Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΗΕ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΞΕΝΑΚΗ ΣΤΑΥΡΟΥ του Εμμανουήλ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΠΕ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Επιβλέπων Αλεξανδρίδης Αντώνιος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΠΕ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΞΕΝΑΚΗ ΣΤΑΥΡΟΥ του Εμμανουήλ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 5/10/2016 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΑΠΕ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Φοιτητής: Ξενάκης Σταύρος Επιβλέπων: Αλεξανδρίδης Αντώνιος Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση μιας γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος. Το σύστημα που μελετάμε αποτελείται από μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος, έναν αντιστροφέα για μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, έναν πυκνωτή, ένα μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, καθώς και έναν κόμβο. Θα αναπτυχθούν δυο μοντέλα. Στο πρώτο θα συνδέσουμε στον κόμβο κάποια r-l-c φορτία και μια δεύτερη πηγή τάσης, ενώ στο δεύτερο θα συνδέσουμε μόνο τα φορτία στον κόμβο. Σε αυτό το σύστημα θα εφαρμοστεί μια στρατηγική ελέγχου των δυο μετατροπέων, με σκοπό τον έλεγχο της ισχύος που μεταφέρεται κατά μήκος της γραμμής και την εξασφάλιση της ευσταθούς και βέλτιστης λειτουργίας αυτής. Το υπό μελέτη σύστημα θα υλοποιηθεί στο περιβάλλον Simulink του Matlab και για διάφορες ρεαλιστικές τιμές των διαφόρων παραμέτρων θα εξετάσουμε την συμπεριφορά του μοντέλου που προκύπτει. Η εργασία αποτελείται από πέντε κεφάλαια, το καθένα από τα οποία πραγματεύεται ένα διαφορετικό θέμα γύρω από τη διαδικασία δημιουργίας του μοντέλου του συστήματος μας, καθώς και τις διάφορες περιπτώσεις στις οποίες μπορεί να γίνει εφαρμογή και χρήση του. 3 3

4 Αναλυτικότερα: Το πρώτο κεφάλαιο πραγματεύεται τις γραμμές συνεχούς ρεύματος, αναλύοντας το ρόλο που έχουν στην μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) με έμφαση στην αιολική ενέργεια, καθώς για τη σύνδεσή της στο δίκτυο χρησιμοποιείται γραμμή μεταφοράς σαν αυτή που μοντελοποιήσαμε. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία εξαγωγής των δυο μοντέλων του συστήματος με τη χρήση των διαφόρων μαθηματικών εξισώσεων που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η στρατηγική ελέγχου που εφαρμόστηκε σε κάθε μοντέλο και εξηγείται η λειτουργία της. Στο τελευταίο κεφάλαιο κάνουμε κάποιες προσομοιώσεις εκτελώντας τα δυο μοντέλα και παρατηρώντας τις τελικές τιμές και κυμματομορφές που μας δίνει το σύστημα σε κάθε περίπτωση. ABSTRACT The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a High Voltage Direct Current (HVDC) transmission line. The system that we are to analyze consists of a three-phase ac voltage source, an alternative to direct current converter, a capacitor, a direct to alternative current converter and a node with which the ac side of the second converter is connected. Two models will be developed. In the first r-l-c loads and a second ac voltage source will be connected to the node and in the second only the loads will be connected to the node. To the system we will apply a control strategy in order to regulate the power that is transmitted along the line and ensure the stability and good operation of the model. The model described above, will be developed in Simulink environment, which is included in Matlab. 4 4

5 The thesis consists of five chapters, each of which concerns a different part of the modeling procedure of our electric system as well as some different cases in which this system can be used. In the first chapter we analyze the direct current lines, the role they play in the transmission of the electrical power and also the advantages and disadvantages of them compared to the alternative current transmission lines. In the second chapter we deal with the renewable energy sources, giving more attention to the wind power, because of the fact that for the connection of a wind farm to the grid, a transmission line, like the one we are to develop, is used. In the third chapter we analyze the procedure of creating the two mathematical models of our system, using the differential equations that describe their operation. In the fourth chapter the control strategy of the two models is described and analyzed. In the last chapter we run some simulations of the two models we have developed and present their results, including the plots of the most important values. 5 5

6 Περιεχόμενα 1. ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΓΕΝΙΚΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΧΡΗΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

7 4. ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΛΑΤΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ(PWM) PI ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Από τα πρώτα χρόνια ανάπτυξης των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας παρατηρούμε ότι η παραγωγή της ενέργειας γίνεται σε απόσταση αρκετών χιλιομέτρων από τους καταναλωτές στους οποίους πρέπει να φτάσει. Επομένως η χρήση γραμμών μεταφοράς μεγάλου μήκους καθίσταται απαραίτητη. Προφανώς η ροή του ρεύματος κατά μήκος αγωγών πολλών χιλιομέτρων συνεπάγεται και μεγάλες απώλειες. Τη λύση για τον περιορισμό των απωλειών αυτών αποτελεί η ύψωση της τάσης σε κάποια υψηλή τιμή, καθώς αυτό οδηγεί σε μείωση της τιμής της ηλεκτρικής έντασης και κατά συνέπεια σε ελάττωση των απωλειών. Η μείωση της ενέργειας που χάνεται με αυτό τον τρόπο, προκύπτει καθώς οι ενεργειακές απώλειες εξαρτώνται γραμμικά από την τιμή του ρεύματος και είναι της μορφής P=I*R (όπου R η αντίσταση της γραμμής). Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα που άρχισαν να αναπτύσσονται τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, η ύψωση της τιμής της τάσης μπορούσε σχετικά εύκολα να επιτευχθεί με τη χρήση μετασχηματιστών. Η λειτουργία αυτών των συσκευών απαιτεί την ύπαρξη εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, επομένως είναι φανερό ότι η χρήση των μετασχηματιστών θα μπορούσε να εφαρμοστεί μόνο σε γραμμές εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτός είναι και ο λόγος που η χρήση του εναλλασσόμενου ρεύματος επικράτησε από τότε έναντι του συνεχούς ρεύματος, καθώς μόνο αυτό μπορούσε να μεταφερθεί οικονομικά με τη βοήθεια των μετασχηματιστών. Ωστόσο με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών και ημιαγωγικών στοιχείων όπως τα θυρίστορ, άρχισε να γίνεται εφικτή η μετατροπή της τιμής της τάσης συνεχούς ρεύματος καθώς και η μετατροπή συνεχούς σε εναλλασσόμενο. Έτσι από τις αρχές του εικοστού αιώνα ξεκίνησαν να πραγματοποιούνται κάποιες εφαρμογές γραμμών μεταφοράς συνεχούς ρεύματος, οι οποίες μετέφεραν ωστόσο χαμηλά ποσά ισχύος. Μετά το τέλος του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου, γραμμές συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν στην πράξη για τη διανομή ισχύος, με τις πρώτες γραμμές να εμφανίζονται στην τότε Σοβιετική Ένωση και στην Σουηδία το 1954, ξεκινώντας μια νέα εποχή για την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. 8 8

9 Από τότε υπήρξε ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος και πλέον έχουμε ευρεία χρήση γραμμών συνεχούς ρεύματος. 1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σε αυτό το υποκεφάλαιο αναλύονται τα οφέλη και τα προβλήματα που συνοδεύουν τη χρήση των γραμμών συνεχούς ρεύματος σε σχέση με αυτές που λειτουργούν με εναλλασσόμενο. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Η δυνατότητα μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για μεγάλες αποστάσεις με χαμηλότερες απώλειες, σε σχέση με τις γραμμές εναλλασσόμενου ρεύματος (οι γραμμές μεταφοράς συνεχούς ρεύματος εμφανίζουν περίπου 3% απώλειες ανά 100 χιλιόμετρα). Εμφανίζουν μεγαλύτερη αποδοτικότητα σε σχέση με τις γραμμές εναλλασσόμενου ρεύματος σε ένα σημαντικό αριθμό εφαρμογών, με κύριο παράδειγμα αυτό της μεταφοράς ρεύματος μέσω υποθαλάσσιων καλωδίων, όπου η μεγάλη χωρητικότητα προκαλεί αυξημένες απώλειες σε AC γραμμές μεταφοράς. Σημαντική εφαρμογή το Baltic Cable μήκους 250 χιλιομέτρων που συνδέει το ηλεκτρικό σύστημα της Σουηδίας με αυτό της Γερμανίας. Δυνατότητα μεταφοράς της ενέργειας απευθείας από την παραγωγή σε κάποιο απομακρυσμένο φορτίο, χωρίς την ανάγκη τοποθέτησης σε ενδιάμεσα σημεία μετασχηματιστών για την ρύθμιση της τιμής της τάσης. Αυξάνουν την ικανότητα ενός υπάρχοντος δικτύου, στις περιπτώσεις όπου πρόσθετα καλώδια είναι δύσκολο ή δαπανηρό να εγκατασταθούν. Επιτρέπουν την μεταφορά ενέργειας μεταξύ μη συγχρονισμένων γραμμών εναλλασσόμενου ρεύματος. Για δεδομένη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας απαιτείται μικρότερος αριθμός καλωδίων και πυλώνων, έχοντας σαφέστατο οικονομικό όφελος. Δυνατότητα σύνδεσης μιας απομακρυσμένης μονάδας παραγωγής απευθείας στο δίκτυο διανομής. Παράδειγμα αυτής της εφαρμογής το Nelson River Bipole στον Καναδά. Συμβάλουν στην διατήρηση της ευστάθειας AC δικτύων χωρίς να αυξάνουν το μέγιστο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Η σύνδεση HVDC μεταξύ γραμμών διανομής εναλλασσόμενου ρεύματος, μπορεί να οδηγήσει στην αποτροπή 9 9

10 των λεγόμενων cascading failures, όπου ο αποσυγχρονισμός ενός τμήματος του AC δικτύου προκαλεί τον αποσυγχρονισμό και άλλων τμημάτων. Η τιμή και η κατεύθυνση της ισχύος στην HVDC γραμμή, μπορεί άμεσα να ελεγχθεί και να μεταβληθεί κατάλληλα, ώστε να διατηρηθεί η ευστάθεια του συνολικού συστήματος. Μειώνουν το κόστος της γραμμής, εφόσον μια HVDC γραμμή μεταφοράς απαιτεί λιγότερους αγωγούς. Για παράδειγμα μια διπολική HVDC απαιτεί δύο αγωγούς σε αντίθεση με τρεις που απαιτεί μια αντίστοιχη γραμμή HVAC. Έχουμε μειωμένες απώλειες corona, καθώς η μόνιμη τάση λειτουργίας μιας γραμμής μεταφοράς συνεχούς ρεύματος, είναι χαμηλότερη από την μέγιστη (peak) τιμή της τάσης μιας γραμμής μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος, για την μεταφορά ίδιας ποσότητας ισχύος. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οι σταθμοί μετατροπής (converter stations) που απαιτούνται για την σύνδεση των HVDC σε AC δίκτυο έχουν αρκετά υψηλό κόστος. Επίσης οι υποσταθμοί μετατροπής (converter substations) των δικτύων μεταφοράς συνεχούς ρεύματος, είναι πιο πολύπλοκοι σε σχέση με τους αντίστοιχους των HVAC δικτύων, όχι μόνο εξαιτίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων, αλλά και εξαιτίας των αρκετά σύνθετων συστημάτων ελέγχου που απαιτούνται. Η σχεδίαση και λειτουργία ενός μεγάλου δικτύου μεταφοράς HVDC με πολλές διασυνδέσεις είναι μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία. Ο έλεγχος της ροής ισχύος απαιτεί τη συνεχή επικοινωνία με όλα τα σημεία διασυνδέσεως. Αυτά τα δεδομένα συλλέγει το σύστημα ελέγχου, ώστε να εφαρμόζει ενεργό έλεγχο της ισχύος. Η λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, συνοδεύεται από την δημιουργία ανώτερων αρμονικών ρεύματος και τάσης, καθώς επίσης και από την κατανάλωση ποσοτήτων αέργου ισχύος. Έτσι καθίσταται απαραίτητη η χρήση φίλτρων για τον περιορισμό των ανώτερων αρμονικών, όπως και μονάδων αντιστάθμισης αέργου ισχύος, γεγονός το οποίο αυξάνει αισθητά το κόστος. Κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώματος στο AC δίκτυο, στο οποίο συνδέεται μια HVDC γραμμή μεταφοράς, το σφάλμα περνά και στη γραμμή συνεχούς ρεύματος. Μάλιστα ο υποσταθμός στην πλευρά του inverter μπορεί να επηρεαστεί περισσότερο από τέτοια σφάλματα, ενώ βραχυκύκλωμα στην έξοδο του inverter μπορεί να οδηγήσει και σε ολικό σφάλμα στην HVDC γραμμή και σε διακοπή της λειτουργίας της

11 Σε ένα δίκτυο μεταφοράς συνεχούς ρεύματος, με πολλές διασυνδέσεις, ο αριθμός των υποσταθμών, δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερος από έξι ή οκτώ, ενώ μεγάλες διαφορές μεταξύ των ισχύων αυτών δεν επιτρέπονται. Επομένως είναι πρακτικά αδύνατο να κατασκευαστεί ένα δίκτυο μεταφοράς HVDC με παραπάνω από πέντε υποσταθμούς. Οι υψηλής συχνότητας συσκευές που συναντάμε στα συστήματα μεταφοράς συνεχούς ρεύματος μπορούν να προκαλέσουν θόρυβο στις τηλεπικοινωνιακές γραμμές που βρίσκονται κοντά στην HVDC γραμμή μεταφοράς. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται στην γραμμή μεταφοράς κατάλληλα φίλτρα, τα οποία όμως έχουν αρκετά υψηλό κόστος. Η γείωση μιας γραμμής μεταφοράς συνεχούς ρεύματος αποτελεί μια δύσκολη και περίπλοκη διαδικασία, καθώς θα πρέπει να εξασφαλιστεί μόνιμη και αξιόπιστη επαφή με τη γη. Η ροή ρεύματος μέσα από τη γη σε μονοπολικά συστήματα, μπορεί να προκαλέσει την διάβρωση των μεταλλικών κατασκευών που βρίσκονται κάτω από το έδαφος, όπως διαφόρων ειδών σωληνώσεις. Όπως διαπιστώνεται, η χρήση των γραμμών συνεχούς ρεύματος συνδέεται με αρκετά μειονεκτήματα, όπως και πλεονεκτήματα. Έτσι η χρήση τους σε κάποιες περιπτώσεις αποτελεί ιδανική επιλογή, ενώ σε άλλες συνθήκες δεν είναι καθόλου συμφέρουσα και έτσι δεν χρησιμοποιείται. 1.3 ΧΡΗΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα παρουσιαστούν διάφορες εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται γραμμές μεταφοράς συνεχούς ρεύματος. ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΣΜΕΝΩΝ ΑΠΕ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυξάνεται με έντονο ρυθμό τα τελευταία χρόνια για τα οικολογικά και όχι μόνο πλεονεκτήματα που προσφέρει. Κυρίαρχες μορφές ενέργειας είναι η υδροηλεκτρική, η αιολική και η ηλιακή. Όσο για την υδροηλεκτρική ενέργεια, το μεγαλύτερο μέρος της, 11 11

12 παράγεται κοντά στις περιοχές κατανάλωσης και έτσι η χρήση γραμμών συνεχούς ρεύματος είναι περιορισμένη. Κάτι τέτοιο όμως δεν ισχύει και στην περίπτωση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Σε πολλές περιπτώσεις αιολικά πάρκα, καθώς και κέντρα παραγωγής ηλιακής ενέργειας, βρίσκονται εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά από τους καταναλωτές. Επιπλέον η επικράτηση των θαλάσσιων αιολικών πάρκων δημιούργησε ακόμα μεγαλύτερη ανάγκη χρήσης HVDC γραμμών μεταφοράς, καθώς γραμμές μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος τόσο μεγάλου μήκους, θα προκαλούσαν προβλήματα ευστάθειας στο δίκτυο. Εικόνα 1.1 Τυπικό διάγραμμα για τη διασύνδεση αιολικής ενέργειας σε ac δίκτυο.[1] Εικόνα 1.2 Μεταφορά ενέργειας από φωτοβολταϊκή συστοιχία σε καταναλωτές.[2] 12 12

13 Εικόνα 1.3 Τροφοδότηση ac δικτύου μέσω HVDC διασυνδέσεων ΑΠΕ.[3] ΥΠΟΘΑΛΑΣΣΙΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΣΜΕΝΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ Οι υποθαλάσσιες συνδέσεις έχουν πολύ ενδιαφέρον, ιδιαίτερα στην περίπτωση της Ελλάδας. Ο μεγάλος αριθμός μικρών και μεγάλων νησιών που υπάρχει στο Αιγαίο πέλαγος και οι αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες αυτών, οδηγούν στην ανάγκη διασύνδεσης μεταξύ τους καθώς και με το ηπειρωτικό δίκτυο. Έτσι, προς αυτή την κατεύθυνση γίνονται μελέτες από τις οποίες έχουν προκύψει διάφορα σενάρια για την διασύνδεση των διαφόρων νησιών. Οι διασυνδέσεις που υπάρχουν μέχρι στιγμής είναι εναλλασσόμενου ρεύματος. Ωστόσο σε κάποιες περιπτώσεις απομακρυσμένων νησιών, όπως η Κρήτη, η χρήση HVDC γραμμής είναι η μόνη επιλογή. Μερικά από αυτά τα σενάρια έχουν αποφασιστεί και αναμένεται να υλοποιηθούν, ενώ άλλα βρίσκονται ακόμα υπό μελέτη. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι υπάρχουσες υποθαλάσσιες διασυνδέσεις είναι δύο για το Αιγαίο. Η μια είναι 150 kv μεταξύ Εύβοιας, Άνδρου και Τήνου και η δεύτερη είναι 66 kv μεταξύ Τήνου, Σύρου και Μυκόνου ,

14 Εικόνα 1.4 Υπάρχουσες και μελλοντικές υποθαλάσσιες διασυνδέσεις μεταξύ των διαφόρων νησιών.[4] Εικόνα 1.5 Σενάριο διασύνδεσης της Κρήτης με το ηπειρωτικό δίκτυο

15 Επιπλέον οι υποθαλάσσιες συνδέσεις χρησιμοποιούνται και για την διασύνδεση επιμέρους δικτύων για τον σχηματισμό ενός κοινοτικού δικτύου. Παράδειγμα μιας τέτοιας διασύνδεσης, αποτελεί η γραμμή μεταξύ του υποσταθμού στην Galatina (Ιταλία) και του υποσταθμού στον Άραχθο( Ελλάδα) μέσω της οποίας η χώρα μας συνδέεται στο ευρύτερο ευρωπαϊκό ηλεκτρικό δίκτυο. Η γραμμή αποτελεί μια μονοπολική HVDC διασύνδεση με ονομαστική τάση 400 kv και μεταφορική ικανότητα στα 500mw. Εικόνα 1.6 Χάρτης HVDC διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας. ΥΠΕΡΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ Οι υπερδιασυνδέσεις (Super Interconnectors) αποτελούν την ενεργειακή διασύνδεση γειτονικών χωρών όπως επίσης και διαφορετικών περιοχών της ίδιας χώρας μέσω HVDC συστημάτων μεταφοράς ενέργειας. Μπορεί αυτές οι υπερδιασυνδέσεις να είναι εμπορικές συνδέσεις για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε φυσιολογικές συνθήκες, όμως βασικός σκοπός τους είναι η αμοιβαία υποστήριξη μεταξύ δικτύων σε περίπτωση ανάγκης ή σφαλμάτων. Όσον αφορά στην Ευρώπη, από το 2008 μετά από συνένωση επιμέρους οργανισμών, έχει προκύψει η ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators of Electricity). Αυτός ο οργανισμός ασχολείται με τον σχεδιασμό της ανάπτυξης του δικτύου της Ευρώπης με στόχο την δημιουργία ενός ενιαίου δικτύου που θα προσφέρει πιο οικονομική και καλύτερης ποιότητας ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από 42 διαφορετικά συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, σε 35 διαφορετικές χώρες της Ευρώπης. Προφανώς ένας από τους βασικούς στόχους για τα επόμενα χρόνια είναι η εισαγωγή στο ενιαίο αυτό δίκτυο μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, με την παράλληλη διατήρηση της ασφάλειας και ευστάθειας του δικτύου

16 Εικόνα 1.7 Διασυνδέσεις υποσυστημάτων στο ευρύτερο Ευρωπαϊκό δίκτυο. Εικόνα 1.8 Σενάριο υπερδιασυνδέσεων για μεταφορά ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές

17 Μια άλλη σημαντική μελέτη που αφορά στην περιοχή της Μεσογείου είναι αυτή για την κατασκευή του Mediterranean Electric Ring. Η μελέτη ξεκίνησε το 2002 και διερευνούσε την πιθανότητα κατασκευής διασυνδέσεων μεταξύ χωρών της Μεσογείου που θα διευκόλυνε τις ανταλλαγές ενέργειας και θα βελτίωνε τη σταθερότητα του συστήματος. Η μελέτη περιλαμβάνει τη διασύνδεση των ηλεκτρικών συστημάτων 22 χωρών γύρω από τη Μεσόγειο. Κάποιες από αυτές τις συνδέσεις έχουν πραγματοποιηθεί, όπως αυτές μεταξύ Μαρόκου-Ισπανίας,Μαρόκου-Αλγερίας-Τυνησίας και Λιβύης- Αιγύπτου. Τον Απρίλιο του 2010 μια μελέτη δημοσιεύτηκε σχετικά με το πώς θα μπορούσαν να γίνουν οι υπόλοιπες συνδέσεις, ώστε να ολοκληρωθεί αυτό το δαχτυλίδι της Μεσογείου. Μάλιστα αυτή η μελέτη περιλαμβάνει και διασύνδεση μεταξύ Κρήτης και Αιγύπτου. Ωστόσο αυτά τα σχέδια αποτελούν πολύ μεγάλα έργα και αναμένεται να διαπιστωθεί πώς και πότε θα ολοκληρωθούν. Εικόνα 1.9 Mediterranean Ring project

18 Εικόνα 1.10 Μελέτη ηλεκτρικής διασύνδεσης της Κρήτης με την Αίγυπτο. Προφανώς οι υπερδιασυνδέσεις μέσω HVDC συστημάτων μεταφοράς έχουν ευρεία εφαρμογή σε όλο τον κόσμο. Σημαντικές περιπτώσεις αυτών συναντόνται στην Βόρεια Αμερική, καθώς και στις διασυνδέσεις της Ρωσίας με Κίνα και Ιαπωνία. Ωστόσο σε αυτό το υποκεφάλαιο δεν θα υπάρξει περεταίρω ανάλυση του θέματος αυτού. Απλά παρατίθενται κάποια στοιχεία και δεδομένα, τα οποία αφορούν στο ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. 1.4 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] powerplants.html [2] ms.asp [3] [4]

19 [5] [6] [7] [8] [9] workshop% /presentations/session%203_benini_rse.pdf [10] _1.html [11] [12] [13]

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, εδώ και κάποιες δεκαετίες, έχουν μπει για τα καλά στο πεδίο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η εφαρμογή μεθόδων αξιοποίησης τους, αλλά και η ανάπτυξη και εξέλιξή τους αποτελούν βασικό μέρος της μελέτης του ηλεκτρολόγου μηχανικού που ασχολείται με τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Πλέον όλες οι μελέτες που γίνονται για τον σχεδιασμό των μελλοντικών ΣΗΕ σε όλες τις αναπτυγμένες, κυρίως, χώρες περιλαμβάνουν συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες που εμφανίστηκαν από τα μέσα του εικοστού αιώνα, η αστάθεια των τιμών των ορυκτών καυσίμων, αλλά και η συνειδητοποίηση ότι αυτά είναι περιορισμένα, ανάγκασαν τους μηχανικούς να ασχοληθούν με τις εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Σήμερα η περιβαλλοντική συνείδηση που καλλιεργείται σιγά σιγά σε παγκόσμιο επίπεδο και κυρίως η προσπάθεια περιορισμού της εκπομπής C, που προέρχεται από την καύση των συμβατικών καυσίμων, συμβάλει σε περεταίρω εξάπλωση και εφαρμογή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Επομένως μπορούμε να ισχυριστούμε ότι η ευρεία χρήση των ΑΠΕ στο μέλλον μπορεί να δώσει λύση στο ήδη υφιστάμενο ενεργειακό πρόβλημα, αλλά και να συμβάλει στη διατήρηση του πλανήτη βελτιώνοντας τους περιβαλλοντικούς δείκτες. Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές, δεν περιλαμβάνει καμία ενεργητική παρέμβαση όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, απλά την εκμετάλλευση της υπάρχουσας ενέργειας στη φύση. Η διαδικασία αυτή είναι απόλυτα φιλική προς το περιβάλλον, αφού δεν συνοδεύεται από εκπομπές βλαβερών αερίων, όπως C ή οποιωνδήποτε άλλων τοξικών αποβλήτων. Επιπλέον, αυτή η υπάρχουσα ενέργεια στη φύση, όπως η ενέργεια του ανέμου ή η ηλιακή ενέργεια, εξαρτάται από τις επιμέρους καιρικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του κάθε τόπου και μπορούμε να πούμε ότι είναι ανεξάντλητη. Αξίζει να σημειωθεί, ότι μέχρι σήμερα η συνεισφορά των ανανεώσιμων πηγών στο σύνολο της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται, δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Ωστόσο γίνονται προσπάθειες και θέτονται στόχοι για μεγαλύτερη 20 20

21 αξιοποίησή τους μέσα στα επόμενα χρόνια. Σύμφωνα με το διεθνή οργανισμό ενέργειας (International Energy Agency) το 2012 η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, έφτασε το 13,2% του συνόλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το 2013 το 22%, ενώ μέχρι το 2020 προβλέπεται αύξηση στο 26%. Όσο αφορά στην Ελλάδα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από εναλλακτικές πηγές, εκτιμάται στο 17-18% του συνόλου, ενώ μέχρι το 2020 υπολογίζεται αύξηση στο 20%. ΕΙΔΗ ΑΠΕ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΩΚΕΑΝΟΥΣ (ΑΠΟ ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΑ) ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Αυτές αποτελούν τις βασικές μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και φυσικά το εύρος της χρήσης της κάθε μιας ποικίλει σε κάθε γεωγραφική περιοχή, ανάλογα με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που συναντάμε εκεί και τις ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Όπως συμβαίνει με όλες τις τεχνικές και εφαρμογές που χρησιμοποιούνται για να παραχθεί κάτι, έτσι και η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συνδέεται με κάποια πλεονεκτήματα και κάποια μειονεκτήματα, τα οποία αναλύονται παρακάτω

22 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ενεργειακή αυτονομία Η εγκατάσταση μονάδων παραγωγής ΑΠΕ σε τοπικό επίπεδο, οδηγεί σε ένα βαθμό στην ενεργειακή αυτάρκεια του τόπου και στην απαλλαγή από τις τεράστιες μονάδες παραγωγής συμβατικών καυσίμων, όπως το πετρέλαιο. Η εγκατάσταση μονάδων ΑΠΕ εκμεταλλευόμενη τους εκάστοτε διαθέσιμους ενεργειακούς πόρους, μπορεί να καλύψει σε ένα ποσοστό τις ενεργειακές ανάγκες του τοπικού πληθυσμού και σε συνδυασμό με μια μικρή συμβατική μονάδα παραγωγής αποτελεί μια ικανοποιητική λύση σε πολλές περιπτώσεις. Επιπλέον η χρονική διάρκεια κατασκευής των μονάδων ΑΠΕ είναι συνήθως μικρή και έτσι μπορούν να καλυφθούν άμεσα οι προκύπτουσες ενεργειακές ανάγκες. Προφανώς η τοπική ηλεκτροδότηση από εναλλακτικές πηγές ενέργειας σημαίνει και χαμηλότερες απώλειες, αλλά και κόστος για τη μεταφορά της ενέργειας, καθώς η παραγωγή αυτής γίνεται κοντά στους καταναλωτές. Τα διάφορα ελληνικά νησιά, τα οποία δεν συνδέονται στο ηπειρωτικό δίκτυο της χώρας, αποτελούν ιδανικό παράδειγμα, καθώς θα μπορούσε η αξιοποίηση κυρίως της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας να καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος των αναγκών των κατοίκων συμβάλλοντας στην ενεργειακή αυτονομία των νησιών. Περιβάλλον Η εγκατάσταση και η λειτουργία μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές είναι απολύτως φιλική στο περιβάλλον. Η απουσία καύσης κάποιου ορυκτού καυσίμου, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των συμβατικών εργοστασίων παραγωγής ενέργειας, συμβάλλει στην μη απελευθέρωση επικινδύνων αερίων, όπως μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου και άλλων τοξικών ρύπων. Το δεδομένο αυτό είναι πολύ σημαντικό, αν αναλογιστούμε ότι βρισκόμαστε σε μια περίοδο όπου η διεθνής επιστημονική κοινότητα προειδοποιεί, ότι περεταίρω επιβάρυνση του πλανήτη μπορεί να έχει μη αναστρέψιμες συνέπειες. Είναι ίσως ο βασικός λόγος για τον οποίο, όλα τα μεγάλα κράτη και οι διεθνείς οργανισμοί σχετικοί με την ενέργεια, θέτουν στόχους για τα επόμενα χρόνια, για την αύξηση του ποσοστού παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ σε σημαντικά ποσοστά σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής

23 Οικονομικά οφέλη Βασικό πλεονέκτημα των μονάδων παραγωγής ΑΠΕ είναι ότι το κόστος λειτουργίας τους είναι σχετικά χαμηλό και δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις των τιμών των συμβατικών καυσίμων και γενικά τις διεθνούς οικονομίας. Αυτό είναι σημαντικό καθώς μπορούν να γίνουν εύκολα οικονομικές αναλύσεις για τέτοιες μονάδες με μικρή πιθανότητα οι προβλέψεις να αποτύχουν. Προφανώς η δημιουργία και λειτουργία μονάδων ΑΠΕ συνοδεύεται από το σχηματισμό αρκετών θέσεων εργασίας σε τοπικό επίπεδο, κάτι ιδιαιτέρως σημαντικό. Ακόμα οι κυβερνήσεις προσφέρουν συνήθως και κάποια κίνητρα για την προώθηση της πράσινης, όπως αποκαλείται, ενέργειας, όπως μειωμένοι φόροι αλλά και επιχορηγήσεις. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μεταβλητότητα της ηλεκτρικής παραγωγής Η ύπαρξη των φυσικών μορφών ενέργειας, όπως η αιολική και η φωτοβολταϊκή δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Αυτό σημαίνει ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τις μονάδες ΑΠΕ είναι μεταβαλλόμενη και κάποιες χρονικές περιόδους μηδενική, όπως κατά την διάρκεια της νύχτας όσον αφορά στις φωτοβολταϊκές συστοιχίες και σε περίπτωση άπνοιας όταν έχουμε να κάνουμε με αιολικό πάρκο. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το ότι η αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας σε συσσωρευτές είναι μη συμφέρουσα, περιορίζει την χρήση των μονάδων παραγωγής ΑΠΕ ως βοηθητικές και καθιστά την ύπαρξη συμβατικών μονάδων απαραίτητη. Χαμηλός βαθμός απόδοσης Ο βαθμός απόδοσης των εγκαταστάσεων ΑΠΕ είναι σχετικά μικρός. Αυτό σημαίνει, ότι για να υπάρξει παραγωγή σημαντικής ποσότητας ισχύος που θα μπορούσε να καλύψει μεγάλα φορτία, απαιτούνται πολύ μεγάλες εγκαταστάσεις, δηλαδή μεγάλο αρχικό κεφάλαιο και κόστος συντήρησης. Το κόστος επένδυσης των συμβατικών μονάδων είναι δηλαδή χαμηλότερο σε σχέση με αυτό των ΑΠΕ, ενώ και το κόστος παραγωγής ανά KWh είναι χαμηλότερο, ειδικά αν το συγκρίνουμε με αυτό της παραγωγής από φωτοβολταϊκή συστοιχία

24 Παραμόρφωση φυσικού τοπίου Άλλο ένα μειονέκτημα το οποίο εκφράζεται από κάποιους πολίτες είναι ότι οι ανεμογεννήτριες που εγκαθίστανται σε διάφορα σημεία, αλλοιώνουν το φυσικό τοπίο. Φυσικά πρέπει να αναφερθεί ότι όσο και αν ενοχλούν αισθητικά οι αιολικές εγκαταστάσεις, το πρόβλημα αυτό είναι σχετικά ασήμαντο, αν αναλογιστεί κανείς τα οφέλη που προκύπτουν από τη λειτουργία τους. Στο σημείο αυτό θα ήταν καλό να αναφερθεί, ότι με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος, αλλά και των μεθόδων ελέγχου, ο βαθμός απόδοσης και εκμετάλλευσης των μονάδων ΑΠΕ αναμένεται ότι θα αυξηθεί. Συνέπεια αυτού θα είναι η μείωση του κόστους παραγωγής ενέργειας από αυτές. Δηλαδή τα μειονεκτήματα που αναφέραμε παραπάνω θα πάψουν να ισχύουν στον βαθμό που ισχύουν τώρα. Γενικά τα οφέλη υπερτερούν των μειονεκτημάτων και είναι γενικώς αποδεκτό ότι η αξιοποίηση των ΑΠΕ είναι απαραίτητη για το ενεργειακό μέλλον του πλανήτη. Από το σύνολο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, αυτές που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα ελληνικά δεδομένα είναι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια. Αυτό βεβαίως δικαιολογείται από το κλίμα και τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν στη χώρα, καθώς στα περισσότερα μέρη επικρατεί κατά την μεγαλύτερη διάρκεια του έτους έντονη ηλιοφάνεια και υψηλό αιολικό δυναμικό. Έτσι έχουμε εκτενέστερη εφαρμογή αυτών των δυο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και είναι και αυτές που θα αναλυθούν παρακάτω. Βέβαια στην ελληνική επικράτεια υπάρχει επίσης παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας από υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Ωστόσο δεν θα υπάρξει περεταίρω ανάλυση για αυτό το είδος πράσινης ενέργειας στην παρούσα εργασία

25 2.2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή Με τον όρο ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Αυτές διακρίνονται στο φως ή φωτεινή ενέργεια, στη θερμότητα ή θερμική ενέργεια και στις διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Υπολογίζεται ότι η ισχύς που φτάνει από τον ήλιο στη γη είναι 174PW (. Σήμερα αξιοποιείται ένα μηδαμινό ποσοστό της ηλιακής ενέργειας που δέχεται η επιφάνεια του πλανήτη μας, με την χρήση τριών ειδών συστημάτων, τα οποία είναι, τα θερμικά ή ενεργητικά ηλιακά συστήματα, τα παθητικά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα δυο πρώτα είδη εκμεταλλεύονται την θερμική και φωτεινή ενέργεια που μεταδίδεται από τον ήλιο, ενώ το τρίτο τις διάφορες ακτινοβολίες που φτάνουν στην επιφάνεια της γης. Η πιο απλή μορφή θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες, οι οποίοι απορροφούν την ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε κάποιο ρευστό, όπως για παράδειγμα νερό. Για την απορρόφηση της θερμότητας, χρησιμοποιούνται ηλιακοί συλλέκτες, σκουρόχρωμες δηλαδή επιφάνειες καλά προσανατολισμένες στον ήλιο, οι οποίες βρίσκονται σε επαφή με νερό και του μεταδίδουν μέρος της θερμότητας που παρέλαβαν. Το ζεστό νερό που προκύπτει χρησιμοποιείται για απλή οικιακή ή σύνθετη βιομηχανική χρήση ακόμα και για τη θέρμανση ή ψύξη χώρων μέσω κατάλληλων διατάξεων. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούνται από δομικά στοιχεία, κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα μεταξύ τους, ώστε να συμβάλλουν στην εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων ή για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας μέσα σε αυτά. Αποτελούν τη βασική αρχή της 25 25

26 βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής και μπορούν να εφαρμοστούν σε όλους τους τύπους κτιρίων. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. Χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Προφανώς στην Ελλάδα η προοπτική και ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων είναι τεράστια, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας. Για το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα, καθώς είναι εκείνα που σχετίζονται με την ηλεκτρική ενέργεια. Έτσι είναι και τα συστήματα τα οποία θα αναλυθούν στη συνέχεια. Φωτοβολταϊκά συστήματα Ευρέως διαδεδομένα πλέον είναι τα φωτοβολταϊκά συστήματα, τα οποία συναντάμε σε πολλές και διάφορες εφαρμογές. Θα αναφερθούν παρακάτω, συνοπτικά τα οφέλη και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η λειτουργία τους. Πλεονεκτήματα Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη με ελάχιστη συντήρηση. Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά, χωρίς να αφήνουν κατάλοιπα στο περιβάλλον. Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό με την απορρόφηση διάχυτης ακτινοβολίας. Δεν χρησιμοποιούν υγρά ούτε αέρια σε αντίθεση με τα θερμικά συστήματα. Κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα στοιχείο που συναντάμε σε αφθονία στη φύση. Είναι αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες και έχουν γρήγορη απόκριση σε αλλαγές της ακτινοβολίας. Αν κάποιο κομμάτι πάθει βλάβη, το σύστημα συνεχίζει τη λειτουργία του, κάτι που εξασφαλίζεται με κατάλληλη συνδεσμολογία. Έχουν δυνατότητα λειτουργίας σε μια ευρεία περιοχή ισχύων (από mw έως MW) και έτσι προσφέρονται για πολλές διαφορετικές εφαρμογές. Έχουν μεγάλο λόγο ισχύος/βάρους και έτσι είναι κατάλληλα για εγκατάσταση σε στέγες

27 Εύκολη εγκατάσταση σε επιτόπιες εφαρμογές που δεν υπάρχει ή δεν συμφέρει η επέκταση του δικτύου. Μειονεκτήματα Τα φωτοβολταϊκά όπως όλες οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης και ασήμαντο λειτουργικό κόστος σε αντίθεση με τις συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες που συνήθως έχουν σχετικά μικρότερο αρχικό επενδυτικό κόστος και υψηλά λειτουργικά κόστη. Βεβαίως αυτή η κατάσταση όσο περνάνε τα χρόνια αλλάζει, καθώς πλέον οι κυβερνήσεις προσφέρουν επιδοτήσεις για αγορά και εγκατάσταση φωτοβολταϊκών, αλλά και διάφορες ελαφρύνσεις. Ο απαραίτητος περιοδικός καθαρισμός της επιφάνειας των φωτοβολταϊκών με κατάλληλα απορρυπαντικά, για να αποφευχθεί η μείωση της απόδοσης από τη ρύπανση (αιθάλη, σκόνη,αλάτι θαλάσσης). Υπάρχει η ανάγκη αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας από φωτοβολταϊκό σύστημα για την συνολική κάλυψη των αναγκών καταναλωτή, εφόσον η παραγωγή κατά τη διάρκεια της νύχτας είναι μηδενική. Η αποθήκευση γίνεται σε συσσωρευτές οι οποίοι τροφοδοτούν το φορτίο, όσο δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Το δεδομένο αυτό αυξάνει το κόστος της ενέργειας. Απαιτείται η χρησιμοποίηση μεγάλων επιφανειών, λόγω της μικρής πυκνότητας της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Τα βασικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών γεννητριών μέσω των οποίων μετατρέπεται η ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες ή φωτοβολταϊκά στοιχεία. Ηλιακό κύτταρο είναι ένα σύστημα δυο υλικών σε επαφή, όπου όταν φωτίζεται στα άκρα του εμφανίζεται συνεχής ηλεκτρική τάση. Συνήθως υπάρχουν δυο ημιαγωγικά στρώματα σε επαφή που αποτελούνται από το ίδιο υλικό, όπου το ένα στρώμα είναι τύπου p και το άλλο είναι τύπου n. Όταν το Φ/Β στοιχείο φωτίζεται προκαλεί στο εσωτερικό του ρεύμα, το λεγόμενο φωτόρευμα, το οποίο είναι ανάλογο της πυκνότητας ισχύος του ηλιακού φωτός που προσπίπτει στην επιφάνειά του και έτσι εμφανίζεται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και την πίσω όψη του. Τυπικές τιμές που μπορεί να δώσει ένα ηλιακό κύτταρο για πυκνότητα ακτινοβολίας 1KW/ είναι τάση 0,

28 1V και πυκνότητα ρεύματος ma /. To πυρίτιο (Si) είναι το ημιαγωγικό υλικό που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για την κατασκευή των ηλιακών κυττάρων. Εικόνα 2.1 Ηλιακό κύτταρο Εικόνα 2.2 Λειτουργία ηλιακού κυττάρου[2] Θα πρέπει εδώ να αναφερθεί ότι η λειτουργία του ηλιακού κυττάρου βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή στην πόλωση του υλικού που συμβαίνει όταν το κύτταρο εκτεθεί σε φωτεινή ακτινοβολία. Για την συνοπτική 28 28

29 περιγραφή του φαινομένου θεωρείται το σχήμα της παραπάνω εικόνας, όπου η επαφή των δυο περιοχών αναφέρεται σαν δίοδος. Τα φωτόνια που προσπίπτουν σε μια φωτοβολταϊκή διάταξη περνούν αδιατάραχτα την επαφή τύπου n και χτυπούν τα άτομα της περιοχής τύπου p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών, ώσπου φτάνουν τελικά στην περιοχή της διόδου και έλκονται πλέον από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής. Αφού ξεπεράσουν το ενεργειακό χάσμα της εκεί περιοχής είναι αδύνατον να επιστρέψουν. Στο κομμάτι της επαφής n, πλέον υπάρχει μια εκμεταλλεύσιμη περίσσεια ηλεκτρονίων. Αυτή η περίσσεια ηλεκτρονίων μπορεί να παράξει ηλεκτρικό ρεύμα αν συνδέσουμε το πάνω μέρος της περιοχής n και το κάτω μέρος της περιοχής p με δυο μεταλλικούς αγωγούς και μεταξύ τους ένα φορτίο, ώστε να κλείσει ο αγώγιμος δρόμος. Αυτή είναι πολύ απλοποιημένα, η γενική αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Πολλά ηλιακά κύτταρα (solar cells), συνήθως 33-36, συνδέονται στη σειρά και αποτελούν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (solar module), το οποίο έχει ως έξοδο συνεχή τάση με τιμή κοντά στα 12V. Σύνδεση ενός αριθμού πλαισίων οδηγεί στην δημιουργία του φωτοβολταϊκού πάνελ (solar panel) και αυτά με τη σειρά τους αποτελούν τις βασικές μονάδες για τη σύνθεση των συστοιχιών ή φωτοβολταϊκών γεννητριών (solar array). Εικόνα 2.3 Σχηματισμός ηλιακών συστοιχιών από ηλιακά κύτταρα[3] 29 29

30 Είδη φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα Φ/Β συστήματα χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τα απομονωμένα συστήματα και τα συνδεδεμένα στο δίκτυο. Με τον όρο δίκτυο, εννοούμε το διακρατικό, εθνικό ή τοπικό δίκτυο παραγωγής από συμβατικές πηγές. Τα απομονωμένα Φ/Β συστήματα διακρίνονται σε αυτόνομα και υβριδικά. Τα αυτόνομα συστήματα καλύπτουν εξ ολοκλήρου τις ενεργειακές ανάγκες ενός καταναλωτή και μπορεί να είναι συνεχούς ή εναλλασσόμενης τάσης. Συναντώνται αυτόνομα συστήματα χωρίς συσσωρευτές, όταν δεν απαιτείται η τακτική λειτουργία του συστήματος, όπως για την άντληση νερού και την άρδευση καλλιεργειών, αλλά και συστήματα με αποθήκευση της ενέργειας, όπου η περίσσεια ενέργεια που δεν καταναλώνεται, αποθηκεύεται ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν δεν υπάρχει ακτινοβολία. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται συνήθως για τον φωτισμό δρόμων, τηλεοπτικούς αναμεταδότες ή εξοχικές κατοικίες. Στα υβριδικά συστήματα, η παραγόμενη ενέργεια προέρχεται από τον συνδυασμό Φ/Β συστοιχίας με άλλες βοηθητικές πηγές, οι οποίες μπορεί να είναι και αυτές ανανεώσιμες, μπορεί και όχι. Σε ένα τέτοιο σύστημα απαιτείται ένας ελεγκτής φόρτισης και αν υπάρχουν συσκευές εναλλασσόμενου ρεύματος ένας DC-AC inverter. Εικόνα 2.4 Υβριδικό σύστημα[4] Τα συνδεδεμένα Φ/Β συστήματα συνδέονται απευθείας στο δίκτυο. Φυσικά για την λειτουργία τους δεν απαιτείται συσσωρευτής, ούτε ελεγκτής φόρτισης, αλλά μόνο ένας μετατροπέας τάσης από DC σε AC. Τα συστήματα αυτά διακρίνονται σε κεντρικού σταθμού και κατανεμημένα. Τα πρώτα συνιστούν κεντρικούς Φ/Β σταθμούς μεγάλης ισχύος των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται κατευθείαν στο δίκτυο. Τα κατανεμημένα διακρίνονται σε δυο ακόμα 30 30

31 κατηγορίες, αυτά που χρησιμοποιούν το δίκτυο ως βοηθητική πηγή ενέργειας και εκείνα που λειτουργούν σε συνεχή αλληλεπίδραση με το δίκτυο. Δηλαδή όταν χρειάζεται παραπάνω ισχύς για τον καταναλωτή, την αντλούν από το δίκτυο και όταν υπάρχει περίσσεια ισχύος την προσφέρουν στο δίκτυο. Εικόνα 2.5 Φωτοβολταϊκό σύστημα κεντρικού σταθμού[5] Εικόνα 2.6 Κατανεμημένο Φ/Β σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο.[6] 31 31

32 2.3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας. Οι μετακινήσεις του αέρα, οι άνεμοι, προέρχονται από τις μεταβολές και τις διαφορετικές από τόπο σε τόπο τιμές τις ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι διαφορές αυτές οφείλονται στη διαφορετική απορρόφηση ενέργειας της ατμόσφαιρας κάθε τόπου από τον ήλιο. Περιγράφοντας συνοπτικά τη διαδικασία δημιουργίας του ανέμου μπορεί να ειπωθεί ότι ο ήλιος θερμαίνει το έδαφος, το οποίο ακολούθως θερμαίνει τον αέρα από πάνω του. Ο θερμός αέρας ανεβαίνει δημιουργώντας χαμηλή πίεση, ενώ ο κρύος αέρας μετακινείται στη θέση του, δημιουργώντας κίνηση αερίων μαζών. Αυτή η κίνηση που περιγράψαμε αποκαλείται άνεμος. Ο άνθρωπος από τα πρώτα χρόνια που άρχισε να αναπτύσσει τον πολιτισμό του, συνειδητοποίησε την χρησιμότητα που μπορεί να έχει ο άνεμος και προσπάθησε να βρει τρόπους να τον αξιοποιήσει. Τα ιστιοφόρα πλοία είναι από τα πρώτα δημιουργήματα του ανθρώπου για την αξιοποίηση του ανέμου και διευκόλυνε σημαντικά σε κάποιες περιπτώσεις τις θαλάσσιες μετακινήσεις. Άλλο παράδειγμα είναι οι ανεμόμυλοι που συναντάμε σε μεγάλο βαθμό και στα ελληνικά νησιά, με τους οποίους το άλεσμα του σιταριού έγινε αρκετά εύκολη υπόθεση. Σήμερα χρησιμοποιούμε ανεμοκινητήρες με τους οποίους μετατρέπουμε την κινητική ενέργεια του ανέμου σε άλλες πιο χρήσιμες μορφές, όπως ηλεκτρική, 32 32

33 θερμική και φυσικά μηχανική. Για την παρούσα εργασία ενδιαφέρον παρουσιάζει η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο και σε αυτή την περίπτωση συμβαίνει μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε μηχανική και κατόπιν σε ηλεκτρική. Η εκμετάλλευση, αυτής της μορφής, του ανέμου, ξεκίνησε με συστηματικό τρόπο παγκοσμίως στις αρχές της δεκαετίας του 1980, όταν εμφανίστηκε η πρώτη πετρελαϊκή κρίση. Τα τελευταία χρόνια λόγω των οικονομικών αλλά και περιβαλλοντικών συνθηκών που επικρατούν, η ανάπτυξη και χρήση αιολικών συστημάτων, δείχνει πιο απαραίτητη από ποτέ. Εξαιτίας των σημαντικών πλεονεκτημάτων που έχουν, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικά πάρκα, περιλαμβάνεται πλέον στις μελέτες σχεδιασμού συστημάτων και φυσικά θέτονται στόχοι για την αύξηση της παραγωγής αιολικών σταθμών σε σημαντικά επίπεδα στο άμεσο μέλλον. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ενδιαφέρον παρουσιάζει μια σύντομη περιγραφή σχετικά με τα οφέλη και τα μειονεκτήματα που συνοδεύουν την εγκατάσταση και λειτουργία των αιολικών συστημάτων, ώστε να γίνει κατανοητό σε ποιες περιπτώσεις ενδείκνυται η εφαρμογή τους και σε ποιες όχι. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Το καύσιμο είναι άφθονο, αποκεντρωμένο και δωρεάν, ενώ σε κάποιες τοποθεσίες είναι σχεδόν αδιάκοπη η ύπαρξη λόγω της συνεχής παρουσίας ανέμων. Μπορούν να συμβάλλουν στην ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών και αποτελούν εναλλακτική πρόταση στην αγορά πετρελαίου. Ο απαιτούμενος εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. Αποτελεί μια πολύ οικονομική μορφή ενέργειας, αφού το κόστος παραγωγής ανά κιλοβατώρα είναι το πιο χαμηλό σε σχέση με τις υπόλοιπες μορφές όταν υπάρχει επάρκεια ανέμου. Οικονομική ενίσχυση αγροτικών περιοχών, καθώς σχηματίζονται τοπικά θέσεις εργασίας και περιορίζεται η εξάρτηση από την εισαγωγή πετρελαίου ή άλλων καυσίμων. Συνήθως δεν δεσμεύεται μεγάλη έκταση γης και έτσι δεν εμποδίζονται διάφορες άλλες εργασίες που θα μπορούσαν να γίνουν στον κάθε τόπο. Προφανώς τα οικολογικά οφέλη είναι μεγάλα, αφού η λειτουργία των 33 33

34 αιολικών σταθμών δεν προκαλεί την απελευθέρωση τοξικών ή άλλων βλαβερών για το περιβάλλον αερίων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προκαλέσουν τραυματισμούς ή θανατώσεις πουλιών, κυρίως αποδημητικών, αφού τα ενδημικά συνηθίζουν την παρουσία των γεννητριών και καταφέρνουν να τις αποφεύγουν. Επομένως δεν θα πρέπει να κατασκευάζονται αιολικά πάρκα σε δρόμους μετανάστευσης πουλιών και γενικά πριν την δημιουργία του πάρκου θα πρέπει να γίνεται μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η οπτικοαισθητική επίδραση που μπορεί να έχει η τοποθέτηση μιας μεγάλης ανεμογεννήτριας σε κάποιο μέρος, μπορεί να είναι αρνητική και να προκαλέσει τη δυσφορία και τα παράπονα των κατοίκων. Το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης που μπορεί να δημιουργηθεί από την ανάκλαση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πάνω στα περιστρεφόμενα πτερύγια της πτερωτής. Το κόστος έρευνας και εγκατάστασης ενός αιολικού συστήματος είναι σχετικά υψηλό και ακόμα η έρευνα για την χαρτογράφηση του αιολικού δυναμικού μεγάλων περιοχών απαιτεί αρκετό χρόνο. Ως μορφή ενέργειας παρουσιάζει χαμηλή πυκνότητα και έχει αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης της τάξης του 30%. Ανεμογεννήτρια Τα τελευταία χρόνια η παραγωγή ανεμογεννητριών έχει γνωρίσει πολύ μεγάλη ανάπτυξη. Με την αξιοποίηση των ηλεκτρονικών, μηχανολογικών επιτευγμάτων καθώς και των νέων τεχνικών ελέγχου, επιτυγχάνεται η δημιουργία ανεμογεννητριών όλο και χαμηλότερου κόστους και μεγαλύτερης απόδοσης. Δηλαδή το κόστος της ενέργειας που παράγεται από αυτά τα συστήματα, με την εξέλιξή τους, σταδιακά μειώνεται. Η μελέτη ενός κλασικού συστήματος ανεμογεννήτριας, περιλαμβάνει την αεροδυναμική σχεδίαση και κατόπιν μηχανολογική μελέτη και σχεδίαση, μελέτη του ηλεκτρολογικού συστήματος αλλά και του ηλεκτρονικού συστήματος ελέγχου και ασφάλειας. Όσον αφορά στην αεροδυναμική σχεδίαση, στόχος είναι η δημιουργία ενός συστήματος για την δέσμευση και μετατροπή του ανέμου. Δηλαδή καθώς ο άνεμος περνά από τον ανεμοκινητήρα, πρέπει όσο το δυνατό μεγαλύτερο μέρος της κινητικής ενέργειας αυτού, να δεσμεύεται από τα πτερύγια και να μετατρέπεται σε 34 34

35 μηχανική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μεταφέρεται μέσω μηχανικού συστήματος στον ρότορα της ηλεκτρικής γεννήτριας, μέσω της οποίας μετατρέπεται τελικά σε ηλεκτρική. Στη συνέχεια αυτή η ενέργεια είτε διοχετεύεται στο δίκτυο, είτε τροφοδοτεί κάποιο καταναλωτή ή συσσωρευτή. Βεβαίως τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα που παρεμβάλλονται για την ασφαλή μεταφορά αυτής της ενέργειας έχουν πολύ μεγάλη σπουδαιότητα και κάποιες φορές παρουσιάζουν πολυπλοκότητα και κόστος. Ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονα τους, οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται σε δυο κατηγορίες, οριζόντιου άξονα και κάθετου άξονα, οι οποίες περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω. Οριζόντιου άξονα Εικονα 2.7 Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα.[7] Οι ανεμογεννήτριες αυτού του είδους, έχουν προσανατολισμένο τον άξονα του ρότορα τους παράλληλα με το έδαφος. Για σταθερή ταχύτητα ανέμου και δεδομένη ταχύτητα περιστροφής, η γωνία πρόσπτωσης σε δεδομένη θέση του πτερυγίου παραμένει σταθερή σε όλο τον κύκλο περιστροφής. Επιπλέον ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου, αποτελούνται κατά κύριο λόγο από δυο ή τρία πτερύγια, ενώ μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων συναντάμε μόνο σε συγκεκριμένες εφαρμογές, για την άντληση νερού

36 Ο υψηλός συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος που εμφανίζουν, αλλά και η δυνατότητα να λειτουργούν σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, αποτελούν τα βασικά πλεονεκτήματα αυτού του είδους ανεμοκινητήρων. Από την άλλη η ανάγκη τοποθέτησης της γεννήτριας και του συστήματος μετάδοσης της μηχανικής ενέργειας εντός της ατράκτου, αυξάνει σημαντικά το βάρος κατασκευής και δημιουργεί την ανάγκη σχεδιασμού ειδικής στήριξης. Κατακόρυφου άξονα Εικόνα 2.8 Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα τύπου Savonius.[8] 36 36

37 Εικόνα 2.9 Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα τύπου Darrieus Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν ανεμογεννήτριες των οποίων ο άξονας είναι τοποθετημένος κάθετα στο έδαφος, ενώ τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται η κατασκευή είναι τοποθετημένα στη βάση. Πιο συγκεκριμένα η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων βρίσκονται πολύ κοντά στο έδαφος, διευκολύνοντας με αυτό τον τρόπο εργασίες όπως η εγκατάσταση και η συντήρηση του συστήματος. Υπάρχουν διάφορα μοντέλα ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, τα οποία διαφέρουν ως προς την κατασκευή και το σχεδιασμό. Τα πιο γνωστά από αυτά είναι τα μοντέλα του Savonius και του Darrieus, τα οποία φαίνονται στις παραπάνω εικόνες. Βασικό πλεονέκτημα των συγκεκριμένων ανεμογεννητριών είναι ότι εξαιτίας του σχήματος τους, οποιαδήποτε κατεύθυνση του ανέμου προκαλεί περιστροφή του πτερυγίου τους. Έτσι για την αποτελεσματική λειτουργία τους δεν χρειάζεται κάποιος πολύπλοκος μηχανισμός ανίχνευσης της κατεύθυνσης του ανέμου, κάτι το οποίο περιορίζει σημαντικά το κόστος και την πολυπλοκότητα κατασκευής. Επιπλέον το γεγονός ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων είναι τοποθετημένα κοντά στο έδαφος, διευκολύνει σημαντικά την κατασκευή και την συντήρηση. Πιο συγκεκριμένα απαιτείται μικρότερη μηχανική στήριξη, εφόσον το μεγαλύτερο μέρος του βάρους βρίσκεται κοντά στο έδαφος και επίσης το κιβώτιο ταχυτήτων δέχεται αρκετά μικρότερη καταπόνηση, ενώ και η αντικατάσταση του σε περίπτωση που χρειαστεί είναι αρκετά απλή. Είναι εμφανές ότι αυτά τα στοιχεία μειώνουν σημαντικά το κόστος, το οποίο αποτελεί πάντα καθοριστικό παράγοντα. Από την άλλη πλευρά το βασικό μειονέκτημα των ανεμογεννητριών αυτού του τύπου, είναι η μεγάλη καταπόνηση που δέχονται τα πτερύγια τους, εξαιτίας της 37 37

38 μεταβολής των δυνάμεων που δέχονται σε κάθε περιστροφή, που προκύπτει από την μεταβλητότητα των ανέμων που τα περιστρέφουν. Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει στην πρόωρη καταστροφή των πτερυγίων και στην αχρήστευση όλης της κατασκευής. Βέβαια με την χρήση νέων υλικών και τη βελτίωση του σχεδιασμού της ανεμογεννήτριας, αυτά τα προβλήματα περιορίζονται και οι νέες κατασκευές είναι πολύ πιο αξιόπιστες από τα πρώτα μοντέλα που αναπτύχθηκαν. Τύποι γεννητριών Υπάρχουν διάφοροι τύποι γεννητριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα αιολικό σύστημα. Θα τις κατατάξουμε σε τρεις γενικές κατηγορίες, τις ασύγχρονες γεννήτριες, τις σύγχρονες και τις γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. Οι ασύγχρονες γεννήτριες είναι ηλεκτρικά και μηχανικά πιο απλές από τους άλλους τύπους γεννητριών και έτσι συχνά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές αιολικής ενέργειας. Απαιτούν εξωτερική πηγή για τη διέγερσή τους, η οποία μπορεί να τροφοδοτείται από το δίκτυο, είτε από την ίδια τη γεννήτρια όταν αρχίσει να παράγει ενέργεια. 2.4 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] [2] [3] [4] [5] [6]

39 [7] [8] [9] [10] Αλεξανδρίδης Θ. Αντώνιος, Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών (2009) [11] Ζαχαρίας Θωμάς, Ήπιες Μορφές Ενέργειας ǀ, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών (2014) [12] Ζαχαρίας Θωμάς, Ήπιες Μορφές Ενέργειας ǁ, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών (2014) 39 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο θα περιγραφεί η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εξαγωγή του μοντέλου της HVDC γραμμής μεταφοράς. Η μοντελοποίηση έγινε στο περιβάλλον Simulink της Μatlab. Θα παρουσιαστούν αρχικά τα μαθηματικά μοντέλα που διέπουν την λειτουργία των επιμέρους στοιχείων της γραμμής καθώς και ο συνδυασμός αυτών για την εξαγωγή του συνολικού μοντέλου. Θα ακολουθήσουν στην συνέχεια δυο υποκεφάλαια για τον σχηματισμό διαφορετικών μοντέλων που αντιστοιχούν σε δυο παρόμοια, αλλά ανεξάρτητα συστήματα. Για κάθε ένα θα ακολουθήσει εκτεταμένη ανάλυση και περιγραφή της διαδικασίας εξαγωγής του. Αρχικά επεξηγείται η λειτουργία των δυο μετατροπέων, οι οποίοι αποτελούν βασικά στοιχεία των δυο επακόλουθων μοντέλων και από τους οποίους ξεκινά η διαδικασία εξαγωγής τους. Η υποενότητα που ακολουθεί πραγματεύεται την διαδικασία του μετασχηματισμού Park, η οποία όπως θα εξηγηθεί είναι απαραίτητη για την εξαγωγή των μοντέλων που αναφέρθηκαν παραπάνω

41 3.2 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK Με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Park το τριφασικό σύστημα a-b-c μετατρέπεται σε ένα σύστημα καθέτων αξόνων d-q, με τον κάθετο άξονα q να προηγείται κατά 90⁰ του οριζόντιου άξονα d. Η σχέση λοιπόν που οδηγεί σε αυτόν τον μετασχηματισμό είναι:,όπου Όπως φαίνεται στην τελευταία σχέση, εμφανίζεται και μια συνιστώσα, η οποία προκύπτει μόνο σε περίπτωση ασυμμετρίας και στην περίπτωσή μας παραλείπεται. Η μήτρα μετασχηματισμού δίνεται από τη σχέση: Το σύστημα που προκύπτει θεωρείται ότι στέφεται με γωνιακή ταχύτητα και έτσι η γωνία θ της παραπάνω σχέσης θα είναι, δηλαδή η γωνία μεταξύ του στρεφόμενου και του σταθερού συστήματος αναφοράς, μεταξύ άξονα α και d. Αντικαθιστώντας η μήτρα προκύπτει αναλόγως. Η εφαρμογή του μετασχηματισμού αυτού φαίνεται σχηματικά στην παρακάτω εικόνα : Εικόνα 3.1 Σχηματικό διάγραμμα μετασχηματισμού Park[1] 41 41

42 Για την επίτευξη προσανατολισμού στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς, επιλέγεται και θ= t. Τότε η μήτρα μετασχηματισμού γίνεται: Τότε για συμμετρικό τριφασικό μέγεθος προκύπτει : Για την εύρεση των μεγεθών στο τριφασικό σύστημα από αυτά στο σύστημα καθέτων αξόνων χρησιμοποιείται ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park με τη μήτρα. Δηλαδή : 42 42

43 3.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΕΣ Εικόνα 3.2 Σχηματικό διάγραμμα AC/DC μετατροπέα.[2] Ο μετατροπέας που χρησιμοποιείται στις περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές ισχύος είναι ο τριφασικός AC/DC μετατροπέας πηγής (voltage-source converter, VSC), το μοντέλο του οποίου θα αναλυθεί στο υποκεφάλαιο αυτό. Το σχηματικό διάγραμμα του μετατροπέα φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Είναι φανερό ότι τα ρεύματα κατευθύνονται προς την πλευρά συνεχούς ρεύματος, επομένως και η ροή ισχύος είναι από την πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος προς την πλευρά συνεχούς και ο μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής. Στην εικόνα 3.1 φαίνεται ότι η τριφασική πηγή τάσης συνδέεται με τον μετατροπέα μέσω μιας αντίστασης R και μιας αυτεπαγωγής L. Ο μετατροπέας αποτελείται από έξι διακοπτικά στοιχεία, στο καθένα από τα οποία συνδέεται αντιπαράλληλα μια δίοδος, ώστε να επιτρέπεται η ροή ρεύματος και προς τις δυο κατευθύνσεις. Στην πλευρά συνεχούς ρεύματος είναι συνδεδεμένος ένας πυκνωτής, ώστε η τιμή της τάσης εξόδου να διατηρείται σταθερή, ενώ παράλληλα στον πυκνωτή έχει τοποθετηθεί μια πηγή συνεχούς ρεύματος Is. Οι τάσεις των τριών φάσεων της τροφοδοσίας συμβολίζονται,,, τα ρεύματα εισόδου του μετατροπέα,, και οι τάσεις εισόδου του μετατροπέα,,. Επίσης η σταθερή τάση στην έξοδο του μετατροπέα συμβολίζεται με. Εφαρμόζοντας τους βασικούς νόμους Kirchhoff μεταξύ της τριφασικής πηγής και της εισόδου του μετατροπέα, οι σχέσεις που συνδέουν τις στιγμιαίες τιμές των ρευμάτων και των τάσεων είναι οι ακόλουθες: 43 43

44 Γίνεται αντικατάσταση των μεγεθών,, στις παραπάνω σχέσεις με εκφράσεις της συνεχούς τάσης στην έξοδο του μετατροπέα, χρησιμοποιώντας τους λόγους κατάτμισης των διακοπτικών στοιχείων,,.δηλαδή: Γίνεται η θεώρηση ότι χρησιμοποιείται τεχνική παλμοδότησης PWM. Επειδή οι τιμές στις παραπάνω εξισώσεις είναι στιγμιαίες, οι λόγοι κατάτμησης θα παίρνουν τιμή 1 όταν το ρεύμα πηγαίνει από τη συγκεκριμένη φάση και -1 όταν το ρεύμα γυρνάει από τη συγκεκριμένη φάση. Επομένως εφαρμόζοντας τις παραπάνω εξισώσεις καταλήγουμε στις παρακάτω σχέσεις : Το πρόβλημα που παρουσιάζεται με το τελευταίο αυτό μοντέλο, είναι ότι οι εξισώσεις περιλαμβάνουν διακριτές τιμές για τις θέσεις λειτουργίας των διακοπτικών στοιχείων, κάτι το οποίο δυσκολεύει πολύ το σχεδιασμό μηχανισμών ελέγχου. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η δυσκολία, θα πρέπει να αντικατασταθούν οι διακριτές συναρτήσεις των λόγων κατάτμησης με αντίστοιχες συνεχείς συναρτήσεις που λαμβάνουν τιμές στο συνεχές διάστημα (-1,1). Σε αυτή την περίπτωση το παραπάνω μοντέλο είναι αυτό της μέσης τιμής αν θεωρηθούν και οι τιμές εισόδου συνεχείς

45 Το σύστημα διαφορικών εξισώσεων που προκύπτει τελικά αποτελείται από μεγέθη χρονικά μεταβαλλόμενα. Καθώς στο μοντέλο που υλοποιείται πρέπει να εφαρμοστεί κάποια στρατηγική ελέγχου, είναι χρήσιμο να γίνει αλλαγή μεταβλητών, εφόσον μεγάλο μέρος της θεωρίας ελέγχου αναφέρεται σε χρονικά αμετάβλητα συστήματα. Το τριφασικό a-b-c σύστημα θα μετατραπεί σε ένα κατάλληλο σύστημα καθέτων αξόνων. Με αυτό τον τρόπο όλα τα μεγέθη από εναλλασσόμενα θα μετατραπούν σε συνεχή στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, ενώ με κατάλληλο προσανατολισμό του νέου πλαισίου αναφοράς, το σύστημα θα γίνει γραμμικό και θα εξαλειφθεί η σύζευξη μεταξύ των μεγεθών. Για την μετατροπή στο νέο σύστημα αναφοράς εφαρμόζεται ο μετασχηματισμός Park, ο οποίος παρουσιάζεται συνοπτικά παραπάνω. Έτσι με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Park στο προηγούμενο μοντέλο εξισώσεων προκύπτει: Όπου, και οι συνιστώσες του τριφασικού ρεύματος στους δύο κάθετους άξονες d-q, και οι συνιστώσες των τριφασικών τάσεων στην έξοδο του μετατροπέα, και οι αντίστοιχες συνιστώσες της τριφασικής τάσης τροφοδοσίας. Για την ολοκλήρωση του μοντέλου του μετατροπέα χρειάζεται άλλη μια σχέση, η οποία λαμβάνεται από την εξίσωση ισχύων. Για τον υπολογισμό της τριφασικής ισχύος μέσω των μετασχηματισμένων μεγεθών ισχύει : +2 ), η οποία δίνει την τριφασική πραγματική ισχύ στην είσοδο του μετατροπέα. Εφόσον η ισχύς πρέπει να διατηρείται, η ισχύς στην είσοδο του μετατροπέα θα πρέπει να ισούται με το άθροισμα των ισχύων του πυκνωτή και της πηγής ρεύματος στο δεξί μέρος του μετατροπέα. Δηλαδή :, η οποία ισότητα, μετά την αντικατάσταση των αντίστοιχων σχέσεων, δίνει την παρακάτω ισότητα : Με την αξιοποίηση της τελευταίας αυτής σχέσης, προκύπτει ένα μοντέλο τρίτης τάξης, το οποίο είναι: 45 45

46 Στο σύστημα αυτό πρέπει να εξαλειφτούν από τις εξισώσεις τα, ώστε να παραμείνουν μόνο τα, και. Για το σκοπό αυτό ορίζονται οι λόγοι κατάτμησης του μετατροπέα, ως εξής : και. Με την εφαρμογή των δυο τελευταίων σχέσεων που συνδέουν τα, με το, προκύπτει το μη γραμμικό μοντέλο μέσης τιμής τρίτης τάξης : Το σύστημα των παραπάνω εξισώσεων θα αποτελέσει τη βάση για το σχηματισμό των δυο μοντέλων που θα υλοποιηθούν στα επόμενα υποκεφάλαια

47 3.4 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Εικόνα 3.3 Σχηματικό διάγραμμα συστήματος με ac διασύνδεση προς το δίκτυο.[3] Η παραπάνω εικόνα παρουσιάζει σχηματικά τη βασική δομή της γραμμής μεταφοράς που πρόκειται να μοντελοποιηθεί. Στο σύστημα συμμετέχουν ένας αντιστροφέας (AC/DC), ένας μετατροπέας (DC/AC), το σημείο διασύνδεσης μεταξύ των δυο πλευρών, καθώς και κάποια ωμικά, επαγωγικά και χωρητικά φορτία μεταξύ του δεύτερου μετατροπέα και του ζυγού στο δεξί άκρο του κυκλώματος. Για καλύτερη κατανόηση του συστήματος και της διαδικασίας μοντελοποίησης, η υλοποίηση θα γίνει διαδοχικά. Δηλαδή αρχικά δεν θα ληφθούν υπόψη τα ωμικά, επαγωγικά και χωρητικά φορτία μετά το δεύτερο μετατροπέα. Επομένως το κύκλωμα το οποίο μοντελοποιείται αρχικά, είναι σχηματικά το ακόλουθο : 47 47

48 Στην παραπάνω υποπαράγραφο σχηματίστηκε το μοντέλο του AC/DC μετατροπέα. Στην ουσία το ίδιο ακριβώς μοντέλο ισχύει και για έναν DC/AC μετατροπέα, εφόσον το κύκλωμα των δύο είναι το ίδιο με τη μόνη διαφορά ότι η ροή των ρευμάτων είναι αντίθετη. Για το λόγο αυτό, στηρίζεται όλη η σχεδίαση σε αυτό το μοντέλο. Πιο συγκεκριμένα το μοντέλο που προέκυψε παραπάνω αποτελείται από τρεις διαφορικές εξισώσεις. Οι οποίες είναι : Από αυτές οι δύο πρώτες προέκυψαν χρησιμοποιώντας τους βασικούς νόμους του Kirchhoff και η τρίτη αξιοποιώντας την εξίσωση ισχύων στο σημείο διασύνδεσης. Επομένως οι δυο πρώτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναλλοίωτες. Αντίθετα η τρίτη εξίσωση θα πρέπει να τροποποιηθεί, εφόσον η εξίσωση ισχύος στο σημείο διασύνδεσης είναι διαφορετική όπως φαίνεται εύκολα στο παραπάνω σχηματικό διάγραμμα. Η νέα σχέση που εκφράζει την εξίσωση των ισχύων στο σημείο διασύνδεσης είναι η ακόλουθη : όπου η τριφασική ισχύς στην AC είσοδο του αριστερού μετατροπέα και αντίστοιχα η ισχύς στην AC πλευρά του δεύτερου μετατροπέα. Προφανώς θεωρείται προσεγγιστικά ότι οι απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία των δυο μετατροπέων είναι 48 48

49 αμελητέες. Έτσι αντικαθιστώντας τις αντίστοιχες εκφράσεις των ισχύων στην παραπάνω εξίσωση, προκύπτει : Αλλάζοντας πλευρές η σχέση αποκτά την παρακάτω τελική της μορφή: Προφανώς με τους δείκτες στην εξίσωση διακρίνεται σε ποιο μετατροπέα αναφέρεται κάθε μέγεθος, με τον αριθμό 1 να αφορά στον αριστερό μετατροπέα, όπως φαίνεται στο σχηματικό διάγραμμα. Συνοψίζοντας λοιπόν, για το συνολικό μοντέλο χρησιμοποιούνται οι δυο εξισώσεις του απλού μετατροπέα (1 και 2), για κάθε έναν από τους μετατροπείς ξεχωριστά, καθώς και η παραπάνω εξίσωση των ισχύων (4). Στην ουσία προκύπτει μοντέλο πέντε διαφορικών εξισώσεων, αφού οι δυο κοινές εξισώσεις έχουν άλλες εισόδους. Το μοντέλο θα έχει την εξής μορφή: Πρόκειται για ένα αρκετά απλοποιημένο μοντέλο, το οποίο όμως μπορεί να περιγράψει ικανοποιητικά τη λειτουργία του κυκλώματος που θεωρήθηκε αρχικά και καλύπτει τις ανάγκες αυτής της εργασίας

50 Στη συνέχεια επαναφέρεται εκ νέου το σύστημα της εικόνας 3.3 ώστε να συμπεριληφθούν στο μοντέλο τα R-L-C φορτία. Όσον αφορά στις εξισώσεις που μόλις σχηματίστηκαν παραπάνω, θα χρησιμοποιηθούν ελαφρώς τροποποιημένες. Συγκεκριμένα οι εξισώσεις που αφορούν στον πρώτο μετατροπέα θα παραμείνουν αμετάβλητες, όπως επίσης και η σχέση που προκύπτει από την εξίσωση ισχύων στο σημείο διασύνδεσης. Δηλαδή θα ισχύει: Εφαρμόζοντας ξανά τους νόμους του Kirchhoff για το τμήμα από το δεύτερο μετατροπέα έως το σημείο διασύνδεσης των φορτίων, οι δύο τελευταίες εξισώσεις του προηγούμενου μοντέλου μετατρέπονται στις ακόλουθες : Στη συνέχεια για την εξαγωγή των διαφορικών εξισώσεων για την τάση χρησιμοποιείται η ισότητα των ρευμάτων που εισέρχονται και εξέρχονται στον κόμβο του φορτίου. Ισχύει ότι : όπου το ρεύμα του ωμικού-επαγωγικού φορτίου, το ρεύμα του πυκνωτή και το ρεύμα που πάει προς τον δεύτερο μετατροπέα. Οι εξισώσεις που προκύπτουν από αυτή την ισότητα στο d-q πλαίσιο αναφοράς είναι: 50 50

51 Ακολούθως για τον καθορισμό των ρευμάτων και εφαρμόζεται ξανά ο νόμος τάσεων του Kirchhoff στους αντίστοιχους βρόγχους και προκύπτουν οι παρακάτω διαφορικές : Συνοψίζοντας, το μοντέλο το οποίο προέκυψε μετά την προσθήκη του φορτίου αποτελείται από έντεκα διαφορικές εξισώσεις οι οποίες συγκεντρώνονται παρακάτω. (7) 51 51

52 Οι παραπάνω αυτές εξισώσεις εισάγονται στο λογισμικό Simulink της Matlab και εφαρμόζοντας ακόμα κάποιους νόμους ελέγχου, όπως θα παρουσιαστεί παρακάτω, γίνονται ορισμένες προσομοιώσεις, τα αποτελέσματα των οποίων θα σχολιαστούν. 3.5 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σκοπός αυτής της υποενότητας είναι ο σχηματισμός των εξισώσεων που διέπουν την λειτουργία ενός κυκλώματος λίγο τροποποιημένου σε σχέση με αυτό του προηγούμενου υποκεφαλαίου. Συγκεκριμένα σε αυτή την περίπτωση παραλείπονται οι πηγές τάσεων που βρίσκονται δεξιά του R-L-C φορτίου και το κύκλωμα που προκύπτει είναι : Όπως είναι αναμενόμενο κάποιες από τις εξισώσεις του μοντέλου του προηγούμενου υποκεφαλαίου θα ισχύουν και σε αυτή την περίπτωση, αφού ορισμένα μεγέθη δεν επηρεάζονται από την αλλαγή που εφαρμόζεται. Συγκεκριμένα οι πέντε πρώτες εξισώσεις, όπως αριθμούνται παραπάνω, ισχύουν αυτούσιες και δεν χρειάζονται κάποια τροποποίηση, αφού μέχρι και την έξοδο του δεύτερου μετατροπέα το κύκλωμα είναι το ίδιο. Δηλαδή ισχύει : 52 52

53 Επιπρόσθετα, οι σχέσεις που αφορούν τα ρεύματα που ρέουν προς το ωμικόεπαγωγικό φορτίο και παραμένουν και αυτές αμετάβλητες μετά την αφαίρεση των πηγών, καθώς προκύπτουν από το νόμο τάσεων Kirchhoff στο βρόγχο του φορτίου που παραμένει ο ίδιος. Οπότε ισχύει όμοια με πριν : Προφανώς δεν υπάρχουν ρεύματα να ρέουν δεξιά του κόμβου που συνδέονται τα φορτία και έτσι οι εξισώσεις που αφορούν τις τάσεις αυτού του κόμβου και θα προκύψουν εφαρμόζοντας ξανά το νόμο ρευμάτων του Kirchhoff. Τώρα θα ισχύει : Άρα η τάση του κόμβου στους δυο κάθετους άξονες θα δίνεται από τις σχέσεις : (9) Οι εξισώσεις αυτές θα χρησιμοποιηθούν αντίστοιχα για το σχηματισμό ενός δεύτερου μοντέλου στο περιβάλλον του Simulink. Προσομοιώσεις του μοντέλου αυτού, αλλά και εκείνου που προέκυψε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο θα παρουσιαστούν σε επόμενη ενότητα της παρούσας εργασίας με σχολιασμούς επί των αποτελεσμάτων

54 3.6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] q0dq0toabc.html;jsessionid=56c4bbb16073c1410c1fb275ba4a [2] [3] [4] Distributed Generation Power System Modeling in Nonlinear Hamiltonian form Konstantinos F. Krommydas, George C. Konstantopoulos, Michael K. Bourdoulis and Antonio T. Alexandridis, University of Patras 2012 [5] Μιχαήλ Κ. Μπουδούλης, Ανάλυση Ευστάθειας και Συμπεριφοράς Αιολικών Συστημάτων Μεταβλητών Στροφών Επαγωγικών Γεννητριών Διπλής Τροφοδοσίας Με Σχεδιασμό Βελτιωμένων Διατάξεων Ελέγχου στους Μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ, Πάτρα 2014 [6] Καραχοντζίτη Μυρτώ-Μαρία, Ανάλυση, Μοντελοποίηση και Έλεγχος Αιολικού και Φωτοβολταϊκού Συστήματος σε Δίκτυο Κατανεμημένης Παραγωγής, Πάτρα 54 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η στρατηγική ελέγχου που θα ακολουθηθεί σε μια γραμμή μεταφοράς, αποτελεί σημαντικό μέρος του σχεδιασμού και της υλοποίησής της. Ο επαρκής έλεγχος της γραμμής είναι απαραίτητος για την αντιμετώπιση πιθανών σφαλμάτων και τη διατήρηση της ευστάθειας του ευρύτερου συστήματος. Επομένως ο σχεδιασμός της κατάλληλης στρατηγικής ελέγχου, είναι κύριας σημασίας για την αξιοπιστία και τη λειτουργικότητα του συστήματος. Στα δυο μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί σε αυτή την εργασία, υπάρχουν δύο τριφασικοί μετατροπείς έξι παλμών, όπου ο καθένας αποτελείται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία, τα οποία θα πρέπει να παλμοδοτηθούν με κατάλληλο τρόπο. Με την ενδεικνυόμενη λοιπόν στρατηγική ενεργοποίησης των στοιχείων αυτών, επιτυγχάνεται στην έξοδο των δύο μετατροπέων, τάση συγκεκριμένου πλάτους και συχνότητας και με αυτό τον τρόπο καθίσταται εφικτός ο έλεγχος και των υπόλοιπων ηλεκτρικών μεγεθών που μας ενδιαφέρουν. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές ελέγχου για τους μετατροπείς, όμως εδώ χρησιμοποιείται μετατροπέας με έλεγχο διαμόρφωσης πλάτους παλμών (Pulse Width Modulation, PWM). Στην παρακάτω υποενότητα γίνεται μια σύντομη αναφορά σε αυτήν την τεχνική και περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της. 4.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΛΑΤΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ(PWM) Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, οι μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της γραμμής μεταφοράς, έχουν διαμόρφωση πλάτους παλμών (PWM) και αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για αντίστοιχες 55 55

56 εφαρμογές. Για την λειτουργία της τεχνικής αυτής χρησιμοποιούνται δυο σήματα. Ένα τριγωνικό σήμα υψηλής συχνότητας( που ονομάζεται και φέρον σήμα (carrier signal) καθώς και ένα ημιτονοειδές σήμα χαμηλής συχνότητας(, το οποίο ονομάζεται σήμα αναφοράς (reference signal). Η συχνότητα του δεύτερου σήματος είναι η συχνότητα που πρέπει να έχει το ρεύμα στην ac πλευρά και επομένως εδώ θα είναι η συχνότητα του δικτύου. Τα δύο αυτά σήματα συγκρίνονται και όταν η στιγμιαία τιμή του σήματος αναφοράς είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του άλλου σήματος, ο συγκριτής δίνει θετικό παλμό, ενώ σε αντίθετη περίπτωση αρνητικό. Στην εικόνα 4.1 παρουσιάζεται αυτή η διαδικασία και το φέρον σήμα είναι αυτό με το μπλε χρώμα, το σήμα αναφοράς αυτό με το κόκκινο και η παλμοσειρά που προκύπτει με το μαύρο. Στον τριφασικό μετατροπέα που χρησιμοποιείται εδώ, το φέρον σήμα συγκρίνεται προφανώς με τις στιγμιαίες τιμές και των τριών φάσεων, ώστε να γίνει η παλμοδότηση και των έξι ημιαγωγικών στοιχείων. Η σύγκριση αυτή καθώς και οι παλμοί που προκύπτουν για κάθε ένα από τα έξι στοιχεία, φαίνονται στην εικόνα 4.2 παρακάτω. Εικόνα 4.1 Αρχή λειτουργίας της διαμόρφωσης πλάτους παλμών.[1] 56 56

57 Εικόνα 4.2 Παλμοδότηση μετατροπέα τριών φάσεων.[2] Θα πρέπει επίσης να οριστούν δύο μεγέθη τα οποία είναι, ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους και ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας. Ο δεύτερος ορίζεται ως ο λόγος της συχνότητας του φέροντος σήματος προς την συχνότητα του σήματος αναφοράς, δηλαδή Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους ορίζεται ως ο λόγος του πλάτους του σήματος αναφοράς προς το πλάτος του φέροντος σήματος, δηλαδή : Οι δείκτες 1 και 2 αντιστοιχούνται στα δύο σήματα, όπως φαίνονται στην αρχή της υποενότητας. Για μικρότερο ή ίσο της μονάδας, ισχύει η παρακάτω ισότητα: 57 57

58 Δηλαδή το πλάτος της φασικής τάσης εξόδου για dc/ac μετατροπέα, συνδέεται μέσω του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους με την dc τάση στην είσοδο του μετατροπέα. 4.3 PI ΕΛΕΓΚΤΗΣ Στο μοντέλο το οποίο θα υλοποιηθεί, θα εφαρμοστεί pi έλεγχος. Αυτού του είδους οι ελεγκτές είναι σχετικά απλοί, ωστόσο μπορούν να εξασφαλίσουν μηδενικό σφάλμα στη μόνιμη κατάσταση. Παρακάτω περιγράφεται η βασική λογική της συγκεκριμένης μεθόδου ελέγχου. Η γενική μορφή του συγκεκριμένου ελέγχου δίνεται λοιπόν από την ακόλουθη σχέση: όπου : CO : το σήμα εξόδου του ελεγκτή e(t) : το παρόν σφάλμα του ελεγκτή, ορισμένο ως SP- PV SP: η τιμή αναφοράς που ορίζεται από το χρήστη PV: η μετρούμενη μεταβλητή, η οποία αποτελεί την είσοδο του ελεγκτή και την οποία θέλουμε να κάνουμε ίση με την τιμή αναφοράς : το αναλογικό κέρδος του ελεγκτή, που αποτελεί μια παράμετρο που μπορούμε να ρυθμίσουμε : το ολοκληρωτικό κέρδος του ελεγκτή, το οποίο επίσης πρέπει να ρυθμίσουμε : μια αρχική τιμή που μπορεί να είναι και μηδενική 58 58

59 Εικόνα 4.3 Σχηματικό διάγραμμα pi ελέγχου.[3] Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η στρατηγική του pi ελέγχου, η οποία περιγράφεται μαθηματικά από την σχέση που αναφέρθηκε παραπάνω. Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί η συνεισφορά του αναλογικού και ολοκληρωτικού όρου του ελέγχου ξεχωριστά. Συγκεκριμένα, ο αναλογικός όρος προσθέτει ή αφαιρεί από την τιμή, ανάλογα τη στιγμιαία τιμή του σφάλματος και άρα όσο μικραίνει ή μεγαλώνει το σφάλμα, τόσο μικραίνει ή μεγαλώνει η τιμή που προστίθεται στο. Η συνεισφορά του όρου αυτού, δεν εξαρτάται από τις προηγούμενες τιμές του σφάλματος, αλλά μόνο από την τρέχουσα τιμή του. Αντίθετα, ο ολοκληρωτικός όρος λαμβάνει υπ όψη του τις προηγούμενες τιμές του σφάλματος, καθώς και την πορεία του μετρούμενου μεγέθους, σε σχέση με το σήμα αναφοράς στην πορεία του χρόνου. Η ολοκλήρωση σημαίνει συνεχή πρόσθεση, επομένως η ολοκλήρωση του σφάλματος στον χρόνο, σημαίνει ότι προστίθεται το σύνολο των σφαλμάτων από τη στιγμή που ξεκίνησε να λειτουργεί ο ελεγκτής. Για αυτό το λόγο, θεωρείται ότι ο ολοκληρωτικός όρος λαμβάνει υπ όψη του την ιστορία των σφαλμάτων. Πρέπει ακόμα να αναφερθεί, ότι αυτός ο όρος επιτυγχάνει μηδενικό σφάλμα στη μόνιμη κατάσταση. Στις δύο εικόνες που ακολουθούν, φαίνεται το στιγμιαίο, καθώς και το συνολικό σφάλμα για κάποια εφαρμογή του pi ελεγκτή

60 Εικόνα 4.4 Στιγμιαία τιμή σφάλματος. Εικόνα 4.5 Συνολική τιμή σφάλματος. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστεί ένα πίνακας, ο οποίος συνοψίζει τη συνεισφορά του κάθε όρου, στην εξέλιξη του σήματος ελέγχου που πρέπει να φτάσει μια συγκεκριμένη τιμή. Ο πίνακας είναι ο ακόλουθος: 60 60

61 Είδος όρου Χρόνος ανύψωσης Υπερύψωση Χρόνος αποκατάστασης Μόνιμο σφάλμα Μείωση Αύξηση Μικρή αλλαγή Μείωση Μείωση Αύξηση Αύξηση Εξάλειψη Ένα πολύ σημαντικό στοιχείο που δεν πρέπει να παραλειφθεί, είναι ότι για να εφαρμοστεί ο pi έλεγχος σε ένα σύστημα, αυτό θα πρέπει να είναι γραμμικό και ανεξάρτητο. Αφού παρουσιάστηκε η βασική θεωρία για τον pi έλεγχο, στις επόμενες ενότητες θα γίνει ο σχεδιασμός της στρατηγικής ελέγχου για τα δύο συστήματα που έχουν μοντελοποιηθεί παραπάνω. 4.4 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Ο έλεγχος του συστήματος, γίνεται στην ουσία στους δύο μετατροπείς που συμμετέχουν στο κύκλωμα. Τα μεγέθη ενός μετατροπέα που μπορούν να ελεγχθούν, είναι οι λόγοι κατάτμησης αυτού, εφαρμόζοντας κατάλληλη παλμοδότηση. Πιο συγκεκριμένα, στοιχείο ελέγχου θα αποτελέσει ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. Δηλαδή για κάποια σταθερή τιμή της συνεχούς τάσης Vdc που επιλέγεται, ο έλεγχος ανάγεται στη ρύθμιση της εναλλασσόμενης τάσης στην άλλη πλευρά του μετατροπέα. Για την εφαρμογή του pi ελέγχου στο μοντέλο της γραμμής που έχει προκύψει παραπάνω, θα πρέπει οι υπάρχουσες εξισώσεις να τροποποιηθούν καταλλήλως, ώστε ο έλεγχος να γίνει εφικτός. Το μοντέλο το οποίο έχει προκύψει αποτελείται από τις παραπάνω εξισώσεις : 61 61

62 (7) Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη υποενότητα, για την αποτελεσματική εφαρμογή του pid ελεγκτή, το μοντέλο θα πρέπει να είναι γραμμικό και ανεξάρτητο. Η μη γραμμικότητα πρέπει να εξαλειφθεί από τις εξισώσεις που διέπουν τα ηλεκτρικά μεγέθη των δυο μετατροπέων, καθώς σε αυτές θα εφαρμοστούν οι τεχνικές ελέγχου. Από τις παραπάνω εξισώσεις πρέπει να αφαιρεθούν οι όροι που δημιουργούν μη γραμμικότητες και σύζευξη μεταξύ των ελεγχόμενων μεγεθών. Από την πρώτη εξίσωση για τη συνιστώσα του ρεύματος του άξονα d του πρώτου μετατροπέα, φαίνεται ότι ο όρος είναι αυτός που περιπλέκει τα ρεύματα των δυο αξόνων και επομένως θα πρέπει να απομακρυνθεί. Για το λόγο αυτό ορίζεται μια νέα μεταβλητή, ώστε να αλλάξει η μορφή της εξίσωσης. Δηλαδή : Αντικαθιστώντας στην αρχική πρώτη σχέση προκύπτει : 62 62

63 Αντίστοιχα για τις υπόλοιπες εξισώσεις ορίζονται τα μεγέθη : Και με αντικατάσταση δημιουργούνται οι παρακάτω σχέσεις : Οι μεταβλητές,,, θα αποτελούν την έξοδο pi ελεγκτών των οποίων οι νόμοι ελέγχου φαίνονται παρακάτω : Από τις προηγούμενες σχέσεις αλλά και τις παραπάνω ισότητες 1,2,3,4 ισχύουν για τους λόγους κατάτμησης τα ακόλουθα : 63 63

64 Με την εφαρμογή αυτών των νόμων ελέγχου, οι λόγοι κατάτμησης των μετατροπέων είναι τέτοιοι ώστε τα ρεύματα στους δύο κάθετους άξονες d και q να φτάνουν σε κατάλληλες τιμές αναφοράς. Είναι φανερό ότι για τον έλεγχο της ισχύος στη γραμμή και τη ρύθμιση της τάσης στην επιθυμητή τιμή, θα πρέπει αυτά τα ρεύματα αναφοράς των δυο αξόνων, να προσδιοριστούν με κατάλληλο τρόπο. Στη περίπτωση του μοντέλου της παρούσας ενότητας ορίζονται τα μεγέθη και ίσα με το μηδέν, έτσι ώστε τα ρεύματα στον άξονα d να γίνουν και αυτά μηδέν στη μόνιμη κατάσταση κάτι το οποίο σημαίνει και μηδενική άεργο ισχύ. Η μη ύπαρξη της αέργου ισχύος είναι θεμιτή και επιδιωκόμενη καθώς συνεπάγεται χαμηλότερες απώλειες. Όσον αφορά στις τιμές και θα αποτελούν και αυτές τις εξόδους pi ελεγκτών, των οποίων οι κανόνες ελέγχου φαίνονται στη συνέχεια : 64 64

65 Όπου είναι μια τιμή αναφοράς που ορίζεται ανάλογα με το πού θεωρείται ότι υπάγεται η γραμμή, στο δίκτυο υψηλής ή μέσης τάσης και είναι η τιμή της τάσης στην πλευρά συνεχούς ρεύματος, όπως αυτή μετράται κάθε χρονική στιγμή. Αντίστοιχα, είναι η τιμή αναφοράς για την συνιστώσα του q άξονα της τάσης του κόμβου στον οποίο συνδέονται τα φορτία. Με την υλοποίηση αυτής της στρατηγικής ελέγχου, τα ρεύματα αναφοράς του άξονα q και κατ επέκταση τα ίδια τα ρεύματα του άξονα q για τους δυο μετατροπείς, ρυθμίζονται έτσι ώστε η συνεχής τάση να οδηγηθεί σε κάποια σταθερή επιθυμητή τιμή ισορροπήσει στην τιμή. και αντίστοιχα η τάση του κόμβου των φορτίων να Συνοψίζοντας λοιπόν, έχει υλοποιηθεί ένα μοντέλο ελέγχου, το οποίο αποτελείται από δύο βρόγχους σε σειρά συνδεδεμένους, έναν εσωτερικό και έναν εξωτερικό. Ο τελευταίος θα πρέπει να είναι πιο αργός για την λογική λειτουργία του συστήματος, κάτι το οποίο εξασφαλίζεται με την επιλογή κατάλληλων κερδών των δύο ελεγκτών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα σχηματικά διαγράμματα της στρατηγικής ελέγχου και των δυο μετατροπέων που συμμετέχουν στη γραμμή μεταφοράς, τα οποία περιλαμβάνουν όλα όσα αναλύθηκαν παραπάνω. Για τον πρώτο μετατροπέα λοιπόν το διάγραμμα είναι το ακόλουθο : 65 65

66 Αντίστοιχα το διάγραμμα στρατηγικής ελέγχου του δεύτερου μετατροπέα είναι: 4.5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστεί η μέθοδος ελέγχου για το μοντέλο του αυτόνομου συστήματος, όπως αυτό προέκυψε στο υποκεφάλαιο 3.5. Το μοντέλο το οποίο έχει υλοποιηθεί είναι το ακόλουθο : 66 66

67 Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία όπως και στο προηγούμενο υποκεφάλαιο, θα προκύψουν για τους λόγους κατάτμησης των δυο μετατροπέων οι ίδιες σχέσεις. Δηλαδή : (9) Η στρατηγική ελέγχου θα είναι ίδια όπως και στην προηγούμενη περίπτωση για τον πρώτο μετατροπέα, ενώ για τον έλεγχο του δεύτερου, τα ρεύματα αναφοράς και των δυο καθέτων αξόνων θα δίνονται από έναν pi ελεγκτή. Δηλαδή θα έχουμε : 67 67

68 Τα αντίστοιχα σχηματικά διαγράμματα για τον έλεγχο και των δυο μετατροπέων φαίνονται στα επόμενα σχήματα. Για τον πρώτο ισχύει : Ενώ για τον δεύτερο μετατροπέα το διάγραμμα ελέγχου είναι: 68 68

69 4.6 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ Για την ολοκλήρωση του σχεδιασμού του ελέγχου, θα πρέπει να επιλεγούν τα κέρδη των pi ελεγκτών, με τέτοιο τρόπο, ώστε να εξασφαλίζεται η ευστάθεια του συστήματος αλλά και η άμεση απόκριση αυτού. Επίσης επιδιώκεται μικρή υπερύψωση του σήματος αλλά και άμεση απόσβεση των ταλαντώσεων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα του εσωτερικού βρόγχου για τη ρύθμιση του ρεύματος του άξονα d. Θα εξαχθεί η συνολική συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος και θα προσδιοριστούν τα κέρδη χρησιμοποιώντας συγκεκριμένη στρατηγική. Idref Vd F1 PI PWM SYSTEM Id Η συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή PI είναι : όπου, = η σταθερά χρόνου. Άρα ισχύει : Η συνάρτηση μεταφοράς που περιγράφει τη λειτουργία του PWM μετατροπέα είναι: όπου, =. Δηλαδή από την πλευρά του ελέγχου θεωρείται ο μετατροπέας σαν ένας ιδανικός μετασχηματιστής ισχύος με κάποια χρονική καθυστέρηση. Επομένως προκύπτει : Τέλος το σύστημα διέπεται από τις διαφορικές εξισώσεις οι οποίες έχουν εξαχθεί 69 69

70 στο τρίτο κεφάλαιο. Για να γίνει το σύστημα γραμμικό και ο έλεγχος κάθε άξονα ανεξάρτητος, εφαρμόζεται αλλαγή μεταβλητής όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη υποενότητα αυτού του κεφαλαίου. Δηλαδή από τις αρχικές εξισώσεις σχηματίζονται οι ακόλουθες : όπου, F1 F2 Επομένως η σχέση που συνδέει την είσοδο με την έξοδο του συστήματος για τον άξονα d είναι : και τελικά θα προκύψει ως συνάρτηση μεταφοράς η ακόλουθη : όπου, τ η σταθερά χρόνου της γραμμής που ορίζεται ως τ=l/r. Έτσι έχοντας κάνει τον έλεγχο κάθε άξονα ανεξάρτητο, προκύπτουν δυο αντίστοιχοι, αλλά ανεξάρτητοι βρόγχοι για τους δυο άξονες. Δηλαδή : F1 Id 70 70

71 Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως, για την αποτελεσματικότητα των εν σειρά ελεγκτών, θα πρέπει ο εσωτερικός βρόγχος να έχει πιο γρήγορη απόκριση από των εξωτερικό. Έτσι για τη ρύθμιση των παραμέτρων του εσωτερικού ελεγκτή θα χρησιμοποιηθεί το modulus optimum κριτήριο, επειδή προσφέρει απλότητα αλλά και άμεση απόκριση. Όταν το σύστημα που τίθεται υπό έλεγχο έχει μια κυρίαρχη σταθερά χρόνου και άλλες μικρότερες, το modulus optimum κριτήριο εφαρμόζεται ακυρώνοντας τη μεγαλύτερη σταθερά χρόνου, ενώ το κέρδος του κλειστού βρόγχου θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο της μονάδας για όσο το δυνατόν υψηλότερες συχνότητες. Στην περίπτωση του συστήματος που πραγματεύεται η παρούσα εργασία, η συνάρτηση μεταφοράς του ανοιχτού βρόγχου θα είναι : Σε αυτό το σημείο ορίζεται =τ, έτσι ώστε να ακυρωθεί η μεγάλη σταθερά χρόνου. Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται το μηδενικό του παρονομαστή και η συνάρτηση μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου γίνεται: Με βάση την τελευταία σχέση, η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόγχου είναι : και επομένως το σύστημα έχει φυσική συχνότητα και συντελεστή απόσβεσης. Τώρα για τον υπολογισμό του κέρδους θα εφαρμοστεί η ισότητα : από την οποία προκύπτει

72 Με αντικατάσταση της τελευταίας σχέσης στη συνάρτηση μεταφοράς του κλειστού βρόγχου προκύπτει τελικά : όπου, και. Συνοψίζοντας οι σχέσεις που θα χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των κερδών του ελεγκτή του εσωτερικού βρόγχου είναι οι ακόλουθες : και =τ. Η διαδικασία που παρουσιάστηκε αφορά στον έλεγχο του ρεύματος του άξονα d. H ίδια διαδικασία μπορεί να ακολουθηθεί και για τον έλεγχο του ρεύματος του άξονα q, ωστόσο στην πράξη χρησιμοποιούνται τα ίδια κέρδη για τους ελεγκτές των εσωτερικών βρόγχων. Εφαρμόζοντας τις παραπάνω σχέσεις για τις δεδομένες τιμές των διαφόρων παραμέτρων που θα χρησιμοποιηθούν για τις προσομοιώσεις, προκύπτουν κατάλληλες τιμές για τα κέρδη των εσωτερικών ελεγκτών. Οι τιμές των παραμέτρων του συστήματος φαίνονται αναλυτικά σε πίνακα, στο επόμενο κεφάλαιο. Επί του πρακτέου, κατά τη μοντελοποίηση επιλέγονται Kp=5 και Ki=40, τιμές που είναι αρκετά κοντά σε αυτές που προκύπτουν από την παραπάνω διαδικασία, εφαρμόζοντας τους τύπους. Όσον αφορά τα κέρδη των εξωτερικών ελεγκτών, αυτά προέκυψαν μετά από αρκετές δοκιμαστικές προσομοιώσεις, έτσι ώστε η απόκριση του συστήματος να είναι όσο το δυνατόν καλύτερη. Οι τιμές στις οποίες καταλήξαμε είναι για το αρχικό μοντέλο γραμμής μεταφοράς Kp=0.5 και Ki=25, ενώ για το μοντέλο χωρίς τη δεύτερη τριφασική πηγή τάσης Kp=1 και Ki=15. Όπως βλέπουμε και στις δυο περιπτώσεις, οι τιμές για τα κέρδη του εξωτερικού ελεγκτή είναι χαμηλότερες από τις αντίστοιχες τιμές για τον εσωτερικό. Αυτό είναι απόλυτα λογικό, αφού οι εξωτερικοί ελεγκτές θέλουμε να είναι πιο αργοί σε σχέση με τους εσωτερικούς

73 4.7 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] [2] rator3level.html [3] [4] [5] [6] Control of VSC-HVDC for wind power, Chandra Bajracharya, Master of Science in Energy and Environment, June 2008 [7] Καραχοντζίτη Μυρτώ-Μαρία, Ανάλυση, Μοντελοποίηση και Έλεγχος Αιολικού και Φωτοβολταϊκού Συστήματος σε Δίκτυο Κατανεμημένης Παραγωγής, Πάτρα 73 73

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, αναπτύχθηκαν δύο μοντέλα για τη γραμμή μεταφοράς συνεχούς ρεύματος. Τα δύο μοντέλα είναι μεταξύ τους παρόμοια, με το δεύτερο να προκύπτει από το πρώτο, αφαιρώντας απλά ένα τμήμα του αρχικού κυκλώματος. Στο παρόν αυτό κεφάλαιο θα παρουσιαστούν κάποιες προσομοιώσεις τόσο για το αρχικό μοντέλο, όσο και για το τροποποιημένο καθώς και κατάλληλοι σχολιασμοί επί των αποτελεσμάτων. Για την διεξαγωγή κάποιων προσομοιώσεων, θα πρέπει πρώτα να οριστούν οι τιμές των παραμέτρων που συμμετέχουν στο σύστημα. Στην πράξη αυτό γίνεται δημιουργώντας ένα δεύτερο αρχείο τύπου Matlab (.m file), το οποίο και εκτελείται πριν από το αρχείο Simulink (.mdl file)

75 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται λοιπόν οι τιμές των παραμέτρων, οι οποίες αντλήθηκαν από άλλες εργασίες και δημοσιεύσεις και είναι αντιπροσωπευτικές των αντίστοιχων μεγεθών. Πίνακας 5.1 Σύμβολο Περιγραφή μεγέθους Αριθμητική τιμή Επαγωγή ανά φάση γραμμής μεταφοράς 1 3 mh Επαγωγή ανά φάση γραμμής μεταφοράς 2 5 mh Αντίσταση ανά φάση γραμμής μεταφοράς hm Αντίσταση ανά φάση γραμμής μεταφοράς hm C Εγκάρσιος πυκνωτής στη γραμμή συνεχούς ρεύματος Γωνιακή συχνότητα των πηγών τροφοδοσίας Συνιστώσα στον άξονα q της πρώτης πηγής τροφοδοσίας Συνιστώσα στον άξονα q της δεύτερης πηγής τροφοδοσίας Συνιστώσα στον άξονα d της πρώτης πηγής τροφοδοσίας Συνιστώσα στον άξονα d της δεύτερης πηγής τροφοδοσίας Ωμική αντίσταση φορτίου 100 μf 2*pi*50 rad/sec 700 Volt 700 Volt 0 Volt 0 Volt 100 Ohm Χωρητική αντίσταση φορτίου 10 μf Επαγωγική αντίσταση φορτίου 20 mh 75 75

76 5.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ AC ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που θα παρουσιαστούν σε αυτό το υποκεφάλαιο, αφορούν στο πρώτο μοντέλο το οποίο αναπτύχθηκε στο τρίτο κεφάλαιο, δηλαδή αυτό του συστήματος με ac διασύνδεση προς το δίκτυο. Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος που αντιστοιχεί σε αυτό το μοντέλο φαίνεται στη συνέχεια. Στην κυκλωματική αυτή διάταξη συμμετέχουν όλα εκείνα τα στοιχεία που ορίστηκαν στον πίνακα 5.1. Επιπλέον υπάρχουν μεταξύ του σημείου σύνδεσης του φορτίου και της δεύτερης τριφασικής πηγής, ωμικές και επαγωγικές αντιστάσεις, και. Σε αυτά τα στοιχεία δίνονται οι ακόλουθες τιμές: = 0.4 Ohm Η επιλογή των κερδών των ελεγκτών παίζει σημαντικό ρόλο στην λειτουργία του κλειστού συστήματος και η διαδικασία αυτή έγινε όπως αναλύεται στο τέταρτο κεφάλαιο. Συγκεκριμένα για τους ελεγκτές των εσωτερικών βρόγχων επιλέχθηκαν Kp=5 και Ki=40, ενώ για τους ελεγκτές των εξωτερικών βρόγχων Kp=0.5 και Ki=25. Στη συνέχεια θα πρέπει να οριστούν οι τιμές αναφοράς, οι οποίες αποτελούν εισόδους για το σύστημα και στις οποίες πρέπει να ισορροπούν τα αντίστοιχα μεγέθη. Στο συγκεκριμένο μοντέλο συμμετέχουν τέσσερεις τέτοιες τιμές, οι οποίες είναι, τα ρεύματα αναφοράς του άξονα d και, η τάση αναφοράς στην 76 76

77 πλευρά συνεχούς ρεύματος συνδέονται τα φορτία. και η τάση αναφοράς του κόμβου στον οποίο Τα ρεύματα και θα οριστούν ίσα με μηδέν, έτσι ώστε να μηδενιστεί η άεργος ισχύς που μεταφέρεται στο κύκλωμα. Για τις τάσεις αναφοράς θα επιλεγούν δύο τιμές, οι οποίες είναι λογικές, έτσι ώστε το σύστημα να μπορέσει να καταλήξει σε ευστάθεια. Οι τιμές αυτές πρέπει να βρίσκονται μεταξύ κάποιων ορίων και αυτές που επιλέγονται είναι : =1500 V, =600 V Ο χρόνος προσομοίωσης τίθεται ίσος με ένα δευτερόλεπτο, χρόνος αρκετός για να προλάβει το μοντέλο να ισορροπήσει. Οι κυματομορφές που προκύπτουν για τις δυο τάσεις που ελέγχονται είναι : 77 77