Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών

Transcript

1 Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία της Ιωάννας-Σοφίας Ε. Μαγεράκη Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Μελέτη και προσομοίωση λειτουργικής συμπεριφοράς μικροδικτύου Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Εμμανουήλ Τατάκης Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 15/02/2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ιωάννα-Σοφία Μαγεράκη 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από την Ιωάννα-Σοφία Μαγεράκη, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οποιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό 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 την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. ii

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Μελέτη και προσομοίωση λειτουργικής συμπεριφοράς μικροδικτύου» της κ. Ιωάννας-Σοφίας Ε. Μαγεράκη Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 15/02/2017 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Ε. Τατάκης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Ε. Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 15/02/2015 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Ε. Τατάκης Καθηγητής Ν. Βοβός iii

4 iv

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία δεν θα ήταν εφικτή, χωρίς τη συμβολή του Καθηγητή του τμήματος κ. Εμμανουήλ Τατάκη, ο οποίος τόσο στα προπτυχιακά, όσο και στα μεταπτυχιακά μου χρόνια υπήρξε σύμβουλος και δάσκαλος, με ενέπνευσε να αγαπήσω το αντικείμενο των ηλεκτρονικών ισχύος και μου έδωσε τη δυνατότητα να πάρω πρωτοβουλίες και να ερευνήσω. Για όλα τα παραπάνω τον ευχαριστώ ιδιαίτερα. Ακόμα, ευχαριστώ την απόφοιτο του Τμήματος ΗΜ&ΤΥ του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Μαρία Λαλάκου, για τις συζητήσεις μας και τις συμβουλές της, την οικογένειά μου και ιδιαίτερα τον αδερφό μου Γιώργο, καθώς και τους φίλους μου για τη ψυχική συμπαράσταση που μου έχουν προσφέρει. Τέλος, δεν θα μπορούσα να παραλείψω τον φίλο και συμφοιτητή μου Ανδρέα Φέτση, ο οποίος αποτέλεσε συνοδοιπόρος μου στα προπτυχιακά, αλλά και στα μεταπτυχιακά μας χρόνια. v

6 vi

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη και την προσομοίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς τμήματος μικροδικτύου, το οποίο περιλαμβάνει ως πηγές ενέργειας μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια συστοιχία συσσωρευτών και ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Συγκεκριμένα, κύριος στόχος της εργασίας είναι η τροφοδότηση ενός οικιακού φορτίου αποκλειστικά από τις διεσπαρμένες μονάδες παραγωγής του μικροδικτύου, χωρίς περαιτέρω διασύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Απώτερος σκοπός είναι η επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας τόσο των μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν, όσο και της μεθόδου ελέγχου τους, σε μόνιμη και μεταβατικές καταστάσεις. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται, αρχικά, μια εισαγωγή στις έννοιες της κεντρικοποιημένης και διεσπαρμένης παραγωγής, καθώς και στις έννοιες των έξυπνων δικτύων και μικροδικτύων. Στη συνέχεια περιγράφεται επιγραμματικά η λειτουργία των βασικότερων μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον σήμερα σε εφαρμογές μικροδικτύων. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η αναλυτική περιγραφή των πηγών και μέσων αποθήκευσης ενέργειας του υπό μελέτη μικροδικτύου. Αρχικά, αναλύεται η λειτουργία της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η οποία αποτέλεσε τη βασική μονάδα παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η λειτουργία των συσσωρευτών, οι οποίοι αποτελούν τα βασικά μέσα αποθήκευσης ενέργειας ενός μικροδικτύου και τέλος, γίνεται μια σύντομη ανάλυση της λειτουργίας του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, το οποίο αναλαμβάνει να καλύψει το οικιακό φορτίο, όταν οι δυο προηγούμενες πηγές αδυνατούν. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση των μετατροπέων που χρησιμοποιούνται σε ένα μικροδίκτυο, καθώς και του ελέγχου που εφαρμόστηκε στο υπό μελέτη σύστημα. Αρχικά, αναλύεται ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης (Boost), καθώς και ο τριφασικός αντιστροφέας, ενώ στη συνέχεια γίνεται η περιγραφή του ελέγχου απομάστευσης μέγιστης ισχύος (MPPT), του ελέγχου P-Q για τη διασύνδεση του τριφασικού αντιστροφέα στο δίκτυο και της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control), που αποτέλεσε το βασικό έλεγχο του συστήματος τροφοδοσίας του απομονωμένου οικιακού φορτίου. vii

8 Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink, καθώς και τα αποτελέσματα, οι κυματομορφές και οι τιμές των διάφορων ηλεκτρικών μεγεθών. Τα συστήματα που προσομοιώθηκαν περιλαμβάνουν σε ένα πρώτο στάδιο τη διασύνδεση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο δίκτυο χαμηλής τάσης μέσω ελέγχου MPPT και P-Q και στη συνέχεια το βασικό υπό μελέτη μικροδίκτυο με τις τρεις διεσπαρμένες πηγές για την τροφοδότηση του απομονωμένου οικιακού φορτίου, μέσω ελέγχου MPPT και της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control). Στο κεφάλαιο 5 παρατίθενται τα συμπεράσματα της εργασίας, καθώς και οι προοπτικές μελλοντικής συνέχισής της. Τέλος, γίνεται η καταγραφή της βιβλιογραφίας που χρησιμοποιήθηκε, ενώ στα παραρτήματα ενσωματώνεται ο κώδικας υλοποίησης του ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος (MPPT), το φυλλάδιο κατασκευαστή του φωτοβολταϊκού στοιχείου που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και η σύγκριση των διακοπτικών και των μοντέλων μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost και του τριφασικού αντιστροφέα. viii

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και προσομοίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς τμήματος ενός μικροδικτύου, το οποίο χρησιμοποιεί ως πηγές ενέργειας μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια συστοιχία συσσωρευτών και ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος σκοπός αυτής της εργασίας είναι η πλήρης τροφοδότηση ενός απομονωμένου οικιακού φορτίου από τις διεσπαρμένες μονάδες παραγωγής του μικροδικτύου, χωρίς περαιτέρω διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο χαμηλής τάσης. Απώτερος σκοπός αποτελεί η επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας τόσο των μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν, όσο και της μεθόδου ελέγχου τους, σε μόνιμη και μεταβατικές καταστάσεις. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στις έννοιες της κατανεμημένης και διεσπαρμένης παραγωγής, καθώς και στις έννοιες των έξυπνων δικτύων και μικροδικτύων. Ακόμα, γίνεται μια επιγραμματική περιγραφή της λειτουργίας των βασικότερων μονάδων παραγωγής οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε τέτοιου είδους συστήματα. Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία των διεσπαρμένων μονάδων παραγωγής και των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκαν στο υπό μελέτη μικροδίκτυο, δηλαδή της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, της συστοιχίας συσσωρευτών και του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους. Επίσης, μελετάται η λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost) και του τριφασικού αντιστροφέα, καθώς και των τεχνικών ελέγχου MPPT, P-Q και στατισμού (Droop Control), που αποτέλεσαν τη βάση υλοποίησης του συστήματος του μικροδικτύου. Επόμενο βήμα αποτελεί η μοντελοποίηση και η προσομοίωση του συστήματος σε περιβάλλον Matlab/Simulink, έτσι ώστε να πιστοποιηθεί η θεωρητική ανάλυση, καθώς και να ληφθούν τιμές και κυματομορφές διάφορων ηλεκτρικών μεγεθών. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα, καθώς και οι μελλοντικές προοπτικές της εργασίας. Ακόμα, στα παραρτήματα παρατίθεται ο κώδικας υλοποίησης του ελέγχου απομάστευσης μέγιστης ισχύος MPPT, καθώς και η σύγκριση των διακοπτικών με τα μοντέλα μέσης τιμής των μετατροπέων που χρησιμοποιήθηκαν. ix

10 x

11 ABSTRACT In this master diploma thesis the study and simulation of a microgrid s functional behavior are presented. This work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the Polytechnic School of University of Patras, Greece. The main purpose of this master thesis is to assess whether an isolated domestic load could be exclusively supplied by the distributed power sources of a microgrid, without further connection with the central low-voltage grid. The ultimate goal is the confirmation of the correct operation of the power converters that were used and their control theory. Initially, the definitions of basic concepts such as centralized and distributed power generation, smart grids and microgrids are presented. Additionally, a summary description of a microgrid s most basic power sources is given. After that, the simulated microgrid s power sources are analyzed ie the photovoltaic array, the battery array and the diesel generator. Furthermore, the study of the DC- DC Boost converter, the DC-AC three-phase inverter, as well as the control techniques of Maximum Power Point Tracking (MPPT), P-Q control and Droop Control, that the simulations were based on, is demonstrated. Next step was the modeling and simulation of the microgrid in Matlab/Simulink, in order to verify the theoretical analysis of the system and derive the waveforms and the electrical parameters of the microgrid, such as current and voltage. Finally, the conclusions and possible future continuation of this master thesis are discussed. Moreover, the Maximum Power Point Tracking (MPPT) code in Matlab, as well as the comparison of the switching and average models of the power converters that were used are given in the appendix. xi

12 xii

13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... v ΠΡΟΛΟΓΟΣ... vii ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ix ABSTRACT... xi ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ... xiii ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ... xvii ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΕΥΣΕΩΝ... xix 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Κεντρικοποιημένη και Διεσπαρμένη Παραγωγή Έξυπνα Δίκτυα Μικροδίκτυα Οφέλη χρήσης των μικροδικτύων Προκλήσεις που εισάγουν τα μικροδίκτυα Κατηγοριοποίηση μικροδικτύων Είδη Διεσπαρμένων Συστημάτων Παραγωγής Συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού (micro-chp) Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Δομή των ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών Φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΕΣΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου Χαρακτηριστική καμπύλη I-V του φωτοβολταϊκού στοιχείου Βαθμός απόδοσης ηλιακού κυττάρου Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων Συστοιχία Συσσωρευτών Μπαταρίες Κατηγορίες συσσωρευτών xiii

14 2.2.2 Δομή συσσωρευτών μολύβδου-οξέος Χαρακτηριστικά μεγέθη των συσσωρευτών Μέθοδοι φόρτισης συσσωρευτών Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος Κινητήρια μηχανή Διάκριση κινητήριων μηχανών Συστήματα κινητήριας μηχανής Γεννήτρια μηχανή Σύστημα ελέγχου ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους Έλεγχος P-f και ρυθμιστής συχνότητας Έλεγχος Q-V και ρυθμιστής τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή (DC-DC Converters) Μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης (Boost DC-DC Converter) Συνεχής αγωγή του ρεύματος Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Ασυνεχής αγωγή του ρεύματος Μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost Αντιστροφείς (DC-AC Inverters) Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης με SPWM διαμόρφωση Γραμμική διαμόρφωση (ma 1.0) Υπερδιαμόρφωση (ma > 1.0) Μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης Έλεγχος Απομάστευσης Μέγιστης Ισχύος MPPT Υλοποίηση του αλγορίθμου P&O Έλεγχος P-Q Τριφασικού Αντιστροφέα για Διασύνδεση με το Δίκτυο P-Q έλεγχος που χρησιμοποιεί ως αναφορά διάνυσμα τάσης Τεχνική Ελέγχου Στατισμού (Droop Control) Στρατηγική ελέγχου μικροδικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος Υλοποίηση τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Φωτοβολταϊκή Συστοιχία σε Σύνδεση με το Δίκτυο Τεχνική Ελέγχου Στατισμού σε Απομονωμένο Φορτίο Φωτοβολταϊκή συστοιχία και συστοιχία συσσωρευτών xiv

15 4.2.2 Προσομοίωση του συνολικού συστήματος σε απομονωμένο φορτίο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΚΩΔΙΚΑΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ MPPT ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΕ MATLAB ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ ΤΩΝ ΣΤ-ΣΤ KAI ΣΤ-ΕΤ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ xv

16 xvi

17 ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ Κεντρικοποιημένη Παραγωγή Διεσπαρμένη Παραγωγή Έξυπνα Δίκτυα Μικροδίκτυα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Συσσωρευτές Υπεραγώγιμα πηνία Σφόνδυλοι Υπερπυκνωτές Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος Ποιότητα Ισχύος Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Boost Τριφασικός Αντιστροφέας Έλεγχος P-Q Έλεγχος Απομάστευσης Μέγιστης Ισχύος MPPT Τεχνική Ελέγχου Στατισμού Droop Control xvii

18 xviii

19 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΕΥΣΕΩΝ ΚΠ Κεντρικοποιημένη Παραγωγή ΔΠ Διεσπαρμένη Παραγωγή ΑΠΕ Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ΜΣ Μέση Τάση ΧΤ Χαμηλή Τάση CHP Combined Heat and Power ΜΑΠ Μεμβράνη Ανταλλαγής Πρωτονίων Φ/Β Φωτοβολταϊκό ΣΡ Συνεχούς Ρεύματος ΕΡ Εναλλασσόμενου Ρεύματος FF Fill Factor DOD Depth of Charge SOC State of Charge KERS Kinetic Energy Recovery Systems H/Z Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος DC Direct Current AC Alternate Current CCM Continuous Conduction Mode DCM Discontinuous Conduction Mode VSI Voltage Source Inverter CSI Current Source Inverter PWM Pulse Width Modulation MPPT Maximum Power Point Tracking THD Total Harmonic Distortion xix

20 xx

21 Κεφάλαιο 1 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Εισαγωγή Σήμερα η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο βασίζεται κατά 40% σε καύσιμα που προέρχονται από άνθρακα [1], γεγονός που καθιστά την ηλεκτροπαραγωγή το μεγαλύτερο και ταχύτερα αυξανόμενο ρυπογόνο τομέα, όσον αφορά τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Τα συμβατικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν παγκοσμίως προβλήματα, όπως η σταδιακή εξάντληση των ορυκτών καυσίμων, η χαμηλή απόδοση (οι απώλειες από τις πρωτογενείς πηγές ενέργειας μέχρι την τελική κατανάλωση ανέρχονται περίπου στο 80%) [1] και η περιβαλλοντική ρύπανση. Αυτά τα προβλήματα έχουν οδηγήσει στην τάση για παραγωγή ενέργειας τοπικά, σε επίπεδο διανομής, μέσω της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η αιολική ενέργεια, η ηλιακή ενέργεια, οι κυψέλες καυσίμου, το φυσικό αέριο, η συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας κ.α. [1]. 1.1 Κεντρικοποιημένη και Διεσπαρμένη Παραγωγή Ο όρος Κεντρικοποιημένη Παραγωγή (Centralized Power Generation) αναφέρεται στις περιπτώσεις συστημάτων μεγάλων κεντρικών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών (συνήθως η εγκατεστημένη ισχύ τους ξεπερνά τα 50MW) [1], οι οποίοι συνήθως έχουν εγκατασταθεί μακριά από τις αστικές περιοχές μεγάλης κατανάλωσης (Σχήμα 1.1). Η επιλογή της θέσης ενός συμβατικού σταθμού παραγωγής, που καταναλώνει συμβατικό καύσιμο, κοντά στη περιοχή εξόρυξης του καυσίμου ή κοντά σε κέντρο κατανάλωσης, εξαρτάται από τη διαφορά κόστους που υπάρχει ανάμεσα στη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας και στη μεταφορά του καυσίμου από το ορυχείο στον τόπο εγκατάστασης του σταθμού. Παράγοντες που επίσης συνεκτιμώνται είναι κυρίως τεχνικοί και περιβαλλοντικοί. Σε πολλές περιπτώσεις λοιπόν, όπου παρίσταται ανάγκη μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, αυτή γίνεται μέσω των γραμμών μεταφοράς που μπορεί να είναι εναέριες και σπανιότερα υπόγειες [2]. Έτσι, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται μεταφέρεται σε μεγάλες 1

22 Κεφάλαιο 1 αποστάσεις μέσω του δικτύου μεταφοράς (400kV και 150kV) και μέσω του δικτύου διανομής (230V) φτάνει στα φορτία των καταναλωτών. Ως Κατανεμημένη ή Διεσπαρμένη Παραγωγή (Distributed or Dispersed Power Generation) ορίζουμε την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο κοντά στους καταναλωτές, με σύνδεση στο σύστημα διανομής του κεντρικού δικτύου, η οποία μετατρέπει το παθητικό και μιας κατεύθυνσης ισχύος δίκτυο διανομής σε ενεργητικό και διπλής κατεύθυνσης ισχύος δίκτυο [1]. Η τεχνολογία αυτή αποτελείται από πολλές αλλά μικρότερης ισχύος γεννήτριες (η εγκατεστημένη τους ισχύ είναι μεταξύ 1kW-1MW) [1], ενώ εμφανίζουν μεγάλη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Σχήμα 1.1). Καθώς τα κέντρα παραγωγής βρίσκονται κοντά στα κέντρα κατανάλωσης και καλύπτουν τοπικά τις ενεργειακές τους ανάγκες, επιτυγχάνεται αποσυμφόρηση των γραμμών μεταφοράς και διανομής, οπότε προκύπτουν οικονομικά οφέλη για το κύριο δίκτυο μέσω της μείωσης των απωλειών στις γραμμές και αύξησης της συνολικής τους απόδοσης. Ακόμα, σε τμήματα του δικτύου τα οποία αντιμετωπίζουν προβλήματα διακυμάνσεων τάσης, αυξάνεται η αξιοπιστία του συστήματος και η ποιότητα ισχύος [1]. Τέλος, μέσω της διεσπαρμένης παραγωγής γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση της θερμικής ενέργειας για βιομηχανική χρήση ή οικιακή θέρμανση, μέσω συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Έτσι, η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να προσφέρει ενέργεια χαμηλού κόστους, περιβαλλοντικά φιλική και υψηλής ποιότητας και απόδοσης. Σχήμα 1.1: Κεντρικοποιημένη και Διεσπαρμένη Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [3]. 2

23 Κεφάλαιο Έξυπνα Δίκτυα Κατά το Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (International Energy Agency (IEA)) [1] το Έξυπνο Δίκτυο (Smart Grid) ορίζεται ως ένα ηλεκτρικό δίκτυο που χρησιμοποιεί ψηφιακές και άλλες προηγμένες τεχνολογίες για να παρακολουθεί και να διαχειρίζεται τη μεταφορά ενέργειας από όλες τις πηγές παραγωγής, ώστε να ικανοποιεί τα μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά φορτία των καταναλωτών. Τα έξυπνα δίκτυα συντονίζουν τις ανάγκες και τις δυνατότητες όλων των γεννητριών, τους χειριστές του δικτύου, τους καταναλωτές και όλους όσους σχετίζονται με την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργούν όλα τα μέρη του συστήματος όσο γίνεται πιο αποδοτικά, ελαχιστοποιώντας τα κόστη και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ μεγιστοποιεί την αξιοπιστία, την ευελιξία και την ευστάθεια του συστήματος. Τα έξυπνα δίκτυα είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ταχεία διείσδυση των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή και την επακόλουθη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου τις επόμενες δεκαετίες σε ασφαλή για τον πλανήτη επίπεδα [1]. Για τη μετατροπή των κλασσικών δικτύων σε έξυπνα χρειάζονται επεξεργαστές και αισθητήρες σε κάθε συσκευή, υποσταθμό και μονάδα παραγωγής. Μέσα από τη μετατροπή αυτή επιδιώκεται η επίλυση των ακόλουθων τεχνολογικών προβλημάτων [1]: Η αύξηση της δυναμικότητας του δικτύου, ελαχιστοποιώντας το κόστος, αλλά και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του δικτύου, με έλεγχο και διαχείριση της ροής ισχύος. Η ελάττωση των απωλειών ισχύος και της ζήτησης αιχμής στα συστήματα μεταφοράς και διανομής μέσω του ελέγχου της ροής ισχύος. Η διασύνδεση των τοπικών και των απομονωμένων ΑΠΕ στο δίκτυο και η διαχείριση της διακοπτόμενης παραγωγής. Η ενσωμάτωση κινητών φορτίων (π.χ. ηλεκτρικά οχήματα), τα οποία μειώνουν την καταπόνηση στο δίκτυο και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές, σε ειδικές συνθήκες, για την κάλυψη του φορτίου. Ο περιορισμός του κινδύνου γενικής διακοπής (blackout), αλλά και στην περίπτωση που αυτή συμβεί, η ανίχνευση και η απομόνωση της 3

24 Κεφάλαιο 1 διαταραχής, η βελτίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του συστήματος, καθώς και η γρήγορη αποκατάστασή του. Η διαχείριση της ζήτησης, ώστε να μην υπερφορτιστεί το δίκτυο και να βελτιστοποιηθεί η αξιοποίηση των πόρων. Σχήμα 1.2: Γενικό μοντέλο έξυπνου δικτύου [4]. Το έξυπνο δίκτυο επιτρέπει στις συσκευές όλων των επιπέδων να επικοινωνούν με το σύστημα και να έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο, έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργούν όσο το δυνατόν πιο αποδοτικά. Με τη χρήση των έξυπνων συσκευών, οι καταναλωτές έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν το φορτίο τους και παράλληλα να εξοικονομούν ενέργεια. Επιπλέον, προηγμένες επικοινωνιακές δυνατότητες επιτρέπουν την άμεση ενημέρωση για την τιμολόγηση της ενέργειας, για τα κίνητρα μείωσης της ζήτησης και τη μετάδοση σημάτων άμεσης διακοπής των φορτίων. Συμπερασματικά, η χρήση του έξυπνου δικτύου εξασφαλίζει τη συνδυασμένη βελτιστοποίηση της χρήσης της κεντρικής παραγωγής και της αποθήκευσης, της μεταφοράς, της διανομής των διεσπαρμένων παραγωγών και των τελικών καταναλωτών, με σκοπό την εξασφάλιση της αξιοπιστίας και τη βελτιστοποίηση ή ελαχιστοποίηση της χρήσης της ενέργειας, τον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, τη διαχείριση των εγκαταστάσεων και την ελαχιστοποίηση του κόστους. 4

25 Κεφάλαιο Μικροδίκτυα Ένα σημαντικό όφελος από τη σύνδεση της διεσπαρμένης παραγωγής στη διανομή (Μέση ή Χαμηλή Τάση, ΜΣ ή ΧΤ αντίστοιχα) είναι η αύξηση της ποιότητας τροφοδοσίας, της αξιοπιστίας και της ασφάλειας του συστήματος. Για να απολαμβάνουμε όμως ποιοτική ενέργεια από τις ΑΠΕ, στα ενεργά δίκτυα διανομής θα πρέπει να ενσωματωθούν τεχνολογίες του μέλλοντος. Ένα παράδειγμα δραστικής αλλαγής από τη φιλοσοφία του κεντρικού ελέγχου σε ένα κατανεμημένο έλεγχο είναι η λειτουργία του μικροδικτύου. Τα μικροδίκτυα (microgrids) είναι μικρής κλίμακας, χαμηλής τάσης, συνδυασμένης παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (Combined Heat and Power (CHP)) δίκτυα τροφοδοσίας, τα οποία είναι σχεδιασμένα να τροφοδοτούν ηλεκτρικά φορτία μίας μικρής κοινότητας [1]. Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά ένα ενεργό δίκτυο διανομής, γιατί αποτελείται από μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (ΔΠ) (π.χ. συστοιχίες φωτοβολταϊκών, ανεμογεννήτριες, γεννήτριες diesel κ.α.), μονάδες αποθήκευσης ενέργειας (π.χ. μπαταρίες, υπεραγώγιμα πηνία, σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη έδραση, υπερπυκνωτές κ.α.) και διάφορα φορτία σε τάση διανομής. Οι γεννήτριες ή μικροπαραγωγές (ή μικροπηγές) είναι ΑΠΕ συγχρονισμένες μεταξύ τους για να παράγουν ενέργεια σε τάση διανομής. Όλες οι μικροπαραγωγές είναι εφοδιασμένες με ηλεκτρονικά ισχύος και έλεγχο, ώστε να λειτουργούν σαν ένα ενιαίο σύστημα και να διατηρούν συγκεκριμένη ποιότητα ισχύος και ενέργεια εξόδου. Με αυτά τα χαρακτηριστικά, το μικροδίκτυο αντιμετωπίζεται από το κύριο σύστημα ως μια ενιαία ελεγχόμενη μονάδα, που πληροί τις τοπικές ενεργειακές ανάγκες με αξιοπιστία και ασφάλεια. Σχήμα 1.3: Γενικό μοντέλο μικροδικτύου [5]. 5

26 Κεφάλαιο 1 Μέσω της ένταξης των μικροδικτύων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται ένας ακόμη στόχος που τέθηκε από τα αναπτυγμένα κράτη με την υπογραφή του Πρωτοκόλλου του Κιότο το 1997 [2]. Με βάση αυτό, τα κράτη δεσμεύτηκαν να μειώσουν τις συνολικές τους εκπομπές κατά τουλάχιστον 5% την πενταετία , σε σχέση με τα επίπεδα του Οι εκπομπές αυτές αναφέρονται κυρίως σε έξι αέρια (διοξείδιο του άνθρακα CO2, μεθάνιο CH4, υποξείδιο του αζώτου N2O, υδροφθοράνθρακες HFC, πλήρως φθοριωμένοι υδρογονάνθρακες ή υπερφθοράνθρακες PFC και εξαφθοριούχο θείο SF6) [6]. Η τεχνολογία των μικροδικτύων κρίθηκε ως κατάλληλη για την επίτευξη αυτού του στόχου, καθώς οι μονάδες παραγωγής που χρησιμοποιούνται στα μικροδίκτυα έχουν πολύ χαμηλές έως μηδαμινές εκπομπές των παραπάνω αερίων [7]. Σε παγκόσμιο επίπεδο πολλές είναι οι χώρες, οι οποίες έχουν κάνει προσπάθειες για την ένταξη μικροδικτύων στο σύστημα ηλεκτροδότησής τους, αλλά πολύ λίγες πόλεις έχουν στην πραγματικότητα καταφέρει να γίνουν ηλεκτρικά αυτόνομες. Στις ΗΠΑ υπάρχει έντονη δραστηριότητα γύρω από τα μικροδίκτυα, αλλά η πλειοψηφία των ερευνών βρίσκεται ακόμα σε νηπιακό στάδιο, χωρίς να υπάρχει κάποια μελέτη υπό ανάπτυξη. Στην Ασία (Κίνα, Ινδία, Ινδονησία και Μαλαισία) οι επενδύσεις σε μικροδίκτυα εκτιμάται ότι στο διάστημα θα φτάσουν τις $31 δις [8], το οποίο οφείλεται στο ότι το ασιατικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι λιγότερο ισχυρό και ότι μεγάλο τμήμα του πληθυσμού κατοικεί σε νησιωτικές περιοχές, οι οποίες ευνοούν τη διαμόρφωση μικροδικτύων. Παρομοίως, στην Ευρώπη οι μελέτες γύρω από τα οφέλη των μικροδικτύων επικεντρώνονται γύρω από την εφαρμογή τους σε νησιωτικές περιοχές (π.χ. νήσος Samsø στην Δανία) και όχι στο κεντρικό ηπειρωτικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Στην Ελλάδα υπάρχει ήδη ένα πιλοτικό μικροδίκτυο στην Κύθνο [9]. Πρόκειται για ένα μονοφασικό μικροδίκτυο, το οποίο τροφοδοτεί 12 σπίτια και αποτελείται από φωτοβολταϊκές συστοιχίες, συσσωρευτές και μια γεννήτρια diesel. Ακόμη, μέσω της μη κερδοσκοπικής εταιρείας ΔΑΦΝΗ (Δίκτυο Αειφόρων Νήσων του Αιγαίου) βρίσκεται υπό μελέτη η εγκατάσταση μικροδικτύων στα νησιά της Λέσβου, Κύθνου, Σαντορίνης, Λήμνου και Μήλου. Τέλος, μέσω του προγράμματος TILOS πρόκειται στα επόμενα έτη να εφαρμοσθεί η ενεργειακή 6

27 Κεφάλαιο 1 αυτονόμηση της Τήλου μέσω της λειτουργίας ενός μικροδικτύου, το οποίο θα καλύπτει εξ ολοκλήρου τις απαιτήσεις του νησιού σε ενέργεια [10] Οφέλη χρήσης των μικροδικτύων Η εγκατάσταση και χρήση της τεχνολογίας των μικροδικτύων παρέχει πολλά πλεονεκτήματα τόσο στις εταιρείες παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και στους καταναλωτές. Κάποια από τα βασικότερα πλεονεκτήματα, τα οποία αποτελούν κίνητρο για την εκτεταμένη χρήση των μικροδικτύων τις επόμενες δεκαετίες, είναι [1]: 1. Μικρότερη περιβαλλοντική επίδραση, λόγω της μείωσης των εκπομπών αερίων και σωματιδίων. 2. Η μείωση της απόστασης μεταξύ των φορτίων και των μικροπαραγωγών, που οδηγεί σε: Βελτίωση του προφίλ της τάσης, λόγω καλύτερης στήριξης από την άεργο ισχύ. Μείωση των απωλειών στη μεταφορά και διανομή. Μείωση των επενδύσεων για επέκταση των συστημάτων παραγωγής και μεταφοράς. Μείωση της συμφόρησης ισχύος στη μεταφορά και διανομή. 3. Βελτίωση της ποιότητας ισχύος και της αξιοπιστίας, μέσω: Αποκέντρωσης της παραγωγής. Καλύτερης αντιστοίχισης παροχής και ζήτησης ενέργειας. Μείωσης των επιπτώσεων από τις μεγάλες διακοπές λειτουργίας στη μεταφορά και παραγωγή. Μείωσης του χρόνου διακοπών και βελτίωσης του χρόνου επανεκκίνησης της παραγωγής με χρήση της ισχύος των μικροπαραγωγών. 4. Εξοικονόμηση χρημάτων, μέσω: Χρησιμοποίησης της αποβαλλόμενης θερμότητας όταν λειτουργούν μονάδες CHP, με τις οποίες λόγω της μικρής απόστασης μεταξύ φορτίου και παραγωγής δεν χρειάζονται σημαντικές υποδομές για τη μεταφορά της θερμότητας και επιτυγχάνεται απόδοση 80% σε σύγκριση με το 40% των συμβατικών συστημάτων. 7

28 Κεφάλαιο 1 Ενσωμάτωσης πολλών μικροπαραγωγών, έτσι ώστε να αυξηθεί η τοπική παραγωγή και να μειωθεί το κόστος απωλειών διανομής και μεταφοράς. 5. Κέρδη από τη συμμετοχή στην αγορά ενέργειας: Μείωση της πίεσης που ασκούν οι εταιρείες παραγωγής. Χρήση των μικροδικτύων για την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών. Ευρεία εφαρμογή μικροπαραγωγών με σύνδεση και άμεση λειτουργία (plug and play) μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της τιμής της ενέργειας στην αγορά. Κατάλληλο οικονομικό ισοζύγιο ανάμεσα σε επενδύσεις για το δίκτυο και τη χρησιμοποίηση μονάδων κατανεμημένης παραγωγής είναι πιθανό να οδηγήσει σε μείωση της τιμής της ενέργειας των καταναλωτών Προκλήσεις που εισάγουν τα μικροδίκτυα Όπως κάθε καινούργια τεχνολογία που βρίσκεται στο στάδιο της ανάπτυξης, έτσι και τα μικροδίκτυα έχουν ορισμένα μειονεκτήματα τα οποία αποτελούν ζήτημα επίλυσης από τους επιστήμονες, τους μηχανικούς, αλλά και την πολιτεία. Τα κυριότερα από αυτά, είναι [1], [11]: 1. Υψηλά κόστη των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. Το αρχικό κόστος εγκατάστασής τους είναι αρκετά υψηλό. Για αυτό το λόγο 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. 2. Τεχνικές δυσκολίες λόγω της απειρίας ελέγχου του μεγάλου αριθμού μικροπαραγωγών. Οι δυσκολίες αυτές αναφέρονται 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 τάση και η συχνότητα στα επιθυμητά επίπεδα. 3. Έλλειψη προτύπων αναφορικά με τη λειτουργία και την προστασία των μικροδικτύων. Καθώς η τεχνολογία των μικροδικτύων βρίσκεται ακόμη σε νηπιακό στάδιο, δεν έχουν διατυπωθεί οι κατάλληλοι κανονισμοί και τα πρότυπα τα οποία θα καθορίζουν τη σωστή λειτουργία και προστασία των μικροδικτύων από σφάλματα. 8

29 Κεφάλαιο 1 4. Νομικά και διαχειριστικά ζητήματα λόγω έλλειψης νομοθεσίας και κανονισμών σχετικά με τη λειτουργία των μικροδικτύων. Υπάρχουν πολλά διαχειριστικά και νομικά θέματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως το υπό ποια ιδιοκτησία και 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 κ.α. 5. Θέματα της αγοράς ενέργειας, όπως ρύθμιση της τιμής της ενέργειας που παρέχει το μικροδίκτυο κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Σε περίπτωση που το μικροδίκτυο λειτουργεί σε απομονωμένη λειτουργία, υπάρχει κίνδυνος η τιμή της ενέργειας να αυξηθεί ραγδαία, λόγω της ύπαρξης μονοπωλίου. Αυτή η περίπτωση πρέπει να αντιμετωπισθεί με την κατάλληλη δημιουργία και σχεδιασμό νομικών πλαισίων για τους κανόνες αγοράς εντός του μικροδικτύου Κατηγοριοποίηση μικροδικτύων Ο διαχωρισμός των μικροδικτύων ανάλογα με το μέγεθός τους (μεγάλης και μικρής κλίμακας) και ανάλογα με τη συνδεσιμότητά τους με το κεντρικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (συνδεδεμένα και απομονωμένα) οδηγεί σε τέσσερις βασικούς τύπους μικροδικτύων [12]: Μεγάλης κλίμακας μικροδίκτυα συνδεδεμένα με το δίκτυο: Τέτοιου είδους μικροδίκτυα βρίσκουν εφαρμογή σε στρατιωτικές βάσεις και σε μεγάλα πανεπιστημιακά ιδρύματα και έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν τόσο σε σύνδεση με το δίκτυο, όσο και σε λειτουργία νησιδοποίησης. Διαθέτουν πολλές μονάδες παραγωγής και εκτενή κεντρικό έλεγχο, αλλά και εξειδικευμένους ελεγκτές των μικροπαραγωγών για την ορθή λειτουργία του μικροδικτύου. Μικρής κλίμακας μικροδίκτυα συνδεδεμένα με το δίκτυο: Συνήθως διαθέτουν μόνο μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και συνοδεύονται από μονάδες αποθήκευσης. Μπορούν να λειτουργήσουν τόσο σε σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο, όσο και σε απομόνωση για τη τροφοδότηση αποκλειστικά του φορτίου για το οποίο προορίζονται. Μεγάλης κλίμακας απομονωμένα μικροδίκτυα: Τέτοιου είδους μικροδίκτυα κατασκευάζονται για εφαρμογή σε νησιωτικές περιοχές, οι οποίες είναι ασύμφορο να συνδεθούν με το κεντρικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. 9

30 Κεφάλαιο 1 Διαθέτουν πολλαπλές μονάδες παραγωγής και σύστημα διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας στα επιμέρους φορτία της περιοχής. Μικρής κλίμακας απομονωμένα μικροδίκτυα: Ο διαχωρισμός αυτών των μικροδικτύων είναι συχνά πιο σαφής, καθώς συνήθως διαθέτουν μόνο μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και μονάδες αποθήκευσης για την τροφοδότηση του φορτίου τους. Τυπική εφαρμογή αυτού του είδους μικροδικτύου είναι η τροφοδοσία κατοικιών που είναι απομακρυσμένες από το κεντρικό ηπειρωτικό δίκτυο και η σύνδεσή τους με αυτό είναι είτε αδύνατη, είτε ασύμφορη. 1.4 Είδη Διεσπαρμένων Συστημάτων Παραγωγής Η επιλογή του εκάστοτε συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση ενός μικροδικτύου εξαρτάται από το κλίμα και τη μορφολογία της περιοχής, καθώς και από τη διαθεσιμότητα του καυσίμου. Τα συστήματα ΔΠ είναι είτε συστήματα micro-chp βασιζόμενα σε μηχανές εσωτερικής καύσης, μηχανές τύπου Stirling, μικροστρόβιλους και κυψέλες καυσίμου, είτε συστήματα ΑΠΕ, όπως φωτοβολταϊκά συστήματα, συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας και μικρής κλίμακας ( 1MW) υδροηλεκτρική παραγωγή Συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού (micro-chp) Κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων συμπαραγωγής θερμότητας-ηλεκτρισμού είναι η υψηλή ενεργειακή απόδοση στην παραγωγή ενέργειας, μέσω της παράλληλης χρησιμοποίησης της αποβαλλόμενης θερμότητας είτε για τη θέρμανση τοπικών κατοικιών, είτε για ψύξη όταν πρόκειται για μέσης θερμοκρασίας αποβαλλόμενη θερμότητα ( o C). Τα συστήματα CHP πρέπει να βρίσκονται κοντά στα θερμικά φορτία και απομακρυσμένα από τα ηλεκτρικά, ενώ έχουν απόδοση πάνω από 80%. Στη συνέχεια θα αναφερθούν οι κύριες τεχνολογίες παραγωγής μηχανικής ισχύος στις οποίες βασίζονται τα micro-chp συστήματα [1]. Μηχανές εσωτερικής καύσης Στις μηχανές εσωτερικής καύσης, το καύσιμο καίγεται στον θάλαμο ανάφλεξης στο εσωτερικό της μηχανής. Η ανάφλεξη παράγει υψηλής πίεσης και 10

31 Κεφάλαιο 1 θερμοκρασίας αέρια, τα οποία εκτονώνονται και δρουν πάνω σε κινούμενα μέρη όπως πιστόνια και δρομείς παράγοντας μηχανική ισχύ. Τα κυριότερα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στις μηχανές εσωτερικής καύσης είναι τα: diesel, βενζίνη, προπάνιο, φυσικό αέριο, βιοκαύσιμα κ.α. Μηχανή τύπου Stirling Η μηχανή τύπου Stirling είναι μια κλειστού κύκλου, εξωτερικής καύσης θερμική μηχανή, στην οποία το αέριο λειτουργίας βρίσκεται μονίμως περιορισμένο μέσα στον κύλινδρο. Χρησιμοποιεί μια εξωτερική πηγή θερμότητας (π.χ. ηλιακή, γεωθερμική κ.α.) και έναν εκπομπό θερμότητας, τα οποία έχουν σταθερή θερμοκρασία και μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους, ενώ ως αέριο λειτουργίας χρησιμοποιεί αέρα, υδρογόνο ή ήλιο. Η λειτουργία της μηχανής Stirling περιλαμβάνει τέσσερα στάδια: α) θέρμανση, β) εκτόνωση, γ) ψύξη και δ) συστολή, μέσω της κίνησης του αερίου λειτουργίας μεταξύ του θερμού και του ψυχρού εναλλάκτη. Ο θερμός εναλλάκτης είναι σε επαφή με μια εξωτερική πηγή θέρμανσης, ενώ ο ψυχρός είναι σε επαφή με έναν θερμοπομπό (π.χ. σώμα καλοριφέρ). Μια αλλαγή στη θερμοκρασία του αερίου προκαλεί μια αντίστοιχη μεταβολή της πίεσής του και η κίνηση του πιστονιού προκαλεί εναλλακτικά τη συμπίεση και εκτόνωση του αερίου, με συνέπεια να υπάρχει μια καθαρή μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο. Η θερμότητα που παράγεται από τη ψύξη της μηχανής Stirling μπορεί να αξιοποιηθεί στην κάλυψη θερμικών αναγκών και η κινητική ενέργεια από μια σύγχρονη γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 1.4: Μηχανή Stirling και κύκλος Stirling της μεταβολής πίεσης-όγκου [13]. 11

32 Κεφάλαιο 1 Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της μηχανής Stirling είναι ότι έχει μεγαλύτερη απόδοση και παράγει λιγότερο θόρυβο από μια ατμομηχανή, είναι πιο αξιόπιστη σε σχέση με τη μηχανή εσωτερικής καύσης και μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιαδήποτε πηγή θερμότητας, συνεπώς και ΑΠΕ. Βασικότερα μειονεκτήματά της είναι πως έχει μεγαλύτερο μέγεθος και υψηλότερο αρχικό κόστος. Μικροστρόβολοι Οι μικροστρόβιλοι είναι μικροί και απλού κύκλου αεριοστρόβιλοι με εύρος ισχύος kW. Για την αύξηση της απόδοσής τους χρησιμοποιούν τεχνικές ανάκτησης θερμότητας, εξελιγμένα υλικά και έχουν χαμηλές εκπομπές NOx. Κατά τη λειτουργία του μικροστροβίλου, η πίεση του εισαγόμενου αέρα αυξάνεται μέσω του συμπιεστή και στη συνέχεια η θερμοκρασία του αυξάνεται καθώς περνά από τον αναθερμαντήρα. Όταν ο συμπιεσμένος, θερμός αέρας εισάγεται στον θάλαμο καύσης αναμιγνύεται με καύσιμο και καίγεται. Τα υψηλής θερμοκρασίας καυσαέρια εκτονώνονται στο στρόβιλο και παράγουν μηχανική ροπή, η οποία γυρίζει την ηλεκτρική γεννήτρια και παράγεται ηλεκτρική ισχύς. Η υψηλής συχνότητας τάση εξόδου μετατρέπεται σε τάση ΣΡ μέσω ενός ανορθωτή και η τάση ΣΡ στη συνέχεια μετατρέπεται σε τάση ΕΡ συγκεκριμένης συχνότητας μέσω ενός αντιστροφέα. Οι μικροστρόβιλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για τροφοδοσία του ηλεκτρικού φορτίου των καταναλωτών, είτε για εφαρμογές συμπαραγωγής. Οι μικροστρόβιλοι μονού άξονα επιτυγχάνουν απόδοση 20-30%, ενώ οι διπλού άξονα 35-40%. Σχήμα 1.5: Εσωτερικό μικροστροβίλου και διαδικασία λειτουργίας του [14]. Τα βασικά πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι μικροστρόβιλοι για τη χρήση τους σε μικροδίκτυα είναι: 12

33 Κεφάλαιο 1 Μικρότερο μέγεθος σε σχέση με άλλα συστήματα ΔΠ. Ενεργειακή απόδοση της τάξης του 80% σε συστήματα CHP. Χαμηλές εκπομπές NOx. Διάρκεια ζωής πάνω από ώρες. Κόστος εξοπλισμού 650$/kW και λειτουργίας συγκρίσιμο με των ΑΠΕ. Ευελιξία στο είδος καυσίμου (diesel, φυσικό αέριο κ.α.) Χαμηλά επίπεδα θορύβου (65db) και δονήσεων. Απλή διαδικασία εγκατάστασης. Κυψέλες καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές ηλεκτροχημικής μετατροπής, οι οποίες παράγουν ηλεκτρισμό απευθείας μέσω ηλεκτροχημικής οξείδωσης στα ηλεκτρόδια και έχουν απόδοση 40-80% (με τεχνικές ανάκτησης θερμότητας). Αποτελούνται από δυο πορώδη ηλεκτρόδια, τα οποία διαχωρίζονται από μια πολυμερή μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΜΑΠ). Η μεμβράνη επιτρέπει τη δίοδο πρωτονίων υδρογόνου (Η + ), αλλά εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων και αερίων. Το καύσιμο (υδρογόνο) ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του ηλεκτροδίου ανόδου, ενώ το οξυγόνο ή ο αέρας ρέουν κατά μήκος του ηλεκτροδίου καθόδου, όπου παράγεται νερό και θερμότητα. Ο καταλύτης βοηθάει τη διάσπαση υδρογόνου σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Με τη σύνδεση του ηλεκτρικού φορτίου, που αποτελεί το δρόμο κυκλοφορίας των ηλεκτρονίων, αρχίζει η αντίδραση και λειτουργία της κυψέλης, η οποία σταματά αμέσως με την αποσύνδεση του φορτίου. Η αναμόρφωση με ατμό υγρών υδρογονανθράκων (CnHm) σε αναμορφωτές είναι ένας δυναμικός τρόπος δημιουργίας καυσίμου πλούσιου σε υδρογόνο για κυψέλες καυσίμου, που όμως περιέχει και μικρές ποσότητες CO. Αυτή η μέθοδος προτιμάται καθώς η αποθήκευση υδρογόνου είναι επικίνδυνη και δαπανηρή. Η αναμόρφωση υδρογονανθράκων εξασφαλίζει το απαραίτητο υδρογόνο αποφεύγοντας τη χρήση μεγάλων ντεπόζιτων με υδρογόνο μεγάλης πίεσης ή τη χρήση αυτοκινήτων για τη διανομή του υδρογόνου. Οι βασικοί τύποι κυψελών καυσίμου είναι [1]: Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) με θερμοκρασία λειτουργίας 80 ο C. Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)) με θερμοκρασία λειτουργίας 200 ο C. 13

34 Κεφάλαιο 1 Κυψέλη καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)) με θερμοκρασία λειτουργίας 650 ο C. Κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)) με θερμοκρασία λειτουργίας 1000 ο C. Σχήμα 1.6: Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίμου με ΜΑΠ [15]. Όπως όλες οι νέες τεχνολογίες, έτσι και οι κυψέλες καυσίμου συνοδεύονται από έναν αριθμό πλεονεκτημάτων, αλλά και μειονεκτημάτων. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα τους είναι [1]: Χαμηλές εκπομπές CO2 και NOx ανά kw παραγόμενης ισχύος. Απουσία κινούμενων μερών που οδηγεί σε στιβαρή κατασκευή, χαμηλή συντήρηση, έλλειψη δονήσεων και θορύβου. Ευελιξία στην επιλογή καυσίμου (π.χ. φυσικό αέριο, diesel, προπάνιο, μεθανόλη, νάφθα, υδρογόνο, κ.α.). Κάποια προβλήματα στη χρήση των κυψελών καυσίμου είναι [1]: Οι υγροί υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή υδρογόνου μπορεί να μην είναι διαθέσιμοι σε επαρκείς ποσότητες για συνεχή παραγωγή υδρογόνου. Έχουν υψηλό χρόνο εκκίνησης και απαιτούν ακριβά υλικά, ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Περιλαμβάνουν πολύ ακριβούς καταλύτες, των οποίων οι ιδιότητες μπορεί να αλλοιωθούν από τις θειικές ενώσεις του καυσίμου. Το παραγόμενο CO μπορεί να μειώσει την απόδοση της μεμβράνης της κυψέλης καυσίμου. Η θερμοδυναμική απόδοση (70-85%) της αντίδρασης εξαρτάται από την καθαρότητα του υδρογόνου. 14

35 Κεφάλαιο Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας Τα συστήματα των ανεμογεννητριών κατασκευάστηκαν με σκοπό την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια αρχικά σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών είναι συνεχώς εξελισσόμενη με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεχώς μεγαλύτερων ανεμογεννητριών όσον αφορά την ισχύ, αλλά και το μέγεθος. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονά τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα [16]. Σχήμα 1.7: Εξέλιξη του μεγέθους των ανεμογεννητριών [17] Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι η μηχανή δε χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, οπότε δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτημα σε μέρη όπου υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια σε αυτές τις μηχανές μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο, ενώ τα συστήματα είναι εύκολα προσβάσιμα και δεν απαιτείται πυλώνας στήριξης. 15

36 Κεφάλαιο 1 Σημαντικό είναι επίσης το γεγονός ότι σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη γεννήτρια. Κάποια σοβαρά μειονεκτήματα που δεν κάνουν τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές είναι ότι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, μιας και έχουν υψηλή ροπή εκκίνησης, όπως και το γεγονός ότι έχουν μικρή σχετικά απόδοση. Οι πιο γνωστοί τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι Darrieus και Savonius. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αυτή τη στιγμή, παγκόσμια, οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατέχουν το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα που κάνουν τόσο δημοφιλείς αυτού του είδους τις ανεμογεννήτριες είναι ότι δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, οπότε και με πολύ μικρές ταχύτητες ανέμου έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ένα ακόμα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, ενώ είναι εύκολη η συναρμολόγησή τους. Το μεγάλο μειονέκτημα των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πιο δύσκολη. Επίσης, σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, εδώ χρειάζεται ενεργός μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. Η συνηθέστερη ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιείται σήμερα αποτελείται από μια γεννήτρια, τρία πτερύγια και έναν πύργο στήριξης, ο οποίος βρίσκεται πίσω από τα πτερύγια [16] Δομή των ανεμογεννητριών Στο Σχήμα 1.8 παρουσιάζεται αναλυτικά η εσωτερική δομή μια κλασικής ανεμογεννήτριας. Κάνοντας μια τομή στην ανεμογεννήτρια φαίνεται η εσωτερική διάταξη των υποσυστημάτων της, τα οποία βρίσκονται κυρίως στην άτρακτο. Συγκεκριμένα, διακρίνουμε: α) τον άξονα χαμηλών και υψηλών στροφών, β) το κιβώτιο ταχυτήτων, γ) τη γεννήτρια, δ) το φρένο, ε) τον μηχανισμό περιστροφής 16

37 Κεφάλαιο 1 της ατράκτου, στ) το μηχανισμό του ελέγχου βήματος των πτερυγίων, ζ) το ανεμόμετρο, η) τον ανεμοδείκτη και θ) τον ηλεκτρονικό ελεγκτή. Σχήμα 1.8: Δομή της ανεμογεννήτριας [18]. Συγκεκριμένα, η περιγραφή της ανεμογεννήτριας ξεκινά από την πλήμνη. Πρόκειται για ένα μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άξονας χαμηλών στροφών είναι ο άξονας που συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Στη συνέχεια, από το κιβώτιο ταχυτήτων ξεκινάει ένας ακόμη άξονας ο οποίος καταλήγει στη γεννήτρια. Ο άξονας αυτός ονομάζεται άξονας υψηλών ταχυτήτων και ουσιαστικά αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. Τέλος, η γεννήτρια συνδέεται με ένα μετασχηματιστή έτσι ώστε να υπάρχει κατάλληλη προσαρμογή της τάσης στο εκάστοτε δίκτυο. Το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτης αποτελούν όργανα που μετρούν την ταχύτητα και προσδιορίζουν την κατεύθυνση του ανέμου αντίστοιχα. Η ισχύς εξόδου των ανεμογεννητριών δίνεται από τη Εξίσωση 1.1, όπου P η ισχύς της ανεμογεννήτριας (W), C p ο συντελεστής ισχύος, ρ η πυκνότητα του αέρα (kg/m 3 ), V η ταχύτητα του ανέμου (m/s) και A το εμβαδόν επιφάνειας σάρωσης των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας (m 2 ). P = 1 2 C pρv 3 A (1.1) Ο συντελεστής C p έχει μέγιστη πρακτική τιμή ίση με περίπου 0.4 και εκφράζει το ποσοστό της ισχύος του ανέμου, το οποίο εξάγεται από το δρομέα της 17

38 Κεφάλαιο 1 ανεμογεννήτριας, ενώ οι τιμές του εξαρτώνται από τη σχεδίαση του δρομέα, από το βήμα πτερυγίων και το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (Tip Speed Ratio ή TSR): λ = ω δr V (1.2) όπου ω δ είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας, R η ακτίνα των πτερυγίων και V η ταχύτητα του ανέμου. Η ροπή εξόδου των ανεμογεννητριών συχνά παρουσιάζει δυναμικές μεταβολές που οφείλονται στις διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου, και προκαλούνται από τον πύργο στήριξης, τον μεταβαλλόμενο άνεμο και το στροβιλισμό του ανέμου. Αυτές οι διακυμάνσεις προκαλούν αντίστοιχες μεταβολές στην ηλεκτρική ισχύ εξόδου και την τάση, ενώ εισάγουν προβλήματα στο δίκτυο για τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών, ενώ στις ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών εξομαλύνονται ικανοποιητικά Ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών λειτουργούν με σχεδόν σταθερή ταχύτητα, προκαθορισμένη από τον σχεδιαστή και το κιβώτιο ταχυτήτων. Ο έλεγχος τους έχει ως σκοπό είτε τη μέγιστη απομάστευση ισχύος με έλεγχο της ροπής του δρομέα, είτε τον έλεγχο της αποδιδόμενης ισχύος κατά τη διάρκεια ανέμων υψηλής ταχύτητας, ελέγχοντας τη γωνία βήματος (pitch angle). Ανάλογα με τη στρατηγική ελέγχου οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών χωρίζονται σε: Ανεμογεννήτριες με έλεγχο της απώλειας στήριξης (stall). Ανεμογεννήτριες με έλεγχο της γωνίας βήματος. Οι ανεμογεννήτριες με έλεγχο της απώλειας στήριξης δεν έχουν επιλογές ελέγχου. Τα πτερύγια είναι σχεδιασμένα με σταθερή γωνία βήματος, ώστε να λειτουργούν καλύτερα σε συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου τόσο περισσότερο η ανεμογεννήτρια μπαίνει στην περιοχή της απώλειας στήριξης. Πλεονεκτήματα: Απλός σχεδιασμός, στιβαρή κατασκευή και αποδοτική ηλεκτρικά. Αυξημένη αξιοπιστία, επειδή αποτελούνται από λιγότερα μέρη. 18

39 Κεφάλαιο 1 Δεν υπάρχει μετατροπή της συχνότητας, οπότε δεν εισάγονται αρμονικές στο δίκτυο. Μικρότερο κόστος αγοράς. Μειονεκτήματα: Λιγότερο αποδοτικές αεροδυναμικά. Είναι επιρρεπείς στις μηχανικές καταπονήσεις και περισσότερο θορυβώδεις. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών με έλεγχο της γωνίας βήματος έχουν δύο στρατηγικές ελέγχου της λειτουργίας τους: α) Για ταχύτητες ανέμου μικρότερες της ονομαστικής, μέγιστη απομάστευση ισχύος, φροντίζοντας ο λόγος ταχύτητας του ακροπτερυγίου λ να διατηρεί τη βέλτιστη τιμή του καθώς μεταβάλλεται η ταχύτητα του ανέμου. β) Για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ονομαστικής, έλεγχος της γωνίας βήματος των πτερυγίων, ώστε η ισχύς εξόδου να μην ξεπερνά την ονομαστική της τιμή. Πλεονεκτήματα: Υψηλή ενεργειακή απολαβή, με μικρή μηχανική καταπόνηση. Αεροδυναμικά αποδοτικές με μικρή μεταβατική ροπή. Έλλειψη ανάγκης για συστήματα μηχανικής απόσβεσης (damping), επειδή την απόσβεση την προσφέρει το ηλεκτρικό σύστημα. Δεν υποφέρουν από προβλήματα συγχρονισμού ή βυθίσεις τάσης λόγω του απότομου ηλεκτρικού ελέγχου. Μειονεκτήματα: Μικρότερη ηλεκτρική απόδοση, λόγω της χρήσης ηλεκτρονικών ισχύος, σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών. Πιο ακριβές και απαιτούν σύνθετες στρατηγικές ελέγχου Φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα Τα Φ/Β συστήματα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από την αστείρευτη και δωρεάν ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρει ο ήλιος μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Καθώς τα Φ/Β συστήματα παράγουν ΣΡ τάση, είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρικών μετατροπέων για τη μετατροπή της σε ΕΡ τάση, ονομαστικής συχνότητας. Επειδή το ρεύμα και η τάση που παράγει ένα Φ/Β στοιχείο είναι πολύ μικρά, για να αυξηθεί η παραγόμενη ισχύς, τα Φ/Β κύτταρα συνδυάζονται μεταξύ τους παράλληλα και σε σειρά δημιουργώντας Φ/Β σειρές και συστοιχίες. 19

40 Κεφάλαιο 1 Στο Σχήμα 1.9 παρουσιάζονται οι δυνατοί κυκλωματικοί συνδυασμοί των Φ/Β κελιών για την αύξηση της παραγόμενης ισχύος. Σχήμα 1.9: Κυκλωματικές συνδέσεις Φ/Β στοιχείων για αύξηση της ισχύος [19]. Λόγω της μικρής απόδοσης που προσφέρουν τα Φ/Β στοιχεία, οι έρευνες σήμερα προσανατολίζονται στην εύρεση κατάλληλων υλικών τα οποία θα βελτιώσουν την απόδοσή τους. Οι κύριοι τύποι Φ/Β κυττάρων που κυκλοφορούν στην αγορά για χρήση είναι [1]: Υβριδικής τεχνολογίας, με απόδοση περίπου 17%. Είναι εξαιρετικά δημοφιλή λόγω υψηλής απόδοσης και απλής παραγωγικής διαδικασίας σε χαμηλή θερμοκρασία. Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με απόδοση περίπου 15%. Πολυκρυσταλλικού πυριτίου με απόδοση περίπου 12%. Άμορφου πυριτίου (thin film) με απόδοση περίπου 6%, αλλά πολύ οικονομικότερα. Τα Φ/Β στοιχεία είναι μια σχετικά πρόσφατη τεχνολογία, η οποία αφενός μεν είναι πολλά υποσχόμενη λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων τα οποία προσφέρει, αφετέρου δε χρειάζεται ακόμη πολλή μελέτη για τη διόρθωση αρκετών μειονεκτημάτων, τα οποία σε πολλές περιπτώσεις τα κάνουν ασύμφορα για εγκατάσταση από τους καταναλωτές. Πλεονεκτήματα των Φ/Β στοιχείων: Ανανεώσιμη φύση της ηλιακής ενέργειας ως καύσιμο. Ελάχιστη περιβαλλοντική επίδραση. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι δωρεάν, κατά συνέπεια μειώνεται σημαντικά ο λογαριασμός των καταναλωτών. 20

41 Κεφάλαιο 1 Χρόνος ζωής περισσότερος από 30 χρόνια με ελάχιστη συντήρηση. Αθόρυβη λειτουργία. Μειονεκτήματα Φ/Β στοιχείων: Υψηλό αρχικό κόστος εγκατάστασης. Χαμηλή απόδοση, ειδικά για πιο μεγάλες Φ/Β εγκαταστάσεις. Η μελέτη των Φ/Β στοιχείων, καθώς και οι εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία τους θα αναλυθούν διεξοδικά σε επόμενο κεφάλαιο Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Η δυναμική ενέργεια των υδάτων είναι από τις παλαιότερες μορφές ενέργειας που μετατράπηκαν σε άλλες μορφές ενέργειας για να αξιοποιηθούν και ήταν φυσικό να χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η μικρή κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή χρησιμοποιείται αποτελεσματικά για παραγωγή ισχύος εντός των μικροδικτύων. Η ισχύς παραγωγής τους εξαρτάται από την τοπολογία της περιοχής και το ετήσιο ποσοστό βροχής. Υποφέρουν από μεγάλες μεταβολές στην παραγωγή λόγω της μεταβαλλόμενης ροής νερού από την ακανόνιστη πτώση της βροχής, ιδιαίτερα αν δεν διαθέτουν κάποια δεξαμενή αποθήκευσης νερού [1], [2]. Η ισχύς εξόδου ενός υδροστροβίλου δίνεται από την Εξίσωση 1.3, στην οποία ορίζεται ως P η συνολική ισχύς (W), Q η ροή του νερού (m 3 /s), H η υψομετρική διαφορά επιφάνειας νερού και γεννήτριας (m), η η συνολική απόδοση, ρ η πυκνότητα του νερού (1000 kg/m 3 ) και g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ). P = QHηρg (1.3) Για να αυξήσουμε την ισχύ εξόδου ενός υδροστροβίλου πρέπει κατά συνέπεια να αυξήσουμε τη ροή νερού ή την υψομετρική διαφορά. Ανάλογα με τη ροή και την υψομετρική διαφορά χρησιμοποιούνται και αντίστοιχοι τύποι υδροστροβίλων [2]: 1. Pelton: Χρησιμοποιείται για υψομετρική διαφορά από m και αποτελείται από έναν υδραυλικό τροχό με σκαφίδια, στον οποίο κατευθύνεται με μεγάλη ταχύτητα το νερό με ρυθμιζόμενης ροής ακροφύσια, δηλαδή πρόκειται για υδροστρόβιλο δράσης στον οποίο το νερό φθάνει αποκλειστικά με κινητική ενέργεια, μέσω αγωγών πίεσης. 2. Francis: Χρησιμοποιείται για υψομετρική διαφορά m και είναι υδροστρόβιλος αντίδρασης, δηλαδή το νερό έχει μικρή ταχύτητα και μεγάλη 21

42 Κεφάλαιο 1 πίεση και κατά τη ροή του από τον τροχό μειώνεται η πίεση και αυξάνεται η ταχύτητα. Η αντίδραση που προκαλείται από τη μεταβολή της ταχύτητας περιστρέφει τον τροχό. Γύρω από τον τροχό υπάρχει ο ακίνητος μεριστής, δηλαδή ένας αριθμός πτερυγίων, που κατευθύνουν το νερό από τα πλάγια στα πτερύγια του τροχού. Το νερό μεταφέρεται από τη δεξαμενή με υπόγειες σήραγγες. 3. Kaplan: Είναι κατάλληλος για να λειτουργεί με τη φυσική ροή ποταμών και μικρές δεξαμενές αποθήκευσης, με υψομετρική διαφορά μέχρι και 61m. Αυτός ο τύπος στροβίλου έχει στροφείο, που χρησιμοποιεί αξονική ροή νερού και μεταβλητό βήμα πτερυγίων. Σχήμα 1.10: Υδροστρόβιλοι Pelton, Francis και Kaplan [20]. Βασικό πλεονέκτημα της υδροηλεκτρικής παραγωγής είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια αποκτάται χωρίς σημαντικό λειτουργικό κόστος και χωρίς ρύπανση για το περιβάλλον. Τα ελκυστικά αυτά χαρακτηριστικά όμως αντισταθμίζονται από το υψηλό κόστος των έργων πολιτικού μηχανικού που απαιτούν αυτοί οι σταθμοί, καθώς και από το γεγονός ότι η σχεδίαση και κατασκευή τους απαιτεί ίσως και πέντε έως οκτώ χρόνια Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Τα μικροδίκτυα, για να μπορούν να καλύπτουν τα κρίσιμα φορτία τους σε κατάσταση αποσύνδεσης από το δίκτυο χρησιμοποιούν συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, οι οποίες συνδέονται στο ζυγό ΣΡ του μικροδικτύου και έχουν δυνατότητες συνέχισης της λειτουργίας τους σε περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων 22

43 Κεφάλαιο 1 στο δίκτυο (Fault Ride Through, FRT). Οι σπουδαιότερες συσκευές αποθήκευσης είναι [1]: Μπαταρίες Την τελευταία δεκαετία η αύξηση της σημασίας τους οφείλεται κυρίως στην επιβολή του ηλεκτρικού αυτοκινήτου για περιβαλλοντικούς λόγους, αλλά και την εξομάλυνση της τροφοδοσίας ισχύος από αιολικές και ηλιακές πηγές ενέργειας. Οι διαδεδομένες μπαταρίες μολύβδου-οξέος, αν και έχουν λογικό κόστος, έχουν μικρή πυκνότητα ενέργειας (15 Wh/Kg), ενώ στην εξελιγμένη τους μορφή έχουν πυκνότητα ενέργειας Wh/Kg και κόστος /kwh. Για τη τροφοδοσία ηλεκτρικών αυτοκινήτων έχουν αναπτυχθεί μπαταρίες νικελίουυδρογονούχου μετάλλου (NiMH) με Wh/Kg και κόστος /kwh, μπαταρίες ιόντων λιθίου με Wh/Kg και λιθίου με ηλεκτρολύτη πολυμερή με 100 Wh/Kg. Ο τρόπος λειτουργίας των μπαταριών θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Υπεραγώγιμα πηνία Τα υπεραγώγιμα πηνία χρησιμοποιούνται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (της τάξης των MW) για μικρό χρονικό διάστημα της τάξης των μερικών δευτερολέπτων (30MJ υπεραγώγιμα πηνία διατίθενται στο εμπόριο). Η ενέργεια αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρομαγνήτη, που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά. Για να διατηρηθεί σε υπεραγώγιμη κατάσταση το πηνίο εμβαπτίζεται σε υγρό ήλιο σε θερμοκρασία 4.2 ο Κ, που περιέχεται σε ένα κρυογενετικό δοχείο με μόνωση κενού. Η φόρτιση και η εκφόρτιση του πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενους μετατροπείς ισχύος. Σφόνδυλοι Ταχέως περιστρεφόμενοι δίσκοι ή κύλινδροι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση κινητικής ενέργειας, που μετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική με τη σύζευξή τους με μια γεννήτρια. Ο περιοριστικός παράγοντας για την αποθήκευση της ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου. Πρόσφατα, η ανάπτυξη της υπεραγώγιμης έδρασης υπόσχεται να ελαττώσει την τριβή κατά δύο τάξεις μεγέθους, για αποθήκευση ενέργειας στη περιοχή των 10kWh. 23

44 Κεφάλαιο 1 Η υπεραγώγιμη έδραση αποτελείται από ένα μόνιμο μαγνήτη αιωρούμενο σε μια σταθερή θέση πάνω από έναν υπεραγωγό. Οι υπεραγωγοί έχουν την ιδιότητα να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό τους, δρώντας ως διαμαγνητικά υλικά. Αυτή η ιδιότητα έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση βορείου πόλου όταν σε αυτόν πλησιάζουμε το βόρειο πόλο ενός μόνιμου μαγνήτη, γιατί στον υπεραγωγό εμφανίζονται ρεύματα με τέτοια φορά ώστε να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό του. Έτσι, αναπτύσσεται μια απωθητική δύναμη μεταξύ του μόνιμου μαγνήτη και του υπεραγωγού, που αυξάνει όσο μικραίνει η απόστασή τους. Αυτό δημιουργεί μια ευσταθή κατάσταση αιώρησης κατά τον κατακόρυφο άξονα, αν η διεύθυνση μαγνήτισης του μόνιμου μαγνήτη είναι κατακόρυφη. Για να πετύχουμε οριζόντια ευστάθεια, ο υπεραγωγός δημιουργεί κοιλότητα μέσα στην οποία εισέρχεται ο μόνιμος μαγνήτης, ώστε να περιβάλλεται από κατακόρυφα υπεραγώγιμα τοιχώματα. Κρυσταλλικές ανωμαλίες στον υπεραγωγό δημιουργούν περιοχές που δεν έχουν την υπεραγώγιμη ιδιότητα και στις οποίες παγιδεύονται μαγνητικές γραμμές. Αυτή την ιδιότητα εκμεταλλευόμαστε για την ανάπτυξη δυνάμεων συγκράτησης του μόνιμου μαγνήτη και του υπεραγωγού, γιατί οι μαγνητικές γραμμές δρουν σαν ελατήρια μεταξύ τους. Υπερπυκνωτές Οι υπερπυκνωτές (ultracapacitors) αποτελούν ένα μέσο για την αποθήκευση της ενέργειας στη μορφή του ηλεκτρικού φορτίου και έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν πολύ περισσότερο φορτίο σε σχέση με τους συμβατικούς πυκνωτές. Φορτίζονται πιο γρήγορα από τις μπαταρίες, αλλά διαρκούν και περισσότερο, επειδή δεν υποφέρουν από τη φυσική φθορά της φόρτισης και εκφόρτισης, που καταπονεί τις μπαταρίες. Έχουν επίσης μια σειρά από πλεονεκτήματα ασφαλείας. Ωστόσο, το μέγεθος των υπερπυκνωτών θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο για να αποθηκεύσουν την ίδια ενέργεια με τις μπαταρίες και το κόστος τους είναι αρκετά υψηλό. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι πρόσφατες ανακαλύψεις για γρήγορη, αξιόπιστη και ασφαλέστερη αποθήκευση ενέργειας σε υπερπυκνωτές θα τους κάνει ικανούς να ανταγωνίζονται καλύτερα τις μπαταρίες. Πρόσφατα οι ερευνητές κατασκεύασαν υπερπυκνωτή βασισμένο στο υλικό γραφένιο που μπορεί να αποθηκεύσει τόση ενέργεια ανά μονάδα μάζας όσο και οι υβριδικές μπαταρίες των μετάλλων νικελίου. Αυτός ο υπερπυκνωτής μπορεί 24

45 Κεφάλαιο 1 να φορτιστεί σε μερικά λεπτά ή ακόμα και σε μερικά δευτερόλεπτα και έχει ενεργειακή πυκνότητα 85.6 Wh/Kg σε θερμοκρασία δωματίου και 136 Wh/Kg στους 80 o C. Αυτές είναι οι υψηλότερες τιμές για έναν διπλού στρώματος υπερπυκνωτή βασισμένο σε νανο-υλικά από άνθρακα και είναι κατάλληλος για κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές κάμερες και μικροϋπολογιστές. Παρά το θεωρητικά υψηλό συντελεστή επιφανείας ανά μάζα του γραφενίου, ένας υπερπυκνωτής των 550 F/g δεν έχει επιτευχθεί σε μια πραγματική συσκευή και αυτό γιατί τα φύλλα γραφενίου τείνουν να κολλήσουν μεταξύ τους και γίνονται προσπάθειες να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα. 25

46 26 Κεφάλαιο 1

47 Κεφάλαιο 2 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΕΣΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ Εισαγωγή Μια ιδιαιτερότητα των μικροδικτύων αποτελεί το γεγονός ότι μεταξύ τους μπορεί να διαφέρουν τόσο ως προς το μέγεθος, όσο και ως προς τις πηγές και τα μέσα αποθήκευσης ενέργειας που διαθέτουν. Μια πλειάδα τεχνολογιών έχουν σχεδιαστεί για την εκμετάλλευση των ΑΠΕ, όμως η παράλληλη χρήση μιας συμβατικής πηγής και μέσων αποθήκευσης ενέργειας στα μικροδίκτυα κρίνεται απαραίτητη, λόγω της μεταβλητότητας της παραγωγής ενέργειας που παρέχουν οι ΑΠΕ. Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστούν αναλυτικά οι πηγές και τα μέσα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκαν στο υπό μελέτη μικροδίκτυο της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας. Αρχικά, θα παρουσιαστούν οι βασικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιήθηκαν στο μικροδίκτυο, οι οποίες περιλαμβάνουν μια ΑΠΕ, τη φωτοβολταϊκή συστοιχία και ένα μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, τη συστοιχία συσσωρευτών. Στη συνέχεια, θα γίνει η μελέτη των αρχών που διέπουν τη λειτουργία της συμβατικής πηγής ενέργειας, η οποία χρησιμοποιήθηκε για καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, δηλαδή του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους (Σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1: Δομικό διάγραμμα του υπό μελέτη μικροδικτύου. 27

48 Κεφάλαιο Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Τα μεγάλα ποσά ενέργειας που φθάνουν καθημερινά στη γη από τον ήλιο, καθιστούν την ηλιακή ενέργεια ως μια από τις ελκυστικότερες πηγές παραγωγής ηλεκτρισμού. Με βάση την παγκόσμια ενεργειακή αξιολόγηση που έγινε το 2000 από το Πρόγραμμα Ανάπτυξης των Ηνωμένων Εθνών εκτιμάται ότι ο μέσος όρος της ετήσιας ηλιακής ενέργειας που δεχόμαστε ανέρχεται στα J, ποσό δεκάδες φορές μεγαλύτερο από τη μέση ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση, η οποία ανέρχεται στα 559, J [21]. Τα οφέλη της χρήσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή είναι εμφανή: η λειτουργία τους είναι δωρεάν, αθόρυβη και δεν αφήνει κατάλοιπα, αποτρέποντας τη μόλυνση του περιβάλλοντος. Εκτός από τα παραπάνω, σημαντικό γεγονός αποτελεί ότι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα πλέον άφθονα στοιχεία στη φύση. Επίσης, παρέχουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε ένα πολύ μεγάλο εύρος ισχύων (από mw έως MW) και είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές σε απομονωμένες περιοχές όπου δεν υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο. Ακόμη, είναι αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες, ανταποκρίνονται γρήγορα σε απότομες μεταβολές της ηλιοφάνειας και έχουν μια μεγάλη μέση διάρκεια ζωής χρόνια [22], [23]. Από την άλλη πλευρά, μια σειρά μειονεκτημάτων περιορίζουν την ευρεία διάδοση των φωτοβολταϊκών στοιχειών, με βασικότερο το υψηλό κόστος αγοράς τους και την έλλειψη επιδοτήσεων από τις κυβερνήσεις. Επίσης, έχουν μικρή απόδοση (5-17%), ενώ απαιτούν μεγάλη επιφάνεια για την εγκατάστασή τους σε στέγες, η οποία είναι συνήθως 8-12 m 2 ανά kw παραγόμενης ισχύος. Τέλος, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η ανάγκη αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτοβολταϊκών με μέσα αποθήκευσης ενέργειας, λόγω ετεροχρονισμού φορτίου και παραγωγής [11], [23]. Το βασικό δομικό στοιχείο αποτελεί το ηλιακό κύτταρο, όμως η παραγόμενη ισχύς που διαθέτει είναι πολύ μικρή για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των φορτίων. Συνεπώς, πολλά ηλιακά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους ηλεκτρικά διαμορφώνοντας ένα ηλιακό πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Η τάση, το ρεύμα και η ισχύς εξόδου του ηλιακού πλαισίου εξαρτάται από τον αριθμό των ηλιακών κυττάρων που βρίσκονται συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα. Αντίστοιχα, η 28

49 Κεφάλαιο 2 μηχανική και ηλεκτρική σύνδεση πολλών ηλιακών πλαισίων δημιουργεί ένα ηλιακό πάνελ. Ως φωτοβολταϊκή συστοιχία ορίζεται το σύνολο των ηλιακών πάνελ, μαζί με τη κατασκευή στήριξης και ό,τι άλλο απαιτείται για τη λειτουργία τους ως αυτόνομη μονάδα παραγωγής ενέργειας [22]. Σχήμα 2.2: Ηλιακό κύτταρο, πλαίσιο και συστοιχία [24] Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Πρώτος ο Γάλλος Edmund Becquerel (1839) παρατήρησε την ανάπτυξη τάσης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων μέσα σε ηλεκτρολύτη, όταν ηλιακό φως πέσει σε ένα από αυτά, ενώ αργότερα (1876) το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε και στο σελήνιο (Se). Το φαινόμενο αυτό ονομάστηκε φωτοβολταϊκό και σύμφωνα με 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 κι η συχνότητα των φωτονίων συνδέονται με τη σχέση: Ε = h f (2.1) όπου, h είναι η σταθερά του Planck. Αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ξεπεράσει μια τιμή, η οποία είναι χαρακτηριστική για κάθε υλικό, τότε παράγονται φορείς αγωγιμότητας (ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών στους ημιαγωγούς). Το παραπάνω 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 [22]. 29

50 Κεφάλαιο Ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου Για την προσέγγιση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου και τον καθορισμό των ηλεκτρικών του χαρακτηριστικών έχει δημιουργηθεί το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμά του, το οποίο όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.3 αποτελείται από μια πηγή ρεύματος, η οποία ελέγχεται από μια δίοδο, που άγει όσο προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία στο στοιχείο. Η πηγή ρεύματος αντιστοιχεί πρακτικά στη διαφορά τάσης που επάγεται στα άκρα του στοιχείου σύμφωνα με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που περιεγράφηκε. Σχήμα 2.3: Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου [25]. Όταν οι ακροδέκτες εξόδου του κυκλώματος βραχυκυκλώνονται, η τάση εξόδου V μηδενίζεται και το ρεύμα εξόδου I παίρνει τη μέγιστη τιμή του, δηλαδή I ph = I. Όταν οι ακροδέκτες είναι ανοιχτοκυκλωμένοι, το ρεύμα εξόδου I μηδενίζεται και έτσι το ρεύμα εισόδου (φωτόρευμα I ph ) ρέει μέσω της διόδου, άρα ισχύει I ph = I d και η τάση εξόδου παίρνει τη μέγιστη τιμή της. Όταν στα άκρα του κυκλώματος συνδεθεί κάποιο φορτίο, το ρεύμα εισόδου κατανέμεται μεταξύ της διόδου και του φορτίου, ανάλογα με την ωμική αντίσταση του τελευταίου. Η σχέση που συνδέει την τάση και το ρεύμα εξόδου του ισοδύναμου κυκλώματος είναι: όπου: - V T = k T e - Is: το ανάστροφο ρεύμα της διόδου D - e: το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο - k: η σταθερά Boltzmann και V L I = I ph I d = I ph I s (ev T 1) (2.2) - T: η θερμοκρασία λειτουργίας του στοιχείου σε Kelvin. 30

51 Κεφάλαιο 2 Καθώς, ωστόσο, τα ηλιακά κύτταρα δεν είναι ιδανικά στοιχεία, έχει αναπτυχθεί ένα ακριβέστερο ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου, το οποίο περιλαμβάνει το μη ιδανικό τμήμα του και παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.4. Αυτό περιλαμβάνει την αντίσταση απωλειών λόγω του ρεύματος διαρροής μεταξύ των άκρων του φωτοβολταϊκού στοιχείου R sh, η οποία είναι παράλληλα συνδεδεμένη με τη δίοδο και την αντίσταση απωλειών κατά τη ροή του ρεύματος στην δίοδο R s, η οποία βρίσκεται συνδεδεμένη εν σειρά με το φορτίο. Σχήμα 2.4: Μη ιδανικό ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου [25]. Σε αυτή τη περίπτωση η σχέση που συνδέει την τάση με το ρεύμα εξόδου παίρνει τη μορφή: όπου V d = V + I R s. V L I = I ph I d I sh = I ph I s (ev T 1) V d (2.3) R sh Η παράλληλη αντίσταση R sh αναπαριστά τις διαρροές των φορέων που συμβαίνουν στη επαφή p-n του στοιχείου (φαινόμενο επανασύνδεσης), στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή) και σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου. Τυπικές τιμές για την αντίσταση R sh για καλής ποιότητας φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι της τάξης των kω. Η εν σειρά αντίσταση R s παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό (συνήθως τύπου n) που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. Τυπικές τιμές για την αντίσταση R sh κυμαίνονται μεταξύ 0,1-0,3Ω [22]. 31

52 Κεφάλαιο Χαρακτηριστική καμπύλη I-V του φωτοβολταϊκού στοιχείου Η γραφική παράσταση μεταξύ του ρεύματος εξόδου Ι και της τάσης εξόδου V του φωτοβολταϊκού στοιχείου καλείται I-V χαρακτηριστική και έχει επικρατήσει να αναπαρίσταται στο πρώτο τεταρτημόριο. Μια τέτοια αντιπροσωπευτική καμπύλη, μαζί με τη χαρακτηριστική ισχύος-τάσης P-V, παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.5 και οι βασικές παράμετροι που την χαρακτηρίζουν είναι: Σχήμα 2.5: Χαρακτηριστική καμπύλη I-V και P-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου για συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες [26]. - Το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC, που είναι το ρεύμα για τάση εξόδου V = 0, το οποίο εάν θεωρήσουμε την R s πολύ μικρή, είναι ίσο με το φωτόρευμα I ph. - Η τάση ανοιχτού κυκλώματος V OC, που είναι η τάση για ρεύμα εξόδου I = 0, η οποία εάν θεωρήσουμε την R sh πολύ μεγάλη, προκύπτει ίση με: V OC = AkT q ln (I ph I ) (2.4) όπου Α είναι σταθερά με τιμές από 1 έως 2 και οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής και q το φορτίο του ηλεκτρονίου.

53 Κεφάλαιο 2 Το Ι SC μεταβάλλεται σχεδόν ανάλογα με την ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο ηλιακό κύτταρο, ενώ επηρεάζεται πολύ λίγο από τις αλλαγές της θερμοκρασίας (μείωση της θερμοκρασίας προκαλεί μικρή μείωση του I SC ). H V OC μεταβάλλεται ανάλογα με το λογάριθμο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ ακόμα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της p-n επαφής, την συγκέντρωση των προσμίξεων και τη θερμοκρασία (συγκεκριμένα όσο η θερμοκρασία αυξάνεται, η V OC μειώνεται). Στο Σχήμα 2.6 δίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, καθώς και το πώς επηρεάζονται από την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Σχήμα 2.6: I-V καμπύλες φωτοβολταϊκού στοιχείου για μεταβαλλόμενη ακτινοβολία και θερμοκρασία [27]. Το σημείο μέγιστης ισχύος εξόδου P max, στο οποίο αντιστοιχεί ρεύμα I m και τάση V m βρίσκεται στο σημείο από το οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε το ορθογώνιο με την μεγαλύτερη επιφάνεια μέσα στην I-V καμπύλη, όπως αυτό παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.5. Ο συντελεστής πληρώσεως (Fill Factor, FF) που ορίζεται από τη σχέση: FF = V m I m V OC I SC (2.5) είναι ένα μέτρο του πόσο τετράγωνη είναι η I-V χαρακτηριστική καμπύλη. Τυπικές τιμές βρίσκονται μεταξύ 0,7 και 0,85. 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 V OC V. 33

54 Κεφάλαιο Βαθμός απόδοσης ηλιακού κυττάρου Ο βαθμός απόδοσης του ηλιακού κυττάρου δίνεται από τη σχέση: η = V m I m P in = V OC I SC FF P in (2.6) όπου P in είναι η ολική ισχύς της προσπίπτουσας στο κύτταρο ακτινοβολίας σε W/m 2. Ο βαθμός απόδοσης των ηλιακών κυττάρων του εμπορίου βρίσκεται στην περιοχή του 12-14%, ενώ σε πειραματικά μοντέλα έχουν επιτευχθεί μεγαλύτερες τιμές. Ο θεωρητικά μέγιστος δυνατός βαθμός απόδοσης εξαρτάται από τις μέγιστες τιμές των I SC, V OC και FF, κυρίως όμως από τα δύο πρώτα, διότι η μέγιστη τιμή του FF είναι συνάρτηση του V OC. Οι παράγοντες που είναι υπεύθυνοι για τη σχετικά χαμηλή τιμή του βαθμού απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι [22]: Ανάκλαση. Μη επεξεργασμένη επιφάνεια πυριτίου ανακλά ένα ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας της τάξεως του 30%. Επεξεργασία της επιφάνειας με χημικά μέσα ή και επίστρωση με αντιανακλαστικά υλικά περιορίζει δραστικά τις ανακλάσεις μέχρι τη τάξη του 3%. Σκίαση από τις επαφές. Η ανάγκη κατασκευής ηλεκτροδίων τόσο στην επιφάνεια του υλικού τύπου-p όσο και του υλικού τύπου-n συνεπάγεται τη δημιουργία ενός μεταλλικού πλέγματος επαφών στην πάνω επιφάνεια του κυττάρου που εκτίθεται στο ηλιακό φως, το οποίο έχει σαν συνέπεια ένα ποσοστό 5-15% της ηλιακής ακτινοβολίας να εκτρέπεται. Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων. Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στο έδαφος έχει διαφορετικές εντάσεις σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, τα οποία είναι δυνατόν να διαπεράσουν το κύτταρο, να απορροφηθούν ή να δημιουργήσουν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών. Αυτός ο παράγοντας περιορίζει τη μέγιστη δυνατή απόδοση του ηλιακού κυττάρου στο 44%. Επανασύνδεση. Αυτή μπορεί να συμβεί με διάφορους μηχανισμούς στον κυρίως όγκο του ημιαγωγού στις επιφάνειες και στις ατέλειες του υλικού. Αντίσταση. Μη ικανοποιητικές τιμές τόσο της εν σειρά αντίστασης R S, όσο και της παράλληλης R Sh τείνουν να ελαττώσουν τον συντελεστή πλήρωσης FF, ενώ σε ακραίες περιπτώσεις ακόμα και τα I SC και V OC, με τελική συνέπεια την μείωση της απόδοσης του ηλιακού κυττάρου. 34

55 Κεφάλαιο Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων Είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης εν σειρά προστίθενται, όπως καθώς και δύο ή περισσότερες παράλληλες πηγές ρεύματος. Έτσι, για ηλιακά κύτταρα με ακριβώς ίδια χαρακτηριστικά η μέγιστη ισχύς που παίρνουμε από μια συστοιχία κυττάρων θα ισούται με το άθροισμα των μεγίστων ισχύων που παίρνουμε χωριστά από κάθε κύτταρο της συστοιχίας. Κατά συνέπεια, η I-V χαρακτηριστική ενός συνόλου ίδιων φωτοβολταϊκών κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά ή παράλληλα προκύπτει εύκολα με αντίστοιχο συνδυασμό των χαρακτηριστικών των επιμέρους κυττάρων, όπως φαίνεται παραστατικά στο Σχήμα 2.7, καθώς και για κάθε άλλο δυνατό συνδυασμό τους [22]. Σχήμα 2.7: I-V χαρακτηριστική για εν σειρά και παράλληλη σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων [28]. Επομένως, αν η ηλεκτρική συμπεριφορά όλων των κυττάρων μιας συστοιχίας ήταν ακριβώς η ίδια, οι υπολογισμοί θα ήταν σχετικά εύκολοι και δεν θα είχε ιδιαίτερη σημασία ο τρόπος των παράλληλων και σειριακών συνδυασμών για την επίτευξη της επιθυμητής ισχύος στην έξοδο. Δυστυχώς, στην πράξη η κατάσταση δεν είναι τόσο απλή, διότι για διάφορες αιτίες τα κύτταρα μιας συστοιχίας δεν έχουν ακριβώς τα ίδια χαρακτηριστικά, αλλά παρουσιάζουν μια στατιστική κατανομή των παραμέτρων τους. Επίσης, οι χαρακτηριστικές επηρεάζονται από τη θερμοκρασία, οπότε τα προαναφερθέντα δεν ισχύουν αν τα μεγέθη αυτά δεν είναι ίδια σε όλα τα πλαίσια που συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα. Η περαιτέρω μελέτη της φυσικής του φωτοβολταϊκού στοιχείου παρ όλα αυτά ξεφεύγει από τους βασικούς στόχους της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας και κατά συνέπεια παραλείπεται. 35

56 Κεφάλαιο Συστοιχία Συσσωρευτών Μπαταρίες Μέρος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι ανάγκη να αποθηκευτεί ώστε να χρησιμοποιηθεί μετά τη δύση του ήλιου, όταν δεν επαρκεί η ηλιακή ακτινοβολία ή κατά τη διάρκεια συνεχών ημερών με νεφελώδη ουρανό. Τα περισσότερα συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που περιεγράφηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο δεν προσφέρονται για τον σκοπό αυτό είτε λόγω του υψηλού αρχικού κόστους, είτε λόγω μη προσαρμογής των δυνατοτήτων αποθήκευσης. Συνεπώς, η χημική αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια συσσωρευτών φαίνεται ότι αποτελεί την πλέον κατάλληλη μέθοδο αποθήκευσης για φωτοβολταϊκά συστήματα. Η χρήση συστοιχιών συσσωρευτών σε φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως [22]: Η δυνατότητα να παρέχουν ενέργεια σε περιόδους που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία. Η δυνατότητα να καλύπτουν στιγμιαίες αιχμές ζήτησης φορτίου. Η ύπαρξη σταθερής τάσεως στο σύστημα. Η ικανότητα αποθήκευσης της επιπλέον της ενεργειακής ζήτησης ενέργεια, ώστε να μειώνονται οι απώλειες. Από την άλλη πλευρά, οι συσσωρευτές συνοδεύονται από μια πλειάδα μειονεκτημάτων, όπως [22]: Η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος. Η αύξηση του κόστους του συστήματος. Η αύξηση του χρόνου και του κόστους συντήρησης. Η μείωση της αξιοπιστίας. Η μικρή διάρκεια ζωής των συσσωρευτών σε σχέση με τη διάρκεια ζωής των φωτοβολταϊκών στοιχείων Κατηγορίες συσσωρευτών Οι συσσωρευτές, ανάλογα με τη δυνατότητα επαναφόρτισής τους χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες [22]: 36

57 Κεφάλαιο 2 1. στους πρωτογενείς, δηλαδή τους συσσωρευτές μίας χρήσεως, οι οποίοι όταν εκφορτιστούν δεν έχουν την δυνατότητα επαναφόρτισης. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα που απαιτούν μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης και μικρό αρχικό κόστος. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα ξηρά στοιχεία άνθρακα (Zinc- Carbon), τα αλκαλικά στοιχεία (Alkaline-Manganese) κ.α. 2. στους δευτερογενείς, δηλαδή σε αυτούς τους οποίους όταν εκφορτιστούν μπορούν να επαναφορτιστούν λόγω αναστρεψιμότητας της χημικής αντίδρασης και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες ισχείς. Τους βασικότερους εκπρόσωπους αυτής της κατηγορίας, οι οποίοι είναι οι πλέον κατάλληλοι για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα, αποτελούν οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος (Lead-Acid) και οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (Nickel-Cadmium). Σε εφαρμογές μικροδικτύων, όπου η καθημερινή φόρτιση και εκφόρτιση των συσσωρευτών είναι αναγκαία, η χρήση δευτερογενών συσσωρευτών είναι ευρέως διαδεδομένη. Πιο συγκεκριμένα, οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (Nickel- Cadmium) λόγω του υψηλού κόστους ανά ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας που διαθέτουν δεν ενδείκνυνται για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα, ενώ οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος (Lead-Acid) συχνά προτιμώνται λόγω της ευκολίας απόκτησής τους και της σχέσης κόστους-απόδοσής τους. Συνεπώς, η ανάλυση θα επικεντρωθεί σε αυτό το είδος μπαταρίας, ωστόσο ορισμένα χαρακτηριστικά είναι κοινά σχεδόν σε όλους τους συσσωρευτές Δομή συσσωρευτών μολύβδου-οξέος Οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος ήταν οι πρώτοι που είχαν τη δυνατότητα να επαναφορτιστούν περνώντας ένα ρεύμα αντίθετης κατεύθυνσης μέσα από τα ηλεκτρόδιά τους. Παρότι επιδεικνύουν πολύ μικρές αναλογίες ενέργειας-βάρους και ενέργειας-όγκου, η ικανότητά τους να παρέχουν μεγάλα ρεύματα παρέχει σχετικά μεγάλη αναλογία ισχύος-βάρους. Παράλληλα, παρουσιάζουν μεγάλο κύκλο ζωής, ενώ οι πρώτες ύλες για την κατασκευή τους (μόλυβδος και θείο) είναι άφθονες. Αυτά τα χαρακτηριστικά, μαζί με το μικρό τους κόστος, τις κάνει ελκυστικές για χρήση στα φωτοβολταϊκά συστήματα και στα μικροδίκτυα. Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένας κοινός συσσωρευτής μολύβδου-οξέος παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.8 και αναλυτικά είναι [29]: 37

58 Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.8: Τυπική δομή ενός συσσωρευτή μολύβδου-οξέος [30]. Ενεργό Υλικό (Active Material): Για τους συσσωρευτές τύπου μόλυβδου, το ενεργό υλικό που αποτελεί το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι ο σπογγώδης μόλυβδος (Pb) και παρέχει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης. Το θετικό ηλεκτρόδιο έχει ως ενεργό υλικό το διοξείδιο του μολύβδου (PbO2) και δέχεται τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης. Ηλεκτρολύτης (Electrolyte): Ο ηλεκτρολύτης είναι το υλικό μέσα στο οποίο εμβαπτίζονται τα δύο ηλεκτρόδια και στην περίπτωση του συσσωρευτή μόλυβδου είναι διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4) σε νερό. Σκοπός του είναι να συμπληρώνει το κύκλωμα παρέχοντας τα ιόντα που απαιτούνται για την αγωγή μεταξύ των ηλεκτροδίων. Πλέγμα (Grid): Το πλέγμα είναι ένα πλαίσιο κατασκευασμένο συνήθως από κράμα μολύβδου το οποίο υποστηρίζει το ενεργό υλικό πάνω στις πλάκες, ενώ είναι καλός αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος. Συχνά στο πλέγμα χρησιμοποιούνται κράματα αντιμονίου (Sb) ή ασβεστίου (Ca) για να αυξηθεί η μηχανική αντοχή των πλακών. Πλάκες (Plates): Οι πλάκες αποτελούνται από το πλέγμα και το ενεργό υλικό και αποτελούν το βασικότερο στοιχείο του συσσωρευτή, οι οποίες συχνά αναφέρονται και ως ηλεκτρόδια. Γενικά, υπάρχουν περισσότερες από μια θετική και μια αρνητική πλάκα, οι οποίες είναι μεταξύ τους συνδεδεμένες παράλληλα μέσα σε μια κυψελίδα. Το πάχος και η επιφάνειά τους επηρεάζει άμεσα τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας. 38

59 Κεφάλαιο 2 Διαχωριστής (Seperator): Ο διαχωριστής είναι ένα μονωτικό υλικό το οποίο τοποθετείται μεταξύ των πλακών του συσσωρευτή για να εμποδίσει την αγώγιμη επαφή μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου και κατά συνέπεια την εμφάνιση κάποιου βραχυκυκλώματος. Κιβώτιο και πόλοι: Το σύνολο των υλικών του συσσωρευτή τοποθετείται σε ελαστικό ή πλαστικό κιβώτιο. Η εξωτερική σύνδεση της μπαταρίας με το μικροδίκτυο και το φωτοβολταϊκό σύστημα γίνεται μέσω του θετικού και αρνητικού πόλου της που αποτελούν τις ηλεκτρικές συνδέσεις της. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, το θειικό οξύ καταναλώνεται και επομένως παράγεται νερό, το οποίο διαλύει τη συγκέντρωση θειικού οξέος στον ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόνια από την αρνητική πλάκα μεταπηδούν στη θετική πλάκα και τελικά στο εξωτερικά συνδεδεμένο κύκλωμα που βρίσκεται στους ακροδέκτες τις μπαταρίας. Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά την εκφόρτιση του συσσωρευτή εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: PbΟ 2 (s) + HSΟ 4 (aq) + 3H + (aq) + 2e PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) (2.7) - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: Pb(s) + HSΟ 4 (aq) PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e (2.8) Οι δευτερογενείς συσσωρευτές εκτός από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από χημική, επιτυγχάνουν και την αντίστροφη διαδικασία κατά την επαναφόρτιση. Όταν συμβαίνει αυτό, ηλεκτρόνια αφαιρούνται από το ενεργό υλικό του ενός ηλεκτροδίου με μια αντίδραση που ονομάζεται οξείδωση (oxidation) και ηλεκτρόνια προστίθενται στο ενεργό υλικό του άλλου ηλεκτροδίου με μια αντίδραση που ονομάζεται αναγωγή (reduction). Οι χημικές αντιδράσεις για τη φόρτιση του συσσωρευτή εκφράζονται ως εξής: - Για το θετικό ηλεκτρόδιο: PbSΟ 4 (s) + 2H 2 O(l) PbO 2 (s) + HSΟ 4 (aq) + 3H + (aq) + 2e (2.9) - Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο: PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e Pb(s) + HSΟ 4 (aq) (2.10) Σε περίπτωση υπερφόρτισης του συσσωρευτή με τάση μεγαλύτερη της ονομαστικής, οξυγόνο και υδρογόνο παράγονται από την ηλεκτρόλυση του νερού σχηματίζοντας αέρια στην μπαταρία. Κατά συνέπεια, για βελτιστοποίηση της 39

60 Κεφάλαιο 2 λειτουργίας της και αύξηση της διάρκειας ζωής της απαιτείται περιοδική επίβλεψη των επιπέδων του ηλεκτρολύτη και αναπλήρωση του νερού που έχει χαθεί. Ακόμη, λόγω του νερού που παράγεται στο εσωτερικό της, η μπαταρία πρέπει να προστατεύεται από χαμηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα όταν βρίσκεται σε χαμηλή στάθμη φόρτισης. Σε περίπτωση που το περιεχόμενο στο εσωτερικό της παγώσει είναι δυνατόν να δημιουργηθούν ρωγμές στο εξωτερικό κέλυφος, καθώς και αδυναμία παροχής μεγάλων ρευμάτων σε όλες τις καταστάσεις λειτουργίας (φόρτιση-εκφόρτιση). Τέλος, πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή στην απομάκρυνσή τους μετά το τέλος της διάρκειας ζωής τους καθώς ο μόλυβδος είναι ιδιαίτερα τοξικός για τον άνθρωπο και το περιβάλλον Χαρακτηριστικά μεγέθη των συσσωρευτών Τα πιο βασικά χαρακτηριστικά που περιγράφουν τη λειτουργία μιας μπαταρίας είναι η τάση της, η χωρητικότητά της, το βάθος εκφόρτισης (Depth of Charge-DOD), καθώς και η στάθμη φόρτισης (State of Charge-SOC). Σύμφωνα με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά μια μπαταρία κρίνεται κατάλληλη ή ακατάλληλη για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Η τάση ή διαφορά δυναμικού του συσσωρευτή μετριέται σε volts (V) και εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των δύο ηλεκτροδίων του. Γενικά, η ονομαστική τάση του στοιχείου προέρχεται από τη χημική του σύσταση, αλλά στην πραγματικότητα, όταν το στοιχείο έχει όλη του την ενέργεια η τάση του είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική, ενώ όσο η ενέργειά του εξαντλείται, η τάση του μειώνεται. Επιπλέον, η τάση που δείχνουν τα στοιχεία εν κενώ είναι εν γένει πλασματική. Έτσι, υπάρχει πιθανότητα σε ένα πρακτικά άδειο στοιχείο η μέτρηση εν κενώ να δείξει κάποια τιμή τάσης, ωστόσο όταν το στοιχείο συνδεθεί με κάποιο φορτίο η τάση του να γίνει αμελητέα μικρή [31]. Η χωρητικότητα C ενός συσσωρευτή μετριέται σε αμπερώρια (Ah) και αποτελεί ουσιαστικά το μέτρο της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου το οποίο μπορεί να προσφερθεί από μία μπαταρία όταν αυτή εκφορτιστεί από κατάσταση πλήρους φορτίσεως στην ελάχιστη επιτρεπτή τάση. Πρακτικά, η χωρητικότητα δείχνει τη θεωρητική διάρκεια κατά την οποία μπορεί να εκφορτίζεται ένα στοιχείο με κάποιο σταθερό ρεύμα. Έτσι για παράδειγμα, ένας συσσωρευτής με ονομαστική χωρητικότητα 100 Ah μπορεί να αποδώσει ρεύμα 100 Α για χρονικό διάστημα 1 40

61 Κεφάλαιο 2 ώρας ή 10 Α για 10 ώρες ή 1 Α για 100 ώρες κ.ο.κ. Το παραπάνω φυσικά είναι εντελώς θεωρητικό, καθώς όσο μεγαλώνει το ρεύμα εκφόρτισης τόσο μικραίνει ο χρόνος απόδοσης και αντίστροφα, όσο μικραίνει το ρεύμα τόσο μεγαλώνει ο χρόνος. Μερικοί παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την χωρητικότητα μιας συστοιχίας μπαταριών είναι η θερμοκρασία τους, ο ρυθμός φόρτισής τους, το πόσο έχουν χρησιμοποιηθεί (αριθμός κύκλων φορτίσεως) και το κατά πόσο ευμενώς έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν [22]. Πολλαπλασιάζοντας τη χωρητικότητα (Ah) με την τάση (V) ενός συνόλου στοιχείων είναι δυνατόν να λάβουμε τη συνολική ενέργεια σε βαττώρες (Wh), η οποία είναι αποθηκευμένη σε αυτά. Συνεπώς, για τον υπολογισμό της ενέργειας μιας συστοιχίας μπαταριών πρέπει να γνωρίζουμε τόσο τον αριθμό των στοιχείων που την αποτελούν, όσο και τα χαρακτηριστικά της χωρητικότητας και τάσης τους. Για παράδειγμα, εάν από μια παρτίδα στοιχείων με χωρητικότητα 0,4Ah κατασκευαστεί μια μπαταρία με τέσσερα στοιχεία και άλλη μια με οκτώ στοιχεία, τότε και οι δύο θα έχουν την ίδια χωρητικότητα, όμως η δεύτερη μπαταρία θα έχει δυνατότητα αποθήκευσης διπλάσιας ενέργειας. Σε πολλούς τύπους μπαταριών δεν είναι δυνατή η πλήρης απομάστευση της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη, χωρίς ο συσσωρευτής να υποστεί σοβαρή ή ακόμα και ανεπανόρθωτη βλάβη. Για την αποφυγή του παραπάνω, ο κάθε κατασκευαστής ορίζει μια επιτρεπόμενη στάθμη μέχρι την οποία είναι δυνατόν να εκφορτίζεται η μπαταρία με ασφάλεια. Αυτή η στάθμη ονομάζεται βάθος εκφόρτισης της μπαταρίας (Depth of Discharge-DOD). Πρακτικά, η στάθμη αυτή καθορίζει το ποσοστό της ενέργειας που μπορεί να δώσει η συγκεκριμένη μπαταρία για το στάδιο της εκφόρτισης. Το βάθος εκφόρτισης μετριέται επί τις εκατό (%) της ονομαστικής χωρητικότητας. Έτσι για παράδειγμα, αν το βάθος εκφόρτισης μιας μπαταρίας είναι 75% (DOD= 75%) αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια το 75% της χωρητικότητας της μπαταρίας. Αντίστοιχα, η διαθέσιμη χωρητικότητα του συσσωρευτή καλείται στάθμη φόρτισης (State of Charge-SOC) και εκφράζεται επίσης σε ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας. Η σχέση που συνδέει τα δύο παραπάνω μεγέθη έχει τη μορφή: SOC = 100% DOD (2.11) 41

62 Κεφάλαιο 2 Τέλος, ως κύκλος (Cycle) αναφέρεται μια πλήρης εκφόρτιση του συσσωρευτή μαζί με την επόμενη επαναφόρτιση. Δυστυχώς, κατά τη διάρκεια ενός κύκλου συμβαίνουν μη αναστρέψιμες μεταβολές που προκαλούν βαθμιαία μείωση της διαθέσιμης χωρητικότητας, ώσπου το στοιχείο να μην μπορεί πλέον να λειτουργήσει ικανοποιητικά και έχει εξαντλήσει τη διάρκεια ζωής του. Ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή δίνεται από το λόγο: Pυθμός φόρτισης εκφόρτισης = C X (2.12) όπου C είναι η ονομαστική χωρητικότητα του συσσωρευτή και Χ είναι ο αριθμός των ωρών φόρτισης-εκφόρτισης Μέθοδοι φόρτισης συσσωρευτών Για τη φόρτιση ενός συσσωρευτή απαιτείται η σύνδεσή του με μια πηγή τροφοδοσίας για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ο αρνητικός πόλος του συσσωρευτή συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής και αντίστοιχα, ο θετικός πόλος του συσσωρευτή συνδέεται με τον θετικό πόλο της πηγής, προκειμένου το ρεύμα να περάσει από τους πόλους της μπαταρίας αντίθετα απ ότι στην φάση της εκφόρτισης. Η φόρτιση των συσσωρευτών γίνεται αποκλειστικά με συνεχές ρεύμα και τάση (DC current & voltage), ενώ είναι αδύνατο να γίνει φόρτιση συσσωρευτών απευθείας από εναλλασσόμενη πηγή τροφοδοσίας (AC source). Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την επιλογή μεθόδου φόρτισης των συσσωρευτών είναι κυρίως η ένταση της φόρτισης, καθώς και ο χρόνος περάτωσης της φόρτισης, τα οποία θα συζητηθούν στη συνέχεια. Γενικά, κάθε μέθοδος φόρτισης ανταποκρίνεται καλύτερα σε έναν συγκεκριμένο τύπο συσσωρευτών. Οι κυριότερες μέθοδοι φόρτισης είναι οι εξής [31]: Σταθερού Ρεύματος (Constant Current) Αποτελεί την πιο γρήγορη μέθοδο φόρτισης μιας μπαταρίας, ενώ παράλληλα προσφέρει και εξισορρόπηση μεταξύ των επιπέδων φόρτισης των κελιών της μπαταρίας. Στους φορτιστές στους οποίους χρησιμοποιείται η μέθοδος του σταθερού ρεύματος η τάση που εφαρμόζεται στις μπαταρίες μεταβάλλεται, ούτως ώστε να διατηρείται μια σταθερή ροή ρεύματος. Όταν η τάση των μπαταριών φτάσει την τιμή που παρουσιάζουν πλήρως φορτισμένες, η διαδικασία της φόρτισης 42

63 Κεφάλαιο 2 σταματάει. Ωστόσο, σ αυτήν τη μέθοδο ο χρόνος φόρτισης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά και αυτό γιατί αν η φόρτιση συνεχίζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα και ενώ η μπαταρία έχει φτάσει σε κατάσταση πλήρους φόρτισης, τότε η τάση της αυξάνεται υπερβολικά, η μπαταρία υπερφορτίζεται, με αποτέλεσμα τη διάβρωση του πλέγματος των ηλεκτροδίων, την παραγωγή αερίων, ακόμα και την τελική καταστροφή της. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως σε συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (NiCd) και νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH). Σταθερής Τάσης (Constant Voltage) Πρόκειται για μια συντηρητική μέθοδο, η οποία μειώνει τον κίνδυνο διάβρωσης του πλέγματος των ηλεκτροδίων, αλλά παρουσιάζει το μειονέκτημα της μη εξισορρόπησης των κελιών της μπαταρίας με άμεσο αποτέλεσμα τη διαφοροποίηση του επιπέδου φόρτισής τους. Ουσιαστικά, ένας φορτιστής σταθερής τάσης αποτελείται από ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, το οποίο αποτελείται από ένα μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης και έναν ανορθωτή διόδων, ο οποίος μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή προκειμένου να φορτιστούν οι μπαταρίες. Τέτοιες απλές διατάξεις φόρτισης χρησιμοποιούνται συχνά σε φθηνούς φορτιστές μπαταριών αυτοκινήτου, αλλά και σε εφεδρικά συστήματα παροχής ισχύος. Η μέθοδος σταθερής τάσης χρησιμοποιείται κυρίως σε συστήματα με συσσωρευτές μολύβδου-οξέος και λιθίου-ιόντων (Li-ion). Κωνικού Ρεύματος (Taper Current) Η μέθοδος κωνικού ρεύματος είναι μέθοδος φόρτισης από μια μη ελεγχόμενη πηγή τάσης, η οποία προέρχεται από μια γέφυρα πλήρους ανόρθωσης και έναν μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης. Μεταξύ των μπαταριών και του μετατροπέα συνήθως τοποθετείται μια μικρή αντίσταση περιορισμού του ρεύματος σε σειρά, η τιμή της οποίας εξαρτάται από την τάση των μπαταριών σε κατάσταση πλήρους φόρτισης και από το μέγιστο ρεύμα φόρτισης. Όσο αυξάνεται η τάση των φορτιζόμενων μπαταριών το ρεύμα που τραβάνε από την πηγή τροφοδοσίας μειώνεται. Επειδή σε αυτή τη μέθοδο φόρτισης η τάση που εφαρμόζεται πάνω στις μπαταρίες είναι μη ελεγχόμενη, μόλις αυτές φορτιστούν πλήρως το ρεύμα που απαιτούν αυξομειώνεται. Κατά συνέπεια για να αποφευχθεί ο κίνδυνος υπερφόρτισης πρέπει η διάρκεια της φόρτισης να είναι ελεγχόμενη. 43

64 Κεφάλαιο 2 Η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη μόνο για σφραγισμένες μπαταρίες τύπου μολύβδου-οξέος (Sealed Lead-Acid batteries-sla). Παλμική Φόρτιση (Pulsed Charging) Κατά την παλμική φόρτιση το απαιτούμενο ρεύμα φόρτισης παρέχεται στη μπαταρία σε παλμούς και ο ρυθμός φόρτισης μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια μεταβάλλοντας το εύρος των παλμών. Μικρά χρονικά διαστήματα της τάξης των είκοσι έως τριάντα χιλιοστών του δευτερολέπτου μεταξύ των παλμών, επιτρέπουν στις χημικές διεργασίες μέσα στην μπαταρία να σταθεροποιηθούν εξισώνοντας τις χημικές αντιδράσεις σε όλο τον όγκο του ηλεκτροδίου πριν να ξαναρχίσει η φόρτιση. Αυτή η καθυστέρηση, επιτρέπει στη χημική αντίδραση να συμβαδίζει με το ρυθμό της εισαγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Φόρτιση Αρνητικών Παλμών (Negative Pulse Charging) Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σε συνεργασία με τη μέθοδο παλμικής φόρτισης. Εφαρμόζει έναν παλμό εκφόρτισης μικρής χρονικής διάρκειας, συνήθως δύο με τρείς φορές την τιμή του ρεύματος φόρτισης για πέντε χιλιοστά του δευτερολέπτου, κατά τη διάρκεια των διαστημάτων χαλάρωσης για να αποπολώσει το κύτταρο. Αυτοί οι παλμοί διαλύουν τυχούσες φυσαλίδες αερίων που σχηματίζονται στα ηλεκτρόδια κατά τη διάρκεια της παλμικής φόρτισης, επιταχύνοντας τη διαδικασία της σταθεροποίησης των χημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό της μπαταρίας και επομένως τη συνολική διαδικασία φόρτισης. Σταθερού Ρεύματος-Σταθερής Τάσης-Σταθερού Ρεύματος (IUI Charging) Σε αυτή τη μέθοδο η μπαταρία φορτίζεται αρχικά με σταθερό ρεύμα (Ι) μέχρι η τάση της να φτάσει μια ορισμένη τιμή (Bulk charge phase). Όταν η τιμή της τάσης φθάνει την προκαθορισμένη τιμή, ο φορτιστής μεταβαίνει στην κατάσταση φόρτισης σταθερής τάσης (U) μέχρι το ρεύμα της μπαταρίας να φτάσει κάποια επίσης καθορισμένη τιμή. Τελικά, ο φορτιστής αλλάζει και πάλι σε κατάσταση σταθερού ρεύματος (Ι) και η τάση συνεχίζει να αυξάνεται μέχρις ότου φθάσει σε ένα νέο υψηλότερο καθορισμένο όριο στο οποίο ο φορτιστής τελικά σβήνει. Trickle Charging Πρόκειται μια για μέθοδο διαρκούς φόρτισης με σταθερό ρεύμα προκειμένου η μπαταρία να είναι έτοιμη να χρησιμοποιηθεί μακροπρόθεσμα όταν τη χρειαστεί ο χρήστης. Χρησιμοποιείται για μικρά ρεύματα φόρτισης και για 44

65 Κεφάλαιο 2 φόρτιση μπαταριών μικρής χωρητικότητας, ενώ ο ρυθμός φόρτισης που παρέχει μεταβάλλεται ανάλογα με τη συχνότητα εκφόρτισης της μπαταρίας. Εφαρμόζεται κυρίως σε μπαταρίες τύπου νικελίου-καδμίου και μολύβδου-οξέος, στους οποίους η αυτοεκφόρτιση που παρουσιάζεται είναι αμελητέα. Float Charging Σε αυτή τη μέθοδο φόρτισης η μπαταρία και το φορτίο είναι μονίμως συνδεδεμένα παράλληλα στη συνεχή πηγή παροχής ισχύος και διατηρούνται σε μία σταθερή τάση, μικρότερη από το πάνω όριο τάσης της μπαταρίας. Η παραπάνω μέθοδος χρησιμοποιείται για συστήματα εφεδρικής παροχής ισχύος έκτακτης ανάγκης και κυρίως σε μπαταρίες τύπου μολύβδου-οξέος (Lead-Acid). Τυχαία Φόρτιση (Random Charging) Υπάρχουν πολλές εφαρμογές στις οποίες η ενέργεια για τη φόρτιση της μπαταρίας παρέχεται με τυχαίο και μη ελεγχόμενο τρόπο, όπως για παράδειγμα στην αυτοκίνηση, σε εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων ή σε εφαρμογές υβριδικών οχημάτων που διαθέτουν τόσο κινητήρα εσωτερικής καύσης όσο και ηλεκτροκινητήρα. Οι περισσότερες από αυτές τις εφαρμογές διαθέτουν αναγεννητική πέδηση, η οποία εκμεταλλεύεται τις μεγάλες αιχμές ισχύος που παράγονται κατά τη διάρκεια του φρεναρίσματος και τις αποθηκεύει στη μπαταρία. Αντίστοιχα, τυχαία φόρτιση αλλά με πιο ομαλό τρόπο γίνεται με τις εγκαταστάσεις των ηλιακών πάνελ, όπου η ωφέλιμη προς αποθήκευση ενέργεια παράγεται μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές μέθοδοι φόρτισης των συσσωρευτών. Basic Charging Methods Constant Voltage Cheap battery chargers Constant Current Switches off at set-point Taper Current Unregulated constant voltage Pulsed Charge Voltage PWM on/rest/on Negative Pulse Charge Short discharge pulse IUI Charging Constant I, constant V, equalize IUO Charging Constant I, constant V, float Trickle Charge Compensate for self discharge Float Charge Constant voltage below gassing V Random Charging Solar panel, KERS Πίνακας 2.1: Συνοπτικός πίνακας βασικών μεθόδων φόρτισης συσσωρευτών. 45

66 Κεφάλαιο Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος Οι καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούν κατά κανόνα το δίκτυο μιας εταιρείας ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών τους σε ηλεκτρικό φορτίο. Οι εταιρείες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υποχρεούνται να παρέχουν στους χρήστες του δικτύου τους μονοφασική ή τριφασική εναλλασσόμενη τάση σε ημιτονοειδή μορφή, με ονομαστικές τιμές τάσης και συχνότητας, οι οποίες διαφέρουν από χώρα σε χώρα. Ο σύγχρονος τρόπος ζωής του ανθρώπου και η σύγχρονη βιομηχανία έχουν καθιερώσει τη χρήση μεγάλου αριθμού ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών οι οποίες είναι ευαίσθητες στην αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος. Η αξιοπιστία ισχύος σχετίζεται με τις μικρής ή μεγάλης διάρκειας διακοπές της τροφοδοσίας και για τα σημερινά ευαίσθητα φορτία μεγάλη σημασία έχει ο συνολικός αριθμός των διακοπών και η συχνότητα βυθίσεως της τάσης, η διάρκειά τους και το μέγεθος βυθίσεων της τάσης. Ως ποιότητα ισχύος (PQ) ορίζεται από τα πρότυπα IEC( /4) και CENELEC(EN50160) το φυσικό χαρακτηριστικό του ηλεκτρισμού που παρέχεται στους καταναλωτές κατά το οποίο κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας, δεν ενοχλούνται και δεν διακόπτονται οι διαδικασίες τους [1]. Σαν συνέπεια των δύο παραπάνω απαιτήσεων των καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας, η παρεχόμενη τάση και συχνότητα που προσφέρουν οι εταιρείες ηλεκτρισμού δεν πρέπει να αποκλίνουν από τις ονομαστικές τους τιμές πέρα από τα όρια που καθορίζουν οι ευρωπαϊκοί κανονισμοί, καθώς τότε οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές δεν λειτουργούν σωστά και μπορεί να προκληθεί σε αυτές βλάβη. Οι εταιρίες ηλεκτρισμού όμως, για λόγους που δεν εξαρτώνται πάντοτε από τις ίδιες, όπως τα καιρικά φαινόμενα (βροχή, άνεμος, κεραυνοί κλπ.) δεν έχουν την δυνατότητα να εξασφαλίζουν πάντα την κατάλληλη τάση και συχνότητα, αλλά και τη συνεχή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον περιορισμό ή και την εξάλειψη των προβλημάτων που προκαλούνται από τους παραπάνω λόγους, χρησιμοποιούνται συχνά ανεξάρτητες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας, όπως το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος [1]. Ως Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος (Η/Ζ) ορίζεται κάθε διάταξη που περιλαμβάνει κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο οποίος κινεί περιστροφική ηλεκτρογεννήτρια για συνεχή παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος (ΥΑ /2003 ΦΕΚ Β 1418/ 46

67 Κεφάλαιο ). Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος αποτελεί μια ανεξάρτητη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία χρησιμοποιείται: Ως κύρια πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε εγκαταστάσεις οι οποίες είναι απομακρυσμένες από το κύριο δίκτυο ηλεκτροδότησης. Ως εφεδρική πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε εγκαταστάσεις οι οποίες χρησιμοποιούν ως κύρια πηγή το δίκτυο μιας εταιρείας, όταν οι συνθήκες τάσης και συχνότητας γίνουν ακατάλληλες για την τροφοδοσία των φορτίων ή όταν διακοπεί η παροχή από την κύρια πηγή. Ως εφεδρική πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε εγκαταστάσεις οι οποίες τροφοδοτούνται από ένα μικροδίκτυο, που χρησιμοποιεί ως κύριες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας μία ή περισσότερες ΑΠΕ (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια κλπ.). Σε ιδιαίτερες περιπτώσεις, παράλληλα με το κύριο δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, για την κάλυψη των αιχμών που δημιουργούν τα ηλεκτρικά φορτία της εγκατάστασης. Στο Σχήμα 2.9 παρουσιάζεται ένα τυπικό ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, ενώ διακρίνονται τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται: η κινητήρια μηχανή, η γεννήτρια, ο πίνακας ελέγχου και μεταγωγής και τέλος, η βάση στήριξης. Σχήμα 2.9: Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος CS420-1 με κύρια ισχύ 420 kva και εφεδρική 460 kva [32]. 47

68 Κεφάλαιο Κινητήρια μηχανή Στα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη, ως κινητήριες μηχανές χρησιμοποιούνται κάποιες ειδικά κατασκευασμένες μηχανές εσωτερικής καύσης. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι μια θερμική μηχανή, στην οποία το καύσιμο καίγεται παρουσία αέρα μέσα σε ένα περιορισμένο χώρο, ο οποίος ονομάζεται θάλαμος καύσης και από την εξώθερμη αντίδραση του καυσίμου με τον οξειδωτή, δηλαδή το οξυγόνο, δημιουργούνται θερμά αέρια. Στον κινητήρα εσωτερικής καύσης η εκτόνωση της πίεσης των αερίων που παράγονται ασκεί δύναμη στο κινητό μέρος του κινητήρα, όπως τα έμβολα ή τα πτερύγια με αποτέλεσμα την παραγωγή μηχανικής ενέργειας, η οποία κινεί τον δρομέα της γεννήτριας μηχανής Διάκριση κινητήριων μηχανών Ανάλογα με το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιεί η κινητήρια μηχανή, οι μηχανές εσωτερικές καύσης διακρίνονται σε: πετρελαίου (diesel), βενζίνης και αερίου [33]. Κινητήρας πετρελαίου (diesel) Ο κινητήρας ντίζελ ή ντιζελοκινητήρας είναι τύπος κινητήρα εσωτερικής καύσης στον οποίο η ανάφλεξη προκαλείται από την υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται λόγω της πολύ μεγάλης συμπίεσης του αερίου (αδιαβατική μεταβολή). Οι ντιζελοκινητήρες κατασκευάζονται σε δίχρονες και τετράχρονες εκδοχές, ανάλογα με το εάν ο κύκλος καύσης πραγματοποιείται σε δύο ή τέσσερις χρόνους. Ο κινητήρας ντίζελ έχει τη μεγαλύτερη θερμική απόδοση από τις υφιστάμενες μηχανές εσωτερικής και εξωτερικής καύσης, εξαιτίας του πολύ υψηλού λόγου συμπίεσης και του τρόπου καύσης του, η οποία επιτρέπει την απαγωγή της θερμότητας από την περίσσεια αέρα. Συγκεκριμένα, οι κινητήρες ντίζελ μικρής ταχύτητας έχουν απόδοση πάνω από 50%. Γενικά, οι κινητήρες πετρελαίου κοστίζουν περισσότερο από τους αντίστοιχους κινητήρες βενζίνης και αερίου, αλλά πλεονεκτούν σε στιβαρότητα και αξιοπιστία και διαθέτουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη με κινητήρα πετρελαίου κατασκευάζονται για ισχύ από 2,5kW έως μερικά MW. 48

69 Κεφάλαιο 2 Κινητήρας βενζίνης Οι κινητήρες βενζίνης είναι παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης, οι οποίες χρησιμοποιούν ως καύσιμο τη βενζίνη και στους οποίους, σε αντίθεση με τους κινητήρες πετρελαίου, η ανάφλεξη γίνεται με τη βοήθεια σπινθήρα. Πλεονεκτούν στο ότι έχουν χαμηλότερο κόστος και στο ότι διαθέτουν γρήγορη εκκίνηση, ενώ αντίστοιχα έχουν και ορισμένα σοβαρά μειονεκτήματα όπως το μεγάλο λειτουργικό κόστος, ο μικρός χρόνος αποθήκευσης καυσίμου και η απαίτηση για συχνή συντήρηση. Τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη με κινητήρα βενζίνης κατασκευάζονται για ισχύ έως 100kW. Κινητήρας αερίου Οι κινητήρες αερίου είναι παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης, οι οποίες χρησιμοποιούν ως καύσιμο φυσικό αέριο και στους οποίους η ανάφλεξη γίνεται με τη βοήθεια σπινθήρα. Διαθέτουν μια σειρά από πλεονεκτήματα όπως το ότι διαθέτουν μεγάλη διάρκεια ζωής και απαιτούν μικρή συντήρηση, λόγω της χρήσης του φυσικού αερίου που είναι καθαρό καύσιμο, προσφέρουν γρήγορη εκκίνηση μετά από μεγάλη περίοδο διακοπής λειτουργίας, ενώ το κόστος τους είναι αντίστοιχο με αυτό των κινητήρων βενζίνης. Τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη με κινητήρα φυσικού αερίου κατασκευάζονται για ισχύ έως 600kW Συστήματα κινητήριας μηχανής Ο κινητήρας κάθε ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους διαθέτει ένα σύνολο συστημάτων για τη σωστή λειτουργία και τον έλεγχό του. Τα συστήματα αυτά αφορούν την εκκίνηση της μηχανής, την ψύξη της, τη λίπανσή της και τέλος, τη ρύθμιση των στροφών της, τα οποία θα αναλυθούν στην συνέχεια. Σύστημα εκκίνησης Ως σύστημα εκκίνησης ορίζεται το σύστημα το οποίο είναι υπεύθυνο για την περιστροφή του άξονα του κινητήρα έως ότου αυτός φτάσει στον κατάλληλο αριθμό στροφών, για να μπορέσει ο κινητήρας να τεθεί σε λειτουργία. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους, διακρίνουμε τα συστήματα εκκίνησης σε δύο κατηγορίες: τα ηλεκτρικά και τα υδραυλικά. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο σύστημα εκκίνησης είναι το ηλεκτρικό, το οποίο είναι παρόμοιο με το σύστημα εκκίνησης των αυτοκινήτων και τα βασικά 49

70 Κεφάλαιο 2 μέρη από τα οποία αποτελείται είναι ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος (μίζα) και οι συσσωρευτές οι οποίοι το τροφοδοτούν. Οι συσσωρευτές του συστήματος εκκίνησης είναι συνήθως μόλυβδου-οξέος με τάση 12V ή 24V και η φόρτισή τους γίνεται από τη γεννήτρια μηχανή, όταν το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος βρίσκεται σε λειτουργία ή από ξεχωριστό αυτόνομο φορτιστή, ο οποίος τροφοδοτείται από το δίκτυο της ΔΕΗ, όταν το ζεύγος δεν βρίσκεται σε λειτουργία. Τα υδραυλικά συστήματα εκκίνησης χρησιμοποιούνται σε πολύ μεγάλης ισχύος μονάδες ηλεκτροπαραγωγών ζευγών, όπου η εκκίνηση με ηλεκτρικό σύστημα εκκίνησης είναι αδύνατη. Σύστημα ψύξης Οι μηχανές εσωτερικής καύσης αναπτύσσουν στο εσωτερικό τους υψηλή θερμοκρασία, η οποία πρέπει να αποβάλλεται για να διατηρείται η εύρυθμη λειτουργία τους. Το σύστημα ψύξης των κινητήρων είναι υπεύθυνο για την ψύξη τους μέσω της χρήσης είτε αέρα (αερόψυκτες), είτε νερού (υδρόψυκτες). Οι ντιζελοκιννητήρες που χρησιμοποιούνται κατά κόρον σήμερα στα συστήματα ηλεκτροπαραγωγών ζευγών διατίθενται με σύστημα ψύξης κλειστού κυκλώματος βεβιασμένης κυκλοφορίας νερού. Το σύστημα αυτό αποτελείται από την αντλία, το ψυγείο και τον ανεμιστήρα. Η αντλία κυκλοφορεί το νερό από τον κινητήρα, όπου παραλαμβάνει τη θερμότητα, στο ψυγείο, το οποίο αποδίδει τη θερμότητα στον αέρα και ξανά πίσω στη μηχανή για να επαναληφθεί ο κύκλος. Σύστημα ρύθμισης ταχύτητας Κάθε φορά που στην έξοδο του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους προστίθεται ή αφαιρείται φορτίο, τότε η ταχύτητα της κινητήριας μηχανής μειώνεται ή αυξάνεται, αντίστοιχα. Αυτή η μεταβολή της ταχύτητας οδηγεί στην αντίστοιχη μεταβολή της ηλεκτρικής συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης που παράγεται από τη γεννήτρια. Επειδή λόγω του φορτίου που τροφοδοτείται και της ποιότητας ισχύος που πρέπει να παρέχεται η συχνότητα πρέπει να διατηρείται σταθερή, ο κινητήρας εξοπλίζεται με έναν ρυθμιστή ταχύτητας (Governor), ο οποίος αποτελείται από ένα σύστημα αυτοματισμού που παρακολουθεί και ελέγχει αυτόματα την ταχύτητα του κινητήρα με σκοπό να τη διατηρήσει σταθερή. Διακρίνονται δύο τρόποι λειτουργίας του συστήματος ρύθμισης ταχύτητας στους 50

71 Κεφάλαιο 2 κινητήρες: η ισόχρονη (isochronous), που είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα και με πτώση (droop) που είναι ένα μηχανικό σύστημα. Στην ισόχρονη (isochronous) λειτουργία το σύστημα ρύθμισης της ταχύτητας διατηρεί σταθερές τις στροφές του κινητήρα για κάθε μεταβολή του φορτίου (από μηδέν έως πλήρες) και κατά συνέπεια η μεταβολή της συχνότητας είναι σχεδόν μηδενική (σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς η μεταβολή αυτή δεν υπερβαίνει το ± 0,25%). Στη λειτουργία με πτώση (droop) το σύστημα ρύθμισης της ταχύτητας επιτρέπει μια μικρή πτώση της ταχύτητας (γύρω στο ~5%) με σκοπό να καλυφθεί το απαιτούμενο φορτίο στην έξοδο του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους. Η επιλογή της λειτουργίας του συστήματος ρύθμισης ταχύτητας εξαρτάται κυρίως από την εγκατάσταση στην οποία βρίσκεται το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Σε εγκαταστάσεις οι οποίες διαθέτουν ευαίσθητα φορτία απαιτείται αυστηρά σταθερή συχνότητα του συστήματος και κατά συνέπεια χρησιμοποιείται ισόχρονη λειτουργία στο σύστημα ρύθμισης της ταχύτητας. Σε εγκαταστάσεις οι οποίες δεν έχουν υψηλές απαιτήσεις ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται λειτουργία του συστήματος ρύθμισης της ταχύτητας με πτώση Γεννήτρια μηχανή Το ρόλο της γεννήτριας μηχανής ενός ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους συνήθως αναλαμβάνει μια σύγχρονη μηχανή. 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: όπου: n s = f s P - n s : ο σύγχρονος αριθμός στροφών - f s : η συχνότητα του δικτύου και - P: ο αριθμός των ζευγών πόλων της μηχανής. (2.13) Σε περίπτωση που δεν ικανοποιείται η παραπάνω σχέση, τότε λέμε ότι η σύγχρονη μηχανή αποσυγχρονίζεται. Η κατάσταση αυτή δεν επιτρέπεται να είναι μόνιμη, διότι επέρχονται βλάβες και η μηχανή παύει να λειτουργεί [34]. 51

72 Κεφάλαιο 2 Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10 στη σύγχρονη μηχανή διακρίνουμε τα δύο βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται: το στάτη, που είναι το ακίνητο μέρος και το δρομέα, που είναι το περιστρεφόμενο μέρος. Στην παρούσα μελέτη, κατά την οποία η σύγχρονη μηχανή λειτουργεί αποκλειστικά ως γεννήτρια, ο δρομέας είναι συνδεδεμένος και στρέφεται από την κινητήρια μηχανή του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους. Ο στάτης είναι μια κοίλη κυλινδρική κατασκευή από σιδηρομαγνητικό υλικό σε μορφή ελασμάτων που φέρει διαμήκεις αύλακες στην εσωτερική του επιφάνεια. Στις αύλακες αυτές τοποθετούνται τα τυλίγματα του στάτη, που διευθετούνται σε τρεις συμμετρικές ζώνες (μια για κάθε φάση) που απέχουν μεταξύ τους στο χώρο 120 ο. Σε κάθε τύλιγμα του στάτη αντιστοιχεί ένας άξονας, που είναι κάθετος στο επίπεδο του αντίστοιχου τυλίγματος. Ο στάτης έχει, δηλαδή, τρεις άξονες a, b και c που είναι ακίνητοι. Ο a-άξονας λαμβάνεται πάντα ως άξονας αναφοράς [2]. Ο δρομέας είναι μια συμπαγής σιδηρομαγνητική κατασκευή που τοποθετείται στον άξονα της μηχανής και περιστρέφεται μέσα στο στάτη. Στο δρομέα υπάρχει επίσης τύλιγμα, το τύλιγμα πεδίου, που τροφοδοτείται από πηγή συνεχούς ρεύματος, τη διεγέρτρια. Σκοπός αυτού του τυλίγματος είναι η παραγωγή ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου [2]. Σχήμα 2.10: Σχηματική παράσταση τομής σύγχρονης μηχανής [35]. Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες διεγερτριών για τον έλεγχο του ρεύματος πεδίου [36]: 1. Γεννήτρια ΣΡ, συνδεδεμένη στον άξονα της στροβιλογεννήτριας, η οποία διεγείρεται συνήθως από βοηθητική γεννήτρια. Ανάλογα με τον τύπο της βοηθητικής γεννήτριας η έξοδός της τροφοδοτείται στην κύρια διεγέρτρια 52

73 Κεφάλαιο 2 μέσω ροοστάτη ή ανορθωτικής γέφυρας με θυρίστορ, που ελέγχονται από το ρυθμιστή τάσης. 2. Γεννήτρια ΕΡ, της οποίας η έξοδος ανορθώνεται με στρεφόμενη ανορθωτική γέφυρα, εδραζόμενη στον άξονα της στροβιλογεννήτριας. Η διέγερσή της συνήθως γίνεται από βοηθητική αυτοδιεγειρόμενη γεννήτρια ΕΡ, της οποίας η έξοδος ανορθώνεται και ελέγχεται από το ρυθμιστή τάσης. Με αυτό το σύστημα αποφεύγεται η χρήση ψηκτρών στην τροφοδοσία του ρεύματος πεδίου, για αυτό και χρησιμοποιείται σε μεγάλης ισχύος γεννήτριες. 3. Ανορθωτικές γέφυρες με θυρίστορ, που ελέγχονται από το ρυθμιστή τάσης. Αυτές τροφοδοτούνται από την έξοδο της γεννήτριας (για αυτό και αυτός ο τύπος διέγερσης ονομάζεται αυτοδιεγειρόμενος) και ελέγχουν απ ευθείας με μεγάλη ταχύτητα το ρεύμα πεδίου. Το τύλιγμα πεδίου δημιουργεί δύο μαγνητικούς πόλους στο δρομέα, που στο Σχήμα 2.10 συμβολίζονται με N και S. Ο άξονας των πόλων του δρομέα ονομάζεται ευθύς άξονας (d-άξονας), ενώ ο κάθετος προς αυτόν ονομάζεται εγκάρσιος άξονας (q-άξονας). Η θετική κατεύθυνση του d-άξονα λαμβάνεται να προηγείται της θετικής κατεύθυνσης του q-άξονα κατά 90 ο [2]. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι δρομέα: ο κυλινδρικός δρομέας, που είναι ουσιαστικά δρομέας δύο πόλων και προορίζεται για γεννήτριες υψηλής ταχύτητας και ο δρομέας με έκτυπους πόλους, που συνήθως χρησιμοποιείται για σχεδίαση γεννητριών μικρής ταχύτητας. Οι μηχανές με έκτυπους πόλους συνήθως έχουν τυλίγματα απόσβεσης, τα οποία αποτελούνται από βραχυκυκλωμένες ράβδους χαλκού, οι οποίες είναι τοποθετημένες κατά μήκος της επιφάνειας των πόλων. Σκοπός των τυλιγμάτων αυτών είναι η μείωση των μηχανικών ταλαντώσεων του δρομέα γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα [2]. O στάτης και ο δρομέας σχεδιάζονται έτσι ώστε για σταθερή ταχύτητα δρομέα, να παράγεται μια ημιτονοειδής τάση σε κάθε ένα από τα τυλίγματα του στάτη. Οι τρεις τάσεις που παράγονται έχουν ίδιο μέτρο και συχνότητα, αλλά παρουσιάζουν φασική διαφορά 120 ο μεταξύ τους. Συνδέοντας συνεπώς τα τρία αυτά τυλίγματα σε τριφασική διάταξη, σχηματίζεται μια τριφασική πηγή. Καθώς ο αριθμός των κύκλων τάσης που παράγονται ανά περιστροφή του δρομέα ισούται με τον αριθμό των ζευγών πόλων, δηλ. για μηχανή με δρομέα δύο πόλων, παράγεται ένας κύκλος τάσης ανά πλήρη περιστροφή του δρομέα, για 53

74 Κεφάλαιο 2 μηχανή με δρομέα τεσσάρων πόλων παράγονται δύο κύκλοι τάσης ανά πλήρη περιστροφή κ.ο.κ., η συχνότητα της παραγόμενης τάσης προκύπτει από τη σχέση: όπου: - P: ο αριθμός των πόλων της μηχανής f = P 2 N 60 = P 2 f m Hz (2.14) - N: η ταχύτητα του δρομέα σε στροφές ανά λεπτό (rpm) - f m : η μηχανική συχνότητα σε στροφές ανά δευτερόλεπτο που ισούται με N 60. Στο σημείο αυτό πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ της ηλεκτρικής γωνίας της μηχανής, η οποία χρησιμοποιείται για να εκφράσει τάσεις και ρεύματα και της μηχανικής γωνίας, που χρησιμοποιείται για να εκφράσει τη θέση του δρομέα. Η σχέση που συνδέεται τα δύο αυτά μεγέθη είναι ίση με: όπου θ e = P 2 θ m (2.15) - θ e : η ηλεκτρική γωνία εκφρασμένη σε μοίρες (ή ακτίνια) και - θ m : η ίδια γωνία εκφρασμένη σε μηχανικές μοίρες (ή ακτίνια) Σύστημα ελέγχου ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους Η εύρυθμη λειτουργία του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους επιτυγχάνεται χάριν στα δύο συστήματα ελέγχου που διαθέτει, δηλαδή τον έλεγχο πραγματικής ισχύος-συχνότητας P-f και τον έλεγχο αέργου ισχύος-τάσης Q-V, τα οποία θα αναλυθούν στην συνέχεια. Σκοπός του ελέγχου πραγματικής ισχύος-συχνότητας P-f είναι να ελέγχει τη συχνότητα και την ισχύ στις διασυνδετικές γραμμές. Η μεταβολή της συχνότητας Δf i και της ισχύος στις διασυνδετικές ΔP tie, που δίνει έμμεση πληροφορία για τη μεταβολή της διαφοράς των γωνιών των τάσεων στα άκρα τους Δδ, αφού ενισχυθούν, στη συνέχεια μετατρέπονται σε ένα σήμα ρύθμισης της μηχανικής ισχύος που τροφοδοτείται στην γεννήτρια, ΔP ci. Αποτέλεσμα αυτής της ρύθμισης είναι μια μεταβολή στη πραγματική ισχύ εξόδου της γεννήτριας ΔP Gi, που σκοπό έχει να μεταβάλλει την αρχική κατάσταση του συστήματος. 54

75 Κεφάλαιο 2 Σκοπός του ελέγχου αέργου ισχύος-τάσης Q-V είναι να ελέγχει το μέτρο της τάσης V i. Αρχικά εκτιμάται το σφάλμα τάσης Δ V i και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ένα σήμα μεταβολής της αέργου ισχύος ΔQ ci, που τροφοδοτείται στην πηγή διέγερσης. Το αποτέλεσμα είναι μια μεταβολή στο ρεύμα πεδίου του δρομέα, που μεταβάλλει τη παραγωγή αέργου ισχύος ΔQ Gi και την τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας [36]. Για μικρές μεταβολές της ενεργού και αέργου ισχύος η αλληλεπίδραση μεταξύ των ελέγχων P-f και Q-V μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα και συγκεκριμένα [36]: 1. Στατικές μεταβολές ΔP i στην πραγματική ισχύ του ζυγού επηρεάζουν κυρίως τη φασική γωνία της τάσης του ζυγού και κατά συνέπεια και τις ροές πραγματικής ισχύος στις γραμμές που συνδέονται με τον ζυγό και αφήνουν σχεδόν ανεπηρέαστο το μέτρο της τάσης του ζυγού και συνεπώς τις ροές αέργου ισχύος των γραμμών που συνδέονται με τον ζυγό. 2. Στατικές μεταβολές ΔQ i στην άεργο ισχύ του ζυγού επηρεάζουν κυρίως το μέτρο της τάσης του ζυγού και κατά συνέπεια και τις ροές αέργου ισχύος στις γραμμές που συνδέονται με τον ζυγό και αφήνουν σχεδόν ανεπηρέαστη τη φασική γωνία της τάσης του ζυγού και συνεπώς τις ροές πραγματικής ισχύς των γραμμών που συνδέονται με τον ζυγό. 3. Στατικές μεταβολές ΔQ i στην άεργο ισχύ ενός ζυγού επηρεάζουν κυρίως το μέτρο της τάσης του ίδιου ζυγού και ελάχιστα τα μέτρα των τάσεων των άλλων ζυγών του δικτύου. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια μεγάλων, δυναμικών μεταβολών παρατηρείται ισχυρή σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου για τους εξής λόγους: 1. Κατά τη μεταβολή του μέτρου της τάσης του ζυγού, μεταβάλλεται και το πραγματικό φορτίο του ζυγού, λόγω της εξάρτησής του από την τάση, δηλαδή ισχύει P D V Κατά τη μεταβολή του μέτρου της τάσης του ζυγού, μεταβάλλονται και οι συντελεστές χρονισμού των γραμμών, που συνδέονται στον ζυγό και άρα μεταβάλλεται και η πραγματική ισχύς που μεταφέρουν. Με βάση τα παραπάνω, μια δυναμική μεταβολή στον βρόχο Q-V επηρεάζει την ισορροπία πραγματικής ισχύος στο σύστημα, ενώ μια μεταβολή στο βρόχο P-f επηρεάζει πολύ λίγο την ισορροπία αέργου ισχύος στο σύστημα και τις τάσεις. 55

76 Κεφάλαιο 2 Γενικά, ο βρόχος Q-V είναι πολύ ταχύτερος από το βρόχο P-f, λόγω των μηχανικών σταθερών αδράνειας που περιλαμβάνει ο δεύτερος. Μπορούμε με ασφάλεια να υποθέσουμε συνεπώς, ότι η μεταβατική περίοδος του βρόχου Q-V έχει περάσει πριν αρχίσει τη δράση του ο βρόχος P-f και να αμελήσουμε τη σύζευξη μεταξύ των δύο αυτών βρόχων. Η υπόθεση αυτή απλοποιεί ιδιαίτερα την ανάλυση του συστήματος Έλεγχος P-f και ρυθμιστής συχνότητας Καθώς το φορτίο ενός ΣΗΕ ή ενός μικροδικτύου μεταβάλλεται συνεχώς κατά τη διάρκεια της ημέρας, η ισχύς εξόδου κάθε γεννήτριας οφείλει να ακολουθεί αυτές τις μεταβολές, προκειμένου να επικρατεί ισορροπία ισχύων στο σύστημα. Η ρύθμιση της ισχύος εξόδου των γεννητριών επιτυγχάνεται μέσω του ελέγχου της μηχανικής ισχύος στην είσοδό τους. Στο ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος η μηχανική ισχύς της γεννήτριας τροφοδοτείται μέσω του άξονα της κινητήριας μηχανής ντίζελ και κατά συνέπεια για τον έλεγχο της μηχανικής ισχύος απαιτείται ρύθμιση της ροής του καυσίμου στον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Εάν δημιουργηθεί μείωση του φορτίου και κατά συνέπεια η παραγόμενη ενεργός ισχύς γίνει μεγαλύτερη από αυτή που καταναλώνεται στο φορτίο, τότε η περίσσεια ισχύς εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια στα στρεφόμενα μέρη της μηχανής, η οποία επιταχύνεται. Αντίθετα, εάν δημιουργηθεί μια αύξηση του φορτίου, η παραγόμενη ισχύς της γεννήτριας δεν επαρκεί να καλύψει το φορτίο, το οποίο καλύπτεται απορροφώντας ενέργεια από τα στρεφόμενα μέρη της μηχανής, με αποτέλεσμα η τελευταία να επιβραδύνεται, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 2.11: Χαρακτηριστική καμπύλη συχνότητας-ενεργού ισχύος της γεννήτριας. 56

77 Κεφάλαιο 2 Αυτές οι αυξομειώσεις από την ονομαστική ταχύτητα ή συχνότητα (με αποδεκτό εύρος μεταβολής ±0.5 Hz) λειτουργούν ως σήματα ελέγχου, τα οποία εισάγονται στον έλεγχο του συστήματος και επιφέρουν κατάλληλη ρύθμιση της παροχής μηχανικής ισχύος. Το τμήμα του ελέγχου που ρυθμίζει τη ροή καυσίμου στον κινητήρα ντίζελ ονομάζεται Αυτόματος Ρυθμιστής Ταχύτητας (Speed Governor) [36], [11]. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι μια αύξηση του φορτίου θα προκαλέσει αρχικά μείωση στη συχνότητα του δικτύου και των ταχυτήτων της γεννήτριας και του κινητήρα. Όταν στη συνέχεια, ο ρυθμιστής στροφών ενεργοποιηθεί, δίνει εντολή για αντίστοιχη έγχυση καυσίμου στην κινητήρια μηχανή ντίζελ, οπότε αυξάνεται εκ νέου η ταχύτητα περιστροφής, η ενεργός ισχύς που παράγει η σύγχρονη μηχανή και η συχνότητα Έλεγχος Q-V και ρυθμιστής τάσης Κατά αντιστοιχία με το προηγούμενο τμήμα ελέγχου του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, ο έλεγχος Q-V είναι υπεύθυνος για τη ρύθμιση της παραγόμενης αέργου ισχύος από τη γεννήτρια, μέσω της μεταβολής του μέτρου της τάσης της. Εάν δημιουργηθεί μια αύξηση στην τάση των ακροδεκτών, η άεργος ισχύς που παράγει η γεννήτρια θα μειωθεί, ενώ αντίθετα, εάν δημιουργηθεί μείωση στην τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας, η άεργος ισχύς που αυτή παράγει θα αυξηθεί, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 2.12: Χαρακτηριστική καμπύλη τάσης-αέργου ισχύος της γεννήτριας. Υπεύθυνο για τη ρύθμιση της τάσης των ακροδεκτών της γεννήτριας μηχανής είναι το ρεύμα πεδίου, ο έλεγχος του οποίου γίνεται μέσω της διεγέρτριας και ολόκληρου του συστήματος ελέγχου της τάσης, που περιλαμβάνει το μετρητή 57

78 Κεφάλαιο 2 σφάλματος, τη διεγέρτρια και βρόχους ανατροφοδότησης. Το σύστημα ελέγχου της τάσης της γεννήτριας καλείται σύστημα διέγερσης ή Αυτόματος Ρυθμιστής Τάσης (Automatic Voltage Regulator), το μαθηματικό μοντέλο του οποίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 2.13: Μαθηματικό μοντέλο του Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης [36]. Είσοδο του Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης αποτελεί η τάση αναφοράς V αν, η οποία συγκρίνεται με την ανορθωμένη τερματική τάση της γεννήτριας και παράγει ένα σήμα αναφοράς. Στη συνέχεια, το τελευταίο περνάει από το στάδιο ενίσχυσης, έτσι ώστε να μπορέσει να ελέγξει το πεδίο της διεγέρτριας. Η ενισχυμένη τάση διέγερσης V R, ελέγχει την τάση εξόδου E fd, που αποτελεί την τάση του πεδίου της γεννήτριας και προκαλεί τις επιθυμητές μεταβολές τάσης στους ακροδέκτες της. Ρόλος του σταθεροποιητή είναι η ελαχιστοποίηση της μετατόπισης φάσης, την οποία εισάγουν οι χρονικές καθυστερήσεις του συστήματος, βελτιώνοντας έτσι την ευστάθεια του συστήματος. Η συνάρτηση μεταφοράς που περιγράφει τη λειτουργία του σταθεροποιητή του Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης δίνεται από τη σχέση: Η s = s K s 1 + s K s (2.16) Αποστολή του μπλοκ «μέτρηση» είναι η αναπαράσταση του ανορθωτή τάσης και του κατωδιαβατού φίλτρου, το οποίο αφαιρεί τα υψίσυχνα σήματα σφάλματος από το σήμα της τάσης: Η f = 1 T r s + 1 (2.17) 58

79 Κεφάλαιο 2 Το μπλοκ του ενισχυτή ενισχύει το σήμα σφάλματος που προκύπτει από τη σύγκριση της τάσης αναφοράς και της ανορθωμένης τάσης, ενώ ο περιοριστής περιορίζει τις τιμές του ενισχυτή εντός επιτρεπτών ορίων. Η συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή είναι: Η r = K a T a s + 1 (2.18) Τέλος, η συνάρτηση μεταφοράς της διεγέρτριας, η έξοδος της οποίας αποτελεί την τάση διέγερσης που στέλνεται στην γεννήτρια, δίνεται από τη σχέση: E fd 1 = (2.19) e f K ε + s Τ ε Το σήμα S E = f(e fd ) που αφαιρείται στο σημείο άθροισης πριν τη διεγέρτρια είναι η συνάρτηση μεταφοράς κόρου της διεγέρτριας. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι μια αύξηση της αέργου ισχύος της γεννήτριας αρχικά θα προκαλέσει μείωση του μέτρου της τάσης στους ακροδέκτες της. Όταν στη συνέχεια όμως, ενεργοποιηθεί ο ρυθμιστής τάσης και αυξήσει το ρεύμα πεδίου στην γεννήτρια, τόσο η άεργος ισχύς καθώς και η τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας αυξάνονται. 59

80 60 Κεφάλαιο 2

81 Κεφάλαιο 3 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ Για την εύρυθμη λειτουργία των φορτίων των μικροδικτύων απαιτείται η χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Πρόκειται για ελεγχόμενες ή μη διατάξεις, οι οποίες αναλαμβάνουν να μετασχηματίσουν ηλεκτρικά μεγέθη (π.χ. τάση και ρεύμα) στα επιθυμητά επίπεδα. Διάφορες διατάξεις έχουν τη δυνατότητα να μετασχηματίζουν μια τάση από εναλλασσόμενη σε συνεχή κι αντίστροφα, από μονοφασική σε τριφασική κι αντίστροφα, ή να αλλάζουν το μέτρο και τη συχνότητα της τάσης ή του ρεύματος που δέχονται στην είσοδό τους. Οι διατάξεις αυτές αποτελούν τη βάση για τον έλεγχο των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, εφαρμογών οδήγησης κινητήρων, αλλά και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι βασικές διατάξεις ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: 1. Μετατροπείς ΣΡ/ΣΡ (DC-DC Converters) 2. Μετατροπείς ΕΡ/ΕΡ (AC-ΑC Converters) 3. Αντιστροφείς ΣΡ/ΕΡ (DC-AC Inverters) Η λειτουργία των παραπάνω μετατροπέων βασίζεται στη χρήση ελεγχόμενων ηλεκτρονικών διακοπτών, διόδων, αλλά και κατάλληλων στοιχείων αποθήκευσης ενέργειας (πηνία και πυκνωτές). Η ύπαρξη των διακοπτικών στοιχείων που περιλαμβάνουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς δυσκολεύει τη δημιουργία ενός μοντέλου συνεχούς χρόνου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε το μοντέλο μέσης τιμής των μετατροπέων, το οποίο καταλήγει επίσης σε ένα μη γραμμικό σύστημα, αλλά χρησιμοποιεί συνεχείς μεταβλητές ώστε να επιτρέπει το σχεδιασμό ελεγκτών. Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει αναφορά στη λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης Boost, στον τριφασικό αντιστροφέα ισχύος, καθώς και στα ισοδύναμα μοντέλα μέσης τιμής τους, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στο υπό μελέτη μικροδίκτυο. Ακόμα, θα αναλυθεί ο έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος MPPT, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στη συστοιχία φωτοβολταϊκών καθώς και οι τεχνικές ελέγχου που εφαρμόστηκαν στον τριφασικό αντιστροφέα των φωτοβολταϊκών πλαισίων και της συστοιχίας συσσωρευτών, για την επιτυχή σύνδεσή τους με το μικροδίκτυο. 61

82 Κεφάλαιο Μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή (DC-DC Converters) Οι μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC-DC Converters), οι οποίοι για ευκολία στο εξής θα ονομάζονται DC-DC μετατροπείς είναι τα κυκλώματα εκείνα τα οποία μετατρέπουν μια πηγή συνεχούς τάσης σε πηγή συνεχούς τάσης άλλης τιμής και ορισμένες φορές και άλλης πολικότητας. Οι DC-DC μετατροπείς βρίσκουν εφαρμογές στις εξής περιοχές [37]: Συστήματα ηλεκτρικής τροφοδοσίας τηλεπικοινωνιών και διαστημικών συστημάτων. Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Φωτοβολταϊκά συστήματα. Παλμοτροφοδοτικά ηλεκτρονικών και ηλεκτρικών κυκλωμάτων, τα οποία είναι τροφοδοτικά υψηλής συχνότητας και υψηλής απόδοσης. Διόρθωση συντελεστή ισχύος ανορθωτικών διατάξεων με διόδους. Συστήματα ελέγχου ταχύτητας ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος, που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, στα ηλεκτρικά τρένα και σε διάφορες άλλες βιομηχανικές εφαρμογές. Οι DC-DC μετατροπείς υλοποιούνται χρησιμοποιώντας ημιαγωγούς όπως το IGBT, το MOSFET ισχύος, το θυρίστορ ή κάποιο άλλο ελεγχόμενο ημιαγωγό ισχύος, καθώς επίσης με διόδους και LC κυκλώματα. Οι ελεγχόμενοι αυτοί ημιαγωγοί μπορούν να βρεθούν μόνο σε δύο καταστάσεις λειτουργίας, στην κατάσταση αγωγής ή στην κατάσταση αποκοπής. Εάν τους δοθεί ένας παλμός οδήγησης στην πύλη τους, τότε αυτά μεταβαίνουν στην κατάσταση αγωγής και παραμένουν καθ όλη τη διάρκεια του παλμού. Όταν ο παλμός γίνει μηδέν, τότε μεταβαίνουν στην κατάσταση αποκοπής. Στο υποκεφάλαιο αυτό, θα μελετηθεί η λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost DC-DC Converter), o οποίος χρησιμοποιήθηκε στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας του υπό μελέτη μικροδικτύου. Για την ανάλυση των DC-DC μετατροπέων γίνονται οι εξής παραδοχές: 1. Για τη μελέτη των κυκλωμάτων θα λαμβάνεται υπόψιν μόνο η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. 2. Όλα τα ημιαγωγικά στοιχεία έχουν ιδανικές ιδιότητες. 3. Οι αντιστάσεις, οι επαγωγές και οι χωρητικότητες των αγωγών αγνοούνται. 62

83 Κεφάλαιο Μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης (Boost DC-DC Converter) Όπως δηλώνει το όνομά του, ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost (ή Step Up) είναι ένας DC-DC μετατροπέας, ο οποίος παράγει μια συνεχή τάση εξόδου Vo, η οποία είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τη συνεχή τάση εισόδου του Vin [38]. Η κυκλωματική δομή του μετατροπέα παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost [39]. Ο μετατροπέας αυτός μπορεί να λειτουργήσει στις ακόλουθες τρεις φάσεις [37]: Φάση Ι: Ο παλμός οδήγησης εφαρμόζεται στην πύλη του διακόπτη S, με αποτέλεσμα η τάση εισόδου να εφαρμόζεται στα άκρα του πηνίου εισόδου και να το φορτίζει. Κατά τη φάση αυτή ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξόδου, ο οποίος είχε φορτιστεί από την προηγούμενη φάση λειτουργίας, τροφοδοτεί την αντίσταση του φορτίου. Η φάση αυτή παίρνει τέλος όταν αφαιρεθεί ο παλμός οδήγησης από τον διακόπτη S. Όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.3 σε αυτή τη φάση το ρεύμα του πηνίου αυξάνεται και η τάση στα άκρα του πηνίου είναι ίση με την τάση εισόδου. Φάση ΙΙ: Δεν άγει ο διακόπτης S, αλλά η δίοδος D, με αποτέλεσμα να τροφοδοτεί την ενέργεια της πηγής εισόδου και την αποθηκευμένη ενέργεια του πηνίου στον πυκνωτή εξόδου και κατά συνέπεια στο φορτίο. Κατά τη φάση αυτή το ρεύμα αφού είχε αναπτύξει από τη προηγούμενη φάση τη μέγιστη τιμή του, αρχίζει να μειώνεται, ενώ η τάση στα άκρα του πηνίου γίνεται V in V o, όπου V o είναι η τάση εξόδου η οποία θεωρείται ότι έχει σταθερή τιμή. Η φάση αυτή τελειώνει όταν το πηνίο αποφορτιστεί και το ρεύμα του μηδενιστεί με αποτέλεσμα η δίοδος να σταματήσει να άγει. Φάση ΙΙΙ: Αυτή η φάση δημιουργείται όταν ο μετατροπέας λειτουργεί με ασυνεχές ρεύμα πηνίου, ενώ δεν άγει κανένα ημιαγωγικό στοιχείο. Το φορτίο κατά τη φάση αυτή τροφοδοτείται από τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή εξόδου. Ο μετατροπέας ανύψωσης, ανάλογα με την τιμή του πηνίου L f, το χρόνο αγωγής 63

84 Κεφάλαιο 3 του διακόπτη t on και τη διακοπτική συχνότητα f s, μπορεί να λειτουργήσει με συνεχές ή ασυνεχές ρεύμα πηνίου. Εάν το ρεύμα πηνίου είναι ασυνεχές, ο μετατροπέας λειτουργεί και στις τρεις προαναφερθείσες φάσεις, ενώ αν είναι συνεχές, ο μετατροπέας λειτουργεί μόνο στις δύο πρώτες φάσεις. Σχήμα 3.2: α) Ισοδύναμο κύκλωμα όταν ο διακόπτης άγει και η δίοδος βρίσκεται σε αποκοπή, β) Ισοδύναμο όταν ο διακόπτης είναι σε αποκοπή και η δίοδος άγει [39]. Από τα ισοδύναμα κυκλώματα, τα οποία παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.2, προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις: V L (t) = L di L (t), τάση πηνίου (3.1) dt V L (t) = V in, όταν ο διακόπτης άγει (3.2) V L (t) = V in v c = V in v o, όταν ο διακόπτης δεν άγει (3.3) v c (t) = 1 t i C t 1 c(t) dt + v c (t 1 ), τάση πυκνωτή (3.4) i c (t) = i D (t) i o (t), ρεύμα πυκνωτή (3.5) i D (t) = C dv C (t) dt + v c, ρεύμα διόδου (3.6) R i L (t) = 1 t V L t in dt + i L (t 1 ), όταν ο διακόπτης άγει 1 (3.7) i L (t) = 1 L (V in v o (t)) t t 1 dt + i L (t 1 ), όταν ο διακόπτης δεν άγει (3.8) 64

85 Κεφάλαιο Συνεχής αγωγή του ρεύματος Για λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης σε συνεχή αγωγή του ρεύματος, το ρεύμα του πηνίου έχει μια σταθερή μέση τιμή Ι L και από το Σχήμα 3.3 προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις: Ι L(max ) = Ι L + ΔΙ L, μέγιστο ρεύμα πηνίου (3.9) 2 Ι L(min ) = Ι L ΔΙ L, ελάχιστο ρεύμα πηνίου (3.10) 2 ΔΙ L = Ι L(max ) Ι L(min) = V in L t on, κυμάτωση ρεύματος πηνίου (3.11) Για ένα μετατροπέα ο οποίος δεν παρουσιάζει απώλειες, το άθροισμα της ενέργειας που αποθηκεύει το πηνίο όσο άγει ο διακόπτης S και της ενέργειας που απελευθερώνει το πηνίο όσο άγει η δίοδος D πρέπει να είναι ίσο με το μηδέν. Επομένως προκύπτει: V in Ι L t on = (V in V o )I L t off (3.12) Από την παραπάνω σχέση προκύπτει η συνάρτηση μεταφοράς του μετατροπέα ανύψωσης και δίνεται από την ακόλουθη σχέση: όπου t on + t off T s V o = V in = V t in = V in off T s t on 1 δ (3.13) - δ: βαθμός χρησιμοποίησης του διακόπτη που ορίζεται ως δ = t on T s - T s : διακοπτική περίοδος που ορίζεται ως Τ s = t on + t off - V in : τάση εισόδου - t on : χρόνος αγωγής του διακόπτη S - t off : χρόνος σβέσης ή αποκοπής του διακόπτη S Από την τελευταία σχέση προκύπτει ότι κρατώντας τη διακοπτική συχνότητα σταθερή και αυξομειώνοντας το χρόνο αγωγής του διακόπτη μπορεί να επιτευχθεί έλεγχος της τάσης εξόδου. Για t on = 0, τότε δ = 0 και επομένως η τάση εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης παίρνει την ελάχιστη τιμή που είναι ίση με τη τάση τροφοδοσίας. Όσο μεγαλύτερος γίνεται ο χρόνος t on τόσο μικρότερος γίνεται ο βαθμός χρησιμοποίησης του διακόπτη δ, με αποτέλεσμα να γίνεται μεγαλύτερη η τάση εξόδου. Η ελάχιστη τιμή του πηνίου εισόδου έτσι ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί σε συνεχή αγωγή δίνεται από τη σχέση: 65

86 Κεφάλαιο 3 όπου - R: αντίσταση του φορτίου L min = Rδ(1 δ)2 2f s H (3.14) - f s : διακοπτική συχνότητα που ορίζεται ως f s = 1 T s Σχήμα 3.3: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του μετατροπέα ανύψωσης τάσης στην συνεχή αγωγή CCM [39]. Για τον υπολογισμό της κυμάτωσης στην τάση εξόδου θεωρείται ότι η μέση τιμή του ρεύματος στη δίοδο ρέει στο φορτίο, ενώ ο πυκνωτής φέρει όλες τις αρμονικές συνιστώσες του ρεύματος ΙD. Η μέση τιμή του ρεύματος στον πυκνωτή είναι μηδέν και η κυμάτωση της τάσης εξόδου ορίζεται από τη σχέση: V Cpp = ΔQ max C min = Ι Ο(max)δ max T V o δ max = (3.15) C min f s R L(min) C min από την οποία προκύπτει η ελάχιστη τιμή του πυκνωτή: C min = Ι Ο(max)δ max δ max V o = (3.16) f s V Cpp f s R L(min) V Cpp 66

87 Κεφάλαιο Όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής Για δεδομένες τιμές των τάσεων εισόδου και εξόδου, ο μετατροπέας λειτουργεί σε συνεχή αγωγή ρεύματος, εφόσον το ρεύμα στο φορτίο I o είναι μεγαλύτερο από κάποια οριακή τιμή Ι ο lim. Η κυματομορφή του ρεύματος της επαγωγής στο όριο λειτουργίας μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.4. Η μέση τιμή του ρεύματος της επαγωγής σε αυτή την περίπτωση είναι: Ι lim L = 1 2 I L(max) = 1 V in 2 L δt s = V οt s 2L (1 δ)δ (3.17) Στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης το ρεύμα της επαγωγής είναι ίσο με το ρεύμα εισόδου Ι in = Ι L. Έτσι, το ρεύμα του φορτίου στο όριο συνεχούς αγωγής του ρεύματος προκύπτει ίσο με: Ι ο lim = Ι L lim (1 δ) = V οt s 2L (1 δ)2 δ (3.18) Σχήμα 3.4: Κυματομορφή ρεύματος της επαγωγής στο όριο συνεχούς αγωγής και χαρακτηριστική ορίου συνεχούς αγωγής I OB δ [39] Ασυνεχής αγωγή του ρεύματος Αν και οι μετατροπείς ανύψωσης τάσης λειτουργούν με συνεχές ρεύμα πηνίου για τη δημιουργία καλής ποιότητας κυματομορφών εισόδου και εξόδου, στη συνέχεια καταγράφονται ορισμένες σχέσεις για τη λειτουργία του μετατροπέα με ασυνεχές ρεύμα πηνίου. Οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος του μετατροπέα για αυτό το είδος λειτουργίας παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.5. Από τις κυματομορφές αυτές προκύπτουν οι εξής σχέσεις για τη λειτουργία του μετατροπέα: (δ + δ 1 ) < 1 (3.19) 67

88 Κεφάλαιο 3 Η μέση τιμή της τάσης στα άκρα του πηνίου είναι ίση με το μηδέν και επομένως από τη κυματομορφή της τάσης προκύπτει η ακόλουθη σχέση: V in δt s + (V in V o )δ 1 T s = 0 (3.20) από την οποία τελικά εξάγουμε τη συνάρτηση μεταφοράς του μετατροπέα: V o V in = Ι in I o = δ + δ 1 δ 1 (3.21) Η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου, το οποίο είναι ίσο με το ρεύμα της επαγωγής, είναι: Ι in = I L = δ + δ 1 2 I L(max) = δ + δ 1 V in 2 L δt s (3.22) Τέλος, η μέση τιμή του ρεύματος εξόδου προκύπτει από την Εξίσωση 3.21 και την Εξίσωση 3.22 ίση με: Ι ο = I in δ 1 δ + δ 1 = V inδ 1 2L δτ s (3.23) Οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος του μετατροπέα ανύψωσης τάσης με ασυνεχή αγωγή του ρεύματος παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.5. Σχήμα 3.5: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος του μετατροπέα ανύψωσης τάσης στην ασυνεχή αγωγή DCM [39]. 68

89 Κεφάλαιο Μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost Η λειτουργία των γνωστών μετατροπέων βασίζεται στα διακοπτικά στοιχεία τα οποία διαθέτουν, καθώς και σε κατάλληλα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, όπως πηνία και πυκνωτές. Η ύπαρξη όμως πολλών διακοπτικών στοιχείων στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στα μικροδίκτυα, καθυστερεί ιδιαίτερα την προσομοίωση τους. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε τα μοντέλα μέσης τιμής των μετατροπέων, τα οποία αποτελούν μη γραμμικά συστήματα, αλλά με συνεχείς μεταβλητές ώστε να επιτρέπουν τον σχεδιασμό ελεγκτών. Στο Σχήμα 3.6 παρουσιάζεται το ισοδύναμο μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης (Boost), το οποίο αποτελείται από το γνωστό πηνίο εισόδου L και πυκνωτή εξόδου C, καθώς και από δύο εξαρτημένες πηγές, μια τάσης και μια ρεύματος. Σχήμα 3.6: Ισοδύναμο μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost. Οι εξισώσεις κατάστασης του μοντέλου για μια διακοπτική περίοδο δίνονται από τις σχέσεις: όπου: L di L(t) dt C dv c(t) dt = V g (t) (1 δ)v c (t) (3.24) = (1 δ)i L (t) I 0 (t) (3.25) - L: η επαγωγή εισόδου του μετατροπέα Boost - C: ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξόδου του μετατροπέα Boost - i L (t): το ρεύμα στην επαγωγή - v c (t): η τάση στον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή - V g (t): η τάση εισόδου του μετατροπέα Boost - I 0 (t): το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα Boost - δ: ο λόγος κατάτμησης. 69

90 Κεφάλαιο Αντιστροφείς (DC-AC Inverters) Αντιστροφείς (Inverters ή DC-AC Converters) ονομάζονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς μιας συνεχούς πηγής τάσης (ή ρεύματος) σε εναλλασσόμενη μονοφασική ή τριφασική τάση (ή ρεύμα), ενώ παράλληλα παρέχουν τη δυνατότητα ελέγχου του πλάτους και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου. Οι αντιστροφείς κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το είδος της τάσης εξόδου τους σε: I. Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης (Αντιστροφείς Τάσης-Voltage Source Inverters ή Voltage fed Inverters-VSI), τους οποίους συναντάμε στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές και II. Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς ρεύματος (Αντιστροφείς Ρεύματος-Current Source Inverters ή Current fed Inverters- CSI), τους οποίους χρησιμοποιούμε κυρίως για τον έλεγχο μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος μεγάλης ισχύος. Στη συνέχεια του κεφαλαίου θα εστιάσουμε τη μελέτη μας στους αντιστροφείς τάσης, επειδή χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) και κατά συνέπεια και στα μικροδίκτυα. Ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων στην έξοδο του αντιστροφέα οι αντιστροφείς κατηγοριοποιούνται ως εξής: I. Μονοφασικοί αντιστροφείς (Σχήμα 3.7): Συνδεσμολογίας ημιγέφυρας (Half-Bridge Inverter) με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία. Συνδεσμολογίας πλήρους γέφυρας (Full-Bridge Inverter) με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία. Σχήμα 3.7: α) Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας (Half-Bridge Inverter) και β) Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας (Full-Bridge Inverter) [40]. 70

91 Κεφάλαιο 3 II. Τριφασικοί αντιστροφείς (Σχήμα 3.8) με έξι ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία. Σχήμα 3.8: Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης [40]. Η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από: συσσωρευτές (μπαταρίες) ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που παρέχουν συνεχή τάση στην έξοδό τους (π.χ. φωτοβολταϊκές συστοιχίες, κυψέλες καυσίμου κ.α.) ανορθωτικά συστήματα που αποτελούνται από διόδους (Rectifiers) Τα συνηθέστερα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος που χρησιμοποιούνται στους αντιστροφείς είναι: στοιχεία για τα οποία απαιτείται η ύπαρξη βοηθητικού κυκλώματος σβέσης (π.χ. θυρίστορ) στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση (π.χ. GTO θυρίστορ, MOSFET, IGBT, IGCT κ.α.) Η συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα καθορίζεται από το ρυθμό έναυσης και σβέσης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, συνεπώς υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης αυτής μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Η διακοπτική φύση των ημιαγωγικών στοιχείων έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση μη ημιτονοειδών κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος εξόδου. Η ρύθμιση του πλάτους της βασικής αρμονικής επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο έλεγχο των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα, ενώ το φιλτράρισμα των ανώτερων αρμονικών στις κυματομορφές εξόδου γίνεται μέσω της χρήσης ενός κατωδιαβατού φίλτρου LC. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του βάρους, του όγκου, καθώς και του κόστους του αντιστροφέα. Γενικά, επιθυμητό είναι η δημιουργία των κυματομορφών να έχει το μικρότερο δυνατό αρμονικό περιεχόμενο και ανώτερες αρμονικές που εμφανίζονται σε 71

92 Κεφάλαιο 3 υψηλές συχνότητες, με σκοπό την όσο το δυνατόν μείωση του όγκου του LC φίλτρου Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης με SPWM διαμόρφωση Το κύκλωμα του βασικού τριφασικού αντιστροφέα με τροφοδοσία συνεχούς τάσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.8. Το κύκλωμα του τριφασικού αντιστροφέα αποτελείται από τρία σκέλη, ένα για κάθε φάση, καθένα από τα οποία είναι όμοιο με αυτά ενός μονοφασικού αντιστροφέα. Η έξοδος κάθε σκέλους, για παράδειγμα η V ΑΝ εξαρτάται μόνο από την τάση εισόδου V in και την κατάσταση των διακοπτών. Η τάση εξόδου είναι ανεξάρτητη από το ρεύμα εξόδου, εφόσον σε κάθε χρονική στιγμή ένας από τους δύο διακόπτες σε κάθε σκέλος είναι πάντα κλειστός. Εδώ, με την υπόθεση των ιδανικών διακοπτών, αγνοείται ο κενός χρόνος που απαιτείται στα πρακτικά κυκλώματα για την αποφυγή βραχυκυκλώματος. Επομένως, η τάση εξόδου του αντιστροφέα είναι ανεξάρτητη της φοράς του ρεύματος φορτίου [41]. Παρόμοια με τους μονοφασικούς αντιστροφείς, κύριος σκοπός των τριφασικών αντιστροφέων με διαμόρφωση SPWM είναι η μορφοποίηση και ο έλεγχος των τριφασικών τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα, με μια ουσιαστικά σταθερή τάση εισόδου V in. Για την επίτευξη συμμετρικών τριφασικών τάσεων εξόδου σε έναν τριφασικό αντιστροφέα με διαμόρφωση SPWM, η ίδια τριγωνική κυματομορφή τάσης συγκρίνεται με τις τρεις ημιτονοειδείς τάσεις ελέγχου, οι οποίες έχουν 120 ο διαφορά φάσης μεταξύ τους, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.9. Το πλάτος της κυματομορφής αναφοράς A r είναι μεταβλητό σε σχέση με το πλάτος της κυματομορφής του φέροντος σήματος A c το οποίο παραμένει σταθερό. Η τιμή του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m a, καθώς και ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f δίνονται από τις σχέσεις: m a = A r A c (3.26) m f = f c f r (3.27) Από τη σύγκριση της τριγωνικής κυματομορφής και των κυματομορφών ελέγχου προκύπτουν οι εξής οκτώ καταστάσεις λειτουργίας του τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης, οι οποίες παρουσιάζονται στον Πίνακας

93 Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.1: Καταστάσεις λειτουργίας του τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης [40]. Σχήμα 3.9: Ιδανικές κυματομορφές του τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης με την PWM τεχνική για m a = 0.8 και m f = 9 [40]. 73

94 Κεφάλαιο 3 Οι κυματομορφές των φασικών τάσεων στα άκρα του φορτίου προκύπτουν από τις σχέσεις V An = V AN V nn V Bn = V BN V nn (3.28) V Cn = V NB V nn Σε συμμετρικές συνθήκες λειτουργίας του συστήματος αντιστροφέα φορτίου ισχύει Επομένως i A + i B + i C = 0 V An + V Bn + V Cn = 0 V nn = V AN + V ΒN + V CN 3 (3.29) (3.30) Αντικαθιστώντας την Εξίσωση 3.30 στις Εξισώσεις 3.28 προκύπτουν οι φασικές τάσεις στο φορτίο V An = 2 3 V AN 1 3 (V BN + V CN ) V Bn = 2 3 V BN 1 3 (V AN + V CN ) (3.31) V Cn = 2 3 V CN 1 3 (V AN + V BN ) Στους τριφασικούς αντιστροφείς ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f επιλέγεται περιττός και πολλαπλάσιος του τρία. Όταν ο συντελεστής m f είναι περιττός, τότε στις τάσεις V AN, V BN και V CN δεν εμφανίζονται άρτιες αρμονικές, όπως συμβαίνει αντίστοιχα και στους μονοφασικούς αντιστροφείς. Αν επιπλέον ο συντελεστής m f είναι και πολλαπλάσιος του τρία, τότε οι αρμονικές των πολικών τάσεων V AB, V BC και V CA απαλείφονται στην συχνότητα m f f 1, όπως και τα περιττά πολλαπλάσιά της. Επομένως, το αρμονικό περιεχόμενο των πολικών τάσεων στους τριφασικούς αντιστροφείς είναι ελαττωμένο σε σχέση με τους μονοφασικούς, λόγω της εξάλειψης κάποιων ισχυρών αρμονικών. Ένα δεύτερο πλεονέκτημα των τριφασικών αντιστροφέων, συγκριτικά με τους μονοφασικούς, αναφέρεται στη μορφή του ρεύματος εισόδου i in. Το ρεύμα εισόδου στους τριφασικούς αντιστροφείς αποτελείται από τη συνεχή συνιστώσα και τις αρμονικές συνιστώσες, οι οποίες εξαρτώνται από την τιμή του συντελεστή m f. Στους μονοφασικούς αντιστροφείς, το ρεύμα εισόδου περιλαμβάνει και μια 74

95 Κεφάλαιο 3 αρμονική συνιστώσα με συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους τάσης εξόδου. Αυτή η συνιστώσα χαμηλής συχνότητας (2f 1 ) είναι ανεπιθύμητη, καθώς προκαλεί διακυμάνσεις στην τάση εισόδου V in. Η διακύμανση της τάσης V in από τις αρμονικές υψηλής συχνότητας του ρεύματος i in είναι αμελητέα [38] Γραμμική διαμόρφωση (m a 1.0) Στη γραμμική περιοχή (m a 1.0) η θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το λόγο διαμόρφωσης πλάτους m a [41]. Το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας σε ένα από τα σκέλη του αντιστροφέα είναι V V d AN1 = m α 2 (3.32) Επομένως, η πολική rms τάση στη θεμελιώδη συχνότητα, εξαιτίας της διαφοράς φάσης των 120 ο μεταξύ των φασικών τάσεων μπορεί να γραφεί ως V LL1(rms) = 3 2 V AN1 = m αv d (3.33) = m α V d Υπερδιαμόρφωση (m a > 1.0) Στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης το πλάτος των τάσεων ελέγχου επιτρέπεται να υπερβαίνει το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής. Σε αυτή τη μορφή λειτουργίας, σε αντίθεση με τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή, το πλάτος της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας δεν αυξάνεται ανάλογα με τη τιμή του m α. Όπως και στη μονοφασική διαμόρφωση PWM, για αρκετά μεγάλες τιμές του m α, η διαμόρφωση PWM εκφυλίζεται σε κυματομορφή αντιστροφέα με τετραγωνική κυματομορφή. Αυτό οδηγεί στη μέγιστη τιμή της V LL1, που ισούται με 0.78 V d [41]. Στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης σε σχέση με την περιοχή όπου m a 1.0, εμφανίζονται περισσότερες αρμονικές πλευρικών ζωνών με κέντρο τις συχνότητες των αρμονικών του m f (δηλαδή εμφανίζονται αρμονικές κοντά στη βασική αρμονική, π.χ. 5f 1, 7f 1,11f 1, 13f 1 ) και των πολλαπλασίων του. Ωστόσο, οι κύριες αρμονικές μπορεί να μην έχουν τόσο μεγάλο πλάτος, όσο για m a 1.0. Για το λόγο αυτό, η απώλεια ισχύος στο φορτίο εξαιτίας των αρμονικών συχνοτήτων 75

96 Κεφάλαιο 3 μπορεί να μην είναι τόσο υψηλή στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης όσο υποδηλώνεται από την παρουσία πρόσθετων αρμονικών πλευρικών ζωνών. Ανάλογα με τη φύση του φορτίου και τη συχνότητα μετάβασης, οι απώλειες που οφείλονται σε αυτές τις αρμονικές στην υπερδιαμόρφωση μπορεί να είναι ακόμη μικρότερες από εκείνες της γραμμικής περιοχής της διαμόρφωσης PWM. Όπως και στους μονοφασικούς αντιστροφείς, ο συντελεστής m f έχει ακέραια τιμή, περιττή και πολλαπλάσια του τρία στην περιοχή της υπερδιαμόρφωσης [38] Μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης Όσον αφορά τη μοντελοποίηση του DC-AC τριφασικού αντιστροφέα γίνεται χρήση ενός ισοδύναμου μοντέλου μέσης τιμής, στο οποίο λαμβάνεται υπόψιν μόνο η βασική αρμονική και όχι οι ανώτερες. Το μοντέλο μέσης τιμής δεν περιλαμβάνει διακοπτικά ημιαγωγικά στοιχεία, επομένως το βήμα της προσομοίωσης δεν περιορίζεται από τη συχνότητα μετάβασης των διακοπτών. Ως αποτέλεσμα, ο βαθμός πολυπλοκότητας του μοντέλου του αντιστροφέα μειώνεται κατά πολύ, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση του χρόνου εκτέλεσης της προσομοίωσης. Στο Σχήμα 3.10 παρουσιάζεται το μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα, το οποίο αποτελείται από μια εξαρτημένη πηγή ρεύματος και τρεις εξαρτημένες πηγές τάσης. Στην έξοδο του μοντέλου του τριφασικού αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε ένα κατωδιαβατό LC φίλτρο. Σχήμα 3.10: Ισοδύναμο μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα. Οι εξισώσεις κατάστασης που περιγράφουν τη λειτουργία του μοντέλου μέσης τιμής δίνονται από τις σχέσεις: 76

97 Κεφάλαιο 3 Ι dc = a a I a + a b I b + a c I c (3.34) V a = a a V in V b = a b V in (3.35) V c = a c V in όπου: - V in : η συνεχής τάση εισόδου του αντιστροφέα - I dc : το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα - a a, a b, a c : οι PWM λόγοι κατάτμησης των τριών σκελών του αντιστροφέα - I a, I b, I c : τα ρεύματα των τριών σκελών του αντιστροφέα και - V a, V b, V c : οι τάσεις εξόδου στα τρία σκέλη του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας έχει μοντελοποιηθεί ως τρεις πηγές τάσης ελεγχόμενες από τη συνεχή τάση εισόδου του μοντέλου, V in που στο υπό μελέτη σύστημα αποτελεί την τάση εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Πρέπει να επισημανθεί ότι η υιοθέτηση της μοντελοποίησης του Σχήμα 3.10 για τον τριφασικό αντιστροφέα, συνεπάγεται ότι αμελούνται οι διακοπτικές απώλειες και οι απώλειες αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων, όπως και η επίδραση των ανώτερων αρμονικών στην τάση εξόδου του αντιστροφέα. Αν και η χρήση του ισοδύναμου μοντέλου μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα δεν εμπεριέχει ανώτερες αρμονικές στην τάση εξόδου, εντούτοις κρίνεται απαραίτητη η χρησιμοποίηση ενός κατωδιαβατού LC φίλτρου στην έξοδο του αντιστροφέα για την ορθότητα της μοντελοποίησής του. Η ύπαρξη της εμπέδησης στην έξοδο του αντιστροφέα αποτελεί παθητικό στοιχείο του ηλεκτρονικού κυκλώματος και παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Η συχνότητα αποκοπής ενός κατωδιαβατού LC φίλτρου υπολογίζεται από τον τύπο: 1 f cut off = (3.36) 2π LC ενώ η συχνότητα αποκοπής επιλέγεται συνήθως 10 φορές μικρότερη της πρώτης συχνότητας που επιβάλλεται να αποκόπτει [42]. Η σύγκριση των διακοπτικών με τα μοντέλα μέσης τιμής των υπό μελέτη μετατροπέων παρουσιάζεται αναλυτικά στο Παράρτημα Γ. 77

98 Κεφάλαιο Έλεγχος Απομάστευσης Μέγιστης Ισχύος MPPT Ως απομάστευση μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking - MPPT) ορίζεται η τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά, τόσο σε ανεμογεννήτριες όσο και σε φωτοβολταϊκές συστοιχίες με σκοπό τη μέγιστη εξαγωγή ισχύος από το κάθε σύστημα, κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Όταν ένα φορτίο είναι απευθείας συνδεδεμένο με τα ηλιακά πάνελ, το σημείο λειτουργίας της συστοιχίας σπάνια θα βρίσκεται στη μέγιστη δυνατή ισχύ της, καθώς αυτή προκύπτει ανάλογα με τη σύνθετη αντίσταση την οποία βλέπει. Κατά συνέπεια, μεταβάλλοντας τη σύνθετη αντίσταση του συστήματος, το σημείο λειτουργίας μπορεί να μετακινηθεί προς το κορυφαίο σημείο ισχύος. Εφόσον τα ηλιακά στοιχεία παράγουν συνεχή τάση, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν μετατροπείς DC-DC, έτσι ώστε να μετασχηματίζουν τη σύνθετη αντίσταση της πηγής στη σύνθετη αντίσταση του φορτίου μεταβάλλοντας το λόγο κατάτμησής τους, δ, έτσι ώστε η πηγή να «βλέπει» τη κατάλληλη σύνθετη αντίσταση που θα οδηγήσει στην εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος [43]. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) της φωτοβολταϊκής συστοιχίας του υπό μελέτη μικροδικτύου είναι η μέθοδος της διαταραχής και παρατήρησης (Perturb and Observe - P&O), της οποίας το διάγραμμα ροής παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 3.11: Διάγραμμα ροής τεχνικής ΜΡΡΤ με διαταραχή και παρατήρηση [44]. 78

99 Κεφάλαιο 3 Σε αυτή τη μέθοδο ο ελεγκτής υπολογίζει την ισχύ εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και μεταβάλλει την τάση εξόδου κατά ένα μικρό βήμα. Εάν με τη μεταβολή αυτή η ισχύς της συστοιχίας αυξηθεί, τότε συνεχίζει να μεταβάλει τη τάση προς την ίδια κατεύθυνση, έως ότου η ισχύς φτάσει στη μέγιστη τιμή της. Η μέθοδος αυτή είναι πολύ συχνά χρησιμοποιούμενη, λόγω της απλοϊκότητας που παρουσιάζει στην υλοποίησή της. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι οδηγεί σε ταλαντώσεις γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος Υλοποίηση του αλγορίθμου P&O Στο πρώτο βήμα του αλγορίθμου υπολογίζεται η ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας από την τάση και το ρεύμα εξόδου της. Στη συνέχεια, υπολογίζεται η μεταβολή της ισχύος σε σχέση με το προηγούμενο βήμα του αλγορίθμου και, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.11, εάν η μεταβολή αυτή: Είναι θετική, τότε υπολογίζεται η μεταβολή της τάσης εξόδου σε σχέση με το προηγούμενο βήμα του αλγορίθμου και εάν αυτή η μεταβολή είναι θετική, τότε ο λόγος κατάτμησης αυξάνεται κατά ένα σταθερό βήμα Δδ, αλλιώς εάν είναι αρνητική ο λόγος κατάτμησης μειώνεται κατά το ίδιο βήμα. Είναι αρνητική, τότε υπολογίζεται η μεταβολή της τάσης εξόδου σε σχέση με το προηγούμενο βήμα του αλγορίθμου και εάν αυτή η μεταβολή είναι θετική, τότε ο λόγος κατάτμησης μειώνει κατά ένα σταθερό βήμα Δδ, αλλιώς εάν είναι αρνητική ο λόγος κατάτμησης αυξάνει κατά το ίδιο βήμα. Σχήμα 3.12: Σχηματική αναπαράσταση του αλγορίθμου στην καμπύλη P-V [45]. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται ο κώδικας υλοποίησης της τεχνικής απομάστευσης μέγιστης ισχύος με τη μέθοδο της Διαταραχής και Παρατήρησης, η οποία εφαρμόστηκε στον μετατροπέα Boost που συνδέθηκε στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας του υπό μελέτη μικροδικτύου. 79

100 Κεφάλαιο Έλεγχος P-Q Τριφασικού Αντιστροφέα για Διασύνδεση με το Δίκτυο Το ρεύμα καλής ποιότητας (χαμηλού THD) αποτελεί βασική προϋπόθεση διασύνδεσης του μικροδικτύου με το κύριο δίκτυο, ενώ η ρύθμιση του μέτρου και της φάσης του οδηγεί στον προσδιορισμό της ενεργού και της αέργου ισχύος που απορροφάται από τον ζυγό. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές ελέγχου του ρεύματος των τριφασικών αντιστροφέων τάσης, στις οποίες όλες έχουν την κοινή δομή ενός βρόχου ανάδρασης ρεύματος, ο οποίος εκπληρώνεται σε δύο στάδια: τη σύγκριση των μετρούμενων ρευμάτων από τη γραμμή διασύνδεσης με κάποια ρεύματα αναφοράς και στη συνέχεια την παραγωγή των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών διακοπτών του αντιστροφέα. Σχήμα 3.13: Τυπικό σχήμα διασύνδεσης εγκατάστασης παραγωγής με τριφασικό αντιστροφέα στο δίκτυο μέσω P-Q τεχνικής ελέγχου. Αυτές οι τεχνικές ελέγχου μπορούν να διακριθούν σε δύο ευρύτερες κατηγορίες, τους γραμμικούς και τους μη γραμμικούς ελεγκτές [37]: Στους γραμμικούς ελεγκτές κυρίαρχη θέση έχουν οι ελεγκτές που βασίζονται στο διανυσματικό έλεγχο (SVPWM). Ο SVPWM πραγματοποιεί τη σύγκριση των ρευμάτων και παραγωγή παλμών PWM χρησιμοποιώντας ως αναφορά ένα διάνυσμα τάσης v ref, το οποίο καλείται το σύστημα να ακολουθήσει. Έτσι ο καθορισμός των ρευμάτων του αντιστροφέα, που είναι ο βασικός στόχος του P-Q ελέγχου, γίνεται έμμεσα μέσω του καθορισμού της τάσης του. Για την πραγματοποίησή του γίνεται χρήση PI ελεγκτών. Στους μη γραμμικούς ελεγκτές ανήκει ένας απλός και με ευρεία εφαρμογή έλεγχος, ο έλεγχος ρεύματος με ζώνη υστέρησης (Hysteresis Band Current 80

101 Κεφάλαιο 3 Control-HBCC). Σε αυτόν, οι παλμοί των ημιαγωγικών διακοπτών παράγονται απευθείας από τη σύγκριση των μετρούμενων ρευμάτων του αντιστροφέα με τα ρεύματα αναφοράς, χωρίς τη χρήση PI ελεγκτή. Βασικός στόχος του P-Q ελέγχου είναι το σύστημα να ακολουθεί τις επιθυμητές εντολές ενεργού και αέργου ισχύος P, Q ώστε να αποδίδει ή να απορροφά συγκεκριμένη ενεργό ή άεργο ισχύ. Για το λόγο αυτό, μετράται η τάση και το ρεύμα του δικτύου και υπολογίζονται οι τιμές της ενεργού και αέργου ισχύος, ενώ γίνεται συγχρονισμός της τάσης του δικτύου και της τάσης του αντιστροφέα. Και οι δύο τεχνικές βασίζονται στη λογική του διανυσματικού ελέγχου, ενσωματώνοντας δύο βρόχους ελέγχου. Υπάρχει δηλαδή, ένας εξωτερικός βρόχος ελέγχου της ενεργού και αέργου ισχύος και ένας εσωτερικός βρόχος ελέγχου των ρευμάτων. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε την πρώτη τεχνική, η οποία χρησιμοποιήθηκε στο υπό μελέτη μικροδίκτυο P-Q έλεγχος που χρησιμοποιεί ως αναφορά διάνυσμα τάσης Στο Σχήμα 3.14 παρουσιάζεται το δομικό διάγραμμα της τεχνικής ελέγχου ενεργού και αέργου ισχύος με αναφορά την τάση v ref [37]. Σχήμα 3.14: Έλεγχος P-Q με αναφορά διάνυσμα τάσης [46]. Οι μεταβλητές ελέγχου του εξωτερικού βρόχου είναι οι τιμές P, Q ενεργού και αέργου ισχύος, οι οποίες υπολογίζονται μέσω της σχέσης: P = 1 Τ t t T v(ωt)i(ωt)dt = Re (v i ) (3.37) Q = 1 Τ t t T = v R i R + v S i S + v T i T v(ωt)i (ωt π 2 ) dt = Im (v i ) = 1 3 ( v RSi T + v ST i R + v TR i S ) (3.38) 81

102 Κεφάλαιο 3 Για γραμμικό και συμμετρικό σύστημα, η ενεργός και η άεργος ισχύς σε σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς d-q δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: P = 3 2 (v sdi d + v sq i q ) (3.39) Q = 3 2 (v sdi d v sq i q ) (3.40) Οι τιμές αυτές συγκρίνονται με τις εντολές αναφοράς P, Q ώστε να παραχθούν τα σήματα σφάλματος. e p = P P (3.41) e q = Q Q Τα σφάλματα αυτά γίνονται είσοδοι σε έναν PI ελεγκτή από τον οποίο παράγονται τα ρεύματα αναφοράς i d, i q, σύμφωνα με τις σχέσεις: i d = K p (P P) + K I (P P) (3.42) i q = K p (Q Q) + K I (Q Q) (3.43) Στη συνέχεια, λαμβάνουμε το σήμα των ρευμάτων του δικτύου από το PCC και εκτελούμε μετασχηματισμό Park σε d-q πλαίσιο αναφοράς, που περιστρέφεται με μια σύγχρονη ταχύτητα η οποία καθορίζεται από το PLL, το οποίο λαμβάνοντας ως είσοδο την τάση του δικτύου, παρατηρεί τη συχνότητα f και τη γωνία θ και τη διοχετεύει στο μετασχηματισμό Park ώστε τα ρεύματα Ι d, I q να είναι συγχρονισμένα. Σύμφωνα με το μετασχηματισμό θα ισχύει: i d [ iq ] = 2 3 i 0 [ cosθ cos(θ 2π 3 ) cos(θ + 2π 3 ) sinθ sin(θ 2π 3 ) sin(θ + 2π 3 ) i a [ ib ] (3.44) ic 2 2 ] Στη συνέχεια τα ρεύματα i d, i q συγκρίνονται με τα ρεύματα αναφοράς i d, i q και τα σφάλματα σύγκρισης πρoκύπτει: e d = i d i d e q = i q i q (3.45) Τα σφάλματα αυτά εισέρχονται ως είσοδος σε έναν άλλο PI ελεγκτή από τον οποίο παράγονται τα σήματα αναφοράς τάσης v d, v q σύμφωνα με τις σχέσεις: 82

103 Κεφάλαιο 3 v d = K p (i d i d ) + K I (i d i d ) (3.46) v q = K p (i q i q ) + K I (i q i q ) (3.47) Στη συνέχεια εκτελείται αντίστροφος μετασχηματισμός Park σε abc τριφασικό πλαίσιο με γωνία που καθορίζεται από το PLL, το οποίο λαμβάνοντας την τάση του δικτύου παρατηρεί τη συχνότητα f και τη γωνία θ και τη διοχετεύει στο μετασχηματισμό ώστε η τάση v ref να είναι συγχρονισμένη με το δίκτυο. Το διάνυσμα της τάσης αναφοράς σύμφωνα με τον μετασχηματισμό θα είναι: v ref a [ v ref b ] = 2 v ref c 3 2 cosθ sinθ 2 cos(θ 2π 3 ) sin(θ 2π 3 ) 2 2 [ cos(θ 2π 3 ) sin(θ + 2π 3 ) 2 2 ] v d [ v q ] (3.48) v 0 Με τον παραπάνω τρόπο παράγεται η τάση αναφοράς v ref η οποία αποτελεί την είσοδο στον ελεγκτή που υλοποιεί μια PWM τεχνική ελέγχου των παλμών του αντιστροφέα και έτσι μεταφέρεται η επιθυμητή ισχύς. Σημαντικότερα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι η σταθερή διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του αντιστροφέα, το καλά καθορισμένο φάσμα αρμονικών συνιστωσών και η βέλτιστη επιλογή διακοπτικών καταστάσεων. Από την άλλη πλευρά όμως, επειδή ο καθορισμός των ρευμάτων του αντιστροφέα γίνεται έμμεσα μέσω του καθορισμού της τάσης, μπορεί να υπάρξουν προβλήματα λόγω των διαταραχών της τάσης και της μη γραμμικότητας του δικτύου. Τέλος, η χρήση PI ελεγκτών μπορεί να οδηγεί σε καλές κυματομορφές ρεύματος στη μόνιμη κατάσταση, αλλά στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος υστερεί. 3.5 Τεχνική Ελέγχου Στατισμού (Droop Control) Η τεχνική ελέγχου στατισμού (Droop Control) εφαρμόστηκε αρχικά σε κεντρικοποιημένα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. ατμοηλεκτρικοί σταθμοί). Συνήθως, εφαρμόζεται σε γεννήτριες με κύριο στόχο την παράλληλη λειτουργία τους και τον καταμερισμό του φορτίου, το οποίο επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συχνότητα της τάσης εξόδου τους, αλλά περιστασιακά και το μέτρο της τάσης τους. Η ενεργός και η άεργος ισχύς που 83

104 Κεφάλαιο 3 μεταφέρονται διαμέσου μιας γραμμής μεταφοράς, στην οποία αμελούνται οι ωμικές απώλειες, δίνονται από τις σχέσεις [2], [47]: όπου: - V1: το μέτρο της τάσης στην έξοδο της γεννήτριας - V2: το μέτρο της τάσης στον ζυγό του φορτίου - Χ: η επαγωγή της γραμμής μεταφοράς P = V 1V 2 X sinδ (3.49) Q = V 2 X (V 2 V 1 cosδ) (3.50) - δ: η γωνία ισχύος, δηλ. η διαφορά φάσης των τάσεων στους δύο ζυγούς Σε μια πιο απλοποιημένη εκδοχή, καθώς η γωνία ισχύος δ λαμβάνει τυπικά μικρές τιμές ισχύει sinδ δ και cosδ 1: δ PX V 1 V 2 (3.51) V 1 V 2 QX V 2 (3.52) Με τη βοήθεια των δύο τελευταίων σχέσεων γίνεται εύκολα αντιληπτή η έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ της ενεργού ισχύος με την γωνίας ισχύος, καθώς και της αέργου ισχύος με την διαφορά των τερματικών τάσεων στα άκρα της γραμμής. Είναι γνωστό δε, από την εξίσωση ταλάντωσης για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας η σύνδεση της γωνίας ισχύος με τη συχνότητα του συστήματος. Κατά συνέπεια, ελέγχοντας την ενεργό και την άεργο ισχύ είναι εφικτός ο έλεγχος της συχνότητας και του μέτρου της τάσης εξόδου του συστήματος. Η παραπάνω θεώρηση αποτελεί τη βάση της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) για τη συχνότητα και το μέτρο της τάσης, σύμφωνα με την οποία προκύπτουν οι γραμμικές χαρακτηριστικές εξισώσεις ελέγχου: όπου: - f: η συχνότητα του συστήματος - f0: η ονομαστική συχνότητα f = f 0 k p (P P 0 ) (3.53) V = V 0 k q (Q Q 0 ) (3.54) - kp: o συντελεστής στατισμού, δηλ. η κλίση droop για τη συχνότητα - P: η ενεργός ισχύς κάθε μονάδας 84

105 Κεφάλαιο 3 - P0: η ονομαστική ενεργός ισχύς κάθε μονάδας - V: η μετρούμενη τάση - V0: η ονομαστική τάση - kq: o συντελεστής στατισμού, δηλ. η κλίση droop για την τάση - Q: η άεργος ισχύος κάθε μονάδας - Q0: η ονομαστική άεργος ισχύς κάθε μονάδας Οι χαρακτηριστικές εξισώσεις της τεχνικής ελέγχου στατισμού, απεικονίζονται στο Σχήμα Σχήμα 3.15: α) P-f χαρακτηριστική καμπύλη στατισμού, β) Q-V χαρακτηριστική καμπύλη στατισμού [47]. Η ερμηνεία της χαρακτηριστικής της P-f καμπύλης γίνεται θεωρώντας μια πτώση της συχνότητας από f0 σε f. Σε αυτή τη περίπτωση, η ισχύς εξόδου της μονάδας παραγωγής αυξάνεται από Po σε P. Κατά συνέπεια, η πτώση της συχνότητας του συστήματος αποτελεί ένδειξη αύξησης του φορτίου και της ζήτησης της ενεργού ισχύος. Στην περίπτωση όπου ο έλεγχος στατισμού εφαρμόζεται σε δύο ή περισσότερες μονάδες παραγωγής με την ίδια χαρακτηριστική στατισμού, πτώση της συχνότητας θα έχει ως αποτέλεσμα την ταυτόχρονη αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος εξόδου όλων των μονάδων. Η αύξηση της ενεργού ισχύος θα αλληλεπιδράσει με τη μείωση της συχνότητας και οι μονάδες θα ισορροπήσουν σε ισχύ και συχνότητα σε ένα νέο σημείο της χαρακτηριστικής καμπύλης στατισμού. Με αυτή τη τεχνική, οι μονάδες παραγωγής μοιράζονται το φορτίο ανάλογα με την ονομαστική ισχύ τους. Παρόμοια λογική, μέσω του ελέγχου της αέργου ισχύος στην έξοδο των γεννητριών εφαρμόζεται και στην χαρακτηριστική καμπύλη στατισμού Q-V. 85

106 Κεφάλαιο 3 Οι συντελεστές στατισμού kp και kq εκφράζονται ως επί τοις εκατό ποσότητες και περιγράφουν το ποσοστό της μεταβολής της μετρούμενης ποσότητας, το οποίο προκαλεί η 100% μεταβολή της ελεγχόμενης ποσότητας. Π.χ. συντελεστής στατισμού συχνότητας kp = 5% σημαίνει ότι μια κατά 5% μεταβολή της συχνότητας θα προκαλέσει μια κατά 100% μεταβολή της ενεργού ισχύος στην έξοδο της μονάδας Στρατηγική ελέγχου μικροδικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος Καθώς τα μικροδίκτυα βρίσκονται ακόμα σε πρώιμο στάδιο εξέλιξής τους, οι τεχνικές ελέγχου τους είναι ακόμα σε πειραματικό στάδιο και υπό διερεύνηση στα εργαστήρια. Μια από τις τεχνικές ελέγχου που επιλέγεται συχνά για τη λειτουργία ενός μικροδικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος (AC Microgrid) είναι η τεχνική ελέγχου στατισμού (Droop Control) ενεργού ισχύος-συχνότητας και αέργου ισχύος-τάσης, για τον καταμερισμό της ισχύος μεταξύ των μονάδων παραγωγής. Η σχέση μεταξύ συχνότητας και ενεργού ισχύος των δύο μονάδων παραγωγής μπορεί να εκφραστεί μέσω της P-f χαρακτηριστικής, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα f i = f m i ΔP i (3.55) όπου: - fi: μετρούμενη συχνότητα του συστήματος - f * : ονομαστική συχνότητα του συστήματος - mi: συντελεστής στατισμού της μονάδας παραγωγής - ΔPi: διαφορά μεταξύ ενεργού ισχύος εξόδου και σημείου ρυθμίσεως για κάθε μονάδα μικροπαραγωγής i = 1, 2,, λ, όπου λ ο συνολικός αριθμός των μονάδων μικροπαραγωγής. Οι διαφορές των επιμέρους μονάδων μικροπαραγωγής στους συντελεστές στατισμού mi, επιτρέπουν τον καταμερισμό του φορτίου σε ισχύ με βάση την ονομαστική εγκατεστημένη ισχύ κάθε μονάδας. Η ρύθμιση τόσο της συχνότητας, όσο και της τάσης στα μικροδίκτυα είναι απαραίτητη για την τοπική αξιοπιστία και ευστάθεια του μικροδικτύου. Χωρίς τοπικό έλεγχο τάσης τα συστήματα με υψηλή διείσδυση μικροπαραγωγών υπόκεινται σε ταλαντώσεις υπέρτασης ή/κι άεργου ισχύος. Μικρά σφάλματα στις τιμές ρύθμισης της τάσης προκαλούν ρεύματα τα οποία μπορεί να υπερβούν τις 86

107 Κεφάλαιο 3 ονομαστικές τιμές της μονάδας κατανεμημένης παραγωγής. Για το λόγο αυτό γίνεται χρήση ενός ελεγκτή στατισμού αέργου ισχύος-τάσης έτσι ώστε η παραγόμενη, από τις μικροπαραγωγές, άεργος ισχύς να παρουσιάζει χωρητική ή επαγωγική συμπεριφορά ανάλογα με το πλάτος της τάσης αναφοράς, ακολουθώντας την Q-V χαρακτηριστική στατισμού, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.16 [48]. Σχήμα 3.16: Στρατηγική ελέγχου στατισμού για AC μικροδίκτυο: α) P-f καμπύλη στατισμού και β) Q-V καμπύλη στατισμού [44]. Αντίστοιχα συνεπώς, η Q-V χαρακτηριστική στατισμού αναπαρίσταται από την σχέση: όπου: - Vi: μετρούμενη τάση του συστήματος - V * : ονομαστική τάση του συστήματος V i = V n i ΔQ i (3.56) - ni: συντελεστής στατισμού της μονάδας παραγωγής - ΔQi: διαφορά μεταξύ αέργου ισχύος εξόδου και σημείου ρυθμίσεως για κάθε μονάδα μικροπαραγωγής i = 1, 2,, λ, όπου λ ο συνολικός αριθμός των μονάδων μικροπαραγωγής. Κατά την αυτόνομη λειτουργία του μικροδικτύου προβλήματα από ελάχιστα σφάλματα στη συχνότητα κάθε μικροπαραγωγής και η ανάγκη για αλλαγή των σημείων λειτουργίας ώστε να επιτυγχάνεται η κάλυψη του φορτίου, οδηγούν σε μετατροπή του παραπάνω ελέγχου, μέσω της αυτόματης προσαρμογής των κλίσεων των χαρακτηριστικών στατισμού, έτσι ώστε η συχνότητα και η τάση του μικροδικτύου να διατηρούνται εντός των επιτρεπτών ορίων. Εναλλακτικά, οι καμπύλες στατισμού είναι δυνατόν να βελτιωθούν με χρήση επιπλέον απόσβεσης και ελαχιστοποίηση της επίδρασης της εμπέδησης της γραμμής [48]. 87

108 Κεφάλαιο Υλοποίηση τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) Στο Σχήμα 3.17 παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα της υλοποίησης της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control), ενώ στο Σχήμα 3.18 φαίνονται με λεπτομέρειες η υλοποίηση των Droop Control και Voltage Formation μπλοκς. Η ροή της ενεργού ισχύος είναι γραμμικά ανάλογη με τη διαφορά φάσης μεταξύ των τάσεων στην έξοδο του αντιστροφέα και του AC bus, ενώ η ροή αέργου ισχύος είναι γραμμικά ανάλογη με τη διαφορά των μέτρων των αντίστοιχων τάσεων [44]. Σχήμα 3.17: Σχηματικό διάγραμμα υλοποίησης τεχνικής ελέγχου στατισμού [44]. Πρώτο βήμα του ελέγχου αποτελεί η μέτρηση των τριφασικών τάσεων και ρευμάτων του μικροδικτύου i g,abc και u g,abc. Στη συνέχεια τα μεγέθη αυτά περνούν μέσω του μετασχηματισμού Park (Εξίσωση 3.44) στο d-q πλαίσιο αναφοράς και περιστρέφονται με σταθερή συχνότητα, η οποία καθορίζεται από το PLL, το οποίο λαμβάνοντας ως είσοδο την τάση του δικτύου, παρατηρεί τη συχνότητα f και τη γωνία θ και τη διοχετεύει στο μετασχηματισμό Park ώστε τα ρεύματα Ι d, I q να είναι συγχρονισμένα. Σχήμα 3.18: Λεπτομέρειες τμήματος του ελέγχου στατισμού [44]. Στη συνέχεια γίνεται ο υπολογισμός της ενεργού και αέργου ισχύος P, Q του μικροδικτύου και μαζί με τις αντίστοιχες ονομαστικές τιμές ισχύος P, Q και τις 88

109 Κεφάλαιο 3 ονομαστικές τιμές συχνότητας και τάσης f, V αποτελούν τις εισόδους του ελέγχου στατισμού, μέσω του οποίου υπολογίζονται οι αναφορές συχνότητας και τάσης f ref και V ref στο Droop Control μπλοκ του ελέγχου. Επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των ημιτόνων αναφοράς μέσω του Voltage Formation μπλοκ, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Είσοδοι του μπλοκ αποτελούν η συχνότητα και η τάση αναφοράς f ref και V ref, μέσω των οποίων κατασκευάζονται τα τρία ημίτονα με αντίστοιχη συχνότητα και πλάτος, τα οποία έχουν διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους. Τα σήματα των ημιτόνων αναφοράς u ref, περνούν στη συνέχεια, μέσω του μετασχηματισμού Park στο d-q πλαίσιο αναφοράς και περιστρέφονται με την ίδια σταθερή συχνότητα, η οποία καθορίστηκε από το PLL μέσω της τάσεως του μικροδικτύου στην πρώτη φάση του ελέγχου. Τα σήματα των αναφορών τάσεως u d,ref και u q,ref εισάγονται στο Voltage & Current Control μπλοκ, το οποίο αποτελείται από δύο PI ελεγκτές, έναν ελεγκτή τάσης και έναν ρεύματος. Αρχικά, υπολογίζεται το σφάλμα μεταξύ των τάσεων u dq,ref και u dq,grid, που υπολογίστηκε στο πρώτο βήμα του ελέγχου και στη συνέχεια το σφάλμα αυτό περνά από έναν PI ελεγκτή από τον οποίο προκύπτουν αντίστοιχα τα ρεύματα αναφοράς στο d-q πλαίσιο αναφοράς i dq,ref. Ομοίως με προηγουμένως, σε αυτό το σημείο υπολογίζεται το σφάλμα μεταξύ των ρευμάτων i dq,ref και i dq,grid, που επίσης υπολογίστηκε στο πρώτο βήμα του ελέγχου και το σφάλμα περνά από τον PI ελεγκτή ρεύματος, από τον οποίο προκύπτουν τα ημίτονα αναφοράς για την παραγωγή των παλμών ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων, u ref. Τελικό βήμα της τεχνικής ελέγχου στατισμού, αποτελεί η επαναφορά των ημιτόνων αναφοράς στο τριφασικό abc πλαίσιο αναφοράς, μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού Park (Εξίσωση 3.48) και η είσοδός τους στην παλμογεννήτρια PWM για την παραγωγή των παλμών για τα έξι διακοπτικά ημιαγωγικά στοιχεία του τριφασικού αντιστροφέα [44]. 89

110 90 Κεφάλαιο 3

111 Κεφάλαιο 4 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις του συστήματος του μικροδικτύου το οποίο μελετήθηκε, καθώς και τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Γενικά, με τη χρήση των τριών πηγών ενέργειας του μικροδικτύου, οι οποίες επιλέχθηκαν, θα μπορούσαν να προσομοιωθούν πολλά διαφορετικά σενάρια λειτουργίας ανάλογα με τις τιμές της ακτινοβολίας, της αποθηκευμένης ενέργειας στη συστοιχία συσσωρευτών και του φορτίου που πρέπει να τροφοδοτηθεί. Τα βασικότερα λογικά σενάρια που πρέπει να ληφθούν υπόψιν σε ένα μικροδίκτυο για τη σωστή του λειτουργία, είναι τα εξής: 1. Όταν το φωτοβολταϊκό παράγει μεγαλύτερη ισχύ από το φορτίο που πρέπει να τροφοδοτηθεί P PV > P Load, τότε η επιπλέον ισχύς τροφοδοτεί τη συστοιχία μπαταριών έως ότου το SOC = 100%. 2. Όταν P PV < P Load και η φόρτιση των μπαταριών βρίσκεται σε SOC 20% τότε: I. Εάν P Load < P bat(rated), τότε το φορτίο τροφοδοτείται και από τις δύο II. κύριες πηγές ενέργειας του μικροδικτύου. Εάν P Load > P bat(rated), τότε οι μπαταρίες δίνουν ισχύ P bat(rated) και η υπόλοιπη ισχύς του φορτίου τροφοδοτείται από τη ντιζελογεννήτρια, η οποία μπαίνει σε λειτουργία. 3. Όταν P PV < P Load και η φόρτιση των μπαταριών βρίσκεται σε SOC 20%, τότε ενεργοποιείται η λειτουργία του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, ή εναλλακτικά αποκόπτονται φορτία έως ότου P PV = P Load. Πρακτικά, η υλοποίηση αυτών των συνθηκών γίνεται με τη μέτρηση της τάσης στον ζυγό του φορτίου. Εάν η τιμή της γίνει χαμηλότερη από την ονομαστική, αυτό ερμηνεύεται ως ανικανότητα των πηγών να τροφοδοτήσουν πλήρως το φορτίο, άρα P DG < P Load. Φυσικά, όλα αυτά τα σενάρια λειτουργίας του μικροδικτύου εισάγουν μεγάλη πολυπλοκότητα στο σύστημα και δυσκολία στη συνολική του προσομοίωση. Στην παρούσα εργασία θεωρήθηκαν, με ορισμένες απλουστεύσεις, κάποια βασικά σενάρια, τα οποία ελέγχουν την ορθή λειτουργία του συστήματος. Αυτά είναι: 1. Προσομοίωση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης, με χρήση του ελέγχου P-Q (Παράγραφος 4.1). 91

112 Κεφάλαιο 4 2. Προσομοίωση ενός αυτόνομου μικροδικτύου μέσω της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control). Αρχικά, προσομοιώθηκε η λειτουργία των δύο κύριων πηγών ενέργειας, της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της συστοιχίας μπαταριών, όπου λάβαμε υπόψιν τα εξής σενάρια (Παράγραφος 4.2.1): I. Εάν P PV > P Load, τότε η περίσσεια ισχύος του φωτοβολταϊκού οδηγείται στις μπαταρίες και τις φορτίζει. II. Εάν P PV = P Load, τότε το φορτίο καλύπτεται πλήρως από τα ηλιακά πλαίσια και η ισχύς στις μπαταρίες μηδενίζεται. III. Εάν P PV < P Load, τότε για την κάλυψη του φορτίου παρέχουν ισχύ και οι δύο κλάδοι, δηλαδή P PV + P bat = P Load. IV. Εάν λόγω καιρικών συνθηκών ή λόγω της ώρας δεν υπάρχει διαθέσιμη ακτινοβολία, τότε το φορτίο καλύπτεται πλήρως από τη συστοιχία συσσωρευτών, P bat = P Load. 3. Πλήρης προσομοίωση του συστήματος του μικροδικτύου μαζί με τις δύο κύριες πηγές και το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, το οποίο αναλαμβάνει να καλύψει το φορτίο όταν η ακτινοβολία είναι Ι r < 100W/m 2 και η φόρτιση στις μπαταρίες είναι SOC < 40% (Παράγραφος 4.2.2). Φυσικά, πολλές από τις παραδοχές που έγιναν ήταν χάριν απλούστευσης του συστήματος. Ενώ γενικά τα φωτοβολταϊκά παρέχουν τη δυνατότητα μέτρησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, ο ορθός έλεγχος θα λάμβανε υπόψιν την τιμή της τάσης στο φορτίο, όπως αναφέρθηκε ήδη. Οι προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στη συνέχεια, καθώς και αυτές που παρατίθενται στο Παράρτημα Γ, έχουν γίνει με το πρόγραμμα Matlab 2016a, ενώ η μέθοδος επίλυσης που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ode23tb. 4.1 Φωτοβολταϊκή Συστοιχία σε Σύνδεση με το Δίκτυο Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα αναλυθεί η διασύνδεση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με το δίκτυο χαμηλής τάσης, μέσω των ελέγχων MPPT και P-Q. To σύστημα φαίνεται στο Σχήμα 4.1 και αποτελείται από τέσσερα υποσυστήματα: I. τη φωτοβολταϊκή συστοιχία II. τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost με έλεγχο MPPT III. τον τριφασικό αντιστροφέα με έλεγχο P-Q και ένα LCL φίλτρο και IV. το τριφασικό δίκτυο πολικής τάσης 400V. 92

113 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.1: Το σύστημα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε σύνδεση με το δίκτυο. Στη συνέχεια θα αναλυθούν τα τέσσερα τμήματα του συστήματος, ενώ η λειτουργία και οι τιμές των στοιχείων που επιλέγονται παραμένουν ίδια και στο σύστημα του μικροδικτύου που θα αναλυθεί στο επόμενο υποκεφάλαιο. I. Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Στο Σχήμα 4.2 φαίνεται το σύστημα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Για την προσομοίωσή του χρησιμοποιήθηκε το έτοιμο μπλοκ PV Array, ενώ το μοντέλο των πλαισίων που επιλέχθηκε είναι το Canadian Solar CS6P-250P, με τα εξής χαρακτηριστικά λειτουργίας για συνθήκες Standard Test Conditions (STC συνθήκες ορίζονται για ακτινοβολία I r = 1000W/m 2 και θερμοκρασία θ = 25 ο C): - P max = 250W, η μέγιστη ισχύς - V OC = 37.2V, η τάση ανοιχτοκυκλώματος - Ι SC = 8.87V, το ρεύμα βραχυκυκλώματος - V mp = 30.1V, η μέγιστη τάση (τάση MPPT) και - Ι mp = 8.3V, το μέγιστο ρεύμα (ρεύμα MPPT). Το σύστημα που προσομοιώθηκε περιλαμβάνει έναν κλάδο με δώδεκα πλαίσια σε σειρά, τα οποία αποδίδουν συνολική μέγιστη ισχύ P max = 3000W. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης μεταβάλλαμε την ακτινοβολία, ώστε να ελεγχθεί ότι ο έλεγχος MPPT εξαναγκάζει ορθά τη συστοιχία να λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος, ενώ η θερμοκρασία κρατήθηκε σταθερή και ίση με θ = 25 ο C. Το φυλλάδιο κατασκευαστή του φωτοβολταϊκού πλαισίου παρατίθεται στο Παράρτημα Β της εργασίας. 93

114 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.2: Η φωτοβολταϊκή συστοιχία του συστήματος. II. Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Boost με Έλεγχο MPPT Για την ανύψωση της τάσης εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύνδεσή της με τον τριφασικό αντιστροφέα, χρησιμοποιήθηκε ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost, ο οποίος παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.3. Σχήμα 4.3: Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost του συστήματος. Στην είσοδο του μετατροπέα συνδέθηκε σε σειρά μια δίοδος που εμποδίζει την επιστροφή ρεύματος στη συστοιχία φωτοβολταϊκών και εγκάρσια ένας πυκνωτής C in = 1μF για εξομάλυνση της τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκού, έτσι ώστε ο έλεγχος MPPT να γίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια. Για το πηνίο εξομάλυνσης του μετατροπέα Boost επιλέχθηκε κατάλληλη τιμή, έτσι ώστε ο μετατροπέας να λειτουργεί στη περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM) υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, δηλαδή ακόμα και για την ελάχιστη ισχύ, η οποία 94

115 Κεφάλαιο 4 θεωρήθηκε ίση με το 10% της ονομαστικής. Τελικά, θεωρώντας ένα συντελεστή ασφαλείας η τιμή του πηνίου επιλέχθηκε ίση με L f = 15mH. Ο πυκνωτής εξόδου υπολογίστηκε κατάλληλα, έτσι ώστε η κυμάτωση της τάσης εξόδου να είναι περίπου V C(ripple) = 10V και τελικά, επιλέχθηκε να είναι ίσος με C = 2.5mF. Σχήμα 4.4: Το μπλοκ διάγραμμα του ελεγκτή του MPPT. Η τεχνική της απομάστευσης μέγιστης ισχύος (MPPT) με διαταραχή και παρατήρηση που υλοποιήθηκε παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.4, ενώ η θεωρητική του ανάλυση έχει ήδη γίνει στο Κεφάλαιο 3.3 και ο κώδικας υλοποίησής του παρατίθεται στο Παράρτημα Α. Αρχικά, το σύστημα λειτουργεί με ένα σταθερό λόγο κατάτμησης δ = 0.6, ενώ στη συνέχεια, όταν ενεργοποιηθεί (Enable) ο έλεγχος MPPT, ο λόγος κατάτμησης παίρνει τη βέλτιστη τιμή του. Το βήμα που χρησιμοποιήθηκε στον αλγόριθμο τέθηκε ίσο με Δδ = III. Τριφασικός Αντιστροφέας με Έλεγχο P-Q Στο Σχήμα 4.5 παρουσιάζεται ο τριφασικός αντιστροφέας με τον έλεγχο P-Q και το LCL φίλτρο για τη διασύνδεση του συστήματος με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Σχήμα 4.5: Ο τριφασικός αντιστροφέας. 95

116 Κεφάλαιο 4 Η τιμή των στοιχείων του φίλτρου LCL υπολογίστηκαν από εξισώσεις, οι οποίες βρέθηκαν στη βιβλιογραφία [49], έτσι ώστε να έχει συχνότητα αποκοπής f cut off = 1200Hz και τελικά προσδιορίστηκαν ως ακολούθως: L 1 = 10.7mH, L 2 = 28.5mH, R f = 20.25Ω και C f = 2.1μF. Στο Σχήμα 4.6 παρουσιάζεται το μπλοκ που υλοποιεί τον έλεγχο P-Q του τριφασικού αντιστροφέα, του οποίου η θεωρία αναλύθηκε στο Κεφάλαιο 3.4. Στη συνέχεια θα γίνει μια σύντομη περιγραφή των υποσυστημάτων του ελέγχου. Σχήμα 4.6: P-Q έλεγχος του τριφασικού αντιστροφέα και ημίτονα αναφοράς. Αρχικά, γίνεται η μέτρηση των τάσεων και των ρευμάτων στη πλευρά του δικτύου στο abc σύστημα και στη συνέχεια στο υποσύστημα abc>dq0 γίνεται η μετατροπή των μετρούμενων μεγεθών στο σταθερό d-q πλαίσιο αναφοράς, μέσω του μετασχηματισμού Park χρησιμοποιώντας τη φάση της τάσης, η οποία προέρχεται από το PLL μπλοκ. Σχήμα 4.7: Μετασχηματισμός τάσεων και ρευμάτων στο d-q σύστημα αξόνων. Στο μπλοκ PI Voltage Control (Σχήμα 4.8) παρουσιάζεται ο εξωτερικός PI βρόχος ελέγχου της συνεχούς τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα. Αρχικά, 96

117 Κεφάλαιο 4 υπολογίζεται το σφάλμα της συνεχούς τάσης και στη συνέχεια διαιρείται με τη βάση τάσης, έτσι ώστε να προκύψει η ανά μονάδα τιμή του σφάλματος. Στη συνέχεια, το σφάλμα περνάει από έναν PI ελεγκτή με κέρδη Κ P = 100 και Κ I = 2000, τα οποία εκτιμήθηκαν μετά από αρκετές δοκιμές. Στην έξοδο του ελεγκτή λαμβάνουμε το σήμα του ρεύματος αναφοράς που αποτελεί την είσοδο του εσωτερικού PI βρόχου ελέγχου του ρεύματος. Σχήμα 4.8: Εξωτερικός PI ελεγκτής συνεχούς τάσης στην είσοδο του αντιστροφέα (Ενεργός Ισχύς P). Αντίστοιχα, στο μπλοκ PI Current Control (Σχήμα 4.9) παρουσιάζεται ο εσωτερικός βρόχος ελέγχου του ρεύματος στην έξοδο του αντιστροφέα. Αρχικά, υπολογίζεται το σφάλμα του ρεύματος και στη συνέχεια περνά από έναν PI ελεγκτή με κέρδη Κ P = 0.5 και Κ Ι = 10, τα οποία εκτιμήθηκαν μετά από δοκιμές. Τέλος, σε αυτό το τμήμα του ελέγχου πραγματοποιείται η αποσύζευξη των δύο βρόχων ελέγχου. Σχήμα 4.9: Εσωτερικός PI ελεγκτής ρεύματος στην έξοδο του αντιστροφέα (Άεργος Ισχύς Q). Από την έξοδο του ελεγκτή ρεύματος λαμβάνουμε το σήμα τάσης V dq, το οποίο εισάγεται στο PWM Voltage Reference μπλοκ (Σχήμα 4.10) για τη δημιουργία των ημιτόνων αναφοράς του αντιστροφέα. Αρχικά, γίνεται ο υπολογισμός της ανά μονάδα τιμής της συνεχούς τάσης V dc_ref και στη συνέχεια δημιουργείται ο λόγος 97

118 Κεφάλαιο 4 V dq V dc_ref, από το μέτρο του οποίου προκύπτει ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a, και από τη φάση του οποίου προκύπτει μια γωνία θ, η οποία προστίθεται στη φάση των ημιτόνων αναφοράς. Οι τρεις ημιτονοειδείς κυματομορφές που δημιουργούνται έχουν διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους και στη συνέχεια οδηγούνται στον τριφασικό αντιστροφέα. Σχήμα 4.10: Δημιουργία ημιτόνων αναφοράς του τριφασικού αντιστροφέα. IV. Τριφασικό Δίκτυο Το σύστημα, τέλος, περιλαμβάνει και μια τριφασική πηγή τάσης με συχνότητα f = 50Ηz που αποτελείται από τρεις ελεγχόμενες πηγές τάσης με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους και μεταβαλλόμενο πλάτος, το οποίο έχουμε κρατήσει σταθερό και ίσο με V L L(rms) = 400V, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα 4.11: Τριφασικό δίκτυο με ελεγχόμενο πλάτος. Προσομοίωση του συστήματος Κατά την προσομοίωση του συστήματος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης μεταβάλλαμε την ακτινοβολία σε τρία 98

119 Κεφάλαιο 4 επίπεδα και κρατήσαμε σταθερή τη θερμοκρασία του συστήματος και ίση με θ = 25 o C, έτσι ώστε να γίνει εμφανής η άμεση εξάρτηση της μεταβολής της ισχύος που εγχέεται στο δίκτυο από τη μεταβολή της ακτινοβολίας. Η τάση του δικτύου διατηρήθηκε σταθερή και ίση με την ονομαστική της τιμή, V L L(rms) = 400V, ενώ ο χρόνος της προσομοίωσης ήταν t = 30sec. Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Στο Σχήμα 4.12 παρουσιάζονται οι κυματομορφές της ακτινοβολίας, της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Για χρόνο έως t = 10sec το σύστημα βρίσκεται σε STC συνθήκες λειτουργίας, ενώ στη συνέχεια και έως t = 20sec η ακτινοβολία μειώνεται στο μισό και τέλος γίνεται ίση με Ι r = 750W/m 2. Σχήμα 4.12: Κυματομορφές α) Ακτινοβολίας και β) Τάσης, γ) Ρεύματος και δ) Ισχύος στην φωτοβολταϊκή συστοιχία. Παρατηρούμε πως, ενώ η τάση εξόδου παραμένει σταθερή, το ρεύμα και κατά συνέπεια και η ισχύς εξόδου μεταβάλλονται ανάλογα με την μεταβολή της 99

120 Κεφάλαιο 4 ακτινοβολίας. Έτσι, για μέγιστη ακτινοβολία η συστοιχία παράγει τη μέγιστη ενεργό ισχύ P max = 3000W, για μείωση της στο μισό γίνεται αντίστοιχα P = 1500W και τέλος, για ακτινοβολία ίση με Ι r = 750W/m 2 η ισχύς εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας έχει τιμή P = 2250W. Τα παραπάνω επιβεβαιώνουν τη θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος, η οποία αναλύθηκε στο Κεφάλαιο 2. Η εμφάνιση μεταβατικών φαινομένων δικαιολογείται λόγω της βηματικής μεταβολής της ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα αυτή η μεταβολή είναι αρκετά ομαλή και τα φαινόμενα αυτά εξαφανίζονται. Μετατροπέας ανύψωσης τάσης Boost Στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης το ρεύμα του πηνίου εισόδου είναι το ίδιο με το ρεύμα εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Να σημειωθεί πως, εάν το μοντέλο του μετατροπέα ήταν διακοπτικό, θα περιμέναμε μια κυμάτωση στο ρεύμα, η οποία τώρα έχει αντικατασταθεί από τη μέση τιμή της. Σχήμα 4.13: α) Ακτινοβολία, β) Λόγος κατάτμησης, γ) Τάση και δ) Ρεύμα στην έξοδο του μετατροπέα Boost. 100

121 Κεφάλαιο 4 Στο Σχήμα 4.13 παρουσιάζονται ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης Boost, καθώς και η τάση και το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα στο DC link. Παρατηρούμε πως, ο λόγος κατάτμησης δ μεταβάλλεται ελαφρώς, αλλά κατάλληλα μέσω του ελέγχου MPPT, έτσι ώστε η φωτοβολταϊκή συστοιχία να λειτουργεί πάντα στο σημείο μέγιστης ισχύος. Επίσης, χάριν στον έλεγχο P-Q η τάση στον πυκνωτή εξόδου παραμένει σταθερή καθ όλη την διάρκεια της προσομοίωσης, ενώ το ρεύμα μεταβάλλεται ανάλογα με την ισχύ που μεταφέρει η φωτοβολταϊκή συστοιχία στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Τριφασικός Αντιστροφέας Στο Σχήμα 4.14 παρουσιάζεται ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a, όπως αυτός προκύπτει από τον έλεγχο P-Q. Παρατηρούμε, ότι η τιμή του μεταβάλλεται κατάλληλα με τη μεταβολή της ακτινοβολίας, ώστε η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα να έχει το επιθυμητό πλάτος. Η τιμή του m a πολλαπλασιάζεται με τα τρία ημίτονα που παράγει ο έλεγχος P-Q και μαζί αποτελούν τις αναφορές του τριφασικού αντιστροφέα. Σχήμα 4.14: α) Ακτινοβολία και β) Συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a. Στο Σχήμα 4.15 παρουσιάζονται τα ημίτονα αναφοράς, η τάση και το ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα μεγεθυμένα στον χρόνο για το δευτερόλεπτο t = 25sec της προσομοίωσης. Παρατηρούμε πως, όπως ήταν αναμενόμενο τα σήματα παρουσιάζουν διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους, ενώ το εύρος της τάσης και του ρεύματος τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή είναι ίσο με V line(rms) = 230V και Ι line(rms) = 3.23Α. 101

122 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.15: α) Ημίτονα αναφοράς, β) Τάση και γ) Ρεύμα στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα. Στο Σχήμα 4.16 παρουσιάζεται η μεταβολή της ακτινοβολίας με τη μεταβολή του ρεύματος εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα. Όπως ήταν αναμενόμενο, το ρεύμα μεταβάλλεται ανάλογα με την ακτινοβολία, έτσι ώστε να τροφοδοτεί ανά πάσα στιγμή το δίκτυο με τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να παράγει η φωτοβολταϊκή συστοιχία. Σχήμα 4.16: α) Ακτινοβολία και β) Ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα. 102

123 Κεφάλαιο 4 Τριφασικό Δίκτυο Τέλος, στο Σχήμα 4.17 παρουσιάζεται η ενεργός και η άεργος ισχύς που εγχέεται από το σύστημα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο τριφασικό δίκτυο. Παρατηρούμε πως, η ενεργός ισχύς είναι ίση με την ισχύ που παράγει κάθε στιγμή η συστοιχία και ευθέως ανάλογη με την ακτινοβολία. Αντίστοιχα, φαίνεται πως η άεργος ισχύς μένει σταθερή και ίση με μηδέν, όπως άλλωστε ήταν επιθυμητό και είχε τεθεί ως αναφορά στον έλεγχο P-Q. Να σημειωθεί πως τα μεταβατικά φαινόμενα που εμφανίζονται στην ενεργό και άεργο ισχύ κατά την μεταβολή της ακτινοβολίας οφείλονται στην βηματική φύση της μεταβολής. Στην πράξη, η μεταβολή αυτή γίνεται αρκετά ομαλά και κατά συνέπεια, τα μεταβατικά αυτά φαινόμενα εξαφανίζονται. Σχήμα 4.17: Ενεργός και άεργος ισχύς που εγχέεται στο τριφασικό δίκτυο. Συγκεκριμένα, στο Σχήμα 4.18 παρουσιάζεται αντίστοιχη μεταβολή της ακτινοβολίας αυτή τη φορά όχι βηματικά, αλλά ως ράμπα καθώς μια τέτοια μεταβολή αντικατοπτρίζει πιο πιστά τις πραγματικές μεταβολές της ακτινοβολίας. Όπως παρατηρούμε, τα μεταβατικά φαινόμενα στην ενεργό και άεργο ισχύ τώρα έχουν πρακτικά εξαλειφθεί. 103

124 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.18: Ενεργός και άεργος ισχύς που εγχέεται στο δίκτυο για μεταβολή ακτινοβολίας με τη μορφή ράμπας. Αντίστοιχα, τα μεταβατικά φαινόμενα σε αυτή τη περίπτωση απουσιάζουν και από τα υπόλοιπα μεγέθη τα οποία μελετήθηκαν σε αυτή τη παράγραφο. Παρ όλα αυτά η επανάληψή τους θεωρείται περιττή και κατά συνέπεια παραλείπεται. 4.2 Τεχνική Ελέγχου Στατισμού σε Απομονωμένο Φορτίο Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται η προσομοίωση του συστήματος μέσω της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) σε απομονωμένο φορτίο. Αρχικά θα γίνει η παρουσίαση του ελέγχου που υλοποιήθηκε, ενώ στη συνέχεια θα γίνει η υλοποίησή του στα δύο σενάρια λειτουργίας του συστήματος του μικροδικτύου που αναφέρθηκαν. Στο μπλοκ της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) περιλαμβάνονται τα υποσυστήματα που φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 4.19: Υλοποίηση της τεχνικής ελέγχου στατισμού. 104

125 Κεφάλαιο 4 Συγκεκριμένα, αρχικά γίνεται η μέτρηση των τριφασικών τάσεων και ρευμάτων στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα. Στη συνέχεια, τα σήματα αυτά περνάνε στο υποσύστημα Droop Control, η υλοποίηση του οποίου παρουσιάζεται στο Σχήμα Εκεί, γίνεται ο υπολογισμός της ενεργού και της αέργου ισχύος του συστήματος σε ανά μονάδα τιμές και έπειτα, μέσω των εξισώσεων στατισμού και σύμφωνα με τις κλίσεις m και n που έχουν επιλεχθεί για τους βρόχους P-f και Q-V, παράγονται οι τιμές αναφοράς της συχνότητας και της τάσης f ref και V ref, αντίστοιχα. Σχήμα 4.20: Υλοποίηση της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control μπλοκ). Οι τιμές αναφοράς στην πορεία εισάγονται στο μπλοκ Voltage Formation, το οποίο παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.21, ώστε να κατασκευαστούν τα ημίτονα αναφοράς. Εκεί, η συχνότητα αναφοράς πολλαπλασιάζεται με 2 π, έτσι ώστε να έχει τη μορφή γωνιακής συχνότητας και στη συνέχεια περνά από έναν ολοκληρωτή κέρδους Κ = 1, ώστε να αποκτήσει τη μορφή φάσης. Έπειτα από τη γωνία που προκύπτει, αφού προστεθεί με τρία σήματα με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους, γίνεται ο υπολογισμός του ημιτόνου της και τέλος το σήμα αυτό πολλαπλασιάζεται με την τάση αναφοράς, οπότε προκύπτουν τα τρία ημίτονα αναφοράς της τεχνικής ελέγχου στατισμού. Σχήμα 4.21: Υλοποίηση της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Voltage Formation μπλοκ). 105

126 Κεφάλαιο 4 Τέλος, τα τρία σήματα αναφοράς εισέρχονται στο υποσύστημα Voltage and Current Control, για να πάρουν την τελική τους μορφή. Το τμήμα αυτό της τεχνικής ελέγχου στατισμού είναι όμοιο με του ελέγχου P-Q, στο οποίο επίσης συναντάμε δύο βρόχους ελέγχου, έναν τάσης και ένα ρεύματος. Αρχικά, τα τρία σήματα αναφοράς καθώς και οι τάσεις και τα ρεύματα που μετρήθηκαν στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα περνούν από το abc στο d-q σταθερό πλαίσιο αναφοράς μέσω του μετασχηματισμού Park, ο οποίος γίνεται με τη χρήση του PLL μπλοκ και συχνότητα αυτή που προκύπτει από τα τρία ημίτονα αναφοράς. Στη συνέχεια, τα δύο πλέον ημίτονα αναφοράς συγκρίνονται με τις τιμές της μετρούμενης τάσης και τα σφάλματα περνούν από δύο PI ελεγκτές με κέρδη K P = 7 και K I = 800, από όπου και προκύπτουν τα σήματα Ι d και Ι q. Τα τελευταία, συγκρίνονται με τις τιμές των μετρούμενων ρευμάτων και τα σφάλματά τους περνούν από δύο PI ελεγκτές με κέρδη K P = 0.3 και K I = 10, τα οποία όπως και πριν προέκυψαν μετά από αρκετές δοκιμές. Τέλος, τα τρία ημίτονα αναφοράς επιστρέφουν στο abc σύστημα με τη βοήθεια του αντίστροφου μετασχηματισμού Park και πλέον αποτελούν τις αναφορές του τριφασικού αντιστροφέα. Σχήμα 4.22: Υλοποίηση της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Voltage and Current Control μπλοκ). Στη συνέχεια παρουσιάζεται η υλοποίηση του συστήματος του μικροδικτύου, αρχικά ελέγχοντας μόνο τη λειτουργία των δύο βασικών πηγών και στη συνέχεια για τον συνδυασμό τους με το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ο έλεγχος του Droop Control εφαρμόστηκε στους δύο τριφασικούς αντιστροφείς των κλάδων της συστοιχίας φωτοβολταϊκών και των συσσωρευτών, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η σωστή κατανομή ισχύος μεταξύ των δύο πηγών. 106

127 Κεφάλαιο Φωτοβολταϊκή συστοιχία και συστοιχία συσσωρευτών Στο Σχήμα 4.23 παρουσιάζεται το σύστημα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας παράλληλα με τη συστοιχία μπαταριών να τροφοδοτούν το απομονωμένο οικιακό φορτίο. Ο κλάδος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας αποτελείται από το μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost, στον οποίο γίνεται ο έλεγχος απομάστευσης μέγιστης ισχύος MPPT και τον τριφασικό αντιστροφέα, στον οποίο εφαρμόζεται η τεχνική ελέγχου στατισμού (Droop Control), όπως περιγράφθηκε νωρίτερα. Η συστοιχία μπαταριών συνδέεται στο φορτίο μέσω ενός δεύτερου τριφασικού αντιστροφέα στον οποίο εφαρμόζεται επίσης ο έλεγχος στατισμού (Droop Control). Καθώς η συστοιχία φωτοβολταϊκών παράγει πάντα τη μέγιστη δυνατή ισχύ ανεξαρτήτως της τιμής του φορτίου, προκύπτουν τα εξής σενάρια λειτουργίας: I. Η ισχύς που καταναλώνει το φορτίο είναι μικρότερη από αυτή που μπορεί να προσφέρει η συστοιχία φωτοβολταϊκών, P PV > P Load. Στο ενδεχόμενο αυτό η περίσσεια ισχύος τροφοδοτεί τη συστοιχία συσσωρευτών και τη φορτίζει. II. Η ισχύς που καταναλώνει το φορτίο είναι ίση με αυτή που παράγει το φωτοβολταϊκό, P PV = P Load και κατά συνέπεια η ισχύς που προέρχεται από τους συσσωρευτές είναι μηδενική. III. Η ισχύς που απαιτεί το φορτίο είναι μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να προσφέρει η συστοιχία φωτοβολταϊκών, P PV < P Load. Σε αυτή την περίπτωση η επιπλέον απαραίτητη ισχύς προσφέρεται στο απομονωμένο φορτίο από τη συστοιχία συσσωρευτών, έτσι ώστε P PV + P bat = P Load. Σχήμα 4.23: Σύστημα φωτοβολταϊκής συστοιχίας και συστοιχίας συσσωρευτών για την τροφοδοσία απομονωμένου φορτίου. 107

128 Κεφάλαιο 4 IV. Λόγω καιρικών φαινομένων ή λόγω της ώρας η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν παράγει καθόλου ισχύ. Σε αυτή την περίπτωση το φορτίο καλύπτεται από τη συστοιχία συσσωρευτών, δηλαδή P bat = P Load, αρκεί P Load P bat,nom. Συνολικά δηλαδή, είναι επιθυμητό το άθροισμα της ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της συστοιχίας συσσωρευτών να παραμένει σταθερό και ίσο με την τιμή του οικιακού φορτίου καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα χαρακτηριστικά μεγέθη που επιλέχθηκαν για το σύστημα: - V in = 640V, η τάση στη συστοιχία των συσσωρευτών - C in = 1μF, ο πυκνωτής εισόδου του μετατροπέα Boost - L f = 15mH, το πηνίο του μετατροπέα Boost - C dc = 0.1mF, ο πυκνωτής στην έξοδο του μετατροπέα Boost (DC link) - L 1 = 10.7mH και L 2 = 28.5mH, οι επαγωγές των LCL φίλτρων - C f = 2.1μF, η χωρητικότητα των LCL φίλτρων - R f = 20.25Ω, η αντίσταση των LCL φίλτρων - n = 0.1, η κλίση στατισμού των βρόχων P-f - m = 0.1, η κλίση στατισμού των βρόχων Q-V και - P load = 2500W και Q load = 2000Var, το απομακρυσμένο οικιακό φορτίο. Για τη συστοιχία φωτοβολταϊκών θεωρήθηκε σταθερή θερμοκρασία θ = 25 ο C και μια μεταβολή στην ακτινοβολία, έτσι ώστε να ελεγχθεί η ορθότητα των σεναρίων που αναφέρθηκαν. Αρχικά, τέθηκε ακτινοβολία ίση με I r = 1000W/m 2 για την οποία προκύπτουν συνθήκες STC και στη συνέχεια τέθηκε I r = 833W/m 2, I r = 500W/m 2 και I r = 0W/m 2, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Παρατηρούμε πως, στο πρώτο χρονικό διάστημα (0 t 5sec), όπου το φωτοβολταϊκό παράγει τη μέγιστη ισχύ του P max = 3000W, υπάρχει περίσσεια ισχύος 500W στο φορτίο, τα οποία επιστρέφουν στη συστοιχία συσσωρευτών και τη φορτίζουν. Στο δεύτερο χρονικό διάστημα (5 t 10sec), η ακτινοβολία επιλέχθηκε τόση, ώστε η φωτοβολταϊκή συστοιχία να παράγει ισχύ ίση με την ισχύ του φορτίου P load = 2500W και κατά συνέπεια, η ισχύς στις μπαταρίες να μηδενίζεται. Στο τρίτο χρονικό διάστημα (10 t 15sec), το φορτίο παίρνει P PV = 1500W από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία και P bat = 1000W από τις μπαταρίες για να καλύψει την ανάγκη του σε ισχύ. 108

129 Κεφάλαιο 4 Τέλος, στο τέταρτο χρονικό διάστημα (15 t 20sec), η ακτινοβολία γίνεται σχεδόν μηδενική και κατά συνέπεια το φωτοβολταϊκό δεν παρέχει καθόλου ισχύ στο φορτίο, P PV = 0W. Ως αποτέλεσμα, το απομονωμένο φορτίο τροφοδοτείται σχεδόν αποκλειστικά από τις μπαταρίες με P bat = 2500W. Όσον αφορά την άεργο ισχύ, αυτή επιλέχθηκε να τροφοδοτείται πάντα και από τις δύο πηγές κατά το ήμισυ. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί πως, καθώς και οι δύο κύριες πηγές που χρησιμοποιούνται είναι συνεχούς τάσης, δεν είναι ικανές για τη παραγωγή αέργου ισχύος. Η τελευταία παράγεται χάριν στους τριφασικούς αντιστροφείς των κλάδων, οι οποίοι μέσω του ελέγχου τους ρυθμίζουν το πλάτος της τάσης εξόδου κατάλληλα, ώστε να μεταφέρεται το επιθυμητό ποσό αέργου ισχύος στο φορτίο. Τα μεταβατικά φαινόμενα που παρουσιάζονται κατά τη μεταβολή της ακτινοβολίας οφείλονται στην βηματική της φύση. Στην πραγματικότητα, η μεταβολή αυτή είναι αρκετά ομαλή και τα φαινόμενα αυτά εξαφανίζονται. Σχήμα 4.24: α) Ακτινοβολία στη φωτοβολταϊκή συστοιχία, β) Ενεργός και γ) Άεργος ισχύς στο φορτίο (μαύρο), στη φωτοβολταϊκή συστοιχία (κόκκινο) και στη συστοιχία συσσωρευτών (μπλε). 109

130 Κεφάλαιο 4 Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Στο Σχήμα 4.25 παρουσιάζεται η μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών της φωτοβολταϊκής συστοιχίας συναρτήσει της μεταβολής της ακτινοβολίας. Όπως ήταν αναμενόμενο από τη θεωρία, η μεταβολή της ακτινοβολίας προκαλεί μια ευθέως ανάλογη μεταβολή στο ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού, ενώ επηρεάζει ελάχιστα την τάση εξόδου του. Κατά συνέπεια, εφόσον η ισχύς εξόδου υπολογίζεται από το γινόμενο της τάσης επί το ρεύμα, προκύπτει ότι αντίστοιχα και η ισχύς εξόδου είναι ανάλογη με την ακτινοβολία που προσπίπτει στη συστοιχία. Όλα τα παραπάνω συμφωνούν με τη θεωρητική ανάλυση που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 2. Σχήμα 4.25: α) Ακτινοβολία, β) Τάση, γ) Ρεύμα και δ) Ισχύς στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. 110

131 Κεφάλαιο 4 Όσον αφορά τα μεγέθη του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost, η μέση τιμή του ρεύματος στο πηνίο εισόδου είναι ίση με τη τιμή του ρεύματος στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Η μελέτη των κυματομορφών δεν έχει ιδιαίτερη αξία, καθώς λόγω της χρήσης των μοντέλων μέσης τιμής οι χαρακτηριστικές κυματομορφές του μετατροπέα έχουν αντικατασταθεί με τις μέσες τιμές τους. Στο Σχήμα 4.26 παρουσιάζεται η μεταβολή του λόγου κατάτμησης δ στον μετατροπέα Boost, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται απομάστευση μέγιστης ισχύος από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, μέσω του ελέγχου MPPT. Στην έξοδο του μετατροπέα παρατηρούμε σταθερή τάση ίση με V dc = 630V, η οποία αποτελεί την τάση εισόδου του τριφασικού αντιστροφέα. Τέλος, παρατηρούμε μια μεταβολή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα, η οποία είναι ανάλογη με την ισχύ που παράγει το σύστημα ανά πάσα στιγμή. Τα παραπάνω συμβαδίζουν με τη θεωρία που διατυπώθηκε στην ανάλυση του ελέγχου MPPT. Σχήμα 4.26: α) Λόγος κατάτμησης, β) Τάση και β) Ρεύμα στην έξοδο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost (DC link). 111

132 Κεφάλαιο 4 Στο Σχήμα 4.27 παρουσιάζονται τα ημίτονα αναφοράς, η τάση και το ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα σε μεγέθυνση στο χρόνο γύρω από t = 13sec της προσομοίωσης, όπου το φωτοβολταϊκό και οι συσσωρευτές μοιράζονται τη τροφοδοσία του φορτίου. Όπως περιμέναμε, τα ημίτονα αναφοράς έχουν εύρος 0 m a 1, το οποίο καθορίζεται από τον έλεγχο στατισμού, έχουν διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους και αποτελούν τις εισόδους του τριφασικού αντιστροφέα. Στην έξοδο του τελευταίου, παρατηρούμε πως η τάση έχει την επιθυμητή ενεργό τιμή V line(rms) = 230V και το ρεύμα Ι line(rms) = 2.65A. Η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου του αντιστροφέα είναι ίση με τη τιμή του ρεύματος στο DC link, ενώ και πάλι η μελέτη των κυματομορφών των στοιχείων του μετατροπέα παραλείπεται, καθώς στο σύστημα έγινε χρήση του ισοδύναμου μοντέλου μέσης τιμής, στο οποίο τα διακοπτικά στοιχεία απουσιάζουν. Σχήμα 4.27: α) Ημίτονα αναφοράς, β) Τάση και γ) Ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. 112

133 Κεφάλαιο 4 Συστοιχία Συσσωρευτών Για τη σύνδεση της συστοιχίας συσσωρευτών με το απομονωμένο φορτίο έγινε η χρήση ενός δεύτερου τριφασικού αντιστροφέα με έλεγχο στατισμού. Στο Σχήμα 4.28 παρουσιάζονται τα ημίτονα αναφοράς, η τάση και το ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα σε μεγέθυνση και πάλι γύρω από t = 13sec, έτσι ώστε να γίνει σύγκριση με τις τιμές του κλάδου του φωτοβολταϊκού. Παρατηρούμε ότι, και πάλι η τάση εξόδου έχει την επιθυμητή τιμή των V line(rms) = 230V, γεγονός απαραίτητο για την παράλληλη λειτουργία των κλάδων, ώστε να μην επέρχεται αποσυγχρονισμός του συστήματος. Η τιμή του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα είναι ίση με Ι line(rms) = 1.98A, που είναι λογική σε σχέση με τη τιμή που προέκυψε στον πρώτο κλάδο, καθώς σε αυτό το τμήμα της προσομοίωσης η φωτοβολταϊκή συστοιχία παράγει ελαφρώς μεγαλύτερη ισχύ από αυτή των μπαταριών. Σχήμα 4.28: α) Ημίτονα αναφοράς, β) Τάση και γ) Ρεύμα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα της συστοιχίας συσσωρευτών. 113

134 Κεφάλαιο 4 Απομονωμένο Φορτίο Στο Σχήμα 4.29 παρουσιάζεται η περιβάλλουσα της τάσης και του ρεύματος στο απομονωμένο οικιακό φορτίο για όλο το χρόνο που έτρεξε η προσομοίωση. Παρατηρούμε πως, παρά τις μεταβολές της ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό, ο έλεγχος του συστήματος ενεργεί ώστε το φορτίο να έχει πάντα σταθερή τιμή τάσης και ρεύματος και κατά συνέπεια η ισχύς του φορτίου να καλύπτεται πάντα. Αυτό επιτυγχάνεται με τον συνδυασμό του ελέγχου απομάστευσης μέγιστης ισχύος MPPT, ο οποίος φροντίζει έτσι ώστε η φωτοβολταϊκή συστοιχία να αποτελεί πάντα την κύρια πηγή ενέργειας του συστήματος και να τροφοδοτεί το φορτίο με τη μέγιστη δυνατή ισχύ και της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control), η οποία φροντίζει ώστε να επιτυγχάνονται πάντα τα τέσσερα σενάρια λειτουργίας που αναλύθηκαν στο παρόν υποκεφάλαιο. Σχήμα 4.29: Περιβάλλουσα α) Τάσης και β) Ρεύματος στο απομονωμένο φορτίο. Στο Σχήμα 4.30 φαίνεται η τάση και το ρεύμα στο απομονωμένο φορτίο και πάλι σε μεγέθυνση γύρω από χρόνο t = 13sec, έτσι ώστε να γίνει σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές των δύο κλάδων του συστήματος. Παρατηρούμε πως, το φορτίο τροφοδοτείται με σταθερή τάση V line(rms) = 230V, η οποία είναι ίση με τη τάση εξόδου των δύο αντιστροφέων και ρεύμα Ι line(rms) = 4.63A, του οποίου η τιμή είναι ίση με το διανυσματικό άθροισμα των ρευμάτων των δύο κλάδων του συστήματος. 114

135 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 4.30: α) Τάση και β) Ρεύμα στο απομονωμένο φορτίο. Συμπερασματικά, το σύστημα αποδείχθηκε ικανό να τροφοδοτήσει επαρκώς το απομονωμένο οικιακό φορτίο με ισχύ και για τα τέσσερα βασικά σενάρια που υποθέσαμε. Στη συνέχεια, το πέμπτο και τελευταίο σενάριο λειτουργίας του συστήματος περιλαμβάνει τη χρήση ενός επιπλέον ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους. Με αυτό, το σύστημα είναι ικανό να λάβει υπόψιν του την πιο ακραία περίπτωση, κατά την οποία δεν υπάρχει επαρκής ηλιοφάνεια στα φωτοβολταϊκά και η αποθηκευμένη ενέργεια των συσσωρευτών δεν είναι ικανή να τροφοδοτήσει το φορτίο. Σε αυτή την περίπτωση, οι δύο κύριες πηγές αποκόπτονται από το σύστημα μέσω ενός τριφασικού διακόπτη στερεάς κατάστασης και το φορτίο αναλαμβάνει να καλύψει αποκλειστικά η ντιζελογεννήτρια. Αξίζει στο σημείο αυτό να σημειωθεί το γεγονός ότι η ταχύτητα εκτέλεσης των προσομοιώσεων ήταν ιδιαίτερα γρήγορη χάριν της χρήσης των μοντέλων μέσης τιμής των μετατροπέων ανύψωσης τάσης Boost και του τριφασικού αντιστροφέα. Αντίστοιχης πολυπλοκότητας συστήματα θα χρειάζονταν πολλές τάξεις μεγέθους περισσότερο χρόνο για την εκτέλεση των προσομοιώσεων κάνοντας χρήση των διακοπτικών μοντέλων των μετατροπέων. Κατά τη μελέτη του συνολικού μικροδικτύου η οποία ακολουθεί, τα βασικά χαρακτηριστικά του συστήματος παρέμειναν ίδια με αυτά που περιγράφθηκαν στο παρόν υποκεφάλαιο. 115

136 Κεφάλαιο Προσομοίωση του συνολικού συστήματος σε απομονωμένο φορτίο Στο Σχήμα 4.31 φαίνεται το δομικό διάγραμμα του συνολικού συστήματος του μικροδικτύου με τις τρεις πηγές παραγωγής που χρησιμοποιήθηκαν. Το σύστημα τώρα περιλαμβάνει και το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, το οποίο αναλαμβάνει να καλύψει τις απαιτήσεις του φορτίου σε ισχύ, όταν οι δυο κύριες πηγές αδυνατούν. Καθ όλη τη διάρκεια όπου το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος δεν είναι συνδεδεμένο με το κύριο φορτίο, τροφοδοτεί ένα πολύ μικρό δευτερεύον φορτίο P = 25W, ώστε να προσομοιωθεί η εν κενώ λειτουργία του. Η συνθήκες κάτω από τις οποίες ανοίγει ο διακόπτης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της συστοιχίας συσσωρευτών και αντίστοιχα κλείνει ο διακόπτης του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, υλοποιούνται στο DG Switch Control μπλοκ. Αρχικά, γίνεται η μέτρηση της ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό και της στάθμης της φόρτισης (SOC) στη συστοιχία συσσωρευτών. Όταν η μετρούμενη ακτινοβολία γίνει μικρότερη των I r 100W/m 2 και ταυτόχρονα η στάθμη φόρτισης στις μπαταρίες γίνει SOC 40%, τότε θεωρούμε ότι οι δύο κύριες πηγές αδυνατούν να τροφοδοτήσουν πλέον το φορτίο, το οποίο τώρα αναλαμβάνει να τροφοδοτήσει το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ταυτόχρονα, το σήμα μετάβασης των διακοπτών ισχύος απενεργοποιεί τον έλεγχο στατισμού στους αντιστροφείς, οι οποίοι παύουν να παράγουν τάση στην έξοδό τους και οι δύο πρώτοι κλάδοι του συστήματος απενεργοποιούνται. Σχήμα 4.31: Το συνολικό σύστημα σε απομονωμένο φορτίο. 116

137 Κεφάλαιο 4 Σε αυτή την υλοποίηση θεωρήθηκε πως ήδη στο σύστημα η στάθμη φόρτισης των μπαταριών ήταν SOC 40% στην αρχή της προσομοίωσης, ενώ επιλέχθηκαν δύο στάθμες ακτινοβολίας. Αρχικά, τέθηκε ακτινοβολία I r = 660W/m 2 και στη συνέχεια I r = 95W/m 2, έτσι ώστε να πληρούνται οι συνθήκες για να αναλάβει το φορτίο η ντιζελογεννήτρια. Στο Σχήμα 4.32 φαίνεται η μεταβολή της στάθμης της ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό, καθώς και η στάθμη φόρτισης στους συσσωρευτές. Παρατηρούμε ότι η συνθήκη για το άνοιγμα των διακοπτών ικανοποιείται για χρόνο t = 4sec. Σχήμα 4.32: Ακτινοβολία στο φωτοβολταϊκό και στάθμη φόρτισης στις μπαταρίες. Στο Σχήμα 4.33 φαίνεται η ενεργός και η άεργος ισχύς στο απομονωμένο φορτίο, καθώς και οι ισχείς των τριών πηγών του συστήματος. Παρατηρούμε πως αρχικά, οι διακόπτες των δύο κύριων πηγών είναι κλειστοί και το φορτίο τροφοδοτείται με P PV = 2000W από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία και P bat = 500W από τους συσσωρευτές. Σε αυτό το χρονικό διάστημα, η ισχύς που παράγει το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος είναι πρακτικά ίση με το μηδέν. Στη συνέχεια, για χρόνο t = 4sec, οι συνθήκες ικανοποιούνται και οι διακόπτες στις δύο βασικές πηγές ανοίγουν. Το φορτίο τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος και κατά συνέπεια προκύπτει P PV = 0W, P bat = 0W και P diesel = 2500W. 117

138 Κεφάλαιο 4 Όσον αφορά την άεργο ισχύ του συστήματος παρατηρούμε πως πριν από το άνοιγμα των διακοπτών ισχύος, αυτή παρέχεται στο φορτίο, το οποίο τώρα έχει τεθεί ίσο με Q Load = 1000Var, αποκλειστικά από τη συστοιχία φωτοβολταϊκών, δηλαδή Q PV = Q Load. Το παραπάνω αποτέλεσμα είναι λογικό, καθώς, εφόσον η στάθμη φόρτισης των μπαταριών είναι χαμηλή, η τάση του δεύτερου κλάδου μειώνεται, ενώ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας παραμένει σταθερή, χάριν του ελέγχου. Μετά το άνοιγμα των διακοπτών το επαγωγικό φορτίο καλείται να το καλύψει η ντιζελογεννήτρια, ενώ η άεργος ισχύς των κλάδων των δύο κύριων πηγών μηδενίζεται, δηλαδή ισχύει Q PV = 0Var, Q bat = 0Var και Q diesel = 1000Var. Τα μεταβατικά φαινόμενα, τα οποία παρατηρούνται κατά τη μετάβαση των διακοπτών ισχύος δικαιολογούνται λόγω της βηματικής φύσης της μεταβολής της ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα η μεταβολή αυτή γίνεται πολύ ομαλά και τα φαινόμενα αγνοούνται. Σχήμα 4.33: α) Ακτινοβολία, β) Ενεργός και γ) Άεργος ισχύς στο φορτίο (μαύρο), στη φωτοβολταϊκή συστοιχία (κόκκινο), στη συστοιχία συσσωρευτών (μπλε) και στο ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (πράσινο). 118

139 Κεφάλαιο 4 Παρατηρούμε μάλιστα, πως το μεταβατικό που εισάγει η ντιζελογεννήτρια στην ενεργό ισχύ έχει χαρακτηριστικά μεγαλύτερη διάρκεια από αυτή που εισάγουν οι δύο άλλοι κλάδοι. Το παραπάνω δικαιολογείται λόγω των στρεφόμενων μερών της μηχανής, τα οποία εισάγουν αδράνεια στο σύστημα του μικροδικτύου. Στο Σχήμα 4.34 παρουσιάζεται η τάση και το ρεύμα στο απομονωμένο φορτίο, όταν αυτό τροφοδοτείται από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Παρατηρούμε πως η έξοδος του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους και συνεπώς και το φορτίο έχει και πάλι επιτυχώς την επιθυμητή τάση των V line(rms) = 230V, ενώ η τιμή του ρεύματος γίνεται ίση με Ι line(rms) = 3.97A. Σχήμα 4.34: Τάση και ρεύμα στο απομονωμένο φορτίο. Η παρουσίαση των τάσεων και ρευμάτων της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της συστοιχίας συσσωρευτών είναι όμοια με αυτή που έγινε στη Παράγραφο και κατά συνέπεια παραλείπεται. 119

140 120 Κεφάλαιο 4

141 Κεφάλαιο 5 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Στη μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία που παρουσιάστηκε, πραγματοποιήθηκε μελέτη και προσομοίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς ενός μικροδικτύου. Το μικροδίκτυο που εξετάστηκε είχε ως κύριες πηγές ενέργειας μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια συστοιχία συσσωρευτών και ως δευτερεύουσα πηγή ενέργειας ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, το οποίο αναλαμβάνει το φορτίο όταν οι δύο κύριες πηγές αδυνατούσαν. Αρχικά, δόθηκαν κάποιοι βασικοί ορισμοί για την κατανόηση του συστήματος, όπως οι έννοιες της κατανεμημένης και διεσπαρμένης παραγωγής, των έξυπνων δικτύων, καθώς και των μικροδικτύων, τα οποία αποτέλεσαν την ουσία αυτής της εργασίας. Ακόμη, έγινε μια σύντομη περιγραφή των πηγών ενέργειας οι οποίες χρησιμοποιούνται σε συστήματα μικροδικτύων. Στη συνέχεια, επικεντρωθήκαμε στο υπό μελέτη σύστημα και παρουσιάστηκαν τα βασικά τμήματα από τα οποία αποτελείται. Παρουσιάστηκε η εκτενής μελέτη της λειτουργίας των πηγών ενέργειας που χρησιμοποιήθηκαν, δηλαδή το φωτοβολταϊκό στοιχείο, οι συσσωρευτές, καθώς και το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ακόμα, αναλύθηκαν οι μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα μικροδίκτυα σήμερα, ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης (Boost) και ο τριφασικός αντιστροφέας. Σημαντικό τμήμα της μελέτης αποτέλεσε ο έλεγχος του συστήματος, ο οποίος επιτεύχθηκε μέσω της χρήσης ελέγχου MPPT για απομάστευση της μέγιστης ισχύος από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, του ελέγχου P-Q για το σύστημα διασύνδεσης με το δίκτυο και της τεχνικής ελέγχου στατισμού (Droop Control) για τον ορθό καταμερισμό της ισχύος μεταξύ των διασυνδεδεμένων πηγών και τη τροφοδοσία του απομονωμένου φορτίου. Έπειτα, έγινε η προσομοίωση του συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink, αρχικά σε διασύνδεση με το δίκτυο (για λόγους απλοποίησης και δοκιμών του συστήματος) και στη συνέχεια για τη τροφοδοσία του απομονωμένου φορτίου. Μελετήθηκαν οι κυματομορφές και οι τιμές που προέκυψαν για τα μεγέθη και επιβεβαιώθηκε η ορθή λειτουργία του ελέγχου, των μοντέλων μέσης τιμής των μετατροπέων που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς και 121

142 Κεφάλαιο 5 της συμπεριφοράς σε μόνιμες και μεταβατικές καταστάσεις του συνολικού συστήματος του μικροδικτύου. Φυσικά, στη μελέτη που έγινε λήφθηκε υπόψιν μόνο ένα μικρό μέρος των σεναρίων που θα μπορούσαν να συνυπολογιστούν. Ως μελλοντική προοπτική συνέχισης της παρούσας εργασίας, θα μπορούσαν να μελετηθούν επιπλέον σενάρια λειτουργίας του συστήματος, όπως για παράδειγμα: 1. Απόρριψη φορτίων όταν το άθροισμα των ισχύων των δύο βασικών κλάδων του συστήματος δεν επαρκεί για την κάλυψη του οικιακού φορτίου, δηλαδή P PV + P bat < P Load. 2. Παράλληλη τροφοδότηση του φορτίου και από τις τρεις πηγές ενέργειας του συστήματος, ώστε να γίνεται βέλτιστη εκμετάλλευση των φωτοβολταϊκών και των συσσωρευτών, δηλαδή P PV + P bat + P Diesel = P Load. 3. Παράλληλη φόρτιση της συστοιχίας συσσωρευτών, όσο το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος τροφοδοτεί το απομονωμένο φορτίο, δηλαδή P Diesel = P bat + P Load. 4. Ένταξη επιπλέον μονάδων ΑΠΕ στο σύστημα του μικροδικτύου, όπως μια ανεμογεννήτρια, κυψέλες καυσίμου ή ακόμη και ένα μικρό υδροηλεκτρικό, εάν το φορτίο αντιστοιχεί τις ανάγκες μιας μικρής κοινότητας. 5. Διάκριση των επιμέρους φορτίων που αποτελούν το οικιακό φορτίο, τα οποία αλλάζουν κατά τη διάρκεια της ημέρας και ανάλογα με την ημέρα της εβδομάδας, έτσι ώστε το σύστημα του μικροδικτύου να προσομοιώνει όσο το δυνατόν πιστότερα την πραγματικότητα. Δεκάδες ακόμη εκδοχές σεναρίων θα μπορούσαν να ληφθούν υπόψιν για τη βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος. Ως νέα τεχνολογία, τα μικροδίκτυα παρέχουν πολύ υλικό προς περαιτέρω διερεύνηση και σίγουρα θα απασχολήσουν ιδιαίτερα την επιστημονική κοινότητα στο μέλλον. 122

143 Βιβλιογραφία 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Ν. Α. Βοβός, Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Πάτρα, [2] Γ. Β. Γιαννακόπουλος και Ν. Α. Βοβός, Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Θεσσαλονίκη, [3] J. Farrell, «The Challenge of Reconciling a Centralized v. Decentralized Electricity System,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [4] T. V. Vijayapriya και D. P. Kothari, Smart Grid: An Overview, [5] «Remote Microgrids Now Dominate Global Microgrid Market,» Clean Technica, [Ηλεκτρονικό]. Available: [6] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [7] S. Abu-Sharkh, R. Li, T. Markvart, N. Ross, P. Wilson, R. Yao, K. Steemers, J. Kohler και R. Arnold, Microgrids: Distributed On-Site Generation, [8] «Electric Light & Power,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [9] «Κοινή Γνώμη,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [10] «Eco News,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [11] Μ. Ι. Λαλάκου, Ανάλυση και Προσομοίωση Τμήματος Μικροδικτύου, Διπλωματική Εργασία, ΕΗΜΕ, Πανεπιστήμιο Πατρών, [12] «Homer Microgrid News & Insight,» [Ηλεκτρονικό]. Available: 123

144 Βιβλιογραφία [13] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [14] «Power Magazine,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [15] «GreenSpec,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [16] Α. Θ. Αλεξανδρίδης, Τεχνολογίες Ελέγχου στα Αιολικά Συστήματα, Πάτρα, [17] «Renewables International,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [18] «The New Ecologist,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [19] «Your Home,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [20] «Learn Engineering,» [Ηλεκτρονικό]. Available: Turbines.html. [21] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [22] Ζ. Θωμάς, Ήπιες Μορφές Ενέργειας ΙΙ, Πάτρα, [23] «Πράσινη Αντίληψη,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [24] «Samplex Solar,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [25] K. Jäger, O. Isabella, A. Smets, R. van Swaaij και M. Zeman, Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems, Delft, [26] T. Markvart και L. Castañer, Principles of Solar Cell Operation, Barcelona, [27] «Seaward,»[Ηλεκτρονικό].Available: /curve-tracing.php. 124

145 Βιβλιογραφία [28] «Alternative Energy Tuorials,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [29] Γ. Κατσαρός, Μοντελοποίηση και Δυναμική Ανάλυση Μικροδικτύου, Πάτρα: Διπλωματική Εργασία, ΕΠΜΔΗΕ, Πανεπιστήμιο Πατρών, [30] «Bosch,» [Ηλεκτρονικό]. Available: ure/batteries_6/batteries_leisure_special_parts.html. [31] Σ. Σ. Καλαρίδης, Μελέτη και κατασκευή φοριστή συσσωρευτών, με διόρθωση του συντελεστή ισχύος, ελεγχόμενο από μικροελεγκτή, Διπλωματική Εργασία, ΕΗΜΕ, Πανεπιστήμιο Πατρών, [32] «Mateg Power Systems,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [33] Β. Δενδραλίδης, Εφαρμογές Ηλεκτροπαραγωγών Ζευγών, Πτυχιακή Εργασία, Πανεπιστήμιο Πειραιά, [34] Α. Σαφάκας, Ηλεκτρικές Μηχανές Β', Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [35] «Alternative Energy Electronics,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [36] Ν. Α. Βοβός και Γ. Β. Γιαννακόπουλος, Έλεγχος και Ευστάθεια Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, Θεσσαλονίκη: Ζήτη, [37] Σ. Ν. Μανιάς, Ηλεκτρονικά Ισχύος, Αθήνα: Συμεών, [38] Ι. Κιοσκερίδης, Ηλεκτρονικά Ισχύος, Θεσσαλονίκη: Τζιόλα, [39] M. Kazimierczuk, Pulse-width Modulated DC DC Power Converters, Ohio, [40] M. H. Rashid, Power Electronics Handbook, Oxford: Butterworth- Heinemann, [41] N. Mohan, T. Underland και W. Robbins, Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά Ισχύος, Θεσσαλονίκη: Τζιόλα, [42] Ι. Περπινιάς, Συμβολή στο Σχεδιασμό Ηλεκτρονικών Μετατροπέων Ισχύος για Διασυνδεδεμένα με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών,

146 Βιβλιογραφία [43] «Wikipedia,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [44] W. Bai και K. Lee, Distributed Generation System Control Strategies in Microgrid Operation, Cape Town, [45] A. Yahfdhou, A. K. Mahmoud και I. Youm, Modeling and Optimization of a Photovoltaic Generator with Matlab/Simulink, [46] Z. Zhang, W. Chen και Z. Zhang, A New Seamless Transfer Control Strategy of the Microgrid, [47] «Droop Control - Open Electrical,» [Ηλεκτρονικό]. Available: [48] Δ. Ι. Μακρυγιώργου, Έλεγχος Αέργου Ισχύος στους Αντιστροφείς Μικροδικτύου για Στήριξη της Τάσης, Διπλωματική Εργασία, ΕΠΜΔΗΕ, Πανεπιστήμιο Πατρών, [49] P. Peltoniemi, R. Pöllänen, M. Niemelä και J. Pyrhönen, Comparison of the Effect of Output Filters on the Total Harmonic Distortion of Line Current in Voltage Source Line Converter Simulation Study, Lappeenranta. 126

147 Παράρτημα Α 7 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΚΩΔΙΚΑΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ MPPT ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΕ MATLAB function D = PnO(Param, Enabled, V, I) Dinit = Param(1); %Αρχική τιμή duty cycle Dmax = Param(2); %Μέγιστη τιμή duty cycle Dmin = Param(3); %Ελάχιστη τιμή duty cycle deltad = Param(4); %Βήμα μεταβολής if isempty(vold) Vold=0; Pold=0; Dold=Dinit; end P= V*I; dv= V - Vold; dp= P - Pold; if dp ~= 0 && Enabled ~=0 if dp < 0 if dv < 0 D = Dold - deltad; else D = Dold + deltad; end else if dv < 0 D = Dold + deltad; else D = Dold - deltad; end end else D=Dold; end if D >= Dmax D<= Dmin D=Dold; end Dold=D; Vold=V; Pold=P; 127

148 128 Παράρτημα Α

149 Παράρτημα Β 8 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ 129

150 130 Παράρτημα Β

151 Παράρτημα Γ 9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ ΤΩΝ ΣΤ-ΣΤ KAI ΣΤ-ΕΤ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ A. ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ BOOST Στο παρόν παράρτημα θα γίνει η σύγκριση μεταξύ του διακοπτικού και του μοντέλου μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τασης Boost. Στόχος είναι να αποδειχθεί η όμοια λειτουργία τους στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM), στην οποία λειτούργησε ο μετατροπέας κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων του υπό μελέτη μικροδικτύου. Στο Σχήμα Γ.1 παρουσιάζονται το διακοπτικό και το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα Boost, τα οποία προσομοιώθηκαν. Σχήμα Γ.1: α) Διακοπτικό μοντέλο και β) Μοντέλο μέσης τιμής του DC-DC μετατροπέα Boost. Για την προσομοίωση του μετατροπέα Boost χρησιμοποιήθηκε το μπλοκ διάγραμμα «Boost Converter», αρχικά σε λειτουργία «Switching Devices» για το διακοπτικό μοντέλο και στη συνέχεια σε λειτουργία «Average Model» για το μοντέλο μέσης τιμής. Παρατηρούμε ότι ενώ αρχικά απαιτείται χρήση της γεννήτριας παλμών PWM για την παλμοδότηση του διακοπτικού στοιχείου, το μοντέλο μέσης τιμής δέχεται απευθείας ως όρισμα μόνο το λόγο κατάτμησης, δ. 131

152 Παράρτημα Γ A1. Σύγκριση στη περιοχή συνεχούς αγωγής του ρεύματος (CCM) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος και στις δύο προσομοιώσεις για λειτουργία στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM) ήταν τα εξής: - V in = 60V, η τάση εισόδου - L f = 5mH, η επαγωγή στην είσοδο του μετατροπέα Boost - C = 50μF, η χωρητικότητα του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή εξόδου - R = 10Ω, το ωμικό φορτίο στην έξοδο και - δ = 0.75, ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα Boost. Οι προσομοιώσεις έτρεξαν για t = 10sec, ενώ έντονα αισθητή ήταν η βελτίωση της ταχύτητας κατά τη χρήση του μοντέλου μέσης τιμής. Να σημειωθεί ότι για την εύρεση των μέσων τιμών των μεγεθών στο διακοπτικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε το έτοιμο μπλοκ «Mean» του Matlab/Simulink. Σχήμα Γ.2: Τάση εισόδου και ρεύμα εισόδου (ρεύμα πηνίου εισόδου) για α) το διακοπτικό και β) το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα Boost. Στο Σχήμα Γ.2 παρουσιάζεται η σταθερή τάση εισόδου και το ρεύμα εισόδου, συνεπώς και ρεύμα στο πηνίο, για τα δύο μοντέλα του μετατροπέα Boost που μελετήθηκαν. Παρατηρούμε πως οι μέσες τιμές των δύο ρευμάτων είναι μεταξύ τους ίσες και έχουν τιμή Ι in = 95.85A, ενώ όπως ήταν αναμενόμενο το ρεύμα στο 132

153 Παράρτημα Γ διακοπτικό μοντέλο παρουσιάζει τριγωνική κυμάτωση, η οποία δεν εμφανίζεται στο μοντέλο μέσης τιμής. Σχήμα Γ.3: Τάση εξόδου (τάση στον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή) και ρεύμα εξόδου για α) το διακοπτικό και β) το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα Boost. Στο Σχήμα Γ.3 παρουσιάζεται η τάση εξόδου στο φορτίο, συνεπώς και τάση στον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, καθώς και το ρεύμα εξόδου των δύο μοντέλων του μετατροπέα Boost. Παρατηρούμε πως τόσο οι τάσεις, όσο και τα ρεύματα είναι μεταξύ τους σχεδόν ίσα στα δύο μοντέλα με μέσες τιμές V out,sw = 239.5V και Ι out,sw = 23.95Α για το διακοπτικό μοντέλο και V out,ave = 239.6V και Ι out,ave = 23.96Α για το μοντέλο μέσης τιμής. Η μικρή αυτή διαφορά εμφανίζεται λόγω των διακοπτικών απωλειών στο ημιαγωγικό στοιχείο που πρώτου μοντέλου. Σχήμα Γ.4: Ισχύς εισόδου α) του διακοπτικού και β) του μοντέλου μέσης τιμής. 133

154 Παράρτημα Γ Στο Σχήμα Γ.4 παρουσιάζεται η ισχύς εισόδου των δύο μοντέλων του μετατροπέα που προσομοιώθηκαν. Σε αυτή τη περίπτωση η τιμή της ισχύος εισόδου προέκυψε περίπου ίση με P in = 5750W και για τα δύο μοντέλα. Σχήμα Γ.5: Ισχύς εξόδου α) του διακοπτικού και β) του μοντέλου μέσης τιμής. Για την ισχύ εξόδου των δύο μοντέλων προκύπτουν από το Σχήμα Γ.5 οι τιμές P out,sw = 5736W για το διακοπτικό μοντέλο και P out,ave = 5741W για το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα. Η διαφορά αυτή που εμφανίζεται, εξηγείται όπως ήδη αναφέρθηκε, λόγω των διακοπτικών απωλειών του πρώτου μοντέλου, οι οποίες όμως δεν υπάρχουν στο μοντέλο μέσης τιμής. A2. Σύγκριση στη περιοχή ασυνεχούς αγωγής του ρεύματος (DCM) Σε αυτό το τμήμα του παραρτήματος θα αποδειχθεί ότι το μοντέλο μέσης τιμής επιστρέφει εσφαλμένες τιμές τάσης και ρεύματος κατά την ασυνεχή αγωγή του ρεύματος (DCM). Τα χαρακτηριστικά του συστήματος για λειτουργία του μετατροπέα στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM) ήταν τα εξής: - V in = 60V, η τάση εισόδου - L f = 50μH, η επαγωγή στην είσοδο του μετατροπέα Boost - C = 50μF, η χωρητικότητα του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή εξόδου - R = 100Ω, το ωμικό φορτίο στην έξοδο και - δ = 0.4, ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα Boost. Στο Σχήμα Γ.6 παρουσιάζεται η σταθερή τάση και το ρεύμα εισόδου, συνεπώς και το ρεύμα το πηνίου εισόδου του ΣΤ-ΣΤ μετατροπέα Boost. Παρατηρούμε πως στο διακοπτικό μοντέλο εμφανίζονται διαστήματα μηδενισμού του ρεύματος 134

155 Παράρτημα Γ εισόδου, όπως ήταν αναμενόμενο λόγω της λειτουργίας στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM). Σχήμα Γ.6: Τάση εισόδου και ρεύμα εισόδου (ρεύμα πηνίου εισόδου) για α) το διακοπτικό και β) το μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα Boost. Από τις μετρήσεις των μεγεθών προκύπτει η μέση τιμή του ρεύματος εισόδου ίση με Ι in,sw = 6.8A για το διακοπτικό μοντέλο και Ι in,ave = 1.67A για το μοντέλο μέσης τιμής. Όπως είναι εμφανές η απόκλιση αυτή είναι υπερβολικά μεγάλη για να θεωρηθεί σωστή η λειτουργία του μοντέλου στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM). Τα παραπάνω μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το ισοδύναμο μοντέλο μέσης τιμής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης Boost λειτουργεί σωστά στην περιοχή συνεχούς αγωγής (CCM), ενώ οι τιμές που αποδίδει στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM) απέχουν υπερβολικά από τις αναμενόμενες του διακοπτικού μοντέλου. Κατά συνέπεια, η χρήση του μοντέλου μέσης τιμής στη μελέτη του μικροδικτύου έγινε έχοντας λάβει κατάλληλη τιμή για το πηνίο εισόδου L f, έτσι ώστε να μη δημιουργούνται διαστήματα μηδενισμού του ρεύματος εισόδου. 135

156 Παράρτημα Γ B. ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ Στο δεύτερο τμήμα του παρόντος παραρτήματος θα λάβει χώρα η σύγκριση του διακοπτικού μοντέλου και του μοντέλου μέσης τιμής του ΣΤ-ΕΤ τριφασικού αντιστροφέα, το οποίο χρησιμοποιήθηκε κατά τις προσομοιώσεις του υπό μελέτη μικροδικτύου, με σκοπό να αποδειχθεί η όμοια λειτουργία τους. Στο Σχήμα Γ.7 παρουσιάζονται τα δύο μοντέλα τα οποία μελετήθηκαν. Σχήμα Γ.7: α) Διακοπτικό μοντέλο και β) Μοντέλο μέσης τιμής του DC-AC τριφασικού αντιστροφέα. Για την προσομοίωση του τριφασικού αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε το μπλοκ «Universal Bridge» με επιλογή τριών κλάδων, αρχικά σε λειτουργία «Mosfet/Diodes» για το διακοπτικό μοντέλο και στη συνέχεια σε λειτουργία «Average-Model Based VSC» για το μοντέλο μέσης τιμής. Παρατηρούμε και πάλι πως ενώ αρχικά απαιτείται η χρήση γεννήτριας παλμών PWM για την παλμοδότηση των έξι διακοπτικών στοιχείων, το μοντέλο μέσης τιμής δέχεται απευθείας ως όρισμα μόνο τρία ημίτονα αναφοράς με πλάτος m a και συχνότητα ίση με τη συχνότητα εξόδου f = 50Hz. 136

157 Παράρτημα Γ Τα χαρακτηριστικά του συστήματος του τριφασικού αντιστροφέα και για τα δύο μοντέλα τα οποία μελετήθηκαν ήταν: - V in = 680V, η τάση εισόδου - L f = 15mH, η επαγωγή του πηνίου του φίλτρου εξόδου - C f = 5μF, η χωρητικότητα του πυκνωτή του φίλτρου εξόδου - R = 10Ω, η αντίσταση του φορτίου εξόδου - m a = 0.7, ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους - f s = Ηz, η διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα για το διακοπτικό μοντέλο. Οι προσομοιώσεις έτρεξαν για χρόνο t = 2sec, ενώ και πάλι ήταν αισθητά πιο γρήγορο το μοντέλο μέσης τιμής. Για την εύρεση των μέσων τιμών των τάσεων και των ρευμάτων χρησιμοποιήθηκε και πάλι το έτοιμο μπλοκ «Mean» του Simulink. Σχήμα Γ.8: Τάση εισόδου και ρεύμα εισόδου για α) το διακοπτικό και β) το μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα. Στο Σχήμα Γ.8 παρουσιάζεται η τάση και το ρεύμα στην είσοδο του ΣΤ-ΕΤ τριφασικού αντιστροφέα για τα δύο μοντέλα που μελετήθηκαν. Παρατηρούμε πως το ρεύμα του διακοπτικού μοντέλου παρουσιάζει όπως ήταν αναμενόμενο διακοπτική μορφή, της οποίας η μέση τιμή υπολογίστηκε ίση με I in = 10.3A, τιμή που συμφωνεί με τη τιμή ρεύματος που προκύπτει από το μοντέλο μέσης τιμής. 137

158 Παράρτημα Γ Σχήμα Γ.9: Τάση εξόδου και ρεύμα εξόδου για α) το διακοπτικό και β) το μοντέλο μέσης τιμής του τριφασικού αντιστροφέα. Παρατηρούμε μέσω του Σχήμα Γ.9 πως οι τάσεις και τα ρεύματα εξόδου του τριφασικού αντιστροφέα είναι σχεδόν πανομοιότυπα και για τα δύο μοντέλα, με τιμές τάσης V out(rms) = 174.4V, ρεύματος Ι out(rms) = 17.44Α και συχνότητα ίση με αυτή του σήματος αναφοράς f = 50Hz. Σχήμα Γ.10: Ισχύς εισόδου α) του διακοπτικού και β) του μοντέλου μέσης τιμής. Στο Σχήμα Γ.10 παρουσιάζεται η ενεργός ισχύς εισόδου για το διακοπτικό και το μοντέλο μέσης τιμής αντίστοιχα, η οποία προκύπτει και για τα δύο μοντέλα περίπου ίση με P in = 7050W. Παρατηρούμε πως λόγω της μορφής του ρεύματος εισόδου στο διακοπτικό μοντέλο, η ισχύς εισόδου σε αυτή τη περίπτωση εμφανίζει κυμάτωση γύρω από τη μέση τιμή της. Οι τιμές της αέργου ισχύος εισόδου, όπως 138