Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία

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 του Παναγιώτη Χ. Παπαγεωργίου Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Ανάπτυξη Στρατηγικών Ελέγχου Καταμερισμού της Ισχύος στους Αντιστροφείς Μικροδικτύου Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 3/12/2015

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παπαγεωργίου Παναγιώτης 2015 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Παπαγεωργίου Παναγιώτη, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε 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. i

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Ανάπτυξη Στρατηγικών Ελέγχου Καταμερισμού της Ισχύος στους Αντιστροφείς Μικροδικτύου» Του κ. Παναγιώτη Χ. Παπαγεωργίου Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 3/12/2015 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Α. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Ν. Βοβός, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Α. Τζες, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 3/12/2015 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ν.Βοβός ii

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Α. Αλεξανδρίδη, για την ανάθεση του ενδιαφέροντος αυτού θέματος, αλλά και για την ουσιαστική επιστημονική και προσωπική καθοδήγηση που μου προσέφερε. Επίσης, ιδιαίτερες ευχαριστίες αρμόζουν σε όλα τα μέλη του Εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας, του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, για τις εποικοδομητικές συζητήσεις και τα εύστοχα σχόλιά τους, πάντα μέσα σε κλίμα συνεργασίας και φιλικής διάθεσης. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την υλική και πνευματική στήριξη και την εμπιστοσύνη της. iii

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου για τον καταμερισμό της ισχύος μεταξύ των αντιστροφέων ενός μικροδικτύου. Επιπροσθέτως, υλοποιείται η εφαρμογή ελέγχου καταμερισμού της ισχύος σε αυτόνομο σύστημα που περιλαμβάνει παράλληλους αντιστροφείς. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, χρησιμοποιήθηκε έλεγχος μέσω χαρακτηριστικών καμπυλών στατισμού (Droop control), ο οποίος περιλαμβάνει βρόχους ελέγχου ενεργού ισχύος- συχνότητα (P-f) και αέργου ισχύος-τάσης (Q-V). Αρχικά, έγινε μια εισαγωγή στις έννοιες του μικροδικτύου και της κατανεμημένης παραγωγής, καθώς και στην επίδραση που έχει η εφαρμογή τους στα υπάρχοντα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, παρουσιάζεται αναλυτικά η βασική δομή ενός μικροδικτύου αλλά και οι καταστάσεις λειτουργίας του. Ο έλεγχος ενός μικροδικτύου αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ευσταθή, ασφαλή και ενεργειακά και οικονομικά βέλτιστη λειτουργία του. Στο πλαίσιο αυτό, έγινε μια περιγραφη της δομής του ιεραρχικού ελέγχου, ο οποίος υπόσχεται πολυεπίπεδη και ανεξάρτητη εφαρμογή του ελέγχου σε όλους τους τομείς ενός μικροδικτύου. Εν συνεχεία, συνοπτική αναφορά έγινε στους μετατροπείς ισχύος, με ιδιαίτερη έμφαση στους αντιστροφείς, που διαδραματίζουν τον ρόλο της διεπαφής των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Για τον καταμερισμό της ισχύος μεταξύ των αντιστροφέων, αναπτύχθηκαν διάφορες στρατηγικές ελέγχου μέσω στατισμού, οι οποίες διαφέρουν μεταξύ τους ανά περίπτωση και εφαρμόζονται με βάση τα χαρακτηριστικά του ελεγχόμενου συστήματος και της επιθυμητής συμπεριφοράς του. Επίσης, υλοποιείται η προσομοίωση ενός συστήματος δύο παράλληλων αντιστροφέων οι οποίοι μοιράζονται ένα κοινό φορτίο. Η εφαρμογή του σχήματος τοπικού ελέγχου κάθε αντιστροφέα παρουσιάζει αξιόλογα αποτελέσματα. Σε τελικό επίπεδο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάπτυξη των γενικότερων στρατηγικών ελέγχου καταμερισμού της ισχύος αλλά και της εφαρμογής του ελέγχου στατισμού στο ειδικότερο σύστημα που εξετάσθηκε. iv

6 v

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή στα Μικροδίκτυα 1.1 Εισαγωγή Κατανεμημένη παραγωγή Η έννοια του Μικροδικτύου Συστήματα κατανεμημένης παραγωγής Συστήματα CHP Μicro-CHP συστήματα Μηχανές εσωτερικής κάύσης Μηχανές Stirling Μικροστρόβιλοι Κυψέλες καυσίμου Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας Φωτοβολταϊκά συστήματα Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας 1.5 Βιβλιογραφικές αναφορες 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Έλεγχος Μικροδικτύων 2.1 Εισαγωγή Βασική δομή μικροδικτύου Καταστάσεις λειτουργίας Προστασία μικροδικτύου Μικροδίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος (AC), συνεχούς ρεύματος (DC) και υβριδικά 26 vi

8 2.4 Ιεραρχικός έλεγχος μικροδικτύων Πρωτοβάθμιος έλεγχος Δευτεροβάθμιος έλεγχος Τριτοβάθμιος έλεγχος Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ως μονάδες διεπαφής Εισαγωγή Τρόποι λειτουργίας μετατροπέων μικροδικτύου Λειτουργία υπό σύνδεση με το δίκτυο Αυτόνομη λειτουργία Λειτουργία φόρτισης συσκευών αποθήκευσης Αντιστροφείς Βιβλιογραφικές αναφορές 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Στρατηγικές ελέγχου για τον καταμερισμό της ισχύος 3.1 Εισαγωγή Στρατηγικές ελέγχου μέσω καμπυλών στατισμού (Droop) Έλεγχος στατισμού μέσω ενεργού και αέργου ισχύος Έλεγχος στατισμού μέσω ενεργού και αέργου ισχύος στα μικροδίκτυα Μέθοδος αντίστροφων χαρακτηριστικών στατισμού Μέθοδος στατισμού μέσω εικονικής ενεργού και αέργου ισχύος (PP, QQ ) Μέθοδος στατισμού μέσω εικονικών συνιστωσών ρεύματος (II aa, II rr ) Μέθοδος στατισμού μέσω εικονικής συχνότητας-τάσης (ωω, UU ) Μέθοδος στατισμού μέσω εικονικής εμπέδησης εξόδου 55 vii

9 3.2.8 Έλεγχος στατισμού με προσαρμογή της τάσης Μέθοδος έγχυσης σήματος Καταμερισμός ισχύος σε μη γραμμικά φορτία Γενικά συμπεράσματα Βιβλιογραφικές αναφορές 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Μοντελοποίηση αυτόνομου συστήματος παράλληλων αντιστροφέων 4.1 Εισαγωγή Περιγραφή του εξεταζόμενου συστήματος Μοντελοποίηση αυτόνομου αντιστροφέα πηγής τάσης Έλεγχος αντιστροφέα Ελεγκτής ισχύος Ελεγκτής τάσης Ελεγκτής ρεύματος Εξισώσεις φίλτρου (LC) Εξισώσεις διασυνδετικών γραμμών Εξισώσεις φορτίου Μετασχηματισμός πλαισίου αναφοράς Προσομοίωση συστήματος παράλληλων αντιστροφέων Βιβλιογραφικές αναφορες 97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Συμπεράσματα 99 viii

10 ix

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στα Μικροδίκτυα 1.1 Εισαγωγή Οι σύγχρονες κοινωνίες εξαρτώνται σε πολύ μεγάλο βαθμό απ την απρόσκοπτη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια εγείρονται ολοένα και περισσότερες ανησυχίες για την επάρκεια αυτής, καθώς και για τις επιπτώσεις που επιφέρει η παλαίωση της τωρινής δομής των δικτύων μεταφοράς και διανομής, κυρίως όσον αφορά την ασφάλεια, την αξιοπιστία και την ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας. Δεδομένου ότι πολύ μεγάλα ποσά επενδύσεων θα πρέπει να διατεθούν ούτως ώστε να εξελιχθούν και να συντηρηθούν οι υπάρχουσες δομές των ηλεκτρικών δικτύων, ο πλέον συμφέρων και αποτελεσματικός τρόπος να καλυφθεί η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση των καταναλωτών θα ήταν η ενσωμάτωση νέων, πρωτοποριακών τεχνολογιών και αρχιτεκτονικών στη δομή των δικτύων. Τα μελλοντικά δίκτυα οφείλουν να συμβαδίζουν με τις σύγχρονες εξελίξεις στην τεχνολογία, τις κοινωνικές απαιτήσεις αλλά και τα οικομικά δεδομένα. Oι έννοιες της ασφάλειας, της περιβαλλοντικής προστασίας, της ποιότητας της ενέργειας, του κόστους παραγωγής και της απόδοσης θα πρέπει να επανεξεταστούν σε νέα πλαίσια που εναρμονίζονται με τους όρους της απελευθέρωσης της αγοράς ενέργειας. Σ αυτό το πνεύμα, έχει προταθεί η έννοια των έξυπνων δικύων (smart grids), η οποία καλείται να ανταπεξέλθει στις ανωτέρω απαιτήσεις και να αντικαταστήσει σταδιακά τα παραδοσιακά δίκτυα. Σύμφωνα με τo Ευρωπαϊκό φόρουμ για τα έξυπνα δίκτυα, European Platform of Smart Grids (ETP SmartGrids), ένα έξυπνο δίκτυο ορίζεται ως ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο μπορεί να ενσωματώσει με έξυπνο τρόπο όλες τις δράσεις των χρηστών οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι σ αυτό -παραγωγοί, καταναλωτές ή και συνδυασμός αυτώνμε σκοπό την αποδοτική, φιλική ως προς το περιβάλλον και ασφαλή διανομή ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα έξυπνο δίκτυο διαθέτει καινοτόμα προϊόντα και υπηρεσίες μαζί με έξυπνες τεχνολογίες μέτρησης, ελέγχου και επικοινωνίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι ανέκαθεν τα Σύστηματα Ηλεκτρικής Ενέργειας χαρακτηρίζονταν ως ευφυή, ειδικά στο επίπεδο μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Στο επίπεδο διανομής όμως, απαντάται μια εξέλιξη ιδιαίτερα δύσκολη να αντιμετωπισθεί με τις υπάρχουσες δομές και η οποία απαιτεί πιο έξυπνο σχεδιασμό του δικτύου, ούτως ώστε αυτό να: Εξασφαλίζει την πρόσβαση της κατανεμημένης παραγωγής, σ αυτό, εκφραζόμενη κυρίως μέσω των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε. RESs) Επιτρέπει την τοπική διαχείριση φορτίου, αλληλεπιδρώντας με τους τελικούς καταναλωτές μέσω έξυπνων μετρητικών συστημάτων 1

12 Αξιοποιεί υπάρχουσες τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται ήδη στα δίκτυα μεταφοράς, όπως για παράδειγμα τεχνικές δυναμικού ελέγχου, με σκοπό την προσφορά συνολικά υψηλότερου βαθμού ασφάλειας, ποιότητας και αξιοπιστίας. 1.2 Κατανεμημένη παραγωγή Το παραδοσιακό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας έρχεται αντιμέτωπο με την σταδιακή μείωση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων, την μειωμένη απόδοση και την αυξημένη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Αυτά τα προβλήματα έχουν οδηγήσει στην ανάγκη για παραγωγή, τοπικά, σε επίπεδο τάσης διανομής αξιοποιώντας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε. RESs) όπως, για παράδειγμα, το φυσικό αέριο, τη βιομάζα, την αιολική ενέργεια, τα φωτοβολταϊκα συστήματα, τις κυψέλες καυσίμου, τα συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP) κ.α. Αυτός ο τύπος παραγωγής ενέργειας καλείται κατανεμημένη παραγωγή (DG) και οι πηγές ενέργειας καλούνται κατανεμημένες μονάδες παραγωγής (DERs). Ο όρος κατανεμημένη παραγωγή (ΚΠ) έχει εξευρεθεί για να διαχωρίζει αυτό το είδος παραγωγής απ τον συμβατικό, κεντρικού τύπου, τρόπο παραγωγής. Η ενσωμάτωση αυτού του τρόπου παραγωγής στα δίκτυα διανομής τα μετατρέπει σε ενεργά δίκτυα διπλής κατεύθυνσης, από παθητικά μονής κατεύθυνσης, που ήταν ο αρχικός τους σχεδιασμός. Στη βιβλιογραφία ορίζονται ως Ενεργά Δίκτυα Διανομής (Active Distribution Networks ADN) αυτά που περιλαμβάνουν επικοινωνίες, αυτοματοποίηση, έλεγχο του φορτίου και της παραγωγής, αποθήκευση της ενέργειας και την αξιοποίηση των ηλεκτρονικών ισχύος. Η ευελιξία αυτού του δικτύου διανομής προέρχεται από τον έλεγχο όλων των πόρων και τις επενδύσεις σε συστήματα πληροφορικής και επικοινωνιών. Ένα τέτοιο δίκτυο προάγει την δημιουργία ευκαιριών για ανάπτυξη καινοτόμων τύπων εξοπλισμού και υπηρεσιών, που θα πρέπει να εναρμονίζονται με κοινά πρωτόκολλα και κανονισμούς. Η βασική λειτουργία ενός ενεργού δικτύου διανομής είναι να συνδέει την παραγωγή ενέργειας με την ζήτηση των καταλωτών, επιτρέποντας και στις δύο πλευρές να αποφασίζουν για το πως θα λειτουργήσουν ταυτόχρονα σε πραγματικό χρόνο. Όπως γίνεται αντιληπτό, σε αυτήν την διαδικασία, η ανάλυση ροής φορτίου, ο έλεγχος τάσης και η προστασία του δικτύου απαιτούν νέες τεχνολογίες και καινοτόμα επικοινωνιακά συστήμα. Καθώς η αρχική σχεδίαση των δικτύων διανομής δεν προέβλεπε αρχικά τη σύνδεση ΚΠ, η ενσωμάτωση αυτή δημιούγησε νέα, και σε πολλές περιπτώσεις ελκυστικά ερευνητικά προβλήματα. Έχουν προταθεί διάφορες, αυστηρές ανά περίπτωση. οριοθετήσεις στα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν την ΚΠ, ανάλογα με την ονομαστική ισχύ, την τάση παραγωγής κλπ. Παρόλα αυτά, η ενσωμάτωση της ΚΠ στο δίκτυο διανομής έχει τα ίδια αποτελέσματα ανεξαρτήτως των διαφορετικών ορισμών. Μερικά, παγκοσμίως αποδεκτά, χαρακτηριστικά της ΚΠ είναι: Ο σχεδιασμός της εγκατάστασης και της διαχείρισής της δεν γίνεται κεντρικά Είναι συνήθως μικρότερης ισχύος από 50 MW Η ΔΠ συνήθως είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής με τάση μεταξύ 230/415 V μέχρι και 145 kv 2

13 Αν και ο ρυθμός αύξησης της παραγωγής από ΑΠΕ είναι υψηλός, η συνεισφορά τους στο συνολικό ενεργειακό μείγμα είναι ακόμη αρκετά μικρή. Η ηλεκτροπαραγωγή από ανανεώσιμες πηγές, των οποίων η έξοδος είναι μη προβλέψιμη και μεταβαλλόμενη, υπογραμμίζει την ανάγκη για αποθήκευση της ενέργειας και για συντονισμό των διαθέσιμων παραγωγών με τη μεταβαλλόμενη κατανάλωση. Λόγω της μεταβλητότητας των ΑΠΕ η υποστήριξη από το δίκτυο είναι αναπόφευκτη για τη διατήρηση ονομαστικής συχνότητας και τάσης κοντά στις ΚΠ για μεταβαλλόμενο φορτίο. Συνεπώς επιβάλλονται περιορισμοί στο ποσοστό της ΚΠ που μπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο (ιδιαίτερα για μη ρυθμιζόμενη (dispatched) ΚΠ). Αν το ποσοστό της ΚΠ ξεπεράσει κάποια όρια θα επηρεαστούν η ευστάθεια, η αξιοπιστία και η ποιότητα ισχύος του συστήματος. Για την αποδοτική ενσωμάτωση της συνεχώς αυξανόμενης παραγωγής των ΑΠΕ, απαιτούνται σημαντικές αλλαγές στη δομή, στον τρόπο λειτουργίας και στη διαχείριση του ηλεκτρικού συστήματος, ώστε να υποστηρίζεται η σύνδεση περισσότερων μονάδων ΚΠ. Η μέχρι σήμερα επικρατούσα πολιτική plug and play για τη σύνδεση της ΚΠ στο δίκτυο πρέπει να αντικατασταθεί από μία πολιτική ενεργούς διαχείρισης του δικτύου. Σήμερα, για παράδειγμα, αν συμβεί κάποιο σφάλμα στο δίκτυο διανομής, η τοπική ΚΠ αποσυνδέεται, μέχρι να εκκαθαριστεί το σφάλμα (αυτή η λειτουργία ονομάζεται αντι-νησιδοποίηση) (IEEE 1547). Για την καλύτερη εκμετάλλευση του δικτύου, απαιτούνται νέες πολιτικές που έχουν να κάνουν με την πλήρη ενσωμάτωση της ΚΠ στο δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι η ΚΠ θα παραμένει συνδεδεμένη και θα βοηθά το σύστημα και κατά τη διάρκεια του σφάλματος. 1.3 Η έννοια του Μικροδικτύου Το μικροδίκτυο είναι ένα χωρικά οριοθετημένο ενεργειακό σύστημα από κατανεμημένες μονάδες παραγωγής, καταναλωτές και προαιρετικά, συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Βελτιστοποιεί ένα ή και περισσότερα απ τα ακόλουθα: Ποιότητα και αξιοπιστία ισχύος, αειφόρο ανάπτυξη και οικονομικά οφέλη, ενώ μπορεί να λειτουργεί αποσυνδεδεμένο απ το κεντρικό δίκτυο, συνδεδεμένο σ αυτό ή να εναλλάσσει τις δύο λειτουργίες. Σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό, το μικροδίκτυο μεγιστοποιεί τα οφέλη απ την ύπαρξη κατανεμημένης παραγωγής και λύνει το πρόβλημα που αναφέρθηκε στο τέλος της προηγούμενης ενότητας. Τα μικροδίκτυα μπορούν να λειτουργούν χωρίς αυτονομία, όταν είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, ή αυτόνομα όταν είναι αποσυνδεδεμένα από το δίκτυο. Για την εξασφάλιση μίας ευσταθούς και ασφαλούς λειτουργίας των μικροδίκτυων απαιτείται σημαντική έρευνα, ανάπτυξη και εφαρμογή νέων τεχνολογιών, καθώς και υποδομή πληροφορικής και επικοινωνιών. Τα μικροδίκτυα είναι μικρής κλίμακας, χαμηλής τάσης, συνδυασμένης παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (Combined Heat and Power (CHP)) δίκτυα τροφοδοσίας, τα οποία είναι σχεδιασμένα να τροφοδοτούν ηλεκτρικά και θερμικά φορτία μίας μικρής 3

14 κοινότητας. Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά ένα ενεργό δίκτυο διανομής, γιατί αποτελείται από ΚΠ και διάφορα φορτία σε τάση διανομής. Οι γεννήτριες ή μικροπαραγωγές 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 μία ενιαία ελεγχόμενη μονάδα, που πληροί τις τοπικές ενεργειακές ανάγκες με αξιοπιστία και ασφάλεια. Οι βασικές διαφορές ανάμεσα σε ένα μικροδίκτυο και ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής ενέργειας είναι: 1. Οι μικροπαραγωγές είναι πολύ μικρότερης ισχύος (<100 kw) σε σχέση με τις γεννήτριες στους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας. 2. Η ενέργεια που παράγεται από τις μικροπαραγωγές μπορεί να τροφοδο-τηθεί στη διανομή απευθείας, εφόσον είναι σε τάση διανομής. 3. Οι μικροπαραγωγές εγκαθίστανται συνήθως κοντά στους καταναλωτές, ώστε τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία να εξυπηρετούνται με προφίλ τάσης και συχνότητας ικανοποιητικά και με μικρές απώλειες γραμμής 1.4 Συστήματα κατανεμημένης παραγωγής Ένας από τους βασικότερους στόχους των μικροδικτύων είναι η αξιοποίηση όλων των πλεονεκτημάτων που απορρέουν από την χρήση μη-συμβατικών/ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και υψηλού βαθμού απόδοσης συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (Combined Heat and Power Systems (CHP)). Υπό αυτήν την έννοια, τα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής που βασίζονται σε CHP συστήματα διευκολύνουν την παραγωγή ενέργειας υψηλής απόδοσης, αξιοποιώντας την αποβαλλόμενη θερμότητα ενώ τα συστήματα ΑΠΕ συμβάλλουν στην μείωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, παράγοντας καθαρή ενέργεια. Διάφορες εκδοχές συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής προβλέπουν ενσωμάτωση μιας ευρείας γκάμας τεχνολογιών, όπως μίκρο-chp συστημάτων βασισμένα σε μηχανές Stirling, κυψέλες καυσίμου και μικροτουρμπίνες ή και αντίστοιχα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως φωτοβολταϊκά συστήματα, συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας, καθώς επίσης και μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικής παραγωγής. Η επιλογή της εγκατάστασης ενός συστήματος ΚΠ έγκειται εν πολλοίς στο κλίμα και τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά της εκάστοτε περιοχής, καθώς επίσης και στην διαθεσιμότητα καυσίμων. 4

15 1.4.1 Συστηματα CHP Το κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων CHP είναι η παραγωγή ενέργειας υψηλής απόδοσης μέσω της εκμετάλλευσης της αποβαλλόμενης θερμότητας. Αντίθετα με τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής, τα CHP συστήματα αξιοποιούν την θερμότητα που εκλύεται ως υποπροϊόν για την τροφοδότηση οικιακών θερμικών φορτίων ή βιομηχανικών διεργασιών. Επίσης, παραγόμενη θερμότητα σε μεσαίας κλίμακας θερμοκρασίες ( C) μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για ψύξη. Η απόδοση των συστημάτων CHP μπορεί να ξεπεράσει το 80%, πολύ μεγαλύτερη απ την αντίστοιχη των συμβατικών σταθμών παραγωγής (περίπου 35%). Βέβαια, η συνολική τους απόδοση μειώνεται αισθητά αν η θερμότητα πρέπει να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις, καθώς οι μονωμένοι σωλήνες που απαιτούνται είναι ιδιαίτερα δαπανηροί και αντιαποδοτικοί. Στον αντίποδα, η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να γίνει σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις με πολύ μικρότερες απώλειες. Για αυτόν τον λόγο, τα συστήματα CHP εγκαθιστούνται κατά το σύνηθες κοντά στα εξυπηρετούμενα θερμικά φορτία Micro-CHP συστήματα Τα micro-chp συστήματα εγκαθίστανται κυρίως σε οικίες ή μικρές κτιριακές υποδομές. Παράγουν σαφώς μικρότερη ισχύ σε σχέση με τα μεγάλα CHP συστήματα και αξιοποιούν διαφορετικές μεθόδους παροχής της ισχύος. Τα περισσότερα CHP συστήματα βιομηχανικού επιπέδου παράγουν κατά κύριο λόγο ηλεκτρική ενέργεια και δευτερευόντως θερμική, ενώ τα micro-chp παράγουν κυρίως θερμική ενέργεια και ηλεκτρική ως υποπροϊόν. Συνεπώς, η παραγωγή ενέργειας καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις θερμικές απαιτήσεις των καταναλωτών. Οι μονάδες micro-chp είναι κατά βάση μικροστρόβιλοι, συνδεδεμένοι στους άξονες σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη, υψηλών στροφών ( rpm). Διαθέτουν επίσης διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος για τη διασύνδεση με τα τοπικά ηλεκτρικά φορτία και ίδια συστήματα ανάκτησης της θερμότητας, για χαμηλές ή μέσες θερμοκρασίες. Κρίνονται γενικά ως αξιόπιστες, στιβαρές και χαμηλού κόστους, με παραγωγή ισχύος που κυμαίνεται συνήθως στην περιοχή των kw. Ως κύριο καύσιμο χρησιμοποιείται φυσικό αέριο, προπάνιο ή υγρό καύσιμο ενώ η περίπτωση χρήσης βιοκαυσίμου διατίθεται ως εναλλακτική επιλογή. 5

16 Σχήμα 1.1: Τυπικό micro-chp σύστημα [1.11] Η χρησιμοποίηση των CHP συστημάτων στα μικροδίκτυα μπορεί να αποφέρει τα εξής πλεονεκτήματα: Πλήρη αξιοποίηση της θερμικής ενέργειας με την τοποθέτηση των μικρο-chp συστημάτων κοντά στα θερμικά φορτία, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις ευνοείται η παράλληλη χρήση κυψελών καυσίμου Την βέλτιστη τροφοδοσία πολλών μικρών θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων, υπό την προϋπόθεση της σωστής αναλογίας παραγόμενης ηλεκτρικής/θερμικής ενέργειας Οι τεχνολογίες στις οποίες βασίζονται τα micro-chp συστήματα είναι οι ακόλουθες: Μηχανές εσωτερικής καύσης Μηχανές Stirling Μικροστρόβιλοι Κυψέλες καυσίμου Μηχανή εσωτερικής καύσης Πρόκειται για είδος θερμικής μηχανής όπου η ανάφλεξη και η καύση του καυσίμου γίνεται σε ειδικά διαμορφωμένο θάλαμο, εντός της μηχανής. Η ανάφλεξη προκαλεί την δημιουργία αερίων υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, τα οποία επιδρούν κατά την εκτόνωσή τους πάνω σε κινούμενα μέρη όπως, για παράδειγμα, έμβολα προκαλώντας την κίνησή τους. Τα κυριότερα καύσιμα που χρησιμοποιούνται είναι: η η βενζίνη, το ντίζελ, το προπάνιο, το φυσικό αέριο ή και βιοκαύσιμα. 6

17 Μηχανές Stirling Πρόκειται για μία κλειστού κύκλου, εξωτερικής καύσης θερμική μηχανή, όπου το αέριο λειτουργίας είναι μονίμως περιορισμένο μέσα στον κύλινδρο. Αυτή η μηχανή χρησιμοποιεί μία εξωτερική πηγή θερμότητας (όπως ηλιακή, γεωθερμική, χημική κ.λ.π.) και ένα εκπομπό θερμότητας, τα οποία έχουν σχεδόν σταθερή θερμοκρασία και μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Η μηχανή Stirling χρησιμοποιεί συγκεκριμένη ποσότητα αέρα, υδρογόνου ή ηλίου ως αέριο λειτουργίας. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η μηχανή είναι σφραγισμένη και καθόλου αέριο δεν εισάγεται ή βγαίνει από αυτήν. Λειτουργεί με κυκλικές εναλλαγές συμπίεσης και εκτόνωσης του αερίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες, έτσι ώστε να υπάρχει μία καθαρή μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο. Η λειτουργία της μηχανής Stirling περιλαμβάνει τέσσερεις φάσεις: i) ψύξη, ii) συστολή, iii) θέρμανση, iv) εκτόνωση, μέσω της κίνησης του αερίου λειτουργίας μεταξύ του θερμού και ψυχρού εναλλάκτη. Ο θερμός εναλλάκτης είναι σε επαφή με μία εξωτερική πηγή θέρμανσης, ενώ ο ψυχρός είναι σε επαφή με ένα θερμοπομπό (π.χ. σώμα καλοριφέρ). Μία αλλαγή στη θερμοκρασία του αερίου προκαλεί μια αντίστοιχη μεταβολή της πίεσής του και η κίνηση του πιστονιού προκαλεί εναλλακτικά την συμπίεση και εκτόνωση του αερίου. Για εφαρμογές σε CHP συστήματα, η μηχανή Stirling εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στην κυρίως θερμική πηγή και την εφαρμογή χρήσης της θερμότητας. Επειδή ο κινητήρας Stirling παράγει ενέργεια μόνο στη μια φάση και επί πλέον πρέπει να μετατραπεί η παλινδρομική κίνηση σε περιστροφική χρησιμοποιείται σφόνδυλος με τον οποίον επιτυγχάνεται ομαλή περιστροφική κίνηση. Η θερμότητα από τη ψύξη της μηχανής Stirling μπορεί να αξιοποιείται στην κάλυψη θερμικών αναγκών και η κινητική ενέργεια από μια σύγχρονη γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Μικροστρόβιλοι Οι μικροστρόβιλοι είναι ευρέως διαδεδομένοι σε συστήματα κατανεμημένης παραγωγής CHP συστήματα. Είναι μικροί και απλού κύκλου αεριοστρόβιλοι, με εύρος ισχύος kw. Για τη βελτίωση της απόδοσής τους χρησιμοποιούν τεχνικές ανάκτησης θερμότητας (χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας), εξελιγμένα υλικά (όπως κεραμικά για τις περιοχές υψηλής θερμοκρασίας) και έχουν χαμηλές εκπομπες NNNN xx. Είναι διαθέσιμοι ως μονού ή διπλού άξονα. Η μονάδα μονού άξονα είναι μία υψηλής ταχύτητας σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες, με το συμπιεστή και το στρόβιλο τοποθετημένους στον ίδιο άξονα και ταχύτητα του στροβίλου rpm. 7

18 Κατά τη λειτουργία του μικροστρόβιλου, η πίεση του εισαγόμενου αέρα αυξάνεται μέσω του συμπιεστή. Η θερμοκρασία του συμπιεσμένου αέρα αυξάνεται επιπλέον καθώς αυτός περνά από τον αναθερμαντήρα. Όταν ο θερμός, συμπιεσμένος αέρας εισάγεται στο 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. Η ηλεκτρική απόδοσή τους είναι 20-30%. Στο διπλού άξονα μικροστρόβιλο, χρησιμοποιείται επιπλέον ένας στρόβιλος ισχύος χαμηλής πίεσης, με 3000 rpm, που στρέφει μία συμβατική γεννήτρια με κιβώτιο ταχυτήτων για να έχουμε ονομαστική συχνότητα στην έξοδο. Αυτός επιτυγχάνει ηλεκτρική απόδοση 35-40%. Οι μικροστρόβιλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τροφοδοσία του ηλεκτρικού φορτίου των καταναλωτών ή και για εφαρμογές συμπαραγωγής. Τα κύρια χαρακτηριστικά των μικροστρόβιλων είναι: Μικρότερο μέγεθος σε σχέση με άλλα συστήματα ΚΠ Ενεργειακή απόδοση της τάξης του 80%, σε CHP εφαρμογές Χαμηλές εκπομπές NNNN xx Διάρκεια ζωής πάνω από ώρες Κόστος εξοπλισμού και λειτουργίας συγκρίσιμο με ανανεώσιμες πηγές Ευελιξία στην επιλογή του είδους καυσίμου (ντίζελ, φυσικό αέριο κ.α.) Χαμηλά επίπεδα θορύβου και δονήσεων Απλή διαδικασία εγκατάστασης Οι περισσότεροι μικροστρόβιλοι χρησιμοποιούν σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)) ή ασύγχρονες επαγωγικές γεννήτριες για την παραγωγή ισχύος. Το κύριο πλεονέκτημα της σύζευξης μίας σύγχρονης γεννήτριας με διπλού άξονα μικροστρόβιλο, είναι η απουσία ανάγκης χρήσης ηλεκτρονικού μετατροπέα, εφόσον η γεννήτρια συνδεθεί με το στρόβιλο μέσω κιβωτίου ταχυτήτων. Ωστόσο το κιβώτιο ταχυτήτων μειώνει τη συνολική απόδοση του συστήματος. Για μονού άξονα μικροστρόβιλο η χρήση PMSG μεγάλων ταχυτήτων έχει μειονεκτήματα, όπως θερμικές πιέσεις, φαινόμενα απομαγνήτισης και απώλειες δρομέα. Το μειονέκτημα της χρήσης ασύγχρονης γεννήτριας είναι η χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίοι προσθέτουν κόστος, έχουν απώλειες και εισάγουν αρμονικές στο δίκτυο. 8

19 Κυψέλες καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμων (fuel cells) είναι ηλεκτροχημικές συσκευές (γαλβανικά στοιχεία) στις οποίες η χημική ενέργεια ενός καυσίμου, όπως το υδρογόνο, μετατρέπεται άμεσα (απουσία χημικής καύσης) σε ηλεκτρική ενέργεια (και θερμότητα) με υψηλή θερμοδυναμική απόδοση και με τρόπο ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Η μέγιστη απόδοση των κυψελών καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ του 60-65% (με βάση υπολογισμού την κατώτερη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου). Η υψηλή απόδοση, η οποία είναι δυνατό να υπερβεί την τιμή 70% σε συνδυασμένα συστήματα κυψελών καυσίμων-αεριοστροβίλων, οφείλεται στο γεγονός ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται χωρίς τους εγγενείς περιορισμούς Carnot των συμβατικών θερμικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής. Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται απο τρία κύρια μέρη: τον ηλεκτρολύτη, το ηλεκτρόδιο της ανόδου και το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Στο ηλεκτρόδιο της ανόδου συμβαίνει αυθόρμητα ηλεκτροχημική οξείδωση και στο ηλεκτρόδιο της καθόδου αναγωγή του οξυγόνου, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία αντιστοιχεί σε μετακίνηση ηλεκτρονίων απ την άνοδο στην κάθοδο διαμέσου ενός εξωτερικού κυκλώματος. Στο σχήμα απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας μιας κυψέλης καυσίμων, με καύσιμο υδρογόνο και στερεό ηλεκτρολύτη αγωγό ιόντων OO 2. Σχήμα 1.2: Σχηματικό διάγραμμα κυψέλης (στοιχείου) καυσίμου στην οποία λαμβάνει χώρα οξείδωση H 2 με παράλληλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [1.10] Ορισμένα από τα πιο ουσιώδη πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι κυψέλες καυσίμου είναι τα εξής: Αθόρυβη λειτουργία, μικρές απαιτήσεις συντήρησης και μικρότεροι κίνδυνοι αστοχίας, καθότι δεν συντελείται χημική καύση και απουσιάζουν κινούμενα μέρη. 9

20 Είναι ιδανικές για συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου, ταυτόχρονα με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παράγουν και θερμότητα, η οποία διατίθεται σε θερμοκρασία ελαφρώς χαμηλότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Δυνατότητα χρησιμοποίησης και άλλων ειδών καυσίμου εκτός απ το υδρογόνο (π.χ. φυσικό αέριο, άνθρακας, μεθανόλη και αλκοόλη). Τα καύσιμα αυτά θα πρέπει στις περισσότερες των περιπτώσεων, να μετατραπούν σε υδρογόνο σε μονάδες αναμόρφωσης (reformers) ή μονάδες αεριοποίησης του άνθρακα (coal gasifiers) πριν τροφοδοτηθούν στις κυψέλες καυσίμων. Οι κυψέλες καυσίμου κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον ηλεκτρολύτη, τη θερμοκρασία λειτουργίας, την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ ανά μονάδα επιφανείας ηλεκτροδίων (πυκνότητα ισχύος), την αντοχή σε θερμική καταπόνηση, τις απαιτήσεις καθαρότητας του καυσίμου κλπ. Οι διάφοροι τύποι που προκύπτουν παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους καθιστώντας κάθε είδος κυψέλης καυσίμου ιδανική για συγκεκριμένη εφαρμογή. Με βάση τον χρησιμοποιούμενο ηλεκτρολύτη, διακρίνονται οι εξής τέσσερεις τύποι κυψελών καυσίμων, των οποίων το τεχνολογικό επίπεδο ανάπτυξης είναι διαφορετικό: 1) Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη τήγμα ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) Ο συντελεστής απόδοσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με MCFC s έχει τυπικά τιμή 50-55%, ενώ η ποσότητα των εκπεμπόμενων ρυπών είναι, όπως σε όλες τις κυψέλες καυσίμων, αμελητέα. Οι MCFC λειτουργούν τυπικά σε θερμοκρασία 650 C, συνήθως με καύσιμο φυσικό αέριο το οποίο πριν απο τη διοχέτευσή του στην κυψέλη καυσίμου υφίσταται αναμόρφωση ή μερική οξείδωση. 2) Κυψέλες καυσίμων με στερεό οξειδικό ηλεκτρολύτη (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) Όπως και στην περίπτωση των MCFC, εκτός από ΗΗ 2 είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, άνθρακας, φυσικό αέριο και άλλα καύσιμα. Συγκρινόμενες ειδικά με τις MCFC, οι SOFC παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Στην μεν περίπτωση των SOFC δεν αντιμετωπίζονται προβλήματα διάβρωσης και διαχείρισης του ηλεκτρολύτη, ενώ η πυκνότητα παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος (για SOFC επίπεδου σχεδιασμού) είναι τυπικά τετραπλάσια, εκείνης στην περίπτωση των MCFC. Στην περίπτωση των SOFC, συντελεστής απόδοσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι 10

21 τυπικά 50-55%. Σήμερα λειτουργούν συστήματα SOFC με παραγόμενη ισχύ έως 250kW (Siemens-Westinghouse). 3) Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη πολυμερική μεμβράνη (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC) Οι PEMFC είναι γνωστές και ως κυψέλες καυσίμου με ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Οι κυψέλες καυσίμου τύπου PEMFC λειτουργούν τυπικά σε θερμοκρασία περιπού 80 C (αν και μπορούν να λειτουργήσουν και σε θερμοκρασία δωματίου) με συντελεστή απόδοσης ηλεκτρικής ισχύος 40-50%. Είναι κατάλληλες για χρήση σε οχήματα και φορητές συσκεύες, καθώς επίσης και για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. 4) Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη φωσφορικό οξύ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) Οι κυψέλες καυσιμων με ηλεκτρολύτη φωσφορικό οξύ (PAFC) αποτελούν έναν απ τους παλαιότερους τύπους κυψελών καυσίμων και είναι διαθέσιμες εμπορικά ως μονάδες των 200 kw. Οι PAFC λειτουργούν σε θερμοκρασία περίπου 200 C με συντελεστή απόδοσης ηλεκτρικής ισχύος 40-45%, για καύσιμο CCCC 4. Οι μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή ηλεκτρικής απόδοσης λαμβάνονται για λειτουργία υπό πίεση (pressurized design), η οποία παρουσιάζει όμως υψηλότερο κόστος. Σήμερα υπάρχουν PAFC συστήματα με ισχύ από 5 έως 20MW, τα οποία χρησιμοποιούνται κύρια για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε κτίρια κατοικιών, νοσοκομεία, εμπορικά κέντρα κλπ. Η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας των PAFC καθιστά αυτά τα συστήματα λιγότερο κατάλληλα για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε βιομηχανικές μονάδες Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας Τα εν λόγω συστήματα μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Βασικό μέρος αυτών των συστημάτων αποτελεί η ανεμογεννήτρια. Η ανεμογεννήτρια εκμεταλλέυεται την κινητική ενέργεια του ανέμου, με σκοπό τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας. Για να επιτευχθεί αυτό, η αιολική ενέργεια μετατρέπεται αρχικά σε μηχανική, μέσω της κίνησης των πτερυγίων, και στη συνέχεια σε ηλεκτρική, μέσω των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρικών μηχανών και διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Οι ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες ως προς τη μορφή τους, σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. 11

22 Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, έχουν τον άξονά τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Βασικά πλεονεκτήματα αυτού του τύπου ανεμογεννητριών είναι ότι δεν χρειάζεται να επιτευχθεί κάποιος προσανατολισμός ως προς τη διεύθυνση του ανέμου για να είναι αποτελεσματικές, η γεννήτρια που ενσωματώνουν είναι τοποθετημένη στο έδαφος, οδηγώντας σε μια απλή και οικονομική κατασκευή, ενώ γενικά είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα και πολλές φορές δεν απαιτείται πυλώνας στήριξης. Ακόμα, σε αυτές τις ανεμογεννήτριες δεν είναι απαραίτητος ο έλεγχος βήματος πτερυγίου, με την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείται σύγχρονη μηχανή. Στον αντίποδα, βασικό τους μειονεκτήμα αποτελεί η μικρή τους απόδοση σε χαμηλά υψόμετρα όπου οι άνεμοι δεν είναι ιδιαίτερα ισχυροί, καθώς επίσης και ότι διαθέτουν υψηλή ροπή εκκίνησης, γεγονός που επιβάλλει συχνά εξωτερική παρέμβαση. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αποτελούν το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο είδος ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιείται σήμερα. Βασικά τους πλεονεκτήματα είναι ότι δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, παρουσιάζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή και εύκολη συναρμολόγηση. Βασικό τους μειονέκτημα είναι η ανάγκη για τοποθέτηση του κιβωτίου ταχυτήτων και της γεννήτριας στον πύργο, γεγονός που δυσχαιρένει την τοποθέτησή τους και αυξάνει σημαντικά το κόστος κατασκεύης και συντήρησης. Οι ανεμογεννήτριες αυτές κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον αριθμό των πτερυγίων τους σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες και τριπτέρυγες. Η τυπική δομή της πιο ευρέως διαδεδομένης μορφής ανεμογεννήτριας, η οποία είναι οριζοντίου άξονα με τρία πτερύγια, παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.3. Παρατηρείται ότι η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τους άξονες χαμηλών και υψηλών ταχυτήτων, το κιβώτιο ταχυτήτων, το φρένο, το μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου, τον μηχανισμό ελέγχου του βήματος πτερυγίου, τη γεννήτρια, μετασχηματιστές, τον ηλεκτρονικό ελεγκτή, το ανεμόμετρο και τον ανεμοδείκτη. Ο άξονας χαμηλών ταχυτήτων είναι αυτός του ρότορα του ανεμοκινητήρα και συνδέεται μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων με τον άξονα υψηλών στροφών που αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. 12

23 Σχήμα 1.3. Τυπική δομή ανεμογεννήτριας [1.6] Η γενικότερη κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών μπορεί να γίνει με βάση τις στροφές του δρομέα της χρησιμοποιούμενης γεννήτριας σε σταθερών στροφών και μεταβλητών στροφών, με βάση το εύρος της ταχύτητας περιστροφής δρομέα σε περιορισμένου εύρους στροφών και πλήρους εύρους στροφών, με βάση τη χρησιμοποιούμενη ηλεκτρική ενέργεια σε ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν ασύγχρονες μηχανές και σε αυτές που χρησιμοποιούν σύγχρονες μηχανές, ενώ με βάση τις χρησιμοποιούμενες διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος στις ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν διατάξεις που διαχειρίζονται μέρος της ισχύος και σε αυτές που διαχειρίζονται το σύνολο της ισχύος. Ένα πολύ σημαντικό κομμάτι που αφορά στην κατανόηση της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας είναι αυτό της λαμβανόμενης ισχύος από τον άνεμο. Θεωρώντας μια αέρια μάζα mm στιγμιαίας ταχύτητας νν(tt), τότε η κινητική ενέργεια του ανέμου υπολογίζεται ως WW kk (tt) = 1 2 mmνν2 (tt) (1.1) Επίσης, θεωρώντας AA το εμβαδόν της επιφάνειας που διαπερνά ο άνεμος και ρρ την πυκνότητα της αέριας μάζας, τότε η ανά μονάδα χρόνου μάζα του αέρα είναι mm(tt) = pppppp(tt) (1.2) 13

24 Από τις ανωτέρω σχέσεις προκύπτει η στιγμιαία ισχύς του ανέμου ως PP aaaa = 1 2 ppppνν3 (tt) (1.3) Βεβαίως, μόνο ένα κλάσμα της διαθέσιμης ισχύος ανέμου μπορεί να δεσμευθεί από τον ανεμοκινητήρα, αφού ο άνεμος απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα, ενώ ταυτόχρονα τα πτερύγια του ανεμοκινητήρα προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο παρακάμπτει τον ανεμοκινητήρα χωρίς να τον διαπεράσει. Έτσι, ορίζεται ο συντελεστής ισχύος CC pp ενός ανεμοκινητήρα ως εξής PP aaaa = PP mm PP aaaa (1.4) όπου PP mm είναι η μηχανική ισχύς που παράγεται. Το θεωρητικό μέγιστο της τιμής του συντελεστή ισχύος CC pp είναι γνωστό ως όριο του Betz και λαμβάνει την τιμή Πρακτικά όμως, λόγω μηχανικών τριβών, στροβίλων και αεροδυναμικών ατελειών, αυτή η τιμή δεν μπορεί να ξεπεράσει το 0.5. Ακόμα ένα χαρακτηριστικό μέγεθος των ανεμογεννητριών είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed ratio, TSR), που δίνεται από τη σχέση λλ = ωω rrrrrrrr TT νν wwwwwwww (1.5) Όπου ωω rrrrrr είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων και νν wwwwwwww είναι η ταχύτητα του ανέμου. Ο συντελεστής ισχύος CC pp εξαρτάται άμεσα από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λλ, όπως για παράδειγμα απεικονίζεται στο Σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4. Διάγραμμα του συντελεστή ισχύος CC pp ως προς το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λλ [1.6] 14

25 1.4.3 Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα προβλέπουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ελεύθερη και απεριόριστη ηλιακή ενέργεια. Τα κύρια πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι η ανανεώσιμη φύση της ηλιακής ενέργειας ως καύσιμο η ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση το μειωμένο κόστος επιβάρυνσης των καταναλωτών, λόγω της ελέυθερης διάθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία η μακρά λειτουργική διάρκεια ζωής, η οποία προσεγγίζει τα 30 έτη, χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις συντήρησης η αθόρυβη λειτουργία τους Τα σύγχρονα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα ανήκουν σε μια κατηγορία τεχνολογιών που υπόσχονται την παραγωγή ενός πολύ σημαντικού μέρους της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ταυτόχρονη εξέλιξη των διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος έχει καταστήσει τα εν λόγω συστήματα σε ιδανική επιλογή για την εγκατάσταση και επέκταση κατανεμημένων μονάδων παραγωγής, σε επίπεδο τάσης διανομής. Βασικό στοιχείο αυτών των συστημάτων αποτελεί το Φ/Β κύτταρο, το οποίο κατασκευάζεται από ημιαγωγούς και διαθέτει πολλά κοινά με τις άλλες διατάξεις της στερεάς κατάστασης όπως οι δίοδοι, τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η λειτουργία του βασίζεται στην ικανότητα των ημιαγωγών να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρισμό με τη βοήθεια του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Κατά τη διαδικασία της μετατροπής, η προσπίπτουσα ενέργεια του φωτός δημιουργεί ευκίνητους φορτισμένους φορείς μέσα στον ημιαγωγό, οι οποίοι διαχωρίζονται από τη δομή της διάταξης και δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα. Η ηλιακή ενέργεια φτάνει στο Φ/Β κύτταρο υπό τη μορφή δύο συνιστωσών, την άμεση, η οποία αποτελεί περίπου το 85% του συνόλου της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και τη διάχυτη, η οποία προκύπτει από την απορρόφηση και τη σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας από διάφορα αέρια, σταγονίδια νερού και άλλων σωματιδίων της ατμόσφαιρας και καλύπτει το υπόλοιπο 15%. Επειδή το ρεύμα και η τάση ενός Φ/Β κυττάρου είναι πολύ μικρά είναι απαραίτητο να συνδυάζονται μεταξύ τους είτε παράλληλα ή σε σειρά, δημιουργώντας Φ/Β σειρές και συστοιχίες. Τα περισσότερα Φ/Β συστήματα διαθέτουν σύστημα ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking (MPPT)), το οποίο μεγιστοποιεί την ισχύ εξόδου μεταβάλλοντας το σημεό λειτουργίας, ανάλογα με τη ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Στο Σχήμα 1.5 παρουσιάζονται τυπικές μορφές καμπυλών ενός Φ/Β κυττάρου. 15

26 Σχήμα 1.5. Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V ενός Φ/Β κυττάρου [1.15] Τα Φ/Β κύτταρα διακρίνονται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες, ανάλογα με το είδος ημιαγωγού από το οποίο αποτελούνται μονοκρυσταλλικού πυριτίου, απόδοσης περίπου 15% πολυκρυσταλλικού πυριτίου, απόδοσης περίπου 12% άμορφου πυριτίου (thin film), απόδοσης περίπου 6% υβριδικής τεχνολογίας, απόδοσης περίπου 18% Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Τα συγκεκριμένα συστήμα χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά για την παραγωγή ισχύος εντός των μικροδικτύων. Η ισχύς της παραγωγής τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την μορφολογία του εδάφους που είναι εγκατεστημένα και το ετήσιο ποσοστό βροχής. Σημαντικό μειονέκτημά τους είναι η διακύμανση της παραγωγής λόγω της ακανόνιστης πτώσης της βροχής, ειδικά αν δεν διαθέτουν δεξαμενή αποθήκευσης νερού. Η ισχύς εξόδου ενός υδροστροβίλου δίνεται από την παρακάτω εξίσωση PP = QQQQQQQQQQ (1.6) όπου PP είναι η συνολική ισχύς σε Watt [W], QQ η ροή του νερού [mm 3 ss], HH η υψομετρική διαφορά επιφάνειας νερού και γεννήτριας [mm], ηη η συνολική απόδοση, ρρ η πυκνότητα νερού [1000 kkkk mm 3 ] και gg η επιτάχυνση της βαρύτητας [mm ss]. Η αύξηση της ισχύος στην έξοδο ενός υδροστροβίλου συνδέεται με την αύξηση της ροής νερού ή της υψομετρικής διαφοράς. Ανάλογα με αυτές τις παραμέτρους χρησιμοποιούνται αντίστοιχοι τύποι υδροστροβίλων. Σε χαμηλές υψομετρικές διαφορές χρησιμοποιούνται στρόβιλοι τύπου αντίδρασης (reaction) (π.χ. Francis, Kaplan) που αντλούν κινητική ενέργεια από τη μείωση της πίεσης του νερού και την αύξηση της 16

27 ταχύτητας. Σε υψηλές υψομετρικές διαφορές χρησιμοποιούνται στρόβιλοι τύπου δράσης (impulse) (π.χ. Pelton, Turgo), οι οποίοι αντλούν κινητική ενέργεια από την εκτόξευση νερού υπό ατμοσφαιρική πίεση. Οι υδροστρόβιλοι συνδυάζονται με επαγωγικές και σύγχρονες γεννήτριες και χρήση κατάλληλου κιβωτίου ταχυτήτων Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι απαραίτητες για τη διασφάλιση της απρόσκοπτης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, κυρίως στα κρίσιμα φορτία σε κατάσταση αποσύνδεσης ενός μικροδικτύου. Με την προσθήκη μονάδων αποθήκευσης ενέργειας αυξάνεται η ικανότητα παραγωγής του συστήματος, καθώς η αποθηκευμένη ενέργεια δύναται να χρησιμοποιηθεί σε περιόδους αιχμής, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η ευστάθεια και η αξιοπιστία του. Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος αποθήκευσης ενέργειας είναι συνάρτηση πολλών παραμέτρων όπως η μορφή της αποθηκευμένης ενέργειας, η απόδοση, η χρονική διάρκεια φόρτισης και εκφόρτισης των μονάδων αποθήκευσης και το ποσοστό της ενέργειας που εξοικονομείται κάνοντας χρήση αυτών. Εν συνεχεία παρατίθενται ορισμένα από τα κυριότερα είδη μονάδων αποθήκευσης ενέργειας Ηλεκτρικοί συσσωρευτές (Μπαταρίες) Η αύξηση της σημασίας τους την τελευταία δεκαετία 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. Υπεραγώγιμα πηνία Μαγνητική ενέργεια αποθηκευμένη σε υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)) χρησιμοποιείται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (της τάξης των MW) για μικρό χρονικό διάστημα της τάξης μερικών δευτερολέπτων. Η ενέργεια αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρομαγνήτη, που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά. Η φόρτιση και η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενους μετατροπείς ισχύος. 17

28 Σφόνδυλοι Πρόκειται για ταχέως περιστρεφόμενους δίσκους ή κύλινδρους οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση κινητικής ενέργειας, που μετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική με τη σύζευξή τους σε μία γεννήτρια. Ο περιοριστικός παράγοντας για την αποθήκευση της ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου. Πρόσφατα όμως, η ανάπτυξη της υπεραγώγιμης έδρασης, υπόσχεται να ελαττώσει την τριβή κατά δύο τάξεις μεγέθους, για αποθήκευση ενέργειας στη περιοχή των 10 KWh. Υπερπυκνωτές Η τεχνολογία για την ταχεία φόρτιση υπάρχει εδώ και δεκαετίες στους υπερπυκνωτές (ultracapacitors). Οι υπερπυκνωτές, ακριβέστερα γνωστοί ως ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλού στρώματος ή ηλεκτροχημικοί πυκνωτές μπορούν να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερο φορτίο σε σχέση με τους συμβατικούς πυκνωτές. Οι υπερπυκνωτές όχι μόνο φορτίζουν 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 ασφάλειας. 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. 18

29 1.5 Βιβλιογραφικές αναφορές [1.1] S. Chowdhury, S. P. Chowdhury and P. Crossley, Microgrids and Active Distribution Networks, IET, 2009, ISBN , [1.2] Nikos Hatziargyriou, Microgrids: Architectures and Control, Wiley-IEEE Press, 2014, ISBN: [1.3] R.H.Lasseter, "MicroGrids", Proc. IEEE Power Eng. Soc. Winter Meeting, vol.1, Jan.2002, pp [1.4] R.H. Lasseter, "Microgrids and Distributed Generation", Journal of Energy Engineering, American Society of Civil Engineers, Sept [1.5] N. Α. Βοβός, "Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας", Διαλέξεις Μαθήματος [1.6] M.Κ. Μπουρδούλης, "Ανάλυση Ευστάθειας και Συμπεριφοράς Αιολικών Συστημάτων Μεταβλητών Στροφών Επαγωγικών Γεννητριών Διπλής Τροφοδοσίας με Σχεδιασμό Βελτιωμένων Διατάξεων Ελέγχου στους Μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ" [1.7] Stuart Borlase, Smart Grids: Infrastructure, Technology, and Solutions, CRC Press, 2012, ISBN [1.8] Α. Αλεξανδρίδης, "Τεχνολογίες ελέγχου στα αιολικά συστήματα", Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, (2013) [1.9] Μπεμπέλης Συμεών,Κυψέλες Καυσίμων,Πρακτικά ημερίδας Ακαδημίας Αθηνών Υλικά και ενεργειακές εφαρμογές, 2009 [1.10] 71uebPfmj2QJVPIIfcUNwm_o35RNQ2VGrPoGFnb [1.11] 19

30 20

31 Κεφάλαιο 2 Έλεγχος στα Μικροδίκτυα 2.1 Εισαγωγή Η έννοια του ελέγχου είναι καίριας σημασίας στα μικροδίκτυα. Στην πραγματικότητα, αυτό που διακρίνει ένα μικροδίκτυο από ένα σύστημα κατανεμημένης παραγωγής είναι η δυνατότητα του πρώτου να εμφανίζεται ως προς το υπόλοιπο δίκτυο σαν μια ελεγχόμενη, συντονισμένη μονάδα η οποία μπορεί να αντιμετωπιστεί ως μεμoνωμένο, σύνθετο φορτίο. Το γεγονός αυτό διευκολύνει τον έλεγχο του μικροδικτύου και την εναρμόνισή του με τις απαιτήσεις και τους κανονισμούς που διέπουν το κυρίως δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς να διαταράσσεται η αξιοπιστία και η ασφάλεια του. Από την πλευρά των καταναλωτών, τα μικροδίκτυα βελτιώνουν σημαντικά την κάλυψη τοπικών ηλεκτρικών/θερμικών φορτίων, παρέχοντας τοπική στήριξη της τάσης, απρόσκοπτη παραγωγή ισχύος και μειωμένες απώλειες μεταφοράς αυτής. Από περιβαλλοντικής σκοπιάς, τα μικροδίκτυα επίσης συμβάλλουν θετικά, εμφανίζοντας ιδαίτερα μειωμένη εκπομπή ρύπων. Τα μικροδίκτυα ταυτόχρονα, αποτελούν απαραίτητη προϋπόθεση για την ταχύτατη διείσδυση των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή. Αν οι ΑΠΕ είναι πολύ αποκεντρωμένες, ένα δίκτυο με αυτό το πλήθος και την ποικιλία πηγών είναι πολύ διαφορετικό από το σημερινό δίκτυο, το οποίο διασυνδέει μεγάλες κεντρικές μονάδες παραγωγής με τελικούς καταναλωτές. Αυτές οι διαφορές μπορούν να προκαλέσουν φυσικές ανισορροπίες, εξαιτίας των τρόπων με τον οποίο οι μεταβαλλόμενες ΑΠΕ συμμετέχουν ή όχι στις ενεργειακές ανάγκες του δικτύου. Έτσι, η ενσωμάτωσή τους θα μπορούσε να αλλάξει τις απαιτήσεις ρύθμισης της τάσης και της συχνότητας του δικτύου, σε σχέση με την κεντρική παραγωγή ενέργειας. Το έξυπνο δίκτυο μπορεί να βοηθήσει στο ζήτημα της μεταβαλλόμενης παροχής Ανανεώσιμης Ενέργειας, στη ρύθμιση τάσης και συχνότητας, καθώς και στα ζητήματα αποσταθεροποίησης που ανακύπτουν με τις κατανεμημένες ΑΠΕ. Παρόλα αυτά, για να επιτευχθεί η ασφαλής και ευσταθής λειτουργία των μικροδικτύων απαιτείται η επίλυση αρκετών τεχνικών, ρυθμιστικών και οικονομικών προβλημάτων. Συγκεκριμένα, μερικά από τα πιο σημαντικά προβλήματα που απαιτούν επίλυση και αποτελούν αντικείμενο συστηματικής μελέτης από την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα είναι Η διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της ενεργού και της αέργου ισχύος, με σκοπό την διασφάλιση της ποιότητας της ενέργειας 21

32 Η αυτόνομη λειτουργία σε απομονωμένες περιοχές όπου το κυρίως ηλεκτρικό δίκτυο δεν είναι διαθέσιμο ή η αντίστοιχη διασυνδεδεμενη λειτουργία με το κυρίως δίκτυο, πάντα υπό το αντίστοιχο πλαίσιο των κατά τόπους ρυθμιστικών κανόνων Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη νέων στρατηγικών ελέγχου της τάσης και της συχνότητας που είναι άμεσα εφαρμόσιμες σε μονάδες κατανεμημένης παραγωγής και συνδέονται στο δίκτυο μέσω διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος Η παραγωγή, διανομή και αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να προγραμματίζεται με βάση την στιγμιαία ζήτηση αλλά και την διασφάλιση της μακροχρόνιας ισορροπίας μεταξύ παραγωγής και ζήτησης Η οικονομική λειτουργία ενός μικροδικτύου πρέπει να συντελείται μέσω προγραμματισμού της παραγωγής, κατάλληλης διαχείριση της εξυπηρέτησης των φορτίων και βέλτιστης διαχείρισης της ροής φορτίου Η ασφάλεια του συστήματος θα πρέπει να διασφαλίζεται σε όλες τις περιπτώσεις Ο επανασχεδιασμός των συστημάτων προστασίας στο επίπεδο διανομής, που να επιτρέπει την αμφίδρομη ροή ισχύος στις γραμμές Η προσωρινή αναντιστοιχία ανάμεσα στην παραγωγή και στην ζήτηση πρέπει να αντιμετωπίζεται μέσω πρόγνωσης του εκτιμώμενου φορτίου Στην γενική του περιγραφή ο έλεγχος των μικροδικτύων συμβάλλει κυρίαρχα στην επίλυση των ανωτέρω προβλημάτων, όμως λόγω των τεχνολογικών, δομικών και λειτουργικών προκλήσεων που αυτά δημιουργούν ο έλεγχος πρέπει να προσαρμόζεται σε επίπεδα και για αντίστοιχες λειτουργικές διαδικασίες. Για την πληρέστερη κατανόηση της διάρθρωσης του ελέγχου στα μικροδίκτυα θα πρέπει να προηγηθεί μια περιγραφή της βασικής δομής ενός μικροδικτύου καθώς επίσης και μια επισκόπηση της γενικότερης κατηγοριοποίησης των συστημάτων αυτών και των καταστάσεων λειτουργίας στις οποίες δύνανται να βρεθούν. 2.2 Βασική δομή μικροδικτύου Κατά βάση, ένα μικροδίκτυο δύναται να έχει οποιαδήποτε αυθαίρετη δομή η οποία όμως υπακούει σε τοπολογικούς και τεχνικούς περιορισμούς. Στο πλαίσιο της εξέυρεσης μιας κοινά αποδεκτής μορφής ενός μικροδικτύου, διάφοροι οργανισμοί όπως το CERTS (Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) έχουν ορίσει μια δομή κατά την οποία βασικά στοιχεία του συστήματος αποτελούν οι στατικοί διακόπτες και οι μικροπηγές, ενώ τα φορτία είναι συνδεδεμένα σε γραμμές όπου υπάρχουν ήδη μονάδες παραγωγής. Μια τυπική δομή ενός μικροδικτύου παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1. Ένα μικροδίκτυο αποτελέιται από ηλεκτρικά και θερμικά φορτία και μικροπαραγωγές οι οποίες συνδεόνται μέσω γραμμών τάσεων επιπέδου διανομής. Τα φορτία και ειδικά τα θερμικά 22

33 βρίσκονται κοντά μεταξύ τους, με σκοπό την ελαχιστοποίηση των απωλειών κατά τη μεταφορά της θερμότητας. Σχήμα 2.1. Τυπική δομή ενός μικροδικτύου [2.11] Από τα πιο σημαντικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα μικροδίκτυο είναι οι κατανεμημένες πηγές παραγωγής, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και τα φορτία. Οι κατανεμημένες πηγές παραγωγής είναι αναπόσπαστο δομικό στοιχείο ενός μικροδικτύου και αποτελούν ταυτόχρονα έναν ιδανικό τρόπο αξιοποίησης των τοπικών διαθέσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, αιολική, βιομάζα κ.α.), καθιστώντας κάθε μικροδίκτυο διαφορετικό ως προς τη συνολική συμμετοχή των πηγών στο συνολικό ενεργειακό μείγμα. Μπορούν να λειτουργήσουν με δύο τρόπους, είτε ως πηγές ρεύματος ή ως πηγές τάσης, καθορίζοντας την τάση και τη συχνότητα του μικροδικτύου. Από πλευράς ελέγχου, για τις πηγές ρεύματος οι στρατηγικές ελέγχου χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στην ανάπτυξη γραμμικών και μη γραμμικών ελεγκτών. Όσον αφορά στις πηγές τάσης, ο έλεγχος συνήθως συνοψίζεται ως βρόχος ελέγχου της τάσης, εν σειρά με έναν εσωτερικό βρόχο ελέγχου τoυ ρεύματος. 23

34 Τα μικροδίκτυα παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε διάφορα είδη φορτίων (οικιακού τύπου, βιομηχανικά κ.α.). Αυτά τα φορτία κατηγοριοποιούνται σε κρίσιμα/ευαίσθητα και σε μη κρίσιμα, με απώτερο στόχο την επίτευξη της καλύτερης δυνατής λειτουργίας του συνολικού συστήματος. Αυτή η λειτουργία προβλεπει τις έννοιες της εξυπηρέτησης κρίσιμων φορτίων κατά προτεραιότητα, της αύξησης της ποιότητας ισχύος για συγκεκριμένα φορτία, της βελτίωσης της αξιοπιστίας για συγκεγκριμένες κατηγορίες φορτίων και της κατάλληλης αξιοποίησης των τοπικών παραγωγών, εξοπλισμένων με ταχεία και ακριβή συστήματα προστασίας για την αντιμετώπιση διαταραχών στα ευαίσθητα φορτία Καταστάσεις λειτουργίας Ένα μικροδίκτυο θα πρέπει να διαθέτει τη δυνατότητα να λειτουργεί είτε σε συγχρονισμό με το δίκτυο (διασυνδεδεμένη λειτουργία), είτε ως αυτόνομη νησίδα ισχύος (αυτόνομη ή απομονωμένη λειτουργία). Τα απομονωμένα μικροδίκτυα δεν έχουν τη δυνατότητα διασύνδεσης με το κυρίως δίκτυο και εντοπίζονται συνήθως σε απομακρυσμένες περιοχές. Από πλευράς ελέγχου οι δυο πιθανές καταστάσεις λειτουργίας διαφέρουν σε σημαντικό βαθμό. Στην περίπτωση διασυνδεδεμένης λειτουργίας, η τάση και η συχνότητα επιβάλλονται στο μικροδίκτυο από το κυρίως δίκτυο και οι βασικότεροι έλεγχοι που δρουν εντός του μικροδικτύου σχετίζονται με τη διαχείριση της ενεργού και αέργου ισχύος. Στην περίπτωση της αυτόνομης λειτουργίας, όπου δεν υπάρχει ανταλλαγή ισχύος με το δίκτυο, η τάση και η συχνότητα πρέπει να καθορίζονται από τις μονάδες κατανεμημένης παραγωγής, είτε μέσω κεντρικού ελέγχου όπου αποστέλλονται σήματα ελέγχου για αυξομείωση της παραγωγής ή του φορτίου, είτε αποκεντρωμένα, σε τοπικό επίπεδο. Γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι είναι αναγκαίο να εξευρεθεί τρόπος διατήρησης της ισορροπίας μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης, με σκοπό τον βέλτιστο καταμερισμό της ισχύος που παράγουν οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής. Η φιλοσοφία λειτουργίας του μικροδικτύου ορίζει ότι υπό κανονικές συνθήκες το μικροδίκτυο λειτουργεί με διασυνδεδεμένο τρόπο, αλλά σε περίπτωση οποιασδήποτε διαταραχής, περνάει σε αυτόνομη λειτουργία με μια διαδικασία γνωστή ως νησιδοποίηση. Προφανώς, υπάρχουν διάφορα είδη διαταραχών που μπορούν να προκαλέσουν νησιδοποίηση, παρόλα αυτά η αποσύνδεση του μικροδικτύου δεν συμβαίνει πάντα λόγω διαταραχών ή σφαλμάτων αλλά μπορεί να γίνει και με προγραμματισμένο τρόπο για λόγους συντήρησης ή ενεργειακής διαχείρισης. Σε όλες τις περιπτώσεις βεβαίως, κρίνεται απαραίτητη η ομαλή και ταχεία μετάβαση ανάμεσα στις δύο καταστάσεις. Σε αυτό το πλαίσιο έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνικές ανίχνευσης της νησιδοποίησης πού βασίζονται είτε σε μετρήσεις της τάσης και της συχνότητας, είτε στον εντοπισμό σφαλμάτων. Βασικό μέρος της διαδικασίας αποτελεί η λειτουργία του στατικού διακόπτη. Ο στατικός διακόπτης έχει την δυνατότητα να απομονώσει το μικροδίκτυο σε περίπτωση εντοπισμού 24

35 σφάλματος. Στο Σχήμα 2.2 διαφαίνεται ένα διάγραμμα τυπικής αρχιτεκτονικής ενός μικροδικτύου με σκοπό την επεξήγηση της άνωθεν περιγραφείσας διαδικασίας. Σχήμα 2.2. Διάγραμμα μικροδικτύου Όπως διαφαίνεται στο Σχήμα 2.2 το μικροδίκτυο αποτελείται από μια ομάδα διάφορων γραμμών (feeders), η οποία θα μπορούσε να αποτελεί τμήμα ενός δικτύου διανομής. Εντοπίζεται ένα σημείο διασύνδεσης με το κυρίως δίκτυο, το οποίο καλείται σημείο κοινής διασύνδεσης (Point of Common Coupling, PCC). Μερικές γραμμές (Α-C) τροφοδοτούν κρίσιμα φορτία τα οποία απαιτούν τοπική παραγωγή ισχύος, ενώ άλλες δεν διαθέτουν μονάδες κατανεμημένης παραγωγής και τροφοδοτούν μη κρίσιμα φορτία. Αν παρουσιαστεί οποιοδήποτε σφάλμα ή διαταραχη στο δίκτυο ενώ το μικροδίκτυο βρίσκεται σε διασυνδεδεμένη λειτουργία, ο στατικός διακόπτης θα ανοίξει απομονώνοντας τα κρίσιμα φορτία, τα οποία τροφοδοτούνται πια από τις τοπικές μικροπαραγωγές. Τα μη κρίσιμα φορτία συνεχίζουν να τροφοδοτούνται από το δίκτυο. Σε αυτό το σημείο κρίνεται σημαντική μια ανασκόπηση των βασικών αρχών που ορίζουν την έννοια της προστασίας σε ένα μικροδίκτυο Προστασία μικροδικτύου Ένα βασικό ζήτημα που σχετίζεται με τη διαδικασία της νησιδοποιήσης πριν και μετά από διαταραχες. Πρέπει να τονιστεί ότι είναι απαραίτητο για την διατήρηση της ευστάθειας του μικροδικτύου να διευκρινιστούν δύο ζήτηματα Η χρονική στιγμή κατά την οποία θα νησιδοποιηθεί το μικροδίκτυο μετά από κάποιο σφάλμα 25

36 Η κατάλληλη διαίρεση του μικροδικτύου σε ζώνες, ούτως ώστε να παρέχεται στο αυτόνομο πια μικροδίκτυο επαρκώς συντονισμένη προστασία Τα θέματα προστασίας του μικροδικτύου απαιτούν εμπεριστατωμένη κατανόηση της δυναμικής του μικροδικτύου πριν, κατα τη διάρκεια αλλά και μετά τη νησιδοποίηση. Η χρονική στιγμή της νησιδοποιήσης πρέπει να αξιολογείται με βάση το όφελος που μπορεί να έχει μια γρήγορη αποσύνδεση του μικροδικτύου. Προκειμένου να προκύψει γρήγορη αποσύνδεση, με ταυτόχρονη αποφυγή λανθασμένων αποσυνδέσεων, πρέπει να εγκατασταθούν κατάλληλοι μηχανισμοί μεταξύ του υποσταθμού του δικτύου και του διακόπτη στο σημείο κοινής διασύνδεσης. Η εγκατάσταση καναλιών επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας μεταξύ δικτύου και μικροδικτύου είναι μια περίπτωση συστήματος που εξασφαλίζει γρήγορη νησιδοποίηση σε συνθήκες χωρίς βραχυκύκλωμα. Ένα σημαντικό πρόβλημα που σχετίζεται με τους αντιστροφείς του μικροδικτύου είναι το εξαιρετικά χαμηλό ρεύμα βραχυκύκλωσης. Συνήθως είναι μικρότερο από το 200% του ονομαστικού τους ρεύματος. Το γεγονός αυτό περιορίζει σημαντικά το ρεύμα βραχυκυκλώματος των μικροπαραγωγών σε σύγκριση με αυτό των γεννητριών του δικτύου. Κατά τη μετάβαση από τη διασυνδεδεμένη λειτουργία στην αυτόνομη προκύπτει σημαντική μείωση του επιπέδου βραχυκυκλώματος του μικροδικτύου. Αυτό επηρεάζει την ευαισθησία και τη λειτουργία των ηλεκτρονόμων υπερέντασης τους συστήματος, οι οποίοι είναι ρυθμισμένη για μεγάλα ρεύματα βραχυκυκλώματος για τη διασυνδεδεμένη λειτουργία. Για την ασφαλή, ευσταθή και αξιόπιστη λειτουργία του αυτόνομου μικροδικτύου πρέπει να εξασφαλίζονται τα εξής Το αυτόνομο μικροδίκτυο να διαθέτει την κατάλληλη γείωση Οι συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στο μικροδίκτυο πρέπει να εναρμονίζονται με τις συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στη διασυνδεδεμένη λειτουργία Εξεύρεση τρόπου εντοπισμού σφάλματος που να μην εξαρτάται από το μεγάλο λόγο μεταξύ ρεύματος βραχυκυκλώματος και μέγιστου ρεύματος φορτίου Τεχνικές αντι-νησιδοποίησης πρέπει να εξετάζονται και αν χρειάζεται να τροποποιούνται, για να αποφεύγεται αστάθεια ή απώλεια του μικροδικτύου από ευαίσθητες ρυθμίσεις Συντονισμένη στρατηγική απόρριψης φορτίου που καθορίζεται από το δίκτυο στο μικροδίκτυο Γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι τα παραπάνω ζητούμενα σχετίζονται άμεσα με τη διατήρηση της ευστάθειας και της αξιοπιστίας του μικροδικτύου και αποτελούν αντικείμενο συστηματικής ερευνητικής μελέτης. Σε αυτό το σημείο πρέπει να διευκρινιστεί ότι η προστασία όπως και ο έλεγχος των μικροδικτύων διαφέρουν σημαντικά 26

37 ανάλογα με την διάκριση του μικροδικτύου σε εναλλασσομένου ρεύματος (AC) ή σε συνεχούς ρεύματος (DC). 2.3 Μικροδίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος (AC), συνεχούς ρεύματος (DC) και υβριδικά Τα μικροδίκτυα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με το είδος της τάσης και του ρεύματος που χρησιμοποιούν σε τρείς κατηγορίες. Τα AC μικροδίκτυα, τα DC και τα υβριδικά. Στα AC μικροδίκτυα, όλες οι κατανεμημένες μονάδες παραγωγής και τα φορτία είναι συνδεδεμένα σε έναν κοινό AC ζυγό. Οι DC κατανεμημένες μονάδες παραγωγής, όπως επίσης και οι συσεκυές αποθήκευσης ενέργειας συνδέονται στον AC ζυγό μέσω DC/AC αντιστροφέων, ενώ τα DC φορτία τροφοδοτούνται με τη χρησιμοποίηση AC/DC ανορθωτών. Στον αντίποδα, στα DC μικροδίκτυα ο κοινός ζυγός είναι DC και απαιτείται η χρησιμοποίηση AC/DC ανορθωτών για τη σύνδεση AC μικροπαραγωγών και αντίστοιχα DC/AC αντιστροφέων για την τροφοδοσία AC φορτίων. Τα υβριδικά μικροδίκτυα, τα οποία θεωρούνται ως συνδυασμός των AC και DC μικροδικτύων απαντώνται και οι δύο αντίστοιχοι τύποι ζυγών, με τον κατάλληλο τύπο διασύνδεσης να επιλέγεται με βάση την απόσταση της μικροπηγής και του φορτίου από τον κοντινότερο ζυγό. Το μεγαλύτερο ερευνητικό αλλά και πρακτικό ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα AC μικροδίκτυα κυρίως λόγω της διασύνδεσης με το κυρίως δίκτυο, της αξιοποίησης AC μικροπαραγωγών αλλά και άλλω πλεονεκτημάτων που διαθέτει αυτός ο τύπος μικροδικτύου όπως για παράδειγμα την χρησιμοποίηση μετασχηματιστών υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης αντί για για DC/DC μετατροπείς που απαιτούν σύνθετο έλεγχο, αλλά και διατάξεων προστασίας, οι οποίες έχουν αναπτυχθεί σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό. Παρόλα αυτά, τα DC μικροδίκτυα θα μπορούσαν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα όπως Υψηλότερη απόδοση και μειωμένες απώλειες εξαιτίας της περιορισμένης χρήσης μετατροπέων για την τροφοδότηση DC φορτίων Ευκολότερη διασύνδεση DC διατάξεων όπως συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, φωτοβολταϊκων, κυψελών καυσίμου κ.α. Αποδοτικότερη τροφοδοσία DC φορτίων, όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, Η/Υ, λάμπες φωτισμού τύπου LED κ.α. Δεν υπάρχει ανάγκη για συγχρονισμό, αφού τα DC μικροδίκτυα έχουν μηδενική συχνότητα και δεν απαιτείτα συγχρονισμός για τη σύνδεση και αποσύνδεση συσκευών Αποφυγή ανθρώπινης έκθεσης στα 50/60 Hz 27

38 Στο Σχήμα 2.3 (α), (β) που ακολουθεί παρουσιάζονται τυπικές αρχιτεκτονικές δομές των DC και AC μικροδικτύων αντίστοιχα Σχήμα 2.3. Αντιπροσωπευτικές δομές DC και AC μικροδικτύων [2.10] Στους πίνακες που ακολουθούν γίνεται ξεκάθαρη η σχεδόν απόλυτη επικράτηση των AC μικροδικτύων έναντι των DC, τουλάχιστον όσον αφορά στο επίπεδο της έρευνας και ανάπτυξης. Πίνακας 2.1. Παραδείγματα μικροδικτύων στην Ευρώπη [2.11] Ενώ σε παγκόσμιο επίπεδο, παραδείγματα αυτόνομων μικροδικτύων παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα 28

39 Πίνακας 2.2. Παραδείγματα αυτόνομων μικροδικτύων παγκοσμίως 2.4 Ιεραρχικός έλεγχος μικροδικτύων Η ανάγκη για την ύπαρξη προτύπων στον έλεγχο μικροδικτύων σχετίζεται με τους νέους κανονισμούς του ηλεκτρικού δικτύου που αναμένονται να εμφανιστούν στο μέλλον. Σε αυτό το πλαίσιο, το ISA-95, αποτελεί διεθνές πρότυπο για την ανάπτυξη μιας αυτοματοποιημένης διεπαφής ανάμεσα στις βιομηχανικές διαδικασίες και στα συστήματα ελέγχου. Το εν λόγω πρότυπο έχει αναπτυχθεί από παγκόσμιους κατασκευαστές για να εφαρμοστεί σε όλες τις βιομηχανίες και σε όλων των ειδών τις διεργασίες. Οι στόχοι του προτύπου ISA-95 είναι να παρέχει μια κοινά αποδεκτή ορολογία, η οποία να αποτελεί την βάση για την επικοινωνία μεταξύ των παραγωγών και των προμηθευτών και επίσης να παρέχει πληροφοριακά και λειτουργικά μοντέλα για τον προσδιορισμό της λειτουγικότητας και την αξιοποίηση της πλροφορίας. Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, ένας πολυεπίπεδος έλεγχος έχει προταθεί, αποτελούμενος από τα εξής επίπεδα: Επίπεδο 5: Επιχειρησιακή σχεδίαση. Το επιχειρησιακό επίπεδο περιλαμβάνει τους ανώτατους επιχειρηματικούς κανονισμούς μιας εμπορικής οντότητας. Αυτό το επίπεδο έχει την πλήρη ευθύνη για ολόκληρη την επιχείρηση και όλες τις μονάδες της μαζί με τις αντίχτοιχες γραμμές παραγωγής. Επίπεδο 4: Μονάδα παραγωγής. Το επίπεδο μονάδας παραγωγής περιλαμβάνει τους ανώτατους επιχειρησιακούς καονισμούς ενός κλάδου ή ενός λειτουργικού τμήματος μιας επιχείρησης, περιέχοντας συνήθως και τα αντίστοιχα οικονομικά δεδομένα που σχετίζονται με την συγκεκριμένη οντότητα. 29

40 Επίπεδο 3: Παραγωγή. Το επίπεδο της παραγωγής περιέχει τους κανονισμούς διαχείρισης και ελέγχου που απαιτουνται για τον προσδιορισμό των καταστάσεων και των συνθηκών ενός κτιρίου ή μιας εγκατάστασης και των περιβαλλοντικών και παραγωγικών συστημάτων. Επίπεδο 2: Περιοχή / Γραμμή παραγωγής. Το επίπεδο αυτό αποτελείται από τους κανονισμούς διαχείρισης και ελέγχου που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των καταστάσεων και συνθηκών μιας συγκεκριμένης περιοχής ή μιας γραμμής παραγωγής. Επίπεδο 1: Μονάδα παραγωγής. Το επίπεδο μονάδας ( ή κυττάρου) αποτελείται από τους κανονισμούς διαχείρισης και ελέγχου που απαιτούνται για τον έλεγχο των καταστάσεων και των συνθηκών μιας συγκεκριμένης αυτοματοποιημένης μονάδας ή ενός συστήματος παραγωγής. Επίπεδο 0: Συσκευή. Το επίπεδο συσκευής αποτελείται από το σύνολο των επί τόπου συσκευών οι οποίες ανιχνεύουν και παρέχουν πληροφορίες περί των φυσικών διεργασιών μέσα σε ένα περιβαλλοντικό ή παραγωγικό σύστημα. Κάθε επίπεδο έχει την ευθύνη ελέγχου για το ίδιο το επίπεδο και ταυτόχρονα για την μεταβίβαση εντολών στα συστήματα χαμηλότερου επιπέδου. Υπό αυτήν την έννοια, απαιτείται η διασφάλιση ότι η μεταβίβαση των σημάτων εντολής από το ένα επίπεδο στο άλλο δεν θα έχει σημαντική επίπτωση στην συνολική ευστάθεια και στη σθεναρή απόδοση του συστήματος. Έτσι, το σύνολο των επιπέδων θα μπορούσε να μειωθεί, με ταυτόχρονη αύξηση του ελέγχου. Ο έλεγχος των μικροδικτύων υπαγορεύει την εκπλήρωση συγκεκριμένων στόχων. Καταρχάς, πρέπει να ρυθμίζει την τάση και τη συχνότητα στα επιθυμητά επίπεδα κατά τη διασυνδεμένη αλλά και την αυτόνομη λειτουργία ενώ ταυτόχρονα πρέπει να επιτελείται βέλτιστος καταμερισμός της ισχύος εξόδου των κατανεμημένων παραγωγών. Επίσης, απαιτείται διαχείριση της ροής ισχύος μεταξύ του μικροδικτύου και του κυρίως δικτύου κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία, ενώ τέλος απαραίτητη κρίνεται και η βελτιστοποίηση του λειτουργικού κόστους του συστήματος. Μια ακόμη παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψιν είναι η χρονική στιγμή της δράσης του κάθε ελέγχου αλλά και η χρονική διάρκεια επίδρασής του, καθώς είναι επιθυμητό να αποφεύγεται η σύζευξη μεταξύ διαφορετικών ελέγχων. Παράλληλα, πρέπει να εξεταστεί και χωρικά το ζήτημα του ελέγχου. Σύμφωνα με τις υπάρχουσες δομές, έχουν προταθεί δύο είδη ελέγχου, ο κεντρικός έλεγχος και ο αποκεντρωμένος. Ο κεντρικός έλεγχος προβλέπει τη συλλογή όλων των επιμέρους δεδομένων, μέσω εκτεταμένου συστήματος επικοινωνιών μέσω του οποίου, κατόπιν επεξεργασίας των δεδομένων αναλαμβάνει την αποστολή των κατάλληλων σημάτων για τη ρύθμιση του συστήματος συνολικά. Παρόλο που φαντάζει ως μια ιδανική επιλογή, δίδοντας τη δυνατότητα 30

41 κεντρικής και συνολικής επίβλεψης του συστήματος, ο κεντρικός έλεγχος παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα μεταξύ των οποίων τα κυριότερα είναι ότι βασίζεται σε επικοινωνιακά συστήματα, πολλές φορές μειωμένης αξιοπιστίας, ενώ ταυτόχρονα το σύστημα στηρίζεται σε έναν και μοναδικό ελεγκτή καθιστώντας το ευάλωτο σε αστοχία, είτε λόγω σφάλματος είτε λόγω κακόβουλης επίθεσης. Από την άλλη, ο αποκεντρωμένος έλεγχος λειτουργεί σε τοπικό επίπεδο και προβλέπει τη ρύθμιση της λειτουργίας κάθε κατανεμημένης μονάδας παραγωγής ξεχωριστά. Οι μετρήσεις που λαμβάνονται από τους κατά τόπους ελεγκτές καθώς και τα δεδομένα που υπόκεινται σε επεξεργασία έχουν ως στόχο την προσαρμογή της λειτουργίας μιας συγκεκριμένης μονάδας κατανεμημένης παραγωγής στους επιθυμητούς στόχους. Το μειονέκτημα που γίνεται άμεσα αντιληπτό έγκειται στην έλλειψη συνεργασίας και ανταλλαγής πληροφοριών ανάμεσα στις μικροπηγές, ιδιαίτερα αν πρόκειται για εφαρμογή σε εκτεταμένο μικροδίκτυο πολλών μονάδων κατανεμημένης παραγωγής, όπου ο συντονισμός τους παρουσίαζει σημαντικές δυσκολίες. Λαμβάνοντας υπόψιν τις παραπάνω απαιτήσεις η εφαρμογή του προτύπου ISA-95 στον έλεγχο ενός μικροδικτύου, προβλέπει την υϊοθέτηση των ακολούθων επιπέδων ελέγχου: 1) Επίπεδο 3 (Τριτοβάθμιος Έλεγχος): Σε αυτό το επίπεδο επιτελείται ο έλεγχος της της ροής ισχύος μεταξύ του μικροδικτύου και του κυρίως δικτύου 2) Επίπεδο 2 (Δευτεροβάθμιος Έλεγος): Αναφέρεται στο κεντρικό έλεγχο του μικροδικτύου και εξασφαλίζει τη διατήρηση της τάσης και της συχνότητας μέσα στα επιθυμητά όρια. Επιπροσθέτως, προβλέπει βρόχο ελέγχου για τον συγχρονισμό κατά τη σύνδεση του μικροδικτύου στο κυρίως δίκτυο ή την αποσύνδεση του. 3) Επίπεδο 1 (Πρωτοβάθμιος Έλεγχος): Σε αυτό το επίπεδο εξομοιώνεται η φυσική συμπεριφορά του συστήματος, μέσω των εξισώσεων στατισμού (droop equations), με σκοπό να το καταστήσουν ευσταθές και αποσβενύμενο. 4) Επίπεδο 0 (Εσωτερικοί βρόχοι ελέγχου): Αναφέρεται στην ρύθμιση των ηλεκτρικών μεγεθών της κάθε κατανεμημένης μονάδας παραγωγής ξεχωριστά. Βρόχοι ανάδρασης (feed-back) και πρόσθιας τροφοδοτησης (feed-forward), καθώς επίσης και διάφορα είδη γραμμικών αλλά και μη γραμμικων βρόχων αξιοποιούνται για τη ρύθμιση της τάσης και του ρεύματος εξόδου των μικροπηγών, διατηρώντας παράλληλα το σύστημα ευσταθές. Στο Σχήμα 2.4 που ακολουθεί, απεικονίζεται συνοπτικά η δομή του ιεραρχικού ελέγχου. 31

42 Σχήμα 2.4. Ιεραρχική δομή ελέγχου στα μικροδίκτυα [2.9] Πρωτοβάθμιος έλεγχος Ο πρωτοβάθμιος έλεγχος σχεδιάζεται ώστε να ικανοποιεί τις παρακάτω απαιτήσεις Σταθεροποίηση της τάσης και της συχνότητας. Ως επακόλουθο της νησιδοποίησης του μικροδικτύου είναι δυνατόν να διαταραχθεί η ευστάθεια της τάσης και της συχνότητας εξαιτίας της διαφοράς παραγωγής και κατανάλωσης ισχύος Την πρόβλεψη του χαρακτηριστικου plug and play και τον επακριβή καταμερισμό της ενεργού και αέργου ισχύος μεταξύ των κατανεμημένων παραγωγών, με την ελάχιστη δυνατή επικοινωνία μεταξύ τους Την μείωση των επανακυκλοφορούντων ρευμάτων τα οποία ενδέχεται να προκαλέσουν φαινόμενα υπερέντασης στις διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και να προκαλέσουν βλάβη στον πυκνωτή της DC-διασύνδεσης. 32

43 Ο πρωτοβάθμιος έλεγχος παρέχει τις επιθυμητές τιμές της τάσης και του ρεύματος που χρησιμοποιούνται στους βρόχους ελέγχου των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Αυτοί οι εσωτερικοί βρόχοι ελέγχου συνήθως αναφέρονται ως έλεγχος του μηδενικού επιπέδου. Ο έλεγχος αυτός γενικά εμπεριέχεται είτε στον έλεγχο ενεργού και αέργου ισχύος (PQ), είτε στον έλεγχο τάσης και ρεύματος. Στον PQ έλεγχο, η ενεργός και αέργος ισχύς της εξόδου της μονάδας κατανεμημένης παραγωγής ρυθμίζεται με βάση προκαθορισμένες επιθυμητές τιμές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.5. Σχήμα 2.5. Έλεγχος ενεργού και αέργου ισχύος [2.9] Η στρατηγική ελέγχου υλοποιείται με βάση έναν ελεγχόμενο μέσω ρεύματος αντιστροφέα πηγής τάσης (VSΙ). Όπως διακρίνεται στο Σχήμα 2.5, ο ελεγκτής HH 1 ρυθμίζει την τάση και την ενεργό ισχύ της DC διασύνδεσης μέσω της διακύμανσης του μέτρου της ενεργού συνιστώσας του ρεύματος εξόδου του αντισροφέα, ii pp. Ο ελεγκτής HH 2 ρυθμίζει την άεργο ισχύ εξόδου μέσω της διακύμανσης του μέτρου τoυ ρεύματος ii qq του αντιστροφέα. Στον έλεγχο της τάσης, η μονάδα κατανεμημένης παραγωγής λειτουργεί ως αντιστροφέας πηγής τάσης ελεγχόμενος μέσω τάσης όπου η τάση αναφοράς, νν οο, καθορίζεται από τον πρωτοβάθμιο έλεγχο, συνήθως μέσω των χαρακτηριστικών στατισμού (droop characteristics), μέθοδος που θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. 33

44 Σχήμα 2.6. Καθορισμός τάσης αναφοράς για τον έλεγχο τάσης [2.9] Οι εσωτερικοί βρόχοι ελέγχου τάσης και συχνότητας διαφαίνονται στο Σχήμα 2.7. Παρατηρείται επίσης ότι ο ελεγκτής τροφοδοτεί το σήμα του ρεύματος ως όρο πρόσθιας τροφοδότησης μέσω μιας συνάρτησης μεταφοράς Δευτεροβάθμιος έλεγχος Σχήμα 2.7. Βρόχοι ελέγχου τάσης και ρεύματος [2.9] Ο έλεγχος πρώτου βαθμού ενδέχεται να προκαλέσει διακυμάνσεις της συχνότητας ακόμα και στη μόνιμη κατάσταση. Παρόλο που οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να συνεισφέρουν στην ελαχιστοποίηση αυτών των αποκλίσεων, δεν μπορούν να τροφοδοτούν ισχύ για τον έλεγχο της συχνότητας για μεγάλα χρονικά διαστήματα, εξαιτίας της περιορισμένης ενεργειακής χωρητικότητας τους. Ο δευτεροβάθμιος έλεγχος, ως κεντρικός ελεγκτής, σχεδιάζεται κατά τέτοιον τρόπο ώστε να επαναφέρει την τάση και τη συχνότητα στα επιθυμητά επίπεδα και να μειώνει τις διακυμάνσεις που προκύπτουν απ τον πρωτοβάθμιο έλεγχο. Επίσης, στο ιεραρχικό επίπεδο σχεδιάζεται ώστε να έχει πιο αργές αποκρίσεις από τον πρωτοβάθμιο έλεγχο προκειμένου να δημιουργείται αποσύζευξη της δυναμικής συμπεριφοράς των βρόχων ελέγχου των δύο διαφορετικών επιπέδων. Στο Σχήμα 2.8 παρουσιάζεται ένα δομικό διάγραμμα του δευτεροβάθμιου ελέγχου. 34

45 Σχήμα 2.8. Δευτεροβάθμιος και Τριτοβάθμιος έλεγχος [2.9] Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, η συχνότητα του μικροδικτύου και η τερματική τάση κάθε δεδομένης μονάδας κατανεμημένης παραγωγής συγκρίνονται με τα αντίστοιχα μεγέθη αναφοράς, ωω rrrrrr και ΕΕ rrrrrr. Στη συνέχεια, τα σήματα σφαλμάτων που προκύπτουν αξιοποιούνται από ξεχωριστούς ελεγκτές, όπως δδδδ = KK PPPP (ωω rrrrrr ωω) + KK ΙΙΙΙ (ωω rrrrrr ωω) dddd (2.1) δδδδ = KK PPPP (EE rrrrrr EE) + KK ΙΙΙΙ (EE rrrrrr EE) dddd (2.2) Όπου KK PPPP, KK ΙΙΙΙ, KK PPPP, KK ΙΙΙΙ είναι τα κέρδη των ελεγκτών Τριτοβάθμιος έλεγχος Ο τριτοβάθμιος έλεγχος αποτελεί το υψηλότερο ιεραρχικά επίπεδο ελέγου. Είναι επίσης το πιο αργό σε απόκριση επίπεδο. Είναι υπεύθυνος για τη βέλτιστοποίηση της οικονομικής λειτουργίας του μικροδικτύου και διαχειρίζεται τη ροή ισχύος μεταξύ του μικροδικτύου και του κυρίως δικτύου. Κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία, ο έλεγχος της ροής ισχύος επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση της συχνότητας και του μέτρου των τάσεων των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Το δομικό διάγραμμα αυτής της διαδικασίας απεικονίζεται στο Σχήμα

46 Σχήμα 2.9. Δομικό διάγραμμα τριτοβάθμιου ελέγχου [2.9] Σε πρώτη φάση, μετράται η ενεργός ισχύς (PP GG ) και η άεργος ισχύς (QQ GG ) της εξόδου της πηγής κατανεμημένης παραγωγής, στο σημείο της διασύνδεσης. Αυτά τα μεγέθη συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές αναφοράς (PP GG rrrrrr ) και (QQ GG rrrrrr ) ούτως ώστε να να εξαχθεί η τιμή αναφοράς της συχνότητας και της τάσης, ωω rrrrrr και ΕΕ rreeff αντίστοιχα, βάσει των παρακάτω σχέσεων ωω rrrrrr = ΚΚ PPPP PP GG rrrrrr PP GG + ΚΚ IIII PP GG rrrrrr PP GG dddd (2.3) EE rrrrrr = ΚΚ PPPP QQ GG rrrrrr QQ GG + ΚΚ IIII QQ GG rrrrrr QQ GG dddd (2.4) Όπου ΚΚ PPPP, ΚΚ ΙΙΙΙ, ΚΚ PPPP, ΚΚ IIII είναι τα κέρδη του ελεγκτή του τριτοβάθμιου ελέγχου η αναφορά της γωνιακής συχνότητας ωω rrrrrr και η αναφορά της τάσης ΕΕ rrrrrr χρησιμοποιούνται στο επίπεδο του δευτεροβάθμιου ελέγχου για να θέσουν τα αντίστοιχα μεγέθη στις επιθυμητές τιμές. Ανάλογα με το πρόσημο των PP GG rrrrrr και QQ GG rrrrrr η ενεργός ισχύς και η αέργος ισχύς μπορούν να εξέρχονται από το μικροδίκτυο ή να εισέρχονται σε αυτό. Σε περίπτωση που το μικροδίκτυο βρίσκεται σε αυτόνομη λειτουργία, οι τιμές των ωω rrrrrr και ΕΕ rrrrrr τίθενται μέσω του δευτεροβάθμιου ελέγχου. Ο τριτοβάθμιος έλεγχος εξασφαλίζει τη βέλτιστη οικονομική λειτουργία του μικροδικτύου. Σε γενικές γραμμές, η βέλτιστη οικονομική λειτουργία του μικροδικτύου επιτυγχάνεται όταν όλες οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής λειτουργούν με το ίδιο οριακό κόστος (μεταβολή του συνολικού κόστους προς τη μεταβολή της παραγόμενης ισχύος), CC oooooo. Ένας αλγόριθμος εφαρμογής της παραπάνω συνθήκης μπορεί να λειτουργήσει με τον εξής τρόπο. Αρχικά, ορίζονται τυχαίες τιμές παραγωγής ισχύος PP ii 0 και PP jj 0, για ένα ζεύγος μονάδων κατανεμημένης παραγωγής, που συμβολίζονται με τον 36

47 δείκτη ii και jj αντίστοιχα. Στη συνέχεια, με βάση τις καμπύλες οριακού κόστους που είναι από πριν γνωστές καθορίζονται οι νέες βέλτιστες τιμές παραγωγής ισχύος για τις δύο oooooo μονάδες παραγωγής, PP ii και PP oooooo jj. Σε αυτή τη χρονική στιγμή η κάθε μονάδα κατανεμημένης παραγωγής αλλάζει την παραγωγή ισχύος της ούτως ώστε να παράγει στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Η παραπάνω διαδικάσια απεικονίζεται γραφικά στο Σχήμα Σχήμα Λειτουργία δύο μονάδων κατανεμημένης παραγωγής με κοινό οριακό κόστος [2.9] Η ίδια διαδικασία ακολουθείται για όλα τα υπόλοιπα ζεύγη μικροπηγών έως ότου όλες οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής να λειτουργούν στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Τελευταία, έχουν αναπτυχθεί καινοτόμες τεχνικές και αλγόριθμοι βασιζόμενοι στην θεωρία των παιγνίων, που επιτυγχάνουν διαχείριση της ισχύος με βάση τοπικά δεδομένα επιτυγχάνοντας κατ αυτόν τον τρόπο την απλοποίηση της σύνθετης δομής του δικτύου επικοινωνιών του μικροδικτύου. 2.5 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ως μονάδες διεπαφής Εισαγωγή Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται στα μικροδίκτυα για να ελέγχουν την ροή ισχύος και να την μετατρέπουν σε επιθυμητή μορφή, είτε DC είτε AC. Απαιτούνται διάφορα είδη μετατροπέων για να επιτελέσουν τις πολλαπλές λειτουργίες εντός ενός μικροδικτύου. Διάφοροι μετατοπείς που απαιτούνται για τη διασύνδεση των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων CHP και άλλων ΑΠΕ, με το δίκτυο AC ή με τοπικά AC φορτία, όπως φαίνεται στο Σχήμα

48 Σχημα Δομή μικροδικτύου [2.12] Οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος είναι ελεγχόμενες ή μή ελεγχόμενες διατάξεις που μετασχηματίζουν ένα ηλεκτρικό μέγεθος (τάση, ρεύμα). Διάφορες διατάξεις έχουν τη δυνατότητα να μετασχηματίζουν μια τάση από εναλλασσόμενη σε συνεχή ή αντίστροφα, από μονοφασική τάση σε τριφασική και αντίστροφα ή να αλλάζουν το μέτρο ή τη συχνότητα μιας τάσης ή ενός ρεύματος. Τα κυκλώματα αυτά αποτελούν τη βάση για τον έλεγχο συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και κυρίως για εφαρμογές οδήγησης κινητήρων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι βασικές διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες 1. Μετατροπείς ΣΡ/ΣΡ (DC/DC converters) 2. Μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ (AC/DC converters) 3. Μετατροπείς ΣΡ/ΕΡ (DC/AC inverters) Οι παραπάνω μετατροπείς βασίζονται στη διακοπτική λειτουργία ελεγχόμενων ηλεκτρονικών διακοπτών χρησιμοποιώντας κατάλληλα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας (πυκνωτές-πηνία) και διόδους. Κάθε κατηγορία αποτελείται από πολλών ειδών μετατροπείς ισχύος. Η ύπαρξη των διακοπτικών στοιχείων που περιλαμβάνουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς δυσκολεύει σε μεγάλο βαθμό την δημιουργία ενός μοντέλου συνεχούς χρόνου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται το «μοντέλο μέσης τιμής» των μετατροπέων το οποίο καταλήγει σε ένα μη γραμμικό σύστημα αλλά με συνεχείς μεταβλητές ώστε να επιτρέπει το σχεδιασμό ελεγκτών. Λόγω των ισχυρών μη γραμμικοτήτων που εμφανίζονται στα μοντέλα, συχνά χρησιμοποιείται μια ακόμη απλοποίηση μέσω του «μοντέλου μικρού σήματος», στο οποίο πραγματοποιείται γραμμικοποίηση γύρω από ένα σημείο ισορροπίας, γεγονός που μειώνει κατά πολύ την αξιοπιστία του μοντέλου. Τα μη 38

49 γραμμικά μοντέλα μέσης τιμής των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος αποτελούν την ακριβέστερη περιγραφή της συμπεριφοράς τους Τρόποι λειτουργίας των μετατροπέων μικροδικτύου Υπό φυσιολογικές συνθήκες, οι μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση συστημάτων ΔΠ παράλληλα με το δίκτυο ή άλλες πηγές, αλλά σε περιπτώσεις όπου αυτές οι πηγές καταστούν μη διαθέσιμες, οι μετατροπείς θα πρέπει να συνεχίζουν να λειτουργούν σε αυτόνομη λειτουργία (stand-alone mode). Ειδικά οι μετατροπείς που συνδέουν μπαταρίες ή άλλες μορφές συσκευών αποθήκευσης ενέργειας θα πρέπει να είναι διπλής κατεύθυνσης, επιτρέποντας την φόρτιση και την εκφόρτιση αυτών των συσκευών Λειτουργία υπό διασύνδεση με το δίκτυο Στη διασυνδεδεμένη με το δίκτυο λειτουργία, ο μετατροπέας ισχύος συνδέει τη πηγή ενέργειας παράλληλα με άλλες πηγές ούτως ώστε να τροφοδοτούνται τοπικά φορτία και πιθανώς να εγχύεται ισχύς στο δίκτυο. Η παράλληλη σύνδεση μικροπαραγωγών καθορίζεται κυρίως από εθνικά πρότυπα. Αυτά τα πρότυπα ορίζουν ότι οι κατα τόπους μονάδες παραγωγής δεν θα πρέπει να καθορίζουν ή να αντιτίθενται στο επίπεδο της τάσης στο σημείο κοινής διασύνδεσης (PCC), καθώς επίσης ότι το ρεύμα που τροφοδοτείται στο δίκτυο θα είναι υψηλής ποιότητας, με την έννοια του περιορισμού σε ένα ανώτατο επιτρεπτό επίπεδο συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD). Ακόμα, τίθεται και ένα ανώτατο επιτρεπτό όριο στο DC ρεύμα που εγχύεται στο δίκτυο. Η ισχύς με την οποία τροφοδοτοτείται το δίκτυο μπορεί να ελέγχεται είτε με άμεσο έλεγχο του ρεύματος, είτε με έλεγχο της γωνίας ισχύος, ρυθμίζοντας την τάση σε ημιτονοειδή μορφή. Κατά τον έλεγχο της γωνίας ισχύος, χωρίς ταυτόχρονο άμεσο έλεγχο του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα, η μείωση του συνολικού αρμονικού περιεχομένου καθίσταται λιγότερο αποτελεσματική όταν η τάση του δικτύου εμφανίζει σημαντικές διαταραχές. Στην πράξη, το ρεύμα και η τάση εξόδου του μετατροπέα πρέπει να συγχρονίζονται με τα αντίστοιχα μεγέθη του δικτύου, συνήθως με τη βοηθεία ενός βρόχου κλειδώματος φάσης (PLL) ή με τη μέθοδο ανίχνευσης μηδενισμού της τάσης (voltage zero-crossing detection). Τα επιβαλλόμενα πρότυπα συνήθως απαιτούν απ τις μικροπαραγωγές, συμπεριλαμβανομένων των μετατροπέων ισχύος, να προβλέπουν λειτουργία αντινησιδοποίησης, ούτως ώστε να αποσυνδέονται απ το σημείο κοινής διασύνδεσης όταν προκύπτει απώλεια της παρεχόμενης από το δίκτυο ισχύος Αυτόνομη Λειτουργία Είναι συχνά επιθυμητό, κατά τη διάρκεια αποσύνδεσης απ το κυρίως δίκτυο, ένας μετατροπέας να συνεχίζει να τροφοδοτεί κάποιο κρίσιμο φορτίο. Σε αυτήν την περίπτωση, 39

50 ο μετατροπέας θα πρέπει να κρατά σταθερή την τάση και τη συχνότητα, ανεξαρτήτως της ανισοκατανομής του φορτίου ή της ποιότητας του ρεύματος, το οποίο εμφανίζει σημαντικές διαταραχές αν το φορτίο είναι μη-γραμμικό. Σ ένα μικροδίκτυο αποσυνδεδεμένο απ το κυρίως δίκτυο, μπορεί να προκύψει μια κατάσταση κατά την οποία απαιτείται από δύο ή και περισσότερους μετατροπείς, που λειτουργούν αυτόνομα, να τροφοδοτήσουν ένα κρίσιμο φορτίο. Κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας καθίσταται αναγκαίο να γίνει καταμερισμός της ισχύος μεταξύ τους, γεγονός το οποίο απαιτεί επιπρόσθετο έλεγχο. Έχουν προταθεί πολλές μέθοδοι για τέτοιου είδους παράλληλη σύνδεση, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ευρείες καητγορίες 1) Τη μέθοδο χαρακτηριστικής στατισμού τάσης και συχνότητας 2) Τη μέθοδο master/slave, στην οποία ένας μετατροπέας δρα ως ρυθμιστής της τάσης και της συχνότητας, επικοινωνώντας ταυτόχρονα με τους άλλους μετατροπείς, ενημερώνοντας τους για το ποσοστό του φορτίου που πρέπει να αναλάβουν Λειτουργία φόρτισης συσκευών αποθήκευσης Σε ένα μικροδίκτυο, οι μπαταρίες και άλλες συσκευές αποθήκευσης είναι απαραίτητες για την αντιμετώπιση απότομων μεταβολών του φορτίου και άλλων διαταραχών. Δηλαδή, η αποθήκευση ενέργειας είναι αναγκαία για την διευθέτηση των μεταβολών ανάμεσα στην παραγωγή ισχύος και την κατανάλωση, αυξάνοντας την αξιοπιστία του μικροδικτύου. Υπό αυτές τις συνθήκες, ο ηλεκτρονικός μετατροπέας δρα ως φορτιστής των συσκευών αποθήκευσης. 2.6 Αντιστροφείς Οι αντιστροφείς (Inverters) είναι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς μιας πηγής συνεχούς τάσης ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη μονοφασική ή τριφασική τάση ή ρεύμα αντίστοιχα. Ανάλογα με το είδος της εισόδου, οι αντιστροφείς κατηγοριοποιούνται σε 1) Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης (Αντιστροφείς Πηγής Τάσης Voltage Source Inverters(VSI)) 2) Αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς ρεύματος (Αντιστροφείς Πηγής Ρεύματος Current Source Inverters(CSI)) Ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων στην έξοδο, οι αντιστροφείς επίσης κατηγοριοποιούνται σε 1) Μονοφασικούς αντιστροφείς Σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας Half-Bridge Inverter (με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία) 40

51 Σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας Full-Bridge Inverter (με τέσσερα ελεγχόμενα διακοπτικά στοιχεία) Σχήμα Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας (Half-Bridge Inverter) [1.7] Σχήμα Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. (Full-Bridge Inverter) [1.7] 2) Τριφασικούς μετατροπείς με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία Σχήμα Τριφασικός αντιστροφέας [1.7] Η τάση στην είσοδο ενός αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από Ηλεκτρικούς συσσωρευτές Πηγές συνεχούς τάσης, όπως φωτοβολταϊκά συστήματα, κυψέλες καυσίμου κ.α. 41

52 Ανορθωτικές διατάξεις (στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές και σε αιολικά συστήματα). Η ανορθωμένη τάση στεθεροποιείται με τη βοήθεια πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας. 42

53 2.7 Βιβλιογραφικές αναφορές [2.1] J.M.Guerrero, L. Hang, and J. Uceda, Control of distributed uninterruptible power supply systems, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 8, pp , Aug [2.2] J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, J. Matas, L. G. de Vicuña, and M. Castilla, Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids A general approach towards standardization, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1, pp , Jan [2.3] J. J. Justo, F. Mwasilu, J. Lee, J.-W. Jung, "AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews 24 (2013) [2.4] Ε. Τατάκης, Α. Αλεξανδρίδης, Τ. Καππάτου, Ε. Μητρονίκας, "Μετατροπείς πηγής τάσης, αλληλεπίδραση με το δίκτυο, μέθοδοι ελέγχου τους", Διαλέξεις μαθήματος [2.5] N. Α. Βοβός, "Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας", Διαλέξεις Μαθήματος [2.6] Γ. Κ. Κωνσταντόπουλος, "Ανάλυση και έλεγχος ολοκληρωμένων συστημάτων μετατροπέων ισχύος ηλεκτρικών μηχανών με εφαρμογές στην ηλεκτροκίνηση και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας", Διδακτορική Διατριβή, 2012 [2.7] N. Mohan, T. M. Underland and W. P. Robbins, "Power Electronics, Inverters, Applications and Design", 3rd edition, Mc Graw Hill, 2009 [2.8] Nikos Hatziargyriou, Microgrids Architectures and Control Wiley-IEEE Press 2013 [2.9] Hierarchical Structure of Microgrids Control System A Bidram, A Davoudi, IEEE Transactions on Smart Grid 3 (4), [2.10] AC Versus DC Microgrid Planning, IEEE Transactions on Smart Grid, 08/2015 [2.11] E. Planas, et al., "General aspects, hierarchical controls and droop methods in microgrids: A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 17, pp , [2.12] Power electronic converters for microgrids. SM Sharkh, MA Abu-Sara,GI Orfanoudakis, B Hussain. John Wiley & Sons, ,

54 44

55 Κεφάλαιο 3 Στρατηγικές ελέγχου για τον καταμερισμό ισχύος 3.1 Εισαγωγή Ο καταμερισμός της ισχύος μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ευσταθή, οικονομική και ενεργειακά βέλτιστη λειτουργία ενός μικροδικτύου. Από πλευράς ελέγχου, ο καταμερισμός της ισχύος υπάγεται στο πρώτο επίπεδο του ιεραρχικού ελέγχου. Οι στρατηγικές που αναπτύσσονται για την επίτευξη του καταμερισμού μπορούν να χωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες. Η πρώτη αφορά αφορά στρατηγικές ελέγχου που βασίζονται στις χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού και δεν απαιτούν άμεση επικοινωνία μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής και η δεύτερη περιλαμβάνει μεθόδους που απαιτούν την ύπαρξη δικτύου επικοινωνιών. Καθώς η εγκατάσταση επικοινωνιακών συστημάτων που καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις είναι κοστοβόρες, επιρρεπείς σε σφάλματα και ευάλωτες σε κακόβουλες επιθέσεις μπορούν να οδηγήσουν σε αστάθεια του συστήματος πρέπει να αποφεύγονται οι γρήγορες ανταλλαγές πληροφοριών μεγάλου εύρους ζώνης. To κύριο πλεονέκτημα των στρατηγικών ελέγχου μέσω χαρακτηριστικών στατισμού είναι ότι ουσιαστικά δεν απαιτεί την ύπαρξη δικτύου επικοινωνιών και το γεγονός ότι ο έλεγχος βασίζεται σε τοπικές μετρήσεις. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι που δίνει στον έλεγχο στατισμού εξαιρετική ευελιξία. Έτσι οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής αποκτούν το επιθυμητό χαρακτηριστικό plug and play. Παρόλα αυτά ο παραδοσιακός έλεγχος μέσω καμπυλών στατισμού εμφανίζει επίσης μειονεκτήματα τα οποία παρατίθενται στη συνέχεια Δεν λαμβάνει υπόψιν του τις δυναμικές μεταβολές στο φορτίο πράγμα που μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα μετά από μια μεγάλη και απότομη μεταβολή στο φορτίο. Δεν έχει δυνατότητα επανεκκίνησης μετά από κατάρρευση στο σύστημα και χρειάζεται ειδική πρόβλεψη ώστε να επιτευχθεί αποκατάσταση του συστήματος. Δεν έχει καλή απόδοση εξαιτίας του ωμικού χαρακτήρα των γραμμών στα μικροδίκτυα χαμηλής τάσης ο οποίος αυξάνει τη σύζευξη μεταξύ των βρόχων ελέγχου ενεργού και αέργου ισχύος. Εμφανίζει μη επιθυμητή μεταβατική απόκριση και μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια εξαιτίας του γεγονότος ότι χρησιμοποιεί μέσες τιμές ενεργού και αέργου ισχύος κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ελέγχου. 45

56 3.2 Στρατηγικές ελέγχου μέσω καμπυλών στατισμού Η μέθοδος του ελέγχου στατισμού (droop control) έχει συστηθεί ως αυτόνομη και ανεξάρτητη μέθοδος, η οποία δεν απαιτεί επικοινωνία μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Ως έννοια σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε για τον κλασσικό έλεγχο των σύγχρονων γεννητριών στα μεγάλα διασυνδεδεμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Μια ανισορροπία μεταξύ της εισόδου μηχανικής ενέργειας και της εξόδου σε ενεργό ισχύ προκαλεί μια μεταβολή στην ταχύτητα του δρομέα που μεταφράζεται με τη σειρά της σε μια αλλαγή στη συχνότητα. Ο έλεγχος της συχνότητας επιτρέπει σε κάθε γεννήτρια στο σύστημα να μοιράζεται το φορτίο ενεργού ισχύος με τις υπόλοιπες με βάση την δική της χαρακτηριστική ενεργού ισχύος συχνότητας η οποία καλείται καμπύλη στατισμού. Στην ουσία η συχνότητα με το να είναι αισθητή παντού στο σύστημα χρησιμοποιείται σαν ένα μέσο επικοινωνίας μεταξύ των μονάδων οι οποίες δεν χρειάζονται άλλου είδους επικοινωνίας μεταξύ τους παρά μόνο το ίδιο το δίκτυο. Οι απαραίτητες μετρήσεις γίνονται τοπικά για αυτό και ο έλεγχος έχει τοπικό χαρακτήρα. Οι μεταβολές της αέργου ισχύος εξόδου συνδέονται με μεταβολές στο μέτρο της τάσης. Ο δεύτερος βρόχος ελέγχου που αποτελεί και τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης παρέχει τη δυνατότητα επιμερισμού της αέργου ισχύος που θα πρέπει να παραχθεί ύστερα από μια μεταβολή της τάσης στην περιοχή των γεννητριών μέσου του κέρδους του. Η παραγόμενη άεργος ισχύς όμως θα είναι μεγαλύτερη για τις γεννήτριες οι οποίες είναι πιο κοντά δικτυακά στο σημείο που μεταβλήθηκε η τάση και αυτό έχει ως αποτέλεσμα μα μην επιμερίζεται η άεργος ισχύ ανάλογα με το δυναμικό της κάθε μίας. Κατά αυτόν τον τρόπο σχηματίζονται δύο βρόχοι ελέγχου γνωστοί ως βρόχος ενεργού ισχύος-συχνότητας (P-f) και αέργου ισχύος-τάσης (Q-V). Ο έλεγχος της συχνότητας επιτρέπει σε κάθε γεννήτρια στο σύστημα να μοιράζεται το φορτίο ενεργού ισχύος με τις υπόλοιπες με βάση την δική της χαρακτηριστική ενεργού ισχύος συχνότητας η οποία καλείται καμπύλη στατισμού. Στην ουσία η συχνότητα με το να είναι αισθητή παντού στο σύστημα χρησιμοποιείται σαν ένα μέσο επικοινωνίας μεταξύ των μονάδων οι οποίες δεν χρειάζονται άλλου είδους επικοινωνίας μεταξύ τους παρά μόνο το ίδιο το δίκτυο. Οι απαραίτητες μετρήσεις γίνονται τοπικά για αυτό και ο έλεγχος έχει τοπικό χαρακτήρα. Μια τεχνητή εφαρμογή τέτοιων καμπυλών στατισμού στον έλεγχο των αντιστροφέων των πηγών του μικροδικτύου θα αναλύσουμε στη συνέχεια Έλεγχος στατισμού μέσω ενεργού και αέργου ισχύος Η μιγαδική ισχύς που μεταφέρεται σε ένα σημείο Α μέσω μιας γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1, μπορεί να εκφραστεί ως 46

57 PP + jjjj = SS = UU 1 II = UU 1 UU 1 UU 2 ZZ = UU 1 UU 1 UU 2 ee jjδδ = UU 2 1 ZZee jjθθ ZZ eejjθθ UU 1UU 2 ZZ eejj(θθ+δδ) (3.1) Σχήμα 3.1. (α) Ροή ισχύος στη γραμμή, (β) Διανυσματικό διάγραμμα [3.1] Συνεπώς, η ενεργός και άεργος ισχύς γράφονται αντίστοιχα PP = UU 1 2 QQ = UU 1 2 cos(θθ) UU 1UU 2 ZZ ZZ ssssss(θθ) UU 1UU 2 ZZ ZZ cos (θθ + δδ) (3.2) sin (θθ + δδ) (3.3) Θεωρώντας ΖΖΖΖ jjθθ = RR + jjjj, οι εξισώσεις (3.2), (3.3) γράφονται ως ή PP = UU 1 RR 2 +XX 2 [RR(UU 1 UU 2 cos δδ) + ΧΧUU 2 sin δδ] (3.4) QQ = UU 1 RR 2 +XX 2 [ RRUU 2 sin δδ + ΧΧ(UU 1 UU 2 cccccc δδ)] (3.5) UU 2 sin δδ = ΧΧΧΧ RRRR UU 1 (3.6) UU 1 UU 2 cos δδ = RRRR+XXXX UU 1 (3.7) Για γραμμές κυρίαρχου επαγωγικού χαρακτήρα (XX RR), η ωμική αντίσταση μπορεί να παραβλεφθεί. Αν επίσης θεωρήσουμε τη γωνία δδ μικρή, τότε sin δδ = δδ και cos δδ = 1, οπότε οι εξισώσεις (3.6), (3.7) μπορούν να γραφούν δδ ΧΧΧΧ UU 1 UU 2 (3.8) UU 1 UU 2 ΧΧΧΧ UU 1 (3.9) 47

58 Για μικρή γωνία δδ και για μικρή διαφορά μεταξύ των τάσεων UU 1 UU 2 οι παραπάνω εξισώσεις υποδηλώνουν την εξάρτηση της ενεργού ισχύος PP από τη γωνία δδ, ενώ αντιστοίχως η αέργος ισχύς εξαρτάται από τη διαφορά των μέτρων των τάσεων UU 1 UU 2. Με άλλα λόγια, η γωνία δδ μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας την ενεργό ισχύ της εξόδου του μετατροπέα, ενώ η τάση UU 1 μπορεί να ελεγχθεί μέσω της αέργου ισχύος QQ. Ο έλεγχος της συχνότητας ελέγχει δυναμικά την γωνία ισχύος και άρα τη ροή ενεργού ισχύος. Κατ αυτόν τον τρόπο, ρυθμίζοντας την ενέργο και άεργο ισχύ ανεξάρτητα, καθορίζεται η συχνότητα και το μέτρο της τάσης του δικτύου. Αυτά τα συμπερασματα οδηγούν στις γνωστές εξισώσεις στατισμού μέσω ενεργού και αέργου ισχύος ff ff oo = kk pp (PP PP oo ) (3.10) UU 1 UU oo = kk qq (QQ QQ oo ) (3.11) Όπου ff oo και UU oo είναι η ονομαστική συχνότητα και ονομαστική τάση αντίστοιχα και PP oo, QQ oo είναι οι (προσωρινές) τιμές αναφοράς των αντίστοιχων μεγεθών. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού φαίνονται στο Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2. Χαρακτηριστικές στατισμού συχνότητας και τάσης [3.1] Έλεγχος στατισμού μέσω ενεργού και αέργου ισχύος στα μικροδίκτυα Στην προηγούμενη ενότητα έγινε η περιγραφή της βασικής αρχής της μεθόδου ελέγχου στατισμού, με μια βασική παραδοχή. Ότι η επαγωγική αντίδραση των γραμμών παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη επαγωγική αντίδραση από ότι ωμική αντίσταση (XX RR). Στα μικροδίκτυα χαμηλής τάση όπους η σύνθετη αντίσταση των γραμμών δεν είναι κύρια 48

59 επαγωγική δεν μπορεί να αγνοηθεί η ωμική αντίσταση. Αυτό το πρόβλημα γίνεται ακόμα εντονότερο στις περιπτώσεις μονάδων κατανεμημένης παραγωγής οι οποίες στη διεπαφή τους με τις γραμμές του μικροδικτύου δεν περιλαμβάνουν επαγωγικά στοιχεία ή μετασχηματιστές και σαν συνέπεια η επαγωγή της εξόδου της μονάδας να είναι πολύ μικρή. Ως εκ τούτου μεταβολές στη συχνότητα και στην τάση επηρεάζουν τόσο την ενεργό όσο και την άεργο ισχύ και παρατηρείται σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου. Ενδεικτικά στον Πίνακα 3.1 παρουσιάζονται τυπικές τιμές σύνθετων αντιστάσεων γραμμών. Πίνακας 3.1. Τυπικές τιμές σύνθετων αντιστάσεων γραμμών ανάλογα με την τάση Μέθοδος αντίστροφων χαρακτηριστικών στατισμού Στην περίπτωση των μικροδικτύων ο λόγος της ωμικής αντίστασης προς την επαγωγική αντίδραση ( RR ) λαμβάνει τιμές από 2 έως και 10. Θεωρώντας λοιπόν ότι η XX ωμική αντίσταση είναι κατά πολύ μεγαλύτερη της επαγωγικής αντίδρασης (RR XX) οι σχέσεις (3.2), (3.3) πρέπει να επανεξεταστούν υπό αυτήν τη συνθήκη. Από τις σχέσεις (3.4), (3.5), αν αμελήσουμε τον όρο της επαγωγής, προκύπτει PP = UU 1 RR (UU 1 UU 2 cos δδ) (3.12) QQ = UU 1UU 2 sin δδ (3.13) RR Γίνεται έυκολα αντιληπτό ότι παρουσιάζεται μια αντιστροφή της εξάρτησης της ενεργού και αέργου ισχύος. Η ενεργός ισχύς εξαρτάται πια κυρίως απ την διαφορά των μέτρων των τάσεων ενώ η άεργος ισχύς από τη συχνότητα. Οι νέες σχέσεις ελέγχου στατισμού δίνονται UU 1 UU oo = kk pp (PP PP oo ) (3.14) ff ff oo = kk qq (QQ QQ oo ) (3.15) 49