ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. της Φοιτήτριας 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 ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της Φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΜΑΡΙΑΣ ΙΩΑΝΝΗ ΛΑΛΑΚΟΥ Α.Μ.: ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 412 Πάτρα, Οκτώβριος 2016 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: Τηλ: Τηλ: Fax: e.c.tatakis@ece.upatras.gr

2 Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρότυπο έργο, παραχθέν από τη Λαλάκου Μαρία, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από αυτήν, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της Φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΜΑΡΙΑΣ ΙΩΑΝΝΗ ΛΑΛΑΚΟΥ Α.Μ.: ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2016 Πάτρα, Οκτώβριος 2016

4 Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρότυπο έργο, παραχθέν από τη Λαλάκου Μαρία, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από αυτήν, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ" της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΜΑΡΙΑΣ ΙΩΑΝΝΗ ΛΑΛΑΚΟΥ (Α.Μ ) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/10/2016 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2016 (γραμματείας) ΤΙΤΛΟΣ: "ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ" Φοιτήτρια: Επιβλέπων: Μαρία Λαλάκου του Ιωάννη Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση ενός αυτόνομου μικροδικτύου, το οποίο αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια συστοιχία μπαταριών και μια γεννήτρια diesel. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός είναι η μελέτη του αυτόνομου μικροδικτύου κι ο προγραμματισμός της ροής ισχύος μέσα σε αυτό. Δημιουργούνται σενάρια και στρατηγικές ελέγχου για την κάλυψη του φορτίου, μέσω της συνδυασμένης χρήσης των φωτοβολταϊκών, των μπαταριών και της γεννήτριας diesel. Παράλληλα, προσομοιώνονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς που ρυθμίζουν τη ροή ισχύος και γίνονται οι απαραίτητοι έλεγχοι για τη λειτουργία τους. Αρχικά, γίνεται μια θεωρητική περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών των έξυπνων δικτύων, των μικροδικτύων, της χρησιμότητάς τους και των πλεονεκτημάτων τους έναντι των παραδοσιακών Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Επίσης, περιγράφεται συνοπτικά, το μικροδίκτυο που προσομοιώνεται στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στη συνέχεια, γίνεται θεωρητική ανάλυση και μοντελοποίηση των φωτοβολταϊκών κυψελών, καθώς και των μπαταριών μολύβδου-οξέος. Ακόμα, προσομοιώνεται ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης και ο τριφασικός αντιστροφέας. Στον ανυψωτή τάσης εφαρμόζεται έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος (ΜΡΡΤ) της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, ενώ στον αντιστροφέα γίνεται έλεγχος ισχύος με χρήση του d-q στρεφόμενου πλαισίου αναφοράς. Επόμενο βήμα είναι η θεωρητική ανάλυση της γεννήτριας diesel και των ελέγχων P-f και Q-V. Για την εφαρμογή των παραπάνω, σχεδιάζεται ένα μοντέλο της ντιζελογεννήτριας κι αναπτύσσεται μια λογική ένταξής της στο μικροδίκτυο. Τέλος, γίνεται προσπάθεια να προσομοιωθεί η συνδυασμένη λειτουργία των πηγών ενέργειας του μικροδικτύου, προκειμένου να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Πιο συγκεκριμένα, επιλέγεται η κατάσταση ταυτόχρονης λειτουργίας των μπαταριών με τη γεννήτρια diesel και των μπαταριών με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία.

8

9 Abstract The present diploma thesis deals with the analysis and the simulation of an autonomous microgrid which consists of a photovoltaic module, a battery module and a diesel generator. This thesis was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. The ultimate goal is the study of an autonomous microgrid and the power flow within it. Control scripts and strategies about the load coverage are created, through the combined use of the photovoltaics, the batteries and the diesel generator. Meanwhile, the voltage converters which regulate the power flow are simulated in Matlab/Simulink and the necessary control strategies are implemented. Initially, a theoretical analysis of the basic characteristics of the smart grids and the microgrids is presented. Moreover, their advantages and disadvantages compared to the traditional power systems are investigated. There is also a brief description of the microgrid simulation at the beginning of this thesis. After that, a theoretical analysis and modelling of the photovoltaic cells, as well as of the lead acid batteries, is conducted. Furthermore, the DC-DC boost converter and the three-phase inverter are simulated. The maximum power point tracker control (MPPT) of the photovoltaic module is applied on the boost converter, while power control with the use of the d-q rotating frame is applied on the inverter. The next step is the theoretical analysis of the diesel generator and the P-f and Q-V controls. In addition, a model of the diesel generator was implemented and the interconnection to the microgrid was fully simulated. Finally, an attempt to simulate the combined operation of the microgrid energy sources was made. Specifically, two case scenarios were studied: the combined operation of the batteries along with the diesel generator and the batteries with the photovoltaic module.

10

11 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται, σχεδιάζεται και μοντελοποιείται ένα αυτόνομο μικροδίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια συστοιχία μπαταριών και μια γεννήτρια diesel. Απώτερος σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο έλεγχος της ροής ισχύος μέσα στο μικροδίκτυο μέσω της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών, των μπαταριών και της ντιζελογεννήτριας, ώστε να επιτευχθεί η κάλυψη του φορτίου με τον πιο οικονομικό κι αποδοτικό τρόπο. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο σχεδιασμό των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, που ρυθμίζουν τη ροή ισχύος στο μικροδίκτυο, καθώς και στον έλεγχό τους. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στην κατανεμημένη παραγωγή ενέργειας και στα έξυπνα δίκτυα. Ακόμα, αναφέρονται οι λόγοι, για τους οποίους κρίνεται αναγκαία η χρησιμοποίηση των μικροδικτύων, οι τρόποι διασύνδεσής τους με το υπόλοιπο δίκτυο και τα βασικά δομικά τους στοιχεία. Στο κεφάλαιο 2 αναλύονται σε θεωρητικό επίπεδο οι πηγές ενέργειας που απαιτούν τη χρήση αντιστροφέα για να συνδεθούν με το υπόλοιπο μικροδίκτυο, δηλαδή τα φωτοβολταϊκά και οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Στη συνέχεια, προσομοιώνεται η λειτουργία τους υπό διάφορες συνθήκες. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιούνται, καθώς και των ελέγχων τους. Ειδικότερα, εξετάζεται η λειτουργία του ανυψωτή τάσης από συνεχή σε συνεχή, του τριφασικού αντιστροφέα, ο έλεγχος εύρεσης σημείου μέγιστης απομάστευσης ισχύος (ΜΡΡΤ) κι ο έλεγχος ισχύος με τη χρήση d-q στρεφόμενου πλαισίου αναφοράς. Στο κεφάλαιο 4 οι πηγές ενέργειας συνδέονται με τους μετατροπείς ισχύος κι εφαρμόζονται οι απαραίτητοι έλεγχοι. Πιο συγκεκριμένα, η φωτοβολταϊκή συστοιχία συνδέεται με τον ανυψωτή τάσης κι εφαρμόζεται ο έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος, ενώ έλεγχος ισχύος εφαρμόζεται στον τριφασικό αντιστροφέα, όταν αυτός συνδέεται στο δίκτυο. Τελικά, παρουσιάζεται η συνολική λειτουργία των συστημάτων «φωτοβολταϊκά-ανυψωτής τάσηςαντιστροφέας-δίκτυο» και «μπαταρίες-αντιστροφέας-δίκτυο». Το κεφάλαιο 5 ξεκινά με μια σύντομη εισαγωγή στη θεωρία του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους και τους ελέγχους P-f και Q-V. Το επόμενο στάδιο είναι η μοντελοποίηση της γεννήτριας diesel κι η προσομοίωσή της σε συνδυασμό μόνο με αυτόνομο φορτίο ή σε - I -

12 Πρόλογος παράλληλη λειτουργία με το δίκτυο. Επιπρόσθετα, γίνεται έλεγχος για την ομαλή ένταξή της σε ένα ισχυρό δίκτυο. Στο κεφάλαιο 6 διερευνάται η ταυτόχρονη λειτουργία των πηγών του μικροδικτύου. Επιλέχθηκε η κοινή χρήση των μπαταριών με τη γεννήτρια diesel και των φωτοβολταϊκών με τις μπαταρίες. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Τατάκη για την πολύτιμη βοήθειά του, την εμπιστοσύνη που μου έδειξε, τις γνώσεις που μου μετέδωσε και το χρόνο που αφιέρωσε για την εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, ευχαριστώ τον Υποψήφιο Διδάκτορα Στυλιανό Συρίγο για την καθοδήγηση, την προθυμία και τη συμβολή του στην επίλυση κάθε είδους προβλημάτων, μικρών και μεγάλων, που προέκυψαν. Ακόμα, ευχαριστώ τους φίλους και τους συμφοιτητές μου για τις ωραίες αναμνήσεις των φοιτητικών μας χρόνων και την οικογένειά μου και το Samuel για την υποστήριξη και τη συμπαράστασή τους. Τέλος, ευχαριστώ τη Sahel, την Hanieh, την Ayda, τη Rim και τη Mohadise, επειδή μου υπενθύμισαν πόσο τυχερή είμαι που είχα την ευκαιρία να σπουδάσω αυτό που μου αρέσει κι επειδή μου έμαθαν ότι αν θέλεις κάτι πολύ και πιστεύεις στον εαυτό σου, το πιο πιθανό είναι να το καταφέρεις. - II -

13 Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή 1.1. Κεντρικοποιημένη και διεσπαρμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Έξυπνα δίκτυα Μικροδίκτυα Οφέλη που απορρέουν από τη χρήση μικροδικτύων Τρόποι σύνδεσης των μικροδικτύων Εφαρμογές των μικροδικτύων Προκλήσεις για το μέλλον των μικροδικτύων Τμήματα του μικροδικτύου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πηγές ενέργειας που απαιτούν τη χρήση αντιστροφέα 2.1. Φωτοβολταϊκά Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης φωτοβολταϊκού στοιχείου Απόδοση φωτοβολταϊκών στοιχείων Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων Μαθηματικό μοντέλο Μοντέλο προσομοίωσης φωτοβολταϊκού στοιχείου Μοντέλο προσομοίωσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Συσσωρευτές Κατηγορίες συσσωρευτών Απαιτήσεις που καλύπτουν οι συσσωρευτές των φωτοβολταϊκών συστημάτων Δομή των συσσωρευτών μολύβδου-οξέος Χαρακτηριστικά μεγέθη συσσωρευτών Παράγοντες που επηρεάζουν τη χωρητικότητα Προσομοίωση των συσσωρευτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος του μικροδικτύου κι ο έλεγχός του 3.1. Μετατροπέας ανύψωσης τάσης ΣΤ-ΣΤ (Boost) Θεωρητική ανάλυση Προσομοίωση μετατροπέα III -

14 Πίνακας Περιεχομένων 3.2. Τριφασικός αντιστροφέας τάσης Θεωρητική ανάλυση Προσομοίωση μετατροπέα Έλεγχος απομάστευσης μέγιστης ισχύος φωτοβολταϊκών 3.4. Έλεγχος ισχύος Έλεγχος τάσης στο dc-bus 3.6. Επιλογή των κερδών των ΡΙ ελεγκτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προσομοίωση των φωτοβολταϊκών με τον ανυψωτή τάσης, τον αντιστροφέα και το δίκτυο και των συσσωρευτών με τον αντιστροφέα και το δίκτυο 4.1. Σύνδεση φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τον ανυψωτή τάσης Σύνδεση τριφασικού αντιστροφέα με το δίκτυο κι έλεγχος ισχύος Έλεγχος στην τάση του πυκνωτή του dc-bus 4.4. Σύστημα «φωτοβολταϊκά-ανυψωτής τάσης-αντιστροφέας-δίκτυο» 4.5. Σύστημα «συσσωρευτές-αντιστροφέας-δίκτυο» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, έλεγχος κι ένταξή του στο δίκτυο 5.1. Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Μηχανές εσωτερικής καύσης Σύγχρονες μηχανές Κριτήρια επιλογής ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους Έλεγχος ενεργού ισχύος-συχνότητας κι αέργου ισχύος-τάσης Έλεγχος P-f και ρυθμιστής συχνότητας Έλεγχος Q-V και ρυθμιστής τάσης Έλεγχος στατισμού (Droop Control) στα μικροδίκτυα Λειτουργία της γεννήτριας με απομονωμένο φορτίο και σταθερές στροφές 5.5. Λειτουργία της γεννήτριας diesel με απομονωμένο φορτίο Ταυτόχρονη λειτουργία της γεννήτριας diesel με το δίκτυο Ένταξη της γεννήτριας diesel στο δίκτυο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σενάρια λειτουργίας μικροδικτύου 6.1. Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι ωμικό φορτίο Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι ωμικό-επαγωγικό φορτίο. 6.3 Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι αυξανόμενο φορτίο IV -

15 Πίνακας Περιεχομένων 6.4. Λειτουργία μπαταριών μαζί με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία Συμπεράσματα και προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - V -

16

17 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Περίπου το 99% της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται παγκοσμίως, παράγεται από σταθμούς που χρησιμοποιούν συμβατικές πηγές ενέργειας [1]. Συμβατικές πηγές ενέργειας θεωρούνται τα ορυκτά στερεά, υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως είναι ο άνθρακας, ο λιγνίτης, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, ή πυρηνικά καύσιμα. Ωστόσο, η ανάγκη για την καθυστέρηση της εξάντλησης των γεωλογικών καυσίμων και την καταπολέμηση της περιβαλλοντικής ρύπανσης, οδήγησε στην αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την ανάπτυξη των έξυπνων δικτύων και των μικροδικτύων [1]. 1.1 Κεντρικοποιημένη & κατανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Σχήμα 1.1: Δομή ενός συμβατικού ΣΗΕ [2] Ο όρος κεντρικοποιημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αναφέρεται σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, στο οποίο η παραγωγή της ενέργειας γίνεται σε λίγους, μεγάλους κεντρικούς σταθμούς παραγωγής (συνήθως η εγκατεστημένη ισχύς είναι μεγαλύτερη από 50 MW). Οι σταθμοί αυτοί βρίσκονται μακριά από τα κέντρα κατανάλωσης για περιβαλλοντικούς κι αισθητικούς λόγους, οπότε στην περίπτωση αυτή η μεταφορά της ενέργειας προς τα κέντρα - 7 -

18 Κεφάλαιο 1 ο κατανάλωσης γίνεται μέσω του δικτύου μεταφοράς. Είναι, λοιπόν, προφανές, οτι σε ένα τέτοιο σύστημα μεταφοράς, οι απώλειες ενέργειας είναι μεγάλες. Αντίθετα, ως διεσπαρμένη παραγωγή ενέργειας ορίζεται η παραγωγή της ενέργειας σε κέντρα παραγωγής μικρής κλίμακας (1KW-1MW), τα οποία βρίσκονται κοντά στις θέσεις ζήτησης και στοχεύουν στην τοπική εξυπηρέτηση των φορτίων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, σε ένα τέτοιο σύστημα κατέχουν κεντρικό ρόλο οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι μονάδες αυτές συνδέονται είτε στο δίκτυο υπομεταφοράς, είτε στο δίκτυο διανομής. Καθώς τα κέντρα παραγωγής βρίσκονται κοντά στα κέντρα κατανάλωσης και καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες, επιτυγχάνεται αποσυμφόρηση των γραμμών μεταφοράς και διανομής, οπότε προκύπτουν οικονομικά οφέλη για το κύριο δίκτυο μέσω της μείωσης των απωλειών και της αύξησης της συνολικής απόδοσής του. Ακόμα, σε περιοχές του δικτύου, που υπάρχουν προβλήματα διακυμάνσεων τάσης, αυξάνεται η αξιοπιστία του συστήματος και η ποιότητα της ισχύος, όταν η μονάδα παραγωγής βρίσκεται δίπλα στον καταναλωτή. Ένα ακόμα πλεονέκτημα της διεσπαρμένης παραγωγής, είναι η δυνατότητα της πολύ μεγαλύτερης εκμετάλλευσης της θερμικής ενέργειας για βιομηχανική χρήση ή οικιακή θέρμανση, μέσω συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, με συνέπεια την αύξηση της απόδοσης του συστήματος [3]. 1.2 Έξυπνα δίκτυα Σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ [4], ο όρος «Έξυπνο Δίκτυο» (Smart Grid) αναφέρεται σε ένα είδος νέων τεχνολογιών, που χρησιμοποιούνται για τον εκσυγχρονισμό των συστημάτων παροχής ηλεκτρισμού μέσω της χρήσης απομακρυσμένων ελέγχων και αυτοματισμών, οι οποίοι βασίζονται σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η υλοποίηση αυτών των συστημάτων είναι δυνατή, αν χρησιμοποιηθούν τεχνολογίες αμφίδρομης επικοινωνίας και υπολογιστικής επεξεργασίας, οι οποίες εδώ και χρόνια εφαρμόζονται σε άλλους τομείς. Οι τεχνολογίες αυτές έχουν πλέον ξεκινήσει να εφαρμόζονται και στο δίκτυο ηλεκτρισμού, από τα εργοστάσια παραγωγής και τα αιολικά και ηλιακά πάρκα, μέχρι τους οικιακούς και βιομηχανικούς καταναλωτές. Προσφέρουν πολλά οφέλη στις επιχειρήσεις και τους καταναλωτές, τα οποία είναι κυρίως εμφανή στις μεγάλες βελτιώσεις της ενεργειακής απόδοσης στο δίκτυο ηλεκτρισμού και τα γραφεία και σπίτια των καταναλωτών. Ακόμα, μέσω αυτών των τεχνολογιών, καθίσταται εφικτή η υλοποίηση της βασικής ιδέας της κατανεμημένης - 8 -

19 Κεφάλαιο 1 ο παραγωγής, που προβλέπει την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ήδη υπάρχον συμβατικό δίκτυο. Σχήμα 1.2: Το έξυπνο δίκτυο [5] Όπως και το διαδίκτυο, το έξυπνο δίκτυο αποτελείται από ελέγχους, υπολογιστές, αυτοματισμούς και νέες τεχνολογίες κι εξοπλισμούς, που λειτουργούν συνεργατικά. Όμως, στην περίπτωση του έξυπνου δικτύου οι τεχνολογίες αυτές συνεργάζονται με το ηλεκτρικό δίκτυο, ώστε το τελευταίο να ανταποκριθεί ψηφιακά στην ταχύτατα μεταβαλλόμενη ενεργειακή ζήτηση [6]. Τα έξυπνα δίκτυα παρέχουν μια τεράστια ευκαιρία μετάβασης της ενεργειακής βιομηχανίας σε μια νέα εποχή αξιοπιστίας, διαθεσιμότητας και αποτελεσματικότητας, που θα συνεισφέρει στην οικονομική και περιβαλλοντική ευημερία. Σήμερα, μια διαταραχή, όπως ένα black-out, μπορεί να επιφέρει μια σειρά από προβλήματα, που επηρεάζουν πολλούς τομείς, όπως τις επικοινωνίες, την κυκλοφορία και την ασφάλεια. Για παράδειγμα, αν ένα black-out συμβεί το χειμώνα, είναι πιθανό ορισμένοι άνθρωποι να μην έχουν θέρμανση. Ένα πιο έξυπνο δίκτυο θα προσφέρει ανθεκτικότητα στο ήδη υπάρχον και θα το καθιστά καλύτερα προετοιμασμένο στο να αντιμετωπίζει καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, όπως σεισμούς κι επικίνδυνα καιρικά φαινόμενα. Αν, λόγου χάριν, συμβεί μια πτώση τάσης, τα έξυπνα δίκτυα εντοπίζουν και απομονώνουν το πρόβλημα, αποτρέποντας την δημιουργία ενός μεγάλης κλίμακας black-out. Επιπρόσθετα, το έξυπνο δίκτυο θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτεί πιο αποδοτικά τις μονάδες - 9 -

20 Κεφάλαιο 1 ο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που ανήκουν σε καταναλωτές, ώστε να παράγει ενέργεια, όταν οι μεγάλες μονάδες παραγωγής έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας [6]. Πέρα από τα γενικότερα οφέλη των έξυπνων δικτύων, η νέα αυτή τεχνολογία δίνει στον καταναλωτή τη δυνατότητα και τα εργαλεία να συμμετέχει ενεργά στη διαχείριση της ενέργειας που χρησιμοποιεί. Ο καταναλωτής, παραδείγματος χάριν, δε θα χρειάζεται να περιμένει το λογαριασμό στο τέλος του μήνα, για να ξέρει πόση ενέργεια έχει καταναλώσει. Οι έξυπνοι μετρητές του δίνουν τη δυνατότητα να βλέπει πόση ενέργεια χρησιμοποιεί και πόσο αυτή κοστίζει ακριβώς τη στιγμή που τη χρησιμοποιεί. Με αυτόν τον τρόπο ο καταναλωτής έχει μεγάλο οικονομικό όφελος, αφού μπορεί να χρησιμοποιήσει λιγότερη ενέργεια τις ώρες που αυτή είναι πιο ακριβή [6]. 1.3 Μικροδίκτυα Η διεσπαρμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τα έξυπνα δίκτυα αποτελούν την κατεύθυνση, στην οποία στηρίζεται η εμφάνιση ενός σχετικά νέου είδους συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, του μικροδικτύου (microgrid). Τα μικροδίκτυα είναι συστήματα διανομής ενέργειας, στα οποία διασυνδέονται μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (π.χ. συστοιχίες φωτοβολταϊκών, ανεμογεννήτριες, γεννήτριες diesel κλπ.), μονάδες αποθήκευσης (π.χ. μπαταρίες, σφόνδυλοι και πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας) και φορτία. Χαρακτηριστικό των μικροδικτύων είναι οτι μπορούν να λειτουργήσουν σε σύνδεση με το κύριο δίκτυο διανομής, αλλά και αυτόνομα. Σχήμα 1.3: Μικροδίκτυο [7]

21 Κεφάλαιο 1 ο Οι εντατικές έρευνες για την ένταξη των μικροδικτύων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ξεκίνησαν με την υπογραφή του Πρωτοκόλλου του Κιότο, το Mε αυτό, τα ανεπτυγμένα κράτη δεσμεύτηκαν να μειώσουν τις συνολικές τους εκπομπές κατά τουλάχιστον 5% την πενταετία , σε σχέση με τα επίπεδα του Ο στόχος αυτός αναφέρεται σε έξι αέρια (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες, πλήρως φθοριομένοι υδρογονάνθρακες και εξαφθοριούχο θείο) [8]. Η τεχνολογία των μικροδικτύων κρίθηκε κατάλληλη για να χρησιμοποιηθεί προς επίτευξη αυτού του στόχου, αφού οι μονάδες παραγωγής που χρησιμοποιούνται σε αυτά έχουν πολύ χαμηλές έως μηδαμινές εκπομπές των παραπάνω αερίων [9]. Στην Ελλάδα υπάρχει ήδη και λειτουργεί πιλοτικό μικροδίκτυο στην Κύθνο. Είναι ένα μονοφασικό μικροδίκτυο, που τροφοδοτεί 12 σπίτια και αποτελείται από φωτοβολταϊκά, μπαταρίες και μια γεννήτρια diesel. Επίσης, μέσω του προγράμματος Έξυπνα Νησιά- ELENA, που υλοποιείται από την αστική μη κερδοσκοπική εταιρεία ΔΑΦΝΗ (Δίκτυο Αειφόρων Νήσων του Αιγαίου), βρίσκεται υπό μελέτη η εγκατάσταση μικροδικτύων στα νησιά Λέσβος, Κύθνος, Σαντορίνη, Λήμνος και Μήλος [10]. Τέλος, έχει εγκριθεί και θα εφαρμοστεί άμεσα το πρόγραμμα TILOS, το οποίο αφορά στην ενεργειακή αυτονόμηση της Τήλου μέσω της λειτουργίας ενός μικροδικτύου που θα καλύπτει εξ ολοκλήρου τις απαιτήσεις του νησιού σε ενέργεια [11]. Σχήμα 1.4: Μικροδίκτυο της Κύθνου [12]

22 Κεφάλαιο 1 ο Οφέλη που απορρέουν από τη χρήση μικροδικτύων Η υιοθέτηση της τεχνολογίας των μικροδικτύων παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, τόσο για τις εταιρείες παραγωγής και διανομής ενέργειας, όσο και για τους καταναλωτές. Τα παρακάτω μπορούν να θεωρηθούν και ως κίνητρα για την πιο εκτεταμένη χρήση των μικροδικτύων τα επόμενα χρόνια [2]. Αξιοπιστία, ποιότητα κι ασφάλεια στην παροχή ενέργειας: στη σημερινή εποχή της ψηφιακής οικονομίας η ανάγκη για σταθερή και ποιοτική παροχή ενέργειας έχει γίνει ζωτική, και ακόμα και μια σύντομη διακοπή στην παροχή ηλεκτρισμού μπορεί να επιφέρει τεράστιο κόστος στους καταναλωτές και κατ' επέκταση στην οικονομία ενός κράτους. Σε περίπτωση που το κεντρικό δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας καταρρεύσει, το μικροδίκτυο μέσω της δυνατότητας απομονωμένης λειτουργίας μπορεί να εξασφαλίσει στον καταναλωτή που ανήκει σε αυτό την αδιάλειπτη λειτουργία. Το ζήτημα αυτό είναι πολύ σημαντικό για καταναλωτές όπως τα νοσοκομεία, για τα οποία απαιτείται η συνεχής παροχή ενέργειας [13]. Μείωση των απωλειών: Καθώς οι μονάδες παραγωγής είναι εγκατεστημένες κοντά στα φορτία-καταναλωτές, δεν παρεμβάλλονται μεγάλα μήκη γραμμών ούτε πολλοί ενδιάμεσοι καταναλωτές που αλλοιώνουν με τη χωρητική (ή επαγωγική αν πρόκειται για φορτία) συμπεριφορά τους το συντελεστή ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται σημαντική μείωση των απωλειών στις γραμμές μεταφοράς και διανομής, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης του συνολικού συστήματος Ενθάρρυνση ενσωμάτωσης των ανανεώσιμων πηγών: Τα μικροδίκτυα διευκολύνουν την ένταξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο υπάρχον δίκτυο, αφού καθιστούν δυνατό τον τοπικό έλεγχο για διάφορα ζητήματα, όπως τη ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης. Επιπρόσθετα ενθαρρύνουν τη σύνδεση τέτοιων πηγών από ιδιώτες, κυρίως σε συνδυασμό με πιθανά οικονομικά κίνητρα που παρέχονται από τις κυβερνήσεις. Αυτό έχει ως επακόλουθο τη μειωμένη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Οικονομική πρόσβαση στον ηλεκτρισμό: Σε πολλές ορεινές ή δυσπρόσιτες περιοχές αναπτυσσόμενων χωρών, η μικρή πληθυσμιακή πυκνότητα και το υψηλό κόστος εγκατάστασης των γραμμών έχουν ως συνέπεια ένα σχετικά μεγάλο κομμάτι του πληθυσμού να μην έχει πρόσβαση στο ηλεκτρικό δίκτυο. Σε τέτοιες περιοχές, η εγκατάσταση ενός μικροδικτύου θα μπορούσε να αποτελέσει μια οικονομική και

23 Κεφάλαιο 1 ο συμφέρουσα λύση για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας, που θα είχε ως αποτέλεσμα τη ραγδαία βελτίωση του βιοτικού επιπέδου του πληθυσμού αυτού Τρόποι σύνδεσης των μικροδικτύων Ένα μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργεί με δύο τρόπους, είτε αυτόνομα, είτε συνδεδεμένο με το κεντρικό δίκτυο [2] Μικροδίκτυο διασυνδεδεμένο με το δίκτυο Αυτή η σύνδεση είναι και η πιο διαδεδομένη για τα μικροδίκτυα. Το μικροδίκτυο είναι συνδεδεμένο με το κύριο δίκτυο, οπότε οι απαιτήσεις του σε ενέργεια είναι εξασφαλισμένες, άρα ο κύριος στόχος του είναι η πιο αποδοτική κι οικονομική διαχείριση της ενέργειας. Χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές ελέγχου, το μικροδίκτυο συλλέγει στοιχεία από τις πηγές και τα φορτία του και ελέγχει τη ροή ενέργειας προς το κεντρικό δίκτυο, με βάση την πιο συμφέρουσα οικονομικά επιλογή. Παραδείγματος χάριν, αν μέσα στο μικροδίκτυο παράγεται περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτούν τα φορτία του και ταυτόχρονα οι τιμές στην αγορά ηλεκτρισμού θεωρούνται ιδανικές, τότε το μικροδίκτυο θα εξάγει ενέργεια προς το υπόλοιπο δίκτυο. Από την πλευρά του δικτύου, το μικροδίκτυο μπορεί να θεωρηθεί είτε ως φορτίο, όταν αυτό απορροφά ενέργεια, είτε ως σταθμός παραγωγής, όταν εξάγει ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται πολύ η πολυπλοκότητα του ελέγχου που πρέπει να εφαρμοστεί, σε αντίθεση με το σενάριο, κατά το οποίο κάθε κατανεμημένη πηγή και φορτίο πρέπει να ελέγχεται ξεχωριστά για τη ροή ενέργειάς του. Το γεγονός αυτό συμφέρει τους καταναλωτές που βρίσκονται μέσα στο μικροδίκτυο, καθώς οι μονάδες τους, οι οποίες μεμονωμένα δε θα ικανοποιούσαν τις απαιτήσεις των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας λόγω περιορισμένου μεγέθους παραγωγής ενέργειας, μπορούν να συνδυαστούν για να ανταγωνιστούν μεγάλα εργοστάσια παραγωγής. Αυτός ο συνδυασμός εξαλείφει κι ένα ποσοστό από τις διαταραχές στις εκάστοτε πηγές παραγωγής κι ομογενοποιεί την παραγωγή και την κατανάλωση της ενέργειας. Ολοκληρώνοντας, το μικροδίκτυο με αυτόν τον τρόπο σύνδεσης είναι σε θέση να παρέχει βοηθητικές υπηρεσίες στο κύριο δίκτυο, όπως είναι η ρύθμιση της τάσης με αντιστάθμιση της αέργου ισχύος ή η βοήθεια στην εκκίνηση μεγάλων σταθμών παραγωγής σε περιπτώσεις ανάγκης

24 Κεφάλαιο 1 ο Μικροδίκτυο σε απομονωμένη λειτουργία Στην περίπτωση αυτή, το μικροδίκτυο λειτουργεί αυτόνομα. Συνήθως το μικροδίκτυο μπαίνει σε αυτή τη λειτουργία εξαιτίας σφαλμάτων ή διακοπών του κεντρικού δικτύου, που οφείλονται σε τεχνικούς λόγους ή σε φυσικές καταστροφές, οι οποίες θα μπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο κρίσιμα φορτία, όπως νοσοκομεία ή κέντρα δεδομένων μέσα στο μικροδίκτυο. Όταν το μικροδίκτυο αποσυνδέεται από το κεντρικό δίκτυο κατά τη διάρκεια βλαβών, αποφεύγεται το υψηλό κόστος από διακοπές ρεύματος κι εξασφαλίζεται η συνεχής τροφοδοσία με ενέργεια. Η απομονωμένη λειτουργία μπορεί επίσης να εφαρμοστεί όταν η τροφοδοσία έχει προβλήματα ακόμα και σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, εξαιτίας παραγόντων όπως η μακρινή απόσταση από το κεντρικό δίκτυο ή κατά τη διάρκεια εργασιών συντήρησης. Η ύπαρξη δύο τρόπων λειτουργίας έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν δύο πιθανές περιπτώσεις μετάβασης για το μικροδίκτυο. Στην πρώτη περίπτωση το μικροδίκτυο μεταβαίνει από τη λειτουργία διασύνδεσης με το δίκτυο στην απομονωμένη λειτουργία. Εδώ, υπάρχει πιθανότητα να υπάρχει εξερχόμενη ροή από το μικροδίκτυο στο κυρίως δίκτυο, λόγω των κατανεμημένων πηγών παραγωγής. Ο ελεγκτής του μικροδικτύου πρέπει να ανταλλάξει πληροφορίες με το διαχειριστή του συστήματος σχετικά με μεταβλητές όπως η τάση και η κατάσταση των ρελέ προστασίας, ώστε κατά τη μετάβαση να μη διακοπούν οι υπηρεσίες εντός του μικροδικτύου. Στη δεύτερη περίπτωση, που το μικροδίκτυο μεταβαίνει από την απομονωμένη λειτουργία στη λειτουργία διασύνδεσης με το δίκτυο, πρέπει να ελεγχθούν οι μεταβλητές (η συχνότητα, οι τιμές και οι γωνίες των τάσεων) στο σημείο κοινής σύζευξης, ώστε να βρίσκονται μέσα στα επιτρεπτά όρια και να γίνει ο συγχρονισμός με το υπόλοιπο δίκτυο Εφαρμογές των μικροδικτύων Πανεπιστημιουπόλεις/ Ιδρύματα: Αυτή τη στιγμή η μεγαλύτερη αγορά για τα μικροδίκτυα είναι οι πανεπιστημιουπόλεις [14]. Σε αυτά τα ιδρύματα, συχνά χρησιμοποιείται η συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, ώστε να μεγιστοποιηθεί η αποδοτικότητα και να μειωθεί η εξάρτηση από τις τοπικές υποδομές, ενώ ιδιαίτερα σημαντική είναι η αξιοπιστία, ειδικά στην περίπτωση που υπάρχουν κρίσιμα φορτία. Σήμερα, που ένα μεγάλο ποσοστό των δραστηριοτήτων μας εξαρτάται από την αδιάλειπτη παροχή ενέργειας, ο όρος "κρίσιμα φορτία" έχει ξεφύγει από τα στενά πλαίσια των νοσοκομείων και κέντρων

25 Κεφάλαιο 1 ο τηλεπικοινωνιών, που εξέφραζε παλιότερα, κι έχει επεκταθεί σε εγκαταστάσεις, όπως αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής, φυλακές κ.α., οι οποίες επίσης έχουν ζωτική ανάγκη αξιόπιστης παροχής ηλεκτρισμού. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η φυλακή Santa Rita στην Καλιφόρνια, η οποία σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Berkeley, χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά, μπαταρίες και συστήματα ελέγχου, μπορεί να καλύψει το 100% των αναγκών της σε ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της ημέρας και να λειτουργήσει απομονωμένη για εκτεταμένα χρονικά διαστήματα [15]. Στρατιωτικές εγκαταστάσεις: Το Αμερικανικό Υπουργείο Άμυνας (DoD) έχει την υποχρέωση να καταφέρει μέχρι το 2025 να καλύπτει το 25% των αναγκών του σε ενέργεια μέσω των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αν λάβουμε υπόψιν μας τις ιδιαίτερες ανάγκες και συνθήκες των εγκαταστάσεων αυτών, η λειτουργία του δικτύου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει ακόμα μεγαλύτερη βαρύτητα, καθώς οι συμβατικές πηγές ενέργειας όπως το πετρέλαιο ίσως να μην είναι εφικτό να μεταφερθούν εντός της εγκατάστασης. Επίσης, η κατανεμημένη φύση αυτών των πηγών, στο πλαίσιο του μικροδικτύου, μπορεί να έχει σημαντικές επιδράσεις στην ασφάλεια κι αποτελεσματικότητα των στρατιωτικών δυνάμεων Προκλήσεις για το μέλλον των μικροδικτύων Το υψηλό κόστος των κατανεμημένων πηγών παραγωγής ενέργειας: Το αρχικό κόστος εγκατάστασης των μικροδικτύων είναι αρκετά υψηλό. Για το λόγο αυτό οι κυβερνήσεις προσπαθούν με χρηματοδοτήσεις και άλλα κίνητρα να ενθαρρύνουν τις επενδύσεις, ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι που έχουν τεθεί για την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τεχνικές δυσκολίες: Οι δυσκολίες αυτές αφορούν στην επιλογή, στο μέγεθος, στην εγκατάσταση και στη μελέτη που απαιτείται για τον έλεγχο, καθώς και στα σφάλματα και στη διαχείριση των κατανεμημένων πηγών παραγωγής, ώστε να διατηρηθεί η συχνότητα κι η τάση στα επιθυμητά επίπεδα. Διαχειριστικά και νομικά εμπόδια: Πέρα από τα τεχνικά ζητήματα, υπάρχουν πολλά διαχειριστικά και νομικά θέματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως υπό ποια ιδιοκτησία κι αρχή θα λειτουργεί το μικροδίκτυο, ποιος θα είναι υπεύθυνος για τη διαχείρισή του, τι είδους αλλαγές στις υποδομές του επιτρέπεται να πραγματοποιήσουν οι φορείς μέσα σε αυτό, ποιους καταναλωτές θα εξυπηρετεί κτλ

26 Κεφάλαιο 1 ο Μονοπώλιο στις αγορές ενέργειας: Σε περίπτωση που το μικροδίκτυο λειτουργεί σε απομονωμένη λειτουργία, υπάρχει ο κίνδυνος η τιμή της ενέργειας να αυξηθεί ραγδαία, λόγω της ύπαρξης μονοπωλίου. Αυτή η περίπτωση πρέπει να αντιμετωπιστεί με την κατάλληλη δημιουργία και σχεδιασμό νομικών πλαισίων για τους κανόνες αγοράς εντός του μικροδικτύου Τμήματα του μικροδικτύου Ένα μικροδίκτυο αποτελείται από μονάδες παραγωγής, που μπορούν να εκμεταλλεύονται τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, βιομάζα κλπ) ή ακόμα και γεννήτριες diesel, κυψέλες καυσίμων και μικροτουρμπίνες, οι οποίες μάλιστα παρέχουν τη δυνατότητα συμπαραγωγής θερμότητας, με αποτέλεσμα την ακόμα μεγαλύτερη απόδοση [16]. Για να εξασφαλίζεται η συνεχής λειτουργία ενός μικροδικτύου που λειτουργεί αυτόνομα σε σχέση με το κεντρικό δίκτυο, είναι υποχρεωτική η ύπαρξη μονάδων αποθήκευσης ενέργειας, αφού η παροχή ισχύος από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν μπορεί να είναι συνεχής. Οι μονάδες αυτές παρέχουν ενέργεια σε περίπτωση διαταραχών και διατηρούν την ποιότητα της ισχύος στα επίπεδα που απαιτούνται. Τέτοιες μονάδες είναι οι μπαταρίες, οι σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη δράση, οι υπερπυκνωτές και τα υπεραγώγιμα πηνία [16]. Σχήμα 1.5: Τα μέρη του μικροδικτύου [17] Πολύ σημαντικό ρόλο για τη λειτουργία των μικροδικτύων παίζουν τα ηλεκτρονικά ισχύος. Για παράδειγμα τα φωτοβολταϊκά, οι μπαταρίες και οι κυψέλες καυσίμων παράγουν ισχύ υπό συνεχή τάση, ενώ οι γεννήτριες diesel και οι σφόνδυλοι σε εναλλασσόμενη τάση. Επομένως, οι αντιστροφείς που απαιτούνται για τη μετατροπή της ενέργειας από DC σε AC καθώς και οι υπόλοιποι μετατροπείς DC-DC αποτελούν ζωτικό τμήμα του μικροδικτύου [16]

27 Κεφάλαιο 1 ο Το μικροδίκτυο που θα σχεδιαστεί στα πλαίσια αυτής της Διπλωματικής Εργασίας θα αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, συστοιχίες μπαταριών, μια γεννήτρια diesel και το φορτίο. Στο τέλος της Διπλωματικής Εργασίας θα μελετηθεί η λειτουργία του μικροδικτύου σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, όπως σε μειωμένη ηλιοφάνεια, στην περίπτωση που οι μπαταρίες είναι αφόρτιστες, κλπ

28 Κεφάλαιο 1 ο

29 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΟΥ ΑΠΑΙΤΟΥΝ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 2.1 Φωτοβολταϊκά Ο ήλιος παρέχει ισχύ στην εξωτερική ατμόσφαιρα της γης με πυκνότητα περίπου 1.37 kw/m 2. Ένα μέρος της ηλιακής ενέργειας διαχέεται και απορροφάται από την ατμόσφαιρα, οπότε η μέγιστη τιμή της προσπίπτουσας ηλιακής ισχύος είναι 1 kw/m 2 το μεσημέρι στον ισημερινό. Παρόλ αυτά η ενέργεια που δέχεται όλη η επιφάνεια της γης είναι φορές πιο μεγάλη από την συνολική ενέργεια που ξοδεύει ολόκληρη η ανθρωπότητα για την κάλυψη των αναγκών της [18] [19]. Είναι, λοιπόν, ήδη ευδιάκριτα τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης της ηλιακής ενέργειας για την απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων: η ηλιακή ενέργεια παρέχεται δωρεάν κι η χρήση των φωτοβολταϊκών δε μολύνει το περιβάλλον. Εκτός από τα παραπάνω, σημαντικό είναι οτι τα φωτοβολταϊκά κατασκευάζονται από πυρίτιο, που συναντάται σε αφθονία στη φύση. Επίσης, τα φωτοβολταϊκά ανταποκρίνονται γρήγορα στις ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας, είναι πολύ αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες κι είναι κατάλληλα για εφαρμογές τοπικής κλίμακας, όπου δεν υπάρχει σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο. Παράλληλα, μπορούν να καλύψουν μικρές, μεσαίες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες με διάρκεια ζωής χρόνια [20] [21]. Από την άλλη πλευρά, ο χαμηλός βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών (5-17%) και το υψηλό κόστος εγκατάστασης αποτελούν τα κυριότερα μειονεκτήματα. Ένας επιπλέον περιορισμός προέρχεται από τη μεγάλη επιφάνεια που απαιτείται για την εγκατάσταση μιας φωτοβολταϊκής διάταξης, η οποία είναι συνήθως 8-12 m 2 ανά kw παραγόμενης ισχύος. Επιπρόσθετα, τα φωτοβολταϊκά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας, οπότε απαιτείται η ύπαρξη συσσωρευτικών μονάδων για την αποθήκευση της περισσευούμενης ενέργειας και την εκμετάλλευσή της στα χρονικά διαστήματα που η παραγόμενη ενέργεια δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου [19] [20]. Τα ηλιακά κύτταρα είναι το δομικό στοιχείο μιας φωτοβολταϊκής μονάδας, ωστόσο η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από ένα μόνο κύτταρο είναι σχετικά μικρή για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των φορτίων. Συνεπώς, ηλιακά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους ηλεκτρικά και διαμορφώνουν ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Η μέγιστη τάση

30 Κεφάλαιο 2 ο εξόδου του πλαισίου καθορίζεται από τον αριθμό των κυττάρων που συνδέονται σε σειρά, ενώ το μέγιστο ρεύμα εξόδου καθορίζεται από τον αριθμό των κυττάρων που είναι συνδεδεμένα παράλληλα. Δύο ή περισσότερα πλαίσια που έχουν προκατασκευαστεί, ώστε να συνδέονται μεταξύ τους τόσο μηχανικά όσο και ηλεκτρικά δημιουργούν ένα πάνελ. Τέλος, ως φωτοβολταϊκή συστοιχία ορίζεται ένα σύνολο από πάνελ μαζί με την κατασκευή στήριξης κι ό,τι άλλο χρειάζεται για να αποτελέσει μια ανεξάρτητη μονάδα παραγωγής ισχύος [3] [21]. Εικόνα 2.1: Από το ηλιακό κύτταρο στη φωτοβολταϊκή συστοιχία [22] Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική μέσω ενός κβαντικού μηχανισμού, που διατυπώθηκε το 1839 από το Γάλλο Edmund Bequerel και ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, όταν σε ορισμένα υλικά προσπίπτει φωτεινή ακτινοβολία, απελευθερώνονται ηλεκτρικά φορτία εντός των υλικών, όταν η ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη από μια τιμή χαρακτηριστική για το κάθε υλικό. Η ενέργεια και η συχνότητα των φωτονίων συνδέονται με τη σχέση:

31 Κεφάλαιο 2 ο Ε = h f (2.1) όπου, h είναι η σταθερά του Planck. Αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ξεπεράσει μια τιμή, που είναι χαρακτηριστική για το κάθε υλικό, παράγονται φορείς αγωγιμότητας (ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών στους ημιαγωγούς). Αυτό έχει ως συνέπεια τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, τα ηλιακά κύτταρα είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκων, που όταν δέχονται στην επιφάνειά τους την ακτινοβολία του ηλίου, εκδηλώνουν μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της μπροστά και της πίσω όψης τους [19] Ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου Για να γίνει μια προσέγγιση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου κι εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του, μπορούμε να το αναπαραστήσουμε με μια πηγή ρεύματος, που ελέγχεται από μία δίοδο, η οποία άγει όσο προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία στο στοιχείο. Η πηγή ρεύματος αντιστοιχεί στην πράξη στη διαφορά δυναμικού που προκαλείται κατά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όπως περιγράφεται στην προηγούμενη παράγραφο [20]. Το απλοποιημένο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σχήμα περιλαμβάνει την πηγή ρεύματος, η οποία παρέχει το ρεύμα Ιφ και την παράλληλη δίοδο D. Σχήμα 2. 1: Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα Φωτοβολταϊκού Στοιχείου [23] Όταν οι ακροδέκτες του στοιχείου είναι βραχυκυκλωμένοι, η τάση εξόδου VL είναι μηδενική, ενώ το ρεύμα εξόδου IL παίρνει τη μέγιστη τιμή του, δηλαδή IL=IΦ. Όταν οι ακροδέκτες της πηγής είναι ανοιχτοκυκλωμένοι, το ρεύμα εξόδου μηδενίζεται, ενώ η τάση εξόδου μεγιστοποιείται. Το ρεύμα εισόδου (φωτόρευμα) ρέει μέσω της διόδου, άρα ισχύει Id=IΦ. Αν συνδεθεί ένα φορτίο στα άκρα του στοιχείου, το ρεύμα ΙΦ κατανέμεται μεταξύ της διόδου και του φορτίου, ανάλογα με την ωμική αντίσταση του φορτίου. Η σχέση της τάσης εξόδου και του ρεύματος εξόδου προκύπτει [19]:

32 Κεφάλαιο 2 ο I L = Ι I d = I I s (e V L VT 1) (2. 2) όπου V T = k T e Is: το ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου D, e: το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, k: η σταθερά του Boltzmann και Τ: η θερμοκρασία λειτουργίας του στοιχείου σε βαθμούς Kelvin. Πρακτικά, ωστόσο, κανένα ηλιακό κύτταρο δεν είναι ιδανικό, γι' αυτό στο κύκλωμα μπορούμε να προσθέσουμε το μη ιδανικό τμήμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Αυτό περιλαμβάνει την αντίσταση απωλειών λόγω της διαρροής του ρεύματος μεταξύ των άκρων του φωτοβολταϊκού στοιχείου (Rsh), και την αντίσταση απωλειών στο δρόμο ροής του ρεύματος της διόδου (Rs). Η Rsh είναι παράλληλα συνδεδεμένη στα άκρα της διόδου και η Rs είναι εν σειρά συνδεδεμένη με τη δίοδο [20]. Το ακριβέστερο ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα: Σχήμα 2. 2: Μη ιδανικό ισοδύναμο κύκλωμα του Φωτοβολταϊκού Στοιχείου [24] κι η σχέση μεταξύ του ρεύματος εξόδου και της τάσης εξόδου γίνεται:

33 Κεφάλαιο 2 ο Ι = Ι Φ I d I sh = Ι Φ I s (e V d VT 1) V d R sh (2. 3) όπου: V d = U + I R s. Η αντίσταση R s αναπαριστά συγκεντρωτικά τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής, την ωμική επαφή και την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό (συνήθως τύπου-n), στην οποία προσπίπτει ο ήλιος κι αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα. Οι αποδεκτές τιμές για την R s κυμαίνονται μεταξύ Ω [20]. Η αντίσταση R sh σχετίζεται με τη διαδρομή του ρεύματος στο εσωτερικό της p-n επαφής, μεταξύ σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Για καλής ποιότητας φωτοβολταϊκά, η τιμή της R sh πρέπει να είναι της τάξης των ΚΩ Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης φωτοβολταϊκού στοιχείου Στο Σχήμα 2.3 παρουσιάζεται η μεταβολή του ρεύματος ως προς την τάση εξόδου ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, για σταθερές περιβαλλοντικές συνθήκες (ακτινοβολία και θερμοκρασία). Σχήμα 2.3: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης και ισχύος-τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου για συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες [25]

34 Κεφάλαιο 2 ο Παρατηρούμε οτι σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές τάσης, στις οποίες διατηρείται η τάση σταθερή σε όλο το εύρος της περιοχής κανονικής λειτουργίας, η τάση του φωτοβολταϊκού στοιχείου μεταβάλλεται μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος με το οποίο τροφοδοτεί το κύκλωμα, ακόμα και όταν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή [20]. Ρεύμα Βραχυκύκλωσης και Τάση Ανοικτού Κυκλώματος: Στη χαρακτηριστική ρεύματος τάσης διακρίνεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc και η τάση ανοικτού κυκλώματος Voc. Η τάση ανοικτού κυκλώματος είναι η μέγιστη τάση εξόδου, όταν το ρεύμα εξόδου είναι μηδενικό. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι το μέγιστο ρεύμα εξόδου, όταν η τάση εξόδου είναι μηδενική. Το Isc μεταβάλλεται σχεδόν ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η Voc ανάλογα με το λογάριθμο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.4: Σχήμα 2.4: Ι-V καμπύλες με μεταβαλλόμενη ακτινοβολία [26] Το Isc πρακτικά επηρεάζεται πολύ λίγο από τις αλλαγές της θερμοκρασίας (όσο μειώνεται η θερμοκρασία, μειώνεται λίγο και το Isc). Η Voc, εκτός από το λογάριθμο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της p-n επαφής, τη συγκέντρωση των προσμίξεων και τη θερμοκρασία. Πιο συγκεκριμένα, όσο η θερμοκρασία αυξάνεται, η Voc μειώνεται (Σχήμα 2.5). Συνεπώς, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί τη μείωση της ισχύος [19]

35 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.5: Ι-V καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία [27] Η τάση ανοικτού κυκλώματος στα στοιχεία πυριτίου είναι περίπου V, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης ma/cm 2, στις τυποποιημένες συνθήκες (θερμοκρασία 25 C o, πυκνότητα ισχύος της φωτεινής ακτινοβολίας 1 kw/m 2 και φασματική κατανομή ΑΜ 1.5). Σημείο Μέγιστης Ισχύος: Η λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι δυνατή σε κάθε σημείο της χαρακτηριστικής καμπύλης ρεύματος-τάσης, ωστόσο σ' ένα μόνο σημείο η ισχύς εξόδου μεγιστοποιείται. Το σημείο αυτό (Pmp) βρίσκεται μεταξύ των περιοχών σταθερής τάσης και σταθερού ρεύματος. Σε αυτό το σημείο η τάση εξόδου είναι ίση με Vmp και το ρεύμα εξόδου ίσο με Imp. H τιμή της μέγιστης ισχύος (Pmp) εξαρτάται από την τάση ανοικτού κυκλώματος, το ρεύμα βραχυκύκλωσης και το συντελεστή πλήρωσης (fill factor), ο οποίος εκφράζει το πόσο ορθογώνια είναι η καμπύλη τάσης-ρεύματος και ορίζεται από τη σχέση [19]: FF = V mp I mp V oc I sc (2.3) Ο συντελεστής πλήρωσης λαμβάνει τιμές που κυμαίνονται στο εύρος στα στοιχεία από πυρίτιο. Όσο πιο κοντά στο 1 πλησιάζει η τιμή του, τόσο πιο πολύ προσεγγίζει η λειτουργία του φωτοβολταϊκού κυττάρου τη λειτουργία μιας ιδανικής πηγής ρεύματος στο εύρος τάσεων 0- Voc V [20]

36 Κεφάλαιο 2 ο Απόδοση φωτοβολταϊκών στοιχείων Η απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων δίνεται από τον τύπο: η = V mp I mp P in = V mp I mp P in A = V oc I sc FF P in (2.5) όπου Pin η συνολική ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που πέφτει στο στοιχείο. Αν αυτή δίνεται σε W m 2, τότε πολλαπλασιάζεται με το εμβαδό του κυττάρου (Α). Ο θεωρητικά μέγιστος βαθμός απόδοσης εξαρτάται από το FF και κυρίως από τα Voc, Isc, καθώς η μέγιστη τιμή του FF είναι συνάρτηση του Voc. Πρακτικά, οι μέγιστες τιμές του βαθμού απόδοσης είναι αρκετά χαμηλές και κυμαίνονται στο εύρος 14-17%. Η χαμηλή απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων έχει τις εξής αιτίες [21]: Την ανάκλαση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Αν η επιφάνεια του πυριτίου έχει επεξεργαστεί με χημικά μέσα ή επίστρωση, οι ανακλάσεις περιορίζονται δραστικά μέχρι την τάξη του 3%. Τη σκίαση από τις επαφές, που έχουν ως αποτέλεσμα το 5-15% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας να εκτρέπεται. Την ατελή εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων. Λόγω αυτού του παράγοντα και μόνο, η μέγιστη δυνατή απόδοση περιορίζεται στο 44%. Την επανασύνδεση των ελεύθερων φορέων φορτίου. Τις μη ικανοποιητικές τιμές των αντιστάσεων Rs, Rsh. Αυτές ελαττώνουν το συντελεστή FF και σε ακραίες περιπτώσεις και τα Voc, Isc. Τις αρκετά υψηλές και αρκετά χαμηλές τιμές της θερμοκρασίας Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να συνδεθούν είτε σε σειρά, ώστε να αυξηθεί η τάση, είτε παράλληλα για να αυξηθεί το ρεύμα, είτε και σε σειρά και παράλληλα, για να αυξηθεί και η τάση και το ρεύμα. Για παράδειγμα, αν συνδέσουμε σε σειρά 2 στοιχεία, στη χαρακτηριστική των 2 στοιχείων η τάση ανοιχτού κυκλώματος θα διπλασιαστεί, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης θα μείνει σταθερό. Από την άλλη πλευρά, αν συνδέσουμε τα 2 στοιχεία παράλληλα, το ρεύμα

37 Κεφάλαιο 2 ο βραχυκύκλωσης θα διπλασιαστεί, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος θα παραμείνει ίδια. Και στις δύο περιπτώσεις η ισχύς θα διπλασιαστεί. Το παραπάνω παράδειγμα παρουσιάζεται και γραφικά στο σχήμα που ακολουθεί [20] [28]: Σχήμα 2. 6: Τρόποι σύνδεσης Φωτοβολταϊκών Στοιχείων [28] Μαθηματικό μοντέλο Για να γίνει η προσομοίωση των φωτοβολταϊκών πλαισίων, πρέπει να επιλεχθεί κάποιο μαθηματικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό πρέπει να είναι ακριβές, αλλά και απλό, ώστε να μειωθεί η διάρκεια της προσομοίωσης και η πολυπλοκότητα του συνολικού συστήματος. Έχουν αναπτυχθεί δύο μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, η παραμετρική και η μέθοδος της παρεμβολής [29]. Θα επιλέξουμε τη μέθοδο της παρεμβολής, γιατί αυτή απαιτεί τη γνώση μόνο τριών σημείων της χαρακτηριστικής καμπύλης του φωτοβολταϊκού στοιχείου και μας καλύπτει και ως προς την ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα, για να εφαρμοστεί αυτή η μέθοδος, απαιτείται μόνο να γνωρίζουμε το σημείο μέγιστης ισχύος (Vmp, Imp), το σημείο ανοικτού κυκλώματος (Voc,0) και το σημείο βραχυκύκλωσης (0,Isc). Οι τιμές αυτές είναι πάντα γνωστές, καθώς παρέχονται στο φυλλάδιο του κατασκευαστή για θερμοκρασία 25 C o και ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2. Γνωρίζοντας αυτά τα τρία σημεία, μπορούμε να υπολογίσουμε τους εξής συντελεστές: C1 = (1 I mp ) e Vmp C2 V oc I sc (2.6)

38 Κεφάλαιο 2 ο C2 = ( V mp V oc 1) ln (1 I mp I sc ) (2.7) Στη συνέχεια μπορούμε να υπολογίσουμε τις δύο παραμέτρους DI και VR, οι οποίες αναπαριστούν την εξάρτηση από τη θερμοκρασία και από την ακτινοβολία: D I = C ti G (T T ref ) + I 1000 sc ( G 1) (2.8) 1000 V R = V + C tv (T T ref ) + R s D I (2.9) όπου: Cti ο συντελεστής θερμοκρασίας για το ρεύμα βραχυκύκλωσης του πλαισίου (%/ ο C) και Ctv ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος του πλαισίου (mv/ ο C). Και οι δύο αυτοί συντελεστές συνήθως δίνονται από τον κατασκευαστή. Επίσης: G είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) T είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου και Tref είναι η θερμοκρασία αναφοράς του πλαισίου (συνήθως 25 ο C) Τελικά, το ρεύμα και η τάση εξόδου προκύπτουν από τους τύπους: V R Ι = Ι sc [1 C1 (e ( C2 Voc ) 1)] + D I (2.10) V = C2 V oc ln [ (1 1 D I Isc ) C1 + 1] C tv (T T ref ) R s D I (2.11) Μοντέλο προσομοίωσης φωτοβολταϊκών Η εξίσωση 2.10 μπορεί να αναπαρασταθεί κυκλωματικά από μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος, η οποία συνδέεται σε ένα φορτίο. Για τον έλεγχο της πηγής αυτής, χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις της παραγράφου Με τη μέτρηση της τάσης στην έξοδο επιτυγχάνεται η ρύθμιση της πηγής ρεύματος, ώστε το ρεύμα κι η τάση εξόδου να αποτελούν ένα σημείο της χαρακτηριστικής καμπύλης εξόδου [20]

39 Κεφάλαιο 2 ο Αποφασίσαμε η φωτοβολταϊκή συστοιχία να είναι ισχύος Watt και να δίνει στην έξοδό της 480 V. Επομένως θα συνδέσουμε σε σειρά 12 πλαίσια, που το καθένα θα έχει ονομαστική τάση 40 V και ονομαστικό ρεύμα 5 Α. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των πλαισίων που προσομοιώθηκαν είναι τα εξής: Τεχνικά Χαρακτηριστικά Τιμές Ονομαστική Ισχύς Pmpp 200 Wp Τάση Μέγιστης Ισχύος Vmpp 40V Ρεύμα Μέγιστης Ισχύος Impp 5A Ρεύμα Βραχυκύκλωσης Isc 5.6A Τάση Ανοικτού Κυκλώματος Voc 45V Θερμοκρασιακός Συντελεστής mv/ o C Τάσης Ανοιχτού Κυκλώματος Voc Θερμοκρασιακός Συντελεστής 0.8 ma/ o C Ρεύματος Βραχυκύκλωσης Isc Πίνακας 2.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών πλαισίων Το μοντέλο του φωτοβολταϊκού πλαισίου που χρησιμοποιήθηκε δίδεται στο Σχήμα 2.7:

40 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.7: Μοντέλο Φωτοβολταϊκού Πλαισίου Η ελεγχόμενη πηγή τάσης, που δέχεται ως είσοδο ένα σήμα ράμπας και βρίσκεται στην έξοδο του πλαισίου, προσομοιώνει ένα γραμμικά μεταβαλλόμενο φορτίο. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν συνεχή τάση και ρεύμα στα άκρα τους, οπότε η προσομοίωση γίνεται με τη χρήση του συνδυασμού «ωμικό φορτίο»-πηγή τάσης. Ο λόγος που γίνεται αυτό, είναι για να καταφέρουμε να σχεδιάσουμε ολόκληρη την χαρακτηριστική καμπύλη του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Σε διαφορετική περίπτωση θα παίρναμε μόνο ένα σημείο, δηλαδή μόνο ένα ζεύγος τιμών τάσης και ρεύματος [20]. Σχήμα 2.8: Υποσύστημα του μοντέλου

41 Κεφάλαιο 2 ο Το υποσύστημα του μοντέλου φαίνεται στο Σχήμα 2.8. Οι δύο ελεγχόμενες πηγές ρεύματος έχουν προστεθεί για να επιτευχθεί καλύτερος έλεγχος των αποτελεσμάτων. Παρατηρούμε, ακόμα, την αντίσταση Rsh, ο ρόλος της οποίας αναλύθηκε παραπάνω. Στο μοντέλο αυτό, η Rsh έχει την τιμή 610 Ω. Οι εξισώσεις ελέγχου της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου φαίνονται στο Σχήμα 2.9. Ουσιαστικά πρόκειται για την υλοποίηση των εξισώσεων (2.6)-(2.10) μέσω των block του Simulink. Σχήμα 2.9: Υλοποίηση των εξισώσεων ελέγχου του φωτοβολταϊκού πλαισίου

42 Κεφάλαιο 2 ο Στο Σχήμα 2.9 παρουσιάζεται κατά σειρά από πάνω προς τα κάτω η υλοποίηση των εξισώσεων (2.7), (2.6), (2.8), (2.9) και (2.10). Στη συνέχεια, με το μοντέλο του φωτοβολταϊκού πλαισίου που παρουσιάστηκε έγιναν προσομοιώσεις με σκοπό να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης και ισχύος-τάσης και να δειχθεί η εξάρτηση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου από τις περιβαλλοντικές συνθήκες (ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασία). Στο Σχήμα 2.10 βλέπουμε τη χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης και στο Σχήμα 2.11 την καμπύλη ισχύος-τάσης για το επιλεχθέν πλαίσιο. Και οι δύο καμπύλες έχουν σχηματισθεί για ένταση ηλιακής ακτινοβολίας 1000 W/m 2 και για θερμοκρασία 25 o C. Σχήμα 2.10: Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης Σχήμα 2.11: Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-τάσης

43 Κεφάλαιο 2 ο Παρατηρούμε ότι οι καμπύλες έχουν την αναμενόμενη από τη θεωρία μορφή, επομένως το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε λειτουργεί ορθά. Στο Σχήμα 2.12 παρουσιάζεται η επίδραση που έχει η μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης υπό σταθερή θερμοκρασία. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, η μείωση της ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα την σχεδόν ανάλογη μείωση του ρεύματος βραχυκύκλωσης, ενώ η τάση βραχυκύκλωσης επηρεάζεται πολύ λιγότερο. Σχήμα 2.12: Καμπύλες Ρεύματος-Τάσης Φ/Β πλαισίου με μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία Στο Σχήμα 2.13 βλέπουμε πώς μεταβάλλεται η καμπύλη ισχύος- τάσης σε συνάρτηση με τη μεταβολή της ακτινοβολίας. Όπως ήταν αναμενόμενο, όσο μειώνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τόσο μειώνεται η ισχύς που αποδίδει το πλαίσιο. Σχήμα 2.13: Καμπύλες Ισχύος-Τάσης Φ/Β πλαισίου με μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία

44 Κεφάλαιο 2 ο Η επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας στις χαρακτηριστικές καμπύλες του φωτοβολταϊκού πλαισίου φαίνεται στα σχήματα 2.14 και Το ρεύμα μεταβάλλεται ελάχιστα ανάλογα με τη θερμοκρασία, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος μειώνεται, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται. Αντίστοιχα με την τάση, η ισχύς αυξάνεται ελαφρώς, όταν ελαττώνεται η θερμοκρασία και μειώνεται στην αντίθετη περίπτωση. Σχήμα 2.14: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ρεύματος-Τάσης Φ/Β πλαισίου με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία Σχήμα 2.15: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ισχύος- Τάσης Φ/Β πλαισίου με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία

45 Κεφάλαιο 2 ο Μοντέλο προσομοίωσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Αφού στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας θέλουμε να παίρνουμε 480V, πρέπει να συνδέσουμε σε σειρά 12 φωτοβολταϊκά πλαίσια σαν αυτά που παρουσιάστηκαν στην ενότητα Για να εξετάσουμε τα προβλήματα που επιφέρει η μερική σκίαση, αρχικά θα τοποθετήσουμε τρία πλαίσια σε σειρά. Η νέα διάταξη είναι αυτή του Σχήματος Σχήμα 2.16: Μοντέλο τριών φωτοβολταϊκών πλαισίων συνδεδεμένων σε σειρά Καθώς τα τρία πλαίσια είναι συνδεδεμένα σε σειρά, διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα, ενώ η τάση στην έξοδό τους ισούται με την τριπλάσια τιμή της τάσης του κάθε πλαισίου ξεχωριστά. Όπως παρατηρούμε, το κάθε πλαίσιο δέχεται διαφορετική τιμή έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η θερμοκρασία είναι 25 o C. Στο Σχήμα 2.17 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης κι ισχύος-τάσης για το συγκεκριμένο Φ/Β σύστημα:

46 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.17: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ρεύματος- Τάσης και Ισχύος- Τάσης για τρία πλαίσια που συνδέονται σε σειρά. Βλέπουμε ότι η τάση ανοικτού κυκλώματος είναι περίπου 135 V, όπως αναμενόταν. Επίσης, είναι εμφανές το πρόβλημα που προκαλείται από την σκίαση: το ρεύμα που διαρρέει τα τρία πλαίσια είναι ίσο με το ρεύμα που διαρρέει το πλαίσιο που δέχεται τη μικρότερη ακτινοβολία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η μέγιστη ισχύς να μειώνεται κατά πολύ. Είναι χαρακτηριστικό ότι στο μοντέλο αυτό η μέγιστη ισχύς φτάνει τα 320 W, ενώ αν όλα τα πλαίσια δέχονταν ακτινοβολία ίση με 1000 W/m 2, η μέγιστη ισχύς θα ήταν 600 W. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της απώλειας ισχύος, οι κατασκευαστές τοποθετούν στο πίσω μέρος των πλαισίων διόδους παράκαμψης. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε τη συμπεριφορά του μοντέλου με την προσθήκη των διόδων παράκαμψης, όπως αυτό φαίνεται στο Σχήμα

47 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.18: Μοντέλο τριών πλαισίων συνδεδεμένων σε σειρά με χρήση διόδων παράκαμψης Σχήμα 2.19: Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ρεύματος-Τάσης και Ισχύος-Τάσης για τρία πλαίσια με διόδους παράκαμψης που συνδέονται σε σειρά. Παρατηρούμε ότι με τη χρήση των διόδων παράκαμψης επιτυγχάνεται μικρή μείωση της απώλειας ισχύος. Επιπρόσθετα, οι δίοδοι των πλαισίων που δέχονται τη λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία άγουν και διαρρέονται από ρεύμα. Ως εκ τούτου επιτρέπουν στο πλαίσιο που δε βρίσκεται υπό σκιά να διαρρέεται από το μέγιστο δυνατό ρεύμα. Αφού εξετάσαμε την επίδραση της μερικής σκίασης στη συστοιχία των τριών πλαισίων, θα προχωρήσουμε στην προσομοίωση της συστοιχίας των δώδεκα εν σειρά συνδεδεμένων πλαισίων, η οποία θα χρησιμοποιηθεί και στη συνέχεια

48 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.20: Φωτοβολταϊκή συστοιχία αποτελούμενη από 12 πλαίσια Και τα δώδεκα πλαίσια έχουμε θεωρήσει ότι βρίσκονται στις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 ο C και υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2. Όπως

49 Κεφάλαιο 2 ο αποδείξαμε με το προηγούμενο μοντέλο των τριών πλαισίων εν σειρά, το μοντέλο λειτουργεί σωστά και στην περίπτωση που το κάθε πλαίσιο δέχεται διαφορετική ηλιακή ακτινοβολία. Στη συνέχεια για λόγους απλότητας, θα υποθέσουμε ότι όλα τα πλαίσια δέχονται την ίδια ακτινοβολία. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες που προκύπτουν είναι οι εξής: Ρεύμα (Α) Τάση (V) Ισχύς (W) Τάση (V) Σχήμα 2.21: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ρεύματος- Τάσης και Ισχύος- Τάσης για τη συστοιχία των 12 πλαισίων Όπως αναμενόταν, το ρεύμα βραχυκύκλωσης για όλα τα πλαίσια είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης του ενός πλαισίου, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος των δώδεκα πλαισίων είναι δώδεκα φορές η τάση ανοικτού κυκλώματος του ενός πλαισίου. Εξάλλου, η μέγιστη ισχύς είναι περίπου W, δηλαδή σχεδόν δώδεκα φορές η μέγιστη ισχύς που αποδίδει το κάθε πλαίσιο ξεχωριστά. 2.2 Συσσωρευτές Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές είναι συσκευές που αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια, αφού πρώτα τη μετατρέψουν σε χημική. Μέχρι σήμερα οι περισσότερες τεχνικές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, όπως η άντληση κι αποθήκευση νερού, ο συμπιεσμένος αέρας, η θερμική αποθήκευση, η παραγωγή κι αποθήκευση υδρογόνου, η αποθήκευση σε σφόνδυλους κλπ. έχουν κριθεί ασύμφορες για τη λειτουργία σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκές συστοιχίες, είτε λόγω του μεγάλου κόστους, είτε λόγω της μη προσαρμογής των δυνατοτήτων αποθήκευσης [21]. Για το λόγο αυτό, στις περισσότερες εφαρμογές που χρησιμοποιούνται φωτοβολταϊκά, απαιτείται η ταυτόχρονη χρήση συσσωρευτών, αφού αυτοί είναι σε θέση να: αποθηκεύουν την περισσευούμενη ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά κατά τη διάρκεια της ημέρας, ώστε αυτή να χρησιμοποιηθεί τη νύχτα, όταν τα φωτοβολταϊκά δεν παρέχουν ενέργεια

50 Κεφάλαιο 2 ο παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια για την εξυπηρέτηση του φορτίου σε μέρες χωρίς ηλιοφάνεια. Γενικότερα, η χρήση συσσωρευτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα [30]: Τη δυνατότητα παροχής ενέργειας σε περιόδους χωρίς ηλιακή ακτινοβολία. Τη δυνατότητα κάλυψης στιγμιαίων αιχμών ζήτησης του φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι όταν το φορτίο απαιτεί περισσότερη ενέργεια από αυτή που παράγουν τα φωτοβολταϊκά, οι συσσωρευτές διαθέτουν την παραπάνω ενέργεια που χρειάζεται. Την ύπαρξη σταθερής τάσης στο σύστημα. Τη δυνατότητα αποθήκευσης της περισσευούμενης ενέργειας, με αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών. Από την άλλη πλευρά υπάρχουν και κάποια μειονεκτήματα, όπως [30]: Η αύξηση της πολυπλοκότητας του συστήματος. Η αύξηση του κόστους. Η αύξηση του χρόνου και του κόστους συντήρησης. Ο μικρότερος χρόνος ζωής των συσσωρευτών, σε σχέση με το χρόνο ζωής των φωτοβολταϊκών πλαισίων Κατηγορίες Συσσωρευτών Οι συσσωρευτές χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες [30] [21]: Στους πρωτογενείς συσσωρευτές, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο μία φορά κι αφού εκφορτιστούν πλήρως δεν υπάρχει η δυνατότητα επαναφόρτισης. Αυτοί χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα που απαιτούν μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης και έχουν μικρό αρχικό κόστος. Στους δευτερογενείς συσσωρευτές, που αφού εκφορτιστούν, έχουν τη δυνατότητα επαναφόρτισης. Αυτοί χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε ισχύ. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (nickel-cadmium) κι οι συσσωρευτές μολύβδου- οξέος (lead-acid). Στα μικροδίκτυα και στις περισσότερες εφαρμογές που περιλαμβάνουν φωτοβολταϊκά, απαιτείται η χρήση δευτερογενών συσσωρευτών, αφού αυτοί εκφορτίζονται και φορτίζονται σχεδόν καθημερινά. Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται είναι κατά κύριο λόγο μπαταρίες

51 Κεφάλαιο 2 ο μολύβδου-οξέος, λόγω της ευκολίας απόκτησής τους και της σχέσης κόστους-απόδοσης. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρότερες εφαρμογές, λόγω της ηλεκτρικής και μηχανικής αντοχής τους και του υψηλού κόστους ανά ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας. Γι αυτό το λόγο δε χρησιμοποιούνται πλέον στα φωτοβολταϊκά συστήματα Απαιτήσεις που καλύπτουν οι συσσωρευτές των φωτοβολταϊκών συστημάτων Κατά τη σχεδίαση του συστήματος των φωτοβολταϊκών, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι συγκεκριμένες συνθήκες, υπό τις οποίες λειτουργούν οι μπαταρίες, καθώς αυτές επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής τους και την αποτελεσματική λειτουργία τους. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό τους είναι η κυκλική τους λειτουργία με διαφορετική κανονικότητα. Κατά τη διάρκεια του εικοσιτετράωρου η μπαταρία φορτίζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας κι εκφορτίζεται τη νύχτα. Το βάθος της εκφόρτισης κατά τον ημερήσιο κύκλο για τα συστήματα χωρίς εφεδρική πηγή είναι πάντα μικρό. Πάνω στον ημερήσιο κύκλο υπερτίθεται ο κλιματολογικός, ανάλογα με τις μεταβολές των καιρικών συνθηκών, όπως φαίνεται στο Σχήμα Αυτός ο κύκλος πραγματοποιείται κάθε φορά που η ενέργεια που απαιτεί το φορτίο ξεπερνά την ενέργεια που παρέχουν τα φωτοβολταϊκά. Σχήμα 2.22: Κυκλική λειτουργία συσσωρευτή φωτοβολταϊκών [31] Σε συστήματα, στα οποία η αξιοπιστία δε μας ενδιαφέρει ιδιαίτερα, η μπαταρία μπορεί να λειτουργήσει ως εποχιακός αποθηκευτής. Σ' αυτή την περίπτωση ο κύκλος κλίματος εκτείνεται πάνω σ' ένα διακριτά μεγαλύτερο τμήμα της εποχής (Σχήμα 2.23). Συμπερασματικά, οι λεπτομέρειες της κυκλικής λειτουργίας εξαρτώνται από την επιθυμητή αξιοπιστία του

52 Κεφάλαιο 2 ο συστήματος και από τη σχέση μεταξύ της ικανότητας αποθήκευσης και του μεγέθους της Φ/Β γεννήτριας. Σχήμα 2.23: Κυκλική λειτουργία συσσωρευτή σε συστήματα με μειωμένη αξιοπιστία Δομή των συσσωρευτών μολύβδου-οξέος Τα τμήματα από τα οποία αποτελείται ένας συσσωρευτής μολύβδου-οξέος είναι τα εξής [30]: Το ενεργό υλικό (Active Material): Για τους συσσωρευτές αυτού του τύπου, το ενεργό υλικό, που αποτελεί το αρνητικό ηλεκτρόδιο, είναι ο σπογγώδης μόλυβδος (Pb) και το ενεργό υλικό, που αποτελεί το θετικό ηλεκτρόδιο, είναι το διοξείδιο του μολύβδου (PbO2). Το αρνητικό ηλεκτρόδιο παρέχει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, ενώ το θετικό ηλεκτρόδιο δέχεται ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Ο ηλεκτρολύτης (Electrolyte): Ο ηλεκτρολύτης είναι το υλικό μέσα στο οποίο εμβαπτίζονται τα δύο ηλεκτρόδια κι έχει σκοπό να ολοκληρώνει το κύκλωμα παρέχοντας τα ιόντα που απαιτούνται για την αγωγή μεταξύ των ηλεκτροδίων. Στις μπαταρίες μολύβδου ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4) σε νερό. Το πλέγμα (Grid): Το πλέγμα είναι ένα πλαίσιο, που κατασκευάζεται συνήθως από κράμα μολύβδου. Το πλέγμα υποστηρίζει το ενεργό υλικό πάνω στις πλάκες κι είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος. Στο πλέγμα χρησιμοποιούνται συχνά κράματα αντιμονίου (Sb) ή ασβεστίου (Ca) για να αυξηθεί η μηχανική αντοχή των πλακών

53 Κεφάλαιο 2 ο Οι πλάκες (Plates): Συχνά αναφέρονται κι ως ηλεκτρόδια. Είναι το σημαντικότερο κομμάτι της μπαταρίας κι αποτελούνται από το πλέγμα και το ενεργό υλικό. Οι θετικές κι οι αρνητικές πλάκες είναι συνήθως περισσότερες από μία και συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα μέσα σε μια κυψελίδα. Τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά (πάχος κι επιφάνεια) επηρεάζουν άμεσα τα χαρακτηριστικά του συσσωρευτή. Ο διαχωριστής (Seperator): Ο διαχωριστής είναι ένα μονωτικό υλικό που τοποθετείται ανάμεσα στις πλάκες του συσσωρευτή, ώστε να εμποδίσει την αγώγιμη επαφή μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου. Η επαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων θα είχε ως συνέπεια την εμφάνιση βραχυκυκλώματος. Το κιβώτιο κι οι πόλοι: Μέσα σε πλαστικό ή ελαστικό κιβώτιο τοποθετείται το σύνολο των υλικών του συσσωρευτή, ενώ μέσω του θετικού κι αρνητικού πόλου της, η μπαταρία συνδέεται με το υπόλοιπο σύστημα. Σχήμα 2.24: Δομή ενός συσσωρευτή μολύβδου-οξέος [32] Χαρακτηριστικά μεγέθη των συσσωρευτών Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό ενός συσσωρευτή είναι η χωρητικότητά του [30]. Η χωρητικότητα C ορίζεται ως το μέτρο της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου που μπορεί να προσφερθεί από μια μπαταρία, όταν αυτή εκφορτίζεται από την κατάσταση πλήρους φόρτισης στην ελάχιστη επιτρεπτή τάση. Μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας είναι το αμπερώριο (Ah)

54 Κεφάλαιο 2 ο Για παράδειγμα, ένας συσσωρευτής με χωρητικότητα 100 Ah μπορεί να αποδώσει ρεύμα 10 Α σε χρονικό διάστημα 10 ωρών [19]. Οι ρυθμοί φόρτισης κι εκφόρτισης της μπαταρίας δίνονται από τη σχέση: ρυθμός φόρτισης ρυθμός εκφόρτισης = C X (2. 11) όπου C συμβολίζεται η ονομαστική χωρητικότητα του συσσωρευτή και Χ ο αριθμός των ωρών φόρτισης- εκφόρτισης. Το ποσό της χωρητικότητα που έχει εκφορτιστεί ονομάζεται βάθος εκφόρτισης (Depth of Discharge, DOD), ενώ η διαθέσιμη χωρητικότητα καλείται στάθμη φόρτισης (State of Charge, SOC). Και τα δύο αυτά μεγέθη εκφράζονται ως ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας κι η σχέση που τα συνδέει είναι η εξής: SOC = 100% DOD (2.12) Ως κύκλος ορίζεται μια πλήρης εκφόρτιση της μπαταρίας μαζί με την επόμενη φόρτισή της. Κατά τη διάρκεια του κύκλου συμβαίνουν δυστυχώς μη αναστρέψιμες μεταβολές, οι οποίες προκαλούν τη βαθμιαία μείωση της διαθέσιμης χωρητικότητας, μέχρι που το στοιχείο δεν μπορεί πλέον να λειτουργήσει σωστά και έχει εξαντληθεί ο χρόνος ζωής του Παράγοντες που επηρεάζουν τη χωρητικότητα Για κάθε μπαταρία, η ονομαστική χωρητικότητα αντιστοιχεί σε καθορισμένο ρυθμό εκφόρτισης, θερμοκρασία και τάση αποκοπής. Η διαθέσιμη χωρητικότητα εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: Το ρυθμό εκφόρτισης Την τάση αποκοπής. Η επιπλέον χωρητικότητα που μπορεί να αποδώσει ένα στοιχείο, αν εκφορτιστεί πέρα από την καθορισμένη τάση αποκοπής, είναι συνήθως πολύ μικρότερη από την ονομαστική χωρητικότητα. Συχνά, η τάση αποκοπής καθορίζεται από τους κατασκευαστές σαν συνάρτηση του ρυθμού εκφόρτισης, με μικρότερες τάσεις αποκοπής για μεγαλύτερους ρυθμούς εκφόρτισης. Τη θερμοκρασία: Η διαθέσιμη χωρητικότητα μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από τους 25 ο C, αυξάνει λίγο τη χωρητικότητα, αλλά ταυτόχρονα μειώνει τη διάρκεια ζωής του στοιχείου. Το ρυθμό αυτοεκφόρτισης: Ο ρυθμός αυτός αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπρόσθετα, αν τα πλέγματα περιέχουν αντιμόνιο (Sb) αυξάνεται με

55 Κεφάλαιο 2 ο το χρόνο, ενώ αν τα πλέγματα περιέχουν ασβέστιο (Ca), ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης παραμένει σχετικά χαμηλός. Τη γήρανση: Η μεταβολή της χωρητικότητας κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής ενός συσσωρευτή εξαρτάται από τον τύπο του στοιχείου και τις συνθήκες λειτουργίας. Ακόμα, η χωρητικότητα αυξάνεται κατά τους πρώτους κύκλους λειτουργίας λόγω ατελών αντιδράσεων. Τη θειίκωση: Θειίκωση είναι η περίπτωση όπου κρύσταλλοι θειικού μολύβδου επικάθονται στα ηλεκτρόδια, εμποδίζοντας την περαιτέρω επικοινωνία με το άμεσο περιβάλλον τους [33]. Η θειίκωση μειώνει τη χωρητικότητα κι ελαττώνει την τάση εκφόρτισης, με συνέπεια η τάση αποκοπής να παρουσιάζεται σε υψηλότερες στάθμες φόρτισης (SOC) σε σχέση με ένα στοιχείο που δεν έχει υποστεί θειίκωση Προσομοίωση των συσσωρευτών Για να προσομοιωθούν οι συσσωρευτές χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Battery του Simulink. Σχήμα 2.25: Μοντέλο συσσωρευτών του Simulink Το μοντέλο αυτό έχει σχεδιαστεί έτσι, ώστε να αντιπροσωπεύει τους πιο δημοφιλείς τύπους μπαταριών. Το ισοδύναμο κύκλωμά του είναι το παρακάτω:

56 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2.26: Ισοδύναμο κύκλωμα του μοντέλου των συσσωρευτών του Simulink Στο επόμενο σχήμα παρατίθενται οι εξισώσεις φόρτισης κι εκφόρτισης των μπαταριών μολύβδου-οξέος και στη συνέχεια εξηγούνται τα μεγέθη που τις αποτελούν. Σχήμα 2.27: Εξισώσεις φόρτισης κι εκφόρτισης μπαταριών μολύβδου-οξέος [34] Ebatt: Μη γραμμική τάση (V) Eo: Γραμμική τάση (V) Exp(s): Συμπεριφορά της μπαταρίας στην εκθετική ζώνη λειτουργίας. Sel(s): Αντιπροσωπεύει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται η μπαταρία. Sel(s)= 0 κατά την εκφόρτιση και Sel(s)= 1 κατά τη φόρτιση K: Σταθερά πόλωσης (Ah -1 ) ή αντίσταση πόλωσης (Ohms) i*: Δυναμική ρεύματος χαμηλής συχνότητας (Α) i: Ρεύμα της μπαταρίας (Α)

57 Κεφάλαιο 2 ο it: Χωρητικότητα (Ah) Q: Μέγιστη χωρητικότητα της μπαταρίας (Ah) A: Εκθετική τάση (V) B: Εκθετική Χωρητικότητα (Ah -1 ) Μια τυπική καμπύλη εκφόρτισης αποτελείται από τρεις περιοχές, όπως φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 2.28: Καμπύλη εκφόρτισης μπαταρίας Το πρώτο τμήμα της χαρακτηριστικής αντιπροσωπεύει την εκθετική πτώση τάσης, όταν η μπαταρία είναι φορτισμένη. Το εύρος της περιοχής αυτής εξαρτάται από το είδος της μπαταρίας. Το δεύτερο τμήμα αντιπροσωπεύει το φορτίο που μπορεί να εξαχθεί από την μπαταρία μέχρι η τάση να πέσει κάτω από την ονομαστική τάση της μπαταρίας. Τέλος, το τρίτο τμήμα αντιπροσωπεύει την ολική εκφόρτιση της μπαταρίας, κατά την οποία η τάση μειώνεται με μεγάλη ταχύτητα. Όταν το ρεύμα της μπαταρίας είναι αρνητικό, η μπαταρία θα επαναφορτιστεί ακολουθώντας μια καμπύλη φόρτισης όμοια με αυτή που ακολουθεί: Σχήμα 2.29: Χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης μπαταρίας μολύβδου-οξέος και λιθίου-ιόντων

58 Κεφάλαιο 2 ο H συνάρτηση μεταφοράς Exp(s) αντιπροσωπεύει το φαινόμενο της υστέρησης για διάφορα είδη μπαταριών κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης κι εκφόρτισης (Σχήμα 2.30). Η εκθετική τάση αυξάνεται, όταν η μπαταρία φορτίζεται, ανεξάρτητα από τη στάθμη φόρτισης της μπαταρίας. Όταν η μπαταρία εκφορτίζεται, η εκθετική τάση μειώνεται αμέσως. Σχήμα 2.30: Εκθετική ζώνη για διάφορα είδη μπαταριών. Στα συστήματα φωτοβολταϊκών χρησιμοποιούνται κατά κόρον μπαταρίες 12 V βαθιάς εκφόρτισης. Στο σύστημα που σχεδιάστηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, η επιλογή των κατάλληλων μπαταριών έγινε με βάση το εξής σκεπτικό: Η πολική τάση του ac bus του μικροδικτύου θέλουμε να είναι 400V. Επομένως, στην είσοδο του τριφασικού αντιστροφέα, που θα συνδέεται με την έξοδο των μπαταριών, και για ma= πρέπει να φτάνουν από τις μπαταρίες: V d = V ac,bus 400 = = 880 V m a Άρα χρειαζόμαστε 880 V 12 V 74 μπαταρίες συνδεδεμένες σε σειρά. Τώρα πρέπει να εξεταστεί η χωρητικότητα που θα έχουν οι μπαταρίες. Οι μπαταρίες θέλουμε να τροφοδοτούν το φορτίο όσο τα φωτοβολταϊκά δεν αποδίδουν ικανοποιητική ισχύ, δηλαδή όσο δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Για μια χώρα όπως η Ελλάδα, δεχόμαστε ότι σπάνια υπάρχουν βροχοπτώσεις για διάστημα μεγαλύτερο των τεσσάρων ημερών, οπότε στη χρονική αυτή περίοδο (4 ημέρες 24 ώρες = 96 ώρες) πρέπει η ενέργεια να παρέχεται από τους συσσωρευτές. Επιπρόσθετα, επιλέγουμε οι συσσωρευτές να τροφοδοτούν το μικροδίκτυο με ισχύ 2200 W, δηλαδή με ισχύ ανάλογη με αυτή που αποδίδουν τα φωτοβολταϊκά, επομένως το ρεύμα που θα παρέχουν θα είναι:

59 I batt = P = = 2.47 A V d Κεφάλαιο 2 ο Συνεπώς τα συνολικά αμπερώρια των μπαταριών πρέπει να είναι 2.47 Α 96 ώρες = Αφήνοντας ένα περιθώριο ασφαλείας, θα χρησιμοποιήσουμε μια συστοιχία μπαταριών, που θα αποτελείται από μπαταρίες των 150 Ah, οι οποίες θα συνδεθούν παράλληλα ανά δύο, φθάνοντας έτσι σε συνολική χωρητικότητα 300 Ah. Τελικά, λοιπόν, θα χρησιμοποιηθούν συνολικά 148 μπαταρίες που θα τοποθετηθούν σε δύο σειρές των 74 μπαταριών η καθεμία. Για να απλοποιηθεί η προσομοίωση του συστήματος στο simulink, θα χρησιμοποιήσουμε μόνο μια μπαταρία, η οποία όμως θα έχει τα χαρακτηριστικά ολόκληρης της συστοιχίας των μπαταριών. Υπολογίσαμε παραπάνω ότι η συστοιχία θα αποδίδει 880 Volt και θα έχει χωρητικότητα 300 Ah, οπότε μένει να υπολογιστεί η εσωτερική αντίσταση. Η εσωτερική αντίσταση στο μοντέλο που προσομοιώνει την μπαταρία στο Matlab 2008b είναι προεπιλεγμένη ανάλογα με την ονομαστική τιμή της τάσης της μπαταρίας. Για μπαταρία 880 V και 300 Ah, η τιμή της εσωτερικής αντίστασης επιλέγεται αυτόματα Ω. Οι υπόλοιπες παράμετροι του μοντέλου παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.31 κι είναι προεπιλεγμένοι από το ίδιο το μοντέλο. Σχήμα 2.31: Παράμετροι μοντέλου συσσωρευτή

60 Κεφάλαιο 2 ο

61 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΚΙ Ο ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥΣ 3.1 Μετατροπέας ανύψωσης τάσης ΣΤ-ΣΤ (Boost) Θεωρητική ανάλυση Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης (Boost) ανήκει στην κατηγορία των μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή. Παρέχει στην έξοδο μια τάση Vo, η οποία είναι μεγαλύτερη της τάσης εισόδου Vs. Σχήμα 3.1: Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης της τάσης [35] Όταν ο διακόπτης S άγει, η πηγή εισόδου προσφέρει ενέργεια στην επαγωγή, η οποία αποθηκεύεται με τη μορφή μαγνητικού πεδίου. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα, οπότε δεν άγει κι η έξοδος απομονώνεται από την είσοδο. Όταν ο διακόπτης δεν άγει, το ρεύμα που διαρρέει την επαγωγή τείνει να μειωθεί, ενώ κι η τάση στα άκρα του πηνίου αλλάζει πολικότητα. Επομένως, η δίοδος πολώνεται ορθά κι η ενέργεια μεταφέρεται από την πηγή και την επαγωγή στο φορτίο [19] [36]. Ανάλογα με το αν ρέει συνεχώς ή όχι ρεύμα μέσω του πηνίου L, εμφανίζονται δύο περιοχές λειτουργίας [36]:

62 Κεφάλαιο 3 ο Η περιοχή συνεχούς αγωγής (Continuous Conduction Mode- CCM): Το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο δεν έχει μηδενισθεί όταν το διακοπτικό στοιχείο ανάψει και πάλι, οπότε το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου. Η περιοχή ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode- DCM): Το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης μηδενίζεται για κάποιο χρονικό διάστημα, κατά το οποίο το διακοπτικό στοιχείο βρίσκεται στην αποκοπή. Παρακάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος που αντιστοιχούν στην ιδανική λειτουργία του μετατροπέα τύπου Boost στη συνεχή και στην ασυνεχή αγωγή. Σχήμα 3.2: Θεωρητικές κυμτομορφές τάσεων και ρευμάτων του μετατροπέα Boost, για τη συνεχή (αριστερά) και την ασυνεχή αγωγή (δεξιά) [36] Ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου κατά τη συνεχή αγωγή προκύπτει [36]: V o = 1 V I (1 δ) (3. 1)

63 Κεφάλαιο 3 ο Ενώ κατά την ασυνεχή αγωγή: V o V I = 2 I0 ( V I T s L ) I0 2 +δ 2 ( V I T s L ) (3. 2) Όταν δ 1, από την εξίσωση (3.1) βλέπουμε ότι η τάση εξόδου λαμβάνει πολύ μεγάλες τιμές. Στην πράξη, όμως, τα παρασιτικά στοιχεία που σχετίζονται με τους διακόπτες, το πηνίο και τον πυκνωτή, προκαλούν αντί για την αύξηση της τάσης εξόδου τη μείωσή της. Τελικά οι ανυψωτές τάσης αυτού του τύπου είναι ικανοί να πετύχουν ανύψωση της τάσης εισόδου περίπου 3-4 φορές [19]. Σχήμα 3.3: Επίδραση των παρασιτικών στοιχείων στην τάση εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης της τάσης [19] Προσομοίωση Μετατροπέα Το μοντέλο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης στο Simulink παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.4:

64 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.4: Μοντέλο μετατροπέα ανύψωσης της τάσης στο Simulink Επιλέχθηκε πηνίο Lf 1.2 mh και πυκνωτής Co 470 μf, ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί σε κάθε περίπτωση στην περιοχή συνεχούς λειτουργίας. Η διακοπτική συχνότητα επιλέχθηκε Hz. Η τάση της πηγής είναι 200 V και το δ είναι ίσο με 0.7. Συνεπώς, από την εξίσωση 3.1, αναμένουμε ότι η τάση στην έξοδο θα είναι: V o = V I 1 δ = 200 = V Η κυματομορφή της τάσης εξόδου που παίρνουμε από την προσομοίωση είναι η εξής: Σχήμα 3.5: Τάση εξόδου του μετατροπέα σε συνάρτηση με το χρόνο Βλέπουμε, λοιπόν, ότι η τάση εξόδου όντως σταθεροποιείται λίγο πάνω από τα 660 V, όπως αναμενόταν. Η αρχική ταλάντωση οφείλεται στο γεγονός ότι ο λόγος κατάτμησης είναι εξαρχής σταθερός και θα μπορούσε να αποφευχθεί με σταδιακή αύξηση του δ. Στη συνέχεια παρουσιάζονται η τάση και το ρεύμα του πηνίου στην μόνιμη κατάσταση

65 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.6: Τάση του πηνίου του μετατροπέα σε συνάρτηση με το χρόνο Σχήμα 3.7: Ρεύμα που διέρχεται από το πηνίο του μετατροπέα σε συνάρτηση με το χρόνο Στη γραφική παράσταση τάσης πηνίου-χρόνου, παρατηρούμε ότι το συνολικό εμβαδό του αρνητικού τμήματος της γραφικής ισούται με το συνολικό εμβαδό του θετικού. Ακόμα, το θετικό μέγιστο σημείο της γραφικής βρίσκεται στην τιμή V I = 200V, ενώ το αρνητικό μέγιστο σημείο στην τιμή V I V 0 = 466V. Επομένως, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι τα αναμενόμενα από τη θεωρία, οπότε το μοντέλο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης λειτουργεί σωστά

66 Κεφάλαιο 3 ο 3.2 Τριφασικός αντιστροφέας τάσης Θεωρητική ανάλυση Στο Σχήμα 3.8 δίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα ενός τριφασικού μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Στην περίπτωση που η παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων γίνεται με τετραγωνικούς παλμούς, κάθε ημιαγωγικό στοιχείο ανάβει και σβήνει για 180 ο και κάθε ακροδέκτης εξόδου (A,B,C) συνδέεται εναλλάξ για κάθε ημιπερίοδο στο θετικό ή στον αρνητικό πόλο της συνεχούς τάσης εισόδου. Η τριφασική έξοδος δημιουργείται με την εισαγωγή καθυστέρησης φάσης κατά 120 ο μεταξύ των παλμών του κάθε κλάδου της γέφυρας. Σχήμα 3.8: Κυκλωματικό διάγραμμα τριφασικού αντιστροφέα τάσης [37] Είναι αξιοσημείωτο, ότι η τρίτη αρμονική της πολικής τάσης εξόδου, όπως κι όλα τα περιττά πολλαπλάσιά της, είναι μηδέν. Αυτό συμβαίνει επειδή οι τρίτες αρμονικές κάθε φάσης αλληλοαναιρούνται, με συνέπεια η αρμονική αυτή και τα περιττά πολλαπλάσιά της να μην εμφανίζονται στην πολική τάση. Μία άλλη μέθοδος παραγωγής των παλμών είναι η Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών (Pulse Width Modulation- PWM) [19]. Σύμφωνα με αυτή, ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα επιτυγχάνεται με τη μεταβολή του εύρους των παλμών, δηλαδή μεταβάλλοντας τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία τα στοιχεία του αντιστροφέα άγουν ή όχι. Εάν, λοιπόν, θέλουμε να λάβουμε στην έξοδο μια τάση που να πλησιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο το ημίτονο, πρέπει να μεταβάλλουμε με ημιτονοειδή τρόπο το εύρος των παλμών. Με αυτόν τον τρόπο, στην έξοδο θα έχουμε μια σειρά από παλμούς σταθερής συχνότητας, των οποίων το χρονικό διάστημα που θα έχουν υψηλό δυναμικό (λογική στάθμη 1) θα μεταβάλλεται βάσει μιας ημιτονοειδούς συνάρτησης (Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του

67 Κεφάλαιο 3 ο Εύρους των Παλμών- Sinusoidal Pulse Width Modulation- SPWM), που θα έχει το πλάτος και τη συχνότητα που εμείς καθορίζουμε κάθε φορά. Για να πετύχουμε παραγωγή παλμών SPWM, δημιουργούμε μια ημιτονοειδή κυματομορφή, η οποία ονομάζεται κυματομορφή αναφοράς και μια τριγωνική κυματομορφή, η οποία ονομάζεται κυματομορφή φορέα. Επίσης, ορίζονται τα μεγέθη: M A = A sin πλάτος κυματομορφής αναφοράς = = συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους A tri πλάτος κυματομορφής φορέα (3. 3) Μ F = F tri συχνότητα κυματομορφής αναφοράς = = συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας F sin συχνότητα κυματομορφής φορέα (3. 4) Στη συνέχεια, οι δύο κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0, όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και μια Σχήμα 3.9: Τρίγωνο και ημίτονα αναφοράς προς σύγκριση και παραγωγή παλμών για οδήγηση των έξι ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα [38] λογική στάθμη 1, όταν συμβαίνει το αντίθετο. Άρα αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους M A, μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από τη σύγκριση. Για την περίπτωση του τριφασικού αντιστροφέα τάσης

68 Κεφάλαιο 3 ο δημιουργούμε τρία ημίτονα αναφοράς, με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους και τα συγκρίνουμε με το ίδιο τρίγωνο. Τα παραπάνω γίνονται πιο σαφή μέσω του Σχήματος 3.9, που παρουσιάζει τη δημιουργία παλμών μέσω της μεθόδου SPWM για έναν τριφασικό αντιστροφέα τάσης. Η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης, συναρτήσει της συνεχούς τάσης εισόδου, όπως προκύπτει από την ανάλυση Fourier δίνεται από τον τύπο [36]: V AB,rms = 0.61 V d M A (3. 5) Άρα μεταβάλλοντας το πλάτος και τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς, καθορίζουμε αντίστοιχα το πλάτος και τη συχνότητα της βασικής αρμονικής στην έξοδο του αντιστροφέα, διατηρώντας το πλάτος της κυματομορφής φορέα σταθερό Προσομοίωση μετατροπέα Το αρχικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τον τριφασικό αντιστροφέα παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 3.10: Αρχικό μοντέλο τριφασικού αντιστροφέα στο Simulink Το μπλε block είναι το μοντέλο του Simulink για τον τριφασικό αντιστροφέα, ενώ το ροζ είναι το μοντέλο για την παραγωγή των παλμών. Η συνεχής τάση εισόδου είναι ρυθμισμένη στα 880 V και η επιθυμητή πολική τάση εξόδου είναι 400 V. Για την παλμοδότηση επιλέχθηκε διακοπτική συχνότητα Hz [38], ώστε το Mf να είναι περιττό πολλαπλάσιο του τρία και να εξαλείφονται οι αρμονικές στα περιττά

69 Κεφάλαιο 3 ο πολλαπλάσια του Mf. Πιο συγκεκριμένα, M f = = 399 και = 133. Ακόμα, από τη σχέση (3.5) για τάση εισόδου 880 V και τάση εξόδου 400 V, το Ma προκύπτει Όσο αφορά το φίλτρο, η συχνότητα αποκοπής του συνήθως επιλέγεται στο ένα δέκατο της διακοπτικής συχνότητας. Εδώ θα επιλέξουμε ως συχνότητα αποκοπής του φίλτρου τα 1300 Hz και θα ορίσουμε L = 1.5 mh και C = 10μF ανά φάση. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η τάση αμέσως μετά τον αντιστροφέα και πριν το φίλτρο. Όπως αναμενόταν έχει τετραγωνική μορφή και πλάτος ίσο με την συνεχή τάση εισόδου, δηλαδή 880 V. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι παλμογραφήσεις και των υπόλοιπων μεγεθών. Σχήμα 3.11: Η πολική τάση μετά τον αντιστροφέα σε συνάρτηση με το χρόνο Σχήμα 3.12: Η πολική τάση μετά το φίλτρο σε συνάρτηση με το χρόνο

70 Κεφάλαιο 3 ο Ρεύμα εισόδου (Α) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5-10 Χρόνος (s) Σχήμα 3.13: Ρεύμα εισόδου αντιστροφέα Σχήμα 3.14: Ρεύμα φορτίου Παρατηρούμε ότι η μέγιστη πολική τάση στα άκρα του φορτίου είναι περίπου V. Παράλληλα, έχοντας επιλέξει αντίσταση 80 Ω ανά φάση, αναμένουμε ενεργό τιμή φασικού ρεύματος φορτίου = Α, ενώ η αναμενόμενη μέγιστη τιμή του είναι Α. Τα παραπάνω επαληθεύονται από τις γραφικές παραστάσεις, επομένως ο αντιστροφέας λειτουργεί ορθά

71 Κεφάλαιο 3 ο 3.3 Έλεγχος απομάστευσης μέγιστης ισχύος φωτοβολταϊκών Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα της αστάθειας της ισχύος εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας ελεγκτής που να εξασφαλίζει την παροχή της μέγιστης δυνατής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά στο σύστημα. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας (incremental conductance) [39]. Ο αλγόριθμος αυτός στηρίζεται στη μέτρηση της κλίσης dp/dv ανά πάσα στιγμή. Η κλίση αυτή ισούται με το μηδέν στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPP), ενώ έχει θετική τιμή στα αριστερά του MPP και αρνητική στα δεξιά του. Σχήμα 3.15: Η θέση του σημείου μέγιστης ισχύος στην χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-τάσης Με μορφή εξισώσεων τα παραπάνω γράφονται ως εξής: dp dv = 0 στο ΜΡΡ dp dv > 0 αριστερά του ΜΡΡ dp dv < 0 δεξιά του ΜΡΡ Από τις χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης κι ισχύος-τάσης προκύπτει οτι: dp dv = d(iv) dv = I + V di ΔΙ I + V dv ΔV οπότε η τιμή της κλίσης dp dvμπορεί να γραφτεί ως: (3. 6) (ΔΙ ΔV) = I V στο ΜΡΡ (ΔΙ ΔV) > I V αριστερά του ΜΡΡ (ΔΙ ΔV) < I V δεξιά του ΜΡΡ (3. 6) Στο Σχήμα 3.16 φαίνεται το διάγραμμα ροής της μεθόδου αυξητικής αγωγιμότητας

72 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.16: Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου αυξητικής αγωγιμότητας [20] Ο αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας ξεκινάει έχοντας ως είσοδο της τιμές της τάσης και του ρεύματος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας για μια δεδομένη χρονική στιγμή. Το σημείο μεγίστης ισχύος μπορεί να εντοπιστεί συγκρίνοντας τη στιγμιαία αγωγιμότητα (I V) με την αυξητική αγωγιμότητα (ΔΙ ΔV). Όταν ο αλγόριθμος εντοπίσει το σημείο μέγιστης ισχύος σταματάει τη λειτουργία του μέχρι να εντοπιστεί μια μεταβολή στο ΔΙ, που οφείλεται σε αλλαγή των περιβαλλοντικών συνθηκών. Τότε ο αλγόριθμος θα επαναλειτουργήσει μέχρι να εντοπιστεί το νέο MPP. Το βήμα του αλγορίθμου καθορίζει το πόσο γρήγορα ο αλγόριθμος εντοπίζει το MPP. Μεγάλο βήμα σημαίνει μικρότερη διάρκεια της διαδικασίας εντοπισμού, ωστόσο το σύστημα δε θα λειτουργεί συνεχώς στο MPP, αλλά θα παρουσιάζει ταλάντωση γύρω από αυτό [39]. Ο αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας παρουσιάζει το πλεονέκτημα της ταχύτερης απόδοσης υπό καιρικές συνθήκες που μεταβάλλονται γρήγορα, αφού έχοντας γνώση της παραγώγου του ρεύματος προς την τάση, δε χάνεται ο προσανατολισμός. Άλλο ένα πλεονέκτημα του αλγορίθμου αυτού είναι η εμφάνιση λιγότερων ταλαντώσεων γύρω από το MPP. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητά του είναι σχεδόν η ίδια με αυτή του αλγορίθμου διαταραχής και παρατήρησης (Perturb & Observe) [39]. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου αυξητικής αγωγιμότητας είναι η όχι τόσο καλή λειτουργία σε συνθήκες μερικής σκίασης κι η

73 Κεφάλαιο 3 ο πολυπλοκότητα του κυκλώματος ελέγχου, που οδηγεί σε αύξηση του κόστους του συστήματος [39]. 3.4 Έλεγχος ισχύος Γενικά, στόχος του ελέγχου ισχύος είναι η πλήρως ελεγχόμενη έγχυση ενεργού ή/κι αέργου ισχύος στο δίκτυο. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του τριφασικού αντιστροφέα που συνδέει τη φωτοβολταϊκή συστοιχία με το ac-bus του μικροδικτύου, επιδιώκουμε να ελέγχουμε την ποσότητα της ισχύος που θα αποδίδεται από τα φωτοβολταϊκά στο φορτίο του μικροδικτύου. Επομένως, η κεντρική ιδέα του ελέγχου ισχύος είναι παρόμοια με αυτή των σύγχρονων γεννητριών για την ελεγχόμενη παραγωγή ενεργού και αέργου ισχύος. Στο επόμενο σχήμα, με Ε συμβολίζεται η βασική αρμονική της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, με U η τάση του acbus και με L το πηνίο που χρησιμοποιείται στο φίλτρο αποκοπής των ανώτερων αρμονικών [38]. Πάντως, πρέπει να σημειωθεί, ότι καθώς το μικροδίκτυο είναι δίκτυο διανομής, ο ωμικός χαρακτήρας υπερτερεί του επαγωγικού, οπότε σε σειρά με το L θα έπρεπε να έχει συνδεθεί μια αντίσταση. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής, η αντίσταση αυτή έχει παραλειφθεί. Σχήμα 3.17: Ισοδύναμο κύκλωμα αντιστροφέα-ac-bus [38] Το αντίστοιχο διανυσματικό διάγραμμα που περιλαμβάνει τα μεγέθη Ε, U και την πτώση τάσης πάνω στο πηνίο jxsi=jωli παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 3.18: Διανυσματικό διάγραμμα σύνδεσης αντιστροφέα με το ac-bus [38]

74 Κεφάλαιο 3 ο Η γωνία φ συμβολίζει τη διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης του δικτύου και του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα, ενώ η γωνία δ συμβολίζει τη διαφορά φάσης μεταξύ των τάσεων του αντιστροφέα και του ac-bus. Με βάση το διανυσματικό διάγραμμα γράφονται οι εξής σχέσεις: Ε = U + X s I (3. 7) Esinδ = X s Icosφ (3. 8) Αντίστοιχα, η ενεργός και η άεργος ισχύς που παρέχονται από τον αντιστροφέα στο μικροδίκτυο υπολογίζονται από τις σχέσεις [38]: P = UIcosφ = UE X s sinδ (3. 9) Q = UE X s cosδ U2 X s = U X s (Ecosδ U) (3. 10) Από το διάγραμμα και τις σχέσεις μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Πρώτον, ρυθμίζοντας το μέτρο Ε της τάσης εξόδου του αντιστροφέα και τη γωνία δ, επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ροής ενεργού κι αέργου ισχύος προς το μικροδίκτυο. Δεύτερον, αποδεικνύεται ότι μια μικρή μεταβολή της γωνίας δ επηρεάζει περισσότερο τη μεταβολή της ενεργού ισχύος, παρά τη μεταβολή της αέργου. Αντίθετα, μια μικρή μεταβολή του μέτρου Ε επηρεάζει κυρίως τη ροή της αέργου ισχύος κι όχι τόσο τη ροή της ενεργού. Τέλος, μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι η ενεργός κι η άεργος ισχύς είναι δυνατό να μεταβάλλονται ανεξάρτητα η μία από την άλλη [38]. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, αφού έτσι ο έλεγχος γίνεται λιγότερο πολύπλοκος. Η μέθοδος ελέγχου που υιοθετείται σε αυτή τη διπλωματική εργασία παρουσιάζεται στο Σχήμα Τα επιμέρους τμήματα του ελέγχου θα εξηγηθούν αναλυτικά στη συνέχεια. Σχήμα 3.19: Σύστημα ελέγχου της ενεργού και της αέργου ισχύος που εγχέονται στο μικροδίκτυο μέσω του τριφασικού αντιστροφέα [40]

75 Κεφάλαιο 3 ο Μετασχηματισμός Park και υπολογισμός τριφασικής ενεργού κι αέργου ισχύος Το ρεύμα κι η φασική τάση στην πλευρά του ac-bus μετρώνται για τις φάσεις Α και Β. Αφού το σύστημα είναι συμμετρικό, το ρεύμα και η τάση για τη φάση C θα προκύψουν από τις σχέσεις: i a + i b + i c = 0 i c = (i a + i b ) (3. 11) v a + v b + v c = 0 v c = (v a + v b ) (3. 12) Ακολούθως, η τριφασική εναλλασσόμενη τάση και το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα μετατρέπονται σε τρεις συνεχείς συνιστώσες με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Park. Αυτό γίνεται επειδή οι τεχνικές ελέγχου είναι πολύ πιο απλό να υλοποιηθούν με τη χρήση συνεχών μεγεθών, ενώ αρκετές εξισώσεις απλοποιούνται κατά πολύ [38]. Οι εξισώσεις του μετασχηματισμού Park σε μορφή πινάκων έχουν τη μορφή: (3. 13) Από τα συνεχή μεγέθη που προκύπτουν από το μετασχηματισμό Park υπολογίζεται η τριφασική ενεργός κι άεργος ισχύς μέσω των εξισώσεων [38]: P 3Φ = 3 (V 2 di d + V q I q + 2V 0 I 0 ) (3. 14) Q 3Φ = 3 (V 2 qi d V d I q ) (3. 15) Στην περίπτωση που το σύστημα είναι συμμετρικό και χωρίς αρμονικές, τότε οι συνιστώσες μηδενικής ακολουθίας ισούνται με μηδέν, οπότε οι εξισώσεις απλοποιούνται ακόμα περισσότερο Δημιουργία ημιτόνου αναφοράς για την παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων Οι ισχείς που υπολογίστηκαν μέσω του μετασχηματισμού Park πρέπει τώρα να συγκριθούν με τις ισχείς αναφοράς Pref και Qref, για τις οποίες θα αναφερθεί στη συνέχεια πώς καθορίζονται. Για να προκύψουν οι μονοφασικές ισχείς P1Φ και Q1Φ που θα χρησιμοποιηθούν στη σύγκριση, τα μεγέθη P3Φ και Q3Φ που προκύπτουν από το μετασχηματισμό Park διαιρούνται διά 3. Τα

76 Κεφάλαιο 3 ο σφάλματα που προκύπτουν από τη σύγκριση των P1Φ-Pref και Q1Φ-Qref τροφοδοτούνται σε δύο ΡΙ ελεγκτές, έναν για την ενεργό κι έναν για την άεργο ισχύ. Η γωνία δ ρυθμίζει κυρίως τη ροή της ενεργού ισχύος κι εξαρτάται από την τιμή του διανύσματος jxsi. Όσο μεγαλύτερη τιμή έχει το διάνυσμα αυτό, τόσο περισσότερο μπορεί να αυξηθεί η γωνία δ. Εξάλλου, στην πράξη είναι επιθυμητή η μηδενική ροή αέργου ισχύος, οπότε η γωνία φ στο διανυσματικό διάγραμμα είναι 0 ο, η τάση και το ρεύμα στο ac-bus είναι συμφασικά μεγέθη και το διάνυσμα jxsi είναι κάθετο σε σχέση με την τάση του ac-bus. Άρα, η μεταβολή της ενεργού ισχύος σχετίζεται με το κάθετο διάνυσμα jxsi, ενώ η μεταβολή της άεργου ισχύος σχετίζεται με τα διανύσματα της τάσης του ac-bus και της προβολής της βασικής αρμονικής της τάσης του αντιστροφέα στον άξονα της τάσης του ac-bus. Η μεταβολή της τάσης του αντιστροφέα (ΔΕ) ρυθμίζει κατά κύριο λόγο τη ροή αέργου ισχύος από τον αντιστροφέα προς το μικροδίκτυο [38]. Σε συμφωνία με όσα εξηγήθηκαν παραπάνω, η έξοδος του ΡΙ ελεγκτή που αφορά στην άεργο ισχύ πολλαπλασιάζεται με ημίτονο αναφοράς που είναι συμφασικό με την τάση του acbus. Παράλληλα, η έξοδος του ΡΙ ελεγκτή που αφορά στην ενεργό ισχύ πολλαπλασιάζεται με ημίτονο αναφοράς που έχει διαφορά φάσης 90 ο (δηλαδή καθυστέρηση κατά 90 ο ) σε σχέση με αυτό του ac-bus. Κατ αυτόν τον τρόπο, το ημίτονο αναφοράς που συγκρίνεται με την τριγωνική κυματομορφή για την παραγωγή των κατάλληλων παλμών προς τα διακοπτικά στοιχεία περιλαμβάνει τις εξής τρεις συνιστώσες [38]: Τη σταθμισμένη έξοδο του ΡΙ ελεγκτή που ρυθμίζει τη ροή ενεργού ισχύος. Τη σταθμισμένη έξοδο του ΡΙ ελεγκτή που ρυθμίζει τη ροή αέργου ισχύος. Το αρχικό ημίτονο αναφοράς που χρειάζεται για την παραγωγή τάσης ίδιου πλάτους, φάσης και συχνότητας με αυτή του δικτύου, με σκοπό την επιτυχή σύνδεση του αντιστροφέα με το δίκτυο, πριν εφαρμοστεί ο έλεγχος ισχύος. Τα ημίτονα αναφοράς για τις υπόλοιπες δύο φάσεις προκύπτουν μετατοπίζοντας το ημίτονο της πρώτης φάσης κατά 120 ο και 240 ο, ώστε να παλμοδοτηθούν και τα έξι διακοπτικά στοιχεία. 3.5 Έλεγχος τάσης στο DC-Bus Η τάση εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost) είναι μεν συνεχής, αλλά όχι σταθερή, δηλαδή αλλάζει, καθώς το σημείο λειτουργίας μετακινείται σε διαφορετική καμπύλη ισχύος κάθε φορά. Επομένως, ο έλεγχος που εφαρμόζεται στον τριφασικό αντιστροφέα πρέπει

77 Κεφάλαιο 3 ο να διατηρεί σταθερή τη συνεχή τάση στην είσοδό του και στη συνέχεια να αποδίδει στο μικροδίκτυο όση ισχύ του παρέχεται από τον προηγούμενο μετατροπέα [38]. Έστω ότι ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης παρέχει στην έξοδο του ισχύ Ρ. Τότε ο πυκνωτής διασύνδεσης του μετατροπέα ανύψωσης τάσης με τον αντιστροφέα αρχίζει να φορτίζεται, δηλαδή αν η αρχική του τάση είναι Vc=V1, αφού παρέλθει ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα θα είναι V c = V 1 + ΔV. Ο αντιστροφέας πρέπει να μεταφέρει την ισχύ Ρ στο μικροδίκτυο και να διατηρήσει την τάση του πυκνωτή στην αρχική τιμή V1. Έτσι, η τάση του πυκνωτή Vc μετράται ανά πάσα στιγμή και συγκρίνεται με μια τιμή αναφοράς V ref = V 1, την οποία καθορίζουμε εμείς. Το σφάλμα τροφοδοτείται σε έναν εξωτερικό ελεγκτή ΡΙ, η έξοδος του οποίου αποτελεί την τιμή αναφοράς Pref για τον εσωτερικό ΡΙ ελεγκτή που ρυθμίζει την ροή ενεργού ισχύος και περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα [38]. 3.6 Επιλογή των κερδών των ΡΙ ελεγκτών Η εύρεση των κερδών ενός ΡΙ ελεγκτή είναι γενικά μια δύσκολη και χρονοβόρα διαδικασία. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία ένας γενικός προσδιορισμός των κερδών επιτυγχάνεται μέσω της μεθόδου Ziegler-Nichols [38] και στη συνέχεια μέσω επαναλαμβανόμενων προσομοιώσεων, επιλέγονται οι πιο κατάλληλες τιμές. Η μέθοδος Ziegler-Nichols είναι αρκετά απλή. Στο πρώτο στάδιο, ο ολοκληρωτικός όρος του ελεγκτή ki μηδενίζεται. Ακολούθως, ο αναλογικός όρος αυξάνεται από το μηδέν μέχρι την τιμή ku, για την οποία η έξοδος του κλειστού βρόχου ταλαντώνεται με σταθερό πλάτος και συχνότητα F u = 1 T u. Τα μεγέθη ku, T u χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των κερδών του ελεγκτή, με βάση τις σχέσεις που παρουσιάζονται στον επόμενο πίνακα. Πίνακας 3.1: Υπολογισμός κερδών ελεγκτών με τη μέθοδο Ziegler-Nichols [41]

78 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3.20: Απόκριση σήματος ελέγχου, ανάλογα με την τιμή του k u [42] Τα κέρδη που υπολογίζονται με αυτή τη μέθοδο δεν αποτελούν πάντα τη βέλτιστη λύση για τη λειτουργία του συστήματος, παρά μια ικανοποιητική προσέγγιση. Για να βρεθούν τα τελικά κέρδη απαιτούνται πολλές δοκιμές. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μικρορύθμιση (fine tuning). Ιδανικά, ο στόχος είναι να επιτευχθούν τιμές, για τις οποίες ο χρόνος απόκρισης (rise-time) δεν είναι μεγάλος και ταυτόχρονα το σήμα εξόδου δεν παίρνει τιμές που υπερβαίνουν κάποιο ανώτατο όριο (υπερυψώσεις-overshoots). Παρόλ αυτά, τα πλεονεκτήματα από τις μεταβολές των κερδών είναι αλληλοσυγκρουόμενα και σπάνια επιτυγχάνεται η ιδανική λύση. Τελικά, τα κέρδη των ελεγκτών ρυθμίζονται έτσι, ώστε να επιτυγχάνεται μια συμβιβαστική λύση όσο αφορά το χρόνο απόκρισης και τις υπερυψώσεις και το σύστημα να λειτουργεί ικανοποιητικά. Σχήμα 3.21: Επιδράσεις των μεταβολών των κερδών ενός ελεγκτή PID [43] Στα επόμενα κεφάλαια όλοι οι έλεγχοι που περιγράφηκαν θα προσομοιωθούν και θα σχολιασθούν αναλυτικά τα αποτελέσματά τους

79 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΑΝΥΨΩΤΗ ΤΑΣΗΣ, ΤΟΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΑΙ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΑΙ ΤΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΑΙ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 4.1 Σύνδεση φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τον ανυψωτή τάσης Σε αυτό το κεφάλαιο η φωτοβολταϊκή συστοιχία θα συνδεθεί με τον ανυψωτή τάσης. Για να απλοποιηθεί η προσομοίωση, τα χαρακτηριστικά των δώδεκα φωτοβολταϊκών πλαισίων που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 2, θα συγκεντρωθούν σε ένα μόνο φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Με αυτόν τον τρόπο, η προσομοίωση θα γίνει πιο γρήγορη. Επομένως, η νέα Rs θα ισούται με R s = 12 R s = 2.2 Ω και η νέα Rsh με R sh = 12 R sh = Ακόμα, η τάση ανοικτού κυκλώματος θα γίνει 600 V κι η τάση μέγιστης ισχύος 480 V. Οι τιμές του φωτορεύματος θα παραμείνουν ίδιες, αφού έχουμε θεωρήσει ότι τα πλαίσια είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Όσο αφορά τη δίοδο, η νέα της αντίσταση θα είναι δώδεκα φορές μεγαλύτερη, άρα Ω. Το μοντέλο των φωτοβολταϊκών και του μετατροπέα ανύψωσης τάσης μαζί με τον έλεγχο εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.1: Σχήμα 4.1: Μοντέλο φωτοβολταϊκού συστήματος με ανυψωτή τάσης κι έλεγχο MPPT Ο πυκνωτής στην είσοδο του μετατροπέα χρησιμεύει για τη σταθεροποίηση της τάσης εισόδου κι έχει χωρητικότητα 450 μf. Η αντίσταση στο φορτίο έχει επιλεχθεί με το σκεπτικό ότι, λαμβάνοντας υπόψιν τις απώλειες, η ισχύς στην έξοδο θα είναι περίπου 2000 W, οπότε για να πετύχουμε τάση 880 V απαιτείται αντίσταση R o = Ω. Το πηνίο του

80 Κεφάλαιο 4 ο Boost έχει τιμή 3.5 mh κι ο πυκνωτής στην έξοδό του Cdc 470 μf. Το εσωτερικό του μπλε block, καθώς κι ο έλεγχος ΜΡΡΤ παρουσιάζονται παρακάτω: Σχήμα 4.2: Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Σχήμα 4.3 Έλεγχος Εύρεσης Σημείου Μέγιστης Ισχύος Ο αλγόριθμος δέχεται ως εισόδους τις μέσες τιμές του ρεύματος και της τάσης, οι οποίες δειγματοληπτούνται από το block Zero-Order-Hold. Μέσω του block αυτού καθορίζεται η συχνότητα δειγματοληψίας του μοντέλου και επηρεάζεται άμεσα ο χρόνος προσομοίωσής του. Επιπρόσθετα το block αυτό συνεισφέρει στην αποφυγή σφάλματος, λόγω των κυματώσεων της τάσης και του ρεύματος [20]. Στη συνέχεια, μέσω blocks υλοποιούνται οι εξισώσεις (3.7). Αρχικά, δημιουργούνται και συγκρίνονται τα πηλίκα I/V και di/dv. Μέσω του block Unit delay διατηρούμε την προηγούμενη τιμή της εισόδου, ώστε να δημιουργήσουμε τις

81 Κεφάλαιο 4 ο διαφορικές ποσότητες ΔI και ΔV. Το block Saturation και το πρώτο Switch χρησιμοποιούνται για να εξασφαλιστεί οτι ο παρονομαστής των κλασμάτων δε θα γίνει ποτέ 0. Το δεύτερο switch δέχεται ως είσοδο το σφάλμα και το μεταφέρει στο block Sign. Εκεί, ανάλογα με το αν το σφάλμα είναι θετικό ή αρνητικό, η έξοδος του block γίνεται 1 ή -1 αντίστοιχα και πολλαπλασιάζεται με το βήμα μεταβολής του δ που έχει επιλεχθεί Μέσω του τελευταίου προς τα δεξιά Unit delay εκχωρείται η αρχική τιμή στο λόγο κατάτμησης. Τέλος, όσο ο αλγόριθμος δε βρίσκει το σημείο μέγιστης ισχύος, το βήμα προστίθεται στην προηγούμενη τιμή του λόγου κατάτμησης κι ο αλγόριθμος ξαναεκτελείται. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για ακτινοβολία 1000 W/m 2 και θερμοκρασία 25 o C παρατίθενται παρακάτω: Σχήμα 4.4: Τάση εισόδου στον Boost Σχήμα 4.5: Τάση εισόδου στον Boost σε μεγέθυνση

82 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.6: Τάση εξόδου του Boost Σχήμα 4.7: Τάση εξόδου του Boost σε μεγέθυνση Σχήμα 4.8: Ισχύς εισόδου του Boost

83 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.9: Ισχύς εισόδου σε μεγέθυνση Σχήμα 4.10: Ισχύς εξόδου του Boost Σχήμα 4.11: Ισχύς εξόδου σε μεγέθυνση

84 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.12: Λόγος κατάτμησης του Boost Βλέπουμε ότι ο λόγος κατάτμησης παρουσιάζει μία ταλάντωση γύρω από την τελική τιμή του, η οποία έχει σαν συνέπεια την ταλάντωση στις κυματομορφές της ισχύος και της τάσης. Αυτή η ταλάντωση θα μπορούσε να αποφευχθεί, εάν χρησιμοποιούσαμε μικρότερο βήμα στον αλγόριθμο MPPT, σε σχέση με το που έχουμε επιλέξει. Αυτό όμως θα αύξανε κατά πολύ το χρόνο της προσομοίωσης του μοντέλου. Συμπερασματικά, για τη λειτουργία του MPPT, θα μπορούσαμε να πούμε οτι η ταχύτητα κι η ακρίβειά του εξαρτώνται από τη συχνότητα δειγματοληψίας, από το βήμα μεταβολής του δ κι από την αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης. Οι ταλαντώσεις του δ αποφεύγονται αν μειώσουμε το βήμα, κάτι που όμως θα οδηγήσει σε μεγαλύτερο χρόνο απόκρισης. Επίσης, όσο αυξάνεται η συχνότητα δειγματοληψίας, τόσο πιο γρήγορη είναι η απόκριση του συστήματος, αλλά και τόσο πιο πιθανή είναι η εμφάνιση σφαλμάτων. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης αδράνειας απόκρισης του συστήματος, είναι αδύνατη η αύξηση της συχνότητας δειγματοληψίας χωρίς την αντίστοιχη μείωση του βήματος του δ, διότι θα είναι αδύνατη η παρατήρηση των μεταβολών. Επομένως, για την όσο πιο ομαλή λειτουργία του συστήματος επιλέγουμε μικρή συχνότητα δειγματοληψίας με σχετικά μεγάλο βήμα, άρα και ταλαντώσεις, ώστε να πετύχουμε πιο γρήγορη απόκριση [20]

85 Κεφάλαιο 4 ο 4.2 Σύνδεση τριφασικού αντιστροφέα με το δίκτυο κι έλεγχος ισχύος Στόχος μας τώρα είναι να συνδέσουμε τον τριφασικό αντιστροφέα με το δίκτυο και να τροφοδοτήσουμε αυτό με ισχύ από μια πηγή συνεχούς τάσης, που βρίσκεται στην είσοδο του αντιστροφέα (Σχήμα 4.13). Η πηγή συνεχούς τάσης θα παρέχει τάση, η οποία θα αντιστοιχεί στην τάση στην έξοδο του ανυψωτή τάσης, δηλαδή σε 880 V. Αρχικά, ο αντιστροφέας τροφοδοτεί ένα μικρό φορτίο (πάνω ροζ block- InitialLoad ), το οποίο αποτελείται από τρεις αντιστάσεις των 1000 Ω η καθεμία, συνδεδεμένες σε αστέρα. Το δίκτυο συνδέεται για t = 0.04 s, ενώ ο έλεγχος ισχύος ξεκινά να εφαρμόζεται για t = 0.1 s. Το κάτω ροζ block αντιπροσωπεύει το φορτίο που τροφοδοτείται κι από το δίκτυο κι από τον αντιστροφέα. Στο μοντέλο αυτό, έχουμε επιλέξει η αναφορά της ενεργού ισχύος που αποδίδει ο αντιστροφέας να είναι W ανά φάση, ενώ η αναφορά της αέργου ισχύος να είναι 0. Επομένως, θα επιλέξουμε ανά φάση φορτίο 850 W, ώστε να τροφοδοτείται κι από τον αντιστροφέα κι από το δίκτυο. Για ισχύ 850 W και φασική τάση 230 V προκύπτει αντίσταση R = V 2 P = = Ω ανά φάση. Σχήμα 4.13: Μοντέλο τριφασικού αντιστροφέα με σύνδεση στο δίκτυο κι έλεγχο ισχύος

86 Κεφάλαιο 4 ο Το δίκτυο προσομοιώνεται ως πηγή εναλλασσόμενης τάσης συχνότητας 50 Hz κι ενεργού τιμής πολικής τάσης 400 V. Ακόμα, ένα RL κύκλωμα τοποθετήθηκε εν σειρά, ώστε να αναπαραστήσει τον ωμικό-επαγωγικό χαρακτήρα του δικτύου. Σχήμα 4.14: Μοντέλο προσομοίωσης του δικτύου χαμηλής τάσης [38] Με το μπλε χρώμα απεικονίζεται το φίλτρο εξόδου του αντιστροφέα (Σχήμα 4.15). Εδώ τα πράγματα διαφοροποιούνται λίγο ως προς την επιλογή των στοιχείων του φίλτρου, σε σχέση με την ενότητα 3.2. Αν ανατρέξουμε στο διανυσματικό διάγραμμα του Σχήματος 3.18, γίνεται σαφές ότι το μέγεθος του πηνίου του φίλτρου L καθορίζει την ακρίβεια με την οποία μπορούμε να μεταβάλλουμε τη γωνία δ. Καθώς το πηνίο μεγαλώνει, η πτώση τάσης (V L = jωli) πάνω του αυξάνεται, οπότε αυξάνεται και το εύρος ρύθμισης της γωνίας δ, άρα και της ενεργού ισχύος. Στην αντίθετη περίπτωση που το πηνίο είναι μικρό, αν θέλουμε να μεταβάλουμε την ενεργό ισχύ, θα χρειαστεί να μεταβάλουμε ελάχιστα τη γωνία δ, οπότε είναι πιθανό να προκύψει ζήτημα ακρίβειας. Στο μοντέλο αυτό, αποφασίστηκε η γωνία δ να έχει τιμή 15 ο. Συνεπώς, χρησιμοποιώντας τη σχέση 3.10 και λαμβάνοντας υπόψιν ότι X L = ωl, προκύπτει ότι η τιμή του πηνίου θα είναι 66 mh. Επιλέγοντας τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου δέκα φορές μικρότερη της διακοπτικής συχνότητας των ημιαγωγικών στοιχείων, δηλαδή στα 1900 Hz, η χωρητικότητα του πυκνωτή προκύπτει 0.1 μf. Επειδή η λειτουργία με ιδανικό LC φίλτρο ήταν ασταθής, προσθέσαμε εν

87 Κεφάλαιο 4 ο σειρά με το πηνίο του φίλτρου και μια αντίσταση 0.3 Ω, που αναπαριστά την αντίσταση του τυλίγματος του πηνίου, ώστε να γίνεται απόσβεση. Σχήμα 4.15: Φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα Το εσωτερικό του block PQ Calculation (με γαλάζιο χρώμα) παρουσιάζεται στο Σχήμα Σε αυτό το block γίνεται η εκτίμηση της ενεργού κι αέργου ισχύος που ρέει από τον αντιστροφέα στο δίκτυο. Τα σήματα των φασικών τάσεων και ρευμάτων στην πλευρά του δικτύου μετρώνται μέσω του αριστερού block Three Phase V-I Measurement (επιλέγοντας να γίνεται μέτρηση της φασικής τάσης). Έπειτα, στα σήματα αυτά εφαρμόζεται μετασχηματισμός Park, ώστε να προκύψουν οι dq0 συνιστώσες. Σχήμα 4.16: Εσωτερικό του block PQ Calculation

88 Κεφάλαιο 4 ο Το ημίτονο και το συνημίτονο που χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς, προκύπτουν από το block PLL (με πορτοκαλί χρώμα). Ο Βρόχος Κλειδώματος Φάσης (Phase Locked Loop-PLL) είναι υπεύθυνος για τον προσδιορισμό κάθε στιγμή της συχνότητας, του μέτρου και της γωνίας της τάσης του δικτύου. Είναι ένας έλεγχος κλειστού βρόχου, που γίνεται με διάφορες τεχνικές, κυρίως μέσω προγραμματισμού με κάποιο μικροελεγκτή [44]. Στο μοντέλο αυτό, χρησιμοποιούμε το έτοιμο block PLL του Simulink, το οποίο δέχεται ως είσοδο την τάση του δικτύου (σε ανά μονάδα τιμές-από το δεξί block Three Phase V-I Measurement). Από την έξοδό του παίρνουμε το ημίτονο και το συνημίτονο που χρησιμοποιούνται στο μετασχηματισμό Park και το ωt, η χρησιμότητα του οποίου θα φανεί στη συνέχεια. Τελικά, υπολογίζεται η τριφασική ενεργός κι άεργος ισχύς και διαιρούνται διά τρία, ώστε να προκύψει η αντίστοιχη μονοφασική ενεργός κι άεργος ισχύς. Προκειμένου τα Id, Iq να είναι συνεχή και εντελώς σταθερά μεγέθη, χρησιμοποιήθηκαν χαμηλοπερατά φίλτρα με συχνότητα αποκοπής 2 Hz. Για να υλοποιηθεί ο έλεγχος ισχύος, πρέπει η μετρούμενη ισχύς που υπολογίστηκε, να συγκριθεί με την αναφορά ισχύος που έχουμε επιλέξει. Αυτή η διαδικασία εκτελείται στο block PQ Control, όπου το σφάλμα που προκύπτει από τη σύγκριση των δύο σημάτων τροφοδοτείται σε ΡΙ ελεγκτές. Από τις εξόδους των ελεγκτών δημιουργούνται τα σήματα που είναι υπεύθυνα για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων. Το εσωτερικό του πάνω γαλάζιου block με το όνομα PQ Control παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, η αναφορά της ενεργού ισχύος έχει τεθεί ίση με 2200/3 W ανά φάση, ενώ η αναφορά της αέργου ισχύος 0 Var, ώστε η τάση και το ρεύμα στην έξοδο του φίλτρου να είναι συμφασικά. Σχήμα 4.17: Εσωτερικό του block PQ Control

89 Κεφάλαιο 4 ο Αφού γίνει η σύγκριση της ισχύος που μετρήθηκε με την ισχύ αναφοράς, το σφάλμα ανάγεται στην ανά μονάδα τιμή του. Στη συνέχεια διέρχεται μέσω ενός PI ελεγκτή. Αρχικά οι τιμές των κερδών και για τους δύο ελεγκτές προέκυψαν με τη μέθοδο Ziegler-Nichols: k p = = και k i = = Μετά από αρκετές προσομοιώσεις, ως βέλτιστη λύση αποφασίστηκε για το βρόχο της ενεργού ισχύος τα κέρδη να είναι k p = , k i = και για το βρόχο της αέργου ισχύος k p = , k i = Τα σήματα εξόδου των ΡΙ ελεγκτών πολλαπλασιάζονται με ημίτονα, προκειμένου να δημιουργηθεί η κυματομορφή αναφοράς για την παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων. Ο τρόπος που δημιουργείται το κάθε ημίτονο φαίνεται στο σχήμα Το block Creation of Sine δέχεται ως εισόδους το ωt του δικτύου, που όπως είδαμε παραπάνω μετράται από το PLL, τα σήματα εξόδων των ΡΙ ελεγκτών, που είναι dc στάθμες, αφού και τα μεγέθη εισόδου είναι συνεχή και τη φάση. Για παράδειγμα, για τη φάση Α, η φάση που εισάγεται είναι 0 και για τις B και C -120 ο και -240 ο αντίστοιχα. Για τη δημιουργία των ημιτόνων χρησιμοποιούμε το ωt του δικτύου, ώστε αυτά να προκύψουν πλήρως συγχρονισμένα με το δίκτυο. Σχήμα 4.18: Εσωτερικό του block Creation of Sine Από τα τρία ημίτονα που δημιουργούνται, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.18, το πάνω αντιστοιχεί στην ενεργό ισχύ, το μεσαίο στο αρχικό ma για το συγχρονισμό με το δίκτυο και το κάτω στην άεργο ισχύ. Το ημίτονο που αντιστοιχεί στην ενεργό ισχύ έχει διαφορά φάσης 90 ο σε σχέση με τα άλλα δύο, ώστε τα σήματα που προκύπτουν να είναι κάθετα μεταξύ τους και να σχηματίζεται τρίγωνο ισχύος. Επομένως, για να δημιουργηθεί το πάνω ημίτονο, προστίθεται

90 Κεφάλαιο 4 ο στο ωt, η διαφορά φάσης των 90 ο και η γωνία της κάθε φάσης και στη συνέχεια το ημίτονο πολλαπλασιάζεται με την έξοδο του ΡΙ ελεγκτή για την ενεργό ισχύ. Για τη δημιουργία των άλλων δύο ημιτόνων προστίθεται το ωt με την γωνία της κάθε φάσης και κατόπιν το ημίτονο πολλαπλασιάζεται είτε με την αρχική τιμή του ma, είτε με την έξοδο του ΡΙ ελεγκτή για την άεργο ισχύ. Τελικά, τα τρία ημίτονα αθροίζονται, με σκοπό να αποτελέσουν ένα ενιαίο ημίτονο αναφοράς. Συνεπώς, από τις εξόδους των τριών πράσινων block του σχήματος 4.15 προκύπτουν τα τρία ημίτονα αναφοράς για την παλμοδότηση των στοιχείων, τα οποία έχουν μεταξύ τις διαφορά φάσης +120 ο ή -120 ο. Τα ημίτονα αυτά συγκρίνονται με τριγωνική κυματομορφή συχνότητας Ηz κι οι παλμοί που δημιουργούνται οδηγούνται στα ημιαγωγικά στοιχεία. Η αρχική τιμή του ma προκύπτει μέσω της εξίσωσης (3.5). Τα σήματα αναφοράς έχουν κάθε φορά πλάτος ίσο με ma, οπότε όταν εφαρμόζεται ο έλεγχος, το ma μεταβάλλεται ανάλογα με τις απαιτήσεις σε ισχύ. Όταν δίνεται εντολή στον αντιστροφέα να αποδώσει μεγαλύτερη ισχύ, η τιμή του ma αυξάνεται, ενώ μειώνεται στην αντίθετη περίπτωση. Στο Σχήμα 4.19 φαίνεται η τάση μετά το φίλτρο του αντιστροφέα. Σχήμα 4.19: (α) Τάση στην έξοδο του φίλτρου και (β) τάση στην έξοδο του φίλτρου σε μεγέθυνση στο διάστημα που γίνεται η σύνδεση με το δίκτυο και ξεκινάει ο έλεγχος

91 Κεφάλαιο 4 ο Από το Σχήμα 4.19(β) δεν παρατηρείται κάποιο ιδιαίτερο μεταβατικό φαινόμενο, είτε κατά τη σύνδεση του μετατροπέα με το δίκτυο (0.04s), είτε κατά την έναρξη του ελέγχου ισχύος (0.1s). 6 Ρεύμα που ρέει στο δίκτυο (Α) ,05 1,1 1,15 1,2-6 Χρόνος (s) Σχήμα 4.20: (α) Ρεύμα της φάσης Α που ρέει από τον αντιστροφέα στο δίκτυο και (β) ρεύμα που ρέει από τον αντιστροφέα στο δίκτυο στη μόνιμη κατάσταση (μεγέθυνση στο χρόνο) Παρατηρούμε από το Σχήμα 4.20(α) ότι στο διάστημα που ο αντιστροφέας δεν έχει συνδεθεί με το δίκτυο ( s) το ρεύμα είναι μηδέν, στο διάστημα μέχρι να ξεκινήσει ο έλεγχος ισχύος ( s) το ρεύμα έχει πολύ μικρό πλάτος, ενώ από τη στιγμή που ξεκινάει ο έλεγχος το πλάτος του αυξάνεται πολύ γρήγορα, έτσι ώστε να μεταφερθεί η απαιτούμενη ισχύς από την πηγή στο δίκτυο

92 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.21: Τάση και ρεύμα που ρέει στο δίκτυο (φάση Α) Με προσεκτική παρατήρηση του Σχήματος 4.21, βλέπουμε ότι η φασική τάση και το ρεύμα που ρέει στο δίκτυο είναι συμφασικά μεγέθη. Σχήμα 4.22: Ενεργός κι άεργος ισχύς που μεταφέρονται στο δίκτυο Από το Σχήμα 4.22 παρατηρούμε ότι η άεργος ισχύς μένει στο μηδέν, ενώ η ενεργός ισχύς συγκλίνει στα 733 W που έχουμε ορίσει ως αναφορά. Η αρχική σύντομη πτώση της αέργου ισχύος σε τιμές μικρότερες του μηδενός οφείλεται στο γεγονός ότι οι δύο βρόχοι δεν είναι εντελώς ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Επίσης, η ταχύτητα με την οποία η ενεργός ισχύς συγκλίνει στην τελική τιμή της θα μπορούσε να είναι μεγαλύτερη, αν επιλέγαμε μεγαλύτερο kp, ωστόσο

93 Κεφάλαιο 4 ο σε αυτή την περίπτωση θα είχαμε μεγαλύτερη υπερύψωση. Τελικά επιλέξαμε μια μέση λύση, ώστε το σύστημα να μην είναι υπερβολικά αργό, αλλά ούτε και να έχει μεγάλη υπερύψωση. Σχήμα 4.23: (α) Ημίτονα αναφοράς για την PWM και (β) ημίτονα αναφοράς σε μεγέθυνση Παρατηρούμε πως μόλις ξεκινά ο έλεγχος ισχύος, το πλάτος των ημιτόνων αναφοράς αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει, καθώς στο ημίτονο που ρύθμιζε κατ αποκλειστικότητα το πλάτος της τάσης, πριν ξεκινήσει ο έλεγχος, τώρα προστίθενται άλλα δύο ημίτονα

94 Κεφάλαιο 4 ο 4.3 Έλεγχος στην τάση του πυκνωτή του dc-bus Όπως εξηγήθηκε στην ενότητα 3.4, η τάση στην έξοδο του ανυψωτή τάσης είναι μεν συνεχής, αλλά όχι και σταθερή. Για το λόγο αυτό ο έλεγχος που εφαρμόζεται στον τριφασικό αντιστροφέα πρέπει να διατηρεί σταθερή τη συνεχή τάση στην είσοδό του (dc-bus) και στη συνέχεια να αποδίδει στο μικροδίκτυο όση ισχύ του παρέχεται από τον Boost. Το συνολικό σύστημα είναι πλέον το παρακάτω: Σχήμα 4.24: Συνολικό σύστημα του αντιστροφέα με έλεγχο ισχύος κι έλεγχο στον πυκνωτή του dcbus Στην προσομοίωση ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης θεωρείται μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος. Η τάση στα άκρα του πυκνωτή θέλουμε να διατηρείται στα 880 V. Θεωρώντας ότι η ισχύς που θα φτάνει από τα φωτοβολταϊκά στο dc-bus θα είναι περίπου 2200 W, το ρεύμα που θα αποδίδει η πηγή ρεύματος θα είναι: I in = P V = = 2.5 A

95 Κεφάλαιο 4 ο Η πηγή ρεύματος θα φορτίζει τον πυκνωτή, που έχει χωρητικότητα 30 mf. Προκειμένου η προσομοίωση να είναι ταχύτερη, θα θεωρήσουμε ότι ο πυκνωτής είναι αρχικά φορτισμένος στα V. Επομένως, για να φορτιστεί στα 880 V, απαιτείται να παρέλθει χρονικό διάστημα: I in = C dv dt dt = C dv = = 0.04s I in 2.5 Αφού παρέλθει το διάστημα των 0.04s, συνδέεται το δίκτυο και ξεκινάει ο έλεγχος ισχύος. Η τάση του πυκνωτή εισόδου μετράται και συγκρίνεται με τα 880 V. Το σφάλμα που προκύπτει περνάει μέσα από έναν ΡΙ ελεγκτή, η έξοδος του οποίου αποτελεί την ενεργό ισχύ αναφοράς Pref. Άρα πλέον το σύστημα περιλαμβάνει τρεις ΡΙ ελεγκτές, έναν εξωτερικό, που δημιουργεί την ενεργό ισχύ αναφοράς και δύο εσωτερικούς, που ρυθμίζουν την ενεργό κι άεργο ισχύ που εγχέεται στο δίκτυο. To εσωτερικό του υποσυστήματος Source and Capacitor εικονίζεται στο Σχήμα 4.25 και περιλαμβάνει την πηγή ρεύματος που υποκαθιστά τα φωτοβολταϊκά και τον πυκνωτή του dclink. Σχήμα 4.25: Εσωτερικό του block Source and Capacitor Η τάση μετράται και το σήμα μεταφέρεται στην είσοδο του υποσυστήματος Vc Control (Σχήμα 4.26). Εκεί συγκρίνεται με την επιθυμητή τάση των 880 V και το σφάλμα τροφοδοτείται στον ΡΙ ελεγκτή. Η έξοδος του ΡΙ ελεγκτή διαιρείται δια τρία κι είναι η ισχύς αναφοράς για τον έλεγχο ισχύος (Pref). Τα κέρδη του ελεγκτή επιλέχθηκαν k p = 100, k i = 300 με τη μέθοδο Ziegler-Nichols και μετά από αρκετές δοκιμές

96 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.26: Εσωτερικό του υποσυστήματος V c Control Όπως φαίνεται στα δύο επόμενα σχήματα, η τάση του πυκνωτή κάνει μια αρχική υπερύψωση μέχρι τα 895 V και στη συνέχεια σταθεροποιείται στα 880 V. Παράλληλα, η ισχύς αναφοράς κάνει κι αυτή μία υπερύψωση μέχρι τα 1000 W και τελικά σταθεροποιείται στα 733 W. Οι υπερυψώσεις αυτές οφείλονται στους ΡΙ ελεγκτές. Αν θέλαμε η απόκριση του συστήματος να είναι ταχύτερη,τότε οι υπερυψώσεις θα είχαν μεγαλύτερο πλάτος. Από την άλλη, αν επιδιώκαμε μικρότερες υπερυψώσεις, το σύστημα θα ήταν πιο αργό. Επομένως, τα κέρδη που χρησιμοποιήσαμε ήταν μια συμβιβαστική λύση, ώστε το σύστημα να είναι αρκετά γρήγορο κι οι ταλαντώσεις να έχουν σχετικά μικρό πλάτος. Σχήμα 4.27: Τάση στον πυκνωτή εισόδου (σε μεγέθυνση)

97 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.28: Ενεργός ισχύς αναφοράς του ελέγχου ισχύος Παρακάτω παρουσιάζονται τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά μεγέθη του συστήματος. Βλέπουμε ότι κατά τη σύνδεση με το δίκτυο και την έναρξη του ελέγχου δεν παρατηρείται κάποιο μεταβατικό φαινόμενο στην τάση του δικτύου (Σχήμα 4.29). Σχήμα 4.29: Τάση δικτύου σε μεγέθυνση κατά το χρονικό διάστημα που ξεκινάει ο έλεγχος

98 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.30: Ρεύμα που εγχέεται στο δίκτυο από τον αντιστροφέα Σχήμα 4.31: Ενεργός κι άεργος ισχύς που εγχέονται στο δίκτυο Σχήμα 4.32: Ρεύμα εισόδου αντιστροφέα

99 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.33: Ημίτονα αναφοράς προς την PWM Παρατηρούμε ότι όλες οι κυματομορφές έχουν την αναμενόμενη μορφή. Πιο συγκεκριμένα, τα ημίτονα αναφοράς αρχικά έχουν πλάτος , στην συνέχεια το πλάτος τους αυξάνεται, όσο η τάση του πυκνωτή δεν έχει σταθεροποιηθεί, και τελικά σταθεροποιείται σε ένα σημείο πιο υψηλό από το αρχικό. Παρόμοια πορεία ακολουθεί και το ρεύμα που εγχέεται στο δίκτυο. Μέχρι να συνδεθεί το δίκτυο είναι μηδέν, μετά αυξάνεται αρκετά γρήγορα και τελικά σταθεροποιείται. Επίσης, η άεργος ισχύς είναι μηδενική, ενώ η ενεργός τιμή καταλήγει στα 733 W. 4.4 Σύστημα «φωτοβολταϊκά-ανυψωτής τάσης-αντιστροφέας-δίκτυο» Αφού εξετάσαμε ξεχωριστά τα δύο συστήματα «φωτοβολταϊκά-ανυψωτής τάσης» κι «αντιστροφέας-δίκτυο», μπορούμε πλέον να ενώσουμε και να εξετάσουμε τη συνολική λειτουργία τους. Ολόκληρο το σύστημα φαίνεται στο επόμενο σχήμα:

100 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.34: Σύστημα «Φωτοβολταϊκά-Ανυψωτής Τάσης-Αντιστροφέας-Δίκτυο»

101 Κεφάλαιο 4 ο Η σειρά που ακολουθείται για τη σύνδεση των υποσυστημάτων και την ενεργοποίηση των ελέγχων προκειμένου να αποφευχθούν τα έντονα μεταβατικά φαινόμενα είναι η εξής: αρχικά, τα φωτοβολταϊκά είναι συνδεδεμένα με τον ανυψωτή τάσης, στον οποίο εκτελείται ταυτόχρονα έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Όταν η έξοδος του ανυψωτή τάσης γίνει ίση με 880 V, ενεργοποιείται το SR flip-flop. Σχετικά με την λειτουργία των SR flip-flop, συνοπτικά αναφέρουμε ότι όταν φτάσει η λογική στάθμη 1 στην είσοδο Set, η έξοδος Q αποκτά λογική στάθμη 1. Αυτό συνεχίζεται μέχρις ότου ενεργοποιηθεί η είσοδος Reset. Με την ενεργοποίηση του flip-flop κλείνει ο διακόπτης και μέσω μιας αντίστασης 5 Ω (Σχήμα 4.35) φορτίζεται ο πυκνωτής του dc-link. Όταν κι η τάση του πυκνωτή ξεπεράσει τα 880 V, ενεργοποιείται το δεύτερο flip-flop, η αντίσταση που χρησιμοποιήθηκε για τη φόρτιση του πυκνωτή βγαίνει εκτός κυκλώματος μέσω του κλειστού πλέον διακόπτη και ξεκινά να εφαρμόζεται ο έλεγχος για την έγχυση ισχύος στο δίκτυο. Σχήμα 4.35: Εσωτερικό του υποσυστήματος Source and Capacitor Επίσης, αξίζει να σημειωθεί, ότι ο πυκνωτής στην έξοδο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης κι ο πυκνωτής στο dc-link πρέπει να έχουν την ίδια αρχική φόρτιση, ώστε να αποφευχθούν απότομα μεταβατικά φαινόμενα στο ρεύμα. Ακόμα, μια πολύ μικρή αντίσταση έχει συνδεθεί σε σειρά με τον πυκνωτή του dc-link, καθώς χωρίς αυτή δεν ήταν δυνατή η έναρξη της προσομοίωσης. Με το block double μετατρέπουμε την έξοδο του flip-flop που είναι τύπου boolean σε double, αφού αυτός είναι ο τύπος δεδομένων που δέχεται ως είσοδο ο πολυπλέκτης. Τα block PQ Control και Vc Control είναι όμοια με τα αντίστοιχα στις ενότητες 4.2 και 4.3. Η μόνη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι πλέον δέχονται ως είσοδο την έξοδο του flipflop του υποσυστήματος Source and Capacitor, η οποία δίνει το σήμα για την έναρξη των ελέγχων

102 Κεφάλαιο 4 ο Στα δύο επόμενα σχήματα παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τάσης και της ισχύος στην έξοδο των φωτοβολταϊκών. Σχήμα 4.36: (α) Τάση στην έξοδο των φωτοβολταϊκών και (β) Ισχύς που αποδίδουν τα φωτοβολταϊκά Βλέπουμε ότι η τάση στην έξοδο των φωτοβολταϊκών φτάνει σταδιακά στην τελική της τιμή (περίπου 480 V). Οι ταλαντώσεις, που παρατηρούνται και στην κυματομορφή της τάσης, αλλά και της ισχύος, οφείλονται στη λειτουργία του ΜΡΡΤ κι εξηγήθηκαν λεπτομερώς στην ενότητα 4.1. Ακόμα, η τελική τιμή της ισχύος είναι κατά μερικά Watt χαμηλότερη της τιμής που αναμέναμε, κάτι που είναι απόλυτα λογικό, αν λάβουμε υπόψιν ότι τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο δεν είναι ιδανικά, οπότε υπάρχουν απώλειες

103 Κεφάλαιο 4 ο Στο Σχήμα 4.37 βλέπουμε τις στιγμές ενεργοποίησης των flip flop σε μεγέθυνση κατά τις στιγμές της αλλαγής κατάστασης. Σχήμα 4.37: (α) Χρονική στιγμή ενεργοποίησης flip-flop στην έξοδο του Boost και (β) χρονική στιγμή ενεργοποίησης flip-flop που καθορίζει την έναρξη του ελέγχου ισχύος Από το Σχήμα 4.37(α) βλέπουμε ότι η τάση στην έξοδο του ανυψωτή τάσης φτάνει στα 880 V μέσα σε 0.04 δευτερόλεπτα, ενώ η τάση του πυκνωτή φτάνει τα 880 V περίπου σε 0.36 δευτερόλεπτα. Αυτή είναι κι η στιγμή που ξεκινά να εφαρμόζεται ο έλεγχος. Παρακάτω παρουσιάζονται τα υπόλοιπα σημαντικά μεγέθη του συστήματος

104 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.38: (α) Τάση στα άκρα του πυκνωτή και (β) Ενεργός ισχύς αναφοράς Ο πυκνωτής είναι αρχικά φορτισμένος στα 860 V. Όταν ενεργοποιηθεί το πρώτο flip-flop, η τάση του αυξάνεται. Όταν ξεπεράσει τα 880 V, ενεργοποιείται το δεύτερο flip-flop κι ο έλεγχος τείνει να κρατήσει την τάση του σταθερή στα 880 V. Αντίστοιχα, η ισχύς αναφοράς έχει μηδενική τιμή μέχρι να ενεργοποιηθεί το δεύτερο flip-flop. Εδώ σημειώνεται, πως αν δεν είχε γίνει πρόβλεψη για τη σταδιακή ένταξη του ελέγχου στο σύστημα, στο χρονικό διάστημα μέχρι να ενεργοποιηθεί το δεύτερο flip-flop, η ισχύς αναφοράς θα λάμβανε μεγάλες αρνητικές τιμές. Αυτό θα σήμαινε ότι ο αντιστροφέας προσλαμβάνει ισχύ από το δίκτυο μέχρι να φορτιστεί ο πυκνωτής

105 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.39: Ενεργός κι άεργος ισχύς που εγχέονται στο δίκτυο ανά φάση. Παρατηρούμε ότι η ενεργός ισχύς ακολουθεί πλήρως την κυματομορφή της ενεργού ισχύος αναφοράς. Αρχικά είναι μηδέν και στη συνέχεια αυξάνεται και σταθεροποιείται περίπου στα 650 W ανά φάση, δηλαδή η συνολική ισχύς που εγχέεται από τα φωτοβολταϊκά στο δίκτυο είναι 1950 W. Τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε το συνολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος, ο οποίος προκύπτει: μετά. η = P out P in = % Η άεργος ισχύς μένει συνεχώς στο μηδέν, από τη στιγμή που εφαρμόζεται ο έλεγχος και 4.5 Σύστημα «συσσωρευτές-αντιστροφέας-δίκτυο» Ο ίδιος έλεγχος ισχύος που εφαρμόστηκε στις παραπάνω ενότητες θα χρησιμοποιηθεί τώρα σε συνδυασμό με μπαταρίες. Στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται πυκνωτής στην είσοδο του αντιστροφέα, άρα ούτε κι έλεγχος της τάσης στο dc-link. Επειδή οι μπαταρίες είναι μια επαναφορτιζόμενη πηγή ενέργειας, ο έλεγχος θα πρέπει να εξασφαλίζει και την αντίστροφη ροή ισχύος, δηλαδή τη ροή ισχύος από το δίκτυο στις μπαταρίες, ώστε αυτές να φορτίζονται. Η φόρτιση των μπαταριών επιτυγχάνεται θέτοντας αρνητική αναφορά ενεργού ισχύος. Για το λόγο αυτό, η ισχύς αναφοράς του ελέγχου ισχύος μεταβάλλεται μέσω του block Timer (Σχήμα 4.40) σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα

106 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.40: Μεταβολές της ισχύος αναφοράς μέσω του block Timer Το σύστημα της μπαταρίας με το δικατευθυντήριο αντιστροφέα απεικονίζεται στο Σχήμα Σχήμα 4.41: Μπαταρία συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω δικατευθυντήριου αντιστροφέα κι έλεγχος ισχύος

107 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4.42: Απόδοση και πρόσληψη ενεργού ισχύος της μπαταρίας από το δίκτυο Από το Σχήμα 4.42 γίνεται σαφές ότι το σύστημα κι ο έλεγχός του ανταποκρίνεται στις μεταβολές της ενεργού ισχύος αναφοράς που έχουμε ορίσει με ικανοποιητική ταχύτητα. Μέχρι το τρίτο δευτερόλεπτο οι μπαταρίες αποδίδουν ισχύ στο δίκτυο και στη συνέχεια προσλαμβάνουν ενέργεια από αυτό και φορτίζονται. Η άεργος ισχύς παραμένει σχεδόν μηδενική καθ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του συστήματος, με εξαίρεση το μεταβατικό φαινόμενο που εξελίσσεται μέχρι να αρχίσει να εφαρμόζεται ο έλεγχος

108 Κεφάλαιο 4 ο

109 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟ ΖΕΥΓΟΣ, ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΙ ΕΝΤΑΞΗ ΤΟΥ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Επειδή η ισχύς των φωτοβολταϊκών συστημάτων μεταβάλλεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. κατά τη διάρκεια της νύχτας ή σε ημέρες με βροχόπτωση) και τα συστήματα αδυνατούν να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, καθίσταται αναγκαία η χρήση κάποιας εφεδρικής πηγής μέσα στο μικροδίκτυο. Η πιο αξιόπιστη λύση είναι η χρήση ενός Ηλεκτροπαραγωγού Ζεύγους (Η/Ζ). Σχήμα 5.1: Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος ανοικτού τύπου [45] 5.1 Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος είναι ένα ζεύγος μηχανών που αποτελείται από μια κινητήρια μηχανή (παλιότερα εξωτερικής καύσης, σήμερα εσωτερικής) και μια ηλεκτρογεννήτρια. Σήμερα κατασκευάζονται Η/Ζ διαφόρων μεγεθών και τύπων, ανάλογα με το σκοπό και την ισχύ τους, το είδος του ρεύματος που παράγουν κ.ά.. Στα Η/Ζ μεγάλης ισχύος χρησιμοποιείται πετρελαιοκινητήρας με καύσιμο πετρέλαιο diesel (ντιζελοκινητήρας), παρόμοιος με αυτόν των πετρελαιοκίνητων αυτοκινήτων, αλλά με μεγαλύτερη ιπποδύναμη. Αντίθετα, στα μικρής ισχύος Η/Ζ χρησιμοποιείται ένας μικρός βενζινοκινητήρας. Επίσης, τα Η/Ζ μεγάλης ισχύος διαθέτουν μια τριφασική σύγχρονη γεννήτρια (εναλλακτήρα), ενώ τα Η/Ζ μικρότερης ισχύος μια μονοφασική γεννήτρια (φορητή ηλεκτρογεννήτρια) [46]

110 Κεφάλαιο 5 ο Μηχανές εσωτερικής καύσης Για το κινητήριο σύστημα του Η/Ζ χρησιμοποιούνται μηχανές εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ), οι οποίες διακρίνονται σε εμβολοφόρες και σε περιστροφικές, με τις δεύτερες να μην είναι τόσο δημοφιλείς. Οι εμβολοφόρες μηχανές χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τους κινητήρες otto (ή βενζινοκινητήρες) και τους κινητήρες diesel και καθένας εξ αυτών λειτουργεί με βάση τον αντίστοιχο θερμικό κύκλο λειτουργίας, δηλαδή τον κύκλο otto ή τον κύκλο diesel [46]. Ο κύκλος diesel έχει επικρατήσει να χρησιμοποιείται σήμερα σε εφαρμογές που απαιτούνται βαρέως τύπου κινητήρες, αφού έχει τα εξής πλεονεκτήματα σε σχέση με τον κύκλο otto: Παρουσιάζει μεγάλο βαθμό συμπίεσης (άρα μειωμένη κατανάλωση). Ο βαθμός απόδοσης είναι ανεξάρτητος από το φορτίο. Εκπέμπει λιγότερο CO στην ατμόσφαιρα. Καταναλώνει καύσιμο λιγότερο πηκτικό από τη βενζίνη, άρα και φθηνότερο. Ο κύκλος diesel είναι ένας ιδανικός τυποποιημένος κύκλος του αέρα που αποτελείται από τέσσερα στάδια, τα οποία φαίνονται στο σχήμα 5.2 και συνοψίζονται ως εξής [47]: Σχήμα 5.2: Κύκλος Diesel [48] 1 2: Ισεντροπική (αδιαβατική) συμπίεση. 2 3: Αντιστρέψιμη θέρμανση υπό σταθερή πίεση. 3 4: Ισεντροπική (αδιαβατική) εκτόνωση. 4 1: Ισόογκη αποβολή θερμότητας. Ο θεωρητικός κύκλος λειτουργίας του τετράχρονου πετρελαιοκινητήρα ολοκληρώνεται με τέσσερις διαδρομές του εμβόλου ή δύο διαδρομές του στροφαλοφόρου άξονα. Στο Σχήμα

111 Κεφάλαιο 5 ο βλέπουμε να εισρέει αέρας στον κύλινδρο (a) από την βαλβίδα εισαγωγής, ενώ στο δεύτερο κύλινδρο (b) (όπου έχουν κλείσει πλέον οι βαλβίδες) ο αέρας βρίσκεται υπό πίεση bar και θερμοκρασία o C. Στον αμέσως επόμενο κύλινδρο (c) εγχέονται σταγόνες πετρελαίου, το οποίο αναφλέγεται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας, κινώντας το έμβολο. Στον τελευταίο κύλινδρο (d) βλέπουμε τη βαλβίδα εξαγωγής να αποβάλει από το θάλαμο του κυλίνδρου τα καυσαέρια και τον κινητήρα να έχει ολοκληρώσει έναν κύκλο λειτουργίας. Σχήμα 5.3: Κύκλος λειτουργίας κυλίνδρων μηχανών Diesel [49] Σύγχρονες μηχανές Το ρόλο της γεννήτριας του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους συνήθως αναλαμβάνει μια σύγχρονη μηχανή. Αποτελείται από το δρομέα, που τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα και από το στάτη που φέρει ένα τριφασικό τύλιγμα. Ο στάτης είναι μία κοίλη κυλινδρική κατασκευή από σιδηρομαγνητικό υλικό σε μορφή ελασμάτων, που φέρει διαμήκεις αύλακες στην εσωτερική του επιφάνεια [50]. Στις αύλακες αυτές τοποθετούνται τα τυλίγματα του στάτη, που διευθετούνται σε τρεις συμμετρικές ζώνες (μία για κάθε φάση), οι οποίες απέχουν μεταξύ τους κατά 120 o. Ο δρομέας είναι μία συμπαγής σιδηρομαγνητική κατασκευή, που τοποθετείται στον άξονα της μηχανής και περιστρέφεται μέσα στο στάτη. Στο δρομέα τυλίγεται, επίσης, το τύλιγμα πεδίου, που τροφοδοτείται από μια πηγή συνεχούς ρεύματος, τη διεγέρτρια. Αυτή μπορεί να είναι μία γεννήτρια συνεχούς ρεύματος που προσαρμόζεται στον ίδιο άξονα με αυτόν της μηχανής ή μία ξεχωριστή πηγή συνεχούς ρεύματος που συνδέεται στο τύλιγμα του πεδίου με ψήκτρες [50]

112 Κεφάλαιο 5 ο Ο χαρακτηρισμός «σύγχρονη» προέρχεται από το γεγονός, ότι ο δρομέας στρέφεται σύγχρονα (με την ίδια ταχύτητα) με το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται από τη διέγερση του συνεχούς ρεύματος. Ο αριθμός των στροφών δίνεται από τη σχέση: n s = f s p (5. 1) όπου ns είναι ο σύγχρονος αριθμός στροφών, fs η συχνότητα του δικτύου και p ο αριθμός ζευγών πόλων. Στην περίπτωση που για διάφορους λόγους δεν ικανοποιείται η παραπάνω σχέση, λέμε ότι η Σ.Μ. «αποσυγχρονίζεται». Η κατάσταση αυτή δεν μπορεί να είναι μόνιμη, διότι επέρχονται βλάβες και η μηχανή παύει να λειτουργεί [50]. Ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα διακρίνουμε δύο είδη μηχανών, τη μηχανή με κυλινδρικό δρομέα (που είναι ουσιαστικά δρομέας δύο πόλων) και τη μηχανή με έκτυπους πόλους. O συμπαγής δρομέας του πρώτου τύπου φέρει αυλακώσεις, μέσα στις οποίες τοποθετείται το τύλιγμα διέγερσης και προστατεύεται με σφήνες έναντι των φυγοκεντρικών δυνάμεων. Οπότε, συνήθως χρησιμοποιείται σε γεννήτριες υψηλής ταχύτητας. Ο δεύτερος τύπος μηχανών έχει εξέχοντες πόλους, γύρω από τους οποίους τυλίγεται το τύλιγμα διέγερσης και χρησιμοποιείται σε γεννήτριες μικρής ταχύτητας. Τέλος, ο δρομέας των σύγχρονων μηχανών και των δύο τύπων φέρει ως επί το πλείστον ένα ακόμη τύλιγμα, που ονομάζεται τύλιγμα απόσβεσης. Αυτό έχει ως σκοπό να αποσβένει τις ταλαντώσεις του δρομέα, να βοηθάει στην εκκίνηση της Σ.Μ. μέχρι αυτή να φτάσει το σύγχρονο αριθμό στροφών και να αποσβένει το αριστερόστροφο μαγνητικό πεδίο, το οποίο δρα αντίθετα του κανονικού (δεξιόστροφου) Κριτήρια επιλογής Η/Ζ Ένα Η/Ζ συνοδεύεται συνήθως (ανάλογα με το μέγεθός του και την εγκατάσταση που πρέπει να καλύψει) από ένα ειδικό σύστημα σταθεροποίησης τάσης (automatic voltage regulator-avr). Το σύστημα αυτό επιτρέπει να τροφοδοτηθούν φορτία ευαίσθητα στις αλλαγές της τιμής της τάσης. Το ζητούμενο κατά την επιλογή ενός ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους είναι η κάλυψη της αναμενόμενης από το μικροδίκτυο ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ελάχιστο δυνατό κόστος λειτουργίας. Στην περίπτωση μεγάλων εγκαταστάσεων, η αναμενόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι συνάρτηση του χρόνου κι η γεννήτρια θα πρέπει να είναι σε θέση να καλύψει τουλάχιστον το μέγιστο αυτής της συνάρτησης. Προκειμένου να μπορούν να

113 Κεφάλαιο 5 ο καλυφθούν και κάποιες απρόβλεπτες αιχμές φορτίου, η επιλογή γίνεται λαμβάνοντας υπόψη ένα συντελεστή ασφάλειας της τάξης του 20-25%. Επομένως, το κατάλληλο Η/Ζ επιλέγεται με βάση το μέγιστο σημείο της αναμενόμενης καμπύλης ζήτησης φορτίου, τον επιθυμητό συντελεστή ασφάλειας και τα σχετικά οικονομικά κριτήρια (κόστος απόκτησης, κόστος συντήρησης, κλπ.) [46]. 5.2 Έλεγχος ενεργού ισχύος-συχνότητας κι αέργου ισχύος-τάσης Κάθε γεννήτρια που χρησιμοποιείται σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας διαθέτει δύο συστήματα ελέγχου, τον έλεγχο ενεργού ισχύος-συχνότητας (P-f) και τον έλεγχο αέργου ισχύος-τάσης (Q-V). Σε περίπτωση παραλληλισμού γεννητριών οι δύο αυτοί έλεγχοι καθορίζουν πώς θα μοιραστούν οι ηλεκτρογεννήτριες το φορτίο [51]. Ο έλεγχος ενεργού ισχύος-συχνότητας είναι υπεύθυνος να ελέγχει τη συχνότητα και την ενεργό ισχύ στις διασυνδετικές γραμμές. Η μεταβολή της συχνότητας (Δfi) και της ισχύος στις διασυνδετικές γραμμές (ΔPtie) δίνουν την πληροφορία ότι η διαφορά των γωνιών των τάσεων στα άκρα τους έχει μεταβληθεί. Τότε τα σήματα Δfi και ΔPtie ενισχύονται και μετατρέπονται σε ένα σήμα ρύθμισης της μηχανικής ισχύος (ΔPci), το οποίο τροφοδοτείται στη γεννήτρια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μεταβληθεί η ενεργός ισχύς στην έξοδο της γεννήτριας και το σύστημα να ισορροπήσει σε μια νέα κατάσταση, διαφορετική από την αρχική [51]. Ο έλεγχος αέργου ισχύος-τάσης είναι υπεύθυνος να ελέγχει το μέτρο της τάσης Vi. Κατ αρχάς υπολογίζεται το σφάλμα τάσης Δ Vi και μετατρέπεται σε ένα σήμα μεταβολής της αέργου ισχύος ΔQci, που τροφοδοτείται στην πηγή διέγερσης. Αυτή η διαδικασία καταλήγει στη μεταβολή του ρεύματος πεδίου του δρομέα, η οποία μεταβάλλει την παραγωγή αέργου ισχύος και την τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας [51]. Για μικρές μεταβολές, η αλληλεπίδραση μεταξύ των βρόχων P-f και Q-V μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια μεγάλων μεταβολών διαπιστώνεται σημαντική σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου για τους εξής λόγους: Κατά τη μεταβολή του μέτρου της τάσης του ζυγού, μεταβάλλεται και το πραγματικό φορτίο του ζυγού, καθώς εξαρτάται από την τάση, δηλαδή ισχύει P D / V 0. Κατά τη μεταβολή του μέτρου της τάσης του ζυγού, μεταβάλλονται κι οι συντελεστές συγχρονισμού των γραμμών που συνδέονται στο ζυγό, οπότε μεταβάλλεται κι η ενεργός ισχύς που μεταφέρουν

114 Κεφάλαιο 5 ο Έτσι, μια μεταβολή στο βρόχο P-f επηρεάζει ελάχιστα την ισορροπία αέργου ισχύος στο σύστημα και τις τάσεις. Από την άλλη πλευρά, μια μεταβολή στο βρόχο Q-V επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την ισορροπία ενεργού ισχύος στο σύστημα. Όμως, ο βρόχος Q-V είναι πολύ ταχύτερος από το βρόχο P-f, εξαιτίας των μηχανικών σταθερών αδράνειας που περιλαμβάνονται στο βρόχο P-f. Κατά συνέπεια, μπορούμε βάσιμα να υποθέσουμε, ότι η μεταβατική περίοδος του βρόχου Q-V έχει παρέλθει πριν ξεκινήσει η δράση του βρόχου P-f, οπότε η σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων κρίνεται αμελητέα Έλεγχος P-f και ρυθμιστής συχνότητας Καθώς το φορτίο ενός ΣΗΕ αλλάζει συνεχώς, η ισχύς εξόδου μιας γεννήτριας οφείλει να ακολουθεί αυτές τις μεταβολές, προκειμένου να υπάρχει ισορροπία ισχύων. Ο έλεγχος στην ισχύ εξόδου των γεννητριών επιτυγχάνεται με έλεγχο της μηχανικής ισχύος στην είσοδό τους. Η μηχανική ισχύς τροφοδοτείται στη γεννήτρια από κινητήρα diesel, οπότε για τον έλεγχο της μηχανικής ισχύος ρυθμίζουμε τη ροή του καυσίμου στον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αν η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς είναι μεγαλύτερη από το φορτίο, η ταχύτητα της γεννήτριας αυξάνεται, ενώ αν το φορτίο είναι μεγαλύτερο από την ηλεκτρική ισχύ που αποδίδει η μηχανή, η συχνότητα μειώνεται (Σχήμα 5.4). Αυτές οι διακυμάνσεις από την ονομαστική ταχύτητα ή συχνότητα (το αποδεκτό εύρος είναι ±0.5 Hz) χρησιμοποιούνται σαν σήματα ελέγχου κι επιφέρουν την αυτόματη κατάλληλη ρύθμιση της παροχής της μηχανικής ισχύος. Η συσκευή που ελέγχει τη ροή καυσίμου στον κινητήρα diesel ονομάζεται ρυθμιστής ταχύτητας (speed governor). Σχήμα 5.4: Χαρακτηριστική καμπύλη συχνότητας-ισχύος της γεννήτριας Συμπερασματικά, αν το φορτίο αυξηθεί, αρχικά η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της κινητήριας και της σύγχρονης μηχανής μειώνεται, όπως μειώνεται κι η ηλεκτρική συχνότητα

115 Κεφάλαιο 5 ο Στη συνέχεια, ενεργοποιείται ο ρυθμιστής στροφών και δίνει εντολή για την έγχυση καυσίμου στην κινητήρια μηχανή, οπότε αυξάνονται εκ νέου η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα, η ενεργός ισχύς που παράγεται από τη σύγχρονη μηχανή κι η συχνότητα Έλεγχος Q-V και ρυθμιστής τάσης Σύμφωνα με τον έλεγχο V-Q, ελέγχοντας το μέτρο της τάσης, ρυθμίζεται η παραγόμενη άεργος ισχύς της γεννήτριας. Για παράδειγμα, αν αυξηθεί η τάση των ακροδεκτών, θα μειωθεί η άεργος φόρτιση της γεννήτριας (Σχήμα 5.5) [46]. Η τάση των ακροδεκτών των γεννητριών ελέγχεται από το ρεύμα πεδίου. Η ρύθμιση του ρεύματος πεδίου γίνεται με τη διεγέρτρια κι ολόκληρο το σύστημα ελέγχου της τάσης που περιλαμβάνει το μετρητή σφάλματος, τη διεγέρτρια και διάφορους βρόχους ανατροφοδότησης καλείται σύστημα διέγερσης ή αυτόματος ρυθμιστής τάσης (Automatic Voltage Regulator). Σχήμα 5.5: Χαρακτηριστική καμπύλη τάσης-αέργου ισχύος της γεννήτριας Στο Σχήμα 5.6 παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλο του αυτόματου ρυθμιστή τάσης. Σχήμα 5.6: Μαθηματικό μοντέλο αυτόματου ρυθμιστή τάσης

116 Κεφάλαιο 5 ο Είσοδος του συστήματος είναι η τάση αναφοράς (Vαν), η οποία συγκρίνεται με την ανορθωμένη τερματική τάση της γεννήτριας. Το σήμα σφάλματος ενισχύεται για να μπορέσει να ελέγξει το πεδίο της διεγέρτριας. Η ενισχυμένη τάση διέγερσης VR ελέγχει την τάση εξόδου της Εfd, που είναι η τάση πεδίου της γεννήτριας και προκαλεί τις επιθυμητές μεταβολές της τάσης των ακροδεκτών της. Αποστολή του σταθεροποιητή είναι να ελαχιστοποιήσει τη μετατόπιση φάσης που εισάγουν οι χρονικές καθυστερήσεις του συστήματος, βελτιώνοντας έτσι την ευστάθεια του συστήματος. Ο σταθεροποιητής που χρησιμοποιείται εδώ παριστάνει την εξής συνάρτηση μεταφοράς [46]: H s = s K s 1 + s K s (5.2) Το ορθογώνιο με τίτλο «Μέτρηση» αναπαριστά τον ανορθωτή και το κατωδιαβατό φίλτρο που κόβει τις υψηλές συχνότητες, αφαιρώντας τα σφάλματα από το σήμα [46]: H f = K r T r s + 1 (5.3) Ο ενισχυτής ενισχύει το σήμα σφάλματος, ενώ ο περιοριστής το δεσμεύει εντός των πρακτικών ορίων. Η συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή είναι [46]: H r = K a T a s + 1 (5.4) Η τελευταία συνάρτηση μεταφοράς είναι της διεγέρτριας κι η έξοδός της αποτελεί την τάση διέγερσης που τελικά στέλνεται στη γεννήτρια [46]: Ε fd 1 = (5.5) e f K ε + s T ε Το σήμα S E = f(e fd ) που αφαιρείται στο σημείο άθροισης πριν τη διεγέρτρια είναι η συνάρτηση κόρου της διεγέρτριας. Συμπερασματικά, αν αυξηθεί η άεργος φόρτιση της γεννήτριας, αρχικά το μέτρο της τάσης των ακροδεκτών μειώνεται. Έπειτα, ενεργοποιείται ο ρυθμιστής τάσης κι αυξάνει την έγχυση συνεχούς ρεύματος στη γεννήτρια, οπότε αυξάνεται η τάση κι η άεργος ισχύς που παράγει η γεννήτρια. 5.3 Έλεγχος στατισμού (Droop control) στα μικροδίκτυα Ο έλεγχος στατισμού είναι μια στρατηγική ελέγχου που εφαρμόζεται συχνά σε γεννήτριες με σκοπό τον έλεγχο της συχνότητας και της τάσης των ακροδεκτών τους, ώστε να καταστεί εφικτή η παράλληλη λειτουργία γεννητριών [52]. Είναι, λοιπόν, ευνόητο, ότι ο έλεγχος

117 Κεφάλαιο 5 ο στατισμού είναι πολύ χρήσιμος για τη λειτουργία ενός αυτόνομου μικροδικτύου, αφού παρέχει τη δυνατότητα της αυτόνομης κατανομής της παραγωγής ενέργειας από τις μικροπηγές του μικροδικτύου [53]. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τον έλεγχο στατισμού είναι οι παρακάτω: f = f 0 k p (P P 0 ) V = V 0 k q (Q Q 0 ) (5. 6) όπου f είναι η συχνότητα του συστήματος, Ρ και Q η ενεργός κι η άεργος ισχύς του συστήματος αντίστοιχα, (P0,f0) και (Q0,V0) δύο σημεία των χαρακτηριστικών καμπυλών που εικονίζονται στο Σχήμα 5.7. Σχήμα 5.7: (α) Χαρακτηριστική καμπύλη στατισμού συχνότητας και (β) Χαρακτηριστική καμπύλη στατισμού τάσης Το μέγεθος kp ονομάζεται ρύθμιση ταχύτητας, ενώ το μέγεθος kq ρύθμιση τάσης. Όταν η συχνότητα πέσει από το f0 στο f, η ισχύς εξόδου της γεννήτριας θα αυξηθεί από το Ρ0 στο Ρ. Η πτώση της συχνότητας, λοιπόν, σημαίνει αύξηση της ενεργού ισχύος που απαιτείται από το φορτίο. Αν περισσότερες από μία γεννήτριες με τις ίδιες καμπύλες στατισμού είναι παράλληλα συνδεδεμένες, ανιχνεύουν την πτώση της συχνότητας κι αυξάνουν ταυτόχρονα την ισχύ που αποδίδουν στην έξοδό τους. Μάλιστα, αν επιδράσει ο ρυθμιστής ταχύτητας των γεννητριών και δώσει εντολή για έγχυση καυσίμου στην κινητήρια μηχανή, η καμπύλη ισχύος τους θα μετατοπιστεί παράλληλα προς τα πάνω, οπότε το σύστημα θα ισορροπήσει σε ένα νέο σημείο, όπου η ισχύς θα είναι η Ρ, αλλά η συχνότητα θα είναι η αρχική συχνότητα f0 [51]. Επομένως, οι χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού επιτρέπουν σε πολλές μονάδες παραγωγής να μοιράζονται το φορτίο

118 Κεφάλαιο 5 ο Το kp καθορίζει πόση τελική μεταβολή της συχνότητας έχουμε για να πάρουμε μια συγκεκριμένη μεταβολή στην παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ. Η ρύθμιση ταχύτητας kp ρυθμίζεται έτσι, ώστε οι μεταβολές στη συχνότητα να είναι μικρές (π.χ. μεταβολή της συχνότητας 5% για μεταβολή του φορτίου της γεννήτριας από την ονομαστική τιμή του σε μηδέν) [51]. Παρόμοια λειτουργεί κι η καμπύλη στατισμού της τάσης. 5.4 Λειτουργία της γεννήτριας με απομονωμένο φορτίο και σταθερές στροφές Αρχικά θα μελετήσουμε τη λειτουργία μιας απλής σύγχρονης γεννήτριας, η οποία ως είσοδο δέχεται τον αριθμό στροφών και σταθερή τάση διέγερσης. Για τη μοντελοποίηση της γεννήτριας χρησιμοποιήθηκε το block του Simulink με το όνομα Synchronous Machine, τα χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στο Σχήμα 5.8: Σχήμα 5.8: Παράμετροι μοντελοποίησης της σύγχρονης μηχανής Η σύγχρονη γεννήτρια, λοιπόν, είναι ονομαστικής ισχύος 8100 VA, ονομαστικής τάσης 400 V κι ονομαστικής ταχύτητας 1500 στροφών. Στη μηχανή συνδέεται ένα εν σειρά ωμικό φορτίο 100 W, δηλαδή η μηχανή βρίσκεται κοντά στην εν κενώ λειτουργία της. Το σύστημα παρουσιάζεται στο Σχήμα

119 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.9: Γεννήτρια με σταθερές στροφές και με σταθερή τάση διέγερσης στην είσοδο Στο Σχήμα 5.10(α) απεικονίζεται η φασική τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας, όταν το φορτίο είναι 100 W. Αν όμως επιλέξουμε φορτίο 5000 W και ξανατρέξουμε την προσομοίωση, η φασική τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας έχει τη μορφή του Σχήματος 5.10(β). Σχήμα 5.10: (α) Τάση εξόδου της γεννήτριας σε φορτίο 100 W και (β) Τάση εξόδου της γεννήτριας σε φορτίο 5000 W

120 Κεφάλαιο 5 ο Συγκρίνοντας τα Σχήματα 5.10(α) και 5.10(β), διαπιστώνουμε ότι όταν η γεννήτρια τροφοδοτεί πολύ μικρό φορτίο, η μέγιστη τιμή της φασικής τάσης είναι η αναμενόμενη (κοντά στα 325 V). Από την άλλη πλευρά, όταν το φορτίο αυξάνεται, η μέγιστη τιμή της φασικής τάσης είναι περίπου 200 V. Επίσης, έγινε δοκιμή και για την περίπτωση που το φορτίο είναι ωμικό-επαγωγικό, με παρόμοια αποτελέσματα με το Σχήμα 5.10(β). Επομένως, χρειάζεται να εφαρμοστεί έλεγχος, ώστε η τάση στην έξοδο της γεννήτριας να παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από το φορτίο. Ο έλεγχος αυτός περιγράφηκε θεωρητικά στην προηγούμενη ενότητα και θα προσομοιωθεί στο υποκεφάλαιο Λειτουργία της γεννήτριας diesel με απομονωμένο φορτίο Στο Σχήμα 5.11 βλέπουμε μια σύγχρονη μηχανή να τροφοδοτεί δύο φορτία των 2000 W το καθένα. Σε πρώτη φάση είναι συνδεδεμένο μόνο το πρώτο φορτίο, ενώ σε χρόνο 10 s συνδέεται μέσω του διακόπτη και το δεύτερο. Σχήμα 5.11: Σύγχρονη γεννήτρια με ρυθμιστή συχνότητας και τάσης που τροφοδοτεί απομονωμένο φορτίο Το εσωτερικό του ροζ block απεικονίζεται στο Σχήμα Οι ποσότητες που εισάγονται ως είσοδοι είναι οι επιθυμητές τιμές της τάσης εξόδου του στάτη (Vtref) και της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα (ωref), καθώς και κάποιες τιμές, που έχουν ήδη υπολογιστεί από το block μετρήσεων

121 Κεφάλαιο 5 ο της σύγχρονης μηχανής (Vq, Vd, ωm) σε pu. Ως έξοδοι λαμβάνονται η μηχανική ροπή (Pm), η τάση διέγερσης (Vf), η τάση εξόδου του στάτη (Vt) και η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα (ω). Σχήμα 5.12: Εσωτερικό του block Diesel Engine Speed & Voltage Control Tο block Governor & Diesel Engine (Σχήμα 5.13) είναι αυτό που προσομοιώνει τη λειτουργία της μηχανής diesel και δέχεται ως εισόδους την πραγματική (ω) και την επιθυμητή (ωref) γωνιακή ταχύτητα της γεννήτριας σε pu. Ως έξοδος λαμβάνεται η μηχανική ισχύς που προσφέρει η μηχανή diesel στη σύγχρονη γεννήτρια. Σχήμα 5.13: Εσωτερικό του υποσυστήματος Governor & Diesel Engine Σε αυτό το block συγκρίνεται η επιθυμητή τιμή της γωνιακής ταχύτητας της γεννήτριας με την πραγματική της και με τη χρήση του σήματος σφάλματος που δημιουργείται, ρυθμίζεται η ροπή της μηχανής, άρα κι η μηχανική ισχύς της. Για να καταστεί αυτό εφικτό, το σήμα σφάλματος διέρχεται από τις εξής συναρτήσεις μεταφοράς: του Συστήματος Ελέγχου (Control System): H c = K του Ενεργοποιητή (Actuator): T 3 s + 1 T 1 T 2 s 2 + T 1 s + 1 (5.7)

122 H a = 1 + T 4 s s(1 + T 5 s)(1 + T 6 s) Κεφάλαιο 5 ο (5.8) Η συνάρτηση του ενεργοποιητή στο Σχήμα 5.13 διαχωρίζεται στις TF1 και TF2 κι έχει το ρόλο της βαλβίδας παροχής καυσίμου της μηχανής diesel. Οι τιμές των παραμέτρων των συναρτήσεων, τα όρια της ροπής κι η αρχική τιμή της μηχανικής ισχύος φαίνονται στο Σχήμα 5.14 [54]. Σχήμα 5.14: Πίνακας παραμέτρων του block Governor & Diesel Engine Με την ολοκλήρωση της εξόδου των δύο συναρτήσεων μεταφοράς, λαμβάνουμε τελικά τη ροπή της μηχανής diesel. Η ροπή στη συνέχεια εισέρχεται στο block Engine, που αναπαριστά τη μηχανή diesel. Η μηχανή diesel μπορεί να προσομοιωθεί σαν ένας «νεκρός χρόνος», που εκφράζει την καθυστέρηση ανάμεσα σε δύο στιγμές, αυτή που γίνεται μια αλλαγή στην τροφοδοσία καυσίμου και αυτή που αρκετοί κύλινδροι αναφλέγονται, ώστε να επιτευχθεί η ανάλογη αλλαγή στη ροπή. Η καθυστέρηση στο μοντέλο του Simulink εκφράζεται μέσω της μεταβλητής χρόνου Td, όπως φαίνεται στο Σχήμα Ο χρόνος αυτός είναι το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ της άφιξης δύο διαδοχικών εμβόλων στο σημείο ψεκασμού, συν το ένα τέταρτο της περιστροφής του άξονα. Ορίζεται δηλαδή ως: όπου: Τd: o «νεκρός χρόνος» σε δευτερόλεπτα T d = 60 S T 2 N n N (5.9)

123 Κεφάλαιο 5 ο ST: 2 ή 4 για μία δίχρονη ή τετράχρονη μηχανή αντίστοιχα Ν: η ταχύτητα της μηχανής σε rpm n: ο αριθμός των κυλίνδρων Αφού το σήμα περάσει κι από το block που εισάγει τη χρονική καθυστέρηση και πολλαπλασιαστεί με την ταχύτητα της μηχανής, στην έξοδο λαμβάνουμε την ισχύ P mec, η οποία είναι η ισχύς που τροφοδοτεί ο κινητήρας diesel στη γεννήτρια του συστήματος. Επιστρέφοντας στο Σχήμα 5.12, το block Excitation είναι υπεύθυνο για τη διέγερση της σύγχρονης μηχανής κι ουσιαστικά αποτελεί τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης, που περιγράφηκε στην υποενότητα 5.2 και στο Σχήμα 5.6. Η μορφή του δίδεται στο Σχήμα 5.15: Σχήμα 5.15: Σύστημα διέγερσης (block Excitation ) Παρατηρούμε ότι η μετρούμενη τάση του στάτη υπολογίζεται μέσω των συνιστωσών της Vd και Vq. Το block Damping αντιστοιχεί στο σταθεροποιητή του σχήματος 5.6. Το σήμα Vstab κι ο αντισταθμιστής προήγησης-καθυστέρησης (Lead-Lag compensator) προσφέρουν επιπλέον σταθεροποίηση απέναντι στις ταλαντώσεις κι αποτελούν ένα σύστημα που ονομάζεται Σταθεροποιητής Συστήματος Ισχύος (Power System Stabilizer). Ακόμα, στο μοντέλο αυτό ο περιοριστής του σχήματος 5.6 δεν υπάρχει, αλλά αντί αυτού η ρύθμιση των ορίων Emax και Emin γίνεται μέσω του block ρύθμισης παραμέτρων. Τέλος, αντί για τη συνάρτηση κορεσμού S E = f(e fd ), χρησιμοποιείται το block Proportional Saturation. Οι τιμές για τις σταθερές χρόνου και τα κέρδη των συναρτήσεων μεταφοράς του συστήματος διέγερσης, τα όρια για την τάση εξόδου του ενισχυτή κι οι αρχικές τιμές των τάσεων ορίζονται στο block ρύθμισης παραμέτρων, όπως αυτό φαίνεται στο Σχήμα 5.16:

124 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.16: Ρύθμιση παραμέτρων του block Excitation Αφού, λοιπόν, εξηγήθηκαν τα επιμέρους υποσυστήματα που είναι υπεύθυνα για τον έλεγχο της σύγχρονης μηχανής, θα αναλυθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του μοντέλου του Σχήματος Αξίζει να σημειωθεί πως η γεννήτρια του μοντέλου αυτού έχει διαφορετικές παραμέτρους από εκείνη της υποενότητας 5.4, όπως φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 5.17: Παράμετροι μοντελοποίησης σύγχρονης μηχανής

125 Κεφάλαιο 5 ο Στο Σχήμα 5.18 βλέπουμε την τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας. Υπενθυμίζουμε ότι αρχικά ένα φορτίο 2000 W είναι συνδεδεμένο με τη γεννήτρια diesel, ενώ μετά από ένα χρονικό διάστημα 10 s, το φορτίο αυξάνεται στα 4000 W. Μετά από ένα σύντομο μεταβατικό φαινόμενο που ξεκινά με την προσθήκη κάθε φορτίου, η τάση ισορροπεί στο 1 pu, ανεξάρτητα από το μέγεθος του φορτίου. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.19, όταν το φορτίο αυξάνεται, η τάση των ακροδεκτών τείνει να μειωθεί. Αυτό το γεγονός εντοπίζεται από τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης, ο οποίος αυξάνει και πάλι την τάση. Σχήμα 5.18: Τάση ακροδεκτών της γεννήτριας Σχήμα 5.19: Τάση ακροδεκτών της γεννήτριας σε μεγέθυνση τη στιγμή της αύξησης του φορτίου Οι υπερυψώσεις που εντοπίζεται κατά την αλλαγή του φορτίου οφείλονται στα κέρδη του ρυθμιστή τάσης. Πιθανότατα, με μικρότερα κέρδη οι υπερυψώσεις θα είχαν μικρότερο πλάτος, αλλά τότε ο έλεγχος θα ήταν πιο αργός

126 Κεφάλαιο 5 ο Στο Σχήμα 5.20 διαπιστώνουμε ότι η ταχύτητας της σύγχρονης μηχανής κι επομένως κι η συχνότητά της σταθεροποιούνται στην ονομαστική τιμή, αφού παρέλθει ένα σύντομο μεταβατικό φαινόμενο. Επίσης, είναι εμφανές ότι όσο μεγαλύτερο γίνεται το φορτίο, τόσο εντονότερο είναι το μεταβατικό. Σχήμα 5.20: Ταχύτητα της σύγχρονης μηχανής Η μηχανική ισχύς που ο κινητήρας diesel μεταφέρει στη γεννήτρια απεικονίζεται στο Σχήμα Σχήμα 5.21: Μηχανική ισχύς στην είσοδο της γεννήτριας Βάσει της θεωρητικής ανάλυσης των προηγούμενων κεφαλαίων, όσο αυξάνεται το φορτίο, η συχνότητα τείνει να μειωθεί. Όμως, στο σημείο αυτό επεμβαίνει ο ρυθμιστής στροφών κι

127 Κεφάλαιο 5 ο εγχύει περισσότερο καύσιμο στον κινητήρα diesel, ώστε αυτός να αυξήσει τη μηχανική ισχύ με την οποία τροφοδοτεί τη γεννήτρια. Επομένως, αφού κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης διπλασιάσαμε το φορτίο, η μηχανική ισχύς που φθάνει στον άξονα της γεννήτριας διπλασιάζεται. Τέλος, στο Σχήμα 5.22 βλέπουμε την ισχύ που ρέει από τη γεννήτρια στο φορτίο. Όπως είναι λογικό, η ενεργός ισχύς διπλασιάζεται μετά το διπλασιασμό του φορτίου, ενώ η άεργος ισχύς είναι ίση με το μηδέν. Σχήμα 5.22: Ενεργός κι άεργος ισχύς που ρέει στο φορτίο 5.6 Ταυτόχρονη λειτουργία της γεννήτριας diesel με το δίκτυο Στην ενότητα αυτή θα συνδέσουμε την γεννήτρια diesel με το δίκτυο και θα εφαρμόσουμε έλεγχο στατισμού. Το νέο μοντέλο είναι αυτό του Σχήματος 5.23, όπου το φορτίο έχει τιμή 3500 W

128 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.23: Μοντέλο γεννήτριας συνδεδεμένης με το δίκτυο κι έλεγχο στατισμού Στο Σχήμα 5.24 παρουσιάζεται το εσωτερικό του block Diesel Engine Governor. Το block αυτό είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο ομώνυμο που αναλύθηκε στην ενότητα 5.4. Η διαφορά, όμως, τώρα είναι ότι η ταχύτητα αναφοράς προκύπτει από την εξίσωση (5.6(α)). Στο μοντέλο αυτό έχουμε κάνει την παραδοχή ότι στην ονομαστική ταχύτητα η ενεργός ισχύς που αποδίδει η γεννήτρια είναι 0.5 pu, δηλαδή 2250 W. Επίσης, η κλίση επιλέχθηκε 0.02 Hz/pu W. Το block Saturation εξασφαλίζει ότι η συχνότητα θα παραμείνει μεταξύ 49.5 και 50.5 Hz. Σχήμα 5.24: Υποσύστημα Diesel Engine Governor Στο Σχήμα 5.25 βλέπουμε το υποσύστημα AVR. Αντίστοιχα με το ωref παραπάνω, η Vtref προέρχεται από την εξίσωση (5.6(β)).Εδώ κάναμε την παραδοχή ότι για ονομαστική τάση ακροδεκτών της γεννήτριας, η άεργος ισχύς ισούται με το μηδέν. Η κλίση της χαρακτηριστικής

129 Κεφάλαιο 5 ο είναι 0.03 V/Var και το block Saturation θέτει τα όρια της τάσης στο ±10% της ονομαστικής τιμής της. Σχήμα 5.25: Υποσύστημα AVR Από την προσομοίωση, βλέπουμε ότι η μηχανική ισχύς που τροφοδοτείται στη γεννήτρια σταθεροποιείται στο 0.5 pu, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Το αποτέλεσμα είναι πολύ λογικό, αφού είχαμε ορίσει ως σημείο λειτουργίας της γεννήτριας το 0.5 pu. Σχήμα 5.26: Μηχανική ισχύς στην είσοδο της γεννήτριας Στο Σχήμα 5.27 (α) απεικονίζεται η ισχύς, με την οποία τροφοδοτεί η γεννήτρια το φορτίο, ενώ στο Σχήμα 5.27 (β) η ισχύς που ρέει από το δίκτυο στο φορτίο. Λαμβάνοντας υπόψιν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, μπορούν να γίνουν οι εξής παρατηρήσεις: Αρχικά, παρατηρούμε ότι η γεννήτρια τροφοδοτεί με περίπου 750 W ανά φάση (συνολικά με 2250 W) το φορτίο. Το ποσό αυτό είναι ακριβώς το μισό της συνολικής ισχύος

130 Κεφάλαιο 5 ο που μπορεί να αποδώσει, κάτι που είναι λογικό αφού θέσαμε P 0 = 0.5 pu. Επομένως, το δίκτυο αποδίδει περίπου 400 W ανά φάση, ώστε να καλυφθεί ολόκληρο το φορτίο των 3500 W. Σχήμα 5.27: (α)ισχύς ανά φάση που ρέει από τη γεννήτρια στο φορτίο (σε μεγέθυνση) και (β) Ισχύς ανά φάση που ρέει από το δίκτυο στο φορτίο (σε μεγέθυνση) Δεύτερον, παρατηρούμε ότι η γεννήτρια αποδίδει μια μικρή ποσότητα αέργου ισχύος, παρόλο που έχουμε θέσει Q 0 = 0 pu και το φορτίο είναι καθαρά ωμικό. Η ποσότητα αυτή της αέργου ισχύος προσλαμβάνεται ολόκληρη από το δίκτυο, οπότε συμπεραίνουμε ότι καταναλώνεται στις επαγωγές του δικτύου

131 Κεφάλαιο 5 ο Τρίτον, κατά την έναρξη της λειτουργίας του συστήματος, παρατηρούνται σημαντικά μεταβατικά φαινόμενα. Αυτά οφείλονται στο γεγονός ότι δε γίνεται κανένας έλεγχος για το συγχρονισμό της γεννήτριας με το δίκτυο. Αυτό το θέμα θα εξηγηθεί αναλυτικά στην ενότητα 5.6. Επόμενο βήμα είναι να αντικαταστήσουμε το ωμικό φορτίο με ωμικό-επαγωγικό. Επιλέγουμε ωμικό φορτίο 2500 W κι επαγωγικό 1500 Var. Ως νέα τιμή του P0 ορίζουμε το 0.4 pu και για το Q0 το 0.3 pu. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα επόμενα σχήματα: Σχήμα 5.28: (α) Ενεργός κι άεργος ισχύς που φτάνουν από τη γεννήτρια στο φορτίο και (β) ενεργός κι άεργος ισχύς του δικτύου που τροφοδοτείται στο φορτίο

132 Κεφάλαιο 5 ο Βλέπουμε ότι η ενεργός ισχύς που φτάνει από τη γεννήτρια στο φορτίο είναι 600 W ανά φάση, άρα 1800 W συνολικά. Δηλαδή αντιστοιχεί στο P 0 = 0. 4.Το δίκτυο προσφέρει τα υπόλοιπα 700 W, ώστε το φορτίο των 2500 W να καλυφθεί πλήρως. Παράλληλα, η άεργος ισχύς που φτάνει από τη γεννήτρια στο φορτίο είναι συνολικά 1250 Var (δηλαδή αντιστοιχεί περίπου στο Q 0 = 0. 3), ενώ τα υπόλοιπα 250 Var που απαιτούνται για την κάλυψη του φορτίου παρέχονται από το δίκτυο. Η μηχανική ισχύς που φτάνει στην είσοδο της γεννήτριας απεικονίζεται στο Σχήμα Όπως παρατηρούμε σταθεροποιείται στο 0.4. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εμφανίζονται σε όλες τις γραφικές παραστάσεις οφείλονται στην απουσία ελέγχου για το συγχρονισμό της γεννήτριας diesel με το δίκτυο. Σχήμα 5.29: Ηλεκτρική ισχύς στην είσοδο της γεννήτριας 5.7 Ένταξη του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο δίκτυο Στην ενότητα αυτή θα εξετάσουμε την ελεγχόμενη ένταξη του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο δίκτυο. Σχήμα 5.30: Δίκτυο (G1) και γεννήτρια (G2) τροφοδοτούν ένα φορτίο

133 Κεφάλαιο 5 ο Για να καταστεί δυνατή η παράλληλη σύνδεση της γεννήτριας G2 στο δίκτυο G1, με το κλείσιμο του διακόπτη της εικόνας 5.30 πρέπει να ισχύουν οι εξής προϋποθέσεις: Τα μέτρα των τάσεων του δικτύου και της γεννήτριας να είναι τα ίδια και για τις τρεις φάσεις. Η διαφορά φάσης των αντίστοιχων τάσεων να είναι μηδέν. Η συχνότητα να είναι ίδια. Η ακολουθία φάσεων να είναι ίδια. Το μοντέλο που σχεδιάστηκε φαίνεται στο Σχήμα Τα block Diesel Engine Governor, AVR κι η σύγχρονη γεννήτρια παραμένουν τα ίδια όπως στην προηγούμενη υποενότητα. Εδώ, το P0 επιλέγεται 0.6 pu και το Q0 0 pu. Σχήμα 5.31: Μοντέλο ένταξης του Η/Ζ στο δίκτυο

134 Κεφάλαιο 5 ο Το φορτίο που είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο είναι ωμικής-επαγωγικής φύσης κι έχει τιμή 4000 W και 1000 Var. Ένα ακόμη μικρότερο φορτίο (200 W) είναι εξαρχής συνδεδεμένο με τη γεννήτρια, ώστε αυτή να μη λειτουργεί εν κενώ. Για να συγκριθούν τα μέτρα των τάσεων του δικτύου και της γεννήτριας, χρησιμοποιείται το τιρκουάζ block με το όνομα Peak Detector. Peak detector ονομάζεται ένα απλό κύκλωμα, το οποίο αποτελείται από μια δίοδο, έναν πυκνωτή και μια αντίσταση. Αν στην είσοδο του κυκλώματος εφαρμοστεί ένα ημιτονοειδές σήμα, το σήμα ανορθώνεται εξαιτίας της διόδου και μέσω του πυκνωτή εξομαλύνεται. Τελικά στην έξοδο λαμβάνεται η μέγιστη τιμή του αρχικού ημιτονοειδούς σήματος. Το εσωτερικό του Peak detector διακρίνεται στο Σχήμα Σχήμα 5.32: Εσωτερικό του υποσυστήματος Peak Detector Το πρώτο κύκλωμα peak detector μετράει τη μέγιστη τάση στην έξοδο της γεννήτριας, ενώ το δεύτερο μετράει την τάση στην έξοδο του δικτύου. Οι τιμές των αντιστάσεων που επιλέχθηκαν είναι 500 kω και για τα δύο κυκλώματα, καθώς με μικρότερες τιμές αντιστάσεων η λειτουργία του κυκλώματος ήταν προβληματική. Ο πυκνωτής C1 έχει χωρητικότητα 2 mf, ενώ ο C2 20 mf. Οι τάσεις στα άκρα των αντιστάσεων συγκρίνονται κι αν έχουν διαφορά μικρότερη των 30 V, η έξοδος του υποσυστήματος λαμβάνει τη λογική τιμή 1. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το εσωτερικό του block Synchronisation (με κόκκινο χρώμα). Είσοδοι στο block είναι η συχνότητα της τάσης του δικτύου (μετράται μέσω PLL), η συχνότητα της τάσης στην έξοδο του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, η πολική τάση ΑΒ του δικτύου, η πολική τάση ΑΒ των ακροδεκτών της γεννήτριας και το αποτέλεσμα της σύγκρισης που έγινε στο block Peak detector. Στο πρώτο από τα δύο γαλάζια block ελέγχεται η συχνότητα και στο δεύτερο η διαφορά φάσης. Έξοδος του block είναι το λογικό σήμα που ενεργοποιεί το διακόπτη για τη σύνδεση της γεννήτριας diesel στο δίκτυο

135 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.33: Εσωτερικό του υποσυστήματος Synchronisation Όταν σε όλες τις εισόδους της λογικής πύλης AND φθάσει λογικό σήμα 1, ο διακόπτης ενεργοποιείται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την επόμενη φορά που η πολική τάση ΑΒ του δικτύου διέλθει από το μηδέν, η είσοδος Set του SR flip-flop να αποκτήσει τη λογική τιμή 1 και να ενεργοποιήσει το διακόπτη που συνδέει το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος με το δίκτυο. Το block double μετατρέπει τα δεδομένα στην είσοδό του από τον τύπο Boolean, που είναι το σήμα στην έξοδο του flip-flop, στον τύπο Double, που είναι το σήμα που δέχεται ο διακόπτης Το υποσύστημα Frequency Control απεικονίζεται στο Σχήμα Η συχνότητα στην έξοδο της γεννήτριας συγκρίνεται με τη συχνότητα του δικτύου κι αν η διαφορά τους είναι μικρότερη του 1 Hz, εγκρίνεται η ένταξη του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο δίκτυο. Σχήμα 5.34: Σύγκριση συχνοτήτων γεννήτριας-δικτύου Το block Voltage Comparison (Σχήμα 5.35) είναι υπεύθυνο για τη σύγκριση των κυματομορφών των τάσεων των δύο πηγών ενέργειας του συστήματος. Οι πολικές τάσεις της γεννήτριας και του δικτύου αφαιρούνται η μία από την άλλη. Με δεδομένο ότι τα δύο σήματα έχουν παρόμοιες συχνότητες, όταν η διαφορά φάσης τους είναι πολύ μικρή, τότε το μέτρο της διαφοράς των δύο σημάτων πλησιάζει στο μηδέν

136 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.35: Υποσύστημα Voltage Comparison Όπως βλέπουμε στο Σχήμα 5.35, το σήμα της πολικής τάσης του δικτύου αφαιρείται από το σήμα της πολικής τάσης της σύγχρονης μηχανής. Έπειτα υπολογίζεται η ενεργός τιμή της απόλυτης τιμής της διαφοράς των τάσεων. Όταν η ενεργός τιμή του σήματος αυτού γίνει μικρότερη από 15 V, ενεργοποιείται η έξοδος του block κι η λογική στάθμη 1 οδηγείται στην πύλη AND του υποσυστήματος Synchronisation. Τα παραπάνω θα γίνουν πιο κατανοητά στη συνέχεια με τη βοήθεια των προσομοιώσεων. Αφού εξηγήθηκαν όλα τα υποσυστήματα του Σχήματος 5.31, θα εξετάσουμε τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Ξεκινώντας με το block Peak detector, οι μέγιστες τιμές της πολικής τάσης εξόδου της γεννήτριας και του δικτύου αναμένονται να έχουν τιμή περίπου = 566 V. Αυτό επαληθεύεται στο Σχήμα 5.36, όπου παρατηρούμε ότι οι δύο τάσεις έχουν πολύ κοντινή μέγιστη τιμή. Σχήμα 5.36: (α) Μέγιστη πολική τάση στην έξοδο της γεννήτριας και (β) Μέγιστη πολική τάση του δικτύου

137 Κεφάλαιο 5 ο Στη συνέχεια, εξετάζουμε τα αποτελέσματα του block Voltage Comparison (Σχήμα 5.37). Σχήμα 5.37: (α) Διαφορά τάσεων γεννήτριας-δικτύου και (β) Ενεργός τιμή της διαφοράς των τάσεων γεννήτριας-δικτύου (σε μεγέθυνση) Βλέπουμε, λοιπόν, ότι σε κάποια διαστήματα το μέτρο της διαφοράς των τάσεων είναι σχεδόν μηδενικό, ενώ σε άλλα ξεπερνάει τα 800 V. Κατά τα διαστήματα που το μέτρο είναι πολύ μικρό, η διαφορά φάσης των δύο σημάτων είναι η ελάχιστη δυνατή. Άρα, αυτές είναι οι κατάλληλες χρονικές στιγμές για να συμβεί ο συγχρονισμός. Για να προσεγγιστεί το πλάτος της διαφοράς, υπολογίζεται η ενεργός τιμή της. Όταν αυτή γίνει μικρότερη από 15 V, η έξοδος του block ενεργοποιείται. Στα επόμενο σχήμα θα δούμε τις χρονικές στιγμές ενεργοποίησης των εξόδων του κάθε ελέγχου, καθώς και τη στιγμή σύνδεσης του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο δίκτυο

138 Κεφάλαιο 5 ο 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, Χρόνος (s) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, Χρόνος (s) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, Χρόνος (s) Σχήμα 5.38: (α) Έξοδος peak detector, (β) έξοδος ελεγκτή συχνότητας και (γ) έξοδος ελεγκτή φάσης Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι όταν ικανοποιούνται κι οι τρεις συνθήκες, δηλαδή οι συνθήκες για τη μέγιστη τιμή της πολικής τάσης, για την τιμή της συχνότητας και για τον έλεγχο της φάσης, κλείνει ο διακόπτης για τη σύνδεση στο δίκτυο. Η συνθήκη για τον έλεγχο της φάσης ικανοποιείται και νωρίτερα, λίγο πριν το δεύτερο δευτερόλεπτο, αλλά δεν επιτυγχάνεται σύνδεση με το δίκτυο, αφού η συχνότητα δεν έχει φτάσει ακόμα στην επιθυμητή τιμή. Η τάση της φάσης Α της εξόδου της γεννήτριας παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.39, ενώ το ρεύμα της στο Σχήμα

139 Κεφάλαιο 5 ο Σχήμα 5.39: Φασική τάση (Α) στους ακροδέκτες της γεννήτριας Σχήμα 5.40: Ρεύμα της φάσης Α στην έξοδο του Η/Ζ Παρατηρούμε στην κυματομορφή της τάσης, ότι στην αρχή της λειτουργίας της ντιζελογεννήτριας λαμβάνουν χώρα μεταβατικά φαινόμενα τα οποία εξασθενούν μετά από περίπου δύο δευτερόλεπτα. Από το σημείο αυτό και μετά, η κυματομορφή έχει την αναμενόμενη τιμή. Όσον αφορά το ρεύμα, αυτό αρχικά έχει πολύ μικρή τιμή, αφού η γεννήτρια τροφοδοτεί μόνο ένα ωμικό φορτίο 200 W. Πιο συγκεκριμένα, η αρχική του τιμή είναι I = = 0.29 A. Τη στιγμή που γίνεται ο συγχρονισμός, παρατηρείται ένα μεταβατικό φαινόμενο, το οποίο, όμως, δεν είναι τόσο ισχυρό. Στη συνέχεια, το πλάτος του ρεύματος

140 Κεφάλαιο 5 ο αυξάνεται σταδιακά, αφού η γεννήτρια προσφέρει όλο και περισσότερη ισχύ στο φορτίο. Η τελική τιμή του ρεύματος προκύπτει, αν σκεφτούμε ότι η γεννήτρια τροφοδοτεί το σύστημα με P = 2700 W συνολικά, άρα με 900 W ανά φάση, οπότε το ρεύμα υπολογίζεται I = A. Ενδιαφέρον παρουσιάζει κι η κυματομορφή της μηχανικής ισχύος που προσδίδει ο κινητήρας diesel στην γεννήτρια (Σχήμα 5.41). Σε κάθε αλλαγή του φορτίου εμφανίζονται ταλαντώσεις για σύντομο χρονικό διάστημα. Όσο το φορτίο είναι 200 W, η μηχανική ισχύς είναι κοντά στο pu. Όταν το φορτίο αυξάνεται, η μηχανική ισχύς σταθεροποιείται στο σημείο P 0 = 0.6 pu. Δηλαδή, επειδή η δεύτερη πηγή ενέργειας είναι ισχυρό δίκτυο με συχνότητα 50 Hz, το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος θα αποδώσει αυτόματα την τιμή της ισχύος που έχουμε αντιστοιχίσει σε αυτή τη συχνότητα, δηλαδή 0.6 pu. 0,7 0,6 0,5 Μηχανική ισχύς (pu) 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0, Χρόνος (s) Σχήμα 5.41: Μηχανική ισχύς που αποδίδεται στη σύγχρονη γεννήτρια Ανάλογα χρήσιμα συμπεράσματα εξάγονται από τη γραφική παράσταση της ταχύτητας της μηχανής (Σχήμα 5.42). Όσο το φορτίο είναι πολύ μικρό, η μηχανή λειτουργεί σε λίγο μεγαλύτερη συχνότητα από τα 50 Hz. Όταν, όμως, συνδεθεί με το δίκτυο, η συχνότητα θα σταθεροποιηθεί στα 50 Hz

141 Κεφάλαιο 5 ο Ταχύτητα μηχανής (pu) 1,025 1,02 1,015 1,01 1, ,995 0,99 0,985 0,98 0, Χρόνος (s) Σχήμα 5.42: Ταχύτητα περιστροφής της σύγχρονης γεννήτριας Στο επόμενο σχήμα απεικονίζεται το ρεύμα που τελικά ρέει προς το φορτίο, στο οποίο δεν εντοπίζεται κανένα ιδιαίτερο μεταβατικό φαινόμενο κατά τη διάρκεια της ένταξης της ντιζελογεννήτριας. Η τιμή του ρεύματος υπολογίζεται ως εξής: I = S φασ = ( ) 5.98 A V φασ 230 οπότε η μέγιστη τιμή του είναι = 8.45 Α. Σχήμα 5.43: Ρεύμα που εγχέεται στο δίκτυο από το Η/Ζ και τη γεννήτρια diesel Πλέον μένει μόνο να εξετάσουμε τις κυματομορφές τις ισχύος που παρέχουν οι δύο πηγές του συστήματος. Στο Σχήμα 5.44 βλέπουμε την ισχύ που παράγεται από τη ντιζελογεννήτρια και στο Σχήμα 5.45 την αντίστοιχη που προέρχεται από το δίκτυο

142 Κεφάλαιο 5ο Ενεργός (W) & άεργος ισχύς (Var) Χρόνος (s) Σχήμα 5.44: Ενεργός κι άεργος ισχύς που παράγει η γεννήτρια diesel Αρχικά, η γεννήτρια diesel τροφοδοτεί μόνο το ωμικό φορτίο των 200 W που είναι συνδεδεμένο στην έξοδό της, οπότε παράγει περίπου 67 W ανά φάση. Από τη στιγμή που συνδέεται το δίκτυο και μετά, «εξαναγκάζεται» να λειτουργήσει στο 0.6 pu, οπότε αποδίδει 900 W ανά φάση και 2700 W συνολικά. Η άεργος ισχύς φαίνεται να σταθεροποιείται σε μια τιμή διάφορη του μηδενός αλλά κοντά σε αυτό, παρόλο που έχουμε θέσει 𝑄0 = 0. Αυτό συμβαίνει, καθώς άεργος ισχύς καταναλώνεται στις επαγωγές του δικτύου. Ενεργός (W) & άεργος ισχύς (Var) Χρόνος (s) Σχήμα 5.45: Ενεργός κι άεργος ισχύς που προέρχεται από το δίκτυο Παρατηρούμε ότι πριν τη σύνδεση της γεννήτριας το δίκτυο τροφοδοτεί ολόκληρο το φορτίο. Από τη σύνδεση και μετά, το δίκτυο καλύπτει το μέρος του φορτίου που δεν μπορεί να

143 Κεφάλαιο 5 ο καλύψει το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Πιο συγκεκριμένα, αφού η γεννήτρια diesel καλύπτει τα 2700 W του συνολικού φορτίου (συνολικό ωμικό φορτίο θεωρείται το φορτίο που είναι συνδεδεμένο εξ αρχής με το δίκτυο μαζί με το φορτίο που είναι συνδεδεμένο στη γεννήτρια), το δίκτυο αναμένεται να καλύψει τα υπόλοιπα 1500 W (δηλαδή περίπου 500 W ανά φάση). Επιπρόσθετα, το δίκτυο καλύπτει σχεδόν εξ ολοκλήρου τις απαιτήσεις του φορτίου σε άεργο ισχύ

144 Κεφάλαιο 5 ο

145 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΕΝΑΡΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουμε την ταυτόχρονη λειτουργία δύο πηγών ενέργειας. Ειδικότερα, θα δούμε πώς καλύπτεται το φορτίο, όταν συνδυάζονται οι μπαταρίες με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος ή με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Πλέον, οι μπαταρίες είναι αυτές που θα δημιουργήσουν το ac-bus του μικροδικτύου και θα κατευθύνουν τη λειτουργία της γεννήτριας diesel και των φωτοβολταϊκών. 6.1 Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι ωμικό φορτίο Σε αυτό το σενάριο λειτουργίας οι μπαταρίες τροφοδοτούν αρχικά ένα φορτίο 2000 W (Σχήμα 6.1). Όταν το επίπεδο φόρτισής τους πέσει κάτω από το 40%, ξεκινά η λειτουργία της γεννήτριας diesel. Τη χρονική στιγμή που θα ικανοποιηθούν οι συνθήκες συγχρονισμού της γεννήτριας στο ac-bus, αυτή συνδέεται στο μικροδίκτυο κι αναλαμβάνει να καλύψει το φορτίο και να φορτίσει τις μπαταρίες. Σχήμα 6.1: Ταυτόχρονη λειτουργία μπαταριών και γεννήτριας diesel

146 Κεφάλαιο 6 ο Στο Σχήμα 6.2 βλέπουμε το εσωτερικό του υποσυστήματος με το όνομα Batteries. Όταν το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών πέφτει κάτω από το 40%, στέλνεται το σήμα εκκίνησης της γεννήτριας diesel (Σχήμα 6.3). Σχήμα 6.2: Υποσύστημα Batteries Σχήμα 6.3: Υποσύστημα Diesel Generator Με το σήμα START εφαρμόζεται μια τάση διέγερσης στη γεννήτρια κι ο κινητήρας ξεκινά να παράγει τη μηχανική ισχύ. Το Ρ0 έχει ορισθεί 0.72 pu. Επομένως, όταν η γεννήτρια συνδεθεί στο ac-bus, θα αποδίδει = 3240 W. Αυτό συμβαίνει επειδή η συχνότητα της τάσης του ac-bus καθορίζεται από τον αντιστροφέα των μπαταριών (Σχήμα 6.4) κι είναι σταθερή κι ίση με 50 Hz

147 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.4: (α) Υποσύστημα Inverter και (β) Υποσύστημα Pulses Στο Σχήμα 6.4(β) βλέπουμε ότι τα ημίτονα αναφοράς για την παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων είναι σταθερού πλάτους ( m a = για είσοδο 880 V) και συχνότητας (50 Hz). Αυτή η επιλογή έγινε, ώστε σε πρώτη φάση να καταστεί απλούστερο το σύστημα. Το block Synchronisation είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ο ρόλος του είναι να αποφασίζει πότε η γεννήτρια diesel πληροί τις προϋποθέσεις για να ενταχθεί στο μικροδίκτυο και να δίνει την εντολή για το κλείσιμο του διακόπτη σύνδεσης. Η τάση στην έξοδο της γεννήτριας φαίνεται στο Σχήμα 6.5. Παρατηρούμε ότι μέχρι να πέσει το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας κάτω από το 40%, η τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας είναι μηδέν. Στη συνέχεια, όταν δοθεί η εντολή για την εκκίνηση της λειτουργίας της, η τάση του στάτη αυξάνεται προοδευτικά, μέχρι να φτάσει την τελική μέγιστη τιμή των 325 V. Αφού γίνει η σύνδεση στο ac-bus (περίπου στα 10 δευτερόλεπτα), παρατηρείται μια ανεπαίσθητη κυμάτωση, μέχρι η τιμή της να σταθεροποιηθεί και πάλι

148 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.5: Τάση ακροδεκτών της ντιζελογεννήτριας Ενδιαφέρον παρουσιάζει κι η κυματομορφή της ταχύτητας της ντιζελογεννήτριας (Σχήμα 6.6). Διαπιστώνουμε ότι πριν γίνει ο συγχρονισμός, η ταχύτητα της γεννήτριας είναι λίγο μεγαλύτερη από 1 pu. Αυτό συμβαίνει, επειδή μέχρι να φτάσει στην ονομαστική τάση, η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη με ένα πολύ μικρό φορτίο (200 W), οπότε, βάσει της καμπύλης P-f, η συχνότητά της είναι λίγο μεγαλύτερη από 50 Hz. Από το συγχρονισμό και μετά, το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος συνδέεται με μια ισχυρή πηγή (μπαταρίες), η τάση της οποίας έχει σταθερή συχνότητα 50 Hz. Συνεπώς, από το σημείο αυτό και μετά η ταχύτητα της γεννήτριας είναι σταθερή κι ίση με 1 pu. Σχήμα 6.6: Ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας

149 Κεφάλαιο 6 ο Στο επόμενο σχήμα απεικονίζεται η ισχύς που παρέχει η ντιζελογεννήτρια στο φορτίο του μικροδικτύου, ενώ στο Σχήμα 6.8 παρουσιάζεται η ισχύς των μπαταριών. Σχήμα 6.7: Ισχύς που παρέχει η γεννήτρια diesel στο μικροδίκτυο Σχήμα 6.8: Ισχύς που παρέχουν και προσλαμβάνουν οι μπαταρίες από το μικροδίκτυο Όπως παρατηρούμε από τα σχήματα, μέχρι το δέκατο δευτερόλεπτο το φορτίο τροφοδοτείται αποκλειστικά από τις μπαταρίες. Παράλληλα, η γεννήτρια diesel τροφοδοτεί το μικρό ωμικό φορτίο με το οποίο είναι εξαρχής συνδεδεμένη. Αφού επέλθει ο συγχρονισμός, η ενεργός ισχύς των μπαταριών πέφτει σε αρνητικές τιμές, οπότε οι μπαταρίες φορτίζονται από τη γεννήτρια. Επίσης, οι μπαταρίες παρέχουν μια μικρή ποσότητα αέργου ισχύος, η οποία καταναλώνεται στις επαγωγές της γεννήτριας

150 Κεφάλαιο 6 ο Αναλυτικότερα, από τα 3240 W που προσφέρει η γεννήτρια diesel μετά το συγχρονισμό, τα 2200 W καταναλώνονται από το φορτίο του μικροδικτύου κι από το φορτίο που είναι από την αρχή συνδεδεμένο στη γεννήτρια. Τα υπόλοιπα 1040 W χρησιμοποιούνται για τη φόρτιση της μπαταρίας. Μέσω του Σχήματος 6.9 γίνεται εμφανής η αύξηση του επιπέδου φόρτισης των μπαταριών από τη στιγμή του συγχρονισμού κι έπειτα. Σχήμα 6.9: Επίπεδο φόρτισης των μπαταριών 6.2 Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι ωμικό-επαγωγικό φορτίο Στην ενότητα αυτή, θα προσθέσουμε στο καθαρά ωμικό φορτίο του Σχήματος 6.1 ένα επαγωγικό φορτίο 1000 Var και θα εξετάσουμε τη συμπεριφορά του κυκλώματος. Στην περίπτωση αυτή ενδιαφέρον παρουσιάζει η μορφή του ρεύματος που περνάει από το φορτίο (Σχήμα 6.10). Το μεταβατικό φαινόμενο που εμφανίζεται στην αρχή της λειτουργίας του συστήματος οφείλεται στην επαγωγική φύση του φορτίου. Ακόμα, το διάστημα μεταβατικής κατάστασης έχει μικρότερη διάρκεια, όσο μεγαλύτερο γίνεται το ωμικό μέρος του φορτίου σε σχέση με το επαγωγικό [38]

151 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.10: Ρεύμα φορτίου μικροδικτύου Στα Σχήματα 6.11 κι 6.12 βλέπουμε τις ισχείς που προέρχονται από τις δυο διαφορετικές πηγές ενέργειας. Διαπιστώνουμε ότι όταν η γεννήτρια diesel συνδεθεί με το μικροδίκτυο, αποδίδει ενεργό ισχύ που αντιστοιχεί σε P 0 = 0.72 pu, ενώ δέχεται από τις μπαταρίες άεργο ισχύ που καταναλώνεται στις επαγωγές των τυλιγμάτων της. Είναι χαρακτηριστικό ότι η ντιζελογεννήτρια δεν τροφοδοτεί με άεργο ισχύ το φορτίο, αφού έχουμε ορίσει Q 0 = 0 pu. Παρόλ αυτά, απορροφά μια μικρή ποσότητα αέργου ισχύος από τις μπαταρίες, η οποία καταναλώνεται στις επαγωγές της γεννήτριας. Σχήμα 6.11: Ενεργός κι άεργος ισχύς που προέρχεται από τη γεννήτρια diesel

152 Κεφάλαιο 6 ο Αντίθετα με τη γεννήτρια diesel, η ενεργός ισχύς των μπαταριών λαμβάνει αρνητικές τιμές μετά το συγχρονισμό, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.12, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι μπαταρίες φορτίζονται, όπως φαίνεται στο Σχήμα Εξάλλου, οι μπαταρίες τροφοδοτούν με άεργο ισχύ το φορτίο και τις επαγωγές της γεννήτριας. Σχήμα 6.12: Ενεργός κι άεργος ισχύς των μπαταριών Σχήμα 6.13: Επίπεδο φόρτισης των μπαταριών 6.3 Λειτουργία μπαταριών μαζί με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κι αυξανόμενο φορτίο Στο υποκεφάλαιο αυτό ελέγχουμε τη λειτουργία του συστήματος, όταν το φορτίο αυξάνεται και ξεπερνά την ονομαστική ισχύ της σύγχρονης γεννήτριας. Ειδικότερα, στο αρχικό φορτίο των 2200 W και 1000 Var προστίθεται φορτίο 3000 W, τέσσερα δευτερόλεπτα αφού η

153 Κεφάλαιο 6 ο γεννήτρια diesel συνδεθεί στο μικροδίκτυο. Το νέο ωμικό φορτίο είναι συνολικής ισχύος 5200 W, άρα η γεννήτρια diesel, που λειτουργεί με Ρ 0 = 0.72 pu, δεν μπορεί να το καλύψει από μόνη της. Επομένως, το μέρος του φορτίου, που δεν μπορεί να καλυφθεί από τη γεννήτρια diesel, θα καλυφθεί από τις μπαταρίες. Στο Σχήμα 6.14 βλέπουμε το ρεύμα που ρέει προς το φορτίο. Παρατηρούμε και πάλι το μεταβατικό φαινόμενο, που οφείλεται στην επαγωγική φύση του φορτίου. Ακόμα, όταν η τιμή του φορτίου αυξάνεται, αυξάνεται προφανώς κι η τιμή του ρεύματος που ρέει προς αυτό. Σχήμα 6.14: Ρεύμα που ρέει στο φορτίο Στα Σχήματα 6.15 κι 6.16 δίδεται η ενεργός κι άεργος ισχύς που παρέχεται από τις μπαταρίες και από την ντιζελογεννήτρια αντίστοιχα. Σχήμα 6.15: Ενεργός κι άεργος ισχύς που παράγουν οι μπαταρίες

154 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6.16: Ενεργός κι άεργος ισχύς που παράγει η ντιζελογεννήτρια Διαπιστώνουμε, ότι για t = 10 s η γεννήτρια diesel συνδέεται στο μικροδίκτυο, επομένως η ενεργός ισχύς των μπαταριών μειώνεται συνεχώς και τελικά λαμβάνει αρνητικές τιμές. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες αρχίζουν να φορτίζονται με την περίσσεια της ενεργού ισχύος που παράγει η ντιζελογεννήτρια. Όμως, για t = 15 s το φορτίο αυξάνεται ξαφνικά κι η ντιζελογεννήτρια δεν είναι σε θέση να το καλύψει, οπότε οι μπαταρίες αρχίζουν να παράγουν ενεργό ισχύ. Αναφορικά με την άεργο ισχύ για την κάλυψη του φορτίου, αυτή παράγεται εξ ολοκλήρου από τις μπαταρίες, αφού για την ντιζελογεννήτρια έχουμε ορίσει Q 0 = 0. Παρόλ αυτά, και σε αυτή την περίπτωση η γεννήτρια απορροφά άεργο ισχύ από τις μπαταρίες, η οποία καταναλώνεται στα τυλίγματά της. Στο Σχήμα 6.17 δίδεται το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών σε συνάρτηση με το χρόνο. Διαπιστώνουμε ότι, μετά τα 10 δευτερόλεπτα το επίπεδο φόρτισης τείνει να αυξηθεί, αλλά η ανοδική του πορεία διακόπτεται με την αύξηση του φορτίου

155 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 17: Επίπεδο φόρτισης των μπαταριών 6.4 Λειτουργία μπαταριών μαζί με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία Στο υποκεφάλαιο αυτό θα εξεταστεί η συνδυασμένη λειτουργία των μπαταριών με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, όταν η ακτινοβολία μεταβάλλεται. Η μεταβολή της ακτινοβολίας μπορεί να προσομοιωθεί μέσω ενός block timer με τις εξής παραμέτρους: Σχήμα 6.18: Ρυθμίσεις παραμέτρων για το προφίλ μεταβολής της ακτινοβολίας Δηλαδή, αρχικά η ακτινοβολία είναι μηδενική, μετά αυξάνεται σταδιακά μέχρι τη μέγιστη τιμή της και τελικά ξαναμειώνεται. Περιμένουμε, λοιπόν, ότι όσο η ακτινοβολία είναι μηδενική, το φορτίο (1300 W) θα τροφοδοτείται αποκλειστικά από τις μπαταρίες. Στη συνέχεια, όταν η

156 Κεφάλαιο 6 ο ακτινοβολία γίνει 500 W/m 2, οι μπαταρίες και τα φωτοβολταϊκά θα τροφοδοτούν το φορτίο από κοινού, ενώ όταν η ακτινοβολία λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της, τα φωτοβολταϊκά είναι σε θέση να καλύπτουν ολοκληρωτικά το φορτίο και να φορτίζουν ταυτόχρονα τις μπαταρίες. Επίσης, το φορτίο του μικροδικτύου έχει ρυθμιστεί να διπλασιάζεται στα 15 δευτερόλεπτα, ώστε να εξεταστεί η αντίδραση του συστήματος σε αυτήν τη μεταβολή. Το συνολικό σύστημα παρουσιάζεται στο Σχήμα Όλα τα υποσυστήματα έχουν αναλυθεί λεπτομερώς στις προηγούμενες ενότητες, επομένως θα προχωρήσουμε ευθύς αμέσως στην παρουσίαση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Σχήμα 6.19: Σύστημα φωτοβολταϊκών και μπαταριών που τροφοδοτούν ένα φορτίο

157 Κεφάλαιο 6 ο Κατ αρχάς, στο Σχήμα 6.20 φαίνεται η ισχύς, με την οποία τροφοδοτούν τα φωτοβολταϊκά το υπόλοιπο κύκλωμα, ενώ στο Σχήμα 6.21 δίδεται το ρεύμα στην είσοδο του αντιστροφέα. Σχήμα 6. 20: Ισχύς που αποδίδουν τα φωτοβολταϊκά Σχήμα 6.21: Ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα των φωτοβολταϊκών

158 Κεφάλαιο 6 ο Από το Σχήμα 6.20 παρατηρούμε, ότι όντως όσο η ακτινοβολία είναι μηδενική, τα φωτοβολταϊκά δεν παράγουν ισχύ. Εξάλλου, όταν η ακτινοβολία γίνει 500 W/m 2, τα φωτοβολταϊκά παράγουν περίπου 1200 W, ενώ όταν η ακτινοβολία φθάσει στη μέγιστη τιμή της, η συστοιχία παράγει 2400 W ισχύος. Ανάλογη πορεία ακολουθεί και το ρεύμα εισόδου στον αντιστροφέα των φωτοβολταϊκών (Σχήμα 6.21). Αρχικά έχει μηδενική μέση τιμή, η οποία έπειτα αυξάνεται, ανάλογα με τις μεταβολές της ακτινοβολίας. Στο Σχήμα 6.22 φαίνεται η τάση στα άκρα του πυκνωτή του dc-bus. Σχήμα 6. 22: Τάση στα άκρα του πυκνωτή του dc-link Ο πυκνωτής είναι αρχικά φορτισμένος στα 860 V, ώστε να εξοικονομηθεί χρόνος προσομοίωσης. Διαπιστώνουμε ότι σε κάθε αύξηση της ακτινοβολίας υπάρχει μια σύντομη υπερύψωση της τάσης προς τα επάνω, ενώ όταν η ακτινοβολία μειώνεται, η υπερύψωση είναι προς τα κάτω. Οι υπερυψώσεις αυτές οφείλονται στις καθυστερήσεις που εισάγει ο έλεγχος απομάστευσης μέγιστης ισχύος των φωτοβολταϊκών. Για παράδειγμα, κάθε φορά που η ακτινοβολία αυξάνεται, η τάση του πυκνωτή τείνει να αυξηθεί, όμως ο έλεγχος που εφαρμόζεται σε αυτήν, την επαναφέρει στην επιθυμητή τιμή των 880 V. Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε το ρεύμα των μπαταριών. Όταν η ακτινοβολία αυξάνεται από μηδέν σε 500 W/m 2, το ρεύμα των μπαταριών μειώνεται, καθώς αυξάνεται η ισχύς που προσφέρουν τα φωτοβολταϊκά. Όταν η ακτινοβολία φθάσει στα 1000 W/m 2, το ρεύμα των

159 Κεφάλαιο 6 ο μπαταριών γίνεται αρνητικό, που σημαίνει ότι οι μπαταρίες φορτίζονται με την ενέργεια που περισσεύει από τα φωτοβολταϊκά. Καθώς όμως το φορτίο αυξάνεται και δεν μπορεί να καλυφθεί αποκλειστικά από τα φωτοβολταϊκά, το ρεύμα των μπαταριών ξαναγίνεται θετικό. Τέλος, όταν η ακτινοβολία μειωθεί στα 500 W/m 2, το ρεύμα των μπαταριών αυξάνεται ακόμα περισσότερο. Σχήμα 6. 23: Ρεύμα μπαταριών Όσον αφορά τις ισχείς που φτάνουν στο φορτίο από τις δύο πηγές ενέργειας, αυτές παρουσιάζονται στα Σχήμα 6.23 κι 6.24 (ανά φάση). Και στις δύο περιπτώσεις, με ροζ χρώμα απεικονίζεται η ενεργός ισχύς και με μπλε η άεργος. Όσο η ακτινοβολία είναι 500 W/m 2, στο φορτίο φθάνει ισχύς 750 W από τα φωτοβολταϊκά, ενώ όταν η ακτινοβολία αυξάνεται στα 1000 W/m 2, τα φωτοβολταϊκά τροφοδοτούν το κύκλωμα με 1950 W. Από αυτά, τα 1300 W χρησιμοποιούνται για την κάλυψη του φορτίου και τα υπόλοιπα 650 W για τη φόρτιση των μπαταριών. Από την άλλη πλευρά, όσο η ακτινοβολία είναι μηδέν, οι μπαταρίες παράγουν τα 1300 W που απαιτούνται για την κάλυψη του φορτίου. Όταν η ακτινοβολία αυξάνεται στα 500 W/m 2, η ισχύς που παρέχουν οι μπαταρίες μειώνεται και γίνεται αρνητική, όσο αυτές φορτίζονται από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Η φόρτισή τους διακόπτεται με την αύξηση του φορτίου, επειδή τα φωτοβολταϊκά δεν είναι σε θέση να παράγουν ολόκληρη την ισχύ που απαιτείται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, για ακτινοβολία 1000 W/m 2, οι μπαταρίες να