνουν και άλλοτε όχι την τάση της εισόδου να εφαρμόζεται στην έξοδο Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης(buck converter) Όπως υποδηλώνει και η ονομασία του, ένας dc/dc μετατροπέας υποβιβασμού τάσης παράγει μια μέση τάση εξόδου V o χαμηλότερη απο τη dc τάση εισόδου V d. Το βασικό κύκλωμα του παρακάτω σχήματος αποτελεί έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης για ένα φορτίο R. Θεωρώντας έναν ιδανικό διακόπτη και ένα καθαρά ωμικό φορτίο, η στιγμιαία τάση εξόδου εξαρτάται απο την κατάσταση του διακόπτη.[31] Σχήμα 4.1. Κυκλωματική διάταξη μετατροπέα υποβιβασμού τάσης και ισοδύναμα κυκλώματα καταστάσεων του διακόπτη Όταν ο διακόπτης S είναι κλειστός τότε το ρεύμα I L έχει φορά από την πηγή εισόδου προς το φορτίο. Όταν ο διακόπτης S είναι ανοικτός και το ρεύμα εξόδου είναι συνεχές, δηλαδή έχουμε συνεχή αγωγή το οποίο σημαίνει ότι η τιμή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα δεν μηδενίζει ποτέ ακόμα και όταν ο διακόπτης S είναι ανοικτός, Τότε το 92

93 ρεύμα που δημιουργείται από το επαγωγικό μέρος του φορτίου μας, μέσω της διόδου «ελευθέρας ροής» ανορθώνεται και πηγαίνει προς το φορτίο πάλι για αυτό και δεν μηδενίζει η τιμή του ρεύματος εξόδου. Παρατηρούμε ότι το ρεύμα και η τάση εξόδου του μετατροπέα είναι πάντα θετικά λόγω της διόδου «ελευθέρας ροής» για αυτό το λόγω η περιοχή λειτουργίας του μετατροπέα μας είναι στο 1ο τεταρτημόριο. Παρακάτω φαίνεται η χαρακτηριστική των τάσεων και των ρευμάτων του συγκεκριμένου μετατροπέα.[32] Σχήμα 4.2 Διάγραμμα λειτουργίας buck μετατροπέα κατά τη συνεχή αγωγή Μπορούμε να εξάγουμε λοιπόν από το διάγραμμα λειτουργίας την μέση τάση εξόδου ως συνάρτηση της σχετικής διάρκειας αγωγής D ή αλλιώς βαθμό χρησιμοποίησης του μετατροπέα (duty cycle). Άρα έχουμε: t on D (4.1) T και V V t dt V dt dt V DV on T ton T 1 1 ton o o d 0 d i T T T 0 0 t (4.2) 93

94 Η ενεργός τιμή της τάσης εξόδου του μετατροπέα θα δίνεται από τον παρακάτω μαθηματικό τύπο: T V V t dt V (4.3) t 1 T 2 o, RMS o o, avg T 0 on Μετατροπέας ανύψωσης τάσης(boost converter) Ένας πιο πρακτικός μετατροπέας ΣΤ/ΣΤ είναι ο μετατροπέας boost που είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να αυξάνει την τάση εισόδου. Το κύκλωμα του μετατροπέα αυτού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (4.3). Σχήμα 4.3. Απλή κυκλωματική αναπαράσταση ενός dc/dc boost μετατροπέα και ισοδύναμα κυκλώματα καταστάσεων διακόπτη Για να περιγράψουμε τη λειτουργία αυτού του κυκλώματος, θα υποθέσουμε ότι ο διακόπτης είναι ανοιχτός για πολύ ώρα και ο πυκνωτής εξόδου C out έχει φορτιστεί με τάση ίση με την τάση της πηγής μείον μια μικρή πτώση τάσης πάνω στη δίοδο. Μόλις ο διακόπτης κλείσει, θα διαρρεύσει ρεύμα μέσα από το πηνίο L και το διακόπτη και ο 94

95 ρυθμός αύξησης του ρεύματος μέσα από το πηνίο και το διακόπτη θα καθορίζεται από την παρακάτω σχέση: di dt V L L Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η τάση V θα είναι ίση με την τάση Vin και το ρεύμα του πηνίου θα αυξάνει γραμμικά. Το πηνίο σε αυτή την περίπτωση αποθηκεύει ενέργεια με τη μορφή μαγνητικού πεδίου και επίσης προστατεύει το τρανζίστορ από το να διαρρεύσει από μέσα του κάποιο πολύ μεγάλο ρεύμα που θα το κατέστρεφε. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο πηνίο μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση του ρεύματος όπως φαίνεται στην παρακάτω εξίσωση: Li E i Καθώς το ρεύμα διαρρέει το πηνίο και το διακόπτη, η δίοδος δεν επιτρέπει στον φορτισμένο πυκνωτή να εκφορτιστεί μέσω του διακόπτη στη γη. Κατά τη διάρκεια αυτού του διαστήματος, το ρεύμα στο φορτίο θα παρέχεται από το πλήρως φορτισμένο πυκνωτή. Εφόσον η σταθερά χρόνου εκφόρτισης του πυκνωτή εξαρτάται από την τιμή της χωρητικότητας του και μπορεί να εκφραστεί ως t = XC (όπου X είναι η εμπέδηση του φορτίου), η χωρητικότητα του πυκνωτή θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να αποτρέψει το ενδεχόμενο ο πυκνωτής να εκφορτιστεί πολύ και να έχουμε μεγάλη κυμάτωση στην τάση εξόδου. Η τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή, που θα αποτρέψει την υπερβολική εκφόρτιση του και τη μεγάλη κυμάτωση στην τάση εξόδου, εξαρτάται από τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας και από την εμπέδηση του φορτίου. Μόλις ανοίξει ο διακόπτης το πηνίο θα απελευθερώσει την ενέργεια του. Κατά τη διάρκεια αυτή, το ρεύμα του πηνίου θα διαρρεύσει μέσα από τη δίοδο και θα φορτίσει τον πυκνωτή. Καθώς το πηνίο απελευθερώνει την αποθηκευμένη ενέργεια του, το ρεύμα του θα μειώνεται και το di/dt θα γίνει αρνητικό. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης: di dt V L L Για το παράδειγμα μας, θα θεωρήσουμε ότι το ρεύμα του πηνίου θα είναι πάντα θετικό ενώ το di/dt θα παίρνει και θετικές και αρνητικές τιμές. Θεωρώντας ότι το ρεύμα στο πηνίο είναι πάντα προς μια κατεύθυνση και δεν μηδενίζεται ποτέ, τότε λέμε ότι ο 95

96 μετατροπέας DC/DC λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος (continuous current mode).[32] Σχήμα 4.4. Διάγραμμα λειτουργίας boost μετατροπέα κατά τη συνεχή αγωγή Στα κυκλώματα που χρησιμοποιούν την τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM-Pulse Width Modulation), ο διακόπτης αλλάζει μεταξύ της κατάστασης αγωγής και αποκοπής με σταθερή συχνότητα και η λειτουργία του περιγράφεται με το λόγο κατάτμησης D [17]. Υποθέτοντας ότι βρισκόμαστε στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας η τιμή του I min που παρέχει η πηγή είναι ίδια μετά από κάθε περίοδο λειτουργίας και η μέση τιμή της τάσης V L μπορεί να υπολογιστεί με τον παρακάτω τρόπο: T min 1 1 di L VLavg V dt L dt di 0 T T dt T T L 0 0 Εφόσον η μέση τιμή της τάσης είναι μηδέν, το εμβαδόν που περικλείεται από την κυματομορφή V-t σε μια περίοδο θα πρέπει να είναι μηδέν. Αυτό μπορεί να εκφραστεί από την εξίσωση: V d. t on V L t off = 0 I I min 96

97 Αφού V S + V L = V o, μπορούμε να λύσουμε ως προς V L και να αντικαταστήσουμε στην παραπάνω εξίσωση. Μετά από μερικές αλγεβρικές πράξεις, καταλήγουμε στη σχέση: V o V S t t on 1 off (4.4) Χρησιμοποιώντας και τη σχέση για τον βαθμό χρησιμοποίησης, καταλήγουμε στην τάση εξόδου του ανυψωτή: V V o d 1 D (4.5) 1 D Ιδανικά, αφού 0 < D < 1 η V o θα είναι πάντα μεγαλύτερη από την V S για το λόγο αυτό ονομάζεται μετατροπέας DC/DC ανύψωσης της τάσης (boost converter). Θεωρώντας ένα κύκλωμα χωρίς απώλειες, η ισχύς εξόδου P o είναι ίση με την ισχύ εισόδου P d και άρα προκύπτει και η ανάλογη σχέση για το ρεύμα εισόδου I d, το ρεύμα εξόδου I o και τη σχετική διάρκεια αγωγής D: Io Vd Io Pd Po Vd Id Vo Io 1 D (4.6) I V I d o d Μετατροπέας υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης (buck/boost) Εκτός από τους παραπάνω τύπους μετατροπέων DC/DC, μπορούμε ακόμη να φτιάξουμε και έναν μικτό μετατροπέα ο οποίος θα σχηματίζεται με τη σύνδεση των δύο βασικών dc/dc μετατροπέων: του μετατροπέα υποβιβασμού και του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας, ο λόγος μετατροπής της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου, είναι το γινόμενο των λόγων μετατροπής των δύο μετατροπέων που είναι συνδεδεμένοι στη σειρά (θεωρώντας ότι οι διακόπτες και των δύο μετατροπέων έχουν τον ίδιο λόγο D)[31]: V V o d 1 D 1 D 97

98 Αυτό επιτρέπει την τάση εξόδου να είναι υψηλότερη ή χαμηλότερη από την τάση εισόδου ανάλογα με την τιμή του λόγου D. Η σύνδεση στη σειρά των μετατροπέων υποβιβασμού και ανύψωσης τάσης μπορεί να συνδυαστεί σε έναν ενιαίο μικτό μετατροπέα, όπως αυτός του παρακάτω σχήματος (4.5). Σχήμα 4.5. Μικτός dc/dc μετατροπέας ή buck/boost και ισοδύναμα κυκλώματα καταστάσεων διακόπτη Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η είσοδος παρέχει ενέργεια στην αυτεπαγωγή και η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη. Όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, η ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στην αυτεπαγωγή μεταφέρεται στην έξοδο. Κατ αυτό το χρονικό διάστημα δεν παρέχεται ενέργεια από την είσοδο. Στην ανάλυση της μόνιμης κατάστασης ισορροπίας, ο πυκνωτής εξόδου θεωρείται πολύ μεγάλος, με αποτέλεσμα η τάση εξόδου να είναι σταθερή, υ ο (t) = V o. Στο σχήμα (4.6) δίνονται οι κυματομορφές της λειτουργίας συνεχούς αγωγής, όπου το ρεύμα του πηνίου ρέει συνεχώς. Εξισώνοντας το ολοκλήρωμα της τάσης του πηνίου στο διάστημα μιας περιόδου με το μηδέν, προκύπτει V V o d 1 D 1 D (4.7) 98

99 και d 1 D D (4.8) Η εξίσωση (4.7) φανερώνει ότι, ανάλογα με την τιμή του λόγου D, η τάση εξόδου μπορεί να είναι υψηλότερη ή χαμηλότερη από την τάση εισόδου.[32] Σχήμα 4.6. Λειτουργία μικτού dc/dc μετατροπέα(buck/boost) κατά τη συνεχή αγωγή Τεχνική Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (Pulse Width Modulation- PWM) Ένας τρόπος ελέγχου του μετατροπέα είναι με την τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM), που περιλαμβάνει την εισαγωγή της τάσης εξόδου του DC/DC μετατροπέα σε ένα βρόχο ελέγχου. Ο βρόχος ελέγχου αντιδρά στην παρούσα τάση εξόδου προσαρμόζοντας το λόγο κατάτμησης των διακοπτικών στοιχείων με τέτοιο τρόπο ώστε ο μετατροπέας να παρέχει την επιθυμητή τάση εξόδου. Ο βρόχος ελέγχου επιτρέπει στο DC/DC μετατροπέα να παρέχει μια σταθερή και ελέγξιμη DC τάση εξόδου ανεξάρτητα από διακυμάνσεις στην τάση εισόδου ή στο φορτίο. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται 99

100 αρνητική ανάδραση και είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές όπου η έξοδος των φωτοβολταϊκών πλαισίων αλλάζει ανάλογα με τη σκίαση και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το σχήμα (4.7) δείχνει μια τυπική τεχνική ελέγχου ενός DC/DC μετατροπέα. Σχήμα 4.7. Η τεχνική PWM εφαρμοσμένη σε μετατροπέα ανύψωσης τάσης Λαμβάνοντας υπόψη ότι η V REF είναι η μόνη ελέγξιμη τάση στο βρόχο ελέγχου, η επιθυμητή τάση εξόδου του DC/DC μετατροπέα μεταβάλλεται και μπορεί να οριστεί από τη V REF. Ο αριστερός τελεστικός ενισχυτής που φαίνεται στο σχήμα λειτουργεί σαν διαφορικός ενισχυτής με μεγάλο κέρδος τάσης. Αυτός ο τελεστικός ενισχυτής θα ενισχύσει την διαφορά των τάσεων (V REF ~ V OUT ), την οποία θα ονομάσουμε τάση σφάλματος (V ERROR ). Ο δεύτερος τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί σαν συγκριτής όπου η V ERROR συγκρίνεται με μια σταθερού πλάτους και συχνότητας κυματομορφή που ονομάζεται V RAMP, συνήθως μια πριονωτή κυματομορφή, που παράγεται από έναν ταλαντωτή. Η σύγκριση αυτή θα δώσει στο PWM σήμα V SWITCH ) που θα οδηγήσει τη βάση του ημιαγωγικού στοιχείου με ένα ρεύμα ελέγχου. Ο λόγος κατάτμησης του PWM σήματος θα εξαρτάται από την V REF και θα έχει την ίδια συχνότητα με την πριονωτή κυματομορφή. Οι κυματομορφές στο κάτω μέρος του παραπάνω σχήματος δίνουν μια οπτική επεξήγηση.[31] 100

101 4.2. Μετατροπείς ΕΤ/ΣΤ(DC/AC) ή Inverters Αντιστροφείς στο φωτοβολταϊκό σύστημα Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και οι μπαταρίες παρέχουν DC τάση και ότι οι πιο πολλές ηλεκτρονικές συσκευές απαιτούν AC τάση, χρειάζεται να μετατραπεί η DC τάση σε AC με την διαμεσολάβηση των αντιστροφέων. Μόλις η DC τάση μετατραπεί σε κυματομορφή με συχνότητα 50Hz και κατάλληλο πλάτος, τότε αυτή η AC τάση μπορεί να συνδεθεί με το δίκτυο. Η ύπαρξη των αντιστροφέων καθιστά δυνατή την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για την τροφοδότηση σχεδόν όλων των ηλεκτρονικών συσκευών που απαιτούν ac τάση. Το παρακάτω σχήμα (4.8) δείχνει πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αντιστροφέας. Σχήμα 4.8. Απλή διάταξη Φ/Β συστήματος με χρήση DC/AC αντιστροφέα Οι συνηθέστεροι τύποι φωτοβολταϊκών αντιστροφέων είναι οι λεγόμενοι αλυσίδας (string inverters), οι κεντρικοποιημένοι (centralized inverters) και οι υπομονάδων (modular inverters). Η επιλογή του μετατροπέα εξαρτάται από την εφαρμογή και από την ισχύ, ενώ οι τοπολογίες διαφοροποιούνται και διακρίνονται σε δυο κατηγορίες με ή χωρίς μετασχηματιστή. Οι κεντρικοποιημένοι μετατροπείς είναι τριφασικοί και συνήθως χρησιμοποιούν τοπολογίες πλήρους γέφυρας (με χρήση IGBT) και μπορούν να φτάσουν σε υψηλά επίπεδα ισχύος, αλλά έχουν το μειονέκτημα ότι έχουν αρκετές απώλειες από την αστοχία των πλαισίων που απαρτίζουν τη κάθε αλυσίδα στη φωτοβολταϊκή μονάδα (πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά αλυσίδα και παράλληλα) (άλλη τάση και ρεύμα). 101

102 Οι μετατροπείς αλυσίδας αντίθετα έχουν το πλεονέκτημα ότι καθιστούν τις αλυσίδες ανεξάρτητες μεταξύ τους και επιτυγχάνεται ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας για την κάθε μια ξεχωριστά. Η συνήθης τοπολογία είναι και για αυτούς η πλήρους γέφυρας, μόνο που συναντούνται ως μονοφασικοί αντιστροφείς. Μια άλλη εκδοχή αυτών των μετατροπέων είναι των πολλαπλών αλυσίδων (multistring inverters). Οι μετατροπείς αυτοί έχουν πολλές εισόδους αλλά για κάθε είσοδο κάνουν και ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας. Μειονέκτημα αυτού του τύπου είναι ότι χρειάζεται δυο βαθμίδες μετατροπής στην ισχύ, μειώνοντας έτσι την απόδοσή τους, αφού για την ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας χρησιμοποιούν μετατροπείς DC/DC. Ανάλογα με το εύρος τάσεων εισόδου μπορεί ο μετατροπέας αυτός να είναι τύπου Buck (η τάση εξόδου μικρότερη από την τάση εισόδου) ή τύπου Boost (όταν η τάση εισόδου είναι μικρότερη από αυτή του δικτύου). Τέλος οι modular μετατροπείς είναι εκείνοι που είναι συνδεδεμένοι με ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο (AC - PV modules - Φωτοβολταϊκά πλαίσια εναλλασσόμενου ρεύματος), κάνοντας ανίχνευση του μέγιστου σημείου ισχύος ανά πλαίσιο (Maximum Power Point Trackers-MPPT). Το μέγεθος ισχύος είναι μικρό και κατ' επέκταση και το μέγεθος του μετατροπέα. Οι μετατροπείς αυτοί χρησιμοποιούνται λιγότερο εξαιτίας του αυξημένου κόστους, της χαμηλής απόδοσης καθώς και γιατί δεν υπάρχει ισότητα ανάμεσα στον χρόνο ζωής των μετατροπέων και των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται όταν η πηγή εισόδου είναι μια συνεχής πηγή τάσης αναφέρονται ως αντιστροφείς πηγής τάσης (voltage source inverters, VSI) και υπάρχουν διαφορετικές τοπολογίες ανάλογα με το αν χρησιμοποιείται μετασχηματιστής και αν η έξοδος τους είναι μονοφασική ή τριφασική. Στο σχήμα (4.9) παρατίθενται διάφοροι τύποι γεφυρών που χρησιμοποιούνται για μονοφασικούς και τριφασικούς μετατροπείς και αποτελούν την βάση για όλες τις τοπολογίες. 102

103 Σχήμα 4.9. (Επάνω) Τριφασική Πλήρης γέφυρα (3phase full bridge) (Κάτω αριστερά) Μονοφασική Ημιγέφυρα (Half-Bridge) (Κάτω δεξιά) Μονοφασική Πλήρης Γέφυρα (Full Bridge/ H-Bridge) Αντιστροφέας με DC/DC boost μετατροπέα Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, ο μετατροπέας τύπου boost ανυψώνει την τάση που δέχεται στην είσοδό του. Όσο ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και η έξοδος απομονώνεται. Όλη η ενέργεια παρέχεται στο πηνίο. Όταν ο διακόπτης ανοίξει, η έξοδος του μετατροπέα δέχεται ενέργεια τόσο από το πηνίο, όσο και από την είσοδο φορτίζοντας τον πυκνωτή. Έτσι στην έξοδό του μετατροπέα εμφανίζεται ανυψωμένη η σταθερή τάση. Η τοπολογία αυτή πλεονεκτεί διότι σε αυτό το σημείο μπορούν εύκολα να συνδεθούν οι συσσωρευτές για ένα αυτόνομο σύστημα. Αν όμως πρόκειται για διασυνδεδεμένο σύστημα η τάση αυτή μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του δικτύου, από τον αντιστροφέα τύπου γέφυρας που ακολουθεί. Χρησιμοποιούνται διακόπτες φυσικής μετάβασης, στη συχνότητα του δικτύου. Μπορεί για την ίδια τοπολογία, ο έλεγχος στο πρώτο στάδιο να είναι τέτοιος ώστε πριν το αντιστροφέα να εμφανίζεται ανορθωμένο ημίτονο κι έτσι ο αντιστροφέας να αναλαμβάνει μόνο το «ξεδίπλωμα» του σε εναλλασσόμενη μορφή. Αυτή η προσέγγιση συνεισφέρει σε βελτίωση της απόδοσης, μειωμένες διακοπτικές απώλειες και αποφυγή της χρήσης μεγάλου πυκνωτή για το ενδιάμεσο στάδιο. Στην έξοδο του αντιστροφέα υπάρχει 103

104 ένα φίλτρο για να περιορίζει τις αιχμές ρεύματος και τάσεως εξόδου υψηλών συχνοτήτων. Ένα απλοποιημένο παράδειγμα τέτοιου μετατροπέα παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα Αντιστροφέας με μετατροπέα τύπου boost στο Φ/Β Πρακτική εφαρμογή αυτής της τοπολογίας βρίσκουμε στον μονοφασικό αντιστροφέα Sunny Boy 5000TL της εταιρείας SMA, ο οποίος διαθέτει τρεις επιμέρους DC-DC boost μετατροπείς για σύνδεση με τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες, ακολουθούμενους από έναν κοινό DC-AC μετατροπέας τύπου μισής γέφυρας. Η τάση στην έξοδο του κάθε string ανυψώνεται με τη χρήση του boost μετατροπέα και οδηγείται στον κοινό DC κόμβο. Έπειτα, ο αντιστροφέας μισής γέφυρας και όχι πλήρους, αναλαμβάνει την μετατροπή των συνεχών μεγεθών σε εναλλασσόμενα. Για κάθε μετατροπέα η είσοδος κυμαίνεται από V και ισχύ έως 2200W, ενώ η μέγιστη AC ισχύ εξόδου είναι 5000W. Το παρακάτω σχήμα (4.11) παρουσιάζει τον συγκεκριμένο inverter. Σχήμα Τοπολογία του Sunny Boy 5000TL της SMA με τρεις επιμέρους DC-DC boost μετατροπείς. 104

105 Η ύπαρξη τριών τέτοιων μετατροπέων, οι οποίοι αναλαμβάνουν την ανίχνευση του ΜΡΡ, οδηγεί στην μέγιστη απομάστευση ισχύος και είναι πολύ εξυπηρετική ιδιαίτερα σε οικιακές εφαρμογές μικρής ισχύος, όπου παρουσιάζονται συχνά προβλήματα σκιάσεων. Στον αντιστροφέα μισής γέφυρας γίνεται ο έλεγχος του εναλλασσόμενου ρεύματος και θεωρείται η πιο κατάλληλη τοπολογία για χρήση σε αντιστροφείς χωρίς μετασχηματιστή, εξαιτίας της απλής κατασκευής, του μικρού αριθμού στοιχείων που απαιτούνται και του μικρού κόστους. Ακόμα, δεν υπάρχει απαίτηση για μεγάλα και δαπανηρά φίλτρα για τον περιορισμό της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας μιας και αυτή η γέφυρα προσφέρει χαμηλή διαρροή ρεύματος από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προς τη γη. Ο συντελεστής απόδοσης του παραπάνω αντιστροφέα αγγίζει το 96%. Όλα αυτά συντελούν στο ότι αυτή η τοπολογία αποτελεί την καλύτερη λύση για εφαρμογές μεσαίας ισχύος χωρίς την ανάγκη γαλβανικής απομόνωσης, με βάση κριτήρια κόστους, απόδοσης, μεγέθους και βάρους Αντιστροφείς στην Ανεμογεννήτρια Στις ανεμογεννήτριες τώρα οι τοπολογίες διαφοροποιούνται ανάλογα με το είδος τις ανεμογεννήτριας, που χρησιμοποιείται στο σύστημα. Οι γεννήτριες που χρησιμοποιούνται όπως αναφέραμε στο Κεφάλαιο 3 είναι είτε μόνιμου μαγνήτη, είτε επαγωγικές, είτε επαγωγικές διπλού τυλίγματος είτε τέλος σύγχρονες γεννήτριες Οι γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν χρειάζονται ρεύμα εξωτερικής διέγερσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας ανορθωτής γέφυρας συνδεδεμένος στους τερματικούς ακροδέκτες της γεννήτριας Οι τοπολογίες που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής: Γέφυρα με θυρίστορ. Η τοπολογία αυτή έχει το μειονέκτημα ότι απαιτείται ένας ενεργός αντισταθμιστής για την άεργο ζήτηση και για την αρμονική παραμόρφωση. Αντιστροφείς πηγής τάσης, χρησιμοποιώντας την μέθοδο διαμόρφωσης του εύρους παλμών (Pulse Width Modulation-PWM) Η προηγούμενη τοπολογία με ένα επιπλέον ενδιάμεσο στάδιο DC/DC, γεγονός που έχει πολλά πλεονεκτήματα, βασικότερο από τα οποία είναι η διατήρηση της συνεχούς τάσης στην είσοδο του μετατροπέα και έτσι δεν απαιτείται να ελέγχει ο μετατροπέας την τάση εισόδου του. 105

106 Τέλος υπάρχουν οι τοπολογίες που χρησιμοποιούν τις λεγόμενες back-to-back PWM τοπολογίες. Πιο συνηθισμένη είναι η χρήση ενός ανορθωτή έξι στοιχείων και στη συνέχεια ενός αντιστροφέα.η τοπολογία back-to-back έχει ευρεία χρήση, αφού είναι η μόνη που χρησιμοποιείται τόσο στις επαγωγικές γεννήτριες, όσο και για στις σύγχρονες γεννήτριας. Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος ελέγχου. Η τοπολογία αυτή είναι που θα χρησιμοποιηθεί στο μοντέλο που θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο μιας και θα χρησιμοποιήσουμε ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) Μετατροπέας ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ(back-to-back) στην DFIG Η ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια δαχτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας είναι ο κυρίαρχος τύπος στη σημερινή διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών, καταλαμβάνοντας ποσοστό μεγαλύτερο του 70%. Ο μετατροπέας ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ συνδέεται με το δρομέα της γεννήτριας ενώ ο στάτης συνδέεται απευθείας στο δίκτυο. Η πιο απλή διάταξη ενός τέτοιου μετατροπέα παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (4.12). Σχήμα Ανεμογεννήτρια με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και back-to-back μετατροπέα Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται από έναν μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων και έναν αντιστροφέα με θυρίστορ. Ο ανορθωτής με τις διόδους αναλαμβάνει να μετατρέψει την εναλλασσόμενη τάση στην έξοδο της γεννήτριας σε συνεχή. Η ηλεκτρική ροπή της γεννήτριας είναι ανάλογη του ρεύματος του δρομέα και κατά συνέπεια του συνεχούς ρεύματος. Ο αντιστροφέας αναλαμβάνει τη ρύθμιση της ηλεκτρικής ροπής μέσω μεταβολής της γωνίας έναυσης των θυρίστορ έτσι ώστε να μεταβάλλεται η γωνιακή 106

107 ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο. Ο μετατροπέας είναι μικρότερης ισχύος από την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας που χρησιμοποιείται, μιας και η σύνδεσή του στον δρομέα του επιτρέπει να διαχειρίζεται μόνο ένα τμήμα της συνολικής ισχύος εξόδου. Το τμήμα της συνολικής ισχύος που καθορίζεται από το εύρος ολισθήσεων που επιθυμείται να λειτουργεί η μηχανή ενώ ο λόγος της ισχύος του μετατροπέα προς την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας είναι ½. Τέτοιου είδους τοπολογίες προτιμούνται για συστήματα μεγάλης ισχύος, της τάξεως των MW. Τα πλεονεκτήματα από αυτήν την διάταξη προκύπτουν από το γεγονός της χρησιμοποίησης μικρότερου μετατροπέα και αφορούν στο κόστος, στις μειωμένες απώλειες και στη μικρότερη καταπόνηση του δικτύου από αρμονικές. Συνδυάζει επίσης απλότητα και αξιοπιστία. Ταυτόχρονα όμως, ο συντελεστής ισχύος είναι μικρός εξαιτίας της χρησιμοποίησης των θυρίστορ ενώ και οι αρμονικές συνεχίζουν να υφίστανται. Λειτουργεί μόνο για ταχύτητες μεγαλύτερης της σύγχρονης ενώ για μικρές συχνότητες υπάρχουν ταλαντώσεις στη ροπή λόγω των παραμορφωμένων ρευμάτων του δρομέα. Αυτός είναι και ο λόγος που απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός του μηχανικού συστήματος για την αποφυγή πιθανών συντονισμών. Φυσικά, είναι δυνατόν να υπάρξουν παραλλαγές αυτού του συστήματος, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν ελεγχόμενο ανορθωτή με θυρίστορ αντί για διόδους ή ακόμα και διπλό μετατροπέα ελεγχόμενο με την μέθοδο PWM. Η τελευταία υλοποίηση, η οποία θεωρείται και η καλύτερη παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (4.13). Σχήμα Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και δύο μετατροπείς με IGBT. 107

108 Με αυτήν την υλοποίηση αποφεύγονται τα προβλήματα των αρμονικών που συναντώνται στην προηγούμενη διάταξη ενώ διατηρούνται όλα τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους του μετατροπέα. Η ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να λειτουργήσει σε όλο το εύρος των στροφών, από μηδέν μέχρι ονομαστικές, όμως με σωστή διαστασιολόγηση του μετατροπέα, το εύρος κρίνεται αρκετά ικανοποιητικό και σίγουρα αποφεύγεται ο περιορισμός λειτουργίας μόνο σε υπερσύγχρονες ταχύτητες. Δίνεται ακόμα και η δυνατότητα για φρενάρισμα της ανεμογεννήτριας, δηλαδή μηδενικές στροφές, όταν για κάποιο λόγο κινδυνεύει η λειτουργία της. Επίσης, χάρη στη χρησιμοποίηση ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, συνήθως IGBT και σπανιότερα IGCT, επιτυγχάνονται άριστα χαρακτηριστικά ελέγχου της ενεργούς και αέργου ισχύος, επιτρέπεται η ρύθμιση του συντελεστή φορτίου και η αμφίδρομη ροή ενέργειας. Το τελευταίο βοηθάει στην εκκίνηση του συστήματος, όπου η ανεμογεννήτρια μπορεί να λειτουργήσει ως κινητήρας. Ο πυκνωτής ενδιάμεσα των δύο μετατροπέων χρησιμοποιείται όπως πάντα ως συσκευή αποθήκευσης ενέργειας κατά τη διάρκεια αυξημένης παραγωγής ισχύος, η οποία διοχετεύεται προς το δίκτυο σε περιόδους χαμηλής παραγωγής.[29] 4.3. Ελεγκτές φόρτισης-εκφόρτισης συσσωρευτών Γνωρίζουμε ότι η παρατεταμένη φόρτιση πάνω από ένα όριο τάσης οδηγεί σε μείωση της διάρκειας ζωής των συσσωρευτών. Επίσης μετά από μια τιμή της τάσης των συσσωρευτών εκλύονται εύφλεκτα αέρια, παράγωγα των χημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό των συσσωρευτών. Ακόμα, η εκφόρτιση των μπαταριών κάτω από ένα επίπεδο οδηγεί και αυτή στη γρήγορη μείωση του χρόνου ζωής τους. Γι αυτούς τους λόγους προκύπτει η ανάγκη για έλεγχο της κατάστασής τους και του επιπέδου φόρτισης. Αυτή την δουλειά αναλαμβάνουν οι ελεγκτές φόρτισης. Σε γενικές γραμμές, οι ελεγκτές φόρτισης-εκφόρτισης εποπτεύουν τις διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης ώστε να απομονώνουν το σύστημα αποθήκευσης αφενός από το σύστημα παραγωγής κατά την υπερφόρτιση και αφετέρου από τα φορτία κατανάλωσης κατά την υπερεκφόρτιση. Και στις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις η διακοπή προκαλείται όταν η τάση στους πόλους του συσσωρευτή ξεπεράσει ένα όριο, είτε προς τα πάνω, είτε προς τα κάτω. Η διακοπή αυτή γίνεται χάρη στους μικροελεγκτές που περιλαμβάνονται στους ελεγκτές φόρτισης-εκφόρτισης. Αυτοί οι μικροελεγκτές χειρίζονται τους διακόπτες, τα ρελέ και τα ηλεκτρονικά ισχύος που αποτελούν το σύστημα 108

109 του ελεγκτή. Επίσης, στο σύστημα των ελεγκτών παρεμβάλλεται μια δίοδος για την προστασία του συστήματος αποθήκευσης από εκφόρτιση μέσω της διάταξης ή του υπόλοιπου συστήματος. Οι ελεγκτές φόρτισης-εκφόρτισης μπορεί να είναι παράλληλοι αλλά και σειριακοί με το σύστημα παραγωγής της ενέργειας, δηλαδή τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες.[31] Παράλληλοι ρυθμιστές Χαρακτηριστικό των ρυθμιστών αυτών είναι ότι το ελεγχόμενο στοιχείο είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το φωτοβολταϊκό σύστημα (shunt controller). Υπάρχει η δυνατότητα να λειτουργεί είτε με γραμμική μεταβολή ανάλογα με τη μέγιστη φόρτιση, είτεως διακόπτης ON/OFF (σχήμα 4.14α,4.14β). Όταν η φόρτιση φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο (όριο τάσης), το ελεγχόμενο στοιχείο βραχυκυκλώνει το φωτοβολταϊκό σύστημα, αποτρέποντας την πιθανότητα βλάβης σε αυτό. Έτσι επιτυγχάνεται η απομόνωση του συστήματος παραγωγής της ενέργειας από το σύστημα αποθήκευσής της. Παρόμοια είναι και η διάταξη με σκοπό την προστασία του συστήματος από την υπερεκφόρτιση, η οποία απομονώνει το σύστημα αποθήκευσης από τα φορτία όταν η τάση των συσσωρευτών πέσει κάτω από ένα καθορισμένο όριο.(27) Σχήμα Τυπικές διατάξεις ρυθμιστών φόρτισης α) με γραμμική μεταβολή β) με διακοπτικό στοιχείο γ) εν σειρά ρυθμιστής. 109

110 4.3.2.Εν σειρά ρυθμιστές Οι ρυθμιστές εν σειρά βασίζονται στη χρήση δύο διακοπτών όπως φαίνεται στο σχήμα 4.14γ. Ο πρώτος διακόπτει το ρεύμα από το σύστημα παραγωγής προς το σύστημα αποθήκευσης και την ίδια στιγμή ενεργοποιείται ο δεύτερος, ο οποίος εισάγει στο σύστημα ενέργειας ένα στοιχείο απόδοσης (Σ) της περίσσειας ενέργειας που δεν μπορεί να απορροφηθεί από το σύστημα αποθήκευσης. Το στοιχείο αυτό είναι τέτοιο ώστε να μπορεί να αποβάλλει εύκολα στο περιβάλλον την ενέργεια που απορροφά. Ο ρυθμιστής αυτός ονομάζεται ρυθμιστής με το ελεγχόμενο στοιχείο σε σειρά (series controller).[31] 110

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ανάλυση προτεινόμενου μοντέλου 5.1 Σκοπός Βασικός σκοπός της εργασίας αυτής είναι να προτείνει ένα υβριδικό μοντέλο μικροδικτύου το οποίο θα παρέχει τα οφέλη ενός συνδυασμού μικροδικτύου ΕΡ και ΣΡ σε σύγριση με τα υπάρχοντα μικροδίκτυα. Κύριοι στόχοι λοιπόν του κεφαλαίου αυτού είναι η μοντελοποίηση ενός υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ με τις λιγότερες δυνατές μετατροπές - άρα και απώλειες- ισχύος σε σχέση με τα συμβατικά dc και ac-μικροδίκτυα, τέτοιο ώστε να παρέχει σταθερότητα τόσο κατά τη διασυνδεδεμένη όσο και κατά την απομονωμένη λειτουργία. Παράλληλα, στόχος είναι να εφαρμοστούν οι κατάλληλοι αλγόριθμοι ελέγχου και συντονισμού των μετατροπέων ισχύος όπως και να επιτύχουμε ομαλή μεταφορά ισχύος ανάμεσα στου συνδέσμους ΕΡ και ΣΡ κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Τέλος σκόπος της ανάπτυξης του υβριδικού μικροδικτύου αποτελεί η άμεση εφαρμογή διάφορων τύπων κατανεμημένων παραγωγών στο dc-μικροδίκτυο αλλά και των διαθέσιμων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τόσο στο dc όσο και στο ac-μικροδίκτυο 5.2. Περιγραφή προτεινόμενου συστήματος Διαμόρφωση συστήματος Στο σχήμα (5.1) φαίνεται μια εννοιολογική διαμόρφωση του υβριδικού μικροδκτύου ΕΡ/ΣΡ,όπου διάφορες πηγές ένεργειας αλλά και φορτία ΕΡ ή ΣΡ συνδέονται στα αντίστοιχα υποδίκτυα ΕΡ και ΣΡ. Οι σύνδεσμοι ΕΡ και ΣΡ συνδέονται μεταξύ τους μέσω δύο τριφασικών μετατροπέων (ο ένας εφεδρικός), με τον ζυγό ΕΡ να είναι άμεσα συνδεδεμένος με το κεντρικό δίκτυο. 111

112 Σχήμα 5.1. Το εννοιολογικό υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ Στο παρακάτω σχήμα (5.2) παρουσιάζεται το προτεινόμενο υβριδικό μοντέλο μικροδικτύου, το οποίο αποτελείται από τα επιμέρους υποδίκτυα ΕΡ και ΣΡ. Τα υποδίκτυα αυτά αποτελούνται απο τις αντίστοιχες πηγές ενέργειας, τα αντίστοιχα φορτία αλλά και στοιχεία αποθήκευσης και διασυνδέονται μέσω ενός κύριου τριφασικού μετατροπέα ΣΡ/ΕΡ. Ο ζυγός ΕΡ συνδέεται στο κεντρικό δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή και ενός διακόπτη. Σχήμα 5.2. Παρουσίαση του προτεινόμενου μοντέλου υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ 112

113 Στο προτεινόμενο αυτό σύστημα, φωτοβολταϊκή συστοιχία των 40kW συνδέεται στον ζυγό ΣΡ μέσω ενός dc/dc boost μετατροπέα προσομοιώνοντας έτσι τις πηγές ΣΡ. Επιπλέον, μία ανεμογεννήτρια (WTG) της τάξεως των 50kW με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) συνδέεται στον ζυγό ΕΡ, προσομοιώνοντας αντίστοιχα τις πηγές ΕΡ. Μια μπαταρία 65Ah με αμφίδρομο μετατροπέα ΣΤ/ΣΤ(DC/DC) συνδέεται στον ζυγό ΣΡ ώς μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Ακόμη, διάφορα φορτία ΣΡ (20 40 kw) και φορτία ΕΡ (20 40 kw) συνδέονται στους ζυγούς ΣΡ και ΕΡ αντίστοιχα. Οι Φ/Β μονάδες συνδέονται σε σειρά και παράλληλα. Καθώς το επίπεδο της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος αλλάζει, τότε και η ισχύς εξόδου των ηλιακών πάνελ θα αλλάζει. Ένας πυκνωτής καταστολής C pv τοποθετείται στην έξοδο του φωτοβολταϊκού με σκοπό να αποκόψει τις κυματώσεις υψηλών συχνοτήτων της τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκού. Ο αμφίδρομος μετατροπέας DC/DC είναι σχεδιασμένος ώστε να διατηρεί σταθερή την τάση ζυγού ΣΡ ύστερα από φόρτιση ή εκφόρτιση της μπαταρίας όταν το σύστημα βρίσκεται σε αυτόνομη λειτουργία. Οι τρεις μετατροπείς (boost μετατροπέας, κύριος μετατροπέας DC/AC, αμφίδρομος μετατροπέας DC/DC) μοιράζονται έναν κοινό ζυγό ΣΡ. Όσον αφορά την ανεμογεννήτρια, αυτή αποτελείται όπως αναφέραμε απο επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) αλλά και από έναν συνεχόμενο (back-to-back) μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με τεχνολογία διαμόρφωσης παλμών PWM, ο οποίος συνδέεται ανάμεσα στον ρότορα μέσω κινητών δαχτυλίων και τον ζυγό ΕΡ. Η σύζευξη των ζυγών ΕΡ και ΣΡ γίνεται μέσω ενός τριφασικού μετασχηματιστή και ενός τριφασικού αμφίδρομου μετατροπέα ροής ισχύος με φίλτρο R-L-C ώστε να ανταλλάσεται ισχύς μεταξύ της AC και της DC πλευράς. Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιείται για την ανύψωση της AC τάσης του κύριου μετατροπέα στο επίπεδο της τάσης του κεντρικού δικτύου, αλλά και για την απομόνωση των AC και DC υποδικτύων.[33] Τα διάφορα στοιχεία και οι τιμές τους, που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο που προτείνεται παρουσιάζονται στον Πίνακα (5.1). 113

114 Σύμβολο Τιμή C pv 110 μf R Ohm L mh C d 4700 μf L mh R Ohm C 2 60 μf L 3 3 mh R Ohm f 60 Hz f s 10 khz V d 100 V V AC_rms 400 V Πίνακας 5.1. Παράμετροι στοιχείων στο υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ Λειτουργία συστήματος Το υβριδικό μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργήσει με δύο τρόπους όπως έχουμε αναφέρει και στο Κεφάλαιο 2. Κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία με το κεντρικό δίκτυο, ο κύριος μετατροπέας δουλεύει έτσι ώστε να παρέχει σταθερή τάση ζυγού ΣΡ και απαιτούμενη άεργο ισχύ αλλά και βοηθά στην ανταλλαγή ισχύος μεταξύ ζυγών ΕΡ και ΣΡ. Ο boost 114

115 μετατροπέας στο φωτοβολταϊκό και η ανεμογεννήτρια (DFIG) ελέγχονται ώστε να παρέχουν τη μέγιστη δυνατή ισχύ. Όταν ή ισχύς εξόδου από την πηγή ΣΡ δηλαδή το φωτοβολταϊκό είναι μεγαλύτερη από αυτή των φορτίων ΣΡ, ο μετατροπέας δουλεύει σαν αντιστροφέας και διαχέει ισχύ από την dc στην ac πλευρά του δικτύου. Όταν η συνολική παραγωγή ισχύος είναι λιγότερη απο το συνολικό φορτίο στην dc πλευρά, o μετατροπέας μεταφέρει ισχύ από την ac στην dc πλευρά του δικτύου.όταν τώρα η συνολική παραγωγή ισχύος είναι μεγαλύτερη από το συνολικό φορτίο στο υβριδικό μικροδίκτυο, θα διαχέεται η ισχύς στο κεντρικό δίκτυο. Διαφορετικά, το υβριδικό μικροδίκτυο θα λαμβάνει ισχύ από το κεντρικό δίκτυο. Κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία, η μπαταρία και ο μετατροπέας της δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία του συστήματος αφού η ισορροπία της ισχύος ελέγχεται από το κεντρικό δίκτυο. Κατά την αυτόνομη λειτουργία, όμως, η μπαταρία έχει σημαντικό ρόλο τόσο για την ισορροπία της ισχύος όσο και για τη σταθερότητα της τάσης. Η τάση ζυγού ΣΡ διατηρείται σταθερή από τον μετατροπέα της μπαταρίας ή τον boost μετατροπέα ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Ο κεντρικός κύριος μετατροπέας είναι ελεγμένος ώστε να παρέχει μια σταθερή, υψηλής ποιότητας τάση ζυγού ΕΡ. Τόσο η φ/β συστοιχία όσο και η ανεμογεννήτρια μπορούν να λειτουργούν σε μέγιστη ισχύ μέσω του ανιχνευτή σημείου μέγιστης λειτουργίας (MPPT-ON) ή σε λειτουργία εκτός ανίχνευσης (MPPT-OFF) ανάλογα με τα τις απαιτήσεις λειτουργίας του συστήματος. Διάφορες ταχύτητες ανέμου και ηλιακές ακτινοβολίες εφαρμόζονται στην ανεμογεννήτρια και στις φωτοβολταϊκές συστοιχίες αντίστοιχα. Προσομοιώνουμε έτσι διάφορα είδη ισχύος από τις πηγές ΕΡ και ΣΡ και δοκιμάζουμε τον αλγόριθμο ελέγχου MPPT. 5.3 Μοντελοποίηση του φωτοβολταϊκού Το φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να παράγει συνεχές ρεύμα όταν εκτίθεται στην ηλιακή ακτινοβολία, δίχως περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η βασική δομική μονάδα των φωτοβολταϊκών συστοιχιών είναι το ηλιακό κύτταρο, η οποία ουσιαστικά είναι μία επαφή p-n που μετατρέπει άμεσα την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Η χαρακτηριστική εξόδου της φωτοβολταϊκής μονάδας εξαρτάται απο τη θερμοκρασία των κυττάρων, την ηλιακή ακτινοβολία και την τάση εξόδου της μονάδας. Το επόμενο σχήμα (5.3) δείχνει το ισοδύναμο κύκλωμα του ηλιακού κυττάρου με ένα φορτίο. Συνήθως το ισοδύναμο κύκλωμα ενός γενικού φ/β μοντέλου αποτελείται από μία πηγή ρεύματος ή φωτόρευμα 115

116 (I ph ), μία δίοδο, μία παράλληλη αντίσταση (R P ) η οποία εκφράζει το ρεύμα διαρροής και μία αντίσταση εν σειρά (R s ) η οποία αντιτίθεται στη ροή του ρεύματος.[33],[21] Σχήμα 5.3. Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού μοντέλου Η χαρακτηριστική του ηλιακού κυττάρου δίνεται από την εξίσωση: q V I R V I R I pv I ph IS exp 1 ktca R P pv pv S pv pv S (5.1) Το φωτόρευμα εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία λειτουργίας του ηλιακού κυττάρου και την ηλιακή ακτινοβολία, οπότε: I ph ISC KI TC Tref (5.2) 1000 Το ρεύμα κορεσμού του κυττάρου ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία του κυττάρου, όπως φαίνεται και από την παρακάτω εξίσωση: I S qeg T C T ref T C IRS exp T ref ka (5.3) Η παράλληλη αντίσταση R P του κυττάρου είναι αντιστρόφως ανάλογη της διαρροής ρεύματος γείωσης. Συνήθως η απόδοση του φωτοβολταϊκού δεν εξαρτάται τόσο από την 116

117 αντίσταση R P κι έτσι η αντίσταση διαρροής μπορεί να θεωρηθεί ότι πλησιάζει το άπειρο χωρίς ρεύμα διαρροής στην γη. Εναλλακτικά μια μικρή αλλαγή στην εν σειρά αντίσταση R S μπορεί να επηρεάσει της ισχύ εξόδου του φωτοβολταϊκού. Το κατάλληλο φωτοβολταϊκό μοντέλο με την μικρότερη πολυπλοκότητα παρουσιάζεται στο σχήμα (5.3). Η εξίσωση (5.1) μπορεί λοιπόν να τροποποιηθεί σε: q Vpv I pvr S I pv I ph IS exp 1 ktc A (5.4) Σε ένα ιδανικό φωτοβολταϊκό μοντέλο δεν έχουμε εν σειρά απώλειες και διαρροή στην γη δηλ. RS 0 και RP. Οπότε η εξίσωση (5.1) ξαναγράφεται qvpv I pv I ph IS exp 1 ktc A (5.5) Η φωτοβολταϊκή συστοιχία,τώρα, είναι ένα σύνολο διάφορων φ/β μονάδων οι οποίες είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένες σε σειρά και παράλληλα ώστε να παράγουν τις απαιτούμενες τιμές ρεύματος και τάσης. Έτσι η εξίσωση τάσης-ρεύματος της φ/β συστοιχίας με n p παράλληλες και n s εν σειρά μονάδες δίνεται από την εξίσωση: Vpv I RS nv p pv q I ns n p ns I pv npi ph npis exp 1 ktca RP RS (5.6) Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως ο ρόλος της εν σειρά αντίστασης του φωτοβολταϊκού μοντέλου είναι πολύ σημαντικός και η αντίσταση διαρροής μπορεί να θεωρηθεί άπειρη. Η μαθηματική εξίσωση του μοντέλου μπορεί να περιγραφεί με πιο απλό τρόπο: 117

118 qvpv I pv npi ph npis exp 1 nsktca (5.7) Η τάση ανοιχτοκυκλώματος V OC και το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC είναι οι δύο πιο σημαντικοί παράμετροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την ηλεκτρική απόδοση του κυττάρου. Οι προαναφερθείσες εξισώσεις είναι μη-γραμμικές, επομένως, δεν είναι εύκολο να καταλήξουμε σε μία αναλυτική λύση για διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας και ηλιακής ακτινοβολίας. Φυσιολογικά, IPH I S, άρα παραμελώντας την μικρή δίοδο και τα ρεύματα διαρροής γείωσης υπό μηδενική τάση ακροδέκτη, τότε το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι σχεδόν ίσο με το φωτόρευμα, δηλ. I PH = I SC. Η παράμετρος της τάσης ανοιχτοκυκλώματος λαμβάνεται θεωρώντας μηδενικό ρεύμα εξόδου. Με τη δοσμένη τάση ανοιχτοκυκλώματος σε θερμοκρασία αναφοράς και αγνοώντας το ρεύμα διαρροής γείωσης, η τάση ανάστροφου κορεσμού μπορεί να υπολογιστεί από: I RS ISC qv OC exp 1 nsktca (5.8) Επιπλέον, η μέγιστη ισχύ υπολογίζεται: P V I V I (5.9) max max max OC SC Οι παράμετροι των στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση του φωτοβολταϊκού πάνελ παρουσιάζονται στον Πίνακα (5.2). 118

119 Σύμβολο Περιγραφή Τιμή V OC oνομαστική τάση ανοιχτοκυκλώματος 64.2 V q ηλεκτρικό φορτίο 1.602x10-19 C A ιδανικός παράγοντας 1.50 k σταθερά Boltzman 1.38x10-23 J/K Ιsc ρεύμα βραχυκύκλωσης 5.96 A K I συντελεστής τρέχουσας θερμοκρασίας 1.7x10-3 Tref θερμοκρασία αναφοράς K I RS ρεύμα ανάστροφου κορεσμού 2.08x10-6 A T C θερμοκρασία επιφάνειας πάνελ 350 K λ επίπεδο ηλιακής ακτινοβολίας W/m 2 n p αριθμός παράλληλων συστοιχίων 5 n s αριθμός κυττάρων σε σειρά 66 Ε G ενέργεια διακένου πυριτίου 1.1 ev Πίνακας 5.2. Παράμετροι στοιχείων του φωτοβολταϊκού μοντέλου 119

120 5.4. Μοντελοποίηση της μπαταρίας Η μπαταρία μπορεί να θεωρηθεί ως μια μη-γραμμική πηγή τάσης της οποίας η τάση εξόδου δεν εξαρτάται μόνο από το ρεύμα αλλά και από την κατάσταση φόρτισης της (State Of Charge SOC). Η SOC είναι μία μη-γραμμική συνάρτηση του ρεύματος και του χρόνου. Το σχήμα (5.4) αποτελεί ένα βασικό μοντέλο μπαταρίας.[33] Οι δύο παράμετροι που αναπαριστούν την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας δηλ. Η τερματική τάση V b και η SOC δίνονται από: και Q Vb Vo Rbib K Aexp Bibdt Q i dt b (5.10) b SOC i dt (5.11) Q όπου R b είναι η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, V o είναι η τάση ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας, i b είναι ο ρεύμα φόρτισης της μπαταρίας, K η τάση πόλωσης, Q η χωρητικότητα της μπαταρίας, A η εκθετική τάση και B η εκθετική χωρητικότητα. Σχήμα 5.4. Το δυναμικό μοντέλο της μπαταρίας 120

121 Το γνήσιο μοντέλο μπαταρίας όπως βλέπουμε έχει έναν μη-γραμμικό όρο ίσο με Q K. Αυτός ο όρος αναπαριστά μια μη-γραμμική τάση η οποία αλλάζει με το Q i b dt πλάτος του ρεύματος και την πραγματική φόρτιση της μπαταρίας. Άρα όταν έχουμε πλήρη αποφόρτιση της μπαταρίας και καθόλου ροή ισχύος, η τάση της μπαταρίας θα είναι σχεδόν μηδενική. Μόλις το ρεύμα επανέρχεται, έχουμε απότομη πτώση τάσης. Το μοντέλο αυτό λοιπόν, παράγει ακριβή αποτελέσματα και παρουσιάζει την συμπεριφορά της μπαταρίας σε διάφορες συνθήκες Μοντελοποίηση της DFIG Δυναμικό μοντέλο σε σύγχρονα περιστρεφόμενο πλαίσιο Στα παρακάτω σχήματα (5.5),(5.6) παρουσιάζεται το ισοδύναμο κυκλωματικό διάγραμμα μιας επαγωγικής μηχανής. Η μηχανή αυτή στα παρακάτω διαγράμματα θεωρείται δύο φάσεων. Σχήμα 5.5. Δυναμικό d-q ισοδύναμο κύκλωμα της DFIG (q-άξονας) 121

122 Σχήμα 5.6. Δυναμικό d-q ισοδύναμο κύκλωμα (d-άξονας) Οι εξισώσεις για τον στάτη μπορούν να γραφούν ως εξής: v v d R i dt (5.12) s s s qs s qs qs d R i dt (5.13) s s s ds s ds ds Στο d-q πλαίσιο οι εξισώσεις (5.12) και (5.13) μπορούν να γραφούν ως: v v d R i dt (5.14) qs s qs qs e ds d R i dt (5.15) ds s ds ds e qs Όπου όλες οι μεταβλητές βρίσκονται σε σύγχρονα περιστρεφόμενο πλαίσιο.οι όροι μέσα στις παρενθέσεις προσδιορίζουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται από την περιστροφή των αξόνων της μηχανής. Όταν η γωνιακή ταχύτητα ω e είναι μηδέν, η ταχύτητα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εξαιτίας των αξόνων d και q μηδενίζεται και οι εξισώσεις αλλάζουν σε στατική μορφή. Αν ο ρότορας είναι αποκλεισμένος ή δεν κινείται, δηλ. ω r = 0, τότε οι εξισώσεις της μηχανής γράφονται ως εξής[34]: v v d R i dt (5.16) qr r qr qr e dr d R i dt (5.17) dr r dr dr e qr 122

123 Αφήνοντας τον ρότορα να περιστραφεί με γωνιακή ταχύτητα ω r, τότε οι d-q άξονες που είναι σταθεροποιημένοι στον ρότορα θα κινούνται πλασματικά με μια σχετική ταχύτητα (ω e -ω r ) στο σύγχρονα περιστρεφόμενο πλαίσιο. Αντικαθιστώντας την γωνιακή ταχύτητα ω e με την σχετική (ω e -ω r ) στις εξισώσεις του ρότορα πλαισίου τότε: v v d R i ( e r ) r dt (5.18) qr r qr qr d d R i ( ) dt (5.19) dr r dr dr e r qr Οι εκφράσεις της ροής ρεύματος μπορούν να εξαχθούν από τις παραπάνω εξισώσεις ως ακολούθως: qs 1s qs m qs qr m qs m qr L i L i i L i L i (5.20) ds 1s ds m ds dr m ds m dr L i L i i L i L i (5.21) qr 1r qr m qs qr r qr m qs L i L i i L i L i (5.22) dr 1r dr m ds dr r dr m ds L i L i i L i L i (5.23) qm m qs qr L i i (5.24) dm m ds dr L i i (5.25) Οι εξισώσεις (5.12) έως (5.25) περιγράφουν το ηλεκτρικό μοντέλο της DFIG. Ακολούθως η εξίσωση (5.26) εκφράζει την σχέση των μηχανικών παραμέτρων της μηχανής, οι οποίες αποτελούν σημαντικό τους κομμάτι. Η ηλεκτρική ταχύτητα ω r δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί ως σταθερά στις παραπάνω εξισώσεις. Μπορεί να συνδεθεί με την ηλεκτρική ροπή όπως φαίνεται παρακάτω dm 2 dr 2 Te TL J Bm TL J Br (5.26) dt P dt P 123

124 5.5.2.Δυναμικό μοντέλο στον χώρο κατάστασης Το δυναμικό μοντέλο στον χώρο κατάστασης είναι απραίτητο για την προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιώντας διάφορα εργαλεία, όπως το Matlab. Η βασική μορφή χώρου κατάστασης μας βοηθά να αναλύσουμε το σύστημά μας όταν βρίσκεται σε παροδική κατάσταση. Στο σύστημα DFIG οι μεταβλητές κατάστασης είναι ρεύματα,ροές κλπ. Στην ακόλουθη ενότητα οι εξισώσεις χώρου κατάστασης για την DFIG σε σύγρχονα περιστρεφόμενο πλαίσιο έχουν προκύψει με τις ροές ως μεταβλητές κατάστασης. Δεδομένου ότι οι παράμετροι της μηχανής και του συστήματος δίνονται σχεδόν πάντα σε Ohms ή ποσοστιαία ή ανά μονάδα (p.u.) βάσης αντίστασης, είναι απαραίτητο να εκφράσουμε τις εξισώσεις τάσης και ροής με όρους επαγωγικής ηλεκτρικής αντίστασης ψ. Οι εξίσωσεις κατάστασης εκφράζονται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση κατάστασης: Rs e 0 0 Rs X 0 X 1s Rs 0 qm R r e r qr v qr qr 0 0 X 1s R r dm 0 X1 r b qs v dr X1r Rr dr e r R r X1 r b X 1r 1s b qs qs e Rs vqs 0 0 ds b X 1s ds vds (5.27) Η ηλεκτρομαγνητική ροπή δημιουργείται από την αλληλεπίδραση της ροής διάκενουαέρα και της ηλεκτρεργετικής δύναμης που αναπτύσσεται στον δρομέα. Σε σύγχρονη ταχύτητα, ο δρομέας δεν μπορεί ναν κινηθεί και ως εκ τούτου δεν υπάρχει επαγόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αλλά και ρεύμα, άρα υπάρχει και μηδενική ροπή. Σε οποιαδήποτε άλλη ταχύτητα πλην της σύγχρονης η μηχανή θα υφίσταται ροπή είτε μηχανική είτε ηλεκτρική.[34] Η ροπή μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση ροής και ρευμάτων 3 P 1 T i i 22 = driqr qridr e ds qs qs ds b 3 P 1 22 b (5.28) 124

125 Οι εξισώσεις (5.27) και (5.28) περιγράφουν το δυναμικό μοντέλο της DFIG στον χώρο κατάστασης με μεταβλητές κατάστασεις τις ψ qs, ψ ds, ψ qr, ψ dr. Οι παράμετροι των στοιχείων του μοντέλου της επαγωγικής γεννήτριας (DFIG) παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα (5.3).[33] Σύμβολο Περιγραφή Τιμή P nom ονομαστική ισχύς 50 kw V nom ονομαστική τάση 400 V R s αντίσταση στάτη pu L s επαγωγή στάτη pu R r αντίσταση ρότορα pu L r επαγωγή ρότορα pu L m αμοιβαία επαγωγή 2.9 pu J σταθερά αδράνειας ρότορα 3.1 s n p αριθμός πόλων 6 V dc_nom ονομαστική dc τάση του back-to-back μετατροπέα 800 V P m ονομαστική μηχανική ισχύς 45 kw Πίνακας 5.3. Παράμετροι στοιχείων μοντέλου DFIG 125

126 5.6. Έλεγχος μετατροπέων στην διασυνδεδεμένη λειτουργία Όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενη ενότητα, υπάρχουν πέντε τύποι μετατροπέων στο υβριδικό μοντέλο που προτείνεται. Αυτοί οι μετατροπείς πρέπει συντονισμένα να ελέγχονται με το κεντρικό δίκτυο ώστε να παρέχεται αδιάλειπτη, υψηλής αποδοτικότητας, και υψηλής ποιότητας ισχύς στα διάφορα ac και dc φορτία κάτω από διάφορες ακτινοβολίες και ταχύτητες ανέμου. Οι αλγόριθμοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται, παρουσιάζονται στις παρακάτω ενότητες Αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης (P&O) Στον αλγόριθμο αυτό μια μικρή διαταραχή εισάγεται στο σύστημα. Η ισχύς της φ/β μονάδας αλλάζει λόγω αυτής της διαταραχής. Εάν η ισχύς αυξάνεται λόγω της διατάραξης τότε η διατάραξη συνεχίζεται σε αυτή την κατεύθυνση. Όταν η ισχύς φθάνει το σημείο αιχμής, η επόμενη στιγμιαία ισχύς μειώνεται και έτσι η διατάραξη αντιστρέφει. Κατά τη διάρκεια της σταθερής κατάστασης ο αλγόριθμος ταλαντεύεται γύρω από το σημείο αιχμής. Το μέγεθος της διαταραχής διατηρείται αρκετά μικρό. Εξετάζεται ότι υπάρχει κάποια απώλεια ισχύος λόγω αυτής της διαταραχής και επίσης είναι αδύνατη η παρακολούθηση της ισχύος κάτω από ταχείς εναλλαγές ατμοσφαιρικών συνθηκών. Ο αλγόριθμος αυτός παραταύτα είναι πολύ δημοφιλής και απλός γι αυτό και χρησιμοποιείται στην παρούσα μελέτη. Σχήμα 5.7. Γραφική παράσταση P-V του αλογρίθμου P&O 126

127 Το σχήμα (5.8) παρουσιάζει το διάγραμμα ροής του αλγορίθμου. Ο αλγόριθμος παρατηρεί την ισχύ εξόδου της φ/β συστοιχίας και διαταράζει την ισχύ αυτή ανάλογα με την αύξηση της τάσης της συστοιχίας. Ο αλγόριθμος συνεχώς αυξάνει ή μειώνει την τάση αναφοράς σε σχέση με την τιμή του προηγούμενου δείγματος. Σχήμα 5.8. Διάγραμμα ροής αλγορίθμου διατάραξης και παρατήρησης (P&O) Εδώ μια τάση αναφοράς V ref έχει οριστεί η οποία αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος της φ/β μονάδας. Η τιμές του ρεύματος και της τάσης λαμβάνονται από το ηλιακό πάνελ, ενώ από την μετρημένη τάση και το ρεύμα μπορούμε να υπολογίζουμε την ισχύ ως το γινόμενό τους. Η τιμή της τάσης και της ισχύς την k η φορά, αποθηκεύονται. Ύστερα οι τιμές στην (k+1) η στιγμή μετρούνται ξανά και η ισχύς υπολογίζεται από τις μετρημένες τιμές της τάσης. Η ισχύς και η τάση την (k+1) η φορά αφαιρούνται από τις τιμές την k η φορά. Αν παρατηρήσουμε την καμπύλη ισχύος-τάσης (P-V) του φ/β μοντέλου θα δούμε ότι η καμπύλη στην δεξιά πλευρά όπου η τάση είναι σχεδόν σταθερή, η κλίση ισχύς-τάσης 127

128 dp είναι αρνητική 0 ενώ για μικρές τιμές της τάσης,αριστερή πλευρά της καμπύλης, dv dp η κλίση είναι θετική 0. Ανάλογα με το σημείο που βρισκόμαστε dp[p(k+1)-p(k)] dv και dv[v(k+1)-v(k)] ύστερα από την αφαίρεση, ο αλγόριθμος αποφασίζει αν θα αυξήσει ή θα μειώσει την τάση αναφοράς. Η μέθοδος διατάραξης και παρατήρησης θεωρείται ότι εχεί αργή δυναμική απόκριση και παρουσιάζει σφάλματα στην σταθερή κατάσταση. Στην πραγματικότητα, η δυναμική απόκριση είναι χαμηλή όταν έχουμε μια μικρή αύξηση τιμής και χαμηλό ρυθμό δειγματοληψίας. Για να μειώσουμε τα σφάλματα σταθερής κατάστασης, πρέπει να γίνουν μικρές αυξήσεις αφού ο αλγόριθμος P&O πάντα κάνει το σημείο λειτουργίας να ταλαντώνεται γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος, αλλά ποτέ στο σημείο αυτό ακριβώς. Όταν η αύξηση είναι χαμηλότερη, το σύστημα θα βρίσκεται πιο κοντά στο μέγιστο σημείο ισχύος της συστοιχίας. Σε περίπτωση μεγαλύτερης αύξησης, ο αλγόριθμος θα λειτουργεί γρηγορότερα, αλλά το σφάλμα σταθερής κατάστασης θα αυξηθεί.οι μικρές αυξήσεις τείνουν να κάνουν τον αλγόριθμο πιο σταθερό και ακριβή όταν οι συνθήκες λειτουργίας της φ/β συστοιχίας αλλάζουν. Σε περίπτωση μεγάλων αυξήσεων ο αλγόριθμος χάνει την αξιοπιστία του αφού η απόκριση του μετατροπέα μεγάλες διαφορές στην τάση και το ρεύμα θα προκαλέσει ταλαντώσεις,υπερβάσεις και ο χρόνος αποκατάστασης του ίδιου του μετατροπέα θα προκαλέσει σύγχιση στον αλγόριθμο.[35] Έλεγχος boost μετατροπέα Ο κύριος στόχος του μετατροπέα boost είναι να ανιχνεύσει το σημείο μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού ρυθμίζοντας την τερματική τάση του ηλιακού πάνελ χρησιμοποιώντας την χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-τάσης. Για τον boost μετατροπέα οι εξισώσεις εισόδου και εξόδου μπορούν να γραφούν ως εξής: di1 Vpv VT L1 R1i 1 (5.29) dt I i C dv pv pv 1 pv (5.30) (1 ) T d 1 dt V V d (5.31) 128

129 Σχήμα 5.9. Σχηματικό διάγραμμα ελέγχου dc/dc boost μετατροπέα Με την εφαρμογή του αγλορίθμου διατάραξης και παρατήρησης υπολογίζεται η τάση αναφοράς * V pv η οποία εξαρτάται κυρίως απο την ηλιακή ακτινοβολία και την θερμοκρασία της φ/β συστοιχίας. Εδώ σε αυτόν τον μετατροπέα προτείνεται ο έλεγχος διπλού βρόχου. Ο στόχος του ελέγχου σε αυτό το σημείο είναι να παρέχεται υψηλής ποιότητας dc τάση με καλή δυναμική απόκριση. O εξωτερικό βρόχος τάσης βοηθά στην ανίχνευση της τάσης αναφοράς με μηδενικό σφάλμα σταθερής κατάστασης και ο εσωτερικός βρόχος ρεύματος βοηθά στην βελτίωση της δυναμικής απόκρισης Έλεγχος κεντρικού μετατροπέα Όπως έχει αναφερθεί, ο ρόλος του κεντρικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ στο υβριδικό μικροδίκτυο είναι η ομαλή ανταλλαγή ισχύος μεταξύ των ζυγών ΣΡ και ΕΡ. Ο κύριος στόχος του κεντρικού μετατροπέα είναι να διατηρεί μια σταθερή dc τάση κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία. Κατά την λειτουργία διασύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο, ο μετατροπέας πρέπει να παρέχει μια δοσμένη ενεργό και άεργο ισχύ. Σε αυτό το προτεινόμενο μοντέλο, θα χρησιμοποιήσουμε τον έλεγχο PQ για τον κύριο μετατροπέα. Ο έλεγχος PQ επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια ελεγχόμενου ρεύματος πηγή τάσης. Δύο PI ελεγκτές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο πραγματικής και άεργου ισχύος. Όταν οι συνθήκες αποθεμάτων ή οι χωρητικότητες των φορτίων αλλάζουν, η τάση ζυγού ΣΡ ορίζεται ώς σταθερή μέσω PI ρύθμισης. Ο ελεγκτής PI ορίζεται από το στιγμιαίο ενεργό 129

130 ρεύμα αναφοράς i dm και το στιγμιαίο άεργο ρεύμα αναφοράς i qm προσδιορίζεται από την εντολή αντιστάθμισης άεργου ισχύος. Το μοντέλο του μετατροπέα μπορεί να αναπαρασταθεί σε σύστημα ABC συντεταγμένων ως εξής: ia ia VSA VCA d L2 ib R2 ib VSB VCB dt i i V V C C SC CC (5.32) Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφεί και σε σύστημα d-q συντεταγμένων ως: L 2 d idm R i 2 L2 dm Vsd Vcd dt i L R i V V qm 2 2 qm sq cq (5.33) Όπου (i A, i B, i C ) και (V CA, V CB, V CC ) είναι τα τριφασικά ρεύματα και τάσεις του κεντρικού μετατροπέα. Η τριφασική τάση του ζυγού ΕΡ αναπαρίσταται από τους συμβολισμούς (V SA, V SB, V SC ). Οι μεταβλητές (i dm, i qm ),(v cd, v cq ),(v sd, v sq ) είναι d-q συντεταγμένες των τριφασικών τάσεων και ρευμάτων του κύριου μετατροπέα και της τάσης ζυγού ΕΡ αντίστοιχα. Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα ελέγχου του κεντρικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ 130

131 Σε περίπτωση ξαφνικής πτώσης τάσης ΣΡ, υπάρχει πλεόνασμα ισχύος στην πλευρά ΣΡ και ο κεντρικός μετατροπέας ελέγχεται ώστε να μεταφέρει ισχύ απο την πλευρά ΣΡ στην πλευρά ΕΡ. Η ενεργός ισχύς που απορροφάται από τον πυκνωτή C d οδηγεί σε αύξηση της τάσης του συνδέσμου ΣΡ V d. Το αρνητικό σφάλμα που προκαλείται από την αύξηση της τάσης V d παράγει ένα υψηλότερο ρεύμα αναφοράς * i dm μέσω του PI ελέγχου. Μία * υψηλότερη θετική αναφορά i θα αναγκάσει το ενεργό ρεύμα αναφοράς i dm dm να αυξηθεί μέσω του εσωτερικού βρόχου ελέγχου ρεύματος. Επoμένως, το πλεόνασμα ισχύος του δικτύου ΣΡ μπορεί μεταφερθεί στην πλευρά ΕΡ. Επιπλέον, μια ξαφνική αύξηση των φορτίων ΣΡ προκαλεί ανεπάρκεια ισχύος και πτώση της τάσης V d στο δίκτυο ΣΡ. Ο κύριος μετατροπέας τότε ελέγχεται έτσι ώστε να παρέχει ισχύ από την πλεύρα ΕΡ στην πλευρά ΣΡ. Το θετικό σφάλμα που προκαλείται από την πτώση τάσης V d κάνει το μέγεθος του και * i dm να αυξάνεται μέσω του ελέγχου PI. Αν i dm * i dm είναι αρνητικά, το μέγεθος του i dm θα αυξηθεί μέσω του εσωτερικού βρόχου ελέγχου ρεύματος. Έτσι η ισχύς θα μεταφερθεί από το δίκτυο ΕΡ στην πλευρά ΣΡ. Οι εξισώσεις λοιπόν της ροής ισχύος στους ζυγούς ΣΡ και ΕΡ είναι οι ακόλουθες: Ppv Pac PdcL Pb (5.34) Ps Pw PacL Pac (5.35) Όπου P pv και P w είναι οι πραγματικές ισχείς που παράγονται από το φωτοβολταϊκό και την ανεμογεννήτρια αντίστοιχα, P acl και P dcl είναι οι ισχείς των φορτίων που συνδέονται στους ζυγούς ΕΡ και ΣΡ αντιστοίχως, P ac η ανταλλαγή ισχύος μεταξύ των συνδέσμων ΕΡ και ΣΡ, P b η εκροή ισχύος στην μπαταρία και P s η εκροή ισχύος από το υβριδικό μικροδίκτυο στο κεντρικό δίκτυο. 131

132 5.6.4.Έλεγχος μετατροπέα DFIG Στην ενότητα 5.5 εξηγήθηκε το αναλυτικό δυναμικό μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας, όπου χρησιμοποιήθηκαν και οι εξισώσεις στον χώρο κατάστασης για την επαγωγική γεννήτρια. Οι ροές χρησιμοποιούνται ως μεταβλητές κατάστασης στο μοντέλο αυτό. Εδώ χρησιμοποιούμε,όπως έχει αναφερθεί, δύο συνεχόμενους (back-to-back) μετατροπείς στο κύκλωμα του ρότορα, έναν στην πλευρά της μηχανής και έναν στην πλευρά του δικτύου. Ο κύριος σκοπός του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής είναι να ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ ελέγχοντας τις d-q συνιστώσες ρευμάτων στον ρότορα, ενώ ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει τη τάση στον σύνδεσμο ΣΡ μηδενίζοντας την άεργο ισχύ που καταναλώνει το σύστημα απο το κεντρικό δίκτυο. Δύο συνεχόμενοι μετατροπείς συνδέονται στο κύκλωμα του ρότορα όπως φαίνεται στο σχήμα (5.11). Οι παλμοί πυροδότησης στις ηλεκτρονικές συσκευές δίνονται χρησιμοποιώντας τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Οι δύο μετατροπείς συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός πυκνωτή.[26][36] Σχήμα Συνολικό σύστημα ελέγχου DFIG με back-to-back μετατροπείς 132

133 Ο πρώτος μετατροπέας (από δεξιά προς αριστερά) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των παραμέτρων του δικτύου ενώ ο δεύτερος μετατροπέας εξυπηρετεί την γεννήτρια.οι μετατροπείς χρησιμοποιούν έξι στοιχεία IGBTs (τύπος τριφασικής γέφυρας) ως συσκευές ελέγχου. Η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών χρησιμοποιεί τις ελεγχόμενες τάσεις, * v b, * v c. Τα τριγωνικά σήματα συγκρίνονται με ημιτονοειδή σήματα αναφοράς ώστε να εξασφαλίζονται οι παλμοί για τις συσκευές. Οι δείκτες διαμόρφωσης είναι διαφορετικοί για τους δύο μετατροπείς, οι οποίοι καθορίζονται από τις εξισώσεις (5.36), (5.37). * v V s Vdc 3 m1 (5.36) 2 2 V V nm Vr s m s n 2 2 m 3 s dc 2 2 (5.37) Έλεγχος στην πλευρά του δικτύου Όταν οι τάσεις στο δίκτυο αλλάζουν εξαιτίας των διαφορετικών συνθηκών ανισορροπίας, τότε επηρεάζεται και η τάση στον ζυγό ΣΡ. Η σχέση μεταξύ της τάσης στάτη και τάσης ζυγού ΣΡ παρουσιάζονται στις εξισώσεις (5.36) και (5.37). Σχήμα Σχηματικό δίαγραμμα μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου Όταν η μηχανή συνδέεται στο δίκτυο, η τάση δικτύου είναι η ίδια με την τάση στον στάτη, δημιουργείται λοιπόν μια σχέση μεταξύ την τάση δικτύου και την τάση ζυγού ΣΡ. Ο κύριος στόχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι να διατηρεί την τάση 133

134 στον σύνδεσμο ΣΡ σταθερή. H μέθοδος ελέγχου προσανατολισμένης φοράς τάσης προσεγγίζεται για την λύση του προβλήματος. Το πλήρες μαθηματικό μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου δίνεται παρακάτω. Οι στρατηγική ελέγχου θα γίνει σύμφωνα με το μαθηματικό μοντέλο και αυτή φαίνεται στο σχήμα (5.13). Η συνιστώσα συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της τάσης στον σύνδεσμο ΣΡ ενώ η συνιστώσα τετραγωνικού ρεύματος χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της άεργου ισχύος. Η ζήτηση άεργου ισχύος ορίζεται ως μηδενική για να εξασφαλίσουμε συντελεστή ισχύος μονάδα. Το σχήμα (5.12) δείχνει το διάγραμμα του μετατροπέα αυτού στην πλευρά του δικτύου. Η ισορροπία της τάσης κατά μήκος της γραμμής δίνεται από την εξίσωση (5.38), όπου R και L είναι η αντίσταση και επαγωγή γραμμής αντίστοιχα. Με την χρήση της d-q θεωρίας οι τριφασικές ποσότητες μετατρέπονται σε διφασικές ποσότητες.[26] va ia ia va d v R i L i v b b b b dt v c i c i c vc (5.38) Το μαθηματικό μοντέλο στην πλευρά του δικτύου μπορεί να αναπαρασταθεί ως: did vd Rid L eliq vd1 dt (5.39) diq vq Riq L elid vq 1 dt (5.40) Όπου v d1 και v q1 είναι οι διφασικές τάσης που εξήχθησαν από τις χρησιμοποιώντας την d-q θεωρία. Αφού η τάση στον σύνδεσμο ΣΡ πρέπει να παραμένει σταθερή και ο συντελεστής ισχύος του συνολικού συστήματος να ορίζεται ως μονάδα, πρέπει κατά συνέπεια να οριστούν οι τιμές αναφοράς. va, vb, vc Οι d-q συνιστώσες αναφοράς της τάσης δίνονται από τις εξισώσεις: v v i R i L v (5.41) * * * d d d q e d v v i R i L v (5.42) * * * q q q d e q 134

135 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα ελέγχου μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιεί βρόχους ελέγχου ρεύματος για τα i d και i q με την ζήτηση του i d να προέρχεται από το σφάλμα τάσης του συνδέσμου ΣΡ μέσω ενός πρότυπου ελεγκτή PI. Η ζήτηση του i q προσδιορίζει τον συντελεστή μετατόπισης από την πλευρά του δικτύου. Η ζήτηση i q ορίζεται μηδενική για να εγγυηθούμε συντελεστή ισχύος μονάδα.υπάρχουν δύο βρόχοι για τον σχεδιασμό ελέγχου,ο εσωτερικός βρόχος ρεύματος και ο εξωτερικός βρόχος τάσης,που παρέχουν τις απαραίτητες ενέργειες ελέγχου. Η ενεργός και η άεργος ισχύς ελέγχονται ανεξάρτητα χρησιμοποιώντας την στρατηγική ελέγχου διανύσματος.ευθυγραμμίζοντας τον d-άξονα του πλαισίου αναφοράς μαζί με τη θέση τάσης του στάτη που βρίσκεται από την εξίσωση (5.43), v q =0, αφού το πλάτος της τάσης τροφοδοσίας είναι σταθερό η ενεργός και άεργος ισχύς ελέγχονται ανεξάρτητα από τα i d και i q αντίστοιχα, όπως φαίνεται στις παρακάτω εξισώσεις (5.44), (5.45).[26] s vq tane s (5.43) v d 3 Ps vdid vqiq 2 (5.44) 3 Qs vdiq vqid 2 (5.45) 135

136 Έλεγχος μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας Η στρατηγική ελέγχου που χρησιμοποιείται για τον μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας παρουσιάζεται στο σχήμα (5.14). Ο κύριος στόχος του μετατροπέα αυτού είναι να διατηρείσει την ταχύτητα του ρότορα σταθερή ανεξαρτήτως της ταχύτητας του ανέμου και επίσης η στρατηγική αυτή ελέγχου εφαρμόζεται για τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ροής ισχύος στην γεννήτρια χρησιμοποιώντας τις συνιστώσες του ρεύματος στον ρότορα. Η πραγματική ροή ισχύος ελέγχεται μέσω του i dr και η ροή άεργου ισχύος ελέγχεται μέσω του i qr. Για να διασφαλίσουμε συντελεστή ισχύος μονάδα, όπως και στον μετατροπέα στην πλευρα δικτύου, θέτουμε την ζήτηση άεργου ισχύος μηδενική. Το μαθηματικό μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας παρουσιάζεται παρακάτω. Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα ελέγχου μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας Αφού ο στάτης συνδέεται στο κεντρικό δίκτυο και η επιρροή της αντίστασης του στάτη είναι μικρή, τότε το ρεύμα μαγνήτισης i m μπορεί να θεωρηθεί σταθερό. Κάτω από 136

137 προσανατολισμό τάσης η σχέση μεταξύ της ροπής των τάσεων d-q, ρευμάτων και ροών παρουσιάζεται παρακάτω. Οι εξισώσεις των ροών μπορούν να γραφούν ως εξής: 0 (5.46) ds 1 1 L i L i L L i L i L i i i L L i (5.47) qs s qs m qr s m qs m qr s qs qs qr m m m Οι εξισώσεις τάσεων στον ρότορα μπορούν να εκφραστούν ως εξής: v R i d L i L i L i 2 m qr r qr m r qr e r r dr dt Ls d R i L i L i dt = 0 r qr r qr e r r dr Rriqr L d r iqr e r Lridr (5.48) dt = v R i L di L i L i 2 dr m dr r dr r e r m r qr dt Ls (5.49) Επιπλέον, οι τάσεις αναφοράς * V dr και οποίες εξάγονται από τις (5.48) και (5.49). * V qr δίνονται από τις εξισώσεις (5.50) και (5.51) οι * vdr v dr idrrr r iqrlr Lmi qs (5.50) * qr qr qr r r dr r m ds v v i R ( ) i L L i (5.51) Όπου v dr και v qr βρίσκονται από την επεξεργασία των σφαλμάτων ρεύματος μέσω πρότυπων PI ελεγκτών. Το ρεύμα αναφοράς * i dr μπορεί να βρεθεί είτε από την ροπή αναφοράς που δίνεται στην εξίσωση (5.53) είτε από τα σφάλματα ταχύτητας μέσω των πρότυπων ελεγκτών PI. Παρομοίως το * i qr εξάγεται από τα σφάλματα άεργου ισχύος. Η ταχύτητα και η άεργος ισχύς ελέγχονται μέσω των βρόχων ελέγχου ρεύματος. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή δίνεται από: 137

138 3 P 3 P 3 P L m 3 P Lm T i i i i i Ls 2 2 Ls e ds qs qs ds ds qs qs dr qs dr (5.52) Η τιμή του * i dr βρίσκεται από την (5.52) T L * * e s dr qs Lm i (5.53) όπου T P P * mech loss e r και P loss = μηχανικές απώλειες + ηλεκτρικές απώλειες Οι μηχανικές απώλειες περιλαμβάνουν απώλειες τριβής και απώλειες εκτροπής βλήματος ενώ οι ηλεκτρικές απώλειες αφορούν απώλειες χαλκού στον στάτη και τον ρότορα. Η μέγιστη μηχανική ισχύς που μπορεί να εξαχθεί από τον άνεμο είναι ανάλογη της ταχύτητας του ρότορα. 138

139 5.6.5.Έλεγχος μετατροπέα μπαταρίας Όπως έχει αναφερθεί, ο μετατροπέας της μπαταρίας είναι ένας αμφίδρομος μετατροπέας ΣΤ/ΣΤ(DC/DC) και ο κύριος σκοπός της λειτουργίας του είναι να εγγυάται σταθερή συνεχή τάση ζυγού.[36] Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα ελέγχου αμφίδρομου μετατροπέα μπαταρίας Ο μετατροπέας boost διαχέει ρεύμα i 1 d στον σύνδεσμο ΣΡ. Ο αντιστροφέας και το 1 1 φορτίο ΣΡ τραβούν ρεύματα i ac και i dc από τον ζυγό ΣΡ. Ο μετατροπέας λοιπόν της μπαταρίας μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ακολούθως dib VD Vb L3 R3ib (5.54) dt V V d (5.55) D d 3 dvd i1 1 d1 iac idc ibd3 Cd (5.56) dt 139

140 5.7. Έλεγχος μετατροπέων στην αυτόνομη λειτουργία Όταν το υβριδικό μικροδίκτυο εισέρχεται σε αυτόνομη λειτουργία, ο dc/dc boost μετατροπέας και ο back-to-back ac/dc/ac μετατροπέας στην ανεμογεννήτρια με DFIG μπορούν να λειτουργούν εντός σημείου μέγιστης λειτουργίας(mppt-on) ή εκτός σημείου(mppt-off) αναλόγως την ισορροπία ισχύος και τις ενεργειακές ανάγκες. Η συνεχής τάση ζυγού διατηρείται είτε από την μπαταρία είτε από τον μετατροπέα boost ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος. Οι ισχείς ανάλογα με τα διάφορα φορτία και τις συνθήκες παροχής πρέπει να εξισορροπούνται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση: P pv + P w = P acl + P dcl + P loss + P b (5.57) όπου P loss οι συνολικές απώλειες του δικτύου. Διεπίπεδοι συντονισμένοι ελεγκτές χρησιμοποιούνται για να διατηρήσουν την σταθερή λειτουργία του συστήματος. Στο επίπεδο του συστήματος, οι τρόποι λειτουργίας των αυτόνομων μετατροπέων προσδιορίζονται από το σύστημα διαχείρισης ενέργειας(ems) αναλόγως την ισχύ δικτύου P net, τις ενεργειακές ανάγκες αλλά και τον ρυθμό φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας. Το λογικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου στην αυτόνομη λειτουργία παρουσιάζεται στο σχήμα (5.16). Η ισχύς P net ορίζεται ως η συνολική μέγιστη παραγωγή ισχύος μείον το συνολικό φορτίο και τις απώλειες P loss. Τα ενεργειακά όρια της μπαταρίας προσδιορίζονται ανάλογα με τα όρια της κατάστασης φόρτισης (SOC) σύμφωνα με SOC min SOC SOC max. Πρέπει να σημειωθεί ότι η SOC δεν μπορεί να μετρηθεί απευθείας, αλλά μπορεί να περιγραφεί μέσω κάποιων μεθόδων εκτίμησης όπως περιγράφονται παρακάτω. Το όριο του ρυθμού φόρτισης και εκφόρτισης δίνεται από P b P. Σε τοπικό b,max επίπεδο, οι αυτόνομοι μετατροπείς λειτουργούν σύμφωνα με την κατάσταση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας. Είτε το φωτοβολταϊκό σύστημα είτε η ανεμογεννήτρια έιτε και οι δύο ταυτόχρονα πρέπει να δουλεύουν εκτός σημείου μέγιστης ισχύος (MPPToff) για της περιπτώσεις 1 και 2 και εντός σημείου μέγιστης ισχύος(mppt-on) για τις άλλες περιπτώσεις.[37][38] 140

141 Σχήμα Λογικό διάγραμμα ελέγχου υβριδικού μικροδικτύου στην αυτόνομη λειτουργία Το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο μέσου χρόνου του boost, κεντρικού και μετατροπέα μπαταρίας για την αυτόνομη λειτουργία παρουσιάζεται στο σχήμα (5.17). Το τμήμα αντιστροφέα του κυκλωματικού μοντέλου βασίζεται σε βασικές αρχές και περιγραφές.οι εξισώσεις ρεύματος και τάσεων για τον μετατροπέα μπαταρίας και τον συνεχή ζυγό είναι οι ακόλουθες: dib VD Vb L3 R3ib (5.58) dt V V d (5.59) D d 3 dvd i1 1 d1 iac idc ib d3 ic Cd (5.60) dt όπου d 3 και 1 d 1 είναι οι λόγοι κατάτμησης των διακοπτών στοιχείων ST 7 και ST 8 αντίστοιχα. 141

142 Σχήμα Ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο μέσου χρόνου των τριων μετατροπέων Τα ρεύματα στην εναλασσόμενη πλευρά του κεντρικού μετατροπέα δίνονται σε d-q συντεταγμένες σύμφωνα με C 2 d vsd id 0 vsd iod dt v sq i q 0 v sq i oq (5.61) Όπου i od και i oq είναι τα d-q ρεύματα του μετασχηματιστή στην πλευρά του κεντρικού μετατροπέα. Χρήζει αναφοράς και περιγραφής ο έλεγχος τάσης πολλαπλών βρόχων για των αντιστροφέα dc/ac, όπου στόχος του είναι να παρέχεται υψηλής ποιότητας εναλλασσόμενη τάση με καλή δυναμική απόκριση σε διαφορετικά είδη φορτίων. Το σχέδιο αυτό ελέγχου μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για τον έλεγχο του κεντρικού μετατροπέα ώστε να παρέχει υψηλής ποιότητας εναλλασσόμενη τάση σε αυτόνομη λειτουργία με μικρές τροποποιήσεις. Το σχηματικό διάγραμμα συντονισμένου ελέγχου των μετατροπέων για την κανονική(normal case) περίπτωση παρουσιάζεται στο σχήμα (5.18). 142

143 Για να προμηθεύεται σταθερή συνεχή τάση ζυγού, εφαρμόζουμε το σχέδιο ελέγχου διπλού βρόχου (dual loop) στον μετατροπέα της μπαταρίας. Το ρεύμα διάχυσης θα είναι in 1 ac dc i 1 d i i s. Πρέπει να σημειωθεί ότι η έξοδος του εξωτερικού βρόχου τάσης πολλαπλασιάζεται με -1 πριν οριστεί ως αναφορά στον εσωτερικό βρόχο ρεύματος.[37][38] Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα συντονισμένου ελέγχου μετατροπέων για την κανονική(normal) περίπτωση Παράλληλα, το σχέδιο ελέγχου τον μετατροπέων boost και μπαταρίας για την περίπτωση 1 (case 1) φαίνεται στο σχήμα (5.19). 143

144 Σχήμα Διάγραμμα ελέγχου μετατροπέων boost και μπαταρίας για την Περίπτωση 1 144

145 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Προσομοιώσεις και αποτελέσματα 6.1. Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό είναι απαραίτητο να γίνει η προσομοίωση του μοντέλου που προτάθηκε και παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, μέσω του περιβάλλοντος Matlab/Simulink.Οι παράμετροι των στοιχείων του υβριδικού μικροδικτύου παρουσιάζονται στον πίνακα (5.1).Το σύστημα προσομοιώνεται λειτουργώντας παράλληλα με το κεντρικό δίκτυο αλλά και αυτόνομα εξετάζοντας τα αποτελέσματα και για τους δύο τρόπους λειτουργίας του υβριδικού μικροδικτύου. Πριν την προσομοίωση του συνολικού συστήματος είναι αναγκαία η προσομοίωση των μοντέλων των διαθέσιμων μονάδων παραγωγής και αποθήκευσης που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, δηλ. του φωτοβολταϊκού συστήματος, της ανεμογεννήτριας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας(dfig) και της μπαταρίας,αλλά και των διαθέσιμων συστημάτων ελέγχου των μετατροπέων,δηλ. του συστήματος ελέγχου του boost μετατροπέα για την ανεύρεση του MPPT και του συστήματος ελέγχου στον κεντρικό μετατροπέα. Φυσικά λαμβάνονται υπόψη για την μελέτη του συστήματος η ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία των ηλιακών κυττάρων και η ταχύτητα του ανέμου όπως και οι τύποι των φορτίων ΣΡ και ΕΡ. H κατασκευή των μοντέλων και οι γραφικές αναλύσεις γίνονται μέσω της βιβλιοθήκης του Simulink της έκδοσης Matlab R2012b. 145

146 6.2. Προσομοίωση φωτοβολταϊκού μοντέλου Για την κατασκευή του φωτοβολταϊκού μοντέλου χρησιμοποιούμε φωτοβολταϊκές μονάδες τύπου Sunpower SPR-205-WHT. Η φωτοβολταϊκή συστοιχία που κατασκευάστηκε(όπως παρουσιάστηκε και στο Κεφάλαιο 5) αποτελείται από 66 σειρές φωτοβολταϊκών μονάδων συνδεδεμένες παράλληλα, με την κάθε σειρά να αποτελείται από 5 φ/β μονάδες εν σειρά συνδεδεμένες. Οι τέσσερις παράμετροι του φωτοβολταϊκού μοντέλου(φωτόρευμα I PH, ρεύμα κορεσμού διόδου I SAT, παράλληλη αντίσταση R p και αντίσταση εν σειρά R s ) ρυθμίζονται έτσι ώστε να ταιριάζουν στις χαρακτηριστικές της φωτοβολταϊκής μονάδας στις κανονικές συνθήκες λειτουργίας(δηλ. για ακτινοβολία 1kW/m 2 και θερμοκρασία επιφάνειας ηλιακού κελιού 25 ο C) και υποθέτουμε έναν δεδομένο συντελεστή ποιότητας διόδου(q d ) για τον ημιαγωγό. Στο σχήμα (6.1) παρουσιάζεται το μοντέλου του φωτοβολταϊκού μέσω του λογισμικού Matlab/Simulink με τάση ανοιχτοκυκλώματος κατα τις κανονικές συνθήκες V oc =64.2V,ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc = 5.96A και τάσεις και ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος V mp =54.7V, I mp = 5.58A. Σχήμα 6.1. Μοντέλο φωτοβολταϊκού συστήματος στο λογισμικό Matlab/Simulink 146

147 Στα διαγράμματα (6.2) και (6.3) παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές ρεύματος-τάσης (I-V) και ισχύος-τάσης (P-V) για την φωτοβολταϊκή μονάδα και την φωτοβολταϊκή συστοιχία αντίστοιχα για διάφορετικές ηλιακές ακτινοβολίες. Τα διαγράμματα αυτά δείχνουν ότι με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, αυξάνεται τόσο το ρεύμα εξόδου όσο και η μέγιστη ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού κι αυτό διότι η τάση ανοιχτοκυκλώματος και η ηλιακή ακτινοβολία έχουν λογαριθμική σχέση, όμως το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι ευθέως ανάλογο με την ένταση της ακτινοβολίας. Στα διαγράμματα (6.4) και (6.5) παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές I-V και P-V για την φωτοβολταϊκή συστοιχία για διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας επιφάνειας του ηλιακού κελιού. Φαίνεται λοιπόν ότι με αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του κελιού το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού αυξάνεται, ενώ τη μέγιστη ισχύς εξόδου μειώνεται. Αφού η αύξηση στο ρεύμα εξόδου είναι πολύ μικρότερη απ ότι η μείωση της τάσης, τότε η συνολική ισχύς μειώνεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Στα παρακάτω διαγράμματα λοιπόν φαίνεται η μη-γραμμική φύση του φ/β κελιού, δηλ. το ρεύμα εξόδου και η ισχύς εξόδου του φ/β κελιού εξαρτώνται τόσο από την τερματική τάση λειτουργίας όσο και την θερμοκρασία του πάνελ και την ηλιακή ακτινοβολία. Σχήμα 6.2. Χαρακτηριστικές I-V και P-V της φωτοβολταϊκής μονάδας για διάφορες ακτινοβολίες 147

148 Σχήμα 6.3. Χαρακτηριστικές I-V και P-V φωτοβολταϊκής συστοιχίας για διάφορες ακτινοβολίες Σχήμα 6.4. Χαρακτηριστική I-V φωτοβολταϊκής συστοιχίας για διάφορες θερμοκρασίες λειτουργίας 148

149 Σχήμα 6.5. Χαρακτηριστική P-V φωτοβολταϊκής συστοιχίας για διάφορες θερμοκρασίες λειτουργίας 6.3. Προσομοίωση μπαταρίας Το μοντέλο της μπαταρίας που χρησιμοποιούμε είναι τύπου Νικελίου-Υδριδίου μετάλλου (NiMH) χωρητικότητας 65Αh και παρουσιάζεται στο σχήμα (6.6). Έχει ονομαστική τάση 100V με αρχική κατάσταση φόρτισης SOC = 85%. Σχήμα 6.6. Μοντέλο μπαταρίας στο Simulink 149

150 Οι χαρακτηριστικές εκφόρτισης της μπαταρίας για το ρεύμα και την τάση παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα (6.7). Σχήμα 6.7. Χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης ρεύματος και τάσης μπαταρίας 150

151 6.4. Προσομοίωση μοντέλου ανεμογεννήτριας με DFIG Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας με τιμές παραμέτρων όπως παρουσιάστηκαν στον πίνακα (5.3) προσομοιώνεται μέσω του Matlab/Simulink και παρουσιάζεται σαν συνολικό σύστημα στο σχήμα (6.8). Εδώ λάβαμε υπόψη κατάλληλα συστήματα PI ελέγχου για τον back-to-back μετατροπέα(δηλ. για τον μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας και για τον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου) όπως αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο και συγκεντρώνονται στο υποσύστημα με τίτλο «Έλεγχος ανεμογεννήτριας». Σχήμα 6.8. Μοντέλο ανεμογεννήτριας με επαγωγική γεννήτρια και back-to-back AC/DC/AC μετατροπέα στο Simulink 151

152 Οι αποκρίσεις της ταχύτητας του ρότορα της μηχανής, της τριφασικής τάσης μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου και της τριφασικής τάσης στην πλευρά της γεννήτριας έχουν υπολογίστει όπως στα σχήματα (6.9) (6.11). Η ανά φάση ονομαστική τάση στον στάτη ορίζεται στα 300V και στον ρότορα στα 150V.Η ταχύτητα του ανέμου ορίζεται στα 15m/s. Σχήμα 6.9. Ταχύτητα ρότορα επαγωγικής γεννήτριας Σχήμα Τριφασική τάση μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου 152

153 Σχήμα Τριφασική τάση στον ρότορα της γεννήτριας 153

154 6.5. Προσομοίωση υβριδικού συστήματος διασυνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο Σε αυτό το σημείο προσομοιώνεται το ολικό σύστημα (Σχήμα 6.12) που αποτελείται από ένα υβριδικό μικροδίκτυο ΕΡ/ΣΡ(με τιμές παραμέτρων αυτές του πίνακα 5.1- Κεφάλαιο 5)το οποίο λειτουργεί διασυνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο. Αρχικά, κατασκευάζεται το υποδίκτυο ΣΡ με πηγή ισχύος το φωτοβολταϊκό σύστημα που μοντελοποιήθηκε στην ενότητα 6.2,η ισχύς του οποίου καταναλώνεται μέσω ενός boost μετατροπέα από ένα ωμικό dc φορτίο. Η ισχύς αυτή ρυθμίζεται στο σημείο μέγιστης ισχύος μέσω ενός ελεγκτή στον μετατροπέα boost. Παράλληλα συνδέεται και η μπαταρία στον ζυγό ΣΡ. Επιπλέον, κατασκευάζεται το υποδίκτυο ΕΡ, το οποίο αποτελείται από το σύστημα ανεμογεννήτριας με DFIG που προσομοιώθηκε στην ενότητα 6.4 και τον ζυγό ΕΡ να είναι συνδεδεμένος παράλληλα με το κεντρικό δίκτυο, όπως και το ωμικό εναλλασσόμενο φορτίο. Στην διασυνδεδεμένη λειτουργία ο κεντρικός μετατροπέας συνδέει τα δύο υποδίκτυα και συμβάλει στην ομαλή ανταλλαγή ισχύος. Εδώ χρησιμοποιείται ένας ελεγκτής PQ για τον κεντρικό μετατροπέα. Η μπαταρία έχει αρχική κατάσταση φόρτισης SOC = 85%. Η τάση στον ζυγό ΕΡ διατηρείται από το κεντρικό δίκτυο, ενώ η τάση στον ζυγό ΣΡ από τον κεντρικό μετατροπέα. Στα επόμενα διαγράμματα (6.13) (6.18) υπολογίζονται το ρεύμα, η τάση και η ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού για σταθερή θερμοκρασία επιφάνειας ηλιακού κελιού T=25 ο C οπού φαίνεται και η άμεση σχέση με το επίπεδο της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ηλιακή ακτινοβολία αρχικά ορίζεται στα 950W/m 2 από 0 έως 0.1secs, αυξάνεται γραμμικά στα 1300W/m 2 από 0.1 έως 0.2secs όπου διατηρείται σε αυτά τα επίπεδα μέχρι 0.3secs και μείωνεται γραμμικά ξανά στα 950W/m 2 από 0.3 έως 0.4secs και διατηρείται έτσι μέχρι το τέλος της προσομοίωσης. Η μέση ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού κυμαίνεται από 14.5 έως 37.5kW και ακολουθεί το επίπεδο της ηλιακής ακτινοβολίας με ρυθμισμένη την θερμοκρασία του πάνελ. Επιπλέον, υπολογίζονται οι αποκρίσεις της τάσης και του ρεύματος της μπαταρίας αλλά και η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας (SOC) στο σχήμα (6.20). 154

155 Σχήμα Μοντέλο υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ σε διασυνδεδεμένη λειτουργία μέσω του Matlab/Simulink 155

156 Σχήμα Διάγραμμα ηλιακής ακτινοβολίας Σχήμα Απόκριση ρεύματος εξόδου φωτοβολταϊκού Σχήμα Απόκριση τάσης εξόδου φωτοβολταϊκού 156

157 Σχήμα Απόκριση ρεύματος διόδου φωτοβολταϊκού Σχήμα Η ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού σε σύγκριση με την ηλιακή ακτινοβολία Σχήμα Η τάση στον boost μετατροπέα 157

158 Σχήμα Διάγραμμα λόγου κατάτμησης(duty cycle) boost μετατροπέα Σχήμα Απόκριση τάσης, κατάσταση φόρτισης(soc) και απόκριση ρεύματος μπαταρίας 158

159 Στο σχήμα (6.21) φαίνεται η απόκριση στην συνεχή πλευρά του κεντρικού μετατροπέα,δηλ. η μεταβατική απόκριση του συνεχούς ωμικού φορτίου.παρατηρείται ότι η υπάρχει πτώση τάσης στα 0.25secs η οποία επαναφέρεται γρήγορα από τον μετατροπέα. Σχήμα Απόκριση τάσης ζυγού ΣΡ για αύξηση φορτίου ΣΡ Στο διάγραμμα (6.22) φαίνεται η τάση εξόδου της ανεμογεννήτριας, ενώ στο διάγραμμα (6.23) η τάση και το ρεύμα στην πλευρά του κεντρικού δικτύου. Επιπλέον, στο διάγραμμα (6.24) υπολογίζεται η τάση και το ρεύμα στην εναλλασσόμενη πλευρά του κεντρικού μετατροπέα για μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία και σταθερό dc φορτίο 25kW. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα από την κατεύθυνση του ρεύματος, η ισχύς διαχέεται από το συνεχές στο εναλλασσόμενο δίκτυο πριν τα 0.33secs και αντιστρόφως από τα 0.38secs και μετά. Επίσης, στο διάγραμμα (6.25) υπολογίζεται η τάση και το ρεύμα στην εναλλασσόμενη πλευρά του κεντρικού μετατροπέα για σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 950W/m 2 και αύξηση dc φορτίου από 25 στα 40kW μετά τα 0.25secs. Όπως διακρίνεται από την κατεύθυνση του ρεύματος, η ισχύς διαχέεται από το συνεχές στο εναλλασσόμενο δίκτυο πριν τα 0.25secs και αντιστρόφως μετά τα 0.25secs. 159

160 Σχήμα Τάση εξόδου ανεμογεννήτριας Σχήμα Τάση και ρεύμα στην πλευρά του κεντρικού δικτύου 160

161 Σχήμα Τάση(κίτρινο) και ρεύμα(μωβ) κεντρικού μετατροπέα στην ac πλευρά για μεταβλητή ηλιακή ακτινοβολία και σταθερό dc φορτίο Σχήμα Τάση(κίτρινο) και ρεύμα(μωβ) κεντρικού μετατροπέα στην ac πλευρά για σταθερή ηλιακή ακτινοβολία και αύξηση dc φορτίου 161

162 6.6. Προσομοίωση υβριδικού συστήματος σε αυτόνομη λειτουργία Σε αυτό το σημείο κρίνεται απαραίτητη και η προσομοίωση του συστήματος όταν αυτό λειτουργεί αυτόνομα (ανοίγοντας έτσι τον διακόπτη στην γραμμή του κεντρικού δικτύου) όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (6.26). Σχήμα Μοντέλο υβριδικού μικροδικτύου ΕΡ/ΣΡ σε αυτόνομη λειτουργία 162

163 Κατά την αυτόνομη λειτουργία, όπως έχει αναφερθεί, η μπαταρία παίζει σημαντικό ρόλο στην ανταλλαγή ισχύος κι έτσι στο σύστημα αυτό προστίθεται ο αμφίδρομος μετατροπέας dc/dc της μπαταρίας με την κατάλληλη παλμοδότηση. Όπως αναφέραμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι δύο στρατηγικές ελέγχου επαληθεύονται για τις δύο περιπτώσεις(κανονική περίπτωση και περίπτωση 1,βλ. σχ. 5.16) η λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος(mppt-on) ή εκτός σημείου μέγιστης ισχύος(mppt-off).στην λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος, η τάση ζυγού ΣΡ διατηρείται σταθερή από τον κύριο μετατροπέα. Η τάση αναφοράς στον ζυγό ΣΡ ορίζεται στα 400V. Στο σχήμα (6.27) φαίνεται η απόκριση της ισχύος εξόδου της ανεμογεννήτριας DFIG, η οποία δεν μεταβάλλεται τόσο μετά τα 0.3secs και τείνει να παραμέινει σταθερή λόγω της μηχανικής αδράνειας. Σχήμα Απόκριση ισχύος εξόδου ανεμογεννήτριας Παράλληλα, το διάγραμμα στο σχήμα (6.28) δείχνει τις δυναμικές αποκρίσεις τάσης και ρεύματος του κεντρικού μετατροπέα στην εναλλασσόμενη πλευρά με ρυθμισμένη ταχύτητα του ανέμου στα 15m/s. Παρατηρείται ότι μετά τα 0.3secs όπου αλλάζει το εναλλασσόμενο φορτίο (από 25kW στα 40kW) αλλάζει η φορά του ρεύματος οπότε ισχύς διαχέεται από το ac δίκτυο στο dc δίκτυο μετά τα 0.3secs. 163

164 Σχήμα Τάση(κίτρινο) και ρεύμα(μωβ) του κύριου μετατροπέα στην εναλλασσόμενη πλευρά για αύξηση ac φορτίου Στο σχήμα (6.29) φαίνεται η μεταβατική dc απόκριση της μπαταρίας. Η συνολική ισχύς που παράγεται είναι μεγαλύτερη από το συνολικό φορτίο πριν τα 0.25secs και λιγότερη από το συνολικό φορτίο μετά τα 0.25secs. Σο σχήμα (6.29) παρατηρείται ότι υπάρχει πτώση τάσης στα 0.25secs η οποία επανέρχεται στα 400V μετά από λίγο. Όταν το σύστημα λειτουργεί εκτός σημείου μέγιστης ισχύος με μέγιστη ροή ισχύος στην μπαταρία η τάση ζυγού ΣΡ διατηρείται από τον κύριο μετατροπέα. Στα σχήματα (6.30), (6.31), (6.32) και (6.33) υπολογίζονται η τάση ζυγού ΣΡ, η ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού και η κατάσταση φόρτισης και ρεύμα φόρτισης της μπαταρίας αντίστοιχα για λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος(mppt-on mode), ενώ στο σχήμα (6.34) το ρεύμα φόρτισης για λειτουργία εκτός σημείου μέγιστης ισχύος(mppt-off mode) όταν το συνεχές φορτίο μειώνεται από τα 25Kw στα 10kW στα 0.25secs με σταθερό επίπεδο ηλιακής ακτινοβολίας 950W/m

165 Σχήμα Μεταβατική απόκριση dc ζυγού στην αυτόνομη λειτουργία για αύξηση συνολικού φορτίου Σχήμα Τάση συνεχούς ζυγού(dc bus voltage)στην αυτόνομη λειτουργία για πτώση συνεχούς φορτίου Το παραπάνω σχήμα δείχνει ότι η τάση στον ζυγό ΣΡ αυξάνεται απότομα στα 0.25secs, δηλαδή κατά την πτώση του συνεχούς φορτίου και επαναφέρεται αμέσως στα ίδια επίπεδα στα 0.3secs. 165

166 Σχήμα Απόκριση ισχύος εξόδου φωτοβολταϊκού στην αυτόνομη λειτουργία για πτώση συνεχούς φορτίου Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται ότι η ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού πέφτει από την μέγιστη τιμή μετά τα 0.25secs και την αλλαγή του φορτίου, που σημαίνει ότι η αλλάζει η λειτουργία από mppt-on σε mppt-off. Η ισχύς του φωτοβολταϊκού πέφτει από 35kW στα 25kW και παραμένει σταθερή αφόυ διατηρείται σταθερό το επίπεδο της ηλιακής ακτινοβολίας. Στα σχήματα (6.33),(6.34) φαίνονται οι αποκρίσεις του ρεύματος εκφόρτισης της μπαταρίας. Το σχήμα (6.34) δείχνει ότι το ρεύμα εκφόρτισης διατηρείται σταθερό στα 65Ah για την περίπτωση 1, δηλ για mppt-off λειτουργία. Σχήμα Κατάσταση φόρτισης μπαταρίας (SOC) στην αυτόνομη λειτουργία 166

167 Σχήμα Ανώτερη αρμονική ρεύματος εκφόρτισης για την κανονική περίπτωση (mppt-on) Σχήμα Απόκριση ρεύματος εκφόρτισης για εκτός σημείου μέγιστης ισχύος(mppt-off) λειτουργία 167