ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Με θέμα: Ανάλυση και Σχεδίαση Απευθείας Ελέγχου Πραγματικής και Άεργου Ισχύος σε Αιολικό Σύστημα με Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Του φοιτητή Αθανάσιου Κεραμίδα Με Αριθμό Μητρώου Τμήματος: 7015 Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας Πάτρα, Οκτώβριος 2014

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με Θέμα: Ανάλυση και Σχεδίαση Απευθείας Ελέγχου Πραγματικής και Άεργου Ισχύος σε Αιολικό Σύστημα με Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Κεραμίδα Αθανάσιου (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε Δημόσια και Εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../ /. Ο Επιβλέπων Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης i

4 ii

5 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή του Τμήματος Αντώνιο Θ. Αλεξανδρίδη για την εμπιστοσύνη που μου επέδειξε κατά την ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας και την καθοδήγησή του. Ιδιαίτερες ευχαριστίες αρμόζουν και στον υποψήφιο διδάκτορα του Τμήματος κ. Μιχαήλ Κ. Μπουρδούλη για τον χρόνο που μου διέθεσε και την κατανόησή του. Η βοήθεια και οι συμβουλές του ήταν καθοριστικές για την υλοποίηση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια και τους φίλους μου για την στήριξη και την υπομονή τους όλα αυτά τα χρόνια. iii

6 iv

7 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση απευθείας ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος σε αιολικό σύστημα με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fe Inuction Generator, DFIG). Κύριος σκοπός της εργασίας είναι η εξαγωγή ενός κατάλληλου δυναμικού μοντέλου του συστήματος, το οποίο περιέχει ως καταστάσεις τις ισχείς. Επιπλέον, μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage- Oriente Control, VOC) επιτυγχάνεται ο απευθείας έλεγχος των ισχύων χρησιμοποιώντας αναλογικό-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. Τελικά, η ανάλυση και η συμπεριφορά του αιολικού συστήματος επιβεβαιώνεται με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται το ενεργειακό πρόβλημα και τα διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται τα συστήματα αιολικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών και η δομή της, οι γεννήτριες και οι συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται σε ένα αιολικό σύστημα, καθώς και ο μηχανικός έλεγχος ισχύος που μπορεί να εφαρμοστεί. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται η ανάλυση του αιολικού συστήματος με την DFIG όπου εξάγεται με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park, το ζητούμενο μαθηματικό μοντέλο. Έπειτα, στο κεφάλαιο 4 αναφέρονται οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες, εφαρμόζεται ο VOC στο αιολικό σύστημα που μελετάται και σχεδιάζονται οι απαιτούμενοι ελεγκτές PI ώστε να ελεγχθεί η ισχύς μέσω των δύο μετατροπέων ισχύος. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξομοίωση του συστήματος και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Λέξεις Κλειδιά: Απευθείας έλεγχος πραγματικής και άεργου ισχύος, επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG), PI ελεγκτές, διανυσματικός έλεγχος, προσανατολισμός στην τάση του δικτύου (VOC). v

8 Abstract This iploma thesis eals with the analysis an esign of a irect active an reactive power control system for a Doubly-Fe Inuction Generator (DFIG) win power system. The main purpose of this thesis is to extract a suitable ynamic moel of the system that contains as states the active an reactive power. In aition, the irect control of the active an reactive power is achieve through voltage-oriente control (VOC) an the use of PI controllers, imposing the esirable transient behavior. Finally, the analysis an the performance of the win system are verifie through simulation results in MATLAB/Simulink. Specifically, in chapter 1 the energy problem an the ifferent types of renewable energy sources are presente. The secon chapter eals with the win energy systems. In particular, the main types an the structure of win turbines, the generators, the power electronic evices an the mechanic power control use in a win power system are presente. Then, in chapter 3 the DFIG win system is analyse an the require mathematical moel is extracte using Park s transformation. Next, in the fourth chapter the control methos for a win turbine are presente an, using the VOC in the win power system stuie, the require PI controllers for the two power converters are esigne. Finally, in chapter 5 the simulation results are presente an conclusions are rawn. Key Wors: Direct active an reactive control, oubly-fe inuction generator (DFIG), PI controllers, vector control, voltage-oriente control (VOC). vi

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Ηλιακή Ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Υδραυλική Ενέργεια Ενέργεια Κυμάτων Παλιρροϊκή Ενέργεια Θερμική Ενέργεια Ωκεανών Ενέργεια Βιομάζας Αιολική Ενέργεια....6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Εισαγωγή Θεωρητική Προσέγγιση Ανέμου - Ανεμολογικά Στοιχεία Ανεμογεννήτρια Δομή Ανεμογεννήτριας Κυριότεροι Τύποι Ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες Σταθερής Ταχύτητας Ανεμογεννήτριες Μεταβλητής Ταχύτητας Γεννήτριες Μηχανικός Έλεγχος Ισχύος Ανεμοκινητήρα Συσκευές Ηλεκτρονικών Ισχύος 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΕΓΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) 3.1 Ανάλυση του Μοντέλου.25 vii

10 3.2 Μετασχηματισμός του Park Μοντέλο Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου Δυναμική του Μηχανικού Μέρους του Ανεμοκινητήρα Μοντέλο Ασύγχρονης Μηχανής Διπλής Τροφοδοσίας με Μετατροπέα στην Πλευρά του Δρομέα Διασύνδεση Συνεχούς Ρεύματος του ac/c/ac Μετατροπέα Συνοπτική Παράθεση των Εξισώσεων του Υπό Μελέτη Μοντέλου.38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ 4.1 Μέθοδοι Ελέγχου Έλεγχος Επαγωγικής Γεννήτριας Διπλής Τροφοδοσίας Έλεγχος Μετατροπέα από την Πλευρά του Δικτύου Έλεγχος Μετατροπέα από την Πλευρά του Δρομέα της DFIG Σχεδιασμός Εσωτερικών Ελεγκτών PI Ελέγχου Σχεδιασμός Εξωτερικού Ελεγκτή PI Ελέγχου. 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ MATLAB- SIMULINK 5.1 Συνολικό Μοντέλο του Συστήματος Χαρακτηριστικά του Συστήματος Προσομοίωση και Αποτελέσματα Προσομοίωση Χωρίς Εξωτερικό Ελεγκτή Γωνιακής Ταχύτητας Δρομέα Προσομοίωση Με Εξωτερικό Ελεγκτή Γωνιακής Ταχύτητας Δρομέα Συμπεράσματα Βιβλιογραφία viii

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Λόγω των ενεργειακών αναγκών που αυξάνονται, του ενεργειακού δυναμικού που περιορίζεται και σε συνδυασμό με την ενεργειακή κρίση την δεκαετία του 1970 έγινε αντιληπτή η ανάγκη αξιοποίησης εναλλακτικών μορφών ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι οι μη ορυκτές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δηλαδή η ηλιακή, η γεωθερμική και η αιολική ενέργεια, η ενέργεια κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η υδραυλική ενέργεια, η θερμική ενέργεια ωκεανών και η ενέργεια από βιομάζα. Συνιστούν μια φιλική προς το περιβάλλον εκμετάλλευση ενέργειας και είναι πρακτικά ανεξάντλητες. 1.2 Ηλιακή Ενέργεια Ο ήλιος εκπέμπει τεράστια ποσότητα ενέργειας, με μέση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης περίπου 600 W/m 2. Βασικά πλεονεκτήματα της είναι ότι έχει μηδενικό κόστος παραγωγής ενέργειας, είναι ανεξάντλητη, δεν μολύνει το περιβάλλον, η μεγάλη διάρκεια ζωής των συστημάτων καθώς και η αθόρυβη λειτουργία τους. Φυσικά υπάρχουν και μειονεκτήματα, όπως η άμεση εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες, η μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας και η διαθεσιμότητά της μόνο κατά την διάρκεια της μέρας. Η εκμετάλλευση της γίνεται με δύο τρόπους κυρίως: Με φωτοβολταϊκά συστήματα που μετατρέπουν άμεσα την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η θεωρητική τους απόδοση είναι 25% περίπου, αν και πρακτικά οι τιμές 1

12 κυμαίνονται στο 15%. Η ενέργεια που παράγεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Με ηλιακά θερμικά συστήματα. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και έπειτα σε άλλες μορφές ενέργειας. Υπάρχουν τα ενεργητικά και τα παθητικά ηλιακά συστήματα. Στην πρώτη κατηγορία επιτυγχάνεται θέρμανση χώρου ή νερού σε επίπεδο καταναλωτών με την χρήση ηλιακών συλλεκτών. Σε επίπεδο ηλεκτρικών σταθμών, όπου η συλλεγόμενη ενέργεια χρησιμοποιείται για την κάλυψη των αναγκών του εκάστοτε σταθμού. Στην δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνονται τα συστήματα που αποτελούν τα δομικά στοιχεία ενός κτιρίου και βοηθούν στην καλύτερη, άμεση και έμμεση εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανση ή το δροσισμό του κτιρίου. Σχήμα 1.1 Ηλιακή ενέργεια. 2

13 1.3 Γεωθερμική Ενέργεια Γεωθερμία ή Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η φυσική θερμική ενέργεια της γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους: a. Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια με ρυθμό 0,04 0,06 W/m 2 b. Με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Σχήμα 1.2 Πηγή γεωθερμικής ενέργειας. Υπό κανονικές συνθήκες η εκμετάλλευσή της δεν είναι συμφέρουσα, όμως υπάρχουν περιοχές (γεωθερμικά πεδία) όπου η γεωθερμική βαθμίδα είναι πολλαπλάσια της φυσιολογικής, σχήμα 1.2. Οι τύποι των γεωθερμικών πεδίων είναι τρεις, πεδία ζεστού νερού, πεδία υγρού και πεδία ξηρού ατμού. Ανάλογα με το θερμοκρασιακό της επίπεδο μπορεί να έχει διάφορες χρήσεις: 1. Η υψηλής ενθαλπίας (>150 ο C) που χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 2. Η μέσης ενθαλπίας (80 ο C έως 150 ο C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση ή ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων, καθώς και μερικές φορές και για την παραγωγή ηλεκτρισμού. 3. Η χαμηλής ενθαλπίας (25 ο C έως και 80 ο C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες και για παραγωγή γλυκού νερού. 3

14 1.4 Υδραυλική Ενέργεια Υδραυλική και εν μέρει Υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια επιτόπου (π.χ. νερόμυλοι) είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική ή άλλες μορφές. Η υδροηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω υδροηλεκτρικών έργων (υδατοταμιευτήρας, φράγμα, κλειστός αγωγός πτώσεως, υδροστρόβιλος, ηλεκτρογεννήτρια, διώρυγα φυγής). Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί (σχήμα 1.3), εκμεταλλεύονται τη φυσική διαδικασία του κύκλου του νερού και εξυπηρετούν πολλούς σκοπούς όπως έλεγχο ροής του ποταμού, αποθήκευση νερού για άρδευση και πόση και διευκόλυνση της ναυσιπλοΐας του ποταμού. Επίσης έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος και δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον. Μειονεκτούν όμως στο υψηλό κόστος παραγωγής, στο μεγάλο χρονικό διάστημα που απαιτείται για την ολοκλήρωση του έργου και στην περιβαλλοντική αλλοίωση της περιοχής. Σχήμα 1.3 Υδροηλεκτρικός σταθμός. Υπάρχουν τρεις κυρίως τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών: Μεγάλου h ή μεγάλης δεξαμενής αποθήκευσης, η δεξαμενή γεμίζει σε περισσότερες από 400 ώρες. Μέσου h ή μικρής δεξαμενής αποθήκευσης, η δεξαμενή γεμίζει σε 200 με 400 ώρες. Ροής ποταμών, χρησιμοποιούν τα νερά των ποταμών όπως ρέουν ενώ είναι δυνατόν να δημιουργείται υψομετρική διαφορά από 3-5 m και μικρές δεξαμενές, που γεμίζουν σε λιγότερο από 2 ώρες. 4

15 Οι τύποι στροβίλων που χρησιμοποιούνται είναι οι : a. Pelton, στρόβιλος ώσης με μία ή πολλαπλές δέσμες καθεμιά από τις οποίες εκρέει μέσα από ένα ακροφύσιο με μια βελονοβαλβίδα για τον έλεγχο ροής (χρησιμοποιείται για μεγάλα και μεσαία ύψη πτώσης). b. Francis, στρόβιλος αντίδρασης ακτινικής ροής με σταθερά πτερύγια δρομέα και ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια (χρησιμοποιείται σε μεσαία ύψη πτώσης). c. Kaplan, στρόβιλος αντίδρασης αξονικής ροής που γενικά χρησιμοποιείται για μικρά ύψη πτώσης. Έχει ρυθμιζόμενα πτερύγια δρομέα και μπορεί να διαθέτει ή όχι ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια. 1.5 Ενέργεια Κυμάτων Είναι η ενέργεια που παράγεται μέσω των θαλάσσιων κυμάτων. Τα κύματα, που προκαλούνται από τον αέρα όπως φυσά πέρα από την θάλασσα, είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας. Το πρόβλημα είναι ότι δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλα ποσά, κατά συνέπεια, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων είναι σπάνιοι. 1.6 Παλιρροϊκή Ενέργεια Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι ένας ηλεκτρικός σταθμός ισχύος που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε εκμεταλλεύοντας τη διαφορά στάθμης του νερού κατά τη πλημμυρίδα και την άμπωτη επιτυγχάνεται η κίνηση ενός υδροστροβίλου. Τα πλέον κατάλληλα μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. 1.7 Θερμική Ενέργεια Ωκεανών Η θερμική ενέργεια των ωκεανών των τροπικών περιοχών αξιοποιείται με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού (25 ο C -30 ο C) και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα (4 ο C 8 ο C). Η τεχνολογία μετατροπής της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας, χρησιμοποιεί σε πρώτη φάση το θερμό νερό για να ζεστάνει σε ειδικό θάλαμο μια ποσότητα υγρού που έχει χαμηλό σημείο βρασμού. Όταν το μείγμα αυτό βράσει, το αέριο που απελευθερώνεται δημιουργεί αρκετή πίεση ώστε να οδηγήσει έναν αεριοστρόβιλο ο οποίος παράγει την ενέργεια. Στη συνέχεια το αέριο αυτό παγώνει καθώς διέρχεται μέσα από το ψυχρό νερό του πυθμένα του ωκεανού. 5

16 1.8 Ενέργεια Βιομάζας Ως βιομάζα ορίζεται το σύνολο της ύλης που έχει οργανική προέλευση, εξαιρώντας τα ορυκτά καύσιμα. Η ενέργεια βιομάζας δημιουργείται με τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε χημική, μέσω της φωτοσύνθεσης και αποταμιεύεται στις οργανικές δομές των ιστών των ζώντων οργανισμών. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας (σχήμα 1.4), περιλαμβάνει τεχνολογίες: a. Θερμικής επεξεργασίας της βιομάζας, η οποία παρέχει τη δυνατότητα είτε άμεσης εκμετάλλευσης ή συνδυασμένης καύσης με ορυκτά καύσιμα, είτε έμμεσης εκμετάλλευσης σε εγκαταστάσεις πυρόλυσης ή εξαερίωσης όπου παράγεται αέριο προϊόν, που μετά τον καθαρισμό του αποτελεί άριστη καύσιμη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. b. Βιοαποικοδόμησης της βιομάζας, μέσω της οποίας παράγεται βιοαέριο καύσιμο c. Φυσικής και χημικής επεξεργασίας της που οδηγεί στην παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων για την τροφοδότηση κινητήρων εσωτερικής καύσης. Σχήμα 1.4 Διαδικασία ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας. Στα πλεονεκτήματα της συμπεριλαμβάνονται το μηδενικό ισοζύγιο CO 2 κατά την καύση της, η ελάχιστη εκπομπή SO 2 καθώς και η συνεισφορά στην γενικότερη ανάπτυξη του αγροτικού και του αγροτοβιομηχανικού τομέα. Από την άλλη όμως υπάρχουν και σοβαρά μειονεκτήματα όπως το κόστος εξοπλισμού και εγκαταστάσεων, που είναι υψηλό και το μικρό ενεργειακό περιεχόμενο σε σχέση με ίση μάζα ορυκτού καυσίμου. 1.9 Αιολική Ενέργεια Αιολική ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του ανέμου και για την χρησιμοποίηση της σήμερα χρησιμοποιούμε τις ανεμογεννήτριες. Η αιολική 6

17 ενέργεια είναι πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Πλεονεκτεί στο ότι δεν εκλύονται αέρια θερμοκηπίου και άλλοι ρύποι, όπως οξείδια του αζώτου και οξείδια του θείου, και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές σε σύγκριση με τις κοινές μεθόδους από συμβατικά καύσιμα. Επίσης, τα αιολικά πάρκα αυξάνουν την αξιοπιστία του υπάρχοντος ισχυρού δικτύου, μπορούν να βοηθήσουν επαρκώς στην κάλυψη των αιχμών και δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για την συνολική κατασκευή και λειτουργία τους. Βέβαια υπάρχουν και τα εξής μειονεκτήματα: η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου που είναι το σημαντικότερο, η παραγωγή μηχανικού και αεροδυναμικού θορύβου για ταχύτητες κάτω των 7-8 m/s και η εισαγωγή διακυμάνσεων στο δίκτυο, που εξαρτάται από τον αριθμό των ανεμογεννητριών στο δίκτυο. 7

18 8

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. 2.1 Εισαγωγή Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιεί την ενέργεια του ανέμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα σύστημα αιολικής ενέργειας μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ή ηλεκτρική με χρήσεις σε μια πληθώρα εφαρμογών, όπως φόρτιση μπαταριών, άντληση νερού σε απομακρυσμένες περιοχές ή ως υβριδικό σύστημα παροχής ηλεκτρισμού σε απομακρυσμένα νησιά ή χωριά χωρίς παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναπτυχθούν και θα αναλυθούν τα μέρη ενός αιολικού συστήματος. 2.2 Θεωρητική Προσέγγιση Ανέμου Ανεμολογικά Στοιχεία Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, καθώς η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων αέριων μαζών από τη μία περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας έτσι τους ανέμους. Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να θεωρηθεί σαν μια συνεχής τυχαία μεταβλητή και η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας μπορεί να περιγραφεί από την κατανομή Rayleigh. 9

20 Θεωρώντας μια αέρια μάζα m(t) στιγμιαίας ταχύτητας v(t), η κινητική ενέργεια του ανέμου είναι: W k (t) = 1 2 m(t) v(t)2 (2.2.1) Αν ρ η πυκνότητα της αέριας μάζας και Α το εμβαδόν που διαπερνά κάθετα ο άνεμος τότε η τιμή της αέριας μάζας είναι: m(t)=ρ A v(t) (2.2.2) Οπότε η στιγμιαία ισχύς του ανέμου καθώς και ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος είναι: και P av = 1 2 ρ Α v(t)3 (2.2.3) C p = P m P av (2.2.4) όπου P m είναι η μηχανική ισχύς που παράγεται. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος είναι δηλαδή το ποσοστό της εκμεταλλευόμενης ισχύος του ανέμου από την ανεμογεννήτρια. Έχει ένα θεωρητικό όριο στην τιμή του που καλείται όριο του Betz, το οποίο είναι: C p max = (2.2.5) Δεν είναι σταθερός όρος αλλά εξαρτάται από τον λόγο ταχυτήτων των ακροπτερυγίων, λ, και την γωνία βήματος του πτερυγίου, β για ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, που είναι και οι πλέον συνηθισμένες, και δίνεται από τον προσεγγιστικό τύπο: C p (λ, β) = 0.22 ( 116 λ 0.4β 5) e 12.5 λ i (2.2.6) όπου το λ i δίνεται από τον τύπο: 1 1 = λ i λ+0.08β β 3 +1 (2.2.7) Και ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου, που είναι ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου δίνεται από τον τύπο: όπου λ = R ω r v (2.2.8) ω r R είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα, και είναι το μήκος του πτερυγίου. 10

21 R = = Όμως λόγω της εξάρτησης του από το β και λ, πρακτικά η μέγιστη τιμή του δεν είναι το όριο του Betz. Με την γραφική απεικόνιση των παραπάνω σχέσεων φαίνονται τα σημεία μεγιστοποίησης του C p. Σχήμα 2.1 Γραφική παράσταση του λ σε συνάρτηση με τον C p για διάφορες τιμές του β. Από το σχήμα 2.1 διαπιστώνεται ότι το C p μεγιστοποιείται για: β = 0, λ opt = και λ i R Με βάση αυτές τις τιμές προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του αεροδυναμικού συντελεστή είναι: C p opt (2.2.9) Για να επιτυγχάνεται μέγιστη παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα να παίρνει βέλτιστες τιμές για κάθε ταχύτητα του ανέμου έτσι ώστε να έχουμε μέγιστη τιμή για τον αεροδυναμικό συντελεστή C p. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εντοπισμός λειτουργίας μέγιστου σημείου ισχύος (maximum power point tracking operation, MPP). 2.3 Ανεμογεννήτρια Μέσω της ανεμογεννήτριας μετατρέπεται η κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική και έπειτα σε ηλεκτρική. Η τεχνολογία τους συνεχώς εξελίσσεται, μιας και η αιολική ενέργεια έχει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως αναφέρθηκαν, και η ισχύς και τα μέγεθος τους αυξάνονται. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται ανάλογα προς τον προσανατολισμό του άξονα τους σε σχέση με την ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. 11

22 Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου Άξονα. Έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Κατηγοριοποιούνται με βάση τον αριθμό των πτερυγίων τους σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες (σχήμα 2.2) και πολυπτέρυγες, που είναι αυτές που έχουν περισσότερα από τρία πτερύγια. Αυτές που χρησιμοποιούνται σήμερα στην πλειοψηφία είναι οι τριπτέρυγες. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι η σταθερότητα τους, μιας και το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Οι μονοπτέρυγες, καθώς και οι διπτέρυγες, αν και έχουν χαμηλότερο κόστος εμφανίζουν πρόβλημα στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής. Οι πολυπτέρυγες λόγω της ευκολίας στην εκκίνηση προτιμώνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης. Όμως η ισχύς που παράγουν είναι μικρότερη σε σχέση με ανεμογεννήτριες με λιγότερα πτερύγια λόγω αεροδυναμικών απωλειών. Σχήμα 2.2 Τριπτέρυγες ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Γενικά τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών με οριζόντιο άξονα είναι η δυνατότητα εκκίνησής τους για μικρές τιμές της ταχύτητας ανέμου, στις οποίες τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά, η εμφάνιση υψηλού αεροδυναμικού συντελεστή και η ευκολία στη συναρμολόγησή τους. Από την άλλη, σοβαρό μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι η γεννήτρια και το 12

23 κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στο πύργο, γεγονός που αυξάνει το κόστος και την δυσκολία κατασκευής. Επιπροσθέτως, χρειάζονται έναν ενεργό μηχανισμό περιστροφής ή ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα. Έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου (σχήμα 2.3). Βασικό πλεονέκτημα αυτής της κατηγορίας είναι ότι η μηχανή δεν χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, συνεπώς δεν χρειάζεται μηχανισμός περιστροφής. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, επομένως το κόστος και η δυσκολία κατασκευής μειώνονται. Άλλο ένα πλεονέκτημα είναι ο μη απαραίτητος έλεγχος βήματος όταν χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια. Τα μειονεκτήματα που εμφανίζει όμως είναι και ο λόγος που έχει επικρατήσει η οριζόντιου άξονα, μιας και την καθιστούν μη λειτουργική. Τα σπουδαιότερα είναι η μικρή σχετικά απόδοσή τους και το γεγονός ότι αδυνατούν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται μερικές φορές, χωρίς εξωτερική παρέμβαση αφού η ροπή εκκίνησης τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Σχήμα 2.3 Ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα. 2.4 Δομή Ανεμογεννήτριας Όπως αναφέραμε, στην αγορά έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια. Την δομή αυτής θα εξετάσουμε και θα αναλύσουμε στην συνέχεια, αν και οι διαφορές με άλλα είδη είναι ελάχιστες. 13

24 Η δομή μιας ανεμογεννήτριας, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.4 περιλαμβάνει τα εξής στοιχεία: 1. Θεμελίωση και πύργο στήριξης, τα δύο αυτά στοιχεία όχι μόνο στηρίζουν την άτρακτο και τα πτερύγια αλλά απορροφούν και τα μεγάλα στατικά φορτία που αναπτύσσονται λόγω της μη σταθερής ισχύος του ανέμου. Γενικά χρησιμοποιείται μια σωληνοειδής κατασκευή από χάλυβα, διαφορετικά μια μορφή πλέγματος πύργου. Σχήμα 2.4 Μέρη ανεμογεννήτριας. 2. Δρομέα, που αποτελείται από την πλήμνη και τα πτερύγια. Μερικές φορές περιλαμβάνει και υδραυλικά ή μηχανικά οδηγούμενα συστήματα συνδέσμων για τη μεταβολή του βήματος του συνόλου ή μέρους των πτερυγίων. Ο δρομέας μετατρέπει την ενέργεια του ανέμου σε μηχανική περιστροφική κίνηση. Χρησιμοποιούν την ίδια αρχή με αυτή του αεροπλάνου, στη χαμηλότερη πλευρά του φτερού ο διερχόμενος άνεμος παράγει υψηλότερη πίεση ενώ η υψηλότερη πλευρά δημιουργεί ένα τράβηγμα θέτοντας τελικά τον δρομέα σε περιστροφή. 3. Άτρακτο, που περιέχει όλο το μηχανικό εξοπλισμό της ανεμογεννήτριας. Επειδή πρέπει να περιστρέφεται ώστε να ακολουθεί την κατεύθυνση του ανέμου, συνδέεται με τον πύργο μέσω εδράνων. Συγκεκριμένα περιλαμβάνει: 14

25 i) Το κιβώτιο ταχυτήτων, που μετατρέπει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα από rpm στις 1500 rpm που συνήθως η γεννήτρια απαιτεί. Επιπλέον, αναλαμβάνει να συντονίσει την ταχύτητα του αργού δρομέα με αυτή της ταχέως κινούμενης γεννήτριας για τις διάφορες συνθήκες ανέμου, ii) Τη γεννήτρια, που είναι μία επαγωγική ή μία σύγχρονη μηχανή. Η γεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν υπάρχει ικανοποιητικός άνεμος για να περιστρέψει τα πτερύγια. Χρησιμοποιώντας καλωδίωση, η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται είτε στο σύστημα διανομής, είτε για αποθήκευση, είτε για άμεση χρήση. iii) Σύστημα εκτροπής ώστε να εξαχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του ανέμου και δισκόφρενο, που ο τύπος του εξαρτάται από τον μηχανισμό ελέγχου των πτερυγίων. 4. Διάφορα στοιχεία, όπως ηλεκτρονικό ελεγκτή που ελέγχει διαρκώς την κατάσταση της ανεμογεννήτριας και ελέγχει τον μηχανισμό περιστροφής των πτερυγίων, αισθητήρες για την μέτρηση της θερμοκρασίας, της διεύθυνσης και της ταχύτητας του ανέμου, σύστημα ψύξης και σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. 2.5 Κυριότεροι Τύποι Ανεμογεννητριών Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών και των ηλεκτρονικών ισχύος προσέφερε τη δυνατότητα για πολλές πρωτοποριακές εφαρμογές με χρήση διαφορετικών τοπολογιών. Δύο είναι οι βασικές κατηγορίες που χωρίζονται οι ανεμογεννήτριες και αυτό γίνεται με γνώμονα την ταχύτητα περιστροφής Ανεμογεννήτριες Σταθερής Ταχύτητας Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας αποτελούνται από έναν ανεμοκινητήρα και συνήθως από μία επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού ως γεννήτρια, που είναι συνδεδεμένη απευθείας στο δίκτυο. Στην πραγματικότητα η ταχύτητα δεν είναι ακριβώς σταθερή, λόγω της ολίσθησης της γεννήτριας. Η ταχύτητα του δρομέα δεν προσαρμόζεται με βάση την ταχύτητα του ανέμου αλλά καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, την αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων και το σχεδιασμό της γεννήτριας (αριθμός πόλων, τύπος, κλπ). Η άεργος ισχύς που χρειάζεται παρέχεται στην ασύγχρονη γεννήτρια από μία συστοιχία πυκνωτών. Τα πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι το χαμηλό κόστος λόγω της απλότητάς της, η σθεναρότητά της σε υπερφορτίσεις αλλά και η ομαλότητα στη σύνδεση με το δίκτυο, εξαιτίας της ολίσθησης που υπάρχει. Από την άλλη μεριά βέβαια, υπάρχουν σημαντικά και αρκετά μειονεκτήματα. Η κατανάλωση άεργου ισχύος από την επαγωγική μηχανή που αυξάνεται όσο μεγαλώνει η παραγωγή ενεργού ισχύος προϋποθέτει την εισαγωγή πυκνωτών για την ισοστάθμιση της. 15

26 Επιπλέον εμφανίζονται σοβαρές μηχανικές καταπονήσεις στις απότομες αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου που μεταφέρονται σαν διαταραχές στη μηχανική ροπή και εν τέλει στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αξίζει να σημειωθεί ότι μερικοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν δύο επαγωγικές γεννήτριες, μία για τις περιόδους που υπάρχουν χαμηλές ταχύτητες αέρα και μία μεγαλύτερη για τις περιόδους με υψηλότερες τιμές ταχύτητας αέρα. Ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με μεταβαλλόμενους πόλους ώστε να μπορούν να λειτουργούν με διαφορετική ταχύτητα Ανεμογεννήτριες Μεταβλητής Ταχύτητας Στις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Έτσι, ο λόγος ταχύτητας των ακροπτερυγίων διατηρείται σταθερός σε μια προκαθορισμένη τιμή, που αυτή επιλέγεται λ opt, ώστε ο αεροδυναμικός συντελεστής απόδοσης ισχύος να είναι ο μέγιστος, C opt p. Σε αντίθεση με την διάταξη σταθερής ταχύτητας, εδώ η ροπή διατηρείται σχεδόν σταθερή και οι όποιες μεταβολές στην ταχύτητα του ανέμου απορροφώνται στην ταχύτητα της γεννήτριας. Το ηλεκτρικό σύστημα βέβαια είναι πιο πολύπλοκο και συνήθως αποτελείται από μία επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα ισχύος. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη απομάστευση ισχύος και η βελτιωμένη ποιότητα της ενέργειας. Επίσης, η μειωμένη μηχανική καταπόνηση των μηχανικών μερών του ανεμοκινητήρα και η δυνατότητα ρύθμισης της άεργου ισχύος είναι αυτά που την έχουν καταστήσει κυρίαρχη στην αγορά. Βεβαίως υπάρχουν και μειονεκτήματα όπως το αυξημένο κόστος και πολυπλοκότητα λόγω των ηλεκτρονικών ισχύος και οι επιπλέον απώλειες στα μέρη αυτά. 2.6 Γεννήτριες Ο πιο κοινός τύπος γεννήτριας που συναντάται σήμερα είναι οι επαγωγική γεννήτρια και σε αρκετά μικρότερο ποσοστό η σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμο μαγνήτη. Οι ανεμογεννήτριες που παράγονται περισσότερο είναι οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας με μεταβλητό έλεγχο γωνίας κλίσης των πτερυγίων που χρησιμοποιούν επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Γενικά όμως, για ισχύ της τάξης των MW, μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε τριφασική γεννήτρια. Οι γενικοί τύποι γεννητριών είναι: Σύγχρονες γεννήτριες, που χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: a) Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG), (σχήμα 2.5). Η απόδοση στον συγκεκριμένο τύπο είναι υψηλότερη, μιας και είναι αυτοδιεγειρόμενες και παράγεται ισχύς για κάθε ταχύτητα ανέμου. 16

27 Βέβαια τα υλικά κατασκευής των μόνιμων μαγνητών είναι ακριβά, δύσκολα στην επεξεργασία και ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες, άρα απαιτείται και κάποιο σύστημα ψύξης. Επιπλέον, η χρήση διέγερσης με μόνιμο μαγνήτη απαιτεί τη χρήση ενός μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας, προκειμένου να προσαρμόσει τηn τάση και τη συχνότητα της γεννήτριας στην τάση και στη συχνότητα γραμμής αντίστοιχα. Σχήμα 2.5 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. b) Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG). Είναι ο βασικότερος τύπος γεννήτριας στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με τα τυλίγματα στάτη απευθείας συνδεδεμένα στο δίκτυο και τα τυλίγματα δρομέα να διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη με ένα στρεφόμενο ανορθωτή, χωρίς ψήκτρες. Ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες, που χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: a) Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG). Χρησιμοποιούνται ευρέως σε απλές εφαρμογές λόγω της απλότητας τους, της υψηλής τους απόδοσης και του μειωμένου κόστους συντήρησης που απαιτούν. Οι ανεμογεννήτριες με γεννήτριες SCIG (σχήμα 2.6), έχουν συνήθως και ένα μηχανισμό με ηλεκτρονικά ελεγχόμενο εκκινητή και πυκνωτές για την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος. Η γεννήτρια και ο άξονας της ανεμογεννήτριας συνδέονται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων καθώς η βέλτιστη προσδοκώμενη τιμή της ταχύτητας του άξονα είναι διαφορετική από αυτή της γεννήτριας. Ειδικό χαρακτηριστικό τους είναι οι απότομες αλλαγές στην ροπή, με αποτέλεσμα οι διαταραχές του ανέμου να περνούν κατευθείαν στο δίκτυο, πρόβλημα αρκετά σημαντικό κατά την σύνδεση στο δίκτυο λόγω της μεγάλης τιμής του μεταβατικού ρεύματος. 17

28 Σχήμα 2.6 Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Ιδιαίτερο επίσης χαρακτηριστικό, είναι ότι η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει μεγαλύτερα ποσά ενεργού ισχύος μόνο αν απορροφήσει περισσότερη άεργο ισχύ. Αυτό το ποσό χορηγείται είτε μέσω πυκνωτών είτε προέρχεται από το δίκτυο, με την πιθανότητα να προκληθούν επιπρόσθετες απώλειες μεταφοράς και σε ορισμένες περιπτώσεις να γίνει το δίκτυο ασταθές. Όμως η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος, στην περίπτωση της ανεμογεννήτριας με SCIG, επιφέρει εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος πλέον, και είναι δυνατός ο έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος και η προσαρμογή τους στις συνθήκες του ανέμου και τις απαιτήσεις του δικτύου. b) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG). Σε αυτήν την περίπτωση τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά από την τάση του δρομέα αφού τα τυλίγματα συνδέονται εξωτερικά μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών. Με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος η ισχύς μπορεί να εξαχθεί ή και να εισαχθεί στο κύκλωμα του δρομέα και η γεννήτρια μπορεί να μαγνητιστεί είτε από το κύκλωμα του στάτη είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Κύριο μειονέκτημά της είναι το σχετικά υψηλό κόστος σε σύγκριση με την αντίστοιχη βραχυκυκλωμένου δρομέα. Στην βιομηχανία χρησιμοποιούνται οι εξής τύποι WRIG: η επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) και η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). i. Επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG), (σχήμα 2.7). Εισήχθηκε στην αγορά προκειμένου να μειωθεί το φορτίο στην ανεμογεννήτρια εξαιτίας των ριπών ανέμου. Αποτελεί τον πρόγονο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας και έχει την ικανότητα να μεταβάλλει την ολίσθηση (θετική) και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή για αυτή, με αποτέλεσμα μικρότερες διαταραχές στην ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια. Ωστόσο το εύρος της μεταβολής της ταχύτητας εξαρτάται από την 18

29 αντίσταση του δρομέα και είναι απαραίτητο ένα κύκλωμα αντιστάθμισης άεργου ισχύος. Τέλος, δεν υπάρχει αξιόλογος έλεγχος της ενεργούς και άεργου ισχύος και οι απώλειες πάνω στην αντίσταση του δρομέα μπορεί να είναι σημαντικές. Σχήμα 2.7 Επαγωγικές γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα. ii. Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG), (σχήμα 2.8). Σε αυτήν την περίπτωση αντί της μεταβλητής αντίστασης του δρομέα υπάρχει ένας back-to-back IGBT μετατροπέας πηγής τάσης συνδεδεμένος στο δίκτυο και τα τυλίγματα του στάτη είναι απευθείας συνδεδεμένα στο τριφασικό δίκτυο. Το εύρος μεταβολής της ταχύτητας είναι αρκετά μεγάλο και τόσο στη μόνιμη κατάσταση όσο και σε περίπτωση σφάλματος, η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται πλήρως από το μετατροπέα και τους ελεγκτές του. Συγκεκριμένα, ο ελεγκτής στην πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ και ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στη c διασύνδεση και διασφαλίζει λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Ο μετατροπέας δεν χρειάζεται να διαχειριστεί πάνω από το 30% της συνολικής ισχύος, συνεπώς και το κόστος του μετατροπέα μειώνεται, καθώς και οι απώλειες του. Δηλαδή το μέγεθος του δεν σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας αλλά με το επιλεγμένο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας. Αυτό αποτελεί ταυτόχρονα και μειονέκτημα, μιας και μειώνοντας το κόστος χάνεται η δυνατότητα για μεγάλο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας. Επιπλέον μειονέκτημα είναι οι δακτύλιοι ολίσθησης που είναι απαραίτητοι. Ανάλογα με τη λειτουργία η ισχύς του δρομέα μπορεί να μεταφερθεί και ως προς τις δύο κατευθύνσεις ενώ ο στάτης παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Έτσι, η DFIG οδηγεί στο δίκτυο την αυξημένη ισχύ του δρομέα χωρίς αυτή να χάνεται σε ωμικές αντιστάσεις. Επίσης μπορεί να μαγνητίζεται και από το κύκλωμα του δρομέα και είναι ικανή να παράγει άεργο ισχύ. 19

30 Σχήμα 2.8 Επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. 2.7 Μηχανικός Έλεγχος Ισχύος Ανεμοκινητήρα Ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η ρύθμιση της ισχύος από τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, διακρίνουμε τρεις βασικές κατηγορίες μηχανικού ελέγχου για τον ανεμοκινητήρα: 1. Έλεγχος βήματος πτερυγίου (pitch control), σχήμα 2.9. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει συνεχή έλεγχο ισχύος, εύκολες εκκινήσεις καθώς και άμεσο αεροδυναμικό φρενάρισμα σε περίπτωση κινδύνου. Μέρος ή ολόκληρο το πτερύγιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, μεταβάλλοντας έτσι τη γωνία πρόσπτωσης του ανέμου άρα και την παραγόμενη ενέργεια. Ο μηχανισμός του ελέγχου βήματος πτερυγίου πραγματοποιείται με τη χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Τα μειονεκτήματά του όμως είναι η πολυπλοκότητα που εισάγει ο μηχανισμός των στρεφόμενων πτερυγίων και οι μεγάλες διακυμάνσεις στην ισχύ, για μικρές διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου σε μεγάλες ταχύτητες. Η στιγμιαία τιμή της ισχύος, εξαιτίας των ριπών του ανέμου και της περιορισμένης ταχύτητας περιστροφής των πτερυγίων, κυμαίνεται γύρω από τη μέση τιμή της. 20

31 Σχήμα 2.9 Έλεγχος βήματος πτερυγίου. 2. Παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης (passive stall control). Απλό εύρωστο και φθηνό σύστημα που προκαλεί μικρότερες διαταραχές στην ισχύ από ότι μια γρήγορη μεταβολή στη γωνία των πτερυγίων. Η γωνία κλίσης των πτερυγίων είναι σταθερή και επιλέγεται τέτοια τιμή ώστε σε μεγάλες ταχύτητες να διασφαλίζεται η εμφάνιση δινών και στροβιλισμών στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης. Σχήμα 2.10 Παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης. Οι διαταραχές αυτές αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και τις περιορίζουν στο να επενεργήσουν στο δρομέα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται απώλεια στήριξης. Βέβαια αυτός ο τρόπος μηχανικού ελέγχου εμφανίζει μικρή απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες, δεν βοηθάει την εκκίνηση 21

32 και δεν επιτυγχάνεται ακριβής έλεγχος στην ισχύ. Στο σχήμα 2.10 απεικονίζεται ο passive stall control. 3. Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης (active stall control). Στην συγκεκριμένη περίπτωση η απώλεια στήριξης των πτερυγίων ελέγχεται ενεργά με την περιστροφή τους, δηλαδή η μέθοδος αυτή συνδυάζει τις δύο παραπάνω μεθόδους. Σε χαμηλές ταχύτητες τα πτερύγια περιστρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως σε ανεμογεννήτριες με pitch control, προκειμένου να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση. Σε μεγάλες ταχύτητες τα πτερύγια πηγαίνουν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης, στρεφόμενα ελάχιστα σε αντίθετη φορά από αυτή που θα στρέφονταν αν είχαν έλεγχο γωνίας βήματος, επιτυγχάνοντας πιο ομαλό περιορισμό της ενέργειας χωρίς μεγάλες διαταραχές. Βασικό πλεονέκτημα είναι ότι διαχειρίζεται τις αυξομειώσεις στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση καταστάσεων που χρειάζεται άμεση διακοπή της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και επιπλέον βοηθά κατά την εκκίνηση. Ο μηχανισμός είναι είτε υδραυλικός είτε ηλεκτρικός, ο οποίος όμως εισάγει πολυπλοκότητα στον έλεγχο και ανάγκη για συντήρηση. 2.8 Συσκευές Ηλεκτρονικών Ισχύος Η εξέλιξη στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος έχει επιφέρει τη δυνατότητα διαχείρισης ρευμάτων υψηλής τιμής και σημαντικό περιορισμό στις απώλειες τους. Επιπλέον η σχέση της τιμής τους ως προς την ισχύ είναι ένας λόγος που συνεχώς μειώνεται, με αποτέλεσμα το όφελος από τη χρήση των μετατροπέων ισχύος να είναι σαφώς μεγαλύτερο από το κόστος. Μερικές χαρακτηριστικές συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ανεμογεννητριών είναι: Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter), σχήμα Απλή και φθηνή συσκευή που χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας κατά τη σύνδεσή τους στο δίκτυο αφού μειώνουν τα μεταβατικά ρεύματα και κατ επέκταση τις διαταραχές στο δίκτυο. Σχήμα 2.11 Ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής. 22

33 Συστοιχία πυκνωτών, που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ή περιορισμένα μεταβλητής ταχύτητας. Παρέχουν στο σύστημα άεργο ισχύ ώστε να μην απορροφάται από το δίκτυο. Μετατροπείς ισχύος ac/c (ανορθωτές και αντιστροφείς). Οι μετατροπείς ισχύος ac/c και c/ac είναι συσκευές και διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος, όπως διόδους, θυρίστορ ή τρανζίστορ ισχύος, και διακρίνονται σε ανορθωτές ή αντιστροφείς όταν μετατρέπουν το ac ρεύμα σε c και αντίστροφα. Η πιο τυπική λύση ανορθωτή είναι αυτή που χρησιμοποιεί διόδους για ανόρθωση λόγω της απλότητας, του χαμηλού κόστους και των μικρών απωλειών. Βέβαια χρησιμοποιείται μαζί με μια γεννήτρια που μπορεί να ελέγξει την τάση και έναν αντιστροφέα που θα ελέγχει το ρεύμα εκ μέρους του. Αρνητικά του στοιχεία είναι η μη γραμμικότητά του και η παραγωγή αρμονικών ρεύματος. Επίσης, στις περιπτώσεις μηχανών που απαιτείται η ροή ισχύος και ως προς τις δύο κατευθύνσεις, ο ανορθωτής με διόδους αδυνατεί να το υλοποιήσει. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιούνται ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία, όπως IGBT, δίνοντας έτσι την δυνατότητα ελέγχου παρά τις μεγάλες απώλειες αγωγής που παρουσιάζουν. Στις ανεμογεννήτριες με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου δρομέα είναι πολύ χρήσιμη η παρουσία των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, διότι ελέγχοντας την γωνία έναυσης και σβέσης είναι δυνατή η πλήρης εκμετάλλευση της ισχύος που προσφέρει η γεννήτρια. Ο αντιστροφέας συναντάται είτε με θυρίστορ, είτε με GTO είτε με IGBT στοιχεία (ο τρίτος τύπος επικρατεί κιόλας). Η γεννήτρια και ο ανορθωτής θα πρέπει να επιλεγούν το ένα σε συνδυασμό με το άλλο, σε αντίθεση με τον αντιστροφέα που μπορεί να επιλεγεί σχεδόν ανεξάρτητα. Στο σύνολό τους, οι μετατροπείς είναι είτε μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage source converter, VSC) είτε μετατροπείς πηγής ρεύματος (Current source converter, CSC), όπου και οι δύο μπορούν να ελέγξουν και την συχνότητα και την τάση. Οι VSC και CSC μετατροπείς παρέχουν σχετικά καλές κυματομορφές για την τάση και το ρεύμα αντίστοιχα, στα σημεία σύνδεσης με τη γεννήτρια και το δίκτυο. Στην περίπτωση των μετατροπέων πηγής τάσης, η τάση στην διασύνδεση συνεχούς ρεύματος διατηρείται σταθερή από έναν μεγάλο σχετικά πυκνωτή, ενώ για τους μετατροπείς πηγής ρεύματος το ρεύμα στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος διατηρείται σταθερό από ένα μεγάλο πηνίο. Η λογική τους είναι εντελώς διαφορετική και για την παλμοδότησή τους μπορούν να εφαρμοστούν διάφορες τεχνικές όπως: διαμόρφωση πλάτους παλμών (PAM), εξαπαλμικός, διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM). Στα σύγχρονα αιολικά συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας χρησιμοποιείται ο μετατροπέας πηγής τάσης με IGBT και PWM παλμοδότηση. Μετατροπείς συχνότητας, που αποτελούνται κυρίως από έναν ανορθωτή, έναν πυκνωτή και ένα αντιστροφέα. Ο ανορθωτής μετατρέπει από ac σε c το ρεύμα και ο αντιστροφέας από c σε ac, ενώ διευκολύνει και την ροή 23

34 ενέργειας στην ac πλευρά. Η τοπολογία που κυριαρχεί στην αγορά είναι ο διπλός μετατροπέας ac/c/ac (back-to-back), όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα 2.12 Μετατροπέας συχνότητας ac/c/ac (back-to-back). Ο μετατροπέας αυτός είναι αμφίδρομος σε σχέση με την ενέργεια και αποτελείται από δύο συμβατικούς μετατροπείς πηγής τάσης με ημιαγωγικά στοιχεία IGBT και PWM παλμοδότηση, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας DC διασύνδεσης, την οποία αποτελεί ένας μεγάλος πυκνωτής. Αν και εμφανίζει μεγαλύτερες απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία λόγω της μεγαλύτερης διακοπτικής συχνότητας, αυξάνει σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου του, άρα μειώνεται η επίδρασή τους. Η τάση της DC διασύνδεσης ορίζεται σε ένα επίπεδο υψηλότερο από το πλάτος της φασικής τάσης του δικτύου, προκειμένου να επιτευχθεί πλήρης έλεγχος του ρεύματος δικτύου. Ο πυκνωτής μεταξύ του αντιστροφέα και του ανορθωτή κάνει εφικτή την πλήρη αποσύζευξη του ελέγχου των δύο μετατροπέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά της γεννήτριας και του δικτύου. Η ροή ισχύος στο μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου ελέγχεται προκειμένου να διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή και να διορθώνει το συντελεστή ισχύος, ενώ στη πλευρά της γεννήτριας ο έλεγχος εφαρμόζεται με τρόπο που να εξυπηρετεί τις ανάγκες μαγνήτισης και να οδηγεί κάθε φορά στην επιθυμητή ταχύτητα και ισχύ. 24

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΕΓΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) 3.1 Ανάλυση του Μοντέλου Το μοντέλο που θα μελετηθεί και θα αναλυθεί είναι ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Αν και υπάρχουν αρκετές κατηγορίες DFIG, στην ανάλυση που θα πραγματοποιηθεί χρησιμοποιείται η κλασσική μηχανή διπλής τροφοδοσίας όπου το τύλιγμα του στάτη συνδέεται απευθείας στο δίκτυο ενώ ένας μετατροπέας συχνότητας παρεμβάλλεται ανάμεσα στο δρομέα και το δίκτυο που ελέγχει το ρεύμα. Αναλυτικά, το αιολικό σύστημα απεικονίζεται στο σχήμα 3.1 και περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια ισχύος της τάξης των MW, η οποία αποτελείται από: Ανεμοκινητήρα τριών πτερυγίων, Κλασσική επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG), Διπλό μετατροπέα ac/c/ac (back-to-back) Τριφασικό ωμικό-επαγωγικό φορτίο συνδεδεμένο σε σειρά στην πλευρά του δικτύου Σχήμα 3.1 Μοντέλο του αιολικού συστήματος. Για την ανάλυση του ηλεκτρομηχανικού συστήματος και του ελέγχου που εφαρμόζεται πρέπει να οριστεί το μαθηματικό μοντέλο που το περιγράφει. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται είναι το ακριβές μη γραμμικό μοντέλο του συστήματος και το οποίο για το ηλεκτρικό του μέρος έχει αναπτυχθεί στο σύστημα των κάθετων 25

36 αξόνων (-q πλαίσιο αναφοράς) αντί του τριφασικού. Η ανάλυση στο -q πλαίσιο αναφοράς επιβάλλεται διότι είναι καθοριστική για την ανάπτυξη και ανάλυση των μεθόδων ελέγχου. Έτσι η ανάλυση γίνεται στο μετασχηματισμένο, στρεφόμενο στη σύγχρονη ταχύτητα, -q πλαίσιο αναφοράς. Τότε στη μόνιμη κατάσταση όλες οι μεταβλητές κατάστασης του υπό ανάλυση συστήματος μετατρέπονται από ημιτονοειδές σε c μεταβλητές, πράγμα που κάνει εύκολη την ανάλυση του ελέγχου. Σχήμα 3.2 Μετατροπέας συχνότητας ac/c/ac. Ο μετατροπέας συχνότητας, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα και αναφέρθηκε στην ενότητα 2.8, αποτελείται από δύο επιμέρους μετατροπείς, τον μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου (GSC) και τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα (RSC), καθένας από τους οποίους ελέγχεται ανεξάρτητα και συνδέονται με μία DC διασύνδεση. 3.2 Μετασχηματισμός του Park Ο μετασχηματισμός του Park επιτυγχάνει τη μετατροπή του πολύπλοκου μη γραμμικού συστήματος διαφορικών εξισώσεων σε ένα σύστημα δύο κάθετων αξόνων και q. Σε περίπτωση που στη μηχανή εμφανίζονται ασύμμετρα ηλεκτρικά μεγέθη, έχουμε και μια επιπλέον συνιστώσα που ονομάζεται μηδενική. Ο μετασχηματισμός μπορεί να εφαρμοστεί κάθε χρονική στιγμή σε τριφασικά συστήματα που εξαρτώνται από τον χρόνο, έτσι μπορεί να συμπεριλάβει είτε τη μόνιμη είτε τη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Θεωρώντας γωνία: θ = ωt + θ 0, (3.2.1) με ω κάποια αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t το χρόνο και θ 0 την αρχική γωνία ο μετασχηματισμός συμβολίζεται με P q0 και μεταφέρει κάποιο σύνολο μεταβλητών από το τριφασικό σύστημα a-b-c στο σύστημα κάθετων -q αξόνων σύμφωνα με τη σχέση: 26

37 Χ X q = P q0 X 0 X a X b X c (3.2.2) Σχήμα 3.3 Διάγραμμα των abc και -q πλαισίων αναφοράς. Η μήτρα του μετασχηματισμού Park, που απλά λέγεται μετασχηματισμός Park, δίνεται από τον τύπο: P q0 = 2 3 cos θ cos θ 2π cos θ + 2π 3 3 sin θ sin θ 2π sin θ + 2π Ενώ ο αντίστροφος του μετασχηματισμού Park είναι: (3.2.3) cos θ sin θ 1 P q0 1 = cos θ 2π sin θ 2π (3.2.4) cos θ + 2π sin θ + 2π Καθορίζεται ο θετικός q άξονας να προηγείται του θετικού άξονα κατά π 2. Σημαντικό πλεονέκτημα της παραπάνω διαδικασίας είναι, ότι στη μόνιμη κατάσταση όλα τα εναλλασσόμενα μεγέθη μετατρέπονται σε συνεχή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανεξαρτησία των αυτεπαγωγών από την θέση του δρομέα στις επαγωγικές μηχανές και επιπλέον, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις το σύστημα εξισώσεων της μηχανής μετατρέπεται από μη γραμμικό σε γραμμικό και από συζευγμένο σε 27

38 αποσυζευγμένο. Καθοριστικό ρόλο στα παραπάνω έχει ο προσανατολισμός του πλαισίου αναφοράς. Τα ρεύματα και οι τάσεις των ηλεκτρικών συστημάτων συνήθως εμπλέκονται στο χώρο κατάστασης μέσω διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Οι εξισώσεις αυτές μπορούν να μετασχηματιστούν στο νέο πλαίσιο αναφοράς με τον εξής τρόπο: Παραγωγίζοντας ως προς τον χρόνο τη σχέση (3.2.2) προκύπτει: X a Χ X q = P t t q0 X b + P q0 X b (3.2.5) t X 0 X c X c Αναλύοντας την παραπάνω σχέση: X a P q0 X b = t t X c Χ X q Έπειτα από πράξεις προκύπτει: X a P q0 X b = t t X c Για την ισχύ η σχέση είναι: X a Χ X q P t q0 P q0 1 (3.2.6) X 0 X 0 Χ X q X a ω X b (3.2.7) X X c v T P(t) = 3 v q [i i q i 0 ] (3.2.8) 2 v Μοντέλο Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου Η λειτουργία του ελεγχόμενου αντιστροφέα είναι να μετατρέπει την συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη τάση ελεγχόμενου πλάτους. Είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο και είναι υπεύθυνος για την παραγωγή ac τάσης με μειωμένο το επίπεδο του αρμονικού περιεχομένου. Ο μετατροπέας συνδέεται με την DC πλευρά μέσω του πυκνωτή, που με βάση την τιμή της τάσης του στέλνει ισχύ προς το δίκτυο, και με την ac πλευρά του τριφασικού δικτύου μέσω του R-L φίλτρου (σχήμα 3.4). Αποτελείται από IGBT στοιχεία ισχύος και μέσω του φίλτρου επιτυγχάνεται η εξάλειψη των αρμονικών που φτάνουν στο δίκτυο αλλά και ο έλεγχος της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Οι σχέσεις που περιγράφουν το φίλτρο R-L στο τριφασικό σύστημα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.4 είναι: 28

39 όπου: U a U b = R f U c I af I bf I af I bf V af V bf + L f + (3.3.1) t I cf I cf V cf U a, U b, U c I af, I bf, I cf είναι η στιγμιαία τιμή της τάσεως του δικτύου στις φάσεις a, b, c είναι η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του φίλτρου στις φάσεις a,b,c V af, V bf, V cf είναι η στιγμιαία τιμή της τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα στις φάσεις a, b και c R f R L f είναι η αντίσταση του R-L φίλτρου είναι η αυτεπαγωγή του R-L φίλτρου Σχήμα 3.4 Μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου (GSC). Εφαρμόζοντας το μετασχηματισμό του Park στην παραπάνω εξίσωση προκύπτει: U a P q0 U b = R f R P U c I af q0 I bf + L f P q0 t I cf I af I bf V af V bf + P q0 (3.3.2) I cf V cf U gri = R U f I f + L qgri I f I f + ω L qf t I f 0 1 qf 1 0 I f + V f (3.3.3) I qf V qf όπου: U gri, U qgri είναι η τιμή της τάσης του δικτύου στον και q άξονα αντίστοιχα I f, I qf είναι η τιμή του ρεύματος του φίλτρου στον και q άξονα 29

40 V f, V qf είναι η τιμή της τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα στον και q άξονα ω είναι η συχνότητα μετασχηματισμού Λύνοντας την σχέση (3.3.3) ως προς την παράγωγο του ρεύματος προκύπτει: L f I f = U gri R t I qf U f I f ω L qgri I f 0 1 qf 1 0 I f V f (3.3.4) I qf V qf Αναπτύσσοντας την (3.3.4) έχουμε: t I f = 1 L f U gri - R f L f I f + ω I qf V f L f (3.3.5) t I qf = 1 L f U qgri R f L f I qf ω I f V qf L f (3.3.6) Η ενεργός και άεργος ισχύς του δικτύου θα δίνονται από τις σχέσεις: P gri = 3 2 U grii f + U qgri I qf (3.3.7) Q gri = 3 2 U qgrii f U gri I qf (3.3.8) Η ενεργός και άεργος ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα, στην πλευρά του δικτύου είναι τελικά: P f = 3 2 V fi f + V qf I qf (3.3.9) Q f = 3 2 V qfi f V f I qf (3.3.10) Θεωρώντας συμμετρική τάση δικτύου με σταθερό πλάτος και συχνότητα, οι συνιστώσες της τάσης δικτύου στο σύγχρονο στρεφόμενο πλαίσιο δύο κάθετων αξόνων -q είναι σταθερές. Έτσι παραγωγίζοντας τις σχέσεις (3.3.7) και (3.3.8) ως προς τον χρόνο, προκύπτει: t P gri = 3 2 U gri t I f + U qgri t I qf (3.3.11) t Q gri = 3 2 U qgri t I f U gri t I qf (3.3.12) Κάνοντας χρήση των σχέσεων (3.3.7) και (3.3.8) για να εκφραστούν τα ρεύματα του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου ως προς τις ισχείς, αλλά και των διαφορικών εξισώσεων (3.3.5) και (3.3.6), από τις σχέσεις (3.3.11) και (3.3.12) προκύπτουν οι διαφορικές εξισώσεις: 30

41 P t gri= R f P L gri ω Q gri 3 U gri V f +U qgri V qf + (3.3.13) f 2 L f 2 2 U gri +U qgri L f Q t gri = ω P gri R f Q L gri 3 U qgri V f U gri V qf (3.3.14) f 2 L f 3.4 Δυναμική του Μηχανικού Μέρους του Ανεμοκινητήρα Για το στρεφόμενο μηχανικό μέρος του ανεμοκινητήρα, θεωρείται στρεφόμενο μοντέλο δύο μαζών με ροπές αδράνειας J rot και J gen, που αντιστοιχούν στον έλικα περιστροφής και στο δρομέα της γεννήτριας. Η σύνδεση γίνεται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων με λόγο μετασχηματισμού στροφών n g. Τα παραπάνω απεικονίζονται και στο σχήμα 3.5. Θεωρώντας ότι η ελαστικότητα στον άξονα του έλικα και της γεννήτριας ουσιαστικά λειτουργεί ως μηχανικό φίλτρο για τη μέση τιμή της θέσης και παραλείποντας την μαζί με τις απώλειες, ισχύει: ω r = n g ω rot (3.4.1) προκύπτει επομένως ότι οι ροπές συνδέονται με τη σχέση: n g Τ gen = n g T m = T rot (3.4.2) Σχήμα 3.5 Στρεφόμενο μηχανικό μέρος ανεμοκινητήρα. Παραγωγίζοντας την παραπάνω σχέση προκύπτει: ω t rot = 1 n g t ω r (3.4.3) Οπότε: J rot = 1 n g t ω r = - T rot + n g T m (3.4.4) 31