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 ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Πριόνα Ευαγγέλου του Χαραλάμπους Αριθμός Μητρώου: 6354 Θέμα «Μελέτη Επίδρασης στο Δίκτυο Ανεμογεννητριών Μεταβλητών Στροφών» Επιβλέπων Αλεξανδρίδης Θ. Αντώνιος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη Επίδρασης στο Δίκτυο Ανεμογεννητριών Μεταβλητών Στροφών» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πριόνα Ευαγγέλου του Χαραλάμπους Αριθμός Μητρώου: 6354 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 01/07/2015 Ο Επιβλέπων Καθηγητής Αλεξανδρίδης Θ. Αντώνιος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Αλεξανδρίδης Θ. Αντώνιος - 2 -

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη Επίδρασης στο Δίκτυο Ανεμογεννητριών Μεταβλητών Στροφών» Φοιτητής: Πριόνας Ευάγγελος Επιβλέπων: Αλεξανδρίδης Θ. Αντώνιος Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια εισαγωγή στην αιολική ενέργεια ως μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Συγκεκριμένα, αναφέρονται τα σημαντικά πλεονεκτήματα και τα βασικά χαρακτηριστικά της αιολικής ενέργειας, καθώς και η διασύνδεση της αιολικής ενέργειας με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, παρουσιάζονται με αριθμητικά δεδομένα η χρήση της αιολικής ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο, η σημερινή και μελλοντική συνεισφορά της αιολικής ενέργειας στον ενεργειακό τομέα της Ευρωπαϊκής Ένωσης και τέλος η αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια αναλυτική παρουσίαση της δομής και λειτουργίας των αιολικών συστημάτων. Αρχικά, γίνεται μια κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών με βάση την κατασκευαστική τους μορφή και η περιγραφή της βασικής δομής των ανεμογεννητριών. Επιπλέον, πραγματοποιείται η αεροδυναμική ανάλυση των ανεμογεννητριών, όπου ορίζονται τα βασικά αεροδυναμικά μεγέθη για τη μελέτη των ανεμογεννητριών. Επιπρόσθετα, εξετάζονται τα αιολικά συστήματα με ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών. Τέλος, αξιολογείται η εφαρμογή των επαγωγικών και των σύγχρονων γεννητριών στα αιολικά συστήματα, καθώς και η χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος στα συστήματα ανεμογεννητριών

4 Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η μοντελοποίηση και ο έλεγχος των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Αρχικά, παρουσιάζεται το μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας και ακολουθεί η περιγραφή του συστήματος ελέγχου των αιολικών συστημάτων με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το μοντέλο της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη και ακολουθεί η περιγραφή του συστήματος ελέγχου των αιολικών συστημάτων με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η μελέτη της επίδρασης των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Καταρχάς, εξετάζεται η επίδραση των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών στον έλεγχο της τάσης στα συστήματα μεταφοράς, στα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής και στο συνολικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών στην ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, όπου αναλύεται η μεταβατική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών και η δυναμική απόκριση των αιολικών πάρκων. Επιπρόσθετα, αναλύεται η επίδραση της αυξημένη διείσδυσης στο δίκτυο των αιολικών συστημάτων με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και ειδικότερα στην ευστάθεια της γωνίας ισχύος, της τάσης και της συχνότητας. Τέλος, αναφέρεται η επίδραση των αιολικών συστημάτων με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη στην ποιότητα ισχύος του δικτύου. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται στο υπολογιστικό περιβάλλον Simulink του Matlab η προσομοίωση της επίδρασης στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ενός αιολικού πάρκου τύπου DFIG και ενός αιολικού πάρκου τύπου PMSG. Συγκεκριμένα, προσομοιώνεται η δυναμική συμπεριφορά των αιολικών συστημάτων μεταβλητών μεταβλητών στροφών μετά την εφαρμογή σφαλμάτων και διαταραχών, και ειδικότερα βυθισμάτων τάσης, τριφασικών βραχυκυκλωμάτων και μεταβολών στην ταχύτητα του ανέμου. Τέλος, από τις κυματομορφές που προκύπτουν εξετάζεται η ευστάθεια των συγκεκριμένων ανεμογεννητριών μετά τη δράση των συστημάτων ελέγχου τους

5 ABSTRACT The purpose of this diploma thesis is the study of the impact of variable-speed wind turbine generator systems on the electrical grid. The first chapter makes an introduction to wind energy which is a renewable energy source. The second chapter presents with details the structure and function of wind turbine generator systems. The third chapter refers to the modelling and the control systems of the variable-speed wind turbine generators. The fourth chapter examines the impact of variable-speed wind turbine generators on the electric power system. The fifth chapter compares through simulations the dynamic behavior of a DFIG-type wind park and PMSG-type wind park for voltage dips, three phase shorts-circuits and changes of wind power

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Αλεξανδρίδη Αντώνιο, Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστήμιο Πατρών, για την ανάθεση αυτού του πολύ ενδιαφέροντος θέματος, καθώς και για την πολύτιμη καθοδήγηση του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Επίσης, οφείλω ιδιαίτερες ευχαριστίες στην κυρία Δέσποινα Μακρυγιώργου, Υποψήφια Διδάκτορα του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, για την ανεκτίμητη βοήθεια και καθοδήγηση της, τόσο για την εκτέλεση της προσομοίωσης όσο και για τη συγγραφή της διπλωματικής εργασίας

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΜΙΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή στην Αιολική Ενέργεια Τα Πλεονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Τα Χαρακτηριστικά της Αιολικής Ενέργειας Η Αιολική Ενέργεια και το Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας Η ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ Η Αιολική Ενέργεια και το Ενεργειακό Πρόβλημα της Ευρωπαϊκής Ένωσης Η Σημερινή Κατάσταση της Αιολικής Ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Το Μέλλον της Αιολικής Ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Η ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου Άξονα Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου Άξονα Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Άντωση και Αντίσταση των Πτερυγίων Αιολική Ισχύς Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Λόγος Ταχύτητας Ακροπτερυγίου Μέγιστος Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος και Βέλτιστος Λόγος Ταχύτητας Ακροπτερυγίου Μέγιστη Παραγόμενη Ισχύς

8 Γωνία Βήματος Πτερυγίου Απώλεια Στήριξης ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Ανεμογεννήτριες Περιορισμένων Μεταβλητών Στροφών Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών με Μερικώς Ελεγχόμενο Μετατροπέα Συχνότητας Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών με Πλήρως Ελεγχόμενο Μετατροπέα Συχνότητας Η ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού Επαγωγική Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Επαγωγική Γεννήτρια με Μεταβαλλόμενη Αντίσταση Δρομέα Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΩΝ Ανορθωτές Αντιστροφείς Μετατροπείς Συχνότητας Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενος Εκκινητής ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (Double Fed Induction Generator - DFIG) Μοντέλο Επαγωγικής Μηχανής στο abc Σύστημα Αναφοράς Μετασχηματισμός στο Σύστημα των Κάθετων Αξόνων Μοντέλο Επαγωγικής Μηχανής στο d-q Σύστημα Αναφοράς ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δρομέα Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου

9 3.3. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη στο abc Σύστημα Αναφοράς Μετασχηματισμός Park Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη στο d-q Σύστημα Αναφοράς ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ (PMSG) Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά της Γεννήτριας Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ Ο Έλεγχος Τάσης στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενεργός και Άεργος Ισχύς στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Επίδραση των Αιολικών Συστημάτων στα Συστήματα Μεταφοράς Επίδραση των Αιολικών Συστημάτων στα Δίκτυα Διανεμημένης Παραγωγής Δυνατότητες Ελέγχου Τάσης από Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Επίδραση Παραγόντων στον Έλεγχο Τάσης ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΗΝ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ευστάθεια Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας Μεταβατική Συμπεριφορά Ανεμογεννητριών Μεταβλητών Στροφών Δυναμική Απόκριση Αιολικών Πάρκων ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΥΞΗΜΕΝΗΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Επίδραση στην Ευστάθεια της Γωνίας Ισχύος Επίδραση στην Ευστάθεια Μικρού Σήματος της Γωνίας Ισχύος Το Πρόβλημα της Ευστάθειας Μικρού Σήματος Ευαισθησία των Ιδιοτιμών Επίδραση στη Μεταβατική Ευστάθεια της Γωνίας Ισχύος Επίδραση στην Ευστάθεια Τάσης Τρόποι Λειτουργίας των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG Δυνατότητα Λειτουργίας υπό Μειωμένη Τάση (Voltage Ride Through) των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG

10 Στατική Χαρακτηριστική Ισχύος των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG Επίδραση στην Ευστάθεια Τάσης Μόνιμης Κατάστασης Επίδραση στην Ευστάθεια Συχνότητας Έλεγχος Συχνότητας από Ανεμογεννήτριες τύπου DFIG Ρύθμιση του Ελεγκτή Βήματος Πτερυγίων Ρύθμιση της Μέγιστης Πραγματικής Ισχύος ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ ΣΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Διακυμάνσεις Τάσης Βυθίσματα Τάσης Αρμονικές Επίπεδο Ισχύος Βραχυκυκλώματος ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΤΥΠΟΥ DFIG ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το Αιολικό Πάρκο τύπου DFIG και το Δίκτυο Ηλεκτρικής Ενέργειας Η Διαδικασία και τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 50% Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 80% Τριφασικό Βραχυκύκλωμα σε Γραμμή Μεταφοράς Βηματική Μεταβολή της Ταχύτητας του Ανέμου ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΤΥΠΟΥ PMSG ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το Αιολικό Πάρκο τύπου PMSG και το Δίκτυο Ηλεκτρικής Ενέργειας Η Διαδικασία και τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 50% Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 80% Τριφασικό Βραχυκύκλωμα σε Γραμμή Μεταφοράς Βηματική Μεταβολή της Ταχύτητας του Ανέμου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 167 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΜΙΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνει την αξιοποίηση ειδών ενέργειας όπως η αιολική ενέργεια, η ηλιακή ενέργεια, η υδροηλεκτρική ενέργεια, η παλιρροϊκή και κυματική ενέργεια, η γεωθερμική ενέργεια και η ενέργεια από βιομάζα. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν το βασικό χαρακτηριστικό ότι ανανεώνονται συνεχώς στη φύση και επομένως είναι ανεξάντλητες από ποσοτική άποψη. Επίσης, προσδιορίζονται και από τον όρο ήπιες μορφές ενέργειας, πράγμα που οφείλεται σε δύο σημαντικούς λόγους. Πρώτον, για την εκμετάλλευση τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση όπως εξόρυξη, άντληση, ή καύση που εφαρμόζονταν στις παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως το πετρέλαιο και ο άνθρακας, αλλά απλώς χρησιμοποιείται η ήδη υπάρχουσα ροή ενέργειας. Δεύτερον, αποτελούν καθαρές μορφές ενέργειας και φιλικές προς το περιβάλλον, καθώς δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα και τοξικά απόβλητα, όπως οι συμβατικές πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ένα αυξανόμενο τμήμα των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα λόγω της συνεισφορά τους στην απομάκρυνση των συμβατικών ορυκτών καυσίμων από την παραγωγή ενέργειας, στην εξασφάλιση συνθηκών μακροχρόνιας ασφάλειας στο μέλλον της ενέργειας και στην επέκταση της πρόσβασης στην ενέργεια σε νέους καταναλωτές σε κάθε γωνιά του πλανήτη. Με απλά λόγια η πρόκληση είναι να εξασφαλισθεί η διαθεσιμότητα της ενέργειας και η διατήρηση του περιβάλλοντος. Τα βασικά στοιχεία που καθορίζουν τους στόχους της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Η σταθεροποίηση του κλίματος και η προστασία του περιβάλλοντος Η κάλυψη της ζήτησης σε ενέργεια του αυξανόμενου πληθυσμού Η εξασφάλιση σταθερής πρόσβασης στην ενέργεια για όλα τα έθνη Η παροχή ηλεκτρισμού σε 1.6 δισεκατομμύρια νέους καταναλωτές Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μακρινές αποστάσεις Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εμπλέκονται σε όλα τα παραπάνω και ακόμη είναι ζωτικής σημασίας για το μετασχηματισμό των ενεργειακών δικτύων, ώστε να μπορούν να αντιμετωπίσουν τις οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές προκλήσεις του μέλλοντος. Συνολικά, η συμμετοχή των

12 ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ενέργειας θα αυξηθεί τις επόμενες δεκαετίες, πράγμα που αποδεικνύεται από την υιοθέτηση των ανάλογων κυβερνητικών πολιτικών που αφορούν τα ενεργειακά θέματα. Συγκεκριμένες νομοθετικές και ρυθμιστικές διατάξεις έχουν δημιουργηθεί από τα διάφορα κράτη με στόχο να συμβάλλουν στην προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ανάγκη για την αντιμετώπιση της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής, που είναι ένα παγκόσμιο περιβαλλοντικό φαινόμενο και θα επηρεάσει τους πάντες στον πλανήτη, είναι η μεγαλύτερη κινητήριος δύναμη για την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή, που είναι ο πρωτοπόρος οργανισμός σε όλο τον κόσμο στην έρευνα για τις κλιματικές αλλαγές, αναφέρει σε έκθεσή της ότι η υπερθέρμανση του κλίματος του πλανήτη είναι αδιαμφισβήτητη. Αυτό είναι εμφανές από τις παρατηρήσεις της Επιτροπής για αύξηση της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρας της γης και στους ωκεανούς, για εκτεταμένη τήξη του χιονιού και των πάγων και για άνοδο της παγκόσμιας μέσης στάθμης των ωκεανών. Επιπλέον, η Επιτροπή αναφέρει ότι αυτή η παγκόσμια υπερθέρμανση τα τελευταία 50 χρόνια είναι πολύ πιθανό να οφείλεται σε ανθρωπογενείς παράγοντες, όπως ο εμπλουτισμός της ατμόσφαιρας με καυσαέρια σαν το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο που συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σε περιβαλλοντική έκθεση σημειώνεται ότι οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα για ενεργειακή χρήση αποτελούν το 70% των συνολικών εκπομπών υδρογονανθράκων και πως το 50% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προέρχονται από τα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια παραγωγή ενέργειας. Κατά συνέπεια, οι κυβερνήσεις έχουν θέσει σε εφαρμογή πολιτικές για τον περιορισμό των εκπομπών καυσαερίων από τον τομέα της ενέργειας. Επειδή στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές δε συμβαίνουν εκπομπές ρυπογόνων αερίων, η επέκταση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να συμβάλλει στη μείωση των ρυπογόνων αερίων που εκλύονται ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Επομένως, η αποπομπή των παραγώγων του άνθρακα από το σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού επιβραδύνει την αύξηση των ποσοτήτων αερίων στην ατμόσφαιρα που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και με αυτό τον τρόπο μετριάζεται η επακόλουθη εξαναγκασμένη επιβάρυνση του κλιματικού συστήματος. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από ανανεώσιμες πηγές έχει μηδενικό κόστος καυσίμου διότι βασίζονται στον άνεμο, στο νερό, στο ηλιακό φως κλπ, τα οποία είναι δωρεάν και άφθονα στη φύση. Άρα, όσο οι χώρες επενδύουν στην προώθηση των ανανεώσιμων πηγών επωφελούνται οικονομικά με δύο σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, το μέσο ενεργειακό κόστος για την παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές τείνει να φθίνει με την πάροδο του χρόνου, ενώ το κόστος που μεταβάλλεται περιορίζεται μόνο στη λειτουργία και

13 στη συντήρηση και δεν περιλαμβάνει καύσιμα. Δεύτερον, το κόστος παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές δεν επηρεάζεται από διακυμάνσεις των τιμών των ορυκτών καυσίμων που είναι ιστορικά ασταθείς και υφίστανται γεωπολιτικές αλλαγές. Στο παρακάτω διάγραμμα, όπου παρουσιάζεται η συνεισφορά διαφόρων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρισμού μέχρι το 2035, είναι εμφανής η αύξηση του ποσοστού συμμετοχής των ανανεώσιμων πηγών και η μείωση του ποσοστού των συμβατικών πηγών. Σχήμα 1.1 Ποσοστά παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρισμού ανά καύσιμο [1] Λόγω της άνισης κατανομής των κοιτασμάτων ορυκτών καυσίμων και της μελλοντικής τους εξάντλησης, πολλές χώρες που θέλουν να διασφαλίσουν το ενεργειακό τους μέλλον, έχουν προετοιμάσει ένα σχέδιο βαθμιαίας μείωσης της εξάρτησης τους από ορυκτά καύσιμα στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, οι ανανεώσιμες πηγές είναι καλύτερα κατανεμημένες σε όλο τον κόσμο και δεν εξαντλούνται καθώς τις εκμεταλλευόμαστε. Έτσι, η επένδυση μιας χώρας στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οδηγεί στην παραγωγής ηλεκτρισμού χωρίς δαπάνες για την αγορά καυσίμου. Πράγματι, χώρες με μεγάλες ποσότητες ορυκτών καυσίμων, όπως η Κίνα, έχουν θέσει υψηλούς στόχους για την αξιοποίηση του ανέμου και την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας. Επίσης, αξίζει να αναφερθεί ότι παρά την πρόσφατη άνοδο της παραγωγής φυσικού αερίου στις ΗΠΑ, καμία πολιτεία δε θέλησε να σταματήσει την προσπάθεια για επίτευξη των στόχων αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ζήτηση ενέργειας στις αναπτυσσόμενες χώρες είναι διαρκώς αυξανόμενη και μάλιστα με ταχείς ρυθμούς. Σύμφωνα με εκτιμήσεις του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας, στις χώρες που δεν ανήκουν στον Οργανισμό

14 Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (OECD), η ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια θα μεγαλώσει με ένα μέσο ετήσιο ρυθμό αύξησης της τάξης του 3.5% μέχρι το Η συνολική ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια για τις συγκεκριμένες χώρες θα τριπλασιαστεί από TWh το 2009 σε σχεδόν TWh το Στην Ασία η ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια θα μεγαλώνει γρηγορότερα με ένα μέσο ετήσιο ρυθμό αύξησης της τάξης του 4.2% κατά την ίδια περίοδο. Συνεπώς, εκτός από τις ανάγκες για καθαρότερη ενέργεια και διασφάλιση του μέλλοντος της ο κόσμος θα χρειάζεται περισσότερα ποσά ενέργειας καθώς περισσότεροι άνθρωποι στον αναπτυσσόμενο κόσμο προβαίνουν σε κατανάλωση ενέργειας. Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει την καταγεγραμμένη και προβλεπόμενη παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση με συγκεκριμένα ποσά ανά χώρα ή ομάδα χωρών: Σχήμα 1.2 Καταγεγραμμένα και προβλεπόμενα ποσά ζήτησης ενέργειας ανά κράτος ή περιοχή ( ) [1] Καθώς αυξάνεται η συνολική ενεργειακή ζήτηση οι ανανεώσιμες πηγές θα γίνουν καθοριστικές στην παροχή ηλεκτρισμού. Σύμφωνα με εκτιμήσεις του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας η παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές θα τριπλασιαστεί από TWh το 2009 σε TWh το Ακόμη οι ανανεώσιμες πηγές θα συμβάλλουν στην αύξηση κατά 50% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας μέχρι το 2035, ενώ το 33% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας θα προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές [1]. Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει την σταδιακά αυξανόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές μέχρι το

15 Σχήμα 1.2 Προβλεπόμενα ποσοστά παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας [1] 1.2 H ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή στην Αιολική Ενέργεια Στην κατηγορία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας εντάσσεται και η αιολική ενέργεια, δηλαδή η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Ο άνεμος ορίζεται ως η κίνηση αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Η κίνηση αυτή οφείλεται στην ύπαρξη διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών στην ατμόσφαιρα που παρατηρούνται λόγω του διαφορετικού γεωγραφικού πλάτους και της διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Αυτή η διαφορετικότητα στις γεωγραφικές θερμοκρασίες έχει ως αιτίες την υψομετρική διαφορά μεταξύ δύο σημείων και τη διαφορετική φύση της κάθε επιφάνειας. Σήμερα, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρική ενέργειας στους αιολικούς σταθμούς, όπου βρίσκονται εγκατεστημένες αιολικές μονάδες μεγάλης ισχύος. Η μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική πραγματοποιείται από ειδικές αιολικές μηχανές που ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Πολλές ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν ένα αιολικό πάρκο, το οποίο διακρίνεται σε χερσαίο και υπεράκτιο ανάλογα με την τοποθέτηση του στην ξηρά ή στη θάλασσα αντίστοιχα [15]

16 Σχήμα 1.4 Χερσαίο αιολικό πάρκο [15] Σχήμα 1.5 Υπεράκτιο αιολικό πάρκο [15]

17 1.2.2 Τα Πλεονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια είναι και αυτή μια καθαρή και ήπια μορφή ενέργειας, διότι δε μολύνει το περιβάλλον και δε συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου όπως οι άλλες συμβατικές πηγές. Ένα μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής σε ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές προέρχεται από αιολικούς σταθμούς, που εκμεταλλεύονται το πλεονεκτήματα ότι η αιολική ενέργεια βρίσκεται σε ανεξάντλητες ποσότητες στη φύση. Η αιολική ενέργεια είναι η πιο καθοριστική από τις ανανεώσιμες πηγές και μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στη μείωση των ρύπων στην ατμόσφαιρα. Κάθε 1 MW αιολικής ισχύος αποτρέπει 3.2 τόνους σωματιδίων τον χρόνο, 5 τόνους οξειδίων αζώτου, 6 τόνους διοξειδίου του θείου και 3000 πλέον τόνους διοξειδίου του άνθρακα το χρόνο. Τα τελευταία χρονιά η αιολική ενέργεια έχει καταστεί σε μια από τις σημαντικότερες ανανεώσιμες μορφές ενέργειας. Σήμερα, οι αιολικοί σταθμοί που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιούν δοκιμασμένες και ελεγμένες τεχνολογίες ώστε να παρέχουν ασφαλή και βιώσιμη ενέργεια. Σε τοποθεσίες με κατάλληλες ανεμολογικές συνθήκες οι αιολικοί σταθμοί ανταγωνίζονται στην παραγωγή ποσοτήτων ηλεκτρισμού τους συμβατικούς σταθμούς. Βέβαια, πολλές χώρες εξαιρετικά πλούσιες σε αιολικό δυναμικό δεν έχουν αξιοποιήσει ακόμη τις σημαντικές αυτές ποσότητες αιολικής ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή. Μερικά άλλα αξιοσημείωτα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας αναφέρονται. Οι αιολικοί σταθμοί μπορούν να συμβάλλουν σημαντικά στην επέκταση της δυνατότητας ηλεκτροδότησης διάφορων περιφερειακών περιοχών. Για το σχεδιασμό και την κατασκευή αιολικών σταθμών απαιτείται πολύ πιο σύντομο χρονικό διάστημα σε σχέση με τους συμβατικούς σταθμούς Η αύξηση της ισχύος των αιολικών μονάδων σε περίπτωση που παρουσιαστεί μια άνοδος της ενεργειακής ζήτησης γίνεται με ευελιξία καθώς μόνο οι ανεμογεννήτριες μπορούν να τοποθετηθούν εύκολα στον υπάρχον αιολικό πάρκο. Η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων ετών οδήγησε στην κατασκευή περισσότερο αποτελεσματικών και αξιόπιστων ανεμογεννητριών, καθιστώντας έτσι την αιολική ενέργεια ιδανική από άποψη κόστους. Γενικά το ετήσιο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανάται στους αιολικούς σταθμούς μειώνεται ανάλογα με το μέγεθος της ανεμογεννήτριας παρά τις υπάρχουσες δυσκολίες εφοδιασμού [15] Τα Χαρακτηριστικά της Αιολικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια παρουσιάζει την ιδιότητα ότι είναι μια πηγή ενέργειας που δεν έχει πάντα τις διαθέσιμες ποσότητες εξαιτίας κάποιων παραγόντων που είναι εκτός άμεσου ελέγχου. Το γεγονός αυτό είναι ένας συνδυασμός της μη

18 ελεγχόμενης διακύμανσης, της μερικής απροβλεπτότητας και της τοπολογικής εξάρτησης που είναι διακριτά χαρακτηριστικά της αιολικής ενέργειας. Αυτές οι τρεις διακριτές πτυχές δημιουργούν ξεχωριστές προκλήσεις η καθεμιά στην ενσωμάτωση μεγάλων επιπέδων αιολικής ενέργειας στο δίκτυο, οι οποίες πρέπει να αντιμετωπιστούν από τους ιδιοκτήτες των αιολικών μονάδων παραγωγής και τους διαχειριστές του ηλεκτρικού δικτύου. Παρακάτω ακολουθεί μια αναλυτική περιγραφή των τριών αυτών χαρακτηριστικών της αιολικής ενέργειας: α) Μη ελεγχόμενη διακύμανση: ο άνεμος είναι μεταβλητός σε τέτοιο σημείο που οι ανεμογεννήτριες δε είναι εύκολο να έχουν ελεγχόμενη παραγωγή διότι η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να διαφέρει από λεπτό σε λεπτό με αποτέλεσμα να επηρεάζεται κάθε στιγμή η αποδιδόμενη ηλεκτρικής ισχύς. Αυτή η διακύμανση στην ισχύ εξόδου καθιστά αναγκαία την παροχή επιπρόσθετων ποσοτήτων ενέργειας ώστε να ισορροπήσει η προσφορά και η ζήτηση ενέργειας στο δίκτυο σε στιγμιαία βάση. Επίσης, η πρόσθετη ενέργεια προσφέρει άλλες απαραίτητες βοηθητικές υπηρεσίες όπως αυτές της ρύθμισης της συχνότητας του δικτύου και του επιπέδου της τάσης. Το παρακάτω γράφημα δείχνει ένα παράδειγμα της εξερχόμενης ανά ώρα ηλεκτρικής ισχύος από τις ανεμογεννήτριες ενός αιολικού πάρκου για 29 διαφορετικές μέρες του ίδιου μήνα. Σχήμα 1.6 Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος ανά ώρα σε αιολικό πάρκο των ΗΠΑ για διαφορετικές 29 ημέρες του μήνα Απριλίου (2005) [1] β) Μερική απροβλεπτότητα: Η διαθεσιμότητα του ανέμου είναι εν μέρει απρόβλεπτη, όμως μια ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μόνο όταν φυσά ο άνεμος. Αυτό το πρόβλημα της απροβλεπτότητας του ανέμου μπορεί να αντιμετωπιστεί μέσω της βελτίωσης των τεχνολογιών που

19 εφαρμόζονται στην πρόβλεψη των καιρικών συνθηκών και στην εκτίμηση της παραγόμενης ενέργειας. Επιπλέον, είναι απαραίτητη η διατήρηση ενεργειακών αποθεμάτων τα οποία να είναι έτοιμα να υποστηρίξουν το σύστημα με επιπλέον ενέργεια όταν οι αιολικές μονάδες παράγουν λιγότερη ενέργεια από την προβλεπόμενη. Τέλος, χρειάζεται η διαθεσιμότητα φορτίων ώστε να απορροφήσουν την πλεονάζουσα ενέργεια σε περιπτώσεις που παράγεται περισσότερη ενέργεια από την επιτρεπτή. Το παρακάτω γράφημα δείχνει ένα παράδειγμα του πόσο μπορεί να διαφέρει η προβλεπόμενη ανά ώρα παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες, ακόμη κι όταν εξεταστούν πολλαπλά προγνωστικά σενάρια. Σχήμα 1.7 Προγνωστικά σενάρια παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος σε αιολικό πάρκο των ΗΠΑ ανά ώρα [1] γ) Τοπολογική εξάρτηση: Το βέλτιστο αιολικό δυναμικό βρίσκεται σε συγκεκριμένες τοποθεσίες και σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα δε είναι δυνατόν να μεταφερθεί σε έναν αιολικό σταθμό που είναι ιδανικός από άποψη δικτύου. Η περιοχή εγκατάστασης των αιολικών πάρκων πρέπει να ταυτίζεται με την περιοχή της ύπαρξης του δυνατού ανέμου και συχνά αυτές οι περιοχές βρίσκονται πολύ μακριά σε σχέση με τα κέντρα κατανάλωσης της παραγόμενης ενέργειας. Η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου από άποψη δυνατότητας μεταφοράς είναι αναγκαία για την ένταξη αιολικών μονάδων στο δίκτυο, ενώ για τη σύνδεση υπεράκτιων αιολικών πάρκων απαιτούνται σημαντικές επενδύσεις για γραμμές μεταφοράς ειδικής τεχνολογίας. Επειδή η παρουσία του ανέμου είναι χωρικά και χρονικά εκτός ανθρώπινου ελέγχου, η ενσωμάτωση των αιολικών μονάδων παραγωγής στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας συνεπάγεται τη διαχείριση άλλων ελεγχόμενων

20 λειτουργιών, τα οποία επηρεάζουν πολλά άλλα τμήματα του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων και των συμβατικών σταθμών. Αυτές οι λειτουργίες και οι επακόλουθες δραστηριότητες συμβαίνουν σε μια σειρά από πληθώρες χρονικές κλίμακες δηλαδή από δευτερόλεπτα μέχρι χρόνια. Η βασική προϋπόθεση για την ένταξη της αιολικής ενέργειας στο σύστημα είναι η ανάγκη για μεγαλύτερη ευελιξία από το υπόλοιπο τμήμα του δικτύου, που περιλαμβάνει τις γεννήτριες, τις γραμμές μεταφοράς και τα φορτία. Τέλος, εκτός από τη μεταβλητότητα των ανεμογεννητριών είναι απαραίτητο να εξεταστούν οι πλήρεις επιδράσεις από τη διείσδυση σημαντικών ποσοτήτων αιολικής ενέργειας στο δίκτυο [1] Η Αιολική Ενέργεια και το Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια είναι ιδιαίτερα συνεπής από έτος σε έτος, αλλά παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις για μικρότερες χρονικές κλίμακες. Αν το ποσοστό της αιολικής ενέργειας σε μια περιοχή αυξηθεί είναι αναγκαία η αναβάθμιση του ηλεκτρικού δικτύου και η μείωση της παραγωγής των συμβατικών σταθμών. Οι τεχνικές διαχείρισης ισχύος, όπως η ύπαρξη πλεονάζουσας χωρητικότητα αποθήκευσης, η αξιοποίηση της κατάλληλης γεωγραφικής κατανομής των ανεμογεννητριών, η χρήση ενεργειακών μονάδων υποστήριξης, η εισαγωγή και εξαγωγή ενέργειας προς τις γειτονικές περιοχές και η μείωση της ζήτησης όταν η ποσότητα του ανέμου είναι ελάχιστη, μπορούν σε μεγάλο βαθμό να μετριάσουν κάποια προβλήματα. Επιπλέον, η πρόγνωση του καιρού επιτρέπει στα δίκτυα να είναι προετοιμασμένα για τις προβλεπόμενες πιθανές διακυμάνσεις της παραγωγής. Η αιολική ενέργεια δε μπορεί να αναλυθεί ξεχωριστά από τα υπόλοιπα μέρη του ηλεκτρικού συστήματος και επίσης το κάθε σύστημα έχει τη διαφορές του από τα υπόλοιπα. Το μέγεθος και η εγγενής ευελιξία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι ζωτικής σημασίας για να καθοριστεί αν στο σύστημα μπορεί να διοχετευτεί ένα μεγάλο ποσό αιολικής ενέργειας. Ο ρόλος μια μεταβλητής πηγής ενέργειας όπως είναι ο άνεμος πρέπει να θεωρηθεί ως μια πτυχή μεταβλητής παροχής και ζήτησης στο ηλεκτρικό ενεργειακό σύστημα. Οι διαχειριστές του ηλεκτρικού δικτύου δεν πρέπει να αναλαμβάνουν δράση κάθε φορά που ένας μεμονωμένος καταναλωτής αλλάζει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ομοίως, δεν πρέπει να ασχοληθεί με την διακύμανση εξόδου μιας μεμονωμένης ανεμογεννήτριας, διότι αυτό που έχει σημασία είναι η καθαρή παραγωγή όλων των ανεμογεννητριών ή των μεγάλων ομάδων αιολικών πάρκων. Ως εκ τούτου, η αιολική ενέργεια πρέπει να εξεταστεί σε

21 σχέση με τη συνολική ζήτηση για μεταβλητότητα αλλά και με τη μεταβλητή και διακοπτόμενη λειτουργία των άλλων ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων. Η μεταβλητότητα του ανέμου σαν πηγή ενέργειας πρέπει να εξεταστεί στα πλαίσια του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και όχι στο επίπεδο της μεμονωμένης ανεμογεννήτριας ή του αυτόνομου αιολικού πάρκου. Ο άνεμος δε φυσά συνεχώς, ενώ υπάρχει μικρή επίπτωση αν σταματήσει να φυσάει σε μια συγκεκριμένη θέση αφού θα φυσάει σε κάποιο άλλο μέρος. Έτσι, ο άνεμος μπορεί να αξιοποιηθεί για να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια με αξιοπιστία, ακόμη κι αν ο άνεμος δε είναι διαθέσιμος στο 100% του χρόνου σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Σε ό,τι αφορά τη συνολική προσφορά ενέργειας είναι σχεδόν ασήμαντο όταν σταματάει ο άνεμος να φυσάει σε μια μεμονωμένη ανεμογεννήτρια ή σε ένα αυτόνομο αιολικό πάρκο. Επειδή το αιολικό δυναμικό είναι μεταβλητό, αυτό μερικές φορές μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν επιχείρημα ότι η αιολική ενέργεια αυτή καθ εαυτή δεν είναι αξιόπιστη. Στην πραγματικότητα κανένας σταθμός παραγωγής οποιαδήποτε τύπου δεν είναι απολύτως αξιόπιστος διότι κάθε τμήμα του εξοπλισμού του σταθμού θα μπορούσε να παρουσιάσει σφάλμα κατά τη λειτουργία του. Οι μεγάλοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που τίθενται εκτός λειτουργίας λόγω ατυχημάτων ή προγραμματισμένων διακοπών, προκαλούν απώλειες ενέργειας με αποτέλεσμα να απαιτείται ένα σύστημα έκτατης ανάγκης για την αντιμετώπιση αυτής της κατάστασης. Οι διαδικασίες που εφαρμόζονται για την αντιμετώπιση αυτών των θεμάτων μπορούν να εφαρμοστούν και στην αντιμετώπιση των διακυμάνσεων που προκαλούνται από τους αιολικούς σταθμούς παραγωγής και μάλιστα σε ορισμένες χώρες χρησιμοποιούνται ήδη για αυτό το σκοπό. Αντίθετα, η αιολική ενέργεια δεν παρουσιάζει απότομη πτώση στο ηλεκτρικό σύστημα. Οι μεταβολές στην αιολική ενέργεια είναι πιο ομαλές, διότι υπάρχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες μονάδες αιολικών συστημάτων, πράγμα που καθιστά ευκολότερο στο διαχειριστή του συστήματος να προβλέπει και να διαχειρίζεται τις αλλαγές στην παροχή, όπως αυτές εμφανίζονται στο πλαίσιο του συνολικού συστήματος. Για παράδειγμα, αν μια ανεμογεννήτρια παραγωγής 2 MW σταματήσει τη λειτουργία της, δε θα επηρεαστεί το σύστημα καθόλου. Η αιολική ενέργεια μερικές φορές περιγράφεται λανθασμένα ως διαλείπουσα πηγή ενέργειας. Η ορολογία αυτή είναι εσφαλμένη, διότι στη γλώσσα των ενεργειακών συστημάτων διαλείπουσα σημαίνει έναρξη και διακοπή σε τακτά χρονικά διαστήματα, πράγμα που δε παρατηρείται στα αιολικά συστήματα. Στην πραγματικότητα η αιολική ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας με μεταβλητή έξοδο, γεγονός που δεν την καθιστά αναξιόπιστη από τεχνολογικής πλευράς, αλλά απλώς μεταβαλλόμενη

22 Τα συστήματα ηλεκτροδότησης είναι εξαιρετικά ευμετάβλητα και η παροχή και ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας επηρεάζονται από ένα μεγάλο αριθμό προγραμματισμένων και απρογραμμάτιστων παραγόντων. Οι καιρικές αλλαγές αναγκάζουν εκατομμύρια ανθρώπους να ενεργοποιούν και να απενεργοποιούν το φωτισμό και τη θέρμανση. Επιπρόσθετα, άνθρωποι σε όλο τον πλανήτη πραγματοποιούν έναρξη ή τερματισμό της λειτουργίας των ηλεκτρονικών συσκευών που απαιτούν στιγμιαία ισχύ όπως οι τηλεοράσεις και οι υπολογιστές. Οι σταθμοί παραγωγής, οι γραμμές μεταφοράς και ο εξοπλισμός του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζουν σφάλματα στη λειτουργία καθώς επηρεάζονται από τις δυσχερείς καιρικές συνθήκες. Οπότε, οι διαχειριστές του συστήματος οφείλουν να εξισορροπούν τις προβλεπόμενες ή απρόβλεπτες αλλαγές με μια συνεχή ρύθμιση της παροχής και ζήτησης ηλεκτρισμού, ώστε να διατηρήσουν την αξιοπιστία του συστήματος. Το συμπέρασμα είναι ότι η μεταβλητότητα της ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι κάτι νέο, αφού υπάρχει στο σύστημα από την αρχή της χρησιμοποίησης της. Τόσο η προσφορά και η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μεταβλητή. Το ζήτημα όμως είναι να βρεθούν οι τρόποι πρόβλεψης, διαχείρισης και καλυτέρευσης της μεταβλητότητας αυτής και τα εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της αποδοτικότητας του συστήματος. Η αιολική ενέργεια έχει μεταβλητή έξοδο, αλλά αυτή η μεταβλητότητα μπορεί να προβλεφθεί σε μεγάλο βαθμό. Αυτό δε σημαίνει ότι η μεταβλητότητα των αιολικών μονάδων δεν έχει καμία επίδραση στη λειτουργία του συστήματος, απλώς είναι αλήθεια ότι η επίδραση είναι ιδιαίτερα έντονη σε συστήματα όπου οι αιολικοί σταθμοί παρέχουν μεγάλα ποσά της ζητούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Τα επίπεδα παραγωγής των αιολικών σταθμών που συνδέονται σε ορισμένα εθνικά συστήματα ηλεκτροδότησης δείχνουν ότι η αιολική ενέργεια μπορεί να πετύχει μεγάλου βαθμού διείσδυση στο δίκτυο, ανάλογου με εκείνου των συμβατικών πηγών ενέργειας, και μάλιστα χωρίς να απαιτούνται σημαντικές αλλαγές στο υπάρχον δίκτυο. Η εγκατάσταση αιολικών μονάδων σε περιοχές υψηλής, μέσης και χαμηλής διείσδυσης μπορεί να μελετηθεί ώστε να εντοπίσουμε τα υπάρχοντα προβλήματα και τις μελλοντικές προκλήσεις. Η μεγάλης κλίμακας διασύνδεση με το σύστημα τόσο αιολικών μονάδων στην ξηρά, όσο και υπεράκτιων αιολικών πάρκων δημιουργεί νέες προκλήσεις για τους διάφορους εμπλεκόμενους φορείς καθ όλη τη διαδικασία από την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή μέχρι την πώληση και την κατανάλωση. Για να είναι επιτυχής η ενσωμάτωση της αιολικής ενέργειας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, είναι απαραίτητο να αντιμετωπιστούν τα ζητήματα που αφορούν στους ακόλουθους τομείς :

23 Σχεδιασμός και λειτουργία του συστήματος, που αφορά ζητήματα όπως ικανότητα αποθεμάτων και διαχείριση ισορροπίας του συστήματος, βραχυπρόθεσμες προβλέψεις και διαχείριση της ζήτησης για αιολική ενέργεια, αποθήκευση και συμβολή της αιολικής ενέργειας στην επάρκεια του συστήματος. Σύνδεση των αιολικών μονάδων με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, που αφορά ζητήματα όπως απαιτήσεις δικτύου και ποιότητα ισχύος. Θέματα που σχετίζονται με την υποδομή του δικτύου όπως διαχείριση της συμφόρησης, επέκταση και αναβάθμιση, διασύνδεση, υπεράκτια δίκτυα και μικροδίκτυα. Θέματα που σχετίζονται με την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, όπως προώθηση της αιολικής ενέργειας στον επενδυτικό τομέα και δημιουργία νέων κανόνων αγοράς στο διεθνές εμπόριο. Η σύγχρονη τεχνολογία των αιολικών συστημάτων που περιλαμβάνει προηγμένες μεθόδου ελέγχου είναι σχεδιασμένη ώστε να ενισχύσει τις επιδόσεις του δικτύου με την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών. Η χρήση αυτών των χαρακτηριστικών των αιολικών σταθμών στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους σε συνδυασμό με μια ελάχιστη εισροή αιολικής ισχύος, είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική ενσωμάτωση υψηλών επιπέδων αιολικής ενέργειας στο σύστημα. Τα εκσυγχρονισμένα αιολικά πάρκα που είναι φιλικά προς το περιβάλλον μπορούν να παρέχουν σταθερά επίπεδα τάσης, καλή ποιότητα πραγματικής ισχύος και δυνατότητα αδιάλειπτης συνέχισης της λειτουργίας τους υπό μειωμένη τάση. Η οικονομική αξία αυτών των ιδιοτήτων στο σύστημα θα πρέπει να εμφανίζεται στην τιμολόγηση κατ αναλογία με το κόστος τους. Οι τελευταίες μέθοδοι για την πρόβλεψη σημαντικών ανεμολογικών δεδομένων βοηθούν στον άμεσο εντοπισμό των αναμενόμενων διακυμάνσεων με αποτελεσματική ακρίβεια, γεγονός που καθιστά δυνατή την ταχεία αντιμετώπιση τους κατά τη λειτουργία του συστήματος. Μέσω της άθροισης της συνολικής ισχύος των αιολικών σταθμών σε μεγάλες περιοχές και διάσπαρτα μέρη και της χρήσης συνδυασμένων προβλέψεων έχουμε τη δυνατότητα να μειώσουμε το σφάλμα πρόβλεψης των ποσών της αιολικής ισχύος σε διαχειρίσιμα επίπεδα στα χρονικά πλαίσια που είναι σχετικά με την λειτουργία του συστήματος (για την ακρίβεια 4 έως και 24 ώρες μπροστά). Τα άριστα διασυνδεδεμένα δίκτυα προκειμένου να ελέγξουν τα μεγάλα τυχαία σφάλματα πρόβλεψης θα πρέπει να διεξάγουν εφεδρικό προγραμματισμό σε όσο το δυνατόν σύντομα χρονικά πλαίσια, επικουρούμενο από δεδομένα πραγματικού χρόνου για την παραγωγή ενέργειας και τις ανεμολογικές συνθήκες σε συγκεκριμένο τόπο. Τα σημαντικά οφέλη από τη βελτίωση της ακρίβειας δικαιολογούν τις επενδύσεις σε αυτόν τον συγκεκριμένο τεχνολογικό τομέα [2]

24 1.3 Η ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι αιολικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο, η εγκατεστημένη ισχύς των οποίων υπολογίζονται σε 159 GW, εκτιμάται ότι παρήγαγαν 273 TWh ηλεκτρισμού, σύμφωνα με δεδομένα του Οι εξελίξεις τον τομέα της αιολικής ενέργειας για το 2010 υπήρξαν ιδιαίτερα σημαντικές. Συγκεκριμένα η Κίνα εγκατέστησε νέες αιολικές μονάδες ισχύος 16 GW αυξάνοντας τη συνολική ισχύ των αιολικών σταθμών της σε 42 GW. Αυτό το επίτευγμα οδήγησε στο να ξεπεράσουν σε ισχύ τους εγκατεστημένους αιολικούς σταθμούς των ΗΠΑ κατά 40 GW, και μετέτρεψε την Κίνα σε παγκόσμιο ηγέτη στον χώρο της εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας για πρώτη φορά στην ιστορία της. Η Ευρώπη εγκατέστησε το 2010 νέες αιολικές μονάδες παραγωγής ισχύος 10 GW, ανεβάζοντας τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ στα 86 GW, από τα οποία περισσότερο από τα μισά βρίσκονται στη Γερμανία και την Ισπανία. Τα προαναφερόμενα αριθμητικά δεδομένα παρουσιάζονται στα γραφήματα του σχήματος 1.8 παρακάτω: Σχήμα 1.8 Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια και εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων ανά κράτος ή περιοχή (2009) [1] Σύμφωνα με τις διεθνές εκτιμήσεις των ερευνητικών οργανισμών για την αιολική ενέργεια, το 2020 η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική θα αγγίξει τις 1282 TWh, όπως παρουσιάζεται στο διάγραμμα δηλαδή θα παρουσιάσει μια αύξηση της τάξης του 369% σε σχέση με Το 2030 ο αριθμός αυτός φθάνει τις 2182 TWh, δηλαδή προβλέπεται σχεδόν ένας διπλασιασμός από τις εκτιμούμενες τιμές του 2020 μέσα σε μια δεκαετία, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 1.9. Από την πλευρά της εγκατεστημένης ισχύος των αιολικών σταθμών προβλέπεται αύξηση από τα 159 GW του 2009 στα 582 GW το 2020 και τελικά φθάνοντας τα 1102 GW μέχρι το 2035, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 1.9 παρακάτω

25 Η αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος των αιολικών μονάδων στη χρονική περίοδο μέχρι το 2035 κυριαρχείται συντριπτικά από την Κίνα, τις χώρες της του Οργανισμού Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης της Ευρώπης (OECD), όπως φαίνεται στο σχήμα 1.10, ενώ η τρέχουσα διαφορά μεταξύ αυτών των χωρών και του υπόλοιπου κόσμου είναι καθαρή, γίνονται εκτιμήσεις για τη μελλοντική τους ανάπτυξη που δείχνουν πως κάποιες χώρες θα προσπαθήσουν να ξεπεράσουν τις άλλες κατά τάξεις μεγέθους. Η Ευρώπη και η Κίνα θα διατηρήσουν την ανάπτυξη με τον ίδιο ρυθμό μέχρι το 2035, αφήνοντας λίγο πίσω τις ΗΠΑ, οι οποίες παραμένουν ένας σημαντικός παράγοντας. Σχήμα 1.9 Προβλεπόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική και εκτιμώμενη εγκατάσταση ισχύς αιολικών πάρκων ( ) [1] Σχήμα 1.10 Προβλεπόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική ανά κράτος ή περιοχή ( ) [1] Σε περιφερειακό επίπεδο, οι χώρες της Ευρώπης όλες μαζί παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη ανάπτυξη σε αιολική ισχύ, ξεπερνώντας ελαφρώς την Κίνα. Σύμφωνα με δεδομένα του 2009, 76 GW αιολικής ισχύος παρήγαγαν 135 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Η Γερμανία, η Ισπανία, η Ιταλία και η Γαλλία ήταν οι χώρες των οποίων οι αιολικές μονάδες συγκέντρωναν τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ στον ευρωπαϊκό χώρο. Στην Ευρώπη η πλειοψηφία των

26 αιολικών πάρκων βρίσκονται στην ξηρά και είναι μικρής ισχύος. Λόγω της ύπαρξης πολλών περιοχών πλούσιων σε αιολικό δυναμικό που τώρα γίνεται η εκμετάλλευση τους σε βάθος, οι Ευρωπαίοι επενδυτές στο χώρο της αιολική ενέργειας στρέφουν την προσοχή τους σε υπεράκτια αιολικά πάρκα μεγάλης ισχύος, με ενοποιημένη ένταξη στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Οι προβλέψεις των ειδικών στην αιολική ενέργεια είναι ότι μέχρι το 2020 στην Ευρώπη θα είναι εγκατεστημένοι αιολικοί σταθμοί ισχύος 209 GW που θα παράγουν 449 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι το 2030, η συνολική ισχύς των αιολικών μονάδων θα φθάσει τα 289 GW και η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τις 675 TWh. Ειδικότερα, η Γερμανία έχει θέσει στόχο τα GW εγκατεστημένης ισχύος των αιολικών μονάδων της και η Ισπανία τα 38 GW. Τα σχέδια αυτά συμβάλλουν σημαντικά στην θετική αξιολόγηση της Ευρώπης στο κομμάτι της αιολικής ενέργειας, ιδιαίτερα την επόμενη δεκαετία. Αν εξετάσουμε μεμονωμένες χώρες και όχι ολόκληρες γεωγραφικές περιοχές, η Κίνα είναι το σημαντικότερο κράτος που επενδύει στην ανάπτυξη του τομέα της αιολικής ενέργειας. Σύμφωνα με δεδομένα του 2009, 26 GW αιολικής ισχύος παρήγαγαν 27 TWh ηλεκτρικής ενέργειας στην Κίνα, καθιστώντας την παγκοσμίως τρίτη σε δυναμικότητα στην αιολική ενέργεια. Το 2010, η Κίνα πέρασε στην πρώτη θέση φθάνοντας την αιολική ισχύ των 42 GW. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας προβλέπει ότι η Κίνα το 2020 θα παράγει 388 TWh ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικές μονάδες, ενώ ο Εθνικός Οργανισμός Ενέργειας της Κίνας έχει θέσει ως στόχο να αυξήσει την παραγόμενη αιολική ισχύ σε μια κλίμακα μεταξύ GW, μέχρι το 2020 που ταιριάζει με την εκτίμηση του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας για αύξηση της παραγωγής αιολικής ισχύος στα 180 GW. Μέχρι το 2030, ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας προβλέπει ότι η Κίνα θα φθάσει σε δυναμικότητα αιολικής ισχύος τα 280 GW, που θα είναι σε τιμή λίγο μικρότερη από αυτής της Ευρώπης. Στις ΗΠΑ το έτος 2009, η δυναμικότητα σε αιολική ισχύ ανήλθε σε 35 GW, παράγοντας 74 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεγαλύτερες ποσότητες αιολικής ισχύος των ΗΠΑ είναι συγκεντρωμένες στις πολιτείες του Τέξας, της Αϊόβα, της Καλιφόρνια, του Μίσιγκαν και της Ουάσιγκτον και βρίσκονται στην ξηρά. Σαν αποτέλεσμα της μειωμένης ζήτησης σε ενέργεια, της οικονομικής ύφεσης και της απότομης πτώσης στις τιμές του φυσικού αερίου στη Βόρεια Αμερική, οι ΗΠΑ δεν κατόρθωσαν συμβαδίσουν με την Ευρώπη και την Κίνα στον χώρο της αιολικής ενέργειας, αφού εγκατέστησαν μόνο αιολικές μονάδες ισχύος 5 GW, σε σύγκριση με 10 GW της Ευρώπης και τα 16 GW της Κίνας. Βέβαια, οι ΗΠΑ εξακολουθούν να παραμένουν ένας σημαντικός παράγοντας στο χώρο της αιολικής ενέργειας, δεδομένου ότι ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας προβλέπει ότι το 2015 οι ΗΠΑ θα αυξήσουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικά συστήματα στις 165 TWh, δηλαδή περισσότερο από διπλάσια σε τιμή από αυτή του Τέλος το

27 εκτιμάται ότι 388 TWh ηλεκτρικής ενέργειας θα παράγονται από αιολικές μονάδες ισχύος 151 GW. Σε ότι αφορά την Ιαπωνία το έτος 2009, αιολικές μονάδες ισχύος 2 GW παρήγαγαν 3 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας εκτιμά ότι η δυναμικότητα σε αιολική ισχύ της Ιαπωνίας θα αυξηθεί στα 7 GW το 2020 που θα παράγουν 18 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, και θα φθάσει το 2030 τα 15 GW με παράγοντας 41 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Παρόλο που αυτοί οι αριθμοί επισκιάζονται από τις μεγαλύτερες σε έκταση χώρες της Κίνας, των ΗΠΑ και της ευρωπαϊκής ηπείρου, αξίζει να σημειωθεί ότι το αναμένεται μια δραματική αύξηση στη δυναμικότητα αιολικής ισχύος και στην παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στο ιαπωνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, κατά τη χρονική περίοδο 2009 έως 2030, που θα αγγίξει το ποσοστό του 650%, σύμφωνα με έρευνες του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας. Τα παραπάνω αριθμητικά δεδομένα δεν κάνουν διάκριση μεταξύ χερσαίων και υπεράκτιων αιολικών πάρκων. Ωστόσο, οι κατηγορίες των προβλημάτων για την ένταξη στο δίκτυο των χερσαίων και των υπεράκτιων αιολικών μονάδων μπορεί να παρουσιάζουν διαφορές κυρίως εξαιτίας της ανάγκης για γραμμές μεταφοράς κατάλληλες για την υπεράκτια τεχνολογία. Συνεπώς, πρέπει να αναλυθεί το τμήμα της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τα υπεράκτια αιολικά πάρκα, που προς το παρόν υπάρχει εξ ολοκλήρου στην Ευρώπη και σε μικρό βαθμό στην Κίνα. Η Ευρώπη περιλαμβάνει υπεράκτιες αιολικές μονάδες ισχύος 4 GW, ενώ ακόμη 6 GW βρίσκονται υπό κατασκευή και άλλα 17 GW αποφασίστηκαν να χρηματοδοτηθούν από τα κράτη - μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η πλειοψηφία αυτών των έργων πραγματοποιούνται κυρίως στο Ηνωμένο Βασίλειο, στη Δανία και στη Γερμανία και σε μικρότερο βαθμό στο Βέλγιο, στην Ολλανδία και στη Σουηδία. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Αιολικής Ενέργειας προβλέπει ότι μέχρι το 2020 η Ευρώπη θα διαθέτει υπεράκτια αιολικά πάρκα ισχύος 40 GW, τα οποία θα παράγουν 148 TWh ηλεκτρικής ενέργειας και ότι μέχρι το 2030 οι αριθμοί αυτοί θα αυξηθούν στα 150 GW και στις 562 TWh. Πάντως, είναι θετικό το γεγονός ότι οι αριθμοί αυτοί εναρμονίζονται με τις εκτιμήσεις του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας για κατασκευή στην Ευρώπη, χερσαίων και υπεράκτιων αιολικών πάρκων ισχύος 209 GW και 289 GW, το 2020 και το 230 αντίστοιχα. Τέλος, ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας χαρακτηρίζει τα συστήματα μεταφοράς συνεχούς ρεύματος μέσω υψηλής τάσεως ( HVDC) ως ένα σημείο κλειδί στην εξέλιξη της τεχνολογίας της υπεράκτιων αιολικών μονάδων στην Ευρώπη [1]

28 1.4 Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ Η Αιολική Ενέργεια στην Αντιμετώπιση του Ενεργειακού Προβλήματος της Ευρωπαϊκής Ένωσης Η Ευρώπη εισάγει το 54% της ενέργειας της (δεδομένα 2006) και το ποσοστό αυτό είναι πιθανό να αυξηθεί σημαντικά τις επόμενες δύο δεκαετίες, εκτός αν συμβεί μια σημαντική αλλαγή στην ευρωπαϊκή ενεργειακή στρατηγική. Οι περισσότερες ποσότητες πετρελαίου έρχονται από τη Μέση Ανατολή και το μεγαλύτερο τμήμα του φυσικού αερίου από τρεις μόλις χώρες : τη Ρωσία, την Αλγερία και τη Νορβηγία. Η ευρωπαϊκή οικονομία βασίζεται στη διαθεσιμότητα των υδρογονανθράκων σε προσιτές τιμές, όμως τα αποθέματα των εγχώριων ορυκτών καυσίμων τελειώνουν και ταυτόχρονα οι τιμές και η ρευστότητα των εισαγόμενων ορυκτών καυσίμων αυξάνονται όλο και περισσότερο. Ο συνδυασμός των αυξανόμενων τιμών και της υψηλής ρευστότητας των συμβατικών καυσίμων δημιουργεί πιέσεις στις ενεργειακές αγορές και μεγεθύνει το ρίσκο στις ενεργειακές επενδύσεις, οδηγώντας έτσι σε αύξηση των τιμών ενέργειας συμπεριλαμβανομένων και των τιμών ηλεκτρικής ενέργειας. Η συνεχιζόμενη οικονομική και κοινωνική πρόοδος της Ευρώπης θα εξαρτηθεί από την ικανότητα της να απαλλαγεί από τους υδρογονάνθρακες σαν πηγή ενέργειας, προκειμένου να μετριαστεί ο κίνδυνος για το κλίμα και το περιβάλλον, και τη στροφή της στις εγχώριες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, προκειμένου να μετριάσει το ρίσκο για τον ενεργειακό εφοδιασμό της. Χωρίς αξιόπιστη, βιώσιμη και φθηνή ενέργεια δε μπορεί να υπάρξει ανάπτυξη μακροπρόθεσμα, οπότε είναι σημαντικό η Ευρώπη να αξιοποιήσει τους εσωτερικούς ενεργειακούς πόρους όσο το δυνατόν περισσότερο και να προωθήσει έντονα την ενεργειακή αποδοτικότητα. Είναι αλήθεια ότι η Ευρώπη πάντα άνοιγε το δρόμο στην ανάπτυξη του ενεργειακού δυναμικού των ανανεώσιμων πηγών όπως αποδεικνύεται από την εφαρμογή των οδηγιών για την προώθηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών στην ευρωπαϊκή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για την επίτευξη των στόχων χρησιμοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας από την Ευρωπαϊκή Ένωση και μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, σημαντικές ποσότητες αιολικής ενέργειας πρέπει να ενσωματωθούν στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης. Η ικανότητα των ευρωπαϊκών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας να απορροφήσουν σημαντικά ποσά αιολικής ενέργειας καθορίζεται τόσο από τεχνικούς και πρακτικούς περιορισμούς όσο και από οικονομικά και ρυθμιστικά πλαίσια. Άρα οι ευρωπαϊκές χώρες πρέπει να αντιμετωπίσουν αυτά τα θέματα και να εξετάσουν πώς μπορούν να κινηθούν σε ένα πιο ασφαλές ενεργειακό μέλλον μέσω της χρήσης του ανέμου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

29 Η Ευρώπη έχει ιδιαίτερα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στην τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική ενέργεια. Ο λόγος είναι ότι η αιολική ενέργεια δεν είναι μόνο σε θέση να συμβάλλει στην ευρωπαϊκή ενεργειακή ανεξαρτησία και στην επίτευξη κλιματικών και περιβαλλοντικών στόχων στο μέλλον, αλλά θα μπορούσε να μετατρέψει το πρόβλημα του ενεργειακού εφοδιασμού σε μια ευκαιρία για την Ευρώπη με τη μορφή εμπορικών οφελών από εξαγωγές, ανάπτυξης της τεχνολογικής έρευνας και δημιουργία θέσεων απασχόλησης. Το γεγονός ότι η πηγή της αιολικής ενέργειας, ο άνεμος, είναι άφθονος και καθαρός, είναι πολύ σημαντικό από οικονομικής και περιβαλλοντικής άποψης. Εξίσου σημαντικό είναι το γεγονός ότι όταν το αιολικό πάρκο, όπου παράγονται τεράστια ποσά ενέργειας από τις ανεμογεννήτριες, είναι ήδη κατασκευασμένο το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού από τον άνεμο παραμένει σταθερό. Αυτό σημαίνει ότι το οικονομικό μέλλον της Ευρώπης μπορεί να σχεδιασθεί με βάση των ήδη γνωστών δεδομένων για το προβλέψιμο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από μια εγχώρια καθαρή πηγή ενέργειας όπως ο άνεμος. Συνεπώς, η Ευρώπη αποδεσμεύεται από τα οικονομικά και περιβαλλοντικά μειονεκτήματα που συνδέονται με την παραγωγή ενέργειας μέσω χρήσης συμβατικών πηγών και τεχνολογιών. Η μεγάλης κλίμακας διείσδυση της αιολικής ενέργειας στο δίκτυο αντιμετωπίζει προβλήματα τόσο λόγω της μεταβλητότητας του ανέμου όσο και λόγω της ανεπαρκούς υποδομής και διασύνδεσης σε συνδυασμό με τις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας όπου ο ανταγωνισμός δεν είναι δίκαιος με τις νέες τεχνολογίες που απειλούν τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής ηλεκτρισμού. Ήδη σήμερα, θεωρείται γενικά ότι η αιολική ενέργεια μπορεί να καλύψει το 20% της ζήτησης ηλεκτρικής ισχύος σε ένα μεγάλο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αφού μπορούν να αντιμετωπιστούν τα σοβαρά τεχνικά προβλήματα. Όταν τα επίπεδα διείσδυσης της αιολικής ενέργειας στο δίκτυο είναι χαμηλά η λειτουργία του δικτύου δε θα επηρεαστεί σε σημαντικό βαθμό. Σήμερα η αιολική ενέργεια προμηθεύει περισσότερο από 5% της συνολικής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρωπαϊκής Ένωσης, αλλά υπάρχουν μεγάλες τοπικές και εθνικές διαφορές. Οι μέθοδοι ελέγχου και υποστήριξης που είναι διαθέσιμες για την αντιμετώπιση την προβλημάτων μεταβλητής ζήτησης και εφοδιασμού είναι αρκετά επαρκείς για να διαχειριστούν τα αιολικά συστήματα που προμηθεύουν έως και το 20% της συνολικής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, πάντα ανάλογα με το συγκεκριμένο σύστημα και τη γεωγραφική κατανομή. Λόγω της γήρανσης των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ευρωπαϊκή ήπειρο και τη συνεχή ζήτηση για ανάπτυξη, απαιτούνται μαζικές επενδύσεις για τον εκσυγχρονισμό των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και συντήρηση των ηλεκτρικών δικτύων. Κατά τα επόμενα 12 χρόνια, 360 GW

30 νέας παραγωγικής ικανότητας που αντιστοιχεί στο 50% της τρέχουσας δυναμικότητας παραγωγής της Ευρωπαϊκής Ένωσης θα πρέπει να κατασκευαστεί για να αντικαταστήσει τους ήδη υπάρχοντες συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ώστε να καλύψει την αναμενόμενη αύξηση σε ζήτηση. Δεδομένου ότι οι ενεργειακές επενδύσεις είναι μακροχρόνιες επενδύσεις, οι σημερινές αποφάσεις θα επηρεάσουν το μέλλον της Ευρώπης στον ενεργειακό χάρτη μέχρι και τις επόμενες δεκαετίες. Το σπουδαίο είναι ότι η αιολική ενέργεια καλύπτει τις όλες τις απαιτήσεις της τρέχουσας ενεργειακής πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ένωσης και ταυτόχρονα προσφέρει ένα πέρασμα από την εποχή των ακριβών ορυκτών καυσίμων στην εποχή των άφθονων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η αιολική τεχνολογία έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο δεδομένου ότι η βιομηχανία κατασκευής ανεμογεννητριών άρχισε να αναπτύσσεται στις αρχές της δεκαετίας του Τριάντα χρόνια τεχνολογικής έρευνας τελειοποίησαν τις ανεμογεννήτριες οι οποίες είναι πλέον συναρμολογούμενες και έτοιμες για εγκατάσταση. Συγκεκριμένα, μια σημερινή ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει ετησίως 200 φορές περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια και σε λιγότερο από το μισό του κόστους ανά kwh σε σχέση με τις αντίστοιχες πριν από 25 χρόνια. Ο τομέας της αιολικής ενέργειας περιλαμβάνει μερικές από τις μεγαλύτερες παγκοσμίως εταιρείες παραγωγής ενέργειας και σύγχρονα αιολικά πάρκα προσφέρουν υπηρεσίες υποστήριξης δικτύου όπως κάνουν οι άλλες ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες. Επιπλέον, αποτελεσματικές ρυθμιστικές πολιτικές και πλαίσια έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί, και η Ευρώπη εξακολουθεί να είναι ο ηγέτης στο χώρο της αιολικής ενέργειας [3] Η Σημερινή Κατάσταση της Αιολικής Ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Μέσα στο έτος 2013 εγκαταστάθηκαν στην Ευρώπη αιολικές μονάδες ισχύος MW, από τα οποία τα MW άνηκαν στην Ευρωπαϊκή Ένωση και ήταν 8% λιγότερα από αυτά της προηγούμενης χρονιάς. Από αυτά τα MW, τα MW άνηκαν σε χερσαία αιολικά πάρκα, ενώ τα MW σε υπεράκτια. Το 2013, η εγκατεστημένη ισχύς των χερσαίων αιολικών πάρκων μειώθηκε κατά 12%, ενώ η ισχύς των υπεράκτιων αυξήθηκαν κατά 34%. Συνολικά ο τομέας της εγκατάστασης νέων αιολικών μονάδων παρουσίασε μια ύφεση της τάξης του 8% σε σχέση με το Οι επενδύσεις στην αιολική ενέργεια στην Ευρωπαϊκή Ένωση κυμαίνονται σε μια κλίμακα που ξεκινά από τα 13 δισεκατομμύρια ευρώ και καταλήγει στα 18 δισεκατομμύρια ευρώ. Ειδικότερα, στα χερσαία αιολικά πάρκα καταμετρήθηκαν επενδύσεις μεταξύ 8 και 12 δισεκατομμυρίων ευρώ, ενώ στα υπεράκτια επενδύθηκαν γύρω στα 4.6 με 6.4 δισεκατομμύρια ευρώ

31 Από την άποψη των ετήσιων εγκαταστάσεων η Γερμανία ήταν η μεγαλύτερη αγορά το 2013 καθώς εγκατέστησε νέες αιολικές μονάδες ισχύος 3238 MW, από τα οποία το 240 MW (δηλαδή το 7%) προορίζονται για υπεράκτια πάρκα. Το Ηνωμένο Βασίλειο ήρθε δεύτερο με νέες εγκατεστημένες μονάδες ισχύος MW, από τα οποία τα 733 MW (δηλαδή το 39%) τοποθετήθηκαν σε υπεράκτια πάρκα. Ακόμη, ακολουθούν η Πολωνία με νέα εγκατεστημένη ισχύ 894 MW, η Σουηδία με 724 MW, η Ρουμανία με 695 MW, η Δανία με 657 MW, η Γαλλία με 635 MW και τέλος η Ιταλία με 444 MW. Οι ανερχόμενες αγορές της Κεντρικής και Ανατολικής Ευρώπης, συμπεριλαμβανομένης και της Κροατίας εγκατέστησαν το 2013 νέες αιολικές μονάδες ισχύος 1755 MW, που αντιπροσωπεύει το 16% των συνολικών εγκαταστάσεων. Επιπλέον, κατά το 2013 το 46% όλων των νέων εγκαταστάσεων στην Ευρωπαϊκή Ένωση πραγματοποιήθηκαν κυρίως σε δύο χώρες, τη Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Αυτό το γεγονός δείχνει μια σημαντική αλλαγή στη συγκέντρωση των αιολικών μονάδων συγκρινόμενη με την τάση που υπήρχε τα προηγούμενα χρόνια για βαθμιαία εξάπλωση των εγκαταστάσεων σε όλο τον ευρωπαϊκό χώρο. Η αλλαγή αυτή του επιπέδου συγκέντρωσης της δεν είχε παρατηρηθεί στην ευρωπαϊκή αγορά αιολικής ενέργειας μέχρι το 2007, όπου οι τρεις πρωτοπόρες χώρες στον τομέα της αιολικής ενέργειας, η Δανία, η Γερμανία και η Ισπανία και οι τρεις μαζί αντιπροσώπευαν το 58% των νέων εγκατεστημένων αιολικών μονάδων εκείνη τη χρονιά. Διάφορες χώρες που ήταν σημαντικές δυνάμεις στον τομέα της αιολικής ενέργειας, όπως η Ισπανία, η Ιταλία και η Γαλλία παρουσίασαν το 2013 μια σημαντική ελάττωση του αριθμού των νέων εγκαταστημένων αιολικών μονάδων με ποσοστά μείωσης 84%, 65% και 24% αντίστοιχα. Σε ό,τι αφορά την υπεράκτια αιολική ενέργεια πρέπει να σημειωθεί ότι τα νέα εγκατεστημένα αιολικά πάρκα το έτος 2013 αντιπροσώπευαν σχεδόν το 14% των νέων εγκατεστημένων αιολικών μονάδων, και μάλιστα 4 ποσοστιαίες μονάδες περισσότερες από το 2012, επιβεβαιώνοντας τα υψηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης στις ετήσιες εγκαταστάσεις. Το σχήμα 1.11 δείχνει την ισχύ των νέων εγκατεστημένων αιολικών μονάδων ορισμένων βασικών κρατών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης και το ποσοστό συμμετοχής της κάθε χώρας στη συνολική νέα εγκατεστημένη ισχύ κατά το έτος Οι ετήσιες εγκαταστάσεις αιολικών μονάδων αυξάνονται τα τελευταία χρόνια με σταθερούς ρυθμούς, ξεκινώντας από 3.2 GW το 2000 και φθάνοντας τα 11 GW το 2013, που αντιστοιχεί σε ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης άνω του 10%. Τα στοιχεία αυτά για την ετήσια εγκατεστημένης ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση παρουσιάζονται στο σχήμα

32 Σχήμα 1.11 Εγκατεστημένη νέα ισχύς αιολικών πάρκων ανά χώρα το 2013 και ποσοστό συμμετοχής στη συνολικά εγκατεστημένη ισχύ της ΕΕ [3] Σχήμα 1.12 Ετήσια εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων στην ΕΕ ( ) [3] Ενώ το 2000 οι ετήσιες εγκαταστάσεις αιολικών μονάδων των τριών πρωτοπόρων χωρών στον τομέα αυτό, δηλαδή της Δανίας, της Γερμανίας και της Ισπανίας αντιπροσώπευαν το 85% των νέων επεκτάσεων, μέχρι το 2012 μείωσαν κατακόρυφα το ποσοστό αυτό στο 29%. Το 2013 αν και η Ισπανία συνέβαλε σημαντικά σε σχέση με τα προηγούμενα χρόνια, η Γερμανία αύξησε τη δυναμικότητα των αιολικών μονάδων κατά 36% και οι εγκαταστημένες αιολικές μονάδες των τριών πρωτοπόρων χωρών αντιπροσώπευαν μαζί το 36% του συνόλου της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Επιπλέον, παρόλο που το 2000 οι χώρες που αποτελούν σήμερα τα 13 νεώτερα κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης δεν αξιοποιούσαν καθόλου την αιολική ενέργεια, το 2013 οι εγκατεστημένες αιολικές μονάδες τους έφθασαν το 16% του συνόλου της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Εντούτοις, το 90%

33 των εγκαταστάσεων αυτών πραγματοποιήθηκαν σε δύο κυρίως χώρες, στην Πολωνία και στην Πολωνία. Αυτό δείχνει ότι η πολιτική για αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας έχει επηρεάσει πολυάριθμες χώρες στην Ευρωπαϊκή Ένωση και έχει οδηγεί στην αύξηση του αριθμού των εγκατεστημένων αιολικών μονάδων σε όλο και περισσότερες χώρες. Για το έτος 2013, η ισχύς των ήδη εγκατεστημένων αιολικών μονάδων αγγίζει τα 117 GW, παρουσιάζοντας μια αύξηση κατά 10% από το 2012 και 12% από το Το σχήμα 1.13 παρουσιάζει την συνολική εγκατεστημένη ισχύ (σε GW) των αιολικών μονάδων στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Σχήμα 1.13 Συνολικά εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων στην ΕΕ ( ) [3] Η Γερμανία παραμένει η χώρα της Ευρωπαϊκής Ένωσης με τη μεγαλύτερη δυναμικότητα σε εγκατεστημένη ισχύ και ακολουθείται από την Ισπανία, το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ιταλία και τη Γαλλία. Άλλες έντεκα χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης και συγκεκριμένα Αυστρία, Βέλγιο, Δανία, Γαλλία, Ιρλανδία, Ολλανδία, Πολωνία, Πορτογαλία, Ρουμανία και Σουηδία έχουν διαθέτουν περισσότερα από 1 GW εγκατεστημένης ισχύος. Ειδικότερα, οκτώ από τις τελευταίες και συγκεκριμένα Δανία, Γαλλία, Γερμανία, Ιταλία, Πορτογαλία, Ισπανία, Σουηδία και Ηνωμένο Βασίλειο έχουν περισσότερα από 4 GW εγκατεστημένης ισχύος. Η Γερμανία και η Ισπανία είναι οι δύο πρώτες χώρες σε δυναμικότητα εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη, καθώς μαζί αντιπροσωπεύουν το 49% της συνολικής ισχύος. Ακολουθούν το Ηνωμένο Βασίλειο με 10.5 GW, η Γαλλία με 8.6 GW και η Ιταλία με 8.5 GW που αντιστοιχούν σε ποσοστά συνεισφοράς στη συνολική ισχύ της τάξης του 9% για την πρώτη και 7% για

34 τις δύο τελευταίες. Επίσης, Μεταξύ των νεότερων κρατών μελών η Πολωνία με 3.4 GW και 2.9% είναι στις 10 πρώτες και ακολουθεί η Ολλανδία με 2.7 GW και 2.7% και τέλος η Ρουμανία είναι 11 η με 2.6 GW και 2%. Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει την εγκατεστημένη ισχύ σε διάφορες χώρες και το ποσοστό συμμετοχής της κάθε χώρας στη συνολική εγκατεστημένη ισχύ της Ευρωπαϊκής Ένωσης [3]. Σχήμα 1.14 Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων ανά κράτος και ποσοστό συμμετοχής στην συνολικά εγκατεστημένη ισχύ στην ΕΕ [3] Το Μέλλον της Αιολικής Ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Ο άνεμος παρέχει σήμερα περισσότερο από το 5% της ηλεκτρικής ενέργειας στον ευρωπαϊκό χώρο. Οι αιολικοί σταθμοί που είναι εγκατεστημένοι στην Ευρωπαϊκή Ένωση εκτιμάται ότι θα μπορούσαν να παράγουν κατά μέσο όρο μέσα σε ένα έτος 257 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι ικανές να καλύψουν το 8% συνολικής καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας που κατανάλωση. Είναι βέβαιο, ότι ως η φθηνότερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η χερσαία αιολική ενέργεια θα συμβάλλει στο μεγαλύτερο βαθμό στην επίτευξη του μεριδίου του 34% των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας που απαιτείται ως το 2020 από την Ευρωπαϊκή ένωση σύμφωνα με τη σχετική οδηγία για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Το πρόγραμμα Baseline της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την αιολική ενέργεια απαιτεί την αύξηση της εγκατεστημένων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική από 80 GW που είναι σήμερα στα 230 GW το Το αποτέλεσμα είναι η παραγωγή αιολικής ενέργειας να αυξηθεί από 163 TWh ( σύμφωνα με δεδομένα του 2009) σε 580 TWh το 2020 και η συνεισφορά της

35 αιολικής ενέργειας στη συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας να αυξηθεί από 4.2% (σύμφωνα με δεδομένα του 2009) στο 14.2% το Ένα άλλο πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την αιολική ενέργεια, το πρόγραμμα High απαιτεί την αύξηση των εγκατεστημένων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολική από 80 GW που είναι σήμερα σε 265 GW το Το αποτέλεσμα είναι η παραγωγή αιολικής ενέργειας να αυξηθεί από 163 TWh (σύμφωνα με δεδομένα του 2009) σε 681 TWh το 2020 και η συνεισφορά της αιολικής ενέργειας στη συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας να αυξηθεί από 4.2% (σύμφωνα με δεδομένα του 2009) σε 16.7% το Σύμφωνα με δημοσιεύσεις της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, εκτιμάται ότι η αιολική ενέργεια θα είναι ικανή να συμβάλλει μέχρι το 2020 στην παροχή του 20% των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, που απαιτούν οι χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ενώ μέχρι το 2030 το ποσοστό αυτό αναμένεται να αυξηθεί στο 33%. Αν πραγματοποιηθούν επιπρόσθετες ερευνητικές προσπάθειες και προοδεύσει η κατασκευή των απαραίτητων υποδομών τις επόμενες δεκαετίες υπολογίζεται ότι μέχρι το 2050 θα γίνει εφικτό η αιολική ενέργεια να παρέχει το 50% των αναγκών για την ηλεκτροδότηση των κρατών της Ενωμένης Ευρώπης. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για την αιολική ενέργεια μέχρι το 2020, είναι απαραίτητο να ακολουθηθεί το σχέδιο του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Αιολικής Ενέργειας για επέκταση της εγκατεστημένης ισχύος των αιολικών σταθμών στα 265 GW, συμπεριλαμβανομένων 55 GW από τα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Ακόμη, για το επίτευξη του στόχου για το 2030 απαιτούνται 400 GW εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, από τα οποία τα 150 GW θα προέρχονται από υπεράκτιες μονάδες. Τελικά, μέχρι το 2050 είναι αναγκαίο οι αιολικοί σταθμοί να έχουν ανεβάσει τη συνολική τους δυναμικότητα σε ισχύ στα 600 GW, από τα οποία τα 250 GW θα ανήκουν σε χερσαίες μονάδες και τα 350 GW σε υπεράκτιες. Υποθέτοντας τη ζήτηση για συνολική κατανάλωση 4000 TWh ηλεκτρικής ενέργειας για το 2050, εκτιμάται ότι οι 2000 TWh θα μπορούσαν να παραχθούν από τους αιολικούς σταθμούς που θα έχουν μεγαλώσει τη δυναμικότητα τους σε ισχύ, γεγονός που σημαίνει ότι το ήμισυ της ζήτησης σε ηλεκτρισμό της Ευρωπαϊκής Ένωσης θα καλύπτεται από τα αιολικά πάρκα

36 Σχήμα 1.15 Προβλεπόμενο ποσοστό συνεισφοράς της αιολικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρισμού στην ΕΕ μέχρι το 2050 [2] Αν και η τεχνολογική έρευνα που αφορά την αιολική ενέργεια έχει εξελιχθεί, οι δυνατότητες της παραγόμενης από τον άνεμο ενέργειας παραμένουν ακόμη αναξιοποίητες. Η υποδομή του ηλεκτρικού δικτύου της Ευρώπης κατασκευάστηκε τον περασμένο αιώνα με επικέντρωση στα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές μορφές ενέργειας δηλαδή αρχικά στις θερμοηλεκτρικές, υδροηλεκτρικές και πυρηνικές μονάδες και αργότερα στις μονάδες φυσικού αερίου. Η μελλοντική διείσδυση υψηλών επιπέδων αιολικής ενέργειας και άλλων ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας καθιστά αναγκαία τη λήψη αποφάσεων και τη συνεργασία των ενδιαφερομένων εταιρειών στον τομέα ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να γίνουν οι απαραίτητες αλλαγές στην υποδομή του ευρωπαϊκού ηλεκτρικού δικτύου. Μέχρι το 2020 στην Ευρώπη, το μεγαλύτερο ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές θα παράγεται από τα χερσαία αιολικά πάρκα. Ωστόσο, η Ευρώπη οφείλει στο μέλλον να εκμεταλλευτεί την τεράστια σε ποσότητα στον ευρωπαϊκό χώρο υπεράκτια αιολική ενέργεια. Για να συμβεί αυτό με τον πιο οικονομικό τρόπο απαιτούνται σημαντικές επενδύσεις για την δημιουργία ενός υπεράκτιου ηλεκτρικού δικτύου και την αναβάθμιση του ήδη υπάρχοντος ηλεκτρικού δικτύου στην ξηρά [2]. 1.5 Η ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η Ελλάδα είναι μια χώρα με μεγάλη ακτογραμμή και τεράστιο πλήθος νησιών. Ως εκ τούτου, οι ισχυροί άνεμοι που πνέουν στις νησιωτικές και παράλιες περιοχές προσδίδουν ιδιαίτερη σημασία στο ρόλο της αιολικής ενέργειας για τη χώρα. Το εξαιρετικό αιολικό δυναμικό της χώρας κατατάσσεται μεταξύ των πλέον ελκυστικών στην Ευρώπη και μπορεί να καλύψει σε σημαντικό βαθμό

37 την ελληνική ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια. Επομένως, η αιολική ενέργεια πρωταγωνιστεί στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και η αξιοποίηση της θα ενισχύσει την παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα. Στην Ελλάδα οι πρώτες προσπάθειες για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρισμού ξεκίνησαν από τη Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού στις αρχές της δεκαετίας του 1980 με την εγκατάσταση του πρώτου αιολικού πάρκου (έτος 1982). Η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα ουσιαστικά ξεκινάει το Με δειλά βήματα και συγκριτικά μικρότερους ρυθμούς ανάπτυξης σε σχέση με την Ευρώπη, η Ελλάδα έχει καταφέρει να φτάσει σχεδόν τα 1800 MW εγκατεστημένης ισχύος αιολικών πάρκων, τα οποία καλύπτουν ένα μέρος των ετήσιων αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια. Παρόλο που η εγκατεστημένη ισχύς των αιολικών πάρκων στην Ελλάδα έχει αυξηθεί τα τελευταία χρόνια είναι γεγονός ότι η αύξηση αυτή είναι πολύ μικρή, αν λάβουμε υπόψη τις μεγάλες ποσότητες αιολικού δυναμικού που υπάρχουν στην ελληνική επικράτεια. Η εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού σε πλήρη βαθμό είναι ιδιαίτερη δύσκολη λόγω της ανυπαρξίας διασυνδεδεμένου δικτύου μεταξύ των νησιωτικών περιοχών όπου επικρατούν οι υψηλότερες μέσες ταχύτητες ανέμου. Ακόμη, η διαφοροποίηση που εμφανίζει η αιολική ενέργεια ανάλογα με την εποχή οδηγεί σε μείωση των διαθέσιμων ποσοτήτων της και σε αύξηση του κόστους παραγωγής ανά kwh. Για το 2020 σύμφωνα με τους προγραμματισμούς που έχουμε ως χώρα αναμένεται η εγκατεστημένη ισχύς από ανεμογεννήτριες να φθάσει τα 5500 MW, δηλαδή αναμένεται να καλύπτει το 25% της εγκατεστημένης ισχύος της Ελλάδας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εκτιμάται ότι θα φθάσει τις GWh το χρόνο, δηλαδή μια συμμετοχή της τάξης του 17% στη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στον ελληνικό χώρο [4]. Στο σχήμα 1.19 παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία για την συνολική εγκατεστημένη ισχύ των αιολικών πάρκων που λειτουργούν στην Ελλάδα ανά έτος κατά τη χρονική περίοδο Στο σχήμα 1.20 έχουμε τη συνολικά εγκατεστημένη ισχύ των αιολικών πάρκων στην Ελλάδα ανά περιφέρεια με συγκεκριμένα αριθμητικά δεδομένα από την Ελληνική Εταιρεία Αιολικής Ενέργειας

38 Σχήμα 1.16 Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων ανά έτος στην Ελλάδα ( ) [4] Σχήμα 1.17 Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων ανά περιφέρεια στην Ελλάδα [4]

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 2.1 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να διαχωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που περιστρέφεται ο ρότορας τους. Η πρώτη κατηγορία είναι οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα, δηλαδή εκείνες των οποίων ο ρότορας περιστρέφεται γύρω από έναν οριζόντιο άξονα. Η δεύτερη κατηγορία είναι οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, δηλαδή εκείνες των οποίων ο ρότορας περιστρέφεται γύρω από έναν κάθετο άξονα. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι οι πιο κοινές, ενώ οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά [16] Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου Άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι ο πιο απλός τύπος ανεμογεννήτριας που έχει μεγάλη ομοιότητα με αυτόν που μας έρχεται στο μυαλό όταν σκεφτόμαστε μια ανεμογεννήτρια. Η κατασκευαστική μορφή των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα είναι παρόμοια με αυτή των ανεμόμυλων, που εκμεταλλεύονταν τον άνεμο για παραγωγή μηχανικής ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν στον ρότορα τους πτερύγια, των οποίων ο άξονας περιστροφής είναι οριζόντιος ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλος στη ροή του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες αυτές χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση τον αριθμό των πτερυγίων τους. Συγκεκριμένα εκείνες με ένα πτερύγιο ονομάζονται μονοπτέρυγες, εκείνες με δύο πτερύγια διπτέρυγες και οι υπόλοιπες με περισσότερα πτερύγια πολυπτέρυγες. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται ένα παράδειγμα μιας τριπτέρυγης ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν τον κύριο άξονα του ρότορα τους και την γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος τοποθετημένα στην κορυφή ενός πύργου, ενώ πάντα θα πρέπει να είναι στραμμένες προς τον άνεμο. Οι μικρές ανεμογεννήτριες προσανατολίζονται προς τον άνεμο μέσω ενός απλού ανεμοδείκτη, που τοποθετείται στην ίδια ευθεία με το ρότορα, ενώ οι μεγάλες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν έναν αισθητήρα ανίχνευσης της φοράς του ανέμου σε συνδυασμό με ένα σερβοκινητήρα, ο οποίος στρέφει την ανεμογεννήτρια προς την κατεύθυνση του ανέμου. Οι περισσότερες μεγάλες ανεμογεννήτριες περιλαμβάνουν ένα κιβώτιο ταχυτήτων που μετατρέπει την αργή περιστροφή του ρότορα σε μια ταχύτερη και πιο κατάλληλη για την οδήγηση μιας ηλεκτρογεννήτριας

40 Σχήμα 2.1 Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα [15] Δεδομένου ότι ο πύργος προκαλεί αναταράξεις πίσω από αυτόν, η ανεμογεννήτρια συνήθως τοποθετείται να δείχνει προς τη φορά του ανέμου. Επιπρόσθετα, τα στρεφόμενα πτερύγια συγκρατούνται ισχυρά ώστε αποφευχθεί η ώθηση προς τον πύργο από ισχυρούς ανέμους. Ακόμη, τα πτερύγια τοποθετούνται σε σημαντική απόσταση μπροστά από τον πύργο και ορισμένες φορές με κλίση μέχρι ενός μικρού ποσοστού. Παρά το σημαντικό πρόβλημα των αναταραχών, έχουν κατασκευαστεί και ανεμογεννήτριες που δείχνουν αντίθετα από τη φορά του ανέμου. Επιπλέον, σε ισχυρούς ανέμους επιτρέπεται η κάμψη των πτερυγίων πράγμα που μειώνει την επιφάνεια σάρωσης και ως εκ τούτου την αντίσταση του ανέμου. Εφόσον οι αναταραχές οδηγούν σε προβλήματα κόπωσης και η αξιοπιστία είναι ιδιαίτερα σημαντική, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες τοποθετούνται ώστε να δείχνουν προς την κατεύθυνση του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν και κάποια άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα. Καταρχάς, ο υψηλός πύργος στήριξης τους επιτρέπει την πρόσβαση σε ισχυρότερους ανέμους για περιοχές όπου υπάρχει μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου ανάλογα με το ύψος. Σε κάποιες από αυτές τις περιοχές παρατηρείται ότι ανεβαίνοντας υψομετρικά κάθε 10m η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αυξηθεί κατά 20% και η ισχύς εξόδου κατά 34%. Ακόμη, οι ανεμογεννήτριες αυτές δε χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να

41 ξεκινήσουν να περιστρέφονται, άρα και με πολύ μικρές ταχύτητες ανέμου μπορούμε να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επίσης, παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης, καθώς τα πτερύγια τους κινούνται κατακόρυφα και λαμβάνουν αεροδυναμική ισχύ κατά τη διάρκεια της πλήρους περιστροφής τους και τέλος η συναρμολόγηση τους είναι εύκολη. Όμως, οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν και σημαντικά μειονεκτήματα. Καταρχάς, απαιτείται η κατασκευή ενός πύργου στήριξης τεραστίων διαστάσεων ώστε να αντέχει το συνολικό βάρος των μεγάλων πτερυγίων, της γεννήτριας και του υπόλοιπου απαραίτητου εξοπλισμού. Επιπλέον, η γεννήτρια, ο άξονας του ρότορα, το κιβώτιο ταχυτήτων και το σύστημα φρένων πρέπει να ανυψωθούν στην κορυφή του πύργου, πράγμα που κάνει την κατασκευή των ανεμογεννητριών αυτών ιδιαίτερα ακριβή και πολύ δύσκολη. Επιπρόσθετα, χρειάζονται έναν ενεργό μηχανισμό που να ελέγχει την εκτροπή των πτερυγίων με σκοπό να τα στρέψει στην κατεύθυνση του ανέμου. Τέλος, είναι αναγκαία μια συσκευή πέδησης με σκοπό να σταματήσει την περιστροφή των πτερυγίων σε ισχυρούς ανέμους και έτσι να εμποδίσει την ενδεχόμενη καταστροφή της ανεμογεννήτριας [16] Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου Άξονα Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν στον ρότορα τους πτερύγια των οποίων ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος ως προς το έδαφος και κατακόρυφος στη ροή του ανέμου. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι η μηχανή δε χρειάζεται να είναι προσανατολισμένη προς τον άνεμο, αλλά μπορεί να περιστρέφεται από άνεμο οποιαδήποτε κατεύθυνσης κάθε χρονική στιγμή. Αυτό το πλεονέκτημα δίνει τη δυνατότητα αποτελεσματικής λειτουργίας χωρίς μηχανισμό προσανατολισμού σε τοποθεσίες όπου παρατηρείται έντονη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου ή υπάρχουν τυρβώδεις άνεμοι. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται ένα παράδειγμα μιας ανεμογεννήτριας κατακόρυφου άξονα. Σε αυτές τις αιολικές μηχανές η ηλεκτρική γεννήτρια και ο υπόλοιπος βασικός εξοπλισμός μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος. Άρα, αρκεί μια απλή κατασκευή με οικονομική σχεδίαση για τον πύργο στήριξης, ενώ μερικές φορές η ύπαρξη αυτού του πυλώνα είναι προαιρετική. Το πλεονέκτημα αυτό δίνει τη δυνατότητα εύκολης προσβασιμότητας στις ανεμογεννήτριες αυτές και καθιστά απλή τη διαδικασία συντήρησης των στρεφόμενων τμημάτων. Τέλος, ένα ακόμη αξιοσημείωτο πλεονέκτημα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι ότι απαιτούν χαμηλότερη ταχύτητα εκκίνησης από την τυπική των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα

42 Σχήμα 2.2 Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα [15] Βέβαια υπάρχουν και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα που επηρεάζουν τη λειτουργικότητα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα. Το σημαντικότερο τους πρόβλημα είναι ότι είναι αδύνατη η έναρξη της περιστροφής τους χωρίς εξωτερική παρέμβαση, διότι η ροπή εκκίνησης τους έχει πού υψηλή τιμή. Επομένως, για την αντιμετώπιση αυτής της κατάστασης είναι αναγκαία σε πρώτο στάδιο η λειτουργία τους σαν κινητήρες, αφού βέβαια τραβήξουν ρεύμα από το δίκτυο. Επίσης, το γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα δεν τοποθετούνται σε πύργους αλλά κυρίως κοντά στο έδαφος οδηγεί σε ένα σημαντικό μειονέκτημα. Αυτό είναι ότι σε αυτά τα ύψη η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη και επίσης κατά την περιστροφή τους υπάρχουν σημεία στα οποία η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική. Επομένως, η χαμηλή αεροδυναμική ισχύς που εισέρχεται σε γεννήτριες τέτοιου μεγέθους μειώνει στο ελάχιστο το βαθμό απόδοσης. Αξίζει να αναφερθεί ότι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα διακρίνονται σε βασικές υποκατηγορίες που λέγονται Darrieus και Savonius αντιστοίχως. Οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus έχουν καλή απόδοση αλλά παράγουν μεγάλη ροπή κυματισμού που προκαλεί μείωση της αξιοπιστίας τους. Επίσης, απαιτούν κάποια εξωτερική πηγή ισχύος για την έναρξη περιστροφής τους επειδή η ροπή εκκίνησης τους είναι μεγάλη. Οι ανεμογεννήτριες τύπου Savonius έχουν εξαιρετική λειτουργία σε περιοχές όπου υπάρχουν τυρβώδεις άνεμοι και δυνατότητα εκκίνησης από μόνες τους, αλλά είναι λιγότερο αποδοτικές από τις συνηθισμένες ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα λόγω της αεροδυναμικής τους αντίστασης [16]

43 2.2 Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Η βασική δομή μιας ανεμογεννήτριας εμφανίζεται στo σχήμα 2.3. Τα βασικά υποσυστήματα που περιλαμβάνονται σε μια ανεμογεννήτρια είναι o ρότορας, ο μηχανισμός ελέγχου του βήματος των πτερυγίων, η άτρακτος, το φρένο, ο άξονας χαμηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων, ο άξονας υψηλής ταχύτητας, η γεννήτρια, ο ηλεκτρονικός ελεγκτής, το ηλεκτρικό σύστημα, το σύστημα ψύξης, το υδραυλικό σύστημα, το ανεμόμετρο, ο ανεμοδείκτης, ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου και ο πύργος. Σχήμα 2.3 Τομή ατράκτου ανεμογεννήτριας [15] Ο ρότορας αποτελείται από τα πτερύγια και την πλήμνη. Η πλήμνη είναι ένα μηχανικό εξάρτημα πάνω στο οποίο προσδένονται τα πτερύγια. Τα πτερύγια χρησιμοποιούν την αρχή της άντωσης για να μετατρέψουν την κινητική ενέργεια του ανέμου που δεσμεύουν σε μηχανική ενέργεια μέσω της περιστροφής τους γύρω από την πλήμνη. Ο αριθμός των πτερυγίων επηρεάζει την αεροδυναμική συμπεριφορά του ρότορα με τις περισσότερες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν δύο ή τρία πτερύγια κατασκευασμένα από ενισχυμένο πολυεστέρα. Το μήκος των πτερυγίων μπορεί να φθάσει τα 45m και εξαρτάται από την απαιτούμενη ονομαστική ισχύ της ανεμογεννήτριας και το αιολικό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης τους

44 Ο άξονας χαμηλής ταχύτητας, το κιβώτιο ταχυτήτων, και ο άξονας υψηλής ταχύτητας αποτελούν το σύστημα μετάδοσης κίνησης, ενώ το φρένο είναι το σύστημα πέδησης. Το σύστημα μετάδοσης κίνησης έχει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας στην πλευρά του ρότορα και τον άξονα υψηλής ταχύτητας στην πλευρά της γεννήτριας. Ο άξονας χαμηλών στροφών είναι ο άξονας που συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Ο άξονας υψηλών στροφών ξεκινάει από το κιβώτιο ταχυτήτων και καταλήγει στη γεννήτρια, άρα στην ουσία αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. Ο σκοπός του κιβωτίου ταχυτήτων είναι να επιταχύνει το ρυθμό περιστροφής του ρότορα από μια χαμηλή τιμή (δεκάδες rpm) σε μια υψηλή τιμή (εκατοντάδες ή χιλιάδες rpm) που αρκούν για την οδήγηση μιας τυπικής γεννήτριας. Το φρένο αναλαμβάνει την πέδηση της ανεμογεννήτριας σε περιπτώσεις έκτατης ανάγκης όπως σε ακραίες ταχύτητες ανέμου που έχουν ως συνέπεια την περιστροφή του ρότορα με υπερβολικά μεγάλες ταχύτητες και άρα κίνδυνο καταστροφής. Το είδος του φρένου που χρησιμοποιείται συνήθως είναι ένα μηχανικό δισκόφρενο το οποίο οδηγείται από υδραυλικά συστήματα. Το δισκόφρενο για να προστατεύσει τον ρότορα από υπερβολικά μεγάλες ταχύτητες σε συνθήκες υψηλού ανέμου επεμβαίνει αυτόματα στον άξονα του ρότορα και μειώνει την ταχύτητα περιστροφής του. Η γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια του ρότορα σε ηλεκτρική ενέργεια και είναι τοποθετημένη στην κορυφή του πύργου. Όλες οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν επαγωγικές και σύγχρονες μηχανές που συνδέονται με ένα μετασχηματιστή για την κατάλληλη προσαρμογή της παραγόμενης τάσης στο εκάστοτε δίκτυο. Όταν οι μηχανές αυτές δε χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά ισχύος κατά τη σύνδεση τους με το δίκτυο, τότε η ανεμογεννήτρια περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα. Αντίθετα, αν η ανεμογεννήτρια συνδυαστεί με ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος είναι δυνατή η περιστροφή με μεταβλητή ταχύτητα. Το σύστημα ψύξης έχει έναν ηλεκτρικό ανεμιστήρα ο οποίος αναλαμβάνει την ψύξη της γεννήτριας με σκοπό τη διατήρηση της θερμοκρασίας της σε χαμηλά επίπεδα ώστε να αποτραπεί η υπερθέρμανση της. Το ανεμόμετρο, ο ανεμοδείκτης και ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου αποτελούν το σύστημα προσανατολισμού ενώ ο ηλεκτρονικός ελεγκτής και ο μηχανισμός ελέγχου του βήματος των πτερυγίων το σύστημα ελέγχου. Ο ηλεκτρονικός ελεγκτής είναι ένας μικροϋπολογιστής που εκτελεί διάγνωση βλαβών, ξεκινά και σταματάει την ανεμογεννήτρια και κάνει τις απαραίτητες ρυθμίσεις ανάλογα με τις μεταβολές του ανέμου με σκοπό τη δέσμευση της μέγιστης ισχύος από τον άνεμο. Το ανεμόμετρο μετρά την ταχύτητα του ανέμου και ο ανεμοδείκτης προσδιορίζει την κατεύθυνση του ανέμου. Ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου αναλαμβάνει την περιστροφή της ατράκτου μέσω ενός σερβοκινητήρα ώστε να προσανατολίσει το ρότορα απέναντι στην κατεύθυνση του ανέμου. Τα σήματα μέτρησης του ανεμομέτρου

45 αποστέλλονται στον ηλεκτρονικό ελεγκτή ώστε ανάλογα να εκκινήσει τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας όταν η ταχύτητα του ανέμου γίνει μεγαλύτερη από μια ελάχιστη τιμή ή να διακόψει τη λειτουργία όταν ο άνεμος υπερβεί ένα ανώτατο όριο με σκοπό την προστασία της. Ο πύργος στηρίζει όλη την παραπάνω ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση της ατράκτου και κατασκευάζεται από χάλυβα και η ακαμψία του είναι σημαντικός παράγοντας στην απορρόφηση των κραδασμών που δημιουργούνται από το ρότορα. Όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του πύργου τόσο μεγαλύτερα ποσά αιολικής ενέργειας μπορεί να δεσμεύσει ο ρότορας της ανεμογεννήτριας. Οι δύο κύριοι τύποι πύργων που έχουν επικρατήσει είναι ο σωληνωτός και ο δικτυωτός. Ο δικτυωτός είναι ευκολότερος στη συναρμολόγηση, ελαφρύτερος για ανάρτηση και φθηνότερος από άποψη κόστους. Ο σωληνωτός πύργος των μεγάλων ανεμογεννητριών μπορεί να γίνει θάλαμος στέγασης για όλα τα εσωτερικά όργανα της ανεμογεννήτριας και ακόμα είναι δυνατόν να περιλαμβάνει εσωτερική σκάλα ή ανελκυστήρα για την πρόσβαση στην άτρακτο που βρίσκεται στην κορυφή του [5]. 2.3 ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Άντωση και Αντίσταση των Πτερυγίων Για την κατανόηση της λειτουργίας των ανεμογεννητριών απαιτείται η επεξήγηση των αεροδυναμικών μεγεθών της άντωσης και της αντίστασης. Γενικά, όταν μια επιφάνεια βρίσκενται εντός μιας ροής αέρα ασκείται σε αυτό μια δύναμη F. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η δύναμη αυτή αναλύεται σε δύο συνιστώσες κάθετες μεταξύ τους, την άντωση L και την αντίσταση D. Οπότε, η άντωση είναι η δύναμη που δέχεται η επιφάνεια και είναι κάθετη στη κατεύθυνση του ανέμου και η αντίσταση η αντίστοιχη δύναμη παράλληλη στην κατεύθυνση του ανέμου. Η γωνία που σχηματίζει η επιφάνεια με τη διεύθυνση του αέρα ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης. Αλλάζοντας τη γωνία πρόσπτωσης σε μία επιφάνεια επιτυγχάνουμε μεγιστοποίηση της άντωσης. Οι δυνάμεις της άντωσης και της αντίστασης περιγράφονται από αδιάστατους συντελεστές, C L για την άντωση και C D για την αντίσταση. Αν θεωρήσουμε ότι σε επιφάνεια εμβαδού Α προσπίπτει άνεμος ταχύτητας V και πυκνότητας αέρα ρ με γωνία πρόσπτωσης τότε για τα μέτρα της άντωσης L και της αντίστασης D ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις: L = 1 2 ρ Α V2 C L (α) (2.1) D = 1 2 ρ A V2 C D (α) (2.2)

46 Οι δυνάμεις της άντωσης και της αντίστασης βρίσκουν εφραμογή και στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Στο σχήμα 2.4 φαίνεται το τμήμα ενός περιστρεφόμενου πτερυγίου μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα με αναπαράσταση των δυνάμεων και των ταχυτήτων που ασκούνται σε ένα ορισμένο σημείο του πτερυγίου μια τυχαία χρονική στιγμή: Σχήμα 2.4 Διάγραμμα δυνάμεων και ταχυτήτων σε τμήμα πτερυγίου ανεμογεννήτριας [8] Τα ιδανικά πτερύγια για τις ανεμογεννήτριες είναι εκείνα που εκμεταλλεύονται την άντωση ώστε οι ανεγεννήτριες να στρέφονται με υψηλή ταχήτητα και μικρή ροπή. Η κατεύθυνση με την οποία βλέπει το πτερύγιο τον άνεμο είναι αποτέλεσμα της ταχύτητας του ανέμου και της εφαπτομενικής ταχύτητας του πτερυγίου στη συγκεκριμένη θέση. Η εφαπτομενική ταχύτητα κατά μήκος του πτερυγίου v (m/sec) μεταβάλλεται ανάλογα με την τοπική ακτίνα r (m) σύμφωνα με τη σχέση, v = ω r όπου η γωνιακή ταχύτητα του πτερυγίου ω (rad/sec) παραμένει σταθερή. Η ταχύτητα του ανέμου στο πτερύγιο είναι η

47 επ'άπειρον ταχύτητα του ανέμου μειωμένη κατά ένα συντελεστή α που υπολογίζει την επιβράνδυση της ροής λόγω της αναταλλαγής ενέργειας που λαμβάνει χώρα. Η σχετική γωνία πρόσπτωσης φ είναι η γωνία που σχηματίζει η σχετική ταχύτητα W με συγκεκριμένο σημείο του πτερυγίου και μετριέται από το επίπεδο περιστροφής του πτερυγίου. Η γωνία πρόσπτωσης α στο σημείο αυτό σχηματίζεται από τη χορδή του πτερυγίου και τη σχετική ταχύτητα W. Η γωνία βήματος β ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της σχετικής γωνίας πρόσπτωσης φ από τη γωνία πρόσπτωσης α, δηλαδή β = φ α. Η πτέρυγα είναι σχεδιασμένη ώστε να περιστρέφεται σε ένα επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση του ανέμου. Αφού αναλύσουμε σε ένα σημείο του πτερυγίου την άντωση και την αντίσταση, τις αφαιρούμε και η διαφορά τους μας δίνει την προωστική δύναμη που είναι η αιτία περιστροφής του πτερυγίου. Ομοίως, υπολογίζουμε τη συνολική δύναμη που ασκείται κατά την αξονική διεύθυνση [8]. Δηλαδή έχουμε: F προωσ = L sin φ D cos φ (2.3) F αξον = L cos φ +D sin φ (2.4) Αιολική Ισχύς Η αιολική ισχύς, δηλαδή η στιγμιαία ισχύς του ανέμου, ορίζεται ως η συνολικά διαθέσιμη κινητική ενέργεια του ανέμου στη μονάδα του χρόνου. Αυτή η ισχύς μετατρέπεται σε μηχανική ισχύ μέσω του ρότορα της ανεμογεννήτριας, γεγονός που οδηγεί στη μείωση της ταχύτητας του αέρα. Αν θεωρήσουμε ότι σε επιφάνεια εμβαδού Α προσπίπτει άνεμος ταχύτητας με πυκνότητα αέρα ρ τότε η αιολική ισχύς P προκύπτει από τη σχέση: P = 1 2 ρ Α v3 (2.5) Εφόσον η αιολική ισχύς είναι ανάλογη με την τρίτη δύναμη της ταχύτητας του ανέμου, μια αύξηση κατά 10% στην ταχύτητα του ανέμου συνεπάγεται μια αύξηση της αιολικής ισχύος κατά 30%. Η καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ακολουθεί αυτή τη σχέση ανάμεσα στην ταχύτητα ένταξης και την ονομαστική ταχύτητα. Η ταχύτητα ένταξης είναι η ταχύτητα στην οποία η ανεμογεννήτρια αρχίζει να λειτουργεί και να παράγει ισχύ. Η ονομαστική ταχύτητα είναι η ταχύτητα στην οποία η ανεμογεννήτρια λειτουργεί με τα ονομαστικά της μεγέθη και παράγει ονομαστική της ισχύ. Μια ανεμογεννήτρια συνήθως φθάνει σε μια ταχύτητα ανέμου που κυμαίνεται σε ένα εύρος τιμών από 12 έως 16 m/sec ανάλογα με το είδος της κάθε ανεμογεννήτριας. Στο σχήμα 2.5 παρουσιάζεται η καμπύλη ηλεκτρικής ισχύος με την ταχύτητα ανέμου μιας ανεμογεννήτριας με ηλεκτρική ισχύ εξόδου 1500 kw

48 Σχήμα 2.5 Καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ανεμογεννήτριας [5] Για ταχύτητες ανέμου υψηλότερες από τις εκτιμούμενες η μέγιστη παραγόμενη ενέργεια θα περιοριστεί. Ως εκ τούτου, μια ανεμογεννήτρια θα παράγει μέσα σε ένα ορισμένο διάστημα ταχυτήτων που θα έχει το άνω όριο του στην ταχύτητα αποκοπής. Η ταχύτητα αποκοπής είναι εκείνη η ταχύτητα του ανέμου στην οποία η ανεμογεννήτρια και απομακρύνεται από την κύρια κατεύθυνση του ανέμου. Οι τυπικές τιμές της ταχύτητας αποκοπής κυμαίνονται σε ένα εύρος τιμών μεταξύ 20 και 25 m/sec. Η καμπύλη ισχύος-ταχύτητας επηρεάζεται από την ατμοσφαιρική πίεση διότι για παράδειγμα μεταβάλλεται ανάλογα με το υψόμετρο και από αλλαγές στο αεροδυναμικό σχήμα των πτερυγίων λόγω πάγου και φθορών. Τώρα σε ότι αφορά την καμπύλη ισχύος-ταχύτητας των αιολικών πάρκων Για παράδειγμα εάν οι ανεμογεννήτριες της πρώτης σειράς του πάρκου που έχουν κατεύθυνση παρατηρούνται ταχύτητες ανέμου 15 m/sec στις ανεμογεννήτριες της τελευταίας σειράς θα προσπίπτει άνεμος ταχύτητας μόνο 10 m/sec. Συνεπώς οι πρώτες ανεμογεννήτριες θα παράγουν 1500 kw, ενώ οι τελευταίες μόνο 1100 kw [5] Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Στην πραγματικότητα μόνο ένα μέρος της συνολικής αιολικής ισχύος είναι δυνατόν να δεσμευτεί από μια ανεμογεννήτρια, διότι ο άνεμος απομακρύνεται από την περιοχή του ρότορα με κάποια ταχύτητα και τα πτερύγια εκτρέπουν ένα τμήμα του αέρα με αποτέλεσμα να παρακάμπτει την ανεμογεννήτρια και

49 τελικά να μη τη διαπερνά. Το αδιάστατο μέγεθος που αντιπροσωπεύει το κλάσμα της ισχύος του ανέμου που δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια ονομάζεται αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος. Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας χαρακτηρίζεται από τον αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος που ορίζεται ως ο λόγος της μηχανικής ισχύος που παράγεται από το ρότορα προς την αιολική ισχύ που δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P ισούται με: όπου P M η μηχανική ισχύς και P A η αιολική ισχύς. C P = P M P A (2.6) Η μέγιστη θεωρητικά δυνατή τιμή του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος ονομάζεται όριο του Betz και έχει τιμή Ο νόμος του Betz ουσιαστικά λέει ότι μόνο το 59% της κινητικής ενέργειας του ανέμου που δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια. Άρα, ο συντελεστής ισχύος δείχνει πόσο αποτελεσματικά μετατρέπεται η αιολική ενέργεια σε μηχανική από το ρότορα της ανεμογεννήτριας. Παρακάτω στο σχήμα 2.6 παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραμμα που παρουσιάζει τη μεταβολή του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Από το διάγραμμα παρατηρούμε ότι η μέση μηχανική απόδοση είναι περίπου λίγο πάνω από το 20%. Ωστόσο, βλέπουμε ότι η απόδοση παίρνει διάφορες τιμές, οι οποίες εξαρτώνται από την τιμή της ταχύτητας του ανέμου. Συγκεκριμένα, η μέγιστη τιμή της απόδοσης είναι κοντά στο 44% που συμβαίνει για μια ταχύτητα ανέμου γύρω στα 9 m/sec. Επίσης, διακρίνουμε πως σε χαμηλές ταχύτητες του ανέμου η απόδοση δεν είναι σημαντική διότι δεν υπάρχουν μεγάλες ποσότητες αιολικής ενέργειας για να δεσμευτούν. Ακόμη, στις μεγάλες ταχύτητες ανέμου η ανεμογεννήτρια δεν πρέπει να λαμβάνει ποσότητα ενέργειας πέρα από την προκαθορισμένη, δηλαδή από την ονομαστική, πράγμα που καθορίζει τα μηχανικά φορτία στην κατασκευή. Το συμπέρασμα είναι πως η έννοια της απόδοσης έχει νόημα μόνο στις περιοχές εκείνες που η ταχύτητα του ανέμου είναι κατάλληλη ώστε η ανεμογεννήτρια να παράγει το μέγιστο δυνατό ποσό ισχύος

50 Σχήμα 2.6 Διάγραμμα του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος με την ταχύτητα του ανέμου [15] Λόγος Ταχύτητας Ακροπτερυγίου Μια άλλη σπουδαία παράμετρος που αφορά την παραγόμενη ισχύ των ανεμογεννητριών είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου που ορίζεται ως ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Αν συμβολίσουμε με v (m/sec) την ταχύτητα του ανέμου, υ (m/sec) τη γραμμική ταχύτητα περιστροφής, ω (rad/sec) τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ακροπτερυγίου και r (m) την ακτίνα του, τότε ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ δίνεται από τη σχέση: λ = υ v = ω rr v (2.7) Εάν ο ρότορας περιστρέφεται με πολύ μικρή ταχύτητα επιτρέπει μεγάλη ποσότητα ανέμου να περάσει ανενόχλητη και έτσι δεν επιτρέπει τη δέσμευση της μέγιστης ισχύος από το ρότορα μέσα στα όρια του ορίου του Betz. Από την άλλη πλευρά, εάν ο ρότορας περιστρέφεται με πολύ μεγάλες ταχύτητες γίνεται για τον άνεμο ένας μεγάλος πλατύς δίσκος που δημιουργεί μεγάλη αντίσταση. Η τιμή του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου εξαρτάται από τον τύπο της ανεμογεννήτριας, τον αριθμό των πτερυγίων και το είδος της αεροτομής. Γενικά, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου των τριπτέρυγων

51 ανεμογεννητριών κυμαίνεται σε ένα εύρος τιμών μεταξύ 6 και 8, ενώ η πιο ευρέως αναφερόμενη τιμή είναι κοντά στο 7. Εκτός από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παρακάτω και κάποια άλλα θέματα επηρεάζουν την τιμή του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου με τον οποίο πρέπει να σχεδιασθεί μια ανεμογεννήτρια. Γενικά, μια υψηλή τιμή του λόγου αυτού είναι επιθυμητή δεδομένου ότι βοήθά στην επίτευξη μιας υψηλής ταχύτητας για τον άξονα του ρότορα η οποία επιτρέπει την καλή απόδοση της γεννήτριας. Όμως, πολύ υψηλές τιμές του λόγου αυτού προκαλούν προβλήματα όπως μείωση της απόδοσης του ρότορα λόγω αύξησης της αντίστασης του ανέμου και των απωλειών στα ακροπτερύγια [7] Μέγιστος Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος και Βέλτιστος Λόγος Ταχύτητας Ακροπτερυγίου Ακολούθως, στο σχήμα 2.7 παρουσιάζεται το διάγραμμα του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος σαν συνάρτηση του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου για μια ανεμογεννήτρια. Σχήμα 2.7 Διάγραμμα του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος με τον λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου [15] Παρατηρούμε ότι η δέσμευση της μέγιστης ισχύος συμβαίνει για μια βέλτιστη τιμή του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου και συγκεκριμένα στο σημείο όπου η διαφορά ανάμεσα στον πραγματικό λόγο λειτουργίας (μπλε γραμμή) και στο σταθερό θεωρητικό λόγο (διακεκομμένη γραμμή) ελαχιστοποιείται. Η διαφορά αυτή ουσιαστικά παριστάνει την ισχύ που δε δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια και οφείλεται στις απώλειες λόγω τριβών, στο πεπερασμένο

52 μέγεθος των πτερυγίων, στα κατασκευαστικά λάθη και στο γεγονός ότι η ανεμογεννήτρια δε δουλεύει με το βέλτιστο λόγο για κάθε τιμή της ταχύτητας του αέρα. Όμως, ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος δεν είναι μόνο συνάρτηση του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίων καθώς επηρεάζεται και από τη γωνία βήματος του πτερυγίου. Οπότε πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του ρότορα για οποιαδήποτε ταχύτητα ανέμου να παίρνει τιμές που να βελτιστοποιούν το λόγο ταχύτητα και τη γωνία βήματος με σκοπό την επίτευξη της μέγιστης παραγόμενης ισχύος. Για συγκεκριμένες τιμές των λ και β υπολογίζεται η τιμή του C P (λ, β) από τον παρακάτω εκθετικό τύπο: C P (λ, β) = 0.22 ( β 5) e ( 12.5 ) λ i λ i (2.8) όπου το λ i υπολογίζεται από την εξίσωση: 1 1 = λ i λ β β (2.9) Στο γράφημα του σχήματος 2.8 παρουσιάζεται ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P (λ, β) σα συνάρτηση του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ και της γωνίας βήματος πτερυγίου β. Από το γράφημα διαπιστώνεται εύκολα πως η μέγιστη τιμή του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος αντιστοιχεί για γωνία βήματος πτερυγίου β=0. Από τη βέλτιστη αυτή τιμή του β βρίσκουμε τις βέλτιστες τιμές για τα C P, λ opt και λ i που είναι C P = , λ opt = και λ i = 8.12 [6]. Σχήμα 2.8 Διάγραμμα του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος με τον λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου για διαφορετικές γωνίες βήματος πτερυγίου [10]

53 2.3.6 Μέγιστη Παραγόμενη Ισχύς Προηγουμένως αναφέρθηκε πως ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C P εξαρτάται από την ταχύτητα ακροπτερυγίου λ. Επίσης, είδαμε ότι το C P αντιστοιχεί σε ένα λ opt, το οποίο μπορεί να βρεθεί με βάση τη διαδικασία που αναφέρθηκε προηγουμένως. Όπως είναι προφανές από τη σχέση (2.7) το λ opt που υπολογίστηκε νωρίτερα μπορεί να ορίσει ένα ω r_opt, το οποίο πλέον θα εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του ανέμου, δηλαδή: ω r_opt = λ opt R v (2.10) Επίσης, έχουμε ότι η μηχανική ισχύς P M που παράγεται από τον άνεμο είναι: P M = 1 2 πρc PR 2 v 3 (2.11) Η μηχανικής ισχύς που δεσμεύεται από μια στρεφόμενη μηχανή ισούται με: P M = T M ω r (2.12) Οπότε με αντικατάσταση προκύπτει η σχέση για τη ροπή T M : T M = 1 2 πρc T(λ)R 3 v 2 (2.13) όπου: C T = C P λ (2.14) Όπως γίνεται προφανές από την παραπάνω σχέση ένα C P_opt και ένα λ opt ορίζουν επίσης και ένα T M_opt, το οποίο και αυτό είναι εξαρτώμενο μόνο από την ταχύτητα του ανέμου όπως και το ω ropt : T M_opt = 1 2 πρc T(λ opt )R 2 v 3 (2.15) όπου C T (λ opt ) = C P_opt λ opt (2.16) δηλαδή επίσης ισχύει: T M_opt = 1 2 πρ C P_opt 3 λ R5 v 3 2 ω r_opt (2.17) opt Από την τελευταία σχέση και επιστρέφοντας στη σχέση (2.12) καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως για να επιτευχθεί P M_max πρέπει να έχουμε λειτουργία στο μέγιστο ω r_opt [6]

54 2.3.7 Γωνίας Βήματος Πτερυγίου Στις ανεμογεννήτριες που εφαρμόζουν έλεγχο της γωνίας βήματος των πτερυγίων (pitch control), τα πτερύγια θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας είτε ολόκληρο το πτερύγιο είτε κάποιο τμήμα του γύρω από τον άξονα τους. Η περιστροφή αυτή θα πρέπει να γίνεται στην κατεύθυνση όπου πραγματοποιείται μείωση της γωνίας πρόσπτωσης της ροής του αέρα στην αεροτομή του πτερυγίου. Στην περίπτωση που παραγωγή ενέργειας ξεπεράσει ένα ασφαλές επίπεδο, ο μηχανισμός έλεγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει τα πτερύγια με αργό ρυθμό έτσι ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Στη συνέχεια όταν ελαττωθεί η ένταση του ανέμου τα πτερύγια επαναφέρονται στην αρχική τους θέση προκειμένου να γίνεται μεγαλύτερη πρόσπτωση του πάνω τους και άρα να επιτευχθεί μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Να αναφερθεί ότι για τον έλεγχο βήματος πτερυγίου χρησιμοποιούνται υδραυλικοί ή ηλεκτρικοί ενεργοποιητές [6] Απώλεια Στήριξης Στις ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε μια σταθερή γωνία. Η γεωμετρία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε να διασφαλίζεται από αεροδυναμική άποψη ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης του ανέμου κάποιες αεροδυναμικές διαταραχές. Οι διαταραχές αυτές, δηλαδή δίνες και στροβιλισμοί του αέρα, αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και εμποδίζουν την αρνητική επίδραση τους στο ρότορα. Το αεροδυναμικό αυτό φαινόμενο ονομάζεται απώλεια στήριξης (stall control). Οι αεροδυναμικές διαταραχές που προκαλούν την απώλεια στήριξης έχουν ως τελική συνέπεια τις διαρκείς αρνητικές ολισθήσεις στην ταχύτητα περιστροφής που περιγράφονται με τον όρο ''στολάρισμα'' (stalling). Κατά την απώλεια στήριξης το πτερύγιο στρέφεται με αργό ρυθμό κατά μήκος του άξονα του ώστε να είναι σίγουρο ότι όταν η ταχύτητα του ανέμου φθάσει την καθορισμένη ταχύτητα τα πτερύγια θα χάσουν την απώλεια στήριξης σταδιακά και όχι απότομα. Το βασικό πλεονέκτημα των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούν έλεγχο απώλειας στήριξης είναι ότι πάνω στο ρότορα τους δεν παρατηρούνται κινούμενα μέρη. Κύριας σημασίας είναι το γεγονός ότι η μεταβολή της γωνίας στην απώλεια στήριξης γίνεται αντίθετα προς αυτή της γωνίας βήματος πτερυγίου. Τέλος, η στρέψη των πτερυγίων στην απώλεια στήριξης γίνεται με χρήση υδραυλικών ή ηλεκτρικών μηχανισμών [6]

55 2.4 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών λειτουργούν αποκλειστικά με μια ονομαστική ταχύτητα περιστροφής ανεξάρτητα της ταχύτητας του ανέμου που προσπίπτει στα πτερύγια τους. Ο κυριότερος λόγος της εξάπλωσης τους είναι το χαμηλό κόστος που οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη σύνδεση τους με το δίκτυο δε παρεμβάλλονται ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Επίσης πλεονεκτούν λόγω της απλότητας, της αξιοπιστίας και της στιβαρότητας τους. Όμως, μειονεκτούν λόγω των ισχυρών μηχανικών καταπονήσεων, της χαμηλής αεροδυναμικής απόδοσης, του χαμηλού συντελεστή ισχύος στην έξοδο της γεννήτριας και των μεταβατικών φαινομένων κατά την εκκίνηση. Γενικά, η κύρια εκδοχή της ανεμογεννήτριας σταθερών στροφών χρησιμοποιεί μια επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού, η οποία συνδέεται απευθείας στο δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή. Η σύνδεση με το δίκτυο γίνεται χωρίς ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, άρα η ταχύτητα του δρομέα παραμένει σταθερή με μικρή απόκλιση από τη σύγχρονη ταχύτητα. Επειδή η επαγωγική μηχανή καταναλώνει πάντα άεργο ισχύ από το δίκτυο, η συνδεσμολογία της περιλαμβάνει και μια συστοιχία πυκνωτών, με σκοπό την αντιστάθμιση αέργου ισχύος. Μια πιο ομαλή σύνδεση στο δίκτυο επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή (softstarter). Στο σχήμα 2.11 παρουσιάζεται το διάγραμμα των ανεμογεννητριών σταθερών στροφών: Σχήμα 2.9 Διάγραμμα ανεμογεννήτριας σταθερών στροφών με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού [5] Δύο βασικοί λόγοι για τους οποίους επιλέγεται η επαγωγική μηχανή είναι η αξιοπιστία της και το χαμηλό της κόστος. Επιπλέον, έχει κάποια αξιόλογα χαρακτηριστικά ως μηχανή που είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην εφαρμογή της στις ανεμογεννήτριες. Για παράδειγμα, η ασύγχρονη γεννήτρια παρουσιάζει

56 ολίσθηση που κάνει πιο ομαλή τη σύνδεση της στο δίκτυο και έχει μεγάλη στιβαρότητα που επιτρέπει μια καλή συμπεριφορά σε υπερφορτίσεις. Σε ότι αφορά τα μειονεκτήματα της επαγωγική μηχανής το σημαντικότερο είναι ότι απορροφά άεργο ισχύ από το δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένη. Η ποσότητα της αέργου ισχύος που καταναλώνεται γίνεται μεγαλύτερη, όσο αυξάνεται η ποσότητα της ενεργού ισχύος που παράγεται. Οπότε χρησιμοποιούμε μια συστοιχία παράλληλων πυκνωτών για να κάνουμε αντιστάθμιση αέργου ισχύος έτσι ώστε η τιμή του συντελεστή ισχύος να είναι κοντά στη μονάδα. Ανεξάρτητα από την τεχνική ελέγχου της ισχύος που χρησιμοποιεί μια ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών, είναι αναπόφευκτο το γεγονός ότι οι διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου μετατρέπονται σε διακυμάνσεις της μηχανικής ροπής και συνεπώς σε διακυμάνσεις της ηλεκτρικής ισχύος. Στην περίπτωση ενός αδύναμου δικτύου αυτό μπορεί να αποφέρει διακυμάνσεις τάσης στο σημείο της σύνδεσης. Εξαιτίας αυτών των διακυμάνσεων τάσης, οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών απορροφούν μεγάλες ποσότητες αέργου ισχύος από το βοηθητικό δίκτυο, εκτός βέβαια εάν υπάρχει μια συστοιχία πυκνωτών. Επομένως, το κύρια μειονεκτήματα της τεχνολογίας σταθερών στροφών είναι ότι οι ανεμογεννήτριες αυτές δεν υποστηρίζουν κανέναν έλεγχο ταχύτητας, απαιτούν τη σύνδεση σε ένα ισχυρό δίκτυο και είναι χρειάζονται κατασκευή που να αντέχει τις ισχυρές μηχανικές καταπονήσεις. Ανάλογα με την τεχνική ελέγχου της ισχύος που χρησιμοποιούν οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες. Έτσι έχουμε εκείνες που εφαρμόζουν έλεγχο απώλειας στήριξης, εκείνες με έλεγχο βήματος πτερυγίου και εκείνες με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης. Ακολούθως αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά των τριών αυτών κατηγοριών. Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας με έλεγχο απώλειας στήριξης είναι ένας συμβατικός τύπος που χρησιμοποιήθηκε από πολλούς κατασκευαστές ανεμογεννητριών στη Δανία κατά τις δεκαετίες του 1980 και του Έχει γίνει πολύ δημοφιλής λόγω της σχετικά χαμηλής τιμής, την απλότητα και τη στιβαρότητα της. Οι ανεμογεννήτριες αυτές δε μπορούν να πραγματοποιούν βοηθητική επανεκκίνηση, πράγμα που σημαίνει ότι η ισχύς εξόδου της δε μπορεί να ελεγχθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνδεσης. Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας με έλεγχο βήματος πτερυγίου έχουν επίσης εμφανιστεί στο εμπόριο των ανεμογεννητριών. Το κύρια πλεονεκτήματα τους είναι ότι παρέχουν τη δυνατότητα ελεγξιμότητα της ισχύος, ελεγχόμενης επανεκκίνησης και διακοπής της λειτουργίας σε περιπτώσεις έκτατης ανάγκης. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα τους είναι ότι σε υψηλές ταχύτητες ανέμου, ακόμη και μικρές μεταβολές της ταχύτητας του

57 ανέμου έχουν ως συνέπεια μεγάλες διακυμάνσεις στην ισχύ εξόδου. Σε αυτό συμβάλλει και το γεγονός ότι ο μηχανισμός ελέγχουν του βήματος πτερυγίου δρα αρκετά γρήγορα ώστε να αποφεύγονται αυτές οι διακυμάνσεις. Μέσω του ελέγχου βήματος πτερυγίου σε μικρές μεταβολές του ανέμου μπορούν γίνουν οι κατάλληλες ρυθμίσεις, αλλά αυτό δεν είναι δυνατό στην περίπτωση ριπών ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς. Αυτός ο τύπος διατηρεί όλα τα χαρακτηριστικά της ποιότητας ισχύος των ανεμογεννητριών που ρυθμίζονται μέσω απώλειας στήριξης. Οι βελτιώσεις βρίσκονται στην καλύτερη αξιοποίηση του συνολικού συστήματος, σαν αποτέλεσμα της χρήσης του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης. Η εύκαμπτη σύνδεση των πτερυγίων στην πλήμνη επιτρέπει τη διακοπή λειτουργίας σε καταστάσεις έκτατης ανάγκης και την επανεκκίνηση. Βέβαια, ένα μειονέκτημα είναι ότι είναι πιο ακριβές σε κόστος λόγω της υψηλής τιμής του μηχανισμού και του ελεγκτή που υποστηρίζουν τον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Τα τελευταία χρόνια οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών έχουν επικρατήσει μεταξύ των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών είναι σχεδιασμένες ώστε να επιτυγχάνουν τη μέγιστη αεροδυναμική απόδοση σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων ανέμου. Με την τεχνολογία των μεταβλητών στροφών έχει καταστεί δυνατή η συνεχής προσαρμογή της ταχύτητας περιστροφής του ρότορα (δηλαδή επιτάχυνση ή επιβράδυνση) ανάλογα με την ταχύτητα του αέρα. Με αυτό τον τρόπο ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου διατηρείται σταθερός σε μια προκαθορισμένη τιμή που αντιστοιχεί στο μέγιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος. Σε αντίθεση με την τεχνολογία σταθερών στροφών, οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας κρατούν τη ροπή σχεδόν σταθερή και οι μεταβολές του ανέμου απορροφώνται μέσω των αλλαγών στην ταχύτητα περιστροφής του ρότορα. Το ηλεκτρικό σύστημα μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών είναι περισσότερο περίπλοκο από αυτό μιας ανεμογεννήτριας σταθερών στροφών. Η μηχανή που χρησιμοποιείται συνήθως είναι μια επαγωγική ή μια σύγχρονη γεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος ελέγχει την ταχύτητα του δρομέα της γεννήτριας και άρα το ρότορα της ανεμογεννήτριας, ώστε να εξομαλύνει τις διακυμάνσεις της ισχύος που προκαλούνται από τις μεταβολές του ανέμου. Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας μεταβλητών στροφών είναι η δέσμευση μεγαλύτερων ποσοτήτων αιολικής ενέργειας, η βελτίωση της ποιότητας της

58 παραγόμενης ισχύος και η μείωση των μηχανικών καταπονήσεων στο ρότορα. Τα μειονεκτήματα είναι οι απώλειες στα ηλεκτρονικά ισχύος, η χρήση περισσότερων στοιχείων και η αύξηση του κόστους του εξοπλισμού λόγω των ακριβών ηλεκτρονικών ισχύος. Η εφαρμογή της τεχνολογίας μεταβλητών στροφών έχει δώσει τη δυνατότητα χρήσης διάφορων τύπων γεννητριών, με αποτέλεσμα να έχουμε μεγαλύτερη ελευθερία στα δυνατά σχήματα γεννητριών, μετατροπέων ισχύος και συστημάτων ελέγχου τους [5] Ανεμογεννήτριες Περιορισμένων Μεταβλητών Στροφών Το είδος αυτών των ανεμογεννητριών χρησιμοποιεί μια επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα που είναι απευθείας συνδεδεμένη με το δίκτυο. Ακόμη υπάρχει μια παράλληλη συστοιχία πυκνωτών που εκτελεί την αντιστάθμιση αέργου ισχύος. Μια πιο ομαλή σύνδεση με το δίκτυο μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή (soft-starter). Το διαφορετικό αυτής της εκδοχής είναι ότι ο δρομέας της γεννήτριας θα έχει μια επιπλέον μεταβλητή ηλεκτρική αντίσταση που μπορεί να ρυθμιστεί από έναν οπτικά ελεγχόμενο μετατροπέα τοποθετημένο στον άξονα του δρομέα. Έτσι, η συνολική αντίσταση του δρομέα είναι ελεγχόμενη και παράλληλα η οπτική ζεύξη εξαλείφει την ανάγκη για καθαρισμό και συντήρηση των δακτυλίων ολίσθησης. Εφόσον ρυθμίζουμε την αντίσταση του δρομέα παράλληλα ελέγχουμε και την ολίσθηση. Συνεπώς η ηλεκτρική ισχύς εξόδου της γεννήτριας είναι ελεγχόμενη. Το εύρος της δυναμικής ρύθμισης της ταχύτητας του δρομέα εξαρτάται από το μέγεθος της ηλεκτρικής αντίστασης του και κυμαίνεται έως 10% πάνω από τη σύγχρονη ταχύτητα. Η ενέργεια που έρχεται θερμικές απώλειες. Βέβαια, βρέθηκε και μια εναλλακτική εκδοχή στην οποία χρησιμοποιούνται παθητικά στοιχεία αντί για ηλεκτρονικά ισχύος. Παρόλο που η εκδοχή αυτή επιτυγχάνει ολίσθηση 10% δεν παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου της ολίσθησης. Στο σχήμα 2.12 έχουμε το διάγραμμα των ανεμογεννητριών περιορισμένων μεταβλητών στροφών:

59 Σχήμα 2.10 Διάγραμμα ανεμογεννήτριας περιορισμένων μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα μεταβλητής αντίστασης [5] Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών με Μερικώς Ελεγχόμενο Μετατροπέα Συχνότητας Η εκδοχή αυτή που είναι γνωστή σαν επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας περιλαμβάνει μια επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα σε συνδυασμό με ένα μερικώς ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας που τοποθετείται στο κύκλωμα του δρομέα. Ο μερικώς ελεγχόμενος μετατροπέας συχνότητας αναλαμβάνει την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος που απορροφάται από την επαγωγική γεννήτρια και την ομαλή σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο. Οι ανεμογεννήτριες αυτού του είδους έχουν ένα πιο δυναμικό εύρος ρύθμισης ταχυτήτων που εξαρτάται από το μέγεθος του μετατροπέα. Συνήθως το εύρος ταχυτήτων εντάσσεται σε ένα διάστημα που ξεκινά από το -40% της σύγχρονης ταχύτητας και φτάνει στο +30% της σύγχρονης ταχύτητας. Επίσης, ο μετατροπέας μικρότερου μεγέθους καθιστά την εκδοχή αυτή πιο Βέβαια, τα κύρια μειονεκτήματα είναι η χρήση δακτυλίων ολίσθησης και η ανάγκη προστασίας στην περίπτωση σφαλμάτων του δικτύου. Στο σχήμα 2.13 παρουσιάζεται το διάγραμμα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών με μερικώς ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας:

60 Σχήμα 2.11 Διάγραμμα ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και μερικώς ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας [5] Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών με Πλήρως Ελεγχόμενο Μετατροπέα Συχνότητας Η εκδοχή αυτή αντιστοιχεί στην περίπτωση των ανεμογεννητριών πλήρους μεταβλητής ταχύτητας, με τη γεννήτρια να συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός πλήρως ελεγχόμενου μετατροπέα συχνότητας. Ο μετατροπέας συχνότητας εκτελεί την αντιστάθμιση αέργου ισχύος και την ομαλότερη σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο. Η διέγερση της γεννήτριας μπορεί να γίνεται είτε ηλεκτρικά, οπότε μιλάμε για επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα και είτε μέσω μόνιμων μαγνητών, οπότε μιλάμε για σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη. Άρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα είτε. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι ανεμογεννήτριες αυτές δεν περιλαμβάνουν κιβώτιο ταχυτήτων, καθώς οδηγούνται κατευθείαν από μια πολυπολική μηχανή μεγάλης διαμέτρου. Στο σχήμα 2.14 έχουμε το διάγραμμα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών με πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας:

61 Σχήμα 2.12 Διάγραμμα ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη και πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας [5] Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών απαιτούν μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος ικανή να προσαρμόζει τη συχνότητα και την τάση της γεννήτριας ώστε να γίνουν κατάλληλες για το δίκτυο [5]. 2.5 Η ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Το πιο κοινό είδος γεννήτριας που χρησιμοποιείται στα αιολικά συστήματα είναι η επαγωγική γεννήτρια. Η επαγωγική γεννήτρια έχει διάφορα πλεονεκτήματα όπως η στιβαρότητα και η απλότητα της, το χαμηλό της κόστος. Το σημαντικότερο της μειονέκτημα είναι ότι ο στάτης χρειάζεται ένα άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επαγωγική γεννήτρια δεν περιλαμβάνει μόνιμους μαγνήτες και δεν έχει εξωτερική διέγερση. Επομένως, πρέπει να λάβει το ρεύμα διέγερσης από μια άλλη πηγή και να καταναλώσει άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να τροφοδοτηθεί από το δίκτυο ή από μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος. Το μαγνητικό πεδίο της γεννήτριας παράγεται μόνο μετά τη σύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο. Στην περίπτωση της διέγερσης με εναλλασσόμενο ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται περιστρέφεται με μια ταχύτητα που καθορίζεται από το αριθμό των πόλων και τη συχνότητα του ρεύματος. Έτσι εάν ο δρομέας περιστρέφεται με ταχύτητα που υπερβαίνει τη σύγχρονη παράγεται ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ του δρομέα και του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη που δημιουργεί ένα ρεύμα στο τύλιγμα του δρομέα. Η αλληλεπίδραση των μαγνητικών πεδίων του στάτη και του δρομέα δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή που στρέφει το δρομέα. Η επαγωγική γεννήτρια ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα διακρίνεται σε βραχυκυκλωμένου κλωβού και σε δακτυλιοφόρου δρομέα [5]

62 2.5.1 Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού Μέχρι τώρα, η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού κυριαρχεί ως επιλογή λόγω της απλότητας της σα μηχανή, της υψηλής απόδοσης της και του χαμηλού κόστους συντήρησης. Η ταχύτητα της γεννήτριας αυτής μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό εξαιτίας των αλλαγών στην ταχύτητα του ανέμου. Για το λόγο αυτό η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας. Έτσι, η γεννήτρια και ο ρότορας συνδέονται μεταξύ τους με ένα κιβώτιο ταχυτήτων, διότι οι βέλτιστες τιμές ταχυτήτων του ρότορα και της γεννήτριας είναι διαφορετικές. Οι ανεμογεννήτριες που κατασκευάζονται με επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι συνήθως εξοπλισμένες με ένα και μια συσκευή για την αντιστάθμιση αέργου ισχύος, καθώς οι γεννήτριες αυτές καταναλώνουν άεργο ισχύ. Οι χαρακτηριστικές ροπής-ταχύτητας των γεννητριών αυτών είναι ιδιαίτερα απότομες και έτσι οι διακυμάνσεις στην αιολική ενέργεια μεταδίδονται απευθείας στο δίκτυο. Αυτά τα φαινόμενα είναι πολύ έντονα κατά τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο όπου το ρεύμα μπορεί να είναι 7-8 φορές πολλαπλάσιο του ονομαστικού ρεύματος. Σε ένα αδύναμο δίκτυο αυτό το υψηλό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει σοβαρές διαταραχές στην τάση. Ως εκ τούτου η σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο πρέπει να γίνει σταδιακά για να περιοριστεί η τιμή του ρεύματος. Κατά την κανονική λειτουργία και τη σύνδεση σε ένα ισχυρό δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι ιδιαίτερα στιβαρή και σταθερή. Η ολίσθηση μεταβάλλεται και συγκεκριμένα αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση του φορτίου. Το κυριότερο πρόβλημα είναι ότι εξαιτίας του ρεύματος μαγνήτισης που παρέχεται από το δίκτυο στο τυλίγματα του στάτη, ο συντελεστής ισχύος είναι σχετικά χαμηλός. Αυτό πρέπει να συσχετιστεί με το γεγονός ότι οι περισσότερες επιχειρήσεις που παρέχουν και διανέμουν την ηλεκτρική ενέργεια, επιβάλλουν χρηματικά πρόστιμα στους καταναλωτές που διατηρούν υψηλό συντελεστή ισχύος. Φυσικά, δεν επιθυμητή εξίσου η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργεια με χαμηλό συντελεστή ισχύος. Προκειμένου να αυξήσουμε το συντελεστή ισχύος έστω και λίγο χρησιμοποιούμε πυκνωτές συνδεδεμένους παράλληλα με τη γεννήτρια. Στις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού υπάρχει μια μοναδική σχέση μεταξύ της αέργου ισχύος, της ενεργού ισχύος, της τάσης στους ακροδέκτες και της ταχύτητας του δρομέα. Αυτό σημαίνει ότι σε ισχυρούς ανέμους η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει περισσότερη ενεργό ισχύ μόνο αν η γεννήτρια απορροφά περισσότερη άεργο ισχύ. Για το είδος των γεννητριών αυτών το ποσό της καταναλισκόμενης αέργου ισχύος είναι μηελέγξιμο γιατί ποικίλλει ανάλογα με τις ανεμολογικές συνθήκες. Εάν δεν

63 υπάρχουν συσκευές αντιστάθμισης της αέργου ισχύος, η άεργο ισχύς πρέπει να λαμβάνεται απευθείας από το δίκτυο. Η άεργος ισχύς που παρέχεται από το δίκτυο προκαλεί επιπρόσθετες απώλειες στη μεταφορά και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να κάνει το δίκτυο ασταθές. Για τη μείωση της κατανάλωσης αέργου ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες πυκνωτών ή ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι τα ηλεκτρικά μεταβατικά φαινόμενα συμβαίνουν κατά τη διάρκεια των διακοπτικών αλλαγών. Στην περίπτωση που οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού δε έχουν συσκευές αντιστάθμισης της αέργου ισχύος, και συμβεί ένα σφάλμα, τότε το δίκτυο μπορεί να οδηγηθεί σε αστάθεια τάσης. Για παράδειγμα, ο ρότορας του ανεμοκινητήρα μπορεί να επιταχυνθεί όταν συμβεί ένα σφάλμα εξαιτίας της ανισορροπίας μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής και της μηχανικής ροπής. Έτσι, όταν εκκαθαριστεί το σφάλμα η γεννήτρια απορροφά ένα μεγάλο ποσό αέργου ισχύος από το δίκτυο, το οποίο οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της τάσης. Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, όσο και στις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας με πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα. Στη δεύτερη περίπτωση η ισχύς μεταβλητής συχνότητας μετατρέπεται σε ισχύ σταθερής συχνότητας χρησιμοποιώντας έναν αμφίδρομο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος πλήρους φορτίου που αποτελείται από έναν ανορθωτή σε σειρά με έναν αντιστροφέα [5] Επαγωγική Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Στην περίπτωση μιας επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα της μπορούν να ρυθμιστούν εξωτερικά, και συνεπώς η τάση. Τα τυλίγματα του δακτυλιοφόρου δρομέα μπορεί να είναι συνδεδεμένα εξωτερικά μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά ισχύος η ισχύς μπορεί να εξαχθεί από το κύκλωμα του δρομέα και το μαγνητικό πεδίο της γεννήτριας μπορεί να παραχθεί είτε από το κύκλωμα του στάτη, είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Επίσης, είναι δυνατή η ανάκτηση ενέργειας από το κύκλωμα του δρομέα και η τροφοδότηση της στην έξοδο του στάτη. Το μειονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα είναι το μεγαλύτερο κόστος και η μικρότερη σθεναρότητα σε σχέση με την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Τα δύο είδη των επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες είναι η επαγωγική γεννήτρια με μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα και η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Ο πρώτος τύπος

64 εφαρμόζεται στις ανεμογεννήτριες περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας και ο δεύτερος τύπος στις ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας με μερικώς ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας [5] Επαγωγική Γεννήτρια με Ηλεκτρονικά Μεταβαλλόμενη Αντίσταση Δρομέα Η επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα εισήχθη από τους Δανούς κατασκευαστές με σκοπό να ελαχιστοποιηθεί το φορτίο των ανεμογεννητριών κατά τη διάρκεια των ριπών ανέμου. Το γεγονός ότι η αντίσταση δρομέα είναι μεταβαλλόμενη επιτρέπει στη γεννήτρια να έχει μεταβαλλόμενη ολίσθηση (στενού εύρους) και να επιλέγει τη βέλτιστη ολίσθηση. Αυτά τα λειτουργικά χαρακτηριστικά οδηγούν σε μικρότερες διακυμάνσεις στη ροπή και στην ισχύ εξόδου. Η μεταβαλλόμενη ολίσθηση είναι ένας πολύ απλός, αξιόπιστος και φθηνός τρόπος ώστε να επιτευχθεί η μείωση των φορτίων σε σχέση με τις πιο περίπλοκες λύσεις των ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας. Οι επαγωγικές γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα είναι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού που έχουν μια εξωτερική ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα τοποθετημένη στα τυλίγματα του δρομέα. Η ολίσθηση της γεννήτριας ρυθμίζεται μέσω μεταβολών στην αντίσταση του δρομέα που αναλαμβάνει ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος εγκατεστημένος στον άξονα του δρομέα. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος ελέγχεται οπτικά που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη για δακτυλίους ολίσθησης και τέλος ο δρομέας της γεννήτριας είναι απευθείας συνδεδεμένος με το δίκτυο. Τα πλεονεκτήματα του τύπου αυτών των γεννητριών είναι η απλή κυκλωματική τοπολογία, η μη αναγκαιότητα της χρήσης δακτυλίων ολίσθησης και το βελτιωμένο εύρος ταχυτήτων λειτουργίας σε σχέση με τις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού. Η χρήση των γεννητριών αυτών στα αιολικά συστήματα είναι δυνατόν να μειώσει τα μηχανικά φορτία και τις διακυμάνσεις ισχύος που προκαλούνται από τις ριπές ανέμου. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι αναγκαία η χρήση μιας συσκευής αντιστάθμισης της αέργου ισχύος. Επίσης, το εύρος των ταχυτήτων λειτουργίας περιορίζεται στο διάστημα 0-10% διότι εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβαλλόμενης αντίστασης του δρομέα. Τέλος, δεν επιτυγχάνεται καλός έλεγχος της ενεργού και της αέργου ισχύος και η ισχύς ολίσθησης μετατρέπεται μέσω της μεταβαλλόμενης αντίστασης σε θερμικές απώλειες [5]

65 Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Η εκδοχή της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι μια πολύ δημοφιλής και ενδιαφέρουσα επιλογή στα συστήματα ανεμογεννητριών. Ουσιαστικά, αποτελείται από μια επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα της οποίας τα τυλίγματα του στάτη συνδέονται απευθείας με το τριφασικό δίκτυο σταθερής συχνότητας και τα τυλίγματα του δρομέα έχουν ένα αμφίδρομο μετατροπέα πηγής τάσης σε τοπολογία back-to-back με τρανζίστορ IGBT. Ο όρος ''διπλής τροφοδοσίας'' αναφέρεται στο γεγονός ότι η τάση του στάτη παρέχεται από το δίκτυο και η τάση στο δρομέα λαμβάνεται από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Η ανεμογεννήτρια αυτή έχει δυνατότητα λειτουργίας σε μεταβλητές ταχύτητες ενός μεγάλου αλλά περιορισμένου εύρους ρύθμισης. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος αντισταθμίζει τη διαφορά ανάμεσα στη μηχανική και την ηλεκτρική συχνότητα εκχέοντας ένα ρεύμα μεταβλητής συχνότητας στο δρομέα. Τόσο κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας όσο και κατά τη διάρκεια σφαλμάτων η συμπεριφορά της γεννήτριας ρυθμίζεται από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος και τους ελεγκτές του. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας αποτελείται από δύο μετατροπείς, το μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα και το μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου, που ελέγχονται ανεξάρτητα από τον άλλον. Η βασική αρχή λειτουργίας είναι ότι ο μετατροπέας από την πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και την άεργο ισχύ ελέγχοντας τα στοιχεία του ρεύματος του δρομέα, ενώ ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου ελέγχει τη συνδετική συνεχή τάση και εξασφαλίζει τη λειτουργία του μετατροπέα με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος που σημαίνει μηδενική άεργο ισχύ. Ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας του η ισχύς τροφοδοτείται είτε μέσα είτε έξω από το δρομέα. Συγκεκριμένα. στην υπερσύγχρονη κατάσταση η ισχύς ρέει από το δρομέα μέσω του μετατροπέα στο δίκτυο, ενώ στην υποσύγχρονη κατάσταση ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και στις δύο καταστάσεις λειτουργίας της ανεμογεννήτριας ο δρομέας τροφοδοτείται με ηλεκτρική ισχύ από το δίκτυο. Τα πλεονεκτήματα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι διάφορα. Καταρχάς, με τη γεννήτρια αυτή έχουμε τη δυνατότητα να ελέγχουμε την ενεργό και την άεργο ισχύ. Επίσης, το ρεύμα μαγνήτισης δεν είναι απαραίτητο να λαμβάνεται από το δίκτυο, καθώς μπορεί να προέρχεται και από το κύκλωμα του δρομέα. Επιπλέον, είναι ικανή να παράγει άεργο ισχύ που μπορεί να τροφοδοτηθεί στο στάτη μέσω του μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου. Ωστόσο, ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου λειτουργεί με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος χωρίς να εμπλέκεται στην

66 ανταλλαγή ισχύος ανάμεσα στη γεννήτρια και το δίκτυο. Κατά τη σύνδεση με ένα αδύναμο δίκτυο, όπου η τάση μπορεί να παρουσιάζει διακυμάνσεις, η γεννήτρια αυτή μπορεί να χρειαστεί να παράγει ή να απορροφήσει άεργο ισχύ με σκοπό τον έλεγχο της τάσης. Το μέγεθος του μετατροπέα δε σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας, αλλά με το επιλόγεμενο εύρος ταχυτήτων και συνεπώς με την ισχύ ολίσθησης. Έτσι, το κόστος του μετατροπέα αυξάνεται όταν το εύρος ταχυτήτων γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα γίνεται όλο και μεγαλύτερο. Συνεπώς, η επιλογή του εύρους ταχυτήτων βασίζεται στην ελαχιστοποίηση του κόστους επενδύσεων και στη μεγιστοποίηση του συντελεστή απόδοσης. Τέλος, ένα μειονέκτημα της γεννήτριας αυτής είναι η αναπόφευκτη ανάγκη για δακτυλίους ολίσθησης [5]. 2.6 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πιο ακριβή σε κόστος και πιο περίπλοκη στην κατασκευή από μια επαγωγική γεννήτρια παρόμοιου μεγέθους. Παρόλα αυτά, η σύγχρονη γεννήτρια πλεονεκτεί έναντι της επαγωγική στο ότι δεν χρειάζεται άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Το μαγνητικό πεδίο των σύγχρονων γεννητριών μπορεί να δημιουργηθεί είτε από μόνιμους μαγνήτες είτε.αν η σύγχρονη γεννήτρια διαθέτει έναν κατάλληλο αριθμό πόλων (πολυπολική γεννήτρια) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές απευθείας οδήγησης χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Η σύγχρονη μηχανή ίσως είναι η πιο κατάλληλη στον πλήρη έλεγχο της ισχύος διότι είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος έχει δύο βασικούς στόχους. Ο πρώτος του στόχος είναι η εξομάλυνση των διακυμάνσεων ισχύος που προκαλούνται από ριπές ανέμου και η εκκαθάριση μεταβατικών ρευμάτων που έρχονται από την πλευρά του δικτύου. Ο δεύτερος στόχος είναι ο έλεγχος της μαγνήτισης και η αποφυγή προβλημάτων παραμένοντας συγχρονισμένη με τη συχνότητα του δικτύου. Η εφαρμογή της σύγχρονης γεννήτριας στα αιολικά συστήματα επιτρέπει τη λειτουργία τους με μεταβλητή ταχύτητα. Στην κατασκευή ανεμογεννητριών έχουν χρησιμοποιούνται συχνά δύο κλασσικοί τύποι σύγχρονων γεννητριών, η σύγχρονη γεννήτρια και η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη [5] Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα είναι η βασική μηχανή που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ηλεκτρικής ισχύος. Τα τυλίγματα του στάτη της γεννήτριας αυτής είναι συνδεδεμένα απευθείας με το δίκτυο και κατά

67 συνέπεια η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της καθορίζεται αυστηρά από τη συχνότητα του δικτύου. Η διέγερση των τυλιγμάτων του δρομέα γίνεται με συνεχές ρεύμα χρησιμοποιώντας δακτυλίους ολίσθησης και ψήκτρες ή με περιστρεφόμενο ανορθωτή. Σε αντίθεση με την επαγωγική γεννήτρια δεν χρειάζεται κανένα επιπρόσθετο σύστημα αντιστάθμισης αέργου ισχύος. Τα τυλίγματα του δρομέα, στα οποία εισέρχεται το συνεχές ρεύμα, δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο, το οποίο περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του περιστρεφόμενου πεδίου και από τον αριθμό των ζευγών πόλων του δρομέα. Οι κατασκευαστές ανεμογεννητριών χρησιμοποίησαν μια σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα στα αιολικά συστήματα μεταβλητών στροφών μεταβλητής ταχύτητας με πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα συχνότητας. Συγκεκριμένα, η γεννήτρια ήταν πολυπολική και χαμηλής ταχύτητας και δε χρειαζόταν κιβώτιο ταχυτήτων. Όμως, το κόστος για τη λειτουργία χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων ήταν η χρήση μιας μεγάλου μεγέθους και βάρους γεννήτρια με έναν πλήρως ελεγχόμενο ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα ελέγχει τη συνολική ισχύ του συστήματος. Επίσης, έχουν κατασκευαστεί και ανεμογεννήτριες με χρήση τετραπολικής γεννήτριας και κιβωτίου ταχυτήτων [5] Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη Ο πιο σημαντικός λόγος για τη χρήση σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη στις ανεμογεννήτριες είναι η χαρακτηριστική ιδιότητα που έχει για αυτοδιέγερση, πράγμα που επιτρέπει τη λειτουργία με μεγάλο βαθμό απόδοσης και σε υψηλό συντελεστή ισχύος. Η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από την επαγωγική μηχανή, διότι η διέγερση πραγματοποιείται χωρίς εξωτερική παροχή ενέργειας. Επιπρόσθετα, η διέγερση των μόνιμων μαγνητών απαιτεί έναν πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα ισχύος προκειμένου να ρυθμίζει την τάση και τη συχνότητα. Παρόλα αυτά, το όφελος είναι ότι η ισχύς μπορεί να παραχθεί με οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής του δρομέα, η οποία θα είναι κατάλληλη για τις εκάστοτε συνθήκες. Ο στάτης της γεννήτριας αυτής φέρει δακτυλίους ενώ ο δρομέας είναι εφοδιασμένος με ένα σύστημα μόνιμων μαγνητών και ανάλογα με τη μορφή του διαχωρίζεται σε έκτυπων πόλων και κυλινδρικό. Οι έκτυποι πόλοι είναι πιο κοινοί στις μηχανές χαμηλής ταχύτητας και είναι οι ιδανικότεροι για την εφαρμογή στις μηχανές των ανεμογεννητριών. Να αναφερθεί ότι οι τυπικές σύγχρονες μηχανές χαμηλής ταχύτητας είναι εκτύπων πόλων και πολυπολικές [5]

68 2.7 ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν το ηλεκτρική ενέργεια από μια μορφή σε μια άλλη, όπως από εναλλασσόμενο σε συνεχές, από συνεχές σε εναλλασσόμενο, από μια τάση σε μια άλλη και από μια συχνότητα σε μια άλλη. Χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά στα αιολικά συστήματα καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται και το κόστος ελαττώνεται. Για παράδειγμα μετατροπείς χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών, στους εκκινητές των γεννητριών και στα απομονωμένα δίκτυα. Ακολούθως παρουσιάζονται κάποιες βασικές διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που εφαρμόζονται στην τεχνολογία των ανεμογεννητριών. Οι μετατροπείς ισχύος είναι ηλεκτρονικές συσκευές και αποτελούνται από ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, το οποίο ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τους ηλεκτρονικούς διακόπτες. Ορισμένα από τα βασικά ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς είναι οι δίοδοι ισχύος, το θυρίστορ, το GTO-θυρίστορ και τα τρανζίστορ ισχύος. Οι δίοδοι ισχύος λειτουργούν σα βαλβίδες που επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος μόνο προς μια φορά. Τα θυρίστορ είναι στην ουσία δίοδοι που μπορούν να ενεργοποιηθούν από έναν εξωτερικό παλμό στην πύλη, αλλά απενεργοποιούνται μόνο από μια ανάστροφη τάση στα άκρα τους. Τα GTOθυρίστορ είναι θυρίστορ που μπορούν να απενεργοποιηθούν όπως Τα τρανζίστορ απαιτούν μια συνεχόμενη εφαρμογή του σήματος στην πύλη τους προκειμένου να παραμένουν ενεργοποιημένα. Ο όρος τρανζίστορ ισχύος αναφέρεται κυρίως σε δύο τύπους τρανζίστορ, το MOSFET ισχύος και το IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Σήμερα παρατηρείται μια συνεχώς αυξανόμενη χρήση των IGBT στα ηλεκτρονικά ισχύος [5] Ανορθωτές Οι ανορθωτές είναι ηλεκτρονικές συσκευές που μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές. Στα αιολικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τμήμα του μετατροπέα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών και στη φόρτιση των μπαταριών των ανεμογεννητριών. Ένας απλός ανορθωτής χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα με γέφυρα διόδων που μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε διακυμάνσεις συνεχούς ρεύματος. Η είσοδος του κυκλώματος του ανορθωτή είναι τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα και η έξοδος του συνεχές ρεύμα. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι χρήσιμο να μπορούμε να μεταβάλλουμε την τάση εξόδου του ανορθωτή. Αυτό μπορεί να γίνει με έναν ελεγχόμενο ανορθωτή. Όταν χρησιμοποιούμε θυρίστορ τότε αυτό παραμένει σβηστό για ένα κλάσμα του κύκλου που αντιστοιχεί στη γωνία εναύσεως α και μετά ανάβει. Η μέση τιμή της τάσης εξόδου από το θυρίστορ μειώνεται κατά το συνημίτονο της γωνίας εναύσεως α [5]

69 2.7.2 Αντιστροφείς Για να μετατρέψουμε το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο χρησιμοποιούμε τους αντιστροφείς. Στα αιολικά συστήματα η συνεχής τάση μπορεί να προέρχεται από ανόρθωση εναλλασσομένου που παράγει μια ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών ή από μια μπαταρία της. Οι σημερινοί αντιστροφείς είναι ηλεκτρονικοί και κυκλωματικά αποτελούνται από ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία και ένα κύκλωμα ελέγχου που συντονίζει τη μεταγωγή τους. Οι αντιστροφείς διαχωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες, τους αντιστροφείς πηγής τάσης και τους αντιστροφείς πηγής ρεύματος. Οι αντιστροφείς πηγής τάσης τροφοδοτούνται από μια σταθερή πηγή συνεχούς τάσεως και εφαρμόζονται αρκετά στις ανεμογεννήτριες [5] Μετατροπείς Συχνότητας Ένας παραδοσιακός μετατροπέας συχνότητας αποτελείται από έναν ανορθωτή, έναν αντιστροφέα και έναν πυκνωτή. Από τις διάφορες τοπολογίες που υπάρχουν σήμερα για τους μετατροπείς συχνότητας, έχει αποδειχθεί πως οι διπλοί μετατροπείς ισχύος ac/dc/ac με IGBT στοιχεία, ή τοπολογία back-toback όπως ονομάζεται, έχουν την καλύτερη εφαρμογή στις ανεμογεννήτριες. Ο back-to-back μετατροπέας είναι αμφίδρομος σε σχέση με τη ροή ενέργειας και αποτελείται από δύο συμβατικούς μετατροπείς πηγής τάσης nμε τρανζίστορ IGBT και PWM (Pulse Width Modulation) διαμόρφωση στην παλμοδότηση που συνδέονται μεταξύ τους με dc-διασύνδεση μέσω ενός μεγάλου πυκνωτή. Ο μετατροπέας αυτός αν και εμφανίζει μεγαλύτερες διακοπτικές απώλειες λόγω της υψηλότερης διακοπτικής συχνότητας, αυξάνει πολύ την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου με αποτέλεσμα τη μείωση της επίδραση τους. Η αρχή λειτουργίας του PWM διαμορφωτή στηρίζεται στη σύγκριση ενός τριγωνικού φέροντος σήματος V c υψηλής συχνότητας (5-10 khz) με ένα ημιτονοειδές σήμα αναφοράς V r συχνότητας ίσης με τη συχνότητα της τάσης την οποία θέλουμε στην έξοδο. Όταν η στιγμιαία τάση του V r είναι μεγαλύτερη του V c, η έξοδος του συγκριτή είναι θετικός παλμός, ενώ στην αντίθετη περίπτωση είναι αρνητικός παλμός. Μέσω του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς ελέγχεται το πλάτος και η συχνότητα του σήματος εξόδου. Αυξομειώνοντας το πλάτος του σήματος V r, ρυθμίζεται η διάρκεια των παλμών εξόδου του διαμορφωτή και έτσι ελέγχεται το πλάτος της θεμελιώσης αρμονική της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, ενώ μεταβάλλοντας τη συχνότητα του V r ρυθμίζεται η συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Ο ίδιος μετατροπέας μπορεί να δουλέψει και με την τεχνική του ελέγχου ρεύματος σε βρόχο υστέρησης. Σε αυτόν εφαρμόζεται PWM διαμόρφωση τάσης, αλλά ελέγχεται η κυματομορφή του ρεύματος, ώστε η έξοδος να είναι

70 ένα ημιτονοειδές ρεύμα επιθυμητούς πλάτους και συχνότητες. Η αρχή λειτουργίας της τεχνικής αυτής στηρίζεται στη σύγκριση του στιγμιαίου ρεύματος ανάδρασης κάθε φάσης με το αντίστοιχο ημιτονοειδές σήμα αναφοράς, ώστε η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου να βρίσκεται πάντα μέσα στο εύρος υστέρησης που ορίζεται από το ανώτερο και το κατώτερο όριο σφάλματος. Επειδή ελέγχεται η στιγμιαία τιμή του ρεύματος, η τεχνική ελέγχου PWM ελέγχου ρεύματος σε βρόχο υστέρησης χρησιμοποιείται σε συστήματα οδήγησης βασισμένα σε λογικές διανυσματικού ελέγχου. Σημαντικό είναι να αναφέρουμε τη βασική σχέση που συνδέει την ac με τη dc τάση στις δύο πλευρές του μετατροπέα σε σχέση προς το m, το λόγο του σήματος αναφοράς προς το πλάτος του φέροντος σήματος: V s = m V dc 2 (2.18) όπου V s είναι το πλάτος της ημιτονοειδούς εξόδου και V dc η dc-τάση εξόδου. 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 του 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 στην πλευρά 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 στην πλευρά της γεννήτριας ο έλεγχος εφαρμόζεται με τρόπο που να εξυπηρετεί τις ανάγκες μαγνήτισης και να οδηγεί κάθε φορά στην επιθυμητή ταχύτητα [5] Ηλεκτρονικά Ελεγχόμενος Εκκινητής Ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εκκινητής (soft-starter) είναι μια απλή και φθηνή συσκευή ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιείται στις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας κατά τη διαδικασία σύνδεσης με το δίκτυο. Σκοπός τους είναι να μειώσουν τα μεταβατικά ρεύματα και συνεπώς να εξομαλύνουν τις διαταραχές στο δίκτυο. Το κύκλωμα του περιλαμβάνει από δύο θυρίστορ σε κάθε φάση σε αντιπαράλληλη σύνδεση. Η ομαλή σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο επιτυγχάνεται προσαρμόζοντας τη γωνία εναύσεως των θυρίστορ. Η σχέση με τη γωνία εναύσεως και της ενίσχυσης που θα κάνει ο εκκινητής είναι έντονα γραμμική και εξαρτάται από το συντελεστή ισχύος του συνδεδεμένου στοιχείου. Μετά το μεταβατικό στάδιο, τα θυρίστορ παρακάμπτονται προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες του συστήματος [6]

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ 3.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (Double Fed Induction Generator - DFIG) Μοντέλο Επαγωγικής Μηχανής στο abc Σύστημα Αναφοράς Οι εξισώσεις τάσεων της επαγωγικής μηχανής στην πλευρά του στάτη και στην πλευρά του δρομέα περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις: v as R s 0 0 [ v bs ] = [ 0 R s 0 ] [ v cs 0 0 R s i as i bs λ as λ bs ] + d i dt [ ] (3.1) cs λ cs v ar R r 0 0 [ v br ] = [ 0 R r 0 ] [ v cr 0 0 R r i ar i br λ ar λ br ] + d i dt [ ] (3.2) cr λ cr Τα σύμβολα s και r υποδηλώνουν ποσότητες στάτη και δρομέα αντίστοιχα. Τα σύμβολα α, b και c υποδηλώνουν τις τρεις φάσεις. Οι τάσεις συμβολίζονται με v, τα ρεύματα με i και οι πεπλεγμένες ροές με λ. Η R s είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων στάτη και R r είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων δρομέα, οι οποίες θεωρούνται ίσες για όλα τα φασικά τυλίγματα. Οι πεπλεγμένες ροές συσχετίζονται με τα ρεύματα μέσω των επαγωγών και ισχύουν οι σχέσεις [17]: λ as [ λ bs ] = L s [ λ cs i as i bs i ar i br ] + L m [ ] (3.3) i cs i cr λ ar [ λ br ] = L m [ λ cr i as i bs i ar i br ] + L r [ ] (3.4) i cs i cr

72 3.1.2 Μετασχηματισμός στο Σύστημα των Κάθετων Αξόνων Στη μελέτη των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, συχνά χρησιμοποιούνται μαθηματικοί μετασχηματισμοί προκειμένου να υπάρξει αποσύζευξη των μεταβλητών αλλά και να εξυπηρετηθεί καλύτερα η επίλυση δύσκολων εξισώσεων που έχουν συντελεστές μεταβλητού χρόνου. Πολύ σύνηθες είναι και το γεγονός της χρήσης μετασχηματισμών με σκοπό όλες οι μεταβλητές να αναφέρονται σε κοινό πλαίσιο αναφοράς. Ένας συχνά χρησιμοποιούμενος μετασχηματισμός είναι ο μετασχηματισμός Park, ο οποίος είναι αρκετά χρήσιμος στη μοντελοποίηση των ηλεκτρικών μηχανών. Ο μετασχηματισμός Park 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, με ω κάποια αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t το χρόνο και θ 0 την αρχική γωνία, τότε ο μετασχηματισμός Park συμβολίζεται με T dq0 και μεταφέρει κάποιο σύνολο μεταβλητών από το τριφασικό (abc) σύστημα στο σύστημα κάθετων αξόνων (dq0) σύμφωνα με τη σχέση: x d όπου [x dq0 ] = [ x q ] και [x abc ] = [ x 0 [x dq0 ] = [T dq0 ][x abc ] (3.5) x a x b x c ] είναι οι μετασχηματισμένες και αρχικές μεταβλητές αντίστοιχα. Ο πίνακας μετασχηματισμού T dq0 (θ) ορίζεται ως εξής: cos θ cos (θ 2π 3 ) cos (θ + 2π 3 ) [T dq0 (θ)] = 2 3 [ sin θ sin (θ 2π 3 ) sin (θ + 2π 3 ) ] (3.6) Ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park δίνεται από τη σχέση: [T dq0 (θ)] 1 = cos θ sin θ 1 cos (θ 2π 3 ) sin (θ 2π 3 ) 1 cos [ (θ + 2π 3 ) sin (θ + 2π 3 ) 1 ] (3.7) Παρατηρούμε ότι ο μετασχηματισμός αυτός είναι χρονικά μεταβαλλόμενος με τη γωνιακή ταχύτητα ω. Ο θετικός q-άξονας καθορίζεται να προηγείται του θετικού d-άξονα κατά γωνία π/2. Οι μεταβλητές που μπορούν να

73 χρησιμοποιηθούν κατά τον μετασχηματισμό είναι οι τάσεις, τα ρεύματα και οι πεπλεγμένες ροές της επαγωγικής μηχανής. Τα ρεύματα, οι τάσεις και οι πεπλεγμένες ροές των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων συνήθως εμπλέκονται στον χώρο κατάστασης μέσω διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Οπότε, εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park στα ρεύματα, τις τάσεις και τις πεπλεγμένες ροές μετατρέπουμε τις διαφορικές εξισώσεις στο νέο πλαίσιο αναφοράς. Να σημειωθεί ότι ο μετασχηματισμός Park διατηρεί την ισχύ καθώς έχουμε την παρακάτω εξίσωση που δείχνει ότι η ισχύς παραμένει σταθερή έπειτα από την εφαρμογή του μετασχηματισμού: P(t) = [v abc ] T [i abc ] = 3 2 [v dq0] T [i dq0 ] (3.8) Ο μετασχηματισμός Park συνήθως χρησιμοποιείται σε βρόχους ελέγχου, μιας και προσφέρει τη δυνατότητα αποσυζευγμένου ελέγχου μεταξύ ενεργού και αέργου ισχύος. Σημαντικό ωστόσο είναι να τονιστεί ότι η ενεργός και άεργος ισχύς δεν μπορούν απευθείας να συσχετιστούν με στοιχεία των d-q αξόνων. Συγκεκριμένα, η στιγμιαία ενεργός και άεργος ισχύς μπορούν να εξαχθούν απευθείας από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς [6] Μοντέλο Επαγωγικής Μηχανής στο d q Σύστημα Αναφοράς Οι παρακάτω εξισώσεις αποτελούν τις εξισώσεις τάσεων και πεπλεγμένων ροών της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας στο σύστημα αναφοράς των κάθετων αξόνων. Όλες οι ποσότητες στην πλευρά του δρομέα έχουν εκφραστεί ώστε να αναφέρονται στην πλευρά του στάτη. v sq = R s i sq + ωλ sd + λ sq (3.9) v sd = R s i sd ωλ sq + λ sd (3.10) v rq = R r i rq + (ω ω r )λ rd + λ rq (3.11) v rd = R r i rd (ω ω r )λ rq + λ rd (3.12) λ sq = L s i sq + L m i rq (3.13) λ sd = L s i sd + L m i rd (3.14) λ rq = L r i rq + L m i sq (3.15) λ rd = L r i rd + L m i sd (3.16)

74 Στο παρακάτω σχήμα έχουμε το κυκλωματικό μοντέλο της επαγωγικής μηχανής όπου παρουσιάζονται οι τάσεις και οι ροές: Σχήμα 3.1 Κυκλωματικό μοντέλο της επαγωγικής μηχανής [9] Η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της επαγωγικής μηχανής είναι: T e = 3 p 2 2 L m(i sq i rd i sd i rq ) (3.17) όπου T e η ηλεκτρομαγνητική ροπή και p ο αριθμός των πόλων της μηχανής [9]. Για το μηχανικό μέρος η εξίσωση ροπής της μηχανής είναι: J gen dω r dt = T e T mech βω r (3.18) όπου T mech η μηχανική ροπή στην είσοδος της γεννήτριας, J gen η ροπή αδράνειας στον δρομέα της γεννήτριας και β ο συντελεστής μηχανικών τριβών [6]

75 3.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) Μια ανεμογεννήτρια έχει πολλαπλούς στόχους ελέγχου στους οποίους περιλαμβάνονται η δέσμευση της μέγιστης αιολικής ενέργειας για δεδομένη ταχύτητα ανέμου, ο έλεγχος της ανταλλαγής αέργου ισχύος με το δίκτυο, η ρύθμιση τάσης καθώς και η δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας υπό χαμηλή τάση ή σφάλμα. Επίσης, υπάρχουν και εσωτερικοί στόχοι ελέγχου όπως η ρύθμιση της συνεχούς τάσης διασύνδεσης που αφορά τις ανεμογεννήτριες με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και τις ανεμογεννήτριες με πλήρωςελεγχόμενους μετατροπείς. Στην ενότητα αυτή θα επικεντρωθούμε στον έλεγχο των αιολικών συστημάτων που χρησιμοποιούν επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας το μοντέλο στο d-q πλαίσιο αναφοράς το οποίο παρουσιάστηκε προηγουμένως. Η ανάλυση αυτή επιτρέπει την αποσύζευξη του ελέγχου της πραγματικής ισχύος (ή ροπής) από τον έλεγχο της αέργου ισχύος, δηλαδή οι δύο βασικές ελέγχου στις οποίες επικεντρωνόμαστε. Μέσω του ελέγχου των ρευμάτων που εκχέονται στο μετατροπέα της πλευράς του δρομέα, ελέγχουμε τα ρεύματα στην πλευρά του στάτη και συνεπώς η πραγματική και η άεργος ισχύς μπορούν να ελεγχθούν. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου διευκολύνει την ανταλλαγή ισχύος μέσω του μετατροπέα του δρομέα και παρέχει επίσης επιπρόσθετη υποστήριξη αέργου ισχύος. Η ανεμογεννήτρια με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας περιλαμβάνει δύο PWM μετατροπείς, τον μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα και τον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Ο κεντρικός στόχος του ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα είναι η δέσμευση της μέγιστης δυνατής ισχύος από τον άνεμο σε μια δεδομένη κατάσταση λειτουργίας, δηλαδή για συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή της ανεμογεννήτριας με DFIG ελέγχεται έτσι ώστε ο δρομέας να στρέφεται πάντα με τη βέλτιστη ταχύτητα που προκύπτει από τις χαρακτηριστικές ανίχνευσης της μέγιστης ισχύος. Η ροπή αναφοράς λαμβάνεται από τον βρόχο ελέγχου της ταχύτητας. Ο ελεγκτής του ρεύματος δρομέα του d-άξονα I d διασφαλίζει ότι η ροπή διατηρείται στην τιμή αναφοράς. Στον έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου, η γωνία που απαιτείται για τον d-q μετασχηματισμό στο λαμβάνεται από την τάση του δικτύου χρησιμοποιώντας έναν βρόχο κλειδώματος φάσης (PLL). Η ροπή αναφοράς που λαμβάνεται από τον βρόχο ελέγχου ανίχνευσης μέγιστης ισχύος μπορεί να τροποποιηθεί σε καταστάσεις έκτατης ανάγκης του συστήματος, όπου είναι αναγκαία η παροχή υποστήριξης τάσης στο δίκτυο με χρήση της αποθηκευμένης κινητικής ενέργειας στις ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, τόσο η πραγματική όσο και η άεργος ισχύς στον στάτη μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα μέσω του ελέγχου των ρευμάτων που εκχέονται στον δρομέα. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να παρέχεται ρύθμιση τάσης ή υποστήριξη αέργου ισχύος στο δίκτυο

76 εντός των ονομαστικών μεγεθών του συστήματος. Το ρεύμα δρομέα του q άξονα ελέγχεται με σκοπό να ελεγχθεί η άεργος ισχύς. Σκοπός του ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι η ρύθμιση της τάσης στη dc-διασύνδεση μέσω του ελέγχου της πραγματικής ισχύος. Ο έλεγχος της πραγματικής ισχύος πραγματοποιείται με τον έλεγχο της q- συνιστώσας του ρεύματος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Η τάση ρυθμίζεται με κατάλληλο τρόπο ώστε να μην υπερβαίνει τις μέγιστες επιτρεπτές τάσεις των ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος των PWM μετατροπέων. Η άεργος ισχύς εξόδου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου μπορεί να ελεγχθεί ανεξάρτητα με τον έλεγχο της q-συνιστώσας του ρεύματος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου και παράλληλα μπορεί να εξασφαλιστεί λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Η ροπή αναφοράς ή η αναφορά της ενεργού ισχύος που χρησιμοποιείται στο έλεγχο της ανεμογεννήτριας DFIG λαμβάνεται κυρίως από τον έλεγχο του αεροδυναμικού τμήματος της ανεμογεννήτριας. Σκοπός του αεροδυναμικού ελέγχου είναι η επίτευξη της μέγιστη δέσμευσης ισχύος από τον άνεμο, καθώς ο ανεμοκινητήρα στρέφεται με ταχύτητες εντός του επιτρεπόμενου εύρους ταχυτήτων και η επαγωγική γεννήτρια και οι μετατροπείς της λειτουργούν με ονομαστικά ρεύματα και τάσεις. Όταν η διαθέσιμη αιολική ισχύς γίνει μεγαλύτερη από την ονομαστική ισχύ της γεννήτριας, ενεργοποιείται ο έλεγχος βήματος πτερυγίου ώστε να περιορίσει την ισχύ και την ταχύτητα της ανεμογεννήτριας. Αν η διαθέσιμη αιολική ισχύς γίνει μικρότερη από την ονομαστική, τότε η ενεργός ισχύς ή η ροπή ελέγχονται με τεχνικές που εφαρμόζουν το αλγόριθμο εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Στο σχήμα 3.2 παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα του συνολικού συστήματος ελέγχου ενός αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας

77 Σχήμα 3.2 Δομικό διάγραμμα του συνολικού συστήματος ελέγχου ενός αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας [9] Το αεροδυναμικό μοντέλο βασισμένο στην ταχύτητα του ανέμου και στη γωνιακή ταχύτητα του ρότορα παρουσιάζεται στο σχήμα 3.3 ακολούθως: Σχήμα 3.3 Δομικό διάγραμμα του αεροδυναμικού μοντέλου της ανεμογεννήτριας τύπου DFIG [9]

78 Η μηχανική ισχύς εξόδου εξαρτάται από τον αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C P, ο οποίος είναι συνάρτηση του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου για δεδομένη γωνία βήματος. Η ταχύτητα του ρότορα της ανεμογεννήτριας ρυθμίζεται συνεχώς καθώς αλλάζει η ταχύτητα του ανέμου ώστε να διατηρούνται ο αεροδυναμικός συντελεστής στη βέλτιστη τιμή του και η ισχύ εξόδου στη μέγιστη τιμή της. Η χαρακτηριστική εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος για δεδομένο τύπο ανεμογεννήτριας προκύπτει από το αεροδυναμικό μοντέλο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον αεροδυναμικό έλεγχο. Ένα παράδειγμα μιας χαρακτηριστικής εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος παρουσιάζεται στο σχήμα 3.12 παρακάτω: Σχήμα 3.4 Καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ανεμογεννήτριας τύπου DFIG και χαρακτηριστική ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος [9] Μια ισοδύναμη μέθοδος αεροδυναμικού ελέγχου είναι να βρούμε την ταχύτητα αναφοράς του δρομέα από τη χαρακτηριστική εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος σα συνάρτηση της μετρούμενης ηλεκτρικής ισχύος και να ρυθμίσουμε την ταχύτητα του δρομέα στην ταχύτητα αναφοράς μέσω ενός ελέγχου κλειστού βρόχου. Το διάγραμμα του ελέγχου της ταχύτητας δρομέα παρουσιάζεται στο σχήμα 3.5 παρακάτω. Η έξοδος του ελεγκτή ταχύτητας είναι η ροπή αναφοράς T em, που χρησιμοποιείται για να προκύψει το ρεύμα αναφοράς του δρομέα στον d-άξονα. Για το σκοπό του σχεδιασμού του βρόχου ελέγχου ταχύτητας, η μετρούμενη ροπή T em μπορεί να θεωρηθεί ότι ακολουθεί ιδανικά την T em και για το λόγο αυτό ο ελεγκτής ταχύτητας χρειάζεται μόνο να διορθώσει τη συνάρτηση μεταφοράς

79 Το διάγραμμα ελέγχου της αέργου ισχύος παρουσιάζεται στο σχήμα 3.6 παρακάτω. Η άεργος ισχύς αναφοράς λαμβάνεται από ένα βρόχο ελέγχου τάσης που ρυθμίζει την τάση στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο ή μέσω μιας εντολής διόρθωσης του συντελεστή ισχύος ή μέσω μιας εντολής για υποστήριξη αέργου ισχύος όπως παρουσιάζεται στο σχήμα. Το σφάλμα της αέργου ισχύος χρησιμοποιείται στον έλεγχο του ρεύματος δρομέα του q-άξονα i rq [9]. Σχήμα 3.5 Δομικό διάγραμμα του βρόχου ελέγχου της ενεργού ισχύος [9] Σχήμα 3.6 Δομικό διάγραμμα του βρόχου ελέγχου της αέργου ισχύος [9] Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δρομέα Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα γίνεται στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς με τους d-άξονα και q-άξονα να στρέφονται με τη σύγχρονη ταχύτητα ω s και τον q-άξονα να προηγείται του d-άξονα κατά 90 Τα δυναμικά ισοδύναμα κυκλώματα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας στους δύο κάθετους άξονες παρουσιάζονται στο σχήμα 3.7 και για το επιλεγόμενο πλαίσιο αναφοράς ισχύουν οι σχέσεις:

80 ω d = ω s (3.19) ω da = ω s ω m = ω slip (3.20) Σχήμα 3.7 Δυναμικά ισοδύναμα κυκλώματα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας [9] Για τον σχεδιασμό των ελεγκτών με ανατροφοδότηση του μετατροπέα της πλευράς του δρομέα μιας ανεμογεννήτριας τύπου DFIG είναι πρακτικό να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο μειωμένης τάξης της DFIG. Το μοντέλο μειωμένης τάξης αγνοεί τις αιφνίδιες μεταβολές στις πεπλεγμένες ροές του στάτη και τις θεωρεί σταθερές. Αυτή είναι μια βάσιμη υπόθεση για τον σκοπό του σχεδιασμού των ελεγκτών ροπής και αέργου ισχύος για τον μετατροπέα της πλευράς του δρομέα με σχετικά μικρές διακυμάνσεις στην τάση του δικτύου. Οι εξισώσεις της τάσης του δρομέα, των πεπλεγμένων ροών και της ροπής παραμένουν εκφρασμένες στο μοντέλο μειωμένης τάξης. v sd = R s i sd ω d λ sq (3.21) v sq = R s i sq ω d λ sd (3.22) Κατά την ανάλυση και τον έλεγχο στο d-q πλαίσιο αναφοράς υπάρχει πάντα η επιλογή για ευθυγράμμιση του d-άξονα ή του q-άξονα με ένα κατάλληλο

81 σύγχρονα περιστρεφόμενο διάνυσμα χώρου. Συνήθως, για τον έλεγχο της DFIG χρησιμοποιούνται, είτε ο προσανατολισμός στη ροή του στάτη, είτε ο προσανατολισμός στην τάση του στάτη. Κατά τον έλεγχο με προσανατολισμό στη ροή του στάτη, ο d-άξονας είναι ευθυγραμμισμένος με το διάνυσμα χώρου της ροής του στάτη λ s με αποτέλεσμα να ισχύουν οι σχέσεις λ sq = 0 και λ sd = λ s. Κατά τον έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση του στάτη, ο d- άξονας είναι ευθυγραμμισμένος με το χωρικό διάνυσμα της τάσης του στάτη v s οδηγώντας στις εξισώσεις των σχέσεων από (3.23) έως και (3.26). Ο έλεγχος με προσανατολισμό στην τάση του στάτη πλεονεκτεί στο ότι είναι σχετικά εύκολο να ευθυγραμμιστεί με το διάνυσμα της τάσης στάτη από τις μετρούμενες φασικές τάσεις. Επίσης, ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου συνήθως γίνεται χρησιμοποιώντας προσανατολισμό στην τάση στάτη, καθιστώντας ευκολότερη τη χρήση του ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση στάτη και για τον έλεγχο στην πλευρά του δρομέα. Αφού αμεληθούν οι πτώσεις τάσης στις αντιστάσεις του στάτη, τα δύο είδη προσανατολισμού γίνονται παρόμοια. Και στα δύο είδη προσανατολισμού είναι δυνατόν να γίνει αποσύζευξη του ελέγχου της ενεργού ισχύος (ή της ροπής) και του ελέγχου της αέργου ισχύος. Η ανάλυση και ο σχεδιασμός του ελεγκτή στις παρακάτω ενότητες βασίζεται στον προσανατολισμό στην τάση του στάτη. v sd = 2 3 v s (3.23) v sq = 0 (3.24) Για εξισορροπημένες τάσεις δικτύου, το πλάτος του διανύσματος τάσης του στάτη v s ισούται με 2 3 V an, όπου V an είναι η peak τιμή της φασικής τάσης και συνεπώς η v sd ισούται επίσης με την rms τιμή της πολικής τάσης. Υποθέτοντας ότι η πτώση τάσης στην αντίσταση του στάτη και επαγωγή σκέδασης του στάτη είναι αρκετά μικρές και αμελώντας τις μεταβολές της τάσης στάτη, τότε το διάνυσμα της ροής στάτη λ s μπορεί να θεωρηθεί κατά προσέγγιση ότι καθυστερεί κατά 90 από το διάνυσμα της τάσης στάτη, δηλαδή το ευθυγραμμισμένο διάνυσμα με τον q-άξονα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ισχύουν κατά προσέγγιση οι παρακάτω εκφράσεις, οι οποίες είναι επίσης συμφωνούν με τις προηγούμενες σχέσεις, θεωρώντας πάντα ως αμελητέες τις ωμικές πτώσεις τάσης. λ sd 0 (3.25) λ sq λ s v sd ω s (3.26) Η ηλεκτρομαγνητική ροπή, η ενεργός ισχύς που εγχέεται στο δίκτυο και η άεργος ισχύς του στάτη μπορούν να ρυθμιστούν μέσω του ελέγχου των

82 εγχεόμενων ρευμάτων του δρομέα. Κάνοντας τις προηγούμενες παραδοχές, ο έλεγχος με προσανατολισμό στην τάση στάτη μπορεί να αποδειχθεί ότι παρέχει αποσυζευγμένο έλεγχο μεταξύ ενεργού και αέργου ισχύος. Ειδικότερα, όπως προκύπτει παρακάτω, η ρύθμιση της ενεργού ισχύος γίνεται μέσω του ελέγχου του ρεύματος δρομέα στον d-άξονα i rd και η ρύθμιση της αέργου ισχύος γίνεται μέσω του ελέγχου του ρεύματος δρομέα στον q-άξονα i rq. Χρησιμοποιώντας τις σχέσεις μεταξύ ρευμάτων και πεπλεγμένων ροών, τα ρεύματα στάτη στον d-άξονα και q-άξονα υπολογίζονται ως εξής: i sd = λ sd L s L m L s i rd (3.27) i sq = λ sq L s L m L s i rq (3.28) Η ενεργός ισχύς του στάτη στο d-q πλαίσιο αναφοράς δίνεται από τη σχέση: P s = v sd i sd + v sq i sq (3.29) Εφαρμόζοντας έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση στάτη, όπου ισχύουν v sq = 0 και λ sd = 0 η σχέση για την ενεργό ισχύ απλοποιείται ως εξής: P s = v sd i sd = v sd ( λ sd L s L m L s i rd ) = = L m L s v sd i rd (3.30) Όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση, η ενεργός ισχύς του στάτη ελέγχεται πλήρως από το ρεύμα δρομέα στον d-άξονα και είναι ανεξάρτητη από το ρεύμα δρομέα στον q-άξονα. Η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής στον έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση στάτη χρησιμοποιώντας τις σχέσεις από (3.25) έως και (3.28) απλοποιείται στην σχέση (3.31). Και πάλι, η ηλεκτρομαγνητική ροπή ελέγχεται μέσω του ρεύματος δρομέα στον d-άξονα και είναι ανεξάρτητη από το ρεύμα δρομέα στον q-άξονα. T em = p 2 L m(i sq i rd i sd i rq ) = = p 2 L m [( λ sq L s L m i L rq ) i rd ( λ sd L m i s L s L rd ) i rq ] = s = p 2 1 ω s L m L s v sdird (3.31)

83 Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε τις εκφράσεις για την άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς του στάτη στο d-q πλαίσιο αναφοράς δίνεται από τη σχέση: Q s = v sq i sd v sd i sq (3.32) Εφαρμόζοντας έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση στάτη, όπου ισχύουν v sq = 0 και λ sq = v sd ω s, η σχέση (3.32) απλοποιείται στη σχέση (3.33). Q s = v sd i sq = v sd ( λ sq L s = (v sd) 2 ω s L s L m L s i rq ) = + L m L s v sd i rq (3.33) Και πάλι, όπως φαίνεται από τη σχέση (3.33), η άεργος ισχύς εξαρτάται μόνο από την τάση στάτη στον d-άξονα και το ρεύμα δρομέα στον q-άξονα και είναι ανεξάρτητη από το ρεύμα δρομέα στον d-άξονα. Εφόσον η ηλεκτρομαγνητική ροπή και η άεργος ισχύς του στάτη ρυθμίζονται μέσω του ελέγχου του ρεύματος δρομέα στον d-άξονα και του ρεύματος δρομέα στον q-άξονα αντίστοιχα, τα ρεύματα αναφοράς i rd και i rq που θα εφαρμοστούν στους βρόχους ελέγχου ρεύματος μπορούν να προκύψουν ανεξάρτητα και υπολογίζονται από τις σχέσεις (3.34) και (3.35). Το ρεύμα αναφοράς i rd προκύπτει από τη ροπή αναφοράς T em σε συνδυασμό με τον συμπληρωματικό βρόχο ελέγχου συχνότητας δικτύου που φαίνεται στο σχήμα 3.5 και από τη σχέση (3.31). Το ρεύμα αναφοράς i rq προκύπτει από την άεργο ισχύ αναφοράς του βρόχου ελέγχου της τερματικής τάσης στάτη ή από ένα άμεσο σήμα αναφοράς αέργου ισχύος ή συντελεστή ισχύος που φαίνονται στο σχήμα 3.6 και από τη σχέση (3.33). i rd i rq = 2 p ω s L s 1 T L m v em (3.34) sd = L s 1 Q L m v s v sd (3.35) sd ω s L m Οι βρόχοι ελέγχου ρεύματος στον d-άξονα και στον q-άξονα σχεδιάζονται και υλοποιούνται ανεξάρτητα, και παράγουν τα σήματα αναφοράς των τάσεων δρομέα στον d-άξονα και q-άξονα. Με βάση αυτά τα σήματα αναφοράς, ο PWM μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα παράγει τις τριφασικές τάσεις δρομέα, συνήθως χρησιμοποιώντας χωρικό διάνυσμα PWM. Προκειμένου να σχεδιαστούν οι βρόχοι ελέγχου των ρευμάτων δρομέα, απαιτείται ο υπολογισμός της συνάρτησης μεταφοράς μικρού σήματος, η οποία ορίζεται

84 ως το πηλίκο του ρεύματος δρομέα προς την τάση δρομέα ξεχωριστά για τους δύο άξονες. Από το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 3.7 προκύπτει η έκφραση για την τάση v rd : v rd = R r i rd + d dt (L mi sd + L r i rd ) ω slip (L m i sq + L r i rq ) (3.36) Υποθέτοντας ότι στο μοντέλο μειωμένης τάξης οι μεταβολές της ροής του στάτη είναι αμελητέες καταλήγουμε στις παρακάτω σχέσεις: d dt λ sd = d dt (L si sd + L m i rd ) = 0 (3.37) Συνδυάζοντας τις τρεις παραπάνω σχέσεις έχουμε: d dt i sd = L m d L s dt i rd (3.38) v rd = R r i rd + σl r d dt i rd ω slip (L m i sq + L r i rq ) (3.39) όπου σ = (1 L m 2 L s L r ) Αντικαθιστώντας το i sq από τη σχέση (3.28) στη σχέση (3.39) καταλήγουμε στη σχέση (3.40) που είναι χρήσιμη για τον υπολογισμό της συνάρτησης μεταφοράς του d-άξονα. v rd = R r i rd + σl r d dt i rd ω slip σl r i rq ω slip L m L s λ sq (3.40) Κατά τον υπολογισμό της συνάρτησης μεταφοράς μικρού σήματος θα αμελήσουμε τον τελευταίο όρο της σχέσης (3.40), διότι η πεπλεγμένη ροή λ sq θεωρείται σταθερή και ανεξάρτητη από τις μεταβολές του ρεύματος i rd. Επιπρόσθετα, ο όρος ω slip σl r i rq της σχέσης (3.40) αποτελεί τον κλάδο προσωτροφοδότησης, όπως φαίνεται στο διάγραμμα ελέγχου του σχήματος 3.8 που οδηγεί στη παρακάτω συνάρτηση μεταφοράς: I rd (s) V rd (s) = 1 R r + sσl r (3.41) Παρόμοια με τη σχέση (3.40) προκύπτει η έκφραση για την τάση v rq :

85 v rq = R r i rq + σl r d dt i rq + ω slip σl r i rd + ω slip L m L s λ sd (3.42) Υποθέτοντας ξανά μηδενική διαταραχή στην πεπλεγμένη ροή λ sd και έχοντας ως κλάδο ανατροφοδότησης τον όρο ω slip σl r i rd, προκύπτει η συνάρτηση μεταφοράς στον βρόχο ελέγχου του q-άξονα: I rq (s) V rq (s) = 1 R r + sσl r (3.43) Ένας αναλογικο ολοκληρωτικός ελεγκτής (PI-controller) μπορεί να σχεδιαστεί για καθένα από τους δύο βρόχους ελέγχου με σκοπό να ρυθμίσει τις απλές συναρτήσεις μεταφοράς για δεδομένο εύρος ζώνης και περιθώριο φάσης. Εφόσον οι συναρτήσεις μεταφοράς των δύο βρόχων ελέγχου είναι παρόμοιες, οι ελεγκτές που θα σχεδιαστούν θα είναι και αυτοί παρόμοιοι [9]. Σχήμα 3.8 Δομικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα [9]

86 3.2.2 Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου Ο βασικός ρόλος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι να παρέχει μια διαδρομή για την ανταλλαγή ενεργού ισχύος και προς τη θετική και προς την αρνητική κατεύθυνση μεταξύ του μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα και του δικτύου. Ο μετατροπέας πραγματοποιεί αυτό το έργο ρυθμίζοντας την τάση της dc-διασύνδεσης. Κατά τη λειτουργία στην υποσύγχρονη κατάσταση όπου ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα απορροφά ισχύ από την dcδιασύνδεση, ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου τραβά ισχύ από το δίκτυο και την διοχετεύει στην dc-διασύνδεση. Κατά τη λειτουργία στην υπερσύγχρονη κατάσταση ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου αντιστρέφει τη διεύθυνση ισχύος και διοχετεύει ισχύ από τον μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα προς το δίκτυο. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας το συνεχές ρεύμα που τραβάει ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ισούται με το συνεχές ρεύμα που εκχέει ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα. Η άεργος ισχύς του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου μπορεί να ελεγχθεί ανεξάρτητα από την ανταλλασσόμενη ενεργό ισχύ. Λόγω της ύπαρξης της dcδιασύνδεσης μεταξύ των δύο μετατροπέων, η άεργος ισχύς που ρέει στον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι ανεξάρτητη από την άεργο ισχύ που ρέει στον μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα. Αυτή η δυνατότητα χρησιμοποιείται για την παροχή επιπρόσθετης υποστήριξης αέργου ισχύος στο δίκτυο εντός των ορίων λειτουργίας του μετατροπέα, με παρόμοιο τρόπο όπως ένας σύγχρονος στατικός αντισταθμιστής (STATCOM), ακόμη και όταν η ανεμογεννήτρια δεν περιστρέφεται. Το διάγραμμα του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου που αλληλεπιδρά με την dc-διασύνδεση και το τριφασικό δίκτυο και που περιλαμβάνει και ένα επαγωγικό φίλτρο L g σε σειρά με μια αντίσταση τυλίγματος R g παρουσιάζεται στο σχήμα 3.9 παρακάτω. Παρόμοια με τον μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα, ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου γίνεται επίσης εύκολα στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς που είναι ευθυγραμμισμένο με το διάνυσμα χώρου της τάσης δικτύου. Ο έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος είναι αποσυζευγμένοι όταν εφαρμόζεται έλεγχος με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου. Προκειμένου να σχηματίσουμε τις εξισώσεις στο στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς, ορίζουμε το διάνυσμα της τάσης του δικτύου e, το διάνυσμα της φασικής τάσης (του μετατροπέα) v και το διάνυσμα του φασικού ρεύματος (του μετατροπέα) i στην παρακάτω σχέση: e an e = [ e bn ] v = [ e cn v an v bn i a ib ] i = [ ] (3.44) v cn ic

87 Σχήμα 3.9 Τοπολογία του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου [9] Να σημειώσουμε ότι η μέση τιμή κάθε πολικής τάσης εξόδου περιέχει μια dcσυνιστώσα V dc 2 και μια ελεγχόμενη ac-συνιστώσα στη συχνότητα δικτύου. Το διάνυσμα τάσης v αναπαριστά την ac-συνιστώσα για καθεμιά πολική τάση. Η τάση ουδετέρου ως προς το σημείο N με δυναμικό μηδέν υπό συνθήκες ισορροπίας ισούται με v nn = V dc 2. Ακολούθως θα χρησιμοποιήσουμε τον πίνακα μετασχηματισμού T για τη μετατροπή των abc ποσοτήτων στο d-q σύστημα: [ x d x ] = 2 x a q 3 T [ x b ] (3.45) x c Τα διανύσματα τάσεων και το διάνυσμα ρεύματος στο d-q πλαίσιο είναι: e dq = [ e d eq ] v dq = [ v d v q ] i dq = [ i d iq ] (3.46) Με απλό τρόπο μπορούμε να ρυθμίσουμε την ενεργό ισχύ P g μέσω του ελέγχου του ρεύματος i d και να ρυθμίσουμε την άεργο ισχύ Q g μέσω του ελέγχου του ρεύματος i q με τους δύο βρόχους ελέγχου να είναι αποσυζευγμένοι μεταξύ τους. Θα εφαρμόσουμε έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση στάτη, όπου ισχύουν e q = 0 και e d = 3 2 E an. Επομένως, καταλήγουμε στις σχέσεις για την ενεργό και άεργο ισχύ: P g = e d i d + e q i q = e d i d (3.47) Q g = e q i d e d i q = e d i q (3.48)

88 Το σήμα αναφοράς που θα εφαρμοστεί στον βρόχο ελέγχου της ενεργού ισχύος θα προέλθει από τον ελεγκτή τάσης της dc-διασύνδεσης. Το σήμα αναφοράς που θα χρησιμοποιηθεί στον βρόχο ελέγχου της αέργου ισχύος θα δοθεί από εντολή αέργου ισχύος ή εντολή συντελεστή ισχύος. Τα d-q ρεύματα αναφοράς του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου μπορούν να προκύψουν από τις σχέσεις (3.47) και (3.48). Η συνάρτηση μεταφοράς, που ορίζεται ως το πηλίκο των τάσεων στο d-q σύστημα προς τα αντίστοιχα απαιτούμενα ρεύματα για τον σχεδιασμό των βρόχων ελέγχου, υπολογίζεται παρακάτω. Τα ρεύματα των βρόχων ελέγχου ρεύματος παράγουν τα διανύσματα των τάσεων αναφοράς που χρειάζεται η τεχνική PWM του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Από το σχήμα 3.9 παρατηρούμε ότι ισχύει η σχέση: e = L g d dt i + R gi + v (3.49) Πολλαπλασιάζοντας και τα δύο μέρη της (3.49) με τη μήτρα Park Τ έχουμε: Te = L g T d dt i + R gti + Tv (3.50) T d dt i = d dt [Ti dq] [ d dt T] i = d dt i ω s [ i q i d ] (3.51) Από τις σχέσεις (3.50) και (3.51) προκύπτει: e dq = L g d dt i dq ω s L g [ i q i d ] + R g i dq + v dq (3.52) Ξαναγράφοντας τη σχέση ξεχωριστά για τον κάθε άξονα έχουμε: L g d dt i d = e d R g i d v d + ω s L g i q (3.53) L g d dt i q = e q R g i q v q ω s L g i d = R g i q v q ω s L g i d (3.54) Παρόμοια με τη μέθοδο που εφαρμόστηκε στο έλεγχο των ρευμάτων του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου, οι όροι ω s L g i q και ω s L g i d παίζουν τον ρόλο της πρόσωτροφοδότησης όπως φαίνεται στο διάγραμμα ελέγχου του σχήματος 3.10 ακολούθως. Έτσι, οδηγούμαστε σε μια απλή εξίσωση πρώτης τάξης για τις συναρτήσεις μεταφοράς που ορίζονται ως πηλίκα των τάσεων μετατροπέα προς τα ρευμάτων γραμμών, αγνοώντας τις μεταβολές της τάσης δικτύου. Έχουμε λοιπόν για κάθε άξονα ξεχωριστά:

89 i d (s) v d (s) = 1 (3.55) R g + sl g i q (s) v q (s) = 1 (3.56) R g + sl g Σχήμα 3.10 Δομικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου [9] Ένας απλός τρόπος για να ρυθμίσουμε την τάση στην dc-διασύνδεση σε εφαρμογές DFIG που οδηγούν σε γραμμικά μοντέλα είναι να ελέγξουμε το τετράγωνο της dc-τάσης. Για να σχεδιάσουμε τον ελεγκτή της dc τάσης θα θεωρήσουμε σταθερή την ενεργό ισχύ P RSC που ρέει από τον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου προς την dc-διασύνδεση. Το παρακάτω κύκλωμα δείχνει την ενεργό ισχύ P RSC που ρέει από τον μετατροπέα στην πλευρά του δρομέα και την ενεργό ισχύ P g που ρέει προς τον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου

90 Σχήμα 3.11 Κύκλωματικό ισοζύγιο ενεργού ισχύος στην dc-διασύνδεση [9] Αν βασιστούμε στην ενέργεια που αποθηκεύεται στον πυκνωτή της dcδιασύνδεσης θα πάρουμε τη σχέση: 1 2 C d dc dt (V dc 2 ) = P RSC P g (3.57) Αν διαχειριστούμε την V 2 dc ως μεταβλητή ελέγχου και θεωρήσουμε μηδενική διαταραχή στην P RSC, τότε το μοντέλο μικρού σήματος προκύπτει με μετασχηματισμό της παραπάνω σχέσης στο πεδίο συχνότητας. Τελικά καταλήγουμε στη συνάρτηση μεταφοράς της σχέση (3.58), που είναι δυνατόν να ρυθμιστεί μέσω ενός αναλογικού ή αναλογικο ολοκληρωτικού ελεγκτή (Pcontroller ή PI-controller). V 2 dc (s) P g (s) = 2 (3.58) sc dc Στην τεχνική ελέγχου που εφαρμόζεται στη ρύθμιση της τάσης V dc το τετράγωνο της μετρούμενης τάσης συγκρίνεται με την τάση αναφοράς ώστε να προκύψει η ενεργός ισχύς αναφοράς P g και το ρεύμα αναφοράς i d = = P g e d [9]. Παρακάτω έχουμε το δομικό διάγραμμα του ελεγκτή της τάσης στην dc-διασύνδεση: Σχήμα 3.12 Δομικό διάγραμμα του βρόχου ελέγχου της τάσης στην dcδιασύνδεση [9]

91 3.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) Οι σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη παίζουν σημαντικό ρόλο στα άμεσα οδηγούμενα αιολικά συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μια αυστηρά μαθηματική μοντελοποίηση της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τον σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου και τη ανάλυση των δυναμικών χαρακτηριστικών των ανεμογεννητριών τύπου PMSG. Σε αυτή την υποενότητα θα παρουσιαστεί το μαθηματικό μοντέλο της PMSG στο τριφασικό abc πλαίσιο αναφοράς και θα αναπτυχθεί το μοντέλο στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς όπου θα περιλαμβάνονται και οι εξισώσεις ροπής και ισχύος. Προτού αναπτύξουμε το μαθηματικό μοντέλο της PMSG πρέπει να κάνουμε αρκετές σημαντικές υποθέσεις. Στη συγκεκριμένη ανάλυση θα θεωρήσουμε ότι οι ταλαντώσεις στους μαγνήτες και στο δρομέα αγνοούνται, ότι η επίδραση του φαινομένου του μαγνητικού κορεσμού αμελείται, και ότι τα δινορρεύματα και οι απώλειες υστέρησης αμελούνται, Επίσης, θα υποθέσουμε ότι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που παράγεται στα τυλίγματα του στάτη είναι ημιτονοειδής συνάρτηση. Τέλος, για λόγους απλούστευσης όλες οι εξισώσεις της PMSG θα εκφραστούν με τη συμβατική φορά κινητήρα, το οποίο σημαίνει ότι ρεύματα με αρνητική φορά θα παραπέμπουν σε μοντέλο γεννήτριας. Το ρεύμα με αρνητική φορά σημαίνει ότι εξέρχεται από το θετικό πρόσημο της πολικότητας της τερματικής τάσης μιας συσκευής. Σχήμα 3.13 Εγκάρσια τομή σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη [10]

92 Η παραπάνω εικόνα δείχνει την εγκάρσια τομή μιας τριφασικής διπολικής σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Οι σταθεροί abc άξονες υποδηλώνουν την κατεύθυνση των μαγνητεγερτικών δυνάμεων των φασικών τυλιγμάτων, οι οποίες προκαλούνται από τα τριφασικά εναλλασσόμενα ρεύματα που εκχέονται στα φασικά τυλίγματα του στάτη. Η πεπλεγμένη ροή που παράγεται από τον μόνιμο μαγνήτη στην διεύθυνση του d-άξονα είναι σταθερή στον δρομέα. Εδώ, οι d-q άξονες περιστρέφονται με την ίδια γωνιακή ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου των μόνιμων μαγνητών και του δρομέα. Η γωνία θ r παριστάνει τη γωνία μεταξύ του d-άξονα και του σταθερού α-άξονα Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη στο abc Σύστημα Αναφοράς Οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης που συσχετίζουν τις τερματικές τάσεις της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με τα ρεύματα των φάσεων και τις πεπλεγμένες ροές που προκαλούνται από τους μόνιμους μαγνήτες και τα ρεύματα στάτη μπορούν να γραφτούν ως εξής: v as R s 0 0 [ v bs ] = [ 0 R s 0 ] [ v cs 0 0 R s i as i bs λ as λ bs ] + d i dt [ ] (3.59) cs λ cs όπου v as, v bs και v cs είναι οι στιγμιαίες τριφασικές τάσεις του στάτη, i as, i bs και i cs είναι τα στιγμιαία τριφασικά ρεύματα του στάτη, R s είναι η αντίσταση τυλιγμάτων του στάτη ανά φάση και τέλος λ as, λ bs και λ cs είναι οι στιγμιαίες πεπλεγμένες ροές που προκαλούνται από τα τριφασικά εναλλασσόμενα ρεύματα και τους μόνιμους μαγνήτες. Οι πεπλεγμένες ροές μπορούν να εκφραστούν σε εκτεταμένη μορφή ως εξής: λ as L aa L ab L ac [ λ bs ] = [ L ba L bb L bc ] [ λ cs L ca L cb L cc i as i bs i cs ] + λ r cos(θ r ) λ r cos (θ r 2π 3 ) λ [ r cos (θ r + 2π 3 ) ] (3.60) όπου L aa, L bb και L cc είναι οι αυτεπαγωγές των τριών φάσεων και L ab, L ac, L ba, L bc, L ca και L cb είναι οι αμοιβαίες επαγωγές μεταξύ των τριών φάσεων, ενώ λ r είναι η πεπλεγμένη ροή του δρομέα που προκαλείται από τον μόνιμο μαγνήτη. Οι αυτεπαγωγές και οι αμοιβαίες επαγωγές είναι όλες συναρτήσεις της γωνίας θ r, οπότε είναι χρονικά μεταβαλλόμενες παράμετροι

93 3.3.2 Μετασχηματισμός Park Ο μετασχηματισμός Park είναι ένας μαθηματικός μετασχηματισμός που έχει σκοπό να απλοποιήσει την ανάλυση των μοντέλων των σύγχρονων μηχανών. Στα τριφασικά συστήματα των σύγχρονων μηχανών οι φασικές ποσότητες, που περιλαμβάνουν τις τάσεις και τα ρεύματα του στάτη και τις πεπλεγμένες ροές είναι χρονικά μεταβαλλόμενες ποσότητες. Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park, που είναι ουσιαστικά η προβολή των φασικών ποσοτήτων πάνω στο στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς των δύο κάθετων αξόνων, επιτυγχάνουμε μετατροπή των χρονικά μεταβαλλόμενων ποσοτήτων σε συνεχείς, δηλαδή σταθερές ως προς τον χρόνο ποσότητες. Ο πίνακας μετασχηματισμού από το abc στο dq0 πλαίσιο αναφοράς είναι: u d [ u q ] = 2 3 u 0 [ cos(θ r ) cos (θ r 2π 3 ) cos (θ r + 2π 3 ) sin(θ r ) sin (θ r 2π 3 ) sin (θ r + 2π 3 ) ] u a [ u b ] (3.61) u c Ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park γίνεται με τον παρακάτω πίνακα: u a [ u b ] = 2 u 3 c 2 cos(θ r ) sin(θ r ) 2 cos (θ r 2π 3 ) sin (θ r 2π 3 ) 2 2 cos [ (θ r + 2π 3 ) sin (θ r + 2π 3 ) 2 2 ] u d [ u q ] (3.62) u 0 Στις παραπάνω εξισώσεις τα διανύσματα u abc και u dq0 μπορούν να αντιπροσωπεύουν τις τάσεις ή τα ρεύματα του στάτη ή τις πεπλεγμένες ροές των PMSG, αντίστοιχα Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη στο d-q Σύστημα Αναφοράς Λαμβάνοντας υπόψη ότι σε συνθήκες ισορροπίας ισχύει u 0 = 0, οι εξισώσεις τάσεων της PMSG στο d-q πλαίσιο αναφοράς μπορούν να εκφραστούν ως εξής: v ds = R s i ds + L d di ds dt ω el q i qs (3.63)

94 v qs = R s i qs + L q di qs dt + ω el d i ds + ω e λ r (3.64) όπου v ds και v qs είναι οι τάσεις του στάτη εκφρασμένες στο d-q πλαίσιο αναφοράς, ενώ i ds και i qs είναι τα ρεύματα του στάτη εκφρασμένα στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Εδώ, L d και L q είναι οι επαγωγές στον d-q άξονες αντίστοιχα, ω e είναι η ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα του δρομέα και λ r είναι η μέγιστη φασική πεπλεγμένη ροή λόγω των τοποθετημένων στο δρομέα της μηχανής μόνιμων μαγνητών. Επομένως, από τις παραπάνω σχέσεις μπορούμε να καταλήξουμε στα ισοδύναμα κυκλώματα της PMSG στο d-q πλαίσιο αναφοράς που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.14 Δυναμικά ισοδύναμα κυκλώματα της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη [10] Για κάθε σύγχρονη μηχανή ισχύει η παρακάτω εξίσωση ηλεκτρικής ισχύος στο abc πλαίσιο αναφοράς: P abc = v as i as + v bs i bs + v cs i cs (3.65) Η παραπάνω εξίσωση μετασχηματισμένη στο d-q πλαίσιο αναφοράς έχει ως εξής: P dq = 3 2 (v dsi ds + v qs i qs ) (3.66) Η ενεργός ισχύς P em που παράγεται από την PMSG μπορεί να εκφραστεί ως εξής: P em = 3 2 (e di ds + e q i qs ) (3.67) όπου e d = ω e L q i qs = ω e λ q και e q = ω e L d i ds + ω e λ r = ω e λ d. Εδώ οι e d και e q είναι οι d-q αντι-ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις, ενώ οι λ d και λ q είναι οι d-q

95 πεπλεγμένες ροές. Αντικαθιστώντας τις παραπάνω σχέσεις * στη σχέση καταλήγουμε στη σχέση για την ενεργό ισχύ: P em = 3 2 ω e(λ d i qs λ q i ds ) (3.68) Συνεπώς, η ηλεκτρομαγνητική ροπή T e που παράγεται από την PMSG μπορεί να γραφτεί ως εξής: T e = P em ω = 3 e p 2 (p 2 ) (λ di qs λ q i ds ) (3.69) 2 T e = 3 2 (p 2 ) [λ ri qs (L d L q )i qs i ds ] (3.70) όπου p ο αριθμός των πόλων της PMSG [10]. Για το μηχανικό μέρος η εξίσωση ροπής της μηχανής θα είναι: J gen dω r dt = T e T mech βω r (3.71) όπου T e είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή, T mech είναι η μηχανική ροπή στην είσοδος της γεννήτριας, J gen είναι η ροπή αδράνειας στον δρομέα της γεννήτριας και β ο συντελεστής μηχανικών τριβών [6]. 3.4 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ (PMSG) Κατά τον έλεγχο των ανεμογεννητριών με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη, πρέπει να ελεγχθούν αυστηρά τρεις μεταβλητές του συστήματος. Αυτές είναι η μέγιστη ισχύς που παράγεται από τη σύγχρονη γεννήτρια για διαφορετικές ταχύτητες ανέμου, η ενεργός και άεργος ισχύς που διοχετεύεται στο δίκτυο και τάση της dc-διασύνδεσης του μετατροπέα back-to-back. Το επόμενο σχήμα δείχνει μια άμεσα οδηγούμενη ανεμογεννήτρια τύπου PMSG συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα back-to-back

96 Σχήμα 3.15 Αιολικό σύστημα με άμεσα οδηγούεμνη ανεμογεννήτρια τύπου PMSG και μετατροπέα back-to-back [10] Στο παραπάνω αιολικό σύστημα ο μετατροπέας στην πλευρά της γεννήτριας ρυθμίζει την ταχύτητα της PMSG ώστε να εφαρμοσθεί ο έλεγχος με ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος (MPPT). Παράλληλα, ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ που διοχετεύεται στο δίκτυο. Στην ενότητα αυτή θα επικεντρωθούμε στις τεχνικές ελέγχου που εφαρμόζονται στον μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας και στον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά της Γεννήτριας Οι άμεσα οδηγούμενες ανεμογεννήτριες τύπου PMSG έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν περιστρεφόμενες σε ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων. Ανάλογα με την ένταση του ανέμου, οι ανεμογεννήτριες πρέπει να ελέγχονται ώστε να βρίσκονται σε τρεις διαφορετικές περιοχές λειτουργίας, όπως φαίνεται στην παρακάτω χαρακτηριστική ισχύος-ταχύτητας στο σχήμα 3.16:

97 Σχήμα 3.16 Χαρακτηριστική ισχύος-ταχύτητας ανεμογεννήτριας PMSG και περιοχές λειτουργίας [10] Η πρώτη περιοχή λειτουργίας είναι η στατική κατάσταση λειτουργίας (parking mode). Η ανεμογεννήτρια βρίσκεται στην περιοχή αυτή όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη από την ταχύτητα αποκοπής. Αυτό οφείλεται στο ότι η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από την PMSG είναι ανεπαρκής για να αντισταθμίσει τις εσωτερικές απώλειες ισχύος του αιολικού συστήματος. Επομένως, η ανεμογεννήτρια τίθεται σε προσωρινή παύση λειτουργίας με τη βοήθεια μηχανικού φρένου. Η δεύτερη περιοχή λειτουργίας ονομάζεται λειτουργία με εύρεση του σημείου μεγίστης ισχύος (MPPT mode). Η ανεμογεννήτρια βρίσκεται στην περιοχή αυτή όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα αποκοπής. Στην περιοχή αυτή έχουμε εκκίνηση λειτουργίας της ανεμογεννήτριας καθώς και παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Λόγω του γεγονότος ότι σε αυτή την περιοχή λειτουργίας η ταχύτητα του άνεμου είναι σε σχετικά χαμηλό εύρος, η αιολική ισχύς που δεσμεύεται είναι μικρότερη από την ονομαστική. Οπότε είναι αναγκαία η εφαρμογή του ελέγχου με εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύς (MPPT) ώστε να εξασφαλιστεί η δέσμευση της μέγιστης ποσότητας αιολικής ισχύος. Η τρίτη περιοχή λειτουργίας είναι η κατάσταση λειτουργίας με σταθερή ισχύ (constant power mode). Η ανεμογεννήτρια βρίσκεται στην περιοχή αυτή όταν η ταχύτητα του

98 ανέμου γίνει μεγαλύτερη από την ονομαστική. Στην περιοχή αυτή η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς θα αποκτήσει τιμή μεγαλύτερη από την ονομαστική εάν εξακολουθεί να βρίσκεται σε εφαρμογή ο έλεγχος MPPT. Σαν αποτέλεσμα, θα αυξηθεί η ηλετρική καταπόνη στη γεννήτρια και στους μετατροπείς ισχύος, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω καταστροφή. Επομένως, η γωνία βήματος πτερυγίων χρειάζεται κατάλληλο έλεγχο σε ισχυρούς ανέμους, ώστε να διατηρήσει την ανεμογεννήτρια εντός των ονομαστικών ορίων λειτουργίας. Από τη σχέση (2.17) παρατηρούμε ότι για να ελέγξουμε τη μηχανική ισχύ που παράγεται για δεδομένη ταχύτητα ανέμου, ο μόνος ελέγξιμος όρος που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος. Από τη χαρακτηριστική του σχήματος παρατηρούμε ότι οι διαφορετικές τιμές του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος αντιστοιχούν σε διαφορετικές γωνίες πτερυγίου. Για κάθε περίπτωση υπάρχει ένας βέλτιστος λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου, ο οποίος συμβάλλει σε ένα μέγιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος, που με τη σειρά του οδηγεί στη μέγιστη παραγόμενη ισχύ. Στην κατάσταση λειτουργίας με MPPT η γωνία βήματος πτερυγίου συνήθως διατηρείται στις μηδέν μοίρες. Προκειμένου να επιτευχθεί ο μέγιστος αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος για μηδενική γωνία βήματος πτερυγίου, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου πρέπει να ρυθμίζεται στη βέλτιστη τιμή. Ο έλεγχος του λόγου της ταχύτητας ακροπτερυγίου είναι στην ουσία ο έλεγχος της ταχύτητας του δρομέα της PMSG. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα του ελέγχου του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου. Από το σχήμα παρατηρούμε ότι ένας αισθητήρας μετράει την ταχύτητα του ανέμου και μεταδίδει την πληροφορία αυτή σε έναν μικροελεγκτή. Από την πληροφορία αυτή μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα αναφοράς της ανεμογεννήτριας σύμφωνα με τον βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου. Άρα, η ταχύτητα της ανεμογεννήτριας θα αποκτήσει την ταχύτητα αναφοράς κατά τη στατική κατάσταση και στη συνέχεια θα επιτευχθεί ο έλεγχος MPPT

99 Σχήμα 3.17 Δομικό διάγραμμα του ελεγκτή βήματος πτερυγίων [10] Ο έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο (Field Oriented Control FOC) υπήρξε και εξακολουθεί να αποτελεί ένας σημαντικός παράγοντας στον έλεγχο των ανεμογεννητριών PMSG. Αυτό συμβαίνει διότι προσφέρει τη δυνατότητα να ελέγχθούν εύκολα οι PMSG σα μηχανές συνεχούς ρεύματος. Κατά τον έλεγχο με προσανατολισμό στο πεδίο οι d-q άξονες περιστρέφονται με τη ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα του δρομέα και ο d-άξονας είναι ευθυγραμμισμένος με το διάνυσμα της πεπλεγμένης ροής του δρομέα. Συνεπώς, η συνιστώσα του ρεύματος που παράγει αυτή τη ροή και η συνιστώσα του ρεύματος που παράγει τη ροπή είναι κατά μήκος του d-άξονα και q-άξονα αντίστοιχα. Επομένως, τα ρεύματα των d-q αξόνων μπορούν να ελεχθούν ανεξάρτητα μέσω δύο κλειστών βρόχων ελέγχου που βασίζονται στον FOC, ο οποίος έμμεσα ελέγχει την ταχύτητα και τη ροπή της PMSG. Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα η εξίσωση ηλεκτρομαγνητικής ροπής της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη είναι: T e = 3 2 (p 2 ) [λ ri qs (L d L q )i qs i ds ] (3.72) Θεωρώντας μια σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη όπου οι επαγωγές στο και στους d-q άξονες L d και L q είναι ίσες (L d = L q ) τότε η εξίσωση ροπής απλοποιείται και ξαναγράφεται ως εξής: T e = 3 2 (p 2 ) λ ri qs (3.73)

100 Προκειμένου να επιτευχθεί η παραγωγή της μέγιστη ροπής, θέτουμε το ρεύμα του d-άξονα στο μηδέν (i ds = 0). Στην παραπάνω σχέση η λ r είναι η πεπλεγμένη ροή που οφείλεται στους μόνιμους μαγνήτες και είναι σταθερή. Συνεπώς, θα υπάρχει μια γραμμική σχέση μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής ροπής T e και του ρεύματος του q-άξονα i qs. Άρα η ηλεκτρομαγνητική ροπή μπορεί να ελέγχεται εύκολα μέσω της ρύθμισης του q-άξονα. Η τεχνική ελέγχου που εφαρμόζεται στον μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας είναι έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο σε συνδυασμό με στρατηγική ανίχνευσης του σημείου μεγίστης ισχύος (MPPT). Το σχηματικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 3.18 Διανυσματικό διάγραμμα της τεχνικής του ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο [10] Το παραπάνω διάγραμμα ελέγχου περιλαμβάνει τρεις βρόχους ελέγχου, οι οποίοι είναι ο βρόχος ελέγχου ταχύτητας, ο βρόχους ελέγχου του ρεύματος του d-άξονα και ο βρόχος ελέγχου του ρεύματος του q-άξονα. Στον βρόχο ελέγχου ταχύτητας, η πραγματική ταχύτητα της ανεμογεννήτριας μετρούμενη από το τοποθετημένο στον άξονα του δρομέα, συγκρίνεται με την επιθυμητή ταχύτητα αναφοράς, η οποία με τη σειρά της προκύπτει από τον βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου. Το σφάλμα μεταξύ πραγματικής και επιθυμητής ταχύτητας αναφοράς αποστέλλεται ως είσοδος σε έναν PIελεγκτή, ο οποίος θα δώσει σαν έξοδο το ρεύμα αναφοράς στάτη του q-άξονα,

101 ενώ θέτουμε πάντα το ρεύμα αναφοράς δρομέα του d-άξονα στο μηδέν. Προκειμένου να αποκτηθούν τα σήματα ανάδρασης των ρευμάτων, πραγματοποιείται μέτρηση και μετατροπή των τριφασικών ρευμάτων του στάτη στο d-q πλαίσιο αναφοράς με βάση τον μετασχηματισμό Park. Στη συνέχεια, οι τάσεις αναφοράς του στάτη μπορούν να αποκτηθούν από τους PI-ελεγκτές που χρησιμοποιούνται στους βρόχους ελέγχου των ρευμάτων. Το είδος της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται είναι η διαμόρφωση εύρους παλμού με διάνυσμα χώρου (SVPWM) διότι παράγει μικρότερη αρμονική παραμόρφωση στις τάσεις και στα ρεύματα στην έξοδο του στάτη και προσφέρει πιο αποτελεσματική χρήση της υποστηρικτικής συνεχούς τάσης από τη συμβατική ημιτονοειδή διαμόρφωση εύρους παλμών. Οι έξοδοι του μοντέλου SVPWM είναι έξι σήματα PWM, τα οποία ελέγχουν την κατάσταση ON/OFF των έξι διακοπτών IGBT του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας [10]. Σχήμα 3.19 Δομικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας [10]

102 3.4.2 Έλεγχος του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου Το απλούστερο μοντέλο της ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.20 Σύνδεση αιολικού συστήματος τύπου PMSG με το δίκτυο [10] όπου i ag, i bg και i cg τα ρεύματα των τριών φάσεων a,b και c του δικτύου αντίστοιχα με τη φορά τους να καθορίζεται από τα βέλη πάνω στις γραμμές μεταφοράς. Έτσι, ακολουθώντας τη σύμβαση φορτίου/καταναλωτή, όταν ρεύματα του δικτύου είναι θετικά σημαίνει ότι η ηλεκτρική ισχύς ρέει από το δίκτυο της την ανεμογεννήτρια. Αντίθετα, όταν τα ρεύματα του δικτύου είναι αρνητικά σημαίνει ότι η ηλεκτρική ισχύς διοχετεύεται από την ανεμογεννήτρια στο δίκτυο. Στις κανονικές συνθήκες λειτουργίας της ανεμογεννήτριας τα ρεύματα του δικτύου είναι πάντα αρνητικά. Ο κεντρικός στόχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι ο έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος. Οι εξισώσεις της ενεργού και αέργου ισχύος που διοχετεύεται στο δίκτυο γράφονται ως εξής: P g = 3 2 (v dgi dg + v qg i qg ) (3.74) Q g = 3 2 (v qgi dg v dg i qg ) (3.75) όπου i dg, i qg είναι τα d-q ρεύματα δικτύου και v dg, v qg οι d-q τάσεις δικτύου. Παρατηρούμε στην εξίσωση της αέργου ισχύος οι d-q συνιστώσες των ρευμάτων και τάσεων είναι συζευγμένες σε μορφή εξωτερικού γινομένου, πράγμα που καθιστά δύσκολο τον έλεγχο της ενεργού και αέργου ισχύος και μειώνει τη δυναμική συμπεριφορά του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Προκειμένου να επιλύσουμε το πρόβλημα της σύζευξης εφαρμόζουμε στον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. Συγκεκριμένα, ο d- άξονας του στρεφόμενου πλαισίου αναφοράς είναι ευθυγραμμισμένος με το

103 χωρικό διάνυσμα της τάσης του δικτύου και η συνιστώσα στον q-άξονα του χωρικού διανύσματος της τάσης δικτύου είναι μηδενική. Σχήμα 3.21 Διανυσματικό διάγραμμα του ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου [10] Αφού εφαρμόσουμε τον έλεγχο με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου, οι εξισώσεις της ενεργού και αέργου ισχύος περιγράφονται από τις σχέσεις (3.76) και (3.77). Στις νέες εξισώσεις παρατηρούμε ότι η ενεργός και η άεργος ισχύς μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα. Η ενεργός ισχύς ελέγχεται μέσω του ελέγχου της d-συνιστώσας του ρεύματος δικτύου και η άεργος ισχύς μέσω της q-συνιστώσας του ρεύματος δικτύου [10]. P g = 3 2 (v dgi dg ) = 3 2 v dci dc (3.76) Q g = 3 2 v dgi qg (3.77) όπου v dc, i dc η τάση και το ρεύμα στη dc-διασύνδεση [10]. Το διάγραμμα ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου είναι το ακόλουθο:

104 Σχήμα 3.22 Δομικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου [10]

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 4.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ Ο Έλεγχος Τάσης στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Η βασική λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τις γεννήτριες στα φορτία. Προκειμένου να λειτουργήσει σωστά, είναι απαραίτητο η τάση να διατηρείται κοντά στην ονομαστική της τιμή, σε ολόκληρο το σύστημα. Παραδοσιακά, αυτό επιτυγχάνεται με συγκεκριμένους τρόπους για το σύστημα μεταφοράς και με άλλους για το σύστημα διανομής. Στα δίκτυα μεταφοράς, οι μεγάλοι σταθμοί διατηρούν τις τάσεις των ζυγών εντός των ορίων παρέκκλισης από τις ονομαστικές τιμές με αποτέλεσμα να είναι περιορισμένες οι συσκευές ελέγχου της τάσης. Αντίθετα, τα δίκτυα διανομής έχουν ενσωματωμένο ειδικό εξοπλισμό για τον έλεγχο της τάσης. Όταν υπάρχει διεσπαρμένη παραγωγή στο δίκτυο διανομής οι συνδεδεμένες γεννήτριες σπάνια εμπλέκονται στον έλεγχο της τάσης των ζυγών. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες συσκευές για τον έλεγχο της τάσης στα δίκτυα διεσπαρμένης παραγωγής είναι οι μετασχηματιστές με μεταβλητό λόγο μετασχηματισμού (tap chargers), καθώς και στατικοί αντισταθμιστές αέργου ισχύος με πυκνωτές ή πηνία (switched capacitors or reactors). Με συνδυασμό των προαναφερθέντων μπορεί να διατηρηθεί η τάση όλων των ζυγών των δικτύων μεταφοράς και διεσπαρμένης παραγωγής εντός των επιθυμητών επιπέδων. Ωστόσο, οι ραγδαίες σύγχρονες εξελίξεις θέτουν υπό αμφισβήτηση αυτή την κλασσική προσέγγιση. Μια από τις σπουδαιότερες είναι η αυξημένη χρήση ανεμογεννητριών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι τώρα, οι ανεμογεννήτριες επηρεάζουν τα ρεύματα και τις ροές ισχύος του δικτύου διεσπαρμένης παραγωγής στο οποίο συνδέονται. Επίσης, επηρεάζουν και τις τάσεις των ζυγών πράγμα που εξηγείται από το ότι οι τάσεις συσχετίζονται στενά με την ισχύ. Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα εάν οι συσκευές που είναι ήδη εγκατεστημένες στο δίκτυο διεσπαρμένης παραγωγής δεν είναι ικανές να αντισταθμίσουν την επίδραση των ανεμογεννητριών στις τάσεις των ζυγών. Εάν συμβαίνει αυτό, οι τάσεις ορισμένων ζυγών του δικτύου διεσπαρμένης παραγωγής δε μπορούν να διατηρηθούν εντός των επιτρεπόμενων αποκλίσεων από τις ονομαστικές τιμές, οπότε πρέπει να ληφθούν τα αναγκαία μέτρα

106 Ένα παρόμοιο πρόβλημα παρουσιάζεται όταν μεγάλα αιολικά πάρκα συνδέονται στο δίκτυο μεταφοράς. Το αιολικό πάρκο επηρεάζει και πάλι τις ροές ισχύος και τις τάσεις των ζυγών, αλλά αυτή τη φορά στο δίκτυο μεταφοράς. Βέβαια, στα δίκτυα αυτά οι τάσεις ελέγχονται κυρίως από τους μεγάλους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής. Όμως, υπάρχει η περίπτωση η ικανότητα τους να ελέγχουν τις τάσεις στο δίκτυο μετάδοσης να μην επαρκής, οπότε δε μπορούν να αντισταθμίσουν την επίδραση των αιολικών πάρκων στις τάσεις των ζυγών. Σαν αποτέλεσμα, οι τάσεις των ζυγών δε μπορούν πλέον να διατηρούνται εντός των επιτρεπόμενων αποκλίσεων από τις ονομαστικές τιμές, άρα και πάλι πρέπει να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα. Ο έλεγχος της τάσης σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας έχει ως βασικό σκοπό τη διατήρηση των τάσεων των ζυγών εντός των καθορισμένων ορίων. Η αναγκαιότητα του ελέγχου της τάσης οφείλεται στο ότι οι μετασχηματιστές, οι γραμμές και τα καλώδια, που θα αναφέρονται με τον όρο κλάδοι για λόγους ευκολίας, έχουν χωρητικότητα, αντίσταση και αυτεπαγωγή. Επειδή λοιπόν, οι κλάδοι έχουν χωρητικότητα, αντίσταση και αυτεπαγωγή η ροή ρεύματος από μέσα τους προκαλεί διαφορά δυναμικού ή τάση στα άκρα τους. Ωστόσο, παρά την ύπαρξη αυτή της διαφοράς δυναμικού στα άκρα των κλάδων, η τάση των ζυγών δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει κατά πολύ την ονομαστική της τιμή (με εύρος που κυμαίνεται από 5% έως 10% της ονομαστικής τιμής). Επίσης, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η τάση των ζυγών είναι μια τοπική μεταβλητή, σε αντίθεση με τη συχνότητα του δικτύου, η οποία είναι μια μεταβλητή που αφορά συνολικά το σύστημα. Ως εκ τούτου, είναι αδύνατον να ελεγχθεί η τάση σε κάθε ζυγό του συστήματος όπως στην περίπτωση της συχνότητας. Όμως, μπορεί να ελεγχθεί η τάση μόνο σε συγκεκριμένο ζυγό ή στην τοπική του ζώνη. Η συγκεκριμένη παρατήρηση είναι εξαιρετικά σημαντική για να κατανοηθεί η επίδραση των αιολικών συστημάτων στον έλεγχο της τάσης. Γενικά, υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να επηρεαστεί η τάση των ζυγών του συστήματος. Οι τρόποι έχουν ουσιαστικές διαφορές μεταξύ των δικτύων μεταφοράς και των δικτύων διεσπαρμένης παραγωγής, διότι έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικό πλήθος και τύπο συνδεδεμένων γεννητριών. Πιο συγκεκριμένα, τα δίκτυα μεταφοράς περιλαμβάνουν εναέριες γραμμές με πολύ χαμηλή αντίσταση. Η διαφορά τάσης στα άκρα μιας γραμμής με υψηλή επαγωγική αντίδραση X συγκρινόμενη με την ωμική της αντίσταση R, δηλαδή με χαμηλό λόγο R/X επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη ροή αέργου ισχύος μέσω της γραμμής. Εξαιτίας των χαρακτηριστικών των δικτύων μεταφοράς και των συνδεδεμένων γεννητριών τους, οι τάσεις των ζυγών ελέγχονται κατά κύριο λόγο μέσω της μεταβολής της παραγωγής ή της κατανάλωσης της αέργου ισχύος των γεννητριών που συνδέονται με το δίκτυο μεταφοράς. Οι γεννήτριες αυτές είναι εύκολα προσβάσιμες από τους διαχειριστές του συστήματος λόγω του μικρού τους αριθμού και της συνεχούς

107 παρακολούθησης τους. Επίσης, είναι ιδιαίτερα ευέλικτες από λειτουργική άποψη και επιτρέπουν το συνεχή έλεγχο της παραγωγής αέργου ισχύος σε ένα μεγάλο εύρος. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ειδικός εξοπλισμός για το σκοπό αυτό, όπως ευέλικτα συστήματα μεταφοράς με εναλλασσόμενο ρεύμα (FACTS) και συστοιχίες πυκνωτών, που είναι ελεγχόμενες πηγές αέργου ισχύος. Ωστόσο, υπάρχουν διαφορές στον τρόπο παραγωγής της αέργου ισχύος και στην ακρίβεια και ταχύτητα του ελέγχου της παραγόμενης αέργου ισχύος. Αντίθετα, τα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής περιλαμβάνουν εναέριες γραμμές ή υπόγεια καλώδια, στα οποία η ωμική αντίσταση δεν είναι αμελητέα σε σύγκριση με την επαγωγική αντίδραση, δηλαδή έχουν πολύ υψηλότερο λόγο R/Xσε σύγκριση με τις γραμμές μεταφοράς. Συνεπώς, η επίδραση της αέργου ισχύος στις τάσεις των ζυγών είναι λιγότερη έντονη σε σχέση με τα δίκτυα μεταφοράς. Επιπρόσθετα, οι γεννήτριες που είναι συνδεδεμένες στα δίκτυα διεσπαρμένης παραγωγής δεν είναι πάντα ικανές να μεταβάλλουν την άεργο ισχύ στην έξοδο τους, ώστε να συμβάλλουν στον έλεγχο της τάσης. Επομένως, η τάση των ζυγών στα δίκτυα αυτά ελέγχεται κατά κύριο λόγο μέσω της μεταβολής του λόγου μετασχηματισμού του μετασχηματιστή που συνδέει το δίκτυο σε υψηλότερα επίπεδα τάσης και ενίοτε από συσκευές που παράγουν ή καταναλώνουν άεργο ισχύ, όπως πυκνωτές ή παράλληλους επαγωγούς. Σε γενικές γραμμές, τα δίκτυα διανομής προσφέρουν πολύ λιγότερες δυνατότητες ελέγχου της τάσης σε σχέση με τα δίκτυα μεταφοράς [5] Ενεργός και Άεργος Ισχύς στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Στα δίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος (ac) υπάρχει μια διαφορά φάσης μεταξύ του ημιτονοειδούς ρεύματος που παρέχεται από τη γεννήτρια και της τερματικής τάσης της γεννήτριας. Το μέγεθος αυτής της διαφοράς φάσης εξαρτάται από την αντίσταση, την αυτεπαγωγή και τη χωρητικότητα του δικτύου στο οποίο η γεννήτρια τροφοδοτεί την ισχύ, καθώς και από τα χαρακτηριστικά και το σημείο λειτουργίας της κάθε γεννήτριας. Στην περίπτωση της ac-παραγωγής, το ποσό της παραγόμενης ενέργειας δεν είναι ίσο με το γινόμενο της ενεργού (rms) τιμής της τάσης και του ρεύματος της γεννήτριας, όπως στη dc-παραγωγή. Συγκεκριμένα, το ποσό της παραγόμενης ενέργειας εξαρτάται τόσο από το πλάτος της τάσης και του ρεύματος, όσο και από το μέγεθος της διαφορά φάσης μεταξύ τους. Το ρεύμα σε μια ac-γεννήτρια μπορεί να χωριστεί σε μια συνιστώσα που βρίσκεται σε φάση με την τερματική τάση και σε μια συνιστώσα που είναι μετατοπισμένη κατά 90. Έχει αποδειχθεί ότι μόνο η συνιστώσα του ρεύματος που είναι σε φάση με την τάση τροφοδοτεί ισχύ στο δίκτυο. Επομένως,

108 ορίζουμε την ενεργό ισχύ που ισούται με το γινόμενο της rms τιμής της συμφασικής τιμής του ρεύματος της γεννήτριας με την τερματική τάση της γεννήτριας. Η ενεργός ισχύς συμβολίζεται με P και μετριέται συνήθως σε MW. Επιπλέον, ορίζουμε την άεργο ισχύ που ισούται με το γινόμενο της τάσης της πηγής και της άλλης συνιστώσας του ρεύματος. Η άεργος ισχύς συμβολίζεται με Q και μετριέται συνήθως σε MVar. Ουσιαστικά, η άεργος ισχύς προέρχεται από την ηλεκτρική και μαγνητική ενέργεια που αποθηκεύεται στους πυκνωτές και στα πηνία του δικτύου αντίστοιχα. Μια άλλη σημαντική ποσότητα είναι ο συντελεστής ισχύος που συμβολίζεται με PF (power factor) και ορίζεται ως εξής: P PF = cos φ = (4.1) P 2 + Q 2 όπου φ είναι η διαφορά φάσης μεταξύ της τερματικής τάσης και του τερματικού ρεύματος σε rad. Αν η γωνία φ ισούται με μηδέν, τότε προφανώς το συνημίτονο cosφ ισούται με μονάδα και τότε η άεργος ισχύς είναι μηδενική και μόνο ενεργός ισχύς ανταλλάσσεται με το δίκτυο. Η κατάσταση αυτή αναφέρεται ως λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος [5] Επίδραση των Αιολικών Συστημάτων στα Συστήματα Μεταφοράς Όταν αναφερόμαστε στην επίδραση των αιολικών συστημάτων στον έλεγχο τάσης, πρέπει να διακρίνουμε δύο κατηγορίες, την επίδραση στα συστήματα μεταφοράς και την επίδραση στα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής. Στα δίκτυα μεταφοράς παραδοσιακά η ρύθμιση της τάσης γινόταν από τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής που περιλάμβαναν σύγχρονες γεννήτριες, αν και κάποιες φορές χρησιμοποιήθηκε ειδικός εξοπλισμός ρύθμισης της τάσης, όπως FACTS ή συστοιχίες πυκνωτών. Σήμερα όμως, η συνεισφορά των συμβατικών σταθμών παραγωγής στον έλεγχο της τάσης περιορίζεται και πλέον γίνεται δυσκολότερη η ρύθμιση της τάσης σε ολόκληρο το δίκτυο μετάδοσης μόνο από αυτούς. Οι διαχειριστές του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν αρχικά το πρόβλημα μέσω της εγκατάστασης νέου εξοπλισμού ελέγχου της τάσης. Ακόμη, απαιτούν από τους νέους παραγωγούς να έχουν συστήματα παραγωγής και ρύθμισης της αέργου ισχύος, ανεξάρτητα από την τεχνολογία που εφαρμόζουν. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι δε γίνεται καμία εξαίρεση ούτε για τα αιολικά πάρκα και ούτε για τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως γινόταν συχνά μέχρι σήμερα. Τα αιολικά πάρκα που είναι αρκετά μεγάλα ώστε να συνδέονται στο δίκτυο μετάδοσης τείνουν να κατασκευάζονται σε απομακρυσμένες περιοχές ή σε υπεράκτιο επίπεδο, λόγω του μεγέθους τους και των επιπτώσεων τους στο

109 φυσικό τοπίο. Δεδομένου ότι η τάση των ζυγών είναι μια τοπική ποσότητα, γίνεται δύσκολο να ελεγχθεί η τάση σε αυτές τις μακρινές τοποθεσίες από τους συμβατικούς σταθμούς που βρίσκονται οπουδήποτε αλλού στο δίκτυο. Επομένως, οι ανεμογεννήτριες πρέπει να έχουν τις δικές τους δυνατότητες για τον έλεγχο της τάσης, ώστε να είναι επιτυχής η σύνδεση τους στο δίκτυο. Μια άλλη επίδραση των αιολικών συστημάτων στον έλεγχο της τάσης είναι ότι τα μεγάλα αιολικά πάρκα ίσως καταστήσουν αναγκαία την εγκατάσταση συσκευών ρύθμιση της τάσης στο δίκτυο μετάδοσης, ανεξάρτητα από την αυτόνομη ικανότητα ελέγχου της κάθε ανεμογεννήτριας. Δηλαδή, για να διασφαλιστεί ο ακριβής και ταχύς έλεγχος της τάσης πρέπει να ληφθούν πρόσθετα μέτρα, ακόμη κι αν οι ανεμογεννήτριες έχουν τις ίδιες δυνατότητες ελέγχου της τάσης με τις συμβατικές γεννήτριες [5] Επίδραση των Αιολικών Συστημάτων στα Δίκτυα Διανεμημένης Παραγωγής Παραδοσιακά, οι δύο σημαντικότερες μέθοδοι αντιμετώπισης του προβλήματος ελέγχου της τάσης στα δίκτυα διεσπαρμένης παραγωγής. Η πρώτη είναι η χρήση μετασχηματιστών με μεταβλητό λόγο μετασχηματισμού και η δεύτερη είναι η χρήση συσκευών που μπορούν να παράγουν ή να καταναλώσουν άεργο ισχύ. Η χρήση των μετασχηματιστών αυτών είναι ένας δύσκολος και μη εφαρμόσιμος τρόπος ελέγχου της τάσης των ζυγών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αντί να επηρεάζουν την τάση μόνο σε ένα ζυγό και στην κοντινή περιοχή του, επηρεάζεται συνολικά η τάση του δικτύου, ανάλογα με την αύξηση ή τη μείωση του λόγου μετασχηματισμού. Από την άλλη, οι πυκνωτές και τα πηνία αποδίδουν πολύ καλύτερα, επειδή επηρεάζουν κυρίως την τάση του ζυγού στο οποίο είναι συνδεδεμένοι. Όμως, η ευαισθησία της τάσης του ζυγού στις αλλαγές της αέργου ισχύος είναι μάλλον περιορισμένη και συνεπώς σχετικά μεγάλοι πυκνωτές και πηνία είναι απαραίτητοι. Αυτό το μειονέκτημα οφείλεται στον υψηλό λόγο της ωμικής αντίστασης R προς την επαγωγική αντίδραση X των κλάδων (R/X) στα δίκτυα διεσπαρμένης παραγωγής σε σύγκριση με αυτό των δικτύων μεταφοράς. Η αυξανόμενη σύνδεση αιολικών πάρκων στα δίκτυα διεσπαρμένης παραγωγής καθιστά ιδιαίτερα πολύπλοκο τον έλεγχο της τάσης καθώς οι ανεμογεννήτριες επηρεάζουν τη ροή ισχύος των δικτύων. Ειδικότερα, αν η ισχύς εξόδου τους δε συμβαδίζει με τα φορτία, τότε οι μεταβολές στα ρεύματα των κλάδων μετατρέπονται. Η μέγιστη και ελάχιστη τιμή του ρεύματος ενός κλάδου συνήθως εξαρτάται μόνο από το φορτίο, όμως με τη σύνδεση στη διεσπαρμένη παραγωγή τα όρια της τιμής του ρεύματος εξαρτώνται και από τη ισχύ εξόδου του κατανεμημένου παραγωγού. Τα όρια αυτά καθορίζονται πλέον από μια κατάσταση με ελάχιστη παραγόμενη ισχύς και μέγιστο φορτίο

110 από τη μια πλευρά και μέγιστη παραγόμενη ισχύς και ελάχιστο φορτίο από την άλλη, παρά από τη διαφορά μεταξύ μέγιστου και ελάχιστου φορτίου, όπως συνέβαινε στο παρελθόν. Οι κατανεμημένοι παραγωγοί μικρής κλίμακας αντιμετωπίζουν μεγαλύτερη δυσκολία στον έλεγχο της τάσης σε σχέση με τους μεγάλους σταθμούς παραγωγής που συνδέονται στο δίκτυο μεταφοράς για τους εξής λόγους: δεν έχουν πάντα τη δυνατότητα να μεταβάλλουν την παραγωγή αέργου ισχύος (ανάλογα πάντα με τον τύπο της γεννήτριας και τη διαβάθμιση του ηλεκτρονικού μετατροπέα) μπορεί να είναι πολύ δαπανηρό να εξοπλιστούν με πρόσθετο εξοπλισμό που θα τους προσδώσει τη δυνατότητα ρύθμιση της τάσης η παροχή δυνατότητας ελέγχου της τάσης υπάρχει περίπτωση να μεγεθύνει τον κίνδυνο της νησιδοποίησης, όπως για παράδειγμα όταν ένα τμήμα του δίκτυο διεσπαρμένης παραγωγής παραμένει ενεργό μετά την αποσύνδεση του από το υπόλοιπο σύστημα ορισμένες φορές καθιστούν δύσκολη την αλλαγή των παραμέτρων των ελεγκτών τους, όπως η τάση αναφοράς ή οι σταθερές χρόνου, οι οποίες μπορεί για παράδειγμα να είναι αναγκαίες μετά την αλλαγή της τοπολογίας του δικτύου [5] Δυνατότητες Ελέγχου Τάσης από Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η δυνατότητα ελέγχου της τάσης από τις ανεμογεννήτριες, που συγκροτούν τα μεγάλα αιολικά πάρκα και συνδέονται στο δίκτυο μεταφοράς, είναι απαραίτητη. Τα αιολικά πάρκα που συνδέονται σε απομακρυσμένες περιοχές αντιμετωπίζουν δυσκολίες στον έλεγχο της τάσης. Επίσης, έχει αποδειχθεί ότι το αποτέλεσμα της επίδρασης της κατανεμημένης παραγωγής των ανεμογεννητριών οδηγεί σε αύξηση του εύρους στο οποίο κυμαίνονται τα ρεύματα του δικτύου. Επειδή τα ρεύματα των κλάδων συνδέονται με τις τάσεις των κόμβων, προκαλείται και μια αύξηση του εύρους στο οποίο κυμαίνονται οι τάσεις. Οι ανεμογεννήτριες που έχουν τη δυνατότητα ελέγχου της τάσης μπορούν να αντιμετωπίσουν αυτή την αρνητική επίδραση στο δίκτυο. Επομένως, είναι καθοριστικής σημασίας τόσο για τις ανεμογεννήτριες που συνδέονται στο σύστημα μεταφοράς, όσο και τις ανεμογεννήτριες που συνδέονται στο δίκτυο διανεμημένης παραγωγής να είναι ικανές να συνεισφέρουν στον έλεγχο της τάσης. Στα συστήματα μεταφοράς και στα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής οι τάσεις των ζυγών εξαρτώνται από την άεργο ισχύ, άρα οι τάσεις των ζυγών μπορούν να ελεγχθούν μέσω μεταβολών στην παραγωγή και κατανάλωση αέργου ισχύος των γεννητριών. Παράλληλα, οι τάσεις των κόμβων συσχετίζονται με

111 τα ρεύματα των κλάδων καθώς και τα χαρακτηριστικά των κλάδων. Η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που εγκαθίστανται σήμερα χρησιμοποιούν συγκεκριμένους τύπους των ηλεκτρομηχανικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Ο έλεγχος της τάσης μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο από τις ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών και όχι από τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών. Αυτό οφείλεται στο ότι οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών έχουν επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού, οι οποίες καταναλώνουν και δεν παράγουν άεργο ισχύ. Έτσι, η ανταλλαγή αέργου ισχύος των ανεμογεννητριών αυτών με το δίκτυο δε μπορεί να ελεγχθεί και άρα δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο τάσης. Συνεπώς, θα εξετάσουμε τις δυνατότητες ελέγχου της τάσης των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών, δηλαδή της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας και της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη. Στην επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας η άεργος ισχύς ελέγχεται από το ρεύμα του δρομέα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, δεν υπάρχει μοναδική σχέση μεταξύ της αέργου ισχύος και άλλων ποσοτήτων, όπως η ταχύτητα του δρομέα και η ενεργός ισχύς. Δηλαδή, για συγκεκριμένη ταχύτητα του δρομέα και αντίστοιχη παραγόμενη ενεργού ισχύος μπορεί να παραχθεί ή να καταναλωθεί διαφορετική ποσότητα αέργου ισχύος. Το σχήμα 4.1 απεικονίζει το εύρος λειτουργίας μιας επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας για ονομαστική τερματική τάση (1 p.u.). Σχήμα 4.1 Ενεργός και άεργος ισχύς επαγωγικής γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας με παράμετρο την ταχύτητα δρομέα [5]

112 Το γράφημα δείχνει ότι η άεργος ισχύς επηρεάζεται σε μικρό βαθμό από την ταχύτητα του δρομέα και την παραγωγή ενεργού ισχύος, ακόμη κι αν δεν εξαρτάται άμεσα από αυτές τις ποσότητες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι και η ροπή της γεννήτριας και η παραγωγή αέργου ισχύος εξαρτώνται άμεσα από το ρεύμα που εγχέει ο ηλεκτρονικός μετατροπέας στο δρομέα. Η συνιστώσα του ρεύματος που παράγει ροπή προκύπτει από την επιθυμητή ροπή που ο ελεγκτής ταχύτητας του δρομέα αποκομίζει από την πραγματική ταχύτητα του δρομέα. Το ρεύμα που είναι απαραίτητο για να δημιουργήσει την επιθυμητή ροπή καθορίζει με τη σειρά του τη χωρητικότητα του μετατροπέα που απομένει για να κυκλοφορήσει το ρεύμα που παράγει ή καταναλώνει άεργο ισχύ. Στη σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη η ανταλλαγή της αέργου ισχύος με το δίκτυο δεν καθορίζεται από τις ιδιότητες της γεννήτριες, αλλά από τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος στην πλευρά του δικτύου. Η γεννήτρια είναι πλήρως αποσυνδεδεμένη από το δίκτυο, πράγμα που έχει σημαντικές συνέπειες στην ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ γεννήτριας και δικτύου. Συγκεκριμένα, η ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ της γεννήτριας και του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας και η ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου και του δικτύου είναι αποσυζευγμένες. Αυτό σημαίνει ότι ο συντελεστής ισχύος της γεννήτριας και ο συντελεστής ισχύος στην πλευρά του δικτύου ελέγχονται ανεξάρτητα. Το σχήμα 4.2 απεικονίζει το εύρος λειτουργίας μιας σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη με παράμετρο την τερματική της τάση. Σχήμα 4.2 Ενεργός και άεργος ισχύς σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη με παράμετρο την τερματική τάση [5]

113 Στο γράφημα η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα δε λαμβάνεται υπόψη, διότι εφόσον η γεννήτρια και το δίκτυο είναι πλήρως αποσυζευγμένα, η ταχύτητα του δρομέα επηρεάζει ελάχιστα την αλληλεπίδραση της γεννήτριας με το δίκτυο. Επίσης, είναι δεδομένο ότι όταν η ανεμογεννήτρια λειτουργεί στην ονομαστική τάση και στην ονομαστική ισχύ, ο συντελεστής ισχύος κυμαίνεται στο 0.9 περίπου. Επιπρόσθετα, το διάγραμμα διευκρινίζει ότι η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη επιτρέπει τον έλεγχο της αέργου ισχύος ή της τερματικής τάσης, επειδή πολλές τιμές της αέργου ισχύος αντιστοιχούν σε μία μόνο τιμή της ενεργού ισχύος. Τέλος, να σημειωθεί ότι οι παραπάνω καμπύλες υποδεικνύουν την οριοθέτηση της περιοχής λειτουργίας της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη [5] Επίδραση Παραγόντων στον Έλεγχο Τάσης Όπως προαναφέρθηκε, μια ανεμογεννήτρια με δυνατότητες ελέγχου της τάσης μπορεί να ρυθμίσει την τάση των ζυγών ρυθμίζοντας το ποσό της αέργου ισχύος που παράγεται ή καταναλώνεται. Προκειμένου να ενεργοποιηθεί η δράση του ελέγχου πρέπει η τάση ενός συγκεκριμένου ζυγού να μετρηθεί και να οδηγηθεί στον ελεγκτή τάσης. O ελεγκτής, σύμφωνα με τη συνάρτηση μεταφοράς του, ρυθμίζει το ποσό της αέργου ισχύος που παράγεται ή καταναλώνεται. Γενικά, είναι ευκολότερο να αφήσουμε την ανεμογεννήτρια να ελέγξει τη δική της τερματική τάση, όμως μερικές φορές ελέγχει τη τάση σε κάποιο άλλο ζυγό σε οποιαδήποτε περιοχή του δικτύου, αν και αυτός ο ζυγός πρέπει να βρίσκεται κοντά στην ανεμογεννήτρια γιατί η τάση ζυγού είναι τοπική μεταβλητή. Όταν η μετρούμενη τάση έχει πολύ χαμηλή τιμή τότε η παραγόμενη άεργος ισχύς αυξάνεται, ενώ όταν η τάση είναι μεγάλη τότε η άεργος ισχύς μειώνεται. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη σχέση μεταξύ του ποσού της αέργου ισχύος που παράγεται ή καταναλώνεται και του ρεύματος του δρομέα που ρυθμίζει το ποσό της αέργου ισχύος είναι διάφοροι. Ειδικότερα, ας αναφέρουμε τις παραμέτρους της γεννήτριας, την επιθυμητή τιμή στον ελεγκτή τάσης, την τιμή της σύνθετης αντίστασης των γραμμών μεταφοράς και τις ροές αέργου ισχύος στο διασυνδεμένο δίκτυο. Βέβαια, η ισχυρότερη επίδραση στον έλεγχο της τάσης των ανεμογεννητριών πραγματοποιείται από τις ροές αέργου ισχύος στο δίκτυο. Να αναφέρουμε ότι γενικά χρησιμοποιούνται παρόμοιοι τύποι γεννητριών, η επιθυμητή τερματική τάση είναι πάντα κοντά στη μονάδα και ο λόγος R/X έχει μικρότερη επιρροή στην τάση σε σχέση με την άεργο ισχύ. Επομένως, οι τρεις πρώτοι παράγοντες που αναφέρθηκαν έχουν ελάχιστη επίδραση στον έλεγχο τάσης, σε σύγκριση με την άεργο ισχύ που θεωρείται η σπουδαιότερη παράμετρος για τη ρύθμιση της τάσης από τις ανεμογεννήτριες [5]

114 4.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΗΝ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η μεταβατική συμπεριφορά των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζεται κατά κύριο λόγο από τις γεννήτριες του. Παλαιότερα, το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παραγόταν από τις σύγχρονες γεννήτριες των συμβατικών σταθμών, οι οποίες συνδέονταν απευθείας στο δίκτυο. Η συμπεριφορά των γεννητριών αυτών υπό διάφορες συνθήκες έχει μελετηθεί εδώ και δεκαετίες, άρα οι επιπτώσεις τους στη λειτουργία του δικτύου είναι πλέον γνωστές. Σήμερα, η συμμετοχή των ανεμογεννητριών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι αυξανόμενη, άρα πρέπει να αναλυθεί η συμπεριφορά τους σε οποιοδήποτε φαινόμενο. Γενικά, οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών συνδέονται στο δίκτυο μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οπότε η αλληλεπίδραση τους με το δίκτυο διαφέρει από τις συμβατικές γεννήτριες. Συνεπώς, οι ανεμογεννήτριες επηρεάζουν τη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας με διαφορετικό τρόπο από τις συμβατικές γεννήτριες. Επιπρόσθετα, υπάρχου διαφορές στην αλληλεπίδραση με το δίκτυο των διαφόρων τύπων ανεμογεννητριών, άρα ο κάθε τύπος ανεμογεννήτριας πρέπει να εξεταστεί ξεχωριστά. Επομένως, η μελέτη της επίδρασης των ανεμογεννητριών στη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται απαραίτητη [5] Ευστάθεια Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας Η ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας διερευνά τη συμπεριφορά ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας όταν υφίσταται διαταραχές που μεταβάλλουν το σημείο λειτουργίας τους. Παραδείγματα τέτοιων διαταραχών είναι οι μεταβολές συχνότητας λόγων αποσύνδεσης φορτίων, τα βυθίσματα τάσης εξαιτίας βραχυκυκλωμάτων και οι μεταβολές μηχανικής ισχύος. Οποιαδήποτε διαταραχή κι αν συμβεί, προκαλεί μεταβολές στη λειτουργία του συστήματος, που σημαίνει ότι σημαντικές μεταβλητές του συστήματος, όπως οι τάσεις των ζυγών, τα ρεύματα των γραμμών και οι ταχύτητες των ανεμογεννητριών αρχίζουν να αλλάζουν. Το σύστημα για να θεωρηθεί ευσταθές πρέπει, αφού υποστεί μια διαταραχή και φθάσει σε μια νέα μόνιμη κατάσταση, όλες οι γεννήτριες και τα φορτία που συνδέονταν με το σύστημα πριν τη διαταραχή να διατηρήσουν τη σύνδεση τους και μετά τη διαταραχή. Αντίθετα, το σύστημα θεωρείται ασταθές αν σε μια νέα μόνιμη κατάσταση συμβεί αποσύνδεση κάποιων γεννητριών ή φορτίων. Στο θέμα της ευστάθειας χρειάζεται να γίνουν δύο βασικές παρατηρήσεις. Πρώτον, όταν ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι ευσταθές, η νέα μόνιμη κατάσταση μπορεί να είναι ταυτόσημη ή διαφορετική από τη μόνιμη

115 κατάσταση στην οποία βρισκόταν το σύστημα πριν συμβεί η διαταραχή. Αυτό εξαρτάται από τον τύπο της διαταραχής, την τοπολογία του συστήματος και τα συστήματα ελέγχου των γεννητριών. Δεύτερον, όταν ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι ασταθές, δε σημαίνει ότι μια διαταραχή θα οδηγήσει το σύστημα στην πλήρη διακοπή της λειτουργίας του. Αυτό οφείλεται στο ότι το σύστημα προστασίας θα αποσυνδέσει τις γραμμές, τις γεννήτριες ή τα φορτία κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου, με σκοπό να προστατέψει το ενεργειακό σύστημα σε κάποιο βαθμό. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το σύστημα, αφού υποστεί τη διαταραχή, θα βρεθεί σε μια νέα μόνιμη κατάσταση αποτρέποντας έτσι μια πλήρη διακοπή της λειτουργίας του. Βέβαια, παρόλο που το σύστημα στη μετασφαλματική κατάσταση είναι ευσταθές, το σύστημα στην προσφαλματική κατάσταση ήταν ασταθές και η ευστάθεια ανακτήθηκε μέσω της αλλαγής της τοπολογίας του συστήματος. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί μέθοδοι προκειμένου να διερευνηθεί η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος, έτσι ώστε να διαπιστωθεί αν είναι ευσταθές ή ασταθές. Η πρώτη μέθοδος είναι η ανάλυση στο πεδίο του χρόνου που αλλιώς αναφέρεται και ως προσομοίωση δυναμικής συμπεριφοράς, προσομοίωση θεμελιώδους συχνότητας ή προσομοίωση μεταβατικής ηλεκτρομηχανικής συμπεριφοράς. Αυτή η μέθοδος προσεγγίζει τη συμπεριφορά του συστήματος που δέχεται μια διαταραχή μέσω της προσομοίωσης της απόκρισης του συστήματος, δηλαδή την ποσοτική εξέλιξη των μεταβλητών του στην πάροδο του χρόνου. Με αυτό τον τρόπο προκύπτει το συμπέρασμα για το αν το σύστημα είναι ευσταθές ή ασταθές. Στην περίπτωση της αστάθειας, μπορούν να σχεδιασθούν στρατηγικές για να πραγματοποιήσουν αλλαγές στην τοπολογία του συστήματος με τέτοιο τρόπο ώστε να ανακτηθεί η ευστάθεια με ελάχιστες συνέπειες για τα φορτία και τις γεννήτριες. Η δεύτερη μέθοδος είναι η ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας, που επίσης αναφέρεται και ως ανάλυση μικρού σήματος ή ανάλυση ιδιοτιμών. Η ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας μελετά μια γραμμικοποιημένη προσέγγιση του μοντέλου του συστήματος σε μια ορισμένη κατάσταση. Η γραμμικοποιημένη προσέγγιση καθιστά δυνατή την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόκριση του συστήματος στην αναλυόμενη κατάσταση αφού συμβούν αλλαγές στις μεταβλητές κατάστασης [5] Μεταβατική Συμπεριφορά Ανεμογεννητριών Μεταβλητών Στροφών Η μεταβατική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών διαφέρει ριζικά από εκείνη των ανεμογεννητριών σταθερών στροφών. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών περιλαμβάνουν έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος ο οποίος εκτελεί την αποσύζευξη της μηχανικής συχνότητας του δρομέα από την ηλεκτρική συχνότητα του δικτύου. Αυτή η αποσύζευξη πραγματοποιείται όχι μόνο κατά τη διάρκεια της κανονικής

116 λειτουργίας, αλλά και κατά τη διάρκεια των διαταραχών καθώς και μετά από αυτές. Τα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος των μετατροπέων είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στα υπερρεύματα εξαιτίας των πολύ μικρών σταθερών χρόνου. Όταν συμβεί μια μείωση της τάσης στους ακροδέκτες της γεννήτριας το ρεύμα που διαρρέει τους ημιαγωγούς αυξάνεται με ταχύ ρυθμό. Ο ελεγκτής του ηλεκτρονικού μετατροπέα δειγματοληπτεί διάφορες ποσότητες, όπως τερματική τάση γεννητριών, ρεύμα μετατροπέα, συχνότητα δικτύου και άλλες, με υψηλή συχνότητα δειγματοληψίας της τάξης των khz. Οπότε, όταν συμβεί ένα σφάλμα ο μετατροπέας το αντιλαμβάνεται ακαριαία και τότε η ανεμογεννήτρια αποσυνδέεται από το δίκτυο, ώστε να αποφευχθεί η καταστροφή του μετατροπέα. Η υψηλή διείσδυση ποσοτήτων αιολικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών είναι ανεπιθύμητη λόγω των αρνητικών επιπτώσεων στο δίκτυο. Αν μια ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών αποσυνδεθεί από το δίκτυο εξαιτίας ενός σχετικά μικρού βυθίσματος τάσης, τότε ένα μεγάλο ποσό της παραγόμενης ενέργειας ενδέχεται να χαθεί. Μια τέτοια κατάσταση μπορεί να προκύψει όταν συμβεί ένα σφάλμα στο δίκτυο μετάδοσης με υψηλή τάση, με αποτέλεσμα να προκληθεί ένα βύθισμα τάσης σε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή. Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρά προβλήματα που σχετίζονται με την ισορροπία ισχύος στη συγκεκριμένη περιοχή ελέγχου ή ακόμα και σε επίπεδο συστήματος. Για το λόγο αυτό, οι εταιρείες ηλεκτρισμού με μεγάλη διείσδυση αιολικής ενέργειας έχουν αναθεωρήσει τις απαιτήσεις σύνδεσης στο δίκτυο για τις ανεμογεννήτριες και πλέον απαιτούν οι ανεμογεννήτριες να παραμένουν συνδεδεμένες με το δίκτυο κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Σήμερα, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών δεν είναι εξοπλισμένες με ελεγκτές ρεύματος που έχουν δυνατότητα λειτουργίας μετά από βυθίσματα τάσης. Όμως, η επίλυση των προβλημάτων που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση των ανεμογεννητριών με το δίκτυο δε γίνεται μόνο με την εγκατάσταση των κατάλληλων ελεγκτών ρεύματος. Όταν εκκαθαριστεί το σφάλμα, οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών πρέπει να συνεχίσουν την κανονική λειτουργία τους. Οι επιλογές για την επιστροφή στην κανονική λειτουργία είναι ποικίλες και δεν επηρεάζονται από τα εσωτερικά χαρακτηριστικά των γεννητριών. Για παράδειγμα, μια λύση θα ήταν η παραγωγή επιπλέον ποσοτήτων αέργου ισχύος όταν η τάση αρχίζει να αυξάνεται και πάλι, έτσι ώστε να επιταχυνθεί η αποκατάσταση της τάσης. Η αποσύζευξη της μηχανικής συχνότητας του δρομέα και της ηλεκτρικής συχνότητας του δικτύου στις ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών επηρεάζει την απόκριση των ανεμογεννητριών αυτών στις μεταβολές

117 συχνότητας. Δηλαδή, αν η ηλεκτρική συχνότητα του δικτύου αλλάξει λόγω αναντιστοιχίας μεταξύ παραγωγής και φορτίου, η μηχανική συχνότητα του δρομέα δεν αλλάζει. Συγκεκριμένα, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος αντισταθμίζουν τις αλλαγές στη ηλεκτρική συχνότητα του δικτύου και συνεπώς η μηχανική συχνότητα του δρομέα δεν επηρεάζεται. Επίσης, θα ήταν δυνατόν να εξοπλιστούν οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών με επιπρόσθετους ελεγκτές, ώστε να μεταβάλλουν την ενεργό ισχύ της γεννήτριας ανάλογα με τη μετρούμενη τιμή της συχνότητας του δικτύου. Τότε η απόκριση τους θα ήταν παρόμοια με την εσωτερική συμπεριφορά των γεννητριών που συνδέονται απευθείας με το δίκτυο, φυσικά εντός των ορίων που καθορίζονται από την πραγματική τιμή της ταχύτητας του ανέμου [5] Δυναμική Απόκριση Αιολικών Πάρκων Σήμερα, όλο και περισσότερες ανεμογεννήτριες ομαδοποιούνται σε χερσαία ή υπεράκτια αιολικά πάρκα. Οι γενικοί λόγοι που υπαγορεύουν αυτή την ομαδοποίηση είναι η αποτελεσματική χρησιμοποίηση των περιοχών με πλούσιο αιολικό δυναμικό και η συγκέντρωση των οπτικών επιπτώσεων των αιολικών πάρκων σε μια περιορισμένη περιοχή. Οι σημερινές ανεμογεννήτριες μπορούν να φθάσουν σε συνολικό ύψος τα 150 m, αν ένα από τα πτερύγια τους βρίσκεται σε κατακόρυφη θέση. Υπάρχει ένας αριθμός εφικτών τρόπων βάσει των οποίων μπορεί να διαμορφωθεί η δομή ενός αιολικού πάρκου. Όλοι αυτοί οι τρόποι παρουσιάζουν όμοια χαρακτηριστικά σχετικά με την αλληλεπίδραση μεταξύ του αιολικού πάρκου και του δικτύου, που είναι ένα θέμα άμεσα συνδεδεμένο με τη χρήση των ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Παραδείγματα αυτών των χαρακτηριστικών είναι η διακύμανση της ισχύος εξόδου και η περιορισμένη ελεγξιμότητα και προβλεψιμότητα της παραγόμενης ενέργειας. Παρόλα αυτά, η δυναμική απόκριση του αιολικού πάρκου σε διαταραχές της τάσης και της συχνότητας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διαμόρφωση της δομής του αιολικού πάρκου. Ως εκ τούτου, θα συζητήσουμε για τη δυναμική απόκριση των αιολικών πάρκων τα οποία υφίστανται βυθίσματα τερματικής τάσης και μεταβολές συχνότητες λόγω σφαλμάτων, ξεχωριστά για τις διάφορες διαμορφωμένες δομές των αιολικών πάρκων. Σε περίπτωση που χρησιμοποιηθούν γραμμές μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος και μετασχηματιστές στην κατασκευή των υποδομών του αιολικού πάρκου και της διασύνδεσης με το δίκτυο, η απόκριση του αιολικού πάρκου σε διαταραχές καθορίζεται από τις ανεμογεννήτριες διότι ο εξοπλισμός διασύνδεσης αποτελείται από παθητικά στοιχεία. Ειδικότερα, η δυναμική απόκριση του αιολικού πάρκου στα βυθίσματα τάσης και στις μεταβολές

118 συχνότητας εξαρτάται από το αν θα χρησιμοποιηθούν ανεμογεννήτριες σταθερών ή μεταβλητών στροφών. Επομένως, για τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς ενός αιολικού πάρκου με ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών θα πρέπει να ανατρέξουμε στην προηγούμενη υποενότητα που αφορούσε τη μεταβατική συμπεριφορά ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Βέβαια, στην περίπτωση που χρησιμοποιηθεί μια διασύνδεση συνεχούς ρεύματος για τη σύνδεση του αιολικού πάρκου με το δίκτυο, οι ανεμογεννήτριες γίνονται ηλεκτρικά αποσυζευγμένες από το υπό μελέτη σύστημα. Η δυναμική συμπεριφορά του αιολικού πάρκου διέπεται πλήρως από την τεχνολογία που εφαρμόζεται στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος και πλέον οι λειτουργικές διαφορές των ανεμογεννητριών δεν επηρεάζουν σχεδόν καθόλου τη δυναμική απόκριση του αιολικού πάρκου μετά από διαταραχές. Η διασύνδεση συνεχούς ρεύματος μπορεί να είναι είτε τύπου πηγής ρεύματος είτε τύπου πηγής τάσης. Η συμβατική τεχνολογία που συστήματα μεταφοράς υψηλής τάσης με συνεχές ρεύμα (HVDC) βασισμένη σε θυρίστορ αποτελεί μια dc-διασύνδεση τύπου πηγής ρεύματος. Στη διασύνδεση αυτή χρησιμοποιούνται πρώτα ανορθωτές με θυρίστορ για τη μετατροπή από εναλλασσόμενο σε συνεχές και έπειτα αντιστροφείς με θυρίστορ για τη μετατροπή από συνεχές σε εναλλασσόμενο. Επειδή οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος βασίζονται στην τεχνολογία των θυρίστορ παρουσιάζουν πάντα ένα ρεύμα υστέρησης με αποτέλεσμα να καταναλώνουν άεργο ισχύ. Η αντιστάθμιση της αέργου ισχύος μπορεί να πραγματοποιηθεί με την εγκατάσταση συστοιχιών πυκνωτών. Αυτός ο τύπος διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος χρειάζεται επιπρόσθετο εξοπλισμό, ο οποίος είναι απαραίτητος για το έλεγχο της αέργου ισχύος και είναι παρόμοιος με τον εξοπλισμό που έχουν οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών. Εάν συμβεί κάποιο βύθισμα τάσης που προκαλείται από σφάλμα στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να εξετάσουμε τη δυναμική απόκριση της HVDC διασύνδεσης τύπου πηγής ρεύματος. Κατά τη διάρκεια ενός βυθίσματος τάσης, ακόμη και μικρής τιμής, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να συμβούν σφάλματα λόγω του φαινομένου μετάβασης των ανορθωτών. Κατά το φαινόμενο της μετάβασης το ρεύμα του ανορθωτή δεν μεταφέρεται από τον έναν ημιαγωγικό διακόπτη στον άλλο. Αν η τάση παραμένει κάτω από την ονομαστική αλλά αυξάνει αρκετά ώστε να εκκαθαρίσει το σφάλμα μετάβασης, τότε το σύστημα μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί σε χαμηλότερη dc τάση, μεταφέροντας όμως λιγότερη ποσότητα ισχύος. Αν η τάση παραμένει χαμηλή και το σφάλμα μετάβασης εξακολουθεί να υπάρχει τότε ο αντιστροφέας παρακάμπτεται βραχυκυκλώνοντας την είσοδο του και εμποδίζοντας την έξοδο του. Μόλις η τάση αποκατασταθεί ο αντιστροφέας επανασυνδέεται στο σύστημα. Ο χρόνος αποκατάστασης κυμαίνεται στο εύρος μεταξύ 100 msec και αρκετών δευτερολέπτων, ανάλογα πάντα με το εφαρμοζόμενο είδος ελέγχου και τα χαρακτηριστικά του δικτύου στο οποίο συνδέεται ο

119 αντιστροφέας. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η αποσύνδεση και η επανασύνδεση της HVDC διασύνδεσης οδηγεί στην εμφάνιση μεταβατικών φαινομένων στο αιολικό πάρκο και στο δίκτυο με το οποίο συνδέεται. Στην περίπτωση μιας HVDC διασύνδεσης τύπου πηγής τάσης, οι χρησιμοποιούμενοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος έχουν ως ημιαγωγικά στοιχεία τρανζίστορ IGBT ή MOSFET ισχύος. Η αλληλεπίδραση της HVDC διασύνδεσης με το δίκτυο είναι παρόμοια με εκείνη μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών που οδηγείται απευθείας στο δίκτυο. Η τεχνολογία της συγκεκριμένης διασύνδεσης είναι ουσιαστικά ίδια με αυτή της αναφερόμενης ανεμογεννήτριας. Αυτό σημαίνει ότι ο μετατροπέας καθορίζει τα όρια για τον έλεγχο της αέργου ισχύος. Υπάρχει το ενδεχόμενο να περιορίσουμε το ρεύμα του μετατροπέα κατά τη διάρκεια σφαλμάτων στην ονομαστική τιμή με στόχο να διατηρήσουμε τον μετατροπέα συνδεδεμένο με το δίκτυο. Για να επιτευχθεί αυτό χρειάζεται ο κατάλληλος έλεγχος των τρανζίστορ ισχύος. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η δυναμική απόκριση των αιολικών πάρκων στις μεταβολές συχνότητας εξαρτάται από την τεχνολογία διασύνδεσης με το δίκτυο. Η δυναμική απόκριση στις μεταβολές συχνότητας των αιολικών πάρκων με ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιούν παθητικά στοιχεία στη διασύνδεση καθορίζεται πλήρως από τη μεταβατική απόκριση των συγκεκριμένων ανεμογεννητριών. Στα αιολικά πάρκα με ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών που συνδέονται με το δίκτυο μέσω HVDC διασύνδεσης, οι μεταβολές της συχνότητας του δικτύου δε γίνονται αντιληπτές από τις ανεμογεννήτριες, διότι η HVDC διασύνδεση πραγματοποιεί αποσύζευξη της συχνότητας του αιολικού πάρκου από την συχνότητα του δικτύου. Επομένως, η δυναμική απόκριση του αιολικού πάρκου σε μεταβολές συχνότητας εξαρτάται από τον έλεγχο του μετατροπέα της HVDC διασύνδεσης που βρίσκεται στην πλευρά του δικτύου. Ο κατάλληλος έλεγχος του συγκεκριμένου μετατροπέα επιτρέπει την δυναμική απόκριση του αιολικού πάρκου στις μεταβολές συχνότητας μέσω αλλαγών στο ποσό της παραγόμενης ισχύος [5]. 4.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΥΞΗΜΕΝΗΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Η μελέτη της επίδρασης της αυξημένης διείσδυσης στο δίκτυο των αιολικών συστημάτων με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας είναι απαραίτητη. Η επίδραση αυτή θα εξετασθεί μέσω ηλεκτρομηχανικών φαινομένων που σχετίζονται με την ευστάθεια γωνίας του δρομέα, την ευστάθεια μικρού σήματος, την ευστάθεια τάσης και την ευστάθεια συχνότητας. Μεταξύ των ανεμογεννητριών διαφορετικών τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται. οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών με επαγωγική γεννήτρια διπλής

120 τροφοδοσίας αποκτούν εξέχουσα θέση στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Η συμπεριφορά αυτών των ανεμογεννητριών καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το μετατροπέα και τα συστήματα ελέγχου. Εφόσον οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας είναι επαγωγικές μηχανές, έχουν τέσσερις μηχανισμούς μέσω των οποίων μπορούν να επηρεάσουν την απόσβεση των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων: Εκτοπίζοντας τις σύγχρονες γεννήτριες από την παραγωγή ενέργειας, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν τη λειτουργία του δικτύου. Επιδρώντας σε μεγάλα ποσά των ροών ισχύος στις γραμμές μεταφοράς, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν το συγχρονισμό του δικτύου. Αντικαθιστώντας τις σύγχρονες γεννήτριες που έχουν σταθεροποιητές ισχύος, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν την ευστάθεια του δικτύου. Ελέγχοντας την αλληλεπίδραση με την αποσβεννύμενη ροπή στις κοντινές μεγάλες σύγχρονες γεννήτριες, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν τις ταλαντώσεις στο δίκτυο. Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα εξεταστούν σημαντικές πτυχές των επιπτώσεων της αυξημένης διείσδυσης των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η μελέτη αυτή είναι αναγκαία για να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα ώστε να βελτιωθεί η αξιοπιστία του συστήματος και η λειτουργική του αποτελεσματικότητα. Οι τρεις σημαντικότερες παράμετροι που σχετίζονται με την επίδραση της αυξημένης διείσδυσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο είναι η ευστάθεια γωνίας ισχύος, η ευστάθεια τάσης και η ευστάθεια συχνότητας, οι οποίες και θα εξετασθούν ξεχωριστά [9] Επίδραση στην Ευστάθεια της Γωνίας Ισχύος Κατά την εξέταση της επίδρασης της αυξημένης διείσδυσης των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στην ευστάθεια της γωνίας ισχύος του δρομέα πρέπει να αναλυθούν δύο διαφορετικές πτυχές. Οι πτυχές αυτές είναι η ευστάθεια μικρού σήματος της γωνίας ισχύος και η μεταβατική ευστάθεια της γωνίας ισχύος. Κάθε μία από αυτές τις πτυχές διαφέρει ανάλογα με το είδος του φαινομένου που εξετάζεται και του τύπου των εργαλείων που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση του [9] Επίδραση στην Ευστάθεια Μικρού Σήματος της Γωνίας Ισχύος Όταν αναλύουμε την επίδραση των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στην ευστάθεια μικρού σήματος της γωνίας ισχύος

121 πρέπει να υποθέσουμε ότι οι αλλαγές είναι αρκετά μικρές ώστε να επιτρέψουν τη γραμμικοποίηση του συστήματος εξισώσεων. Μόλις ολοκληρωθεί και επικαλεσθεί αυτή η υπόθεση, τότε όλα τα διαθέσιμα εργαλεία για την εκτέλεση της ανάλυσης ευστάθειας μικρού σήματος με τα κατάλληλα μοντέλα των επαγωγικών γεννητριών διπλής τροφοδοσίας μπορεί να τεθούν σε εφαρμογή. Για να διευκολύνουμε τη μελέτη της επίδρασης της αυξημένης διείσδυσης των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στην ευστάθεια μικρού σήματος της γωνίας ισχύος, θεωρούμε το μικρό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που παρουσιάζεται στo παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4.3 Παράδειγμα συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας [9] Το σχήμα απεικονίζει ένα δίκτυο με εννιά ζυγούς που περιλαμβάνει τρεις σύγχρονες γεννήτριες και ένα αιολικό πάρκο που παριστάνεται με μια ισοδύναμη επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Η ανεμογεννήτρια συνδέεται στον ζυγό 9 και ως επαγωγική μηχανή εκχέει πραγματική και άεργο

122 ισχύ P G και Q G αντίστοιχα στο ζυγό 9. Τότε, προκειμένου να ανταποκριθούν σε αυτή την έκχυση ισχύος, οι γωνίες ισχύος των τριών σύγχρονων γεννητριών θα προσαρμοστούν κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί μια νέα μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Ανάλογα με τις επαγωγές του δικτύου, τα φορτία και τις ροές ισχύος στις γραμμές μεταφοράς, ορισμένες από τις γωνίες ισχύος μπορούν να προηγηθούν και άλλες να καθυστερήσουν από τις αρχικές τους θέσεις πριν την έκχυση ισχύος. Επιπρόσθετα, η έκχυση ισχύος στο δίκτυο δε συνοδεύεται από την προσθήκη αδράνειας στο σύστημα, αφού η αδράνεια της ανεμογεννήτριας καλύπτεται πλήρως από τους μετατροπείς στην πλευρά του δρομέα και στην πλευρά του δικτύου. Με δεδομένη αυτή τη ρύθμιση και αφού υπολογιστεί η συνολική δυνατότητα συγχρονισμού των τριών σύγχρονων γεννητριών, τότε θα παρατηρηθεί ότι ανάλογα με τις μεταβολές στις διαφορές των γωνιών ισχύος των γεννητριών μεταβάλλεται και η δυνατότητα συγχρονισμού τους. Συγκεκριμένα, αν οι διαφορές στις γωνίες ισχύος των γεννητριών αυξηθούν τότε η δυνατότητα συγχρονισμού κάποιων γεννητριών θα μειωθεί και αντίστροφα αν οι διαφορές μειωθούν τότε η δυνατότητα θα αυξηθεί. Αυτό θα επηρεάσει επίσης την απόσβεση των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων των γεννητριών αυτών και τη μηχανική συχνότητα ταλάντωσης. Επομένως, η θέση του ζυγού στον οποίον εκχέεται ισχύ από το αιολικό πάρκο και το ποσό της ισχύος που εκχέεται θα έχει επίδραση στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Οποιοδήποτε μοντέλο ανεμογεννήτριας μπορεί να υιοθετηθεί και να συμπεριληφθεί σε οποιαδήποτε συμβατικό λογισμικό προσομοίωσης για μελέτες ευστάθειας μικρού σήματος. Έτσι, η επίδραση των ανεμογεννητριών με DFIG στις ηλεκτρομηχανικές ταλαντώσεις του συστήματος μπορούν να αναλυθεί συστηματικά. Τέλος, μπορεί να μελετηθεί για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας η επίδραση συγκεκριμένων αιολικών πάρκων με DFIG στην ευστάθεια μικρού σήματος του συστήματος με ακριβείς υπολογισμούς για τη μηχανική συχνότητα ταλαντώσεων και τον συντελεστή απόσβεση τους [9] Το Πρόβλημα της Ευστάθειας Μικρού Σήματος Οι παρακάτω γενικές εξισώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας: x = h(x, u, t) (4.2) y = g(x, u) (4.3) Όπου x το διάνυσμα των μεταβλητών κατάστασης, u το διάνυσμα των εισόδων του συστήματος, h το σύστημα των μη γραμμικών εξισώσεων και y

123 το διάνυσμα των εξόδων του συστήματος. Προκειμένου να επιτευχθεί η ανάλυση ευστάθειας μικρού σήματος απαιτείται πρώτα η γραμμικοποίηση των μη γραμμικών εξισώσεων του δυναμικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Οι γραμμικοποιημένες εξισώσεις που προκύπτουν είναι οι ακόλουθες: Δx = AΔx + BΔu (4.4) Δy = CΔx + DΔy (4.5) όπου A η μήτρα κατάστασης, B η μήτρα εισόδων, C η μήτρα εξόδων και D η μήτρα προσωτροφοδότησης. Οι εξισώσεις κατάστασης στο πεδίο της συχνότητας μπορούν να ληφθούν με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Laplace ως εξής: sδχ(s) Δx(0) = AΔΧ(s) + BU(s) (4.6) (si A)ΔΧ(s) = Δx(0) + BU(s) (4.7) Η εξίσωση (4.7) μπορεί να μετασχηματιστεί ώστε να επιτύχει την προέλευση της αρχικής κατάστασης μέσω μιας απλής μετατόπισης μεταβλητών. Τότε η απόκριση του συστήματος με μηδενική είσοδο θα δίνεται από τη σχέση: (si A)ΔΧ(s) = 0 (4.8) Οι τιμές του s που ικανοποιούν την εξίσωση είναι γνωστές ως ιδιοτιμές της μήτρας Α. Οι ιδιοτιμές αυτές εμφανίζουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την απόκριση του συστήματος σε μικρές διαταραχές και έτσι χαρακτηρίζουν την ευστάθεια του συστήματος. Η χαρακτηριστική λειτουργίας με παράμετρο το χρόνο που αντιστοιχεί σε μια ιδιοτιμή λ δίνεται από την εκθετική συνάρτηση e λt. Μια ιδιοτιμή με θετικό πραγματικό μέρος ορίζει μια εκθετική αύξουσα συμπεριφορά, ενώ μια ιδιοτιμή με αρνητικό πραγματικό μέρος αντιπροσωπεύει μια εκθετική φθίνουσα συμπεριφορά. Μια μιγαδική ιδιοτιμή με θετικό πραγματικό μέρος οδηγεί σε μια αυξανόμενη ταλαντωτική συμπεριφορά και μια άλλη με αρνητικό πραγματικό μέρος οδηγεί σε αποσβεννύμενη ταλάντωση. Το πραγματικό μέρος της ιδιοτιμής σ δίνει την απόσβεση και το φανταστικό μέρος j τη συχνότητα της ταλάντωσης. Η συχνότητα της ταλάντωσης f και ο συντελεστής απόσβεσης ζ μιας μιγαδικής ιδιοτιμής λ = σ + jω δίνονται από τους παρακάτω τύπους: f = ω 2π (4.9) σ ζ = (4.10) ω 2 + σ

124 Ο λόγος απόσβεσης καθορίζει το ρυθμό μείωσης του πλάτους της ταλάντωσης. Για μια ιδιοτιμή λ i της μήτρας κατάστασης A και του αντίστοιχου ιδιοδιανύσματος από τα δεξιά (v i ) καθώς και του αντίστοιχου ιδιοδιανύσματος από αριστερά (w i ) ισχύουν οι σχέσεις: Av i = v i λ i (4.11) w i A = λ i w i (4.12) Στα μεγάλα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας το πρόβλημα της ευστάθειας μικρού σήματος μπορεί να έχει είτε τοπικό είτε γενικό χαρακτήρα. Η μηχανική συχνότητα των ταλαντώσεων του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ 0.1 και 2 ανάλογα με τον αριθμό των γεννητριών. Οι τοπικές ταλαντώσεις βρίσκονται στην άνω περιοχή του φάσματος συχνοτήτων και αποτελούνται από την ταλάντωση μιας μεμονωμένης γεννήτριας ή μιας ομάδας γεννητριών έναντι του υπόλοιπου συτήματος. Η ευστάθεια απαιτεί την απόσβεση αυτών των ταλαντώσεων και εξαρτάται από την αντοχή του συστήματος μεταφοράς όπως φαίνεται από την πλευρά των γεννητριών, του συστήματος ελέγχου και της ισχύος εξόδου. Αντίθετα, οι ταλαντώσεις μιας περιοχής λειτουργίας βρίσκονται στο κάτω τμήμα του φάσματος συχνοτήτων που αντιπροσωπεύει ταλαντώσεις μεταξύ ομάδων γεννητριών. Ειδικότερα, οι χαρακτηριστικές φορτίου έχουν σημαντική επίδραση στην ευστάθεια των περιοχών λειτουργίας. Το χρονικό διάστημα που ενδιαφέρει τις μελέτες ευστάθειας μικρού σήματος είναι της τάξης των sec μετά από μια διαταραχή. Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) αποτελούμενη από ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος επιδρά σημαντικά στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Το σημαντικό σημείο που πρέπει να επισημανθεί ότι οι ανεμογεννήτριες με DFIG είναι επαγωγικές μηχανές και εκχέουν ισχύ στο σύστημα με αποτέλεσμα να επηρεάζουν τις γωνίες ισχύος των άλλων σύγχρονων γεννητριών του συστήματος. Επιπλέον, οι ανεμογεννήτριες αυτές δεν προσθέτουν αδράνεια στο σύστημα, οπότε επηρεάζουν τη δυνατότητα συγχρονισμού των σύγχρονων γεννητριών. Η παρακάτω ενότητα περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι μεταβολές στις παραμέτρους του συστήματος επηρεάζουν τις ηλεκτρομηχανικές του ταλαντώσεις [9] Ευαισθησία των Ιδιοτιμών Η επίδραση των παραμέτρων του συστήματος στη συνολική δυναμική του συμπεριφορά μπορεί να εξεταστεί μέσω της αξιολόγησης της ευαισθησίας των ιδιοτιμών σε σχέση με τις μεταβολές των παραμέτρων. Θα παρουσιαστεί στη συνέχεια η μαθηματική απόκλιση των ευαισθησίας των ιδιοτιμών ως προς την

125 παράμετρο x j. Αρχικά λαμβάνουμε τη μερική παράγωγο της εξίσωσης ως προς την παράμετρο x j, δηλαδή: A x j v i + A v i x j = λ i v i x j + λ i x j v i (4.13) όπου A είναι η n n μήτρα κατάστασης, λ i η i οστή ιδιοτιμή, v i ένα n 1 δεξιό ιδιοδιάνυσμα της μήτρας Α που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ i και n είναι η τάξη του συστήματος. Ο προπολλαπλασιασμός της εξίσωσης με το αριστερό ιδιοδιάνυσμα w i διαστάσεων 1 n της μήτρας A που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή λ i δίνει: w i Α x j v i + w i Α v i x j = w i λ i v i x j + w i λ i x j v i (4.14) w i Α x j v i + w i (Α λ i I) v i x j = w i λ i x j v i (4.15) Όμως έχουμε ξανά ότι: Συνδυάζοντας τις δύο σχέσεις έχουμε: w i (Α λ i I) = 0 (4.16) w i Α x j v i = w i λ i x j v i (4.17) λ i x j = w i Α x j v i w i v i (4.18) Έτσι, η σχέση 4.18 δίνει την ευαισθησία της ιδιοτιμής σε σχέση με την παράμετρο x j. Αυτή η έκφραση θα χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω διερεύνηση της επίδρασης της μεταβολής των παραμέτρων λόγω της συμμετοχής των ανεμογεννητριών τύπου DFIG στους τρόπους ταλαντώσεων του συστήματος. Η κατευθυντήρια αρχή για την εξέταση της επίδρασης της αυξημένης διείσδυσης των αιολικών πάρκων με επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας στην ευστάθεια μικρού σήματος βασίζεται στην παραδοχή ότι με την ενσωμάτωση των ανεμογεννητριών τύπου DFIG η πραγματική αδράνεια του συστήματος θα μειωθεί. Σαν αποτέλεσμα, ένα κρίσιμο σημείο κατά την εξέταση της συμπεριφοράς του συστήματος μετά την ενσωμάτωση των ανεμογεννητριών τύπου DFIG είναι να προσδιορίσουμε πως μεταβάλλεται η ευστάθεια μικρού σήματος καθώς αλλάζει η αδράνεια. Μια λογική αλληλουχία

126 αυτής της αλυσίδας σκέψεων της οδηγεί στην αξιολόγηση της ευαισθησίας του συστήματος σε σχέση με την αδράνεια της γεννήτριας. Η ευαισθησία ιδιοτιμών σε σχέση με την αδράνεια μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: A w λ i v i H i j = (4.19) H j w i v i Το βασικό σημείο στην προτεινόμενη ανάλυση είναι να εξετάσουμε την ευαισθησία σε σχέση με την αδράνεια και να αναγνωρίσουμε τους τύπους των ταλαντώσεων που επηρεάζονται αρνητικά και εκείνες που επηρεάζονται αρνητικά από τη διείσδυση των ανεμογεννητριών τύπου DFIG. Ένα σημαντικό σημείο που πρέπει να επισημανθεί είναι ότι με την αύξηση της διείσδυσης των ανεμογεννητριών τύπου DFIG, θα επηρεαστεί η δυνατότητα συγχρονισμού των σύγχρονων γεννητριών του συστήματος. Αυτό οδηγεί σε μια σημαντική αρνητική επίδραση στην ηλεκτρομηχανική τύπους ταλαντώσεων. Μια κατάλληλη μέθοδος παρέχει τρόπους για τον προσδιορισμό του αποτελέσματος της μειωμένης αδράνειας στον συντελεστή απόσβεσης για διάφορους τύπους ταλαντώσεων [9] Επίδραση στη Μεταβατική Ευστάθεια της Γωνίας Ισχύος Όταν εξετάζουμε τη μεταβατική ευστάθεια της γωνίας ισχύος, ο πρωταρχικός στόχος είναι να προσδιοριστεί η ικανότητα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας να παραμείνει σε συγχρονισμό όταν υποβάλλεται σε μια ισχυρή διαταραχή. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται η πλήρης μη-γραμμική αναπαράσταση του μοντέλου του συστήματος και εκτελούνται οι συμβατικές προσομοιώσεις στο πεδίο του χρόνου με χρήση των κατάλληλων μοντέλων για τα διάφορα στοιχεία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Για τις ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται τα κατάλληλα μοντέλα, ανάλογα με τον τύπο των ανεμογεννητριών που υπάρχουν στο σύστημα. Αυτά τα μοντέλα μαζί με τα μοντέλα των συμβατικών γεννητριών και των άλλων στοιχείων του συστήματος διατυπώνονται σε ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων, το οποίο στη συνέχεια επιλύεται αριθμητικά για μια συγκεκριμένη κατάσταση με διαταραχές. Στο κομμάτι που αφορά τις ανεμογεννήτριες, συνήθως πραγματοποιείται μια αναπαράσταση του αιολικού πάρκου με μία ισοδύναμη ανεμογεννήτρια και η ταχύτητα του ανέμου διατηρείται σταθερή. Υπάρχουν αρκετά πακέτα λογισμικού που επιτρέπουν να εξετασθούν για κάποιο μοντέλο της ταχύτητας του ανέμου οι επιπτώσεις των μεταβολών της ισχύος εξόδου του αιολικού πάρκου στο υπόλοιπο σύστημα. Αρκετές πρόσφατες προσπάθειες έχουν γίνει για να εξετασθεί η επίδραση των αιολικών συστημάτων με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στη

127 μεταβατική ευστάθεια του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, ο βασικός σκοπός είναι να αναλυθεί η επίδραση των αιολικών πάρκων με επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας στη μεταβατική ευστάθεια του υπόλοιπου συστήματος. Από την άποψη αυτή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση που αναφέρθηκε στη μελέτη ευστάθειας μικρού σήματος. Το αιολικό πάρκο εκχέει πραγματική και άεργο ισχύ στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. Αυτή η έκχυση ισχύος μεταβάλλει τη ροή ισχύος στο υπόλοιπο σύστημα ανάλογα με το σημείο διασύνδεσης και το μέγεθος της έκχυσης ισχύος. Επιπλέον, οι γωνίες ισχύος των άλλων σύγχρονων γεννητριών του συστήματος προσαρμόζονται στη μεταβολή της ροής ισχύος. Μια μεγάλη διαταραχή στο σύστημα θα επηρεάσει τις διάφορες σύγχρονες γεννήτριες ανάλογα με την τοποθεσία και τη σοβαρότητα της διαταραχής. Επιπρόσθετα, η ανισορροπία ισχύος που θα προκύψει από τη διαταραχή θα επηρεαστεί και από την τοποθεσία του αιολικού πάρκου και από το μέγεθος της έκχυσης ισχύος που πραγματοποιούν οι ανεμογεννήτριες του. Επίσης, θα πρέπει να διεξαχθούν προσομοιώσεις στο πεδίο του χρόνου για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του αιολικού πάρκου και για διαφορετικά επίπεδα ισχύος εξόδου από τις ανεμογεννήτριες του, ώστε να εξετασθεί η επίδραση της διείσδυσης αιολικού πάρκου με επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας στη μεταβατική ευστάθεια της γωνίας ισχύος των άλλων σύγχρονων γεννητριών του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας [9] Επίδραση στην Ευστάθεια Τάσης Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξετασθεί η επίδραση των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας στην απόκριση τάσης μετά από διαταραχές στην περιοχή του αιολικού πάρκου, καθώς και η ευστάθεια τάσης του διασυνδεδεμένου με το αιολικό πάρκο συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά την εξέταση των θεμάτων της απόκρισης και ευστάθειας τάσης, έχει μεγάλη σημασία η δυνατότητα ελέγχου της αέργου ισχύος από τις ανεμογεννήτριες τύπου DFIG και από το αιολικό πάρκο σαν ενιαίο σύνολο. Συνεπώς, απαιτείται η ανάλυση της δυνατότητας παροχής αέργου ισχύος από τις ανεμογεννήτριες τύπου DFIG και από το αιολικό πάρκο συνολικά. Τα κρίσιμα ζητήματα που αφορούν την απόκριση και την ευστάθεια τάσης, καθώς και οι σχετικές δυνατότητες παροχής και ελέγχου της αέργου ισχύος από τις ανεμογεννήτριες τύπου DFIG και τα αιολικά πάρκα θα συζητηθούν ακολούθως [9] Τρόποι Λειτουργίας των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG Ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα της ανεμογεννήτριας τύπου DFIG έχει τη δυνατότητα να προσαρμόσει τα ρεύματα του δρομέα, ώστε να

128 επιτευχθεί η επιθυμητή ενεργός και άεργος ισχύς εξόδου στην πλευρά του στάτη. Η επιθυμητή τιμή της ενεργού ισχύος επιτυγχάνεται μέσω μιας καμπύλης εντοπισμού της μέγιστης ισχύος. Η επιθυμητή τιμή της αέργου ισχύος εξαρτάται από την τεχνική ελέγχου της ανεμογεννήτριας. Οι δύο πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές ελέγχου της αέργου ισχύος είναι ο έλεγχος του συντελεστή ισχύος και ο έλεγχος της τάσης. Η ενεργός και άεργος ισχύς του στάτη ρυθμίζονται μέσω της τεχνικής ελέγχου του συντελεστή ισχύος με στόχο να διατηρήσουν ένα σταθερό συντελεστή ισχύος στο σημείο διασύνδεσης. Η άεργος ισχύς ρυθμίζεται μέσω της τεχνικής ελέγχου της τάσης με σκοπό να διατηρήσει το πλάτος της τάσης σε μια καθορισμένη τιμή. Ο μετατροπέας στη πλευρά του στάτη συνήθως προκαθορίζεται σε ένα μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Χρησιμοποιώντας σαν δεδομένα όλα τα παραπάνω μπορούμε να εξετάσουμε σημαντικές πτυχές της απόκρισης τάσης και της ευστάθειας τάσης [9] Δυνατότητα Αδιάλειπτης Λειτουργίας υπό Μειωμένη Τάση (Low Voltage Ride Through) των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG Ιστορικά, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες συνδέονταν στα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής. Στην περίπτωση μιας μεγάλης διαταραχής που συνεπαγόταν ένα σημαντικό βύθισμα της τάσης κοντά σε μια ανεμογεννήτρια, εφαρμοζόταν η αποδεκτή πρακτική της ενεργοποίησης της ανεμογεννήτριας. Αυτή η πρακτική βασιζόταν στο λόγο ότι τα δίκτυα διανεμημένης παραγωγής που εφοδιάζονταν από ακτινικά συστήματα θα μπορούσαν να επηρεάσουν το συνδεόμενο με το σύστημα αιολικό πάρκο το οποίο δέχεται τη διαταραχή. Το αποτέλεσμα θα ήταν η νησιδοποιημένη λειτουργία που θα προκαλούσε μηαποδεκτές καταστάσεις υπερτάσεων. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας ανεμογεννητριών και την κατασκευή μεγάλων αιολικών πάρκων που συνδέονται σε μεγάλα δίκτυα μεταφοράς, το ζήτημα της αδιάλειπτης λειτουργίας υπό μειωμένη τάση που αναφέρεται και ως αδιάλειπτη λειτουργία υπό σφάλμα (fault ride through) έγινε ένα σημαντικό λειτουργικό πρόβλημα. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη κανονισμών που απαιτούν τα αιολικά πάρκα να παραμένουν συνδεδεμένα με το δίκτυο κατά την παρουσία σοβαρών διαταραχών τάσης για ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα και μια ορισμένη τάση λειτουργίας. Συγκεκριμένα, οι κανονισμοί απαιτούν τα αιολικά πάρκα να διατηρούν τη λειτουργία τους κατά τη διάρκεια τριφασικών βραχυκυκλωμάτων που εκκαθαρίζονται εντός κανονικού χρόνου και από τη γραμμή μεταφοράς να γειώνει τα τριφασικά βραχυκυκλώματα με καθυστερημένη εκκαθάριση. Επιπλέον, οι κανονισμοί απαιτούν η επακόλουθη μετασφαλματική τάση να επιστρέψει στην προσφαλματικό επίπεδο τάσης, εκτός αν η εκκαθάριση του

129 βραχυκυκλώματος αποσυνδέει αποτελεσματικά την ανεμογεννήτρια από το δίκτυο. Στο ενδεχόμενο που το σφάλμα παραμένει για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από το καθορισμένο χρόνο εκκαθάρισης ή η μετασφαλματική τάση δε μεταβεί στην καθορισμένη τιμή, το αιολικό πάρκο μπορεί να αποσυνδεθεί από το σύστημα μεταφοράς. Οι αιολικοί σταθμοί παραγωγής πρέπει να παραμένουν συνδεδεμένοι κατά τη διάρκεια τέτοιων σφαλμάτων με επίπεδα τάσης που φθάνουν τα 0 V, όπως μετρούνται από την υψηλή πλευρά του σημείου διασύνδεσης του μετασχηματιστή. Το σχήμα 4.4 δείχνει ένα παράδειγμα καμπύλης τάσης ανεμογεννητριών τύπου DFIG με δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας: Σχήμα 4.4 Καμπύλη τάσης ανεμογεννήτριας τύπου DFIG με δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας [9] Λαμβάνοντας υπόψη το κύριο ζήτημα που σχετίζεται με τις επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας είναι η ευαισθησία ρεύματος των μονωμένων γεφυρών με τρανζίστορ IGBT που περιέχουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος. Οι συσκευές αυτές θα υποστούν καταστροφή εάν ρεύματα του μετατροπέα υπερβούν τα ασφαλή όρια λειτουργίας. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας συνδέεται στο δρομέα μέσω δακτυλίων ολίσθησης. Ένας τρόπος για να

130 απομονωθεί και να προστατευθεί ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα είναι η χρήση ενός συστήματος βραχυκύκλωσης μεταβλητής αντίστασης (crowbar). Ουσιαστικά, πρόκειται για μια εξωτερική σύνθετη αντίσταση που συνδέεται στο δρομέα παράλληλα με τους δακτυλίους ολίσθησης και περιορίζει το ρεύμα του δρομέα. Αυτή η μέθοδος απομονώνει τον μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα και τον προστατεύει από καταστροφικά μεταβατικά ρεύματα που θα μπορούσαν να παραχθούν στα τυλίγματα του δρομέα από τον στάτη της γεννήτριας κατά τη διάρκεια διαταραχών [9] Στατική Χαρακτηριστική Ισχύος των Ανεμογεννητριών τύπου DFIG Οι συμβατικές ηλεκτρικές μηχανές έχουν ορισμένους εγγενείς περιορισμούς που περιορίζουν την παραγωγή ισχύος. Προκειμένου να προσδιορίσουμε την ακριβή ικανότητα παραγωγής ισχύος είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των μηχανών. Στην περίπτωση των επαγωγικών γεννητριών διπλής τροφοδοσίας οι δύο παράγοντες που επηρεάζουν τους περιορισμούς που καθορίζουν την ικανότητα παραγωγής ισχύος είναι η επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και τα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος των μετατροπέων. Μια άλλη σημαντική διαφορά μεταξύ μιας ανεμογεννήτριας με DFIG και μιας συμβατικής σύγχρονης γεννήτριας είναι ότι η ισχύς εξόδου της DFIG εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου και τη χαρακτηριστική μεγίστης ισχύος της μηχανής. Συνεπώς, τα όρια της πραγματικής ισχύος ορίζονται από την ταχύτητα του ανέμου. Από την άλλη πλευρά, η δυνατότητα παραγωγής αέργου ισχύος καθορίζεται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής, τα οποία θέτουν περιορισμούς στις τάσεις και τα ρεύματα του στάτη και του δρομέα. Επομένως, η μέγιστη δυνατότητα παραγωγής ισχύος εξαρτάται από τον κατασκευαστικό σχεδιασμό της μηχανής σε συνδυασμό με τον μετατροπέα back-to-back. Μια προσέγγιση για την εύρεση της καμπύλης δυνατότητας παραγωγής ισχύος ενός αιολικού πάρκου με ανεμογεννήτριες τύπου DFIG είναι η εξέταση των για κάθε μεμονωμένη ανεμογεννήτρια του αιολικού πάρκου. Βάσει της προσέγγισης αυτής σχεδιάσαμε την καμπύλη δυνατότητας παραγωγής ισχύος για μια μεμονωμένη ανεμογεννήτρια του αιολικού πάρκου. Στη συνέχεια υποθέσαμε ότι θα μπορούσε να μεγεθυνθεί η κλίμακα της καμπύλης της συγκεκριμένης ανεμογεννήτριας ώστε να αντιπροσωπεύσει συνολικά τη συμπεριφορά του αιολικού πάρκου. Το σχήμα δείχνει τη στατική χαρακτηριστική δυνατότητας παραγωγής ισχύος ενός αιολικού πάρκου με ανεμογεννήτριες DFIG στο ανά μονάδα σύστημα (p.u.):

131 Σχήμα 4.5 Στατική χαρακτηριστική ισχύος ανεμογεννήτριας τύπου DFIG [9] Είναι προφανές πως πρέπει να επισημανθούν οι λόγοι για τους οποίους χρησιμοποιούμε μια κλιμακοποιημένη καμπύλη για να αναπαραστήσουμε τις δυνατότητες παραγωγής ισχύος του αιολικού πάρκου. Στα περισσότερα αιολικά πάρκα χρησιμοποιούνται ανεμογεννήτριες που συνήθως είναι του ίδιου τύπου. Η ικανότητα παραγωγής αέργου ισχύος του αιολικού πάρκου δίδεται από το γινόμενο της ικανότητας παραγωγής αέργου ισχύος της κάθε ανεμογεννήτριας επί τον συνολικό αριθμό των ανεμογεννητριών του πάρκου. Κάθε αιολικό πάρκο διαθέτει σύστημα εποπτικού ελέγχου που προσδιορίζει την ονομαστική ισχύ του πάρκου συνήθως σε kvar. Επιπλέον, το σύστημα εποπτικού ελέγχου μετρά το επίπεδο της τάσης και το ποσό της αέργου ισχύος που λαμβάνεται στο σημείο διασύνδεσης του αιολικού πάρκου. Το ποσό της αέργου ισχύος που μεταφέρεται στο σημείο διασύνδεσης δεν ισούται με το γινόμενο της αέργου ισχύος εξόδου κάθε ανεμογεννήτριας επί τον αριθμό των ανεμογεννητριών του πάρκου, διότι υπάρχουν απώλειες αέργου ισχύος. Στη συνέχεια, το σύστημα εποπτικού ελέγχου παράγει ένα σήμα για παραγωγή αέργου ισχύος που δεν επιτρέπεται να υπερβεί την ονομαστική ισχύ του αιολικού πάρκου. Η παραγόμενη άεργος ισχύς διαιρείται με τον αριθμό των ανεμογεννητριών του πάρκου διανέμεται σε κάθε μεμονωμένη ανεμογεννήτρια. Βέβαια υπάρχουν και κάποιες μικρές διαφορές όταν το σύστημα εποπτικού ελέγχου πρέπει να χειριστεί παράλληλους πυκνωτές ή επαγωγούς. Το σύστημα εποπτικού ελέγχου γνωρίζει πότε

132 κάποιες μεμονωμένες ανεμογεννήτριες είναι εκτός λειτουργίας και συνεπώς αντισταθμίζει αναλόγως [9] Επίδραση στην Ευστάθεια Τάσης Μόνιμης Κατάστασης Οι ανεμογεννήτριες με DFIG έχουν την εγγενή δυνατότητα να ελέγχουν την άεργο ισχύ στην έξοδο τους χωρίς την ανάγκη για πρόσθετη υποστήριξη της αέργου ισχύος. Η επίδραση των ανεμογεννητριών με DFIG στην ευστάθεια τάσης μόνιμης κατάστασης εξαρτάται από την θέση διασύνδεσης του αιολικού πάρκου με το δίκτυο και τις τοποθεσίες των περιοχών του δικτύου που είναι ευπαθείς σε προβλήματα τάσης. Αυτές οι περιοχές μπορεί είναι επιρρεπείς σε προβλήματα τάσης λόγω της έλλειψης πηγών αέργου ισχύος, της φύσης του φορτίου και της δυνατότητας του συστήματος μεταφοράς στη συγκεκριμένη περιοχή. Σε πολλές χώρες του κόσμου τα αιολικά πάρκα συνήθως συνδέονται είτε στο δίκτυο διανομής, είτε στο υποσύστημα μεταφοράς. Σαν αποτέλεσμα, υπάρχει επίδραση στο σύστημα μεταφοράς στον τομέα της παροχής υποστηρικτικής τάσης, η οποία θα πρέπει να εξετασθεί προσεκτικά. Μια ανεμογεννήτρια με DFIG έχει τη δυνατότητα λειτουργίας με δύο τεχνικές ελέγχου, δηλαδή τον έλεγχο σταθερού συντελεστή ισχύος και τον έλεγχο τερματικής τάσης. Στην περίπτωση του ελέγχου του συντελεστή ισχύος, ελέγχεται η παραγωγή αέργου ισχύος προκειμένου να επιτευχθεί ο καθορισμένος συντελεστής ισχύος. Στην περίπτωση του ελέγχου της τερματικής τάσης, ελέγχεται η άεργος ισχύς ώστε ένας συγκεκριμένος ζυγός να αποκτήσει την επιθυμητή τιμή τάσης. Διάφορες προσεγγίσεις έχουν προταθεί για να εφαρμοστεί ο έλεγχος τερματικής τάσης. Αυτές οι προσπάθειες έχουν δείξει ότι ο ενισχυμένος έλεγχος τάσης βελτιώνει την απόδοση του συστήματος. Στην ανάλυση της επίδρασης των ανεμογεννητριών με DFIG στην ευστάθεια τάσης μόνιμης κατάστασης, ένα σημαντικό ζήτημα που χρειάζεται να εξετασθεί είναι η μεταβλητότητα του ανέμου. Αυτή η μεταβλητότητα δεν έχει επίδραση στη δυνατότητα του αιολικού πάρκου να παράγει την απαραίτητη άεργο ισχύ. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για να καταγραφεί η μεταβλητότητα του αιολικού δυναμικού. Η πρώτη είναι η χρήση της πιθανοτικής προσέγγισης της ροής ισχύος και η δεύτερη η χρήση της χρονικής προσέγγισης της ροής ισχύος με ακριβή στοιχεία. Στην πιθανοτική προσέγγιση της ροής ισχύος, συνήθως χρησιμοποιούνται στατιστικά δεδομένα για να χαρακτηρίσουν τη μεταβλητότητα του ανέμου μέσω μιας πιθανοτικής κατανομής. Ωστόσο, θα πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να διαπιστωθεί ότι υπάρχουν επαρκή στατιστικά δεδομένα που έχουν συλλεχθεί από όλες τις τοποθεσίες του αιολικού πάρκου, διότι είναι αναγκαίο να καταγραφεί η χωροχρονική διακύμανση του ανέμου. Η πιθανοτική ανάλυση της ροής ισχύος παρέχει

133 σημαντικές στατιστικές μετρήσεις για την απόδοση του συστήματος, αλλά δεν καταγράφει λεπτομερή θέματα που σχετίζονται με τα προβλήματα τάσης. Αντίθετα, η προσομοίωση με το χρόνο της ροής ισχύος γίνεται χρησιμοποιώντας χρονικής σειράς δεδομένα για την ταχύτητα του ανέμου και τη μεταβλητότητα του φορτίου. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για να πραγματοποιηθεί μια προσομοίωση της λειτουργίας του αιολικού πάρκου για διαφορετικές συνθήκες ώστε τελικά να εξετασθεί η ικανότητα των αιολικών πάρκων να παρέχουν υποστηρικτική τάση. Ακόμη, τα χρονικής σειράς δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσδιοριστεί το αιτιοκρατικό μοντέλο του σημείου χειρότερης λειτουργίας του αιολικού πάρκου εντός του συνόλου των δεδομένων. Επίσης είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι το φορτίο του συστήματος και τα ανεμολογικά δεδομένα πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά ώστε να εξασφαλιστεί ότι η επιλεγόμενη χρονικής σειράς ακολουθία αποτυπώνει την πολύπλοκη σχέση μεταξύ ανέμου και φορτίου. Σε συστήματα με αυξημένη αιολική διείσδυση, οι χειρότερες συνθήκες λειτουργίες συμβαίνουν όταν η παραγωγή ισχύος εξυπηρετεί ένα σημαντικό τμήμα της ζήτησης φορτίου και οι μηχανισμοί υποστήριξης της τάσης είναι ανεπαρκείς. Ένα άλλο εξίσου σημαντικό θέμα είναι να αναγνωρίσουμε ότι η δυνατότητα ελέγχου της τάσης του τερματικού ζυγού από την ανεμογεννήτρια με DFIG είναι τοπικά περιορισμένη. Αυτό σημαίνει ότι ο έλεγχος της τερματικής τάσης είναι ικανός να επηρεάζει σημαντικά μόνο το τμήμα του συστήματος όπου εντοπίζεται η παραγωγή ενέργειας από τον άνεμο. Οπότε, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσουμε συγκεκριμένα δεδομένα από τοπολογική άποψη για την αιολική ενέργεια που να αντιπροσωπεύουν διαφορετικά τμήματα του συστήματος [9] Επίδραση στην Ευστάθεια Συχνότητας Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η συχνότητα ελέγχεται μέσω της εξισορρόπησης της παραγωγής ενέργειας έναντι της ζήτησης φορτίου. Γενικά, υπάρχει ανάγκη για συνεχή προσαρμογή της εξόδου της γεννήτριας καθώς μεταβάλλεται η ζήτηση του φορτίου. Ταυτόχρονα, το σύστημα θα πρέπει να είναι σε θέση να ανταποκριθεί σε περιστασιακές μεγαλύτερες ανισορροπίες μεταξύ παραγωγής και φορτίου, όπως για παράδειγμα όταν ενεργοποιείται μια μεγάλη γεννήτρια ή ένα μεγάλο φορτίο. Η δυναμική συμπεριφορά των αιολικών μονάδων με επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας, όπως φαίνονται από το δίκτυο, διέπεται πλήρως από τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος που περιλαμβάνονται στο σύστημα ελέγχου των ανεμογεννητριών. Κατά τον συμβατικό έλεγχο, τα ρεύματα του δρομέα ελέγχονται πάντα ώστε η ανεμογεννήτρια να δεσμεύει τη μέγιστη ενέργεια από τον άνεμο καθώς μεταβάλλεται η ταχύτητα του δρομέα. Έτσι, η αδράνεια της ανεμογεννήτριας είναι αποτελεσματικά αποσυζευγμένη από το

134 σύστημα. Με τη διείσδυση των αιολικών πάρκων με ανεμογεννήτριες τύπου DFIG στο δίκτυο, η πραγματική αδράνεια του συστήματος θα μειωθεί. Εφόσον μειώνεται η αδράνεια του συστήματος εξαιτίας του μεγάλου αριθμού των ανεμογεννητριών τύπου DFIG, μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά η αξιοπιστία του συστήματος μετά την εμφάνιση μεγάλων διαταραχών. Δεδομένου ότι η αδράνεια των ανεμογεννητριών με DFIG καλύπτεται πλήρως από το δίκτυο λόγω των μετατροπέων back-to-back, η απόκριση συχνότητας θα μπορούσε να μειωθεί εάν αρκετές συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες αντικατασταθούν από ανεμογεννήτριες με DFIG. Ένα σημείο που πρέπει να επισημανθεί είναι ότι το ελάχιστο πλάτος της απόκρισης συχνότητας μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά από το ποσό της διαθέσιμης περιστρεφόμενης εφεδρείας. Εάν αυτή η εφεδρεία είναι επαρκής, τότε το ελάχιστο πλάτος της συχνότητας είναι δυνατόν να ελεγχθεί. Μια προσέγγιση που θα μπορούσε να γίνει είναι η εξομοίωση της αδρανειακής απόκρισης των ανεμογεννητριών τύπου DFIG χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Περισσότερες λεπτομέρειες για την προσέγγιση αυτή παρουσιάζονται στην επόμενη υποενότητα [9] Έλεγχος Συχνότητας από Ανεμογεννήτριες DFIG Για τη μελέτη του ελέγχου της συχνότητας από ανεμογεννήτριες τύπου DFIG είναι απαραίτητο να γίνει μια εξομοίωση της αδρανειακής απόκρισης αυτών των ανεμογεννητριών. Αυτή η τεχνική ελέγχου βασίζεται στην ιδέα της μεταβολής της προκαθορισμένης ροπής προκειμένου να ρυθμισθεί η συχνότητα του δικτύου. Η είσοδος στον συμπληρωματικό ελεγκτή είναι το σφάλμα συχνότητας στο σημείο διασύνδεσης της ανεμογεννήτριας. Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται σε ένα σύστημα αποτελούμενο από πολλά αιολικά πάρκα που είναι γεωγραφικά διασκορπισμένα. Κατά τη διάρκεια των πρώτων δευτερολέπτων, ακόμα και η ίδια διαταραχή μπορεί να έχει ένα ευρύ φάσμα επιπτώσεων στις ανεμογεννήτριες του συστήματος. Συνεπώς, το σφάλμα συχνότητας παροδικά μπορεί να διαφέρει για διαφορετικούς ζυγούς του συστήματος. Εφόσον απαιτείται ο ελεγκτής να ανταποκριθεί αναλόγως, το σφάλμα της συχνότητας του δικτύου χρησιμοποιείται σαν είσοδος στον ελεγκτή. Επιπρόσθετα, η υποστήριξη συχνότητας από τις ανεμογεννήτριες τύπου DFIG εξαρτάται από την κινητική ενέργεια που αποθηκεύεται στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Αυτή η υποστήριξη συχνότητας περιορίζεται από τη σταθερή αδράνεια των ανεμογεννητριών, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από την ονομαστική φαινομένη ισχύ του συστήματος. Ως εκ τούτου, το κέρδος του συμπληρωματικού ελεγκτή ρυθμίζεται με βάση το σφάλμα συχνότητας και την ονομαστική φαινομένη ισχύ (σε MVA) του αιολικού πάρκου. Το κέρδος του συμπληρωματικού ελεγκτή ορίζεται ως εξής:

135 G = 1 Δω max S N S b (4.20) όπου G το κέρδος του συμπληρωματικού ελεγκτή, S N η ονομαστική φαινομένη ισχύ του αιολικού πάρκου, S b η βάση στο ανά μονάδα σύστημα και Δω max το μέγιστο σφάλμα της συχνότητας του δικτύου στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο όλων των αιολικών πάρκων. Το μέγιστο σφάλμα της συχνότητας του δικτύου εκτιμάται μέσω προσομοίωσης μιας σειράς από μεγάλες διαταραχές που προκαλούν μείωση της παραγόμενης ενέργειας και τις οποίες μπορεί να αντέξει το σύστημα χωρίς να γίνει μεταβατικά ασταθές [9]. Σχήμα 4.6 Δομικό διάγραμμα του συμπληρωματικού βρόχου ελέγχου αδράνειας [9]

136 Σχήμα 4.7 Δομικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου της ανεμογεννήτριας τύπου DFIG με συμπληρωματικό ελεγκτή αδράνειας [9] Όταν ο στόχος είναι η παροχή αδρανειακής υποστήριξης στο σύστημα, το χρονικό διάστημα που μας ενδιαφέρει είναι τα πρώτα ελάχιστα δευτερόλεπτα μετά τη διαταραχή. Η ανεμογεννήτρια τύπου DFIG εφοδιασμένη με τον συμπληρωματικό ελεγκτή μπορεί να υποστηρίξει το σύστημα κατά το προαναφερόμενο χρονικό διάστημα. Η επιπρόσθετη ηλεκτρικής ισχύς εξόδου παρέχεται μέσω μιας επακόλουθης μείωσης της ταχύτητας του δρομέα. Επιπλέον, το γεγονός ότι η ταχύτητα του ανέμου είναι η κύρια είσοδος του ελεγκτή δεν επιτρέπει αλλαγές στην τιμή της. Οπότε, η κινητική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στον περιστρεφόμενο δρομέα των ανεμογεννητριών αναλαμβάνει την παροχή του πρωταρχικού ελέγχου συχνότητας. Ωστόσο, αυτό εξαρτάται από παράγοντες όπως η ονομαστική απόδοση και τα όρια λειτουργίας του μετατροπέα, καθώς και τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας. Λόγω της περιορισμένης αποθηκευμένης κινητικής ενέργειας, η υποστήριξη συχνότητας μπορεί να παρέχεται μόνο για ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Εάν το τελικό σφάλμα συχνότητας μόνιμης κατάστασης είναι μη μηδενικό, τότε θα πρέπει να ρυθμιστεί από τον δευτερεύον έλεγχο συχνότητας. Εφόσον o συμπληρωματικός ελεγκτής δεν αποσκοπεί στη διόρθωση του σφάλματος μόνιμης κατάστασης, είναι επαρκής η χρήση ενός αναλογικού ελεγκτή (P-controller) [9]

137 Ρύθμιση του Ελεγκτή Βήματος Πτερυγίων Λόγω της λειτουργίας με μεταβλητή ταχύτητα, η αποθηκευμένη κινητική ενέργειας και κατά συνέπεια η αδρανειακή απόκριση των ανεμογεννητριών τύπου DFIG εξαρτάται από τη δεσμευόμενη αεροδυναμική ισχύ που έπειτα μετατρέπεται σε μηχανική ισχύ. Τη δέσμευση της αεροδυναμικής ισχύος την αναλαμβάνει ο ελεγκτής βήματος πτερυγίου και το μέγιστο ποσό της επιτυγχάνεται όταν ο ελεγκτής βήματος πτερυγίου υποστηρίζει τη λειτουργία του συμπληρωματικού ελεγκτή συχνότητας. Οι συμβατικές παράμετροι του ελεγκτή βήματος πτερυγίου μπορούν να προσαρμοστούν, έτσι ώστε η μηχανική ισχύς να μπορεί να μεταβληθεί, παρέχοντας ευστάθεια συχνότητας σε μεταβατικές καταστάσεις. Αυτό επιτυγχάνεται με κατάλληλη μεταβολή του κέρδους του αναλογικο-ολοκληρωτικού ελεγκτή (PI-controller) που περιλαμβάνει ο ρυθμιστής βήματος πτερυγίου. Οι παράμετροι του ελεγκτή θα πρέπει να μεταβάλλονται με τέτοιο τρόπο ώστε ο ρυθμιστής να μην πραγματοποιεί αύξηση της γωνίας βήματος πτερυγίου κατά της διάρκεια μεταβατικής περιόδου, όπου το σύστημα υφίσταται πτώση στην παραγωγή ενέργειας. Γενικά, στη ρύθμιση βήματος πτερυγίου χρησιμοποιείται μια πειραματική προσέγγιση. Οι παράμετροι επιλέγονται έτσι ώστε ο ρυθμιστής να μειώνει τη γωνία βήματος πτερυγίου, αποφεύγοντας τη μεταβατική πτώση στο ποσό της μηχανικής ισχύος κατά τη διάρκεια συνθηκών όπου το σύστημα απαιτεί περισσότερη ενεργό ισχύ. Με αυτό τον τρόπο, υποστηρίζεται η λειτουργία του συμπληρωματικού ελεγκτή και σαν αποτέλεσμα αυξάνεται η ηλεκτρική ισχύς εξόδου κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου Ρύθμιση της Μέγιστης Πραγματικής Ισχύος Η επιπρόσθετη ισχύος που παρέχεται από την ανεμογεννήτρια τύπου DFIG εξαρτάται από την μέγιστη πραγματική ισχύ P max, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από παράγοντες όπως η ονομαστική απόδοση, τα όρια λειτουργίας του μετατροπέα και τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας. Η τεχνική της ρύθμισης της μέγιστης ζητούμενης ισχύος βασίζεται στην ιδέα ότι η αύξηση της τιμής της πραγματικής ισχύος P max θα βελτιώσει την αδρανειακή απόκριση της ανεμογεννήτριας τύπου DFIG κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου. Όμως για να είμαστε εντός των κατασκευαστικών περιορισμών του μετατροπέα η αυξημένη τιμή της P max δε θα πρέπει να απαιτεί τη διάθεση ρεύματος πέρα από βραχυπρόθεσμη δυνατότητας ρεύματος του μετατροπέα (I pmax ) [9]

138 4.4 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ ΣΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Ο βαθμός της απόκλισης από τις κανονικές ημιτονοειδείς κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζει την ποιότητα ισχύος που μεταφέρεται στο δίκτυο. Η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε στο να γίνει η ποιότητα ισχύος ένα σημαντικό ζήτημα στο οποίο εστιάζουμε τα τελευταία χρόνια. Τα θέματα της ποιότητας ισχύος ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνουν τις μεταβολές συχνότητες, τις αρμονικές παραμόρφωσης, τα βυθίσματα τάσης και την ανισορροπία ισχύος. Το επίπεδο της ανοχής της ποιότητας ισχύος εξαρτάται από το είδος του φορτίου που έχει εγκατασταθεί από τον καταναλωτή και συγκεκριμένα από την ευαισθησία του φορτίου. Η εμφάνιση και η συχνότητα των προβλημάτων ποιότητας ισχύος εξαρτώνται από την αντοχή του δικτύου, τον τύπο του φορτίου του καταναλωτή που τροφοδοτείται από το δίκτυο, τον χρησιμοποιούμενο ηλεκτρονικό εξοπλισμό, τη γεωγραφική θέση της περιοχής, το μέγεθος του δικτύου, τις κλιματολογικές αλλαγές και τη λειτουργική ικανότητα των διαχειριστών του δικτύου διανομής. Η κακή ποιότητα ισχύος θα μπορούσε να οδηγήσει σε απώλειες στο δίκτυο, δυσλειτουργία του ηλεκτρικού εξοπλισμού ή ακόμα και αποσυγχρονισμό που θα μπορούσε να προκαλέσει βλάβη του δικτύου. Η χαμηλή ποιότητα ισχύος έχει αρνητικές συνέπειες στην καθημερινή ζωή των καταναλωτών και προκαλεί σημαντική ζημία στην οικονομία των κρατών. Η ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη είναι ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών και άρα χρειάζεται εφοδιασμό με ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος ώστε να επιτύχουν ελεγχόμενη αλληλεπίδραση με το δίκτυο. Οι μετατροπείς αυτοί είναι πηγή αρμονικών, ειδικά σε δίκτυα με χαμηλή ικανότητα βραχυκυκλώματος. Επιπλέον, οι περισσότερες πηγές αιολικού δυναμικού βρίσκονται πολύ μακριά από την πόλη όπου η πρόσβαση στα ισχυρά δίκτυα είναι περιορισμένη. Το δίκτυο σε αυτή την περιοχή είναι αρχικά προγραμματισμένο για μονόδρομη ροή ισχύος. Η ενσωμάτωση των ανεμογεννητριών στο δίκτυο μπορεί να έχει αρνητική επίδραση στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας της κατηγορίας αυτών των δικτύων. Υπάρχουν ορισμένα πρότυπα προς εφαρμογή προκειμένου να εξασφαλιστεί η ομοιόμορφη μέτρηση της ποιότητας ισχύος. Αυτά τα πρότυπα καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο θα πρέπει να διεξάγεται η μέτρηση της ποιότητας ισχύος και τα επίπεδα τα οποία δεν πρέπει να υπερβαίνει. Αυτά τα πρότυπα είναι τα IEEE , IEC και EN Το πρότυπο IEEE

139 αναφέρεται στις πρακτικές και στις απαιτήσεις για τον έλεγχο των αρμονικών στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, προσδιορίζει τους περιορισμούς στις αρμονικές των κυματομορφών τάσης και ρεύματος, που παρουσιάζονται στο σημείο κοινής σύνδεσης μεταξύ του τελικού καταναλωτή και του διαχειριστή του συστήματος διανομής. Να σημειωθεί ότι το συγκεκριμένο πρότυπο απαιτεί τη συμμετοχή τόσο του διαχειριστή όσο και του καταναλωτή. Το πρότυπο IEC περιγράφει τις κατάλληλες μεθόδους μέτρησης ώστε να εξασφαλιστούν οι ποσότητες της τάσης και του ρεύματος. Επίσης, παρέχει τα συνυπολογισμένα χρονικά διαστήματα και τις μεθοδολογίες μετρήσεων. Ο κώδικας EN50160 εφαρμόζεται κυρίως στις ευρωπαϊκές χώρες και θέτει τα πρότυπα επίπεδα που δεν πρέπει να υπερβούν οι διάφορες παράμετροι της ποιότητας ισχύος. Το 2001 ορίστηκε το πρότυπο IEC για τη μέτρηση και την αξιολόγηση της ποιότητας ισχύος στις ανεμογεννήτριες. Το πρότυπο αυτό καθορίζει τα χαρακτηριστικά της ποιότητας ισχύος στις ανεμογεννήτριες και προτείνει συγκεκριμένη διαδικασία μετρήσεων [11] Διακυμάνσεις Τάσης Ο όρος διακυμάνσεις τάσης αναφέρεται σε περιοδικές μεταβολές της συχνότητας της τάσης, συνήθως μεταξύ 0.5 και 25 Hz. Το πρότυπο IEC περιγράφει τη μέτρηση των διακυμάνσεων τάσης με δεδομένο το στιγμιαίο επίπεδο διακύμανσης, καθώς και το μέτρο της βραχυπρόθεσμης πιθανότητας (Pst) για ένα χρονικό διάστημα 10 sec και το μέτρο της μακροπρόθεσμης πιθανότητας (Plt) για ένα μέσο όρο 2 h. Το επίπεδο των μεταβολών συχνότητας για ένα δίκτυο μέσης τάσης ορίζεται με τιμές Pst=0.35 και Plt=0.25. Όταν έχουμε την τιμή Pst=1, τότε το μέγεθος των διακυμάνσεων τάσης έχει φθάσει το μέγιστο επιτρεπτό όριο του μέσου καταναλωτή. Οι ανεμογεννήτριες ορισμένες φορές παράγουν ταλαντευόμενη ηλεκτρική ισχύ στην έξοδο τους, η οποία μπορεί να προκαλέσει διακυμάνσεις τάσης στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Οι διακυμάνσεις που προκαλούνται από το φαινόμενο της σκιάς πύργου και της τυρβώδους ροής του ανέμου μπορούν να οδηγήσουν σε διακυμάνσεις τάσης. Το πρότυπο IEC παρέχει τη διαδικασία μέτρησης για τον υπολογισμό της επίδρασης των μεταβολών συχνότητας των ανεμογεννητριών. Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, οι διακυμάνσεις τάσης από την ανεμογεννήτρια διαχωρίζονται σε δύο περιοχές λειτουργίας, την συνεχή λειτουργία και την διακοπτική λειτουργία. Οι διακυμάνσεις τάσης λόγω της συνεχούς λειτουργίας προκύπτουν από τις μεταβολές της ενεργού και αέργου ισχύος, που οφείλονται στις διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών έχουν τη δυνατότητα να μειώνουν την επίδραση του φαινομένου αυτού μέσω μικρών αλλαγών στην ταχύτητα του δρομέα. Οι διακοπτικές λειτουργίες προκαλούνται

140 από γρήγορες αλλαγές στην ισχύ από το ένα επίπεδο ισχύος στο άλλο, οι οποίες είναι δυνατόν να οφείλονται σε έναρξη, αποσύνδεση και διακοπή ανάμεσα στις ανεμογεννήτριες [11]. Οι επιπτώσεις των διακυμάνσεων τάσης δεν είναι τόσο σοβαρές στις ανεμογεννήτριες τύπου PMSG. Αυτό οφείλεται στο ότι οι ανεμογεννήτριες αυτές έχουν τη δυνατότητα να εφαρμόζουν έλεγχο ταχύτητας, ώστε να γίνεται απόσβεση των διακυμάνσεων της αεροδυναμικής ροπής που προέρχονται από διακοπτικές λειτουργίες ή αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου. Το αποτέλεσμα της δράσης του ελέγχου είναι να μετριάζονται σε σημαντικό βαθμό οι διακυμάνσεις τάσης. Τόσο ο συντελεστής των διακυμάνσεων τάσης συνεχούς λειτουργίας όσο και οι διακυμάνσεις τάσης λόγω διακοπτικών λειτουργιών των ανεμογεννητριών παρέχονται με βάση τη φασική γωνία της σύνθετης αντίστασης του δικτύου και τη μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου σε χρονικό διάστημα 10 sec. Η πληροφορία αυτή βασίζεται σε δοκιμές που έχουν πραγματοποιηθεί σε ανεμογεννήτριες από τους κατασκευαστές και θα συμβάλλει στην εξασφάλιση της συμβατότητας με τα αποδεκτά πρότυπα πριν από τη σύνδεση με το δίκτυο. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει μια ανεμογεννήτρια τύπου PMSG που συνδέεται σε δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας που παριστάνεται με μια πηγή τάσης σε σειρά με την ισοδύναμη αντίσταση κατά Thevenin: Σχήμα 4.8 Κύκλωμα σύνδεσης ανεμογεννήτριας PMSG στο δίκτυο [12] όπου PCC είναι το σημείο διασύνδεσης της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο, V g η τάση του δικτύου (που θεωρείται 1 p.u.), ενώ R και X είναι αντίστοιχα η ωμική αντίσταση και η επαγωγή της γραμμής μεταφοράς του δικτύου. Επειδή η τάση του δικτύου είναι σταθερή, η μεταβολή της τάσης στο σημείο

141 διασύνδεσης με το δίκτυο υπολογίζεται κατά προσέγγιση από τη σχέση (4.21). Οι διακυμάνσεις στην ενεργό και άεργο ισχύ που παράγονται από την ανεμογεννήτρια προκαλούν διακυμάνσεις της τάσης στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. ΔV = P gr + Q g X V g (4.21) Παρόλο που οι ανεμογεννήτριες τύπου PMSG παρουσιάζουν καλή συμπεριφορά ως προς την παραγωγή διακυμάνσεων τάσης, η ελαχιστοποίηση των διακυμάνσεων τάσης κρίνεται απαραίτητη καθώς αυξάνεται το επίπεδο αιολικής διείσδυσης. Η ανεμογεννήτρια τύπου PMSG έχει τη δυνατότητα ελέγχου της αέργου ισχύος στο σημείο διασύνδεσης της με το δίκτυο. Κανονικά, η άεργος ισχύς που εξέρχεται από την ανεμογεννήτρια ρυθμίζεται ώστε ο συντελεστής ισχύος να διατηρείται στη μονάδα. Είναι δυνατόν η άεργος ισχύς που εξέρχεται από την ανεμογεννήτρια να ρυθμίζεται από τον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου σύμφωνα με την ενεργό ισχύ που εξέρχεται από την ανεμογεννήτρια. Σε αυτή την περίπτωση ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου συμπεριφέρεται όπως ένας αντισταθμιστής STATCOM στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. Σε αυτή την ενότητα, η τάση στο σημείο διασύνδεσης της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο ελέγχεται μέσω της ρύθμισης της αέργου ισχύος που εκχέεται στο δίκτυο. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με την προσθήκη ενός ρυθμιστή τάσης στο βρόχο ελέγχου του ρεύματος. Η προσαρμογή της αέργου ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελαχιστοποιηθεί η διακύμανση τάσης που προκαλείται από τη ροή της ενεργού ισχύος. Το σχηματικό διάγραμμα του ρυθμιστή τάσης είναι το ακόλουθο: Σχήμα 4.9 Δομικό διάγραμμα του ρυθμιστής τάσης [12] Ο ρυθμιστής τάσης συγκρίνει την τάση αναφοράς που έχει τιμή 1 p.u. με την μετρούμενη τιμή της τάσης και υπολογίζει το σφάλμα. Το σφάλμα που προκύπτει αποστέλλεται σαν σήμα εισόδου σε έναν PI ελεγκτή, ο οποίος αναλαμβάνει να ρυθμίσει την άεργο ισχύ παράγοντας σαν σήμα εξόδου το

142 ρεύμα αναφοράς στον q-άξονα. Έτσι, διατηρούμε την τάση σε σταθερή τιμή με αποτέλεσμα να μειώνονται οι διακυμάνσεις της τάσης [12] Βυθίσματα Τάσης Το βύθισμα τάσης ορίζεται ως μια στιγμιαία μείωση της ενεργού (RMS) τιμής της τάσης πέρα από ένα ορισμένο όριο για ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 50160, βύθισμα τάσης θεωρείται μια πτώση της τάσης του συστήματος ισχύος κάτω από το 90% της ονομαστικής τάσης για λιγότερο από ένα λεπτό. Γενικά, το βύθισμα τάσης είναι μια πολύ συνήθης και σοβαρή διαταραχή στην ποιότητα ισχύος εξαιτίας των επιπτώσεων του στον ευαίσθητο εξοπλισμό και στις βιομηχανικές διεργασίες. Ένα βύθισμα τάσης μπορεί να συμβεί όταν έχουμε φορτίο μεγάλης ισχύος, όπως εκκίνηση κινητήρα, φόρτιση μετασχηματιστή, φόρτιση πυκνωτή, διακοπτική λειτουργία ηλεκτρονικού φορτίου, στιγμιαίο φορτίο τεράστιας ισχύος ή σφάλμα στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ένα βύθισμα τάσης μπορεί να προκαλέσει την αποσύνδεση των ανεμογεννητριών PMSG, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε μείωση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και να έχει αρνητική επίδραση στην ευστάθεια του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικές φορές αυτό το φαινόμενο αποθαρρύνει τη σύνδεση ανεμογεννητριών PMSG στο δίκτυο. Το βύθισμα τάσης, ως στοιχείο της ποιότητας ισχύος, μπορεί να επεκταθεί στις μελέτες ευστάθειας για τις ανεμογεννήτριες PMSG. Το όριο του βυθίσματος τάσης ισούται με τη μείωση της RMS τιμής της τάσης κατά 70% για χρονικό διάστημα 1 sec, ενώ το όριο για πολλές ηλεκτρονικές συσκευές είναι 85% για 40 msec. Ένα επιπρόσθετο πρόβλημα που συχνά παρουσιάζεται ως συνέπεια των βυθισμάτων τάσης είναι το μεγάλο απότομο ρεύμα των πρώτων δευτερολέπτων κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας μετά την εκκαθάριση του σφάλματος. Το ρεύμα αυτό μπορεί να καταστρέψει τον εξοπλισμό των ανεμογεννητριών PMSG και ειδικότερα τα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος των μετατροπέων συχνότητας [11] Αρμονικές Οι αρμονικές μπορούν να παραχθούν τόσο κατά την παραγωγή όσο και κατά την κατανάλωση. Κατά την κατανάλωση οι αρμονικές προκαλούνται από μηγραμμικά φορτία, που περιλαμβάνονται κυρίως στις ηλεκτρονικές συσκευές. Στο επίπεδο της παραγωγής, διάφορες πηγές αρμονικών είναι τα ευέλικτα συστήματα μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως οι αντισταθμιστές αέργου ισχύος και οι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος. Κάποιες άλλες πηγές

143 αρμονικών είναι οι ελεγκτές ταχύτητας των γεννητριών και οι εγκαταστάσεις των συστημάτων μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υπό υψηλή τάση. Οι περισσότερες από αυτές περιλαμβάνονται στα συστήματα ρύθμισης της ισχύος που χρησιμοποιούνται για την ενσωμάτωση των αιολικών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο. Οι πηγές αυτές των αρμονικών προκαλούν παραμόρφωση κυματομορφών τάσης και ρεύματος ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος των ανεμογεννητριών τύπου PMSG προκαλούν αρμονικές, γεγονός που αποτελεί μειονέκτημα για την κατηγορία αυτών των ανεμογεννητριών. Οι αρμονικές αυξάνουν τις απώλειες στις γραμμές μεταφοράς και προκαλούν υπερθέρμανση του εξοπλισμού ισχύος με αποτέλεσμα να μειώνεται η διάρκεια ζωής του. Οι υποαρμονικές, δηλαδή οι αρμονικές στις χαμηλές συχνότητες μπορούν να προκαλέσουν μεταβολές συχνότητας, οι οποίες οδηγούν σε μαγνητικό κορεσμό του πυρήνα των μετασχηματιστών και σε θερμική γήρανση των επαγωγικών κινητήρων. Το πρότυπο IEEE καθορίζει τις απαιτήσεις και επιβάλλει τα όρια για τη μέτρηση των αρμονικών διαφορετικής τάξης και της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Τα όρια για την παραμόρφωση της τάσης του συστήματος είναι 5% Bγια τη συνολική αρμονική παραμόρφωση και 3% για κάθε επιμέρους αρμονικές, σύμφωνα με το πρότυπο IEEE Το πρότυπο IEC απαιτεί δοκιμές και πιστοποίηση για τις αρμονικές που παράγονται από τις ανεμογεννήτριες τύπου PMSG πριν από τη σύνδεση τους με το δίκτυο, αφού οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί η ένταξη του είδους αυτών των ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Με την εισαγωγή τριφασικών φίλτρων μπορούμε να εξαλείψουμε την παραμόρφωση λόγω αρμονικών και συνεπώς να βελτιώσουμε την ποιότητα ισχύος του εξάγεται από τις ανεμογεννήτριες PMSG [11] Επίπεδο Ισχύος Βραχυκυκλώματος Το επίπεδο ισχύος ενός βραχυκυκλώματος σε συγκεκριμένο σημείο στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα μέτρο της αντοχής του δικτύου. Παρόλο που το επίπεδο ισχύος βραχυκυκλώματος δεν επηρεάζει άμεσα την ποιότητα ισχύος, έχει μια μεγάλη επίδραση στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η ικανότητα του ηλεκτρικού δικτύου να απορροφά διαταραχές συνδέεται άμεσα με το επίπεδο ισχύος βραχυκυκλώματος στο σημείο που συμβαίνει η διαταραχή. Κάθε σημείο p του δικτύου μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα ισοδύναμο κύκλωμα, όπως αυτό του σχήματος 4.10 παρακάτω. Σε μεγάλη απόσταση από το σημείο p μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η τάση παραμένει σταθερή, δηλαδή δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες που επικρατούν στο υπό μελέτη σημείο. Αν θεωρήσουμε ότι τάση σε αυτό το απομακρυσμένο σημείο είναι U sc και η

144 σύνθετη αντίσταση της γραμμής είναι Z sc τότε το επίπεδο ισχύος του βραχυκυκλώματος S sc μπορεί να υπολογιστεί σε MVA από τη σχέση: S sc = U sc Z sc (4.22) Σχήμα 4.10 Ισοδύναμο κύκλωμα σημείου p του δικτύου [13] Οι μεταβολές φορτίου (ή παραγωγής) στο σημείο p προκαλεί μεταβολές ρεύματος στη γραμμή και αυτές με τη σειρά τους προκαλούν μια πτώση τάσης ΔU πάνω στη σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Η τάση U L στο σημείο p, που ισούται με τη διαφορά μεταξύ της U sc και της ΔU, δημιουργεί προβλήματα στους άλλους καταναλωτές που συνδέονται στο σημείο p. Τα ισχυρά ή αδύναμα δίκτυα είναι όροι που χρησιμοποιούνται συχνά όταν μελετάμε την εγκατάσταση αιολικών μονάδων στο δίκτυο. Είναι προφανές από το σχήμα 4.10 ότι αν η σύνθετη αντίσταση Z sc είναι μικρή και το δίκτυο είναι ισχυρό τότε οι διακυμάνσεις τάσης στο p θα είναι μικρές, ενώ αν η σύνθετη αντίσταση είναι μεγάλη οι διακυμάνσεις τάσης θα είναι μεγάλες. Αν θεωρήσουμε μια αιολική μονάδα με ανεμογεννήτριες PMSG ισχύος P(MW) τότε ο λόγος: R sc = S sc P (4.22) είναι ένα μέτρο της αντοχής του δικτύου. Συγκεκριμένα, το δίκτυο είναι ισχυρό σε σχέση με την αιολική μονάδα εάν η R sc 20 έως 25 φορές μεγαλύτερη, ενώ είναι αδύναμο αν η R sc είναι 8 έως 10 φορές μικρότερη. Οι ανεμογεννήτριες PMSG μπορούν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά υπό δυσχερείς συνθήκες και να αντιμετωπίσουν τις καταστάσεις βραχυκυκλωμάτων μέσω του συστήματος ελέγχου των μετατροπέων τους [13]

145 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 5.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΤΥΠΟΥ DFIG ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το Αιολικό Πάρκο τύπου DFIG και το Δίκτυο Ηλεκτρικής Ενέργειας Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση στο Simulink του Matlab είναι το ακόλουθο: Ένα αιολικό πάρκο συνολικής ισχύος 90 MW, αποτελούμενο από 5 ανεμογεννήτριες ισχύος 1.5 MW η καθεμία, συνδέεται σε ένα σύστημα διανομής 25 kv μέσω μιας γραμμής μεταφοράς μήκους 30 km. Το αιολικό πάρκο μέσω του συστήματος διανομής εξάγει ισχύ σε ένα δίκτυο υψηλής τάσης 120 kv και συχνότητας 60 Hz. Στον ζυγό B575 συνδέεται ένα τριφασικό δυναμικό φορτίο του οποίου η πραγματική και άεργος ισχύς που καταναλώνει είναι συναρτήσεις της τάσης σύμφωνα με τις παρακάτω σχέσεις: P = P 0 ( V V 0 ) n p όπου np = 1.4 και P 0 = 500 KW με V 0 = 575 V Q = Q 0 ( V V 0 ) n q όπου nq = 0.5 και Q 0 = 25 KVar με V 0 = 575 V

146 Στο συγκεκριμένο σύστημα θεωρούμε ότι η ταχύτητα του ανέμου παραμένει σταθερή στα 15 m/sec. Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιεί έναν ελεγκτή ροπής ώστε να διατηρεί σταθερή την ταχύτητα της κάθε ανεμογεννήτριας στα 1.2 p.u. της σύγχρονης ταχύτητας. Η άεργος ισχύος που παράγεται από την κάθε ανεμογεννήτρια ρυθμίζεται στα 0 MVar. Οι ανεμογεννήτριες που περιλαμβάνει το αιολικό πάρκο δηλαδή αποτελούνται από επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας, οι οποίες είναι επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα σε συνδυασμό με ένα PWM μετατροπέα ac/dc/ac τεχνολογίας IGBT. Το τριφασικό τύλιγμα του στάτη συνδέεται απευθείας στο δίκτυο των 60 Hz, ενώ ο δρομέας τροφοδοτείται σε μεταβλητή συχνότητα μέσω του ac/dc/ac μετατροπέα. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών αυτών επιτρέπει την παραγωγή της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος για μικρές ταχύτητες ανέμου μέσω της βελτιστοποίησης της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας και παράλληλα μέσω της ελαχιστοποίησης των μηχανικών καταπονήσεων της ανεμογεννήτριας κατά τη διάρκεια ριπών ανέμου. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε είναι το μέσο μοντέλο διακριτού τύπου (average model discrete type). Στο μοντέλο αυτό οι μετατροπείς τύπου πηγής τάσης με τρανζίστορ IGBT αντιπροσωπεύονται από ισοδύναμες πηγές τάσης που παράγουν τη μέση τιμή της ac τάσης στο χρονικό διάστημα ενός κύκλου της διακοπτικής συχνότητας. Το μοντέλο αυτό παρουσιάζει τη δυναμική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών που προκύπτουν από το σύστημα ελέγχου και παράλληλα διατηρείται η αλληλεπίδραση με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το μοντέλο αυτό δεν παρουσιάζει αρμονικές, αλλά επιτρέπει τη χρήση μεγαλύτερων βημάτων χρόνου (συνήθως 50 μsec), επιτρέποντας έτσι προσομοιώσεις για πολλά δευτερόλεπτα Η Διαδικασία και τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Στο παραπάνω δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας εφαρμόστηκαν διαφορετικοί τύποι διαταραχών και προσομοιώθηκαν οι αποκρίσεις του συστήματος ώστε να παρατηρήσουμε και να αναλύσουμε τη δυναμική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας καθώς και την επίδραση του συγκεκριμένου αιολικού πάρκου στο δίκτυο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι οι κυματομορφές της πραγματικής ισχύος P(MW), και της αέργου ισχύος Q(MVar) που παράγει το αιολικό πάρκο, της φασικής τάσης V a (p. u. ) και του φασικού ρεύματος I a (p. u. ) που εξέρχεται από το αιολικό πάρκο στο δίκτυο μέσω του ζυγού Β575, της τάσης του πυκνωτή στη dc-διασύνδεση V dc (V) και της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας ω r (p. u. )

147 Αρχικά, κατά τη χρονική στιγμή t=0 sec το αιολικό πάρκο τύπου DFIG παράγει πραγματική ισχύ 9 MW. Η ταχύτητα περιστροφής κάθε ανεμογεννήτριας είναι 1.2 p.u. της σύγχρονης ταχύτητας της γεννήτριας. Η τάση της dc-διασύνδεσης είναι ρυθμισμένη στα 1150 V και η άεργος ισχύς διατηρείται στα 0 MVar Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 50% Η διαταραχή που εφαρμόζεται είναι βύθισμα της τάσης του δικτύου κατά 50%, δηλαδή μείωση της τάσης από το 1 p.u. στα 0.5 p.u. και χρονικής διάρκειας 250 msec:

148

149 Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 80% Η διαταραχή που εφαρμόζεται είναι βύθισμα της τάσης του δικτύου κατά 80%, δηλαδή μείωση της τάσης από το 1 p.u. στα 0.2 p.u. και χρονικής διάρκειας 250 msec:

150

151 Τριφασικό Βραχυκύκλωμα σε Γραμμή Μεταφοράς Το σφάλμα που εφαρμόζεται είναι τριφασικό βραχυκύκλωμα χρονικής διάρκειας 250 msec και τοποθετείται στη γραμμή μεταφοράς μεταξύ του αιολικού πάρκου και του ζυγού Β575:

152

153

154 Βηματική Μεταβολή της Ταχύτητας του Ανέμου H βηματική μεταβολή που εφαρμόζεται είναι μείωση της ταχύτητας του ανέμου από τα 15 m/sec στα 13 m/sec τη χρονική στιγμή t=5 sec και στη συνέχεια αύξηση της ταχύτητας του ανέμου από τα 13 m/sec στα 15 m/sec τη χρονική στιγμή t=25 sec:

155

156 5.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΤΥΠΟΥ PMSG ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το Αιολικό Πάρκο Τύπου PMSG και το Δίκτυο Ηλεκτρικής Ενέργειας Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση στο Simulink του Matlab είναι το ακόλουθο: Ένα αιολικό πάρκο συνολικής ισχύος 10 MW, αποτελούμενο από 5 ανεμογεννήτριες ισχύος 2 MW η καθεμία, συνδέεται μέσω μιας γραμμής μεταφοράς μήκους 30 km σε ένα σύστημα διανομής 25 kv. Το αιολικό πάρκο μέσω του συστήματος διανομής εξάγει ισχύ σε ένα δίκτυο υψηλής τάσης 120 kv. Το αιολικό πάρκο μέσω του συστήματος διανομής εξάγει ισχύ στο δίκτυο υψηλής τάσης 120 kv και συχνότητας 60 Hz. Στο ζυγό B575 συνδέεται ένα τριφασικό δυναμικό φορτίο του οποίου η πραγματική και άεργος ισχύς που καταναλώνει είναι συναρτήσεις της τάσης σύμφωνα με τις παρακάτω σχέσεις: P = P 0 ( V V 0 ) n p όπου np = 1.4 και P 0 = 500 KW με V 0 = 575 V Q = Q 0 ( V V 0 ) n q όπου nq = 0.5 και Q 0 = 25 KVar με V 0 = 575 V Οι ανεμογεννήτριες που περιλαμβάνει το αιολικό πάρκο είναι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών τύπου 4, δηλαδή αποτελούνται από σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG) οι οποίες συνδέονται σε μια ανορθωτική γέφυρα με διόδους, σε έναν PWM μετατροπέα dc-dc ανύψωσης τάσης (τύπου Boost) με τρανζίστορ IGBT και έναν PWM αντιστροφέα με τρανζίστορ IGBT. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών αυτών επιτρέπει την παραγωγή της

157 μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος για μικρές ταχύτητες ανέμου, μέσω της βελτιστοποίησης της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας και παράλληλα μέσω της ελαχιστοποίησης των μηχανικών καταπονήσεων της ανεμογεννήτριας κατά τη διάρκεια ριπών ανέμου. Στο συγκεκριμένο σύστημα θεωρούμε ότι η ταχύτητα του ανέμου παραμένει σταθερή στα 15 m/sec. Το σύστημα ελέγχου του μετατροπέα dc-dc χρησιμοποιείται για να διατηρεί σταθερή την ταχύτητα της κάθε ανεμογεννήτριας στο 1 p.u. Η άεργος ισχύος που παράγεται από την κάθε ανεμογεννήτρια ρυθμίζεται στα 0 MVar. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε είναι το μέσο μοντέλο διακριτού τύπου (average model discrete type). Στο μοντέλο αυτό οι μετατροπείς τύπου πηγής τάσης με τρανζίστορ IGBT αντιπροσωπεύονται από ισοδύναμες πηγές τάσης που παράγουν τη μέση τιμή της ac τάσης στο χρονικό διάστημα ενός κύκλου της διακοπτικής συχνότητας. Μια παρόμοια μέθοδος εφαρμόζεται και στον μετατροπέα dc-dc. Το μοντέλο αυτό παρουσιάζει τη δυναμική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών που προκύπτουν από το σύστημα ελέγχου και παράλληλα διατηρείται η αλληλεπίδραση με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το μοντέλο αυτό δεν παρουσιάζει αρμονικές, αλλά επιτρέπει τη χρήση μεγαλύτερων βημάτων χρόνου (συνήθως 50 μsec), επιτρέποντας έτσι προσομοιώσεις για πολλά δευτερόλεπτα Η Διαδικασία και τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Στο παραπάνω δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας εφαρμόστηκαν διαφορετικοί τύποι διαταραχών και προσομοιώθηκαν οι αποκρίσεις του συστήματος ώστε να παρατηρήσουμε και να αναλύσουμε τη δυναμική συμπεριφορά των ανεμογεννητριών με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη καθώς και την επίδραση του συγκεκριμένου αιολικού πάρκου στο δίκτυο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι οι κυματομορφές της πραγματικής ισχύος P(MW), και της αέργου ισχύος Q(MVar) που παράγει το αιολικό πάρκο, της φασικής τάσης V a (p. u. ) και του φασικού ρεύματος I a (p. u. ) που εξέρχεται από το αιολικό πάρκο στο δίκτυο μέσω του ζυγού Β575, της τάσης του πυκνωτή στη dc-διασύνδεση V dc (V) και της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας ω r (p. u. ). Αρχικά, κατά τη χρονική στιγμή t=0 sec το αιολικό πάρκο τύπου PMSG παράγει πραγματική ισχύ 10 MW. Η ταχύτητα περιστροφής της κάθε ανεμογεννήτριας είναι 1 p.u. της σύγχρονης ταχύτητας της γεννήτριας. Η τάση της dc-διασύνδεσης είναι ρυθμισμένη στα 1100 V και η άεργος ισχύς διατηρείται στα 0 MVar

158 Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 50% Η διαταραχή που εφαρμόζεται είναι βύθισμα της τάσης του δικτύου κατά 50%, δηλαδή μείωση της τάσης από το 1 p.u. στα 0.5 p.u. και χρονικής διάρκειας 150 msec:

159

160 Βύθισμα της Τάσης του Δικτύου κατά 80% Η διαταραχή που εφαρμόζεται είναι βύθισμα της τάσης του δικτύου κατά 80%, δηλαδή μείωση της τάσης από το 1 p.u. στα 0.2 p.u. και χρονικής διάρκειας 150 msec:

161

162 Τριφασικό Βραχυκύκλωμα σε Γραμμή Μεταφοράς Το σφάλμα που εφαρμόζεται είναι τριφασικό βραχυκύκλωμα χρονικής διάρκειας 150 msec και τοποθετείται στη γραμμή μεταφοράς μεταξύ του αιολικού πάρκου και του ζυγού Β575:

163

164

165 Βηματική Μεταβολή της Ταχύτητας του Ανέμου H βηματική μεταβολή που εφαρμόζεται είναι αρχικά μείωση της ταχύτητας του ανέμου από τα 15 m/sec στα 13 m/sec τη χρονική στιγμή t=5 sec και στη συνέχεια αύξηση της ταχύτητας του ανέμου από τα 13 m/sec στα 15 m/sec τη χρονική στιγμή t=25 sec: