Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Ιωάννη Μπουλούμπαση Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου:

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 Ιωάννη Μπουλούμπαση Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Συγχρονισμός μετατροπέα σε μικροδίκτυο και ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ μετατροπέων Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Νικόλαος Α. Βοβός Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 12/11/2015

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ιωάννης Μπουλούμπασης 2015 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Ιωάννη Μπουλούμπαση, 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.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Συγχρονισμός μετατροπέα σε μικροδίκτυο και ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ μετατροπέων» του κ. Ιωάννη Μπουλούμπαση Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 12/11/2015 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Νικόλαος Βοβός, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Αντώνιος Τζες, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 12/11/2015 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Ν. Α. Βοβός Καθηγητής Ν. Α. Βοβός

4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία δε θα ήταν δυνατόν να πραγματοποιηθεί χωρίς τη βοήθεια ενός μεγάλου αριθμού ανθρώπων. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Νικόλαο Βοβό για την επιστημονική καθοδήγηση και την υποστήριξη που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα μέλη της τριμελούς εξεταστικής επιτροπής, καθηγητές κ. Γαβριήλ Γιαννακόπουλο και κ. Αντώνιο Τζε για τις πολύτιμες συμβουλές τους. Επιπρόσθετα θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον Λέκτορα κ. Παναγή Βοβό και τον Διδάκτορα κ. Κωνσταντίνο Γεωργάκα για την πολύτιμη βοήθεια τους, ιδιαίτερα στο πειραματικό σκέλος της εργασίας. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου σε όλα τα μέλη του εργαστηρίου Παραγωγής Μεταφοράς Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών για όλη την υποστήριξη και τη βοήθεια που μου παρείχαν όλον αυτόν τον καιρό.

6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία αφορά το συγχρονισμό εργαστηριακού μετατροπέα σε μικροδίκτυο και την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ μετατροπέων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του μικροδίκτυου. Στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση των προαναφερθέντων φαινόμενων και η πειραματική επιβεβαίωση της δυνατότητας δημιουργίας λειτουργικού εργαστηριακού μικροδίκτυου βασιζόμενου στους εν λόγω μετατροπείς και στο μεταξύ τους επικοινωνιακό δίκτυο. Στα πρώτα κεφάλαια γίνεται μια σύντομη περιγραφή των βασικών εννοιών για τη λειτουργία των μικροδίκτυων και των κύριων κατηγοριών ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται σε αυτά. Στη συνέχεια αναλύεται λεπτομερώς ο χρησιμοποιούμενος μετατροπέας, η τεχνική παλμοδότησης και οι βασικότερες εφαρμογές του. Ο μετατροπέας αποτελείται από ένα μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης συνδεδεμένου σε σειρά με έναν αντιστροφέα εναλλαγής πολικότητας. Με τη χρήση του μετατροπέα είναι δυνατή η μετατροπή μιας συνεχούς τάσης στην είσοδο σε εναλλασσόμενη τάση ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας στην έξοδο. Στο επόμενο κεφάλαιο αναλύονται οι σημαντικότερες τεχνολογίες επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται σε μικροδίκτυα και γενικά σε εφαρμογές έξυπνων δικτύων. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην τεχνολογία CAN, η οποία χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εργασία για την επικοινωνία των μετατροπέων. Το CAN είναι μια μέθοδος ενσύρματης επικοινωνίας που βρίσκει ιδιαίτερα ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία και σε άλλους τεχνολογικούς τομείς. Επίσης παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την καταλληλότητα της μεθόδου για σωστή ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των μετατροπέων. Στη συνέχεια αναλύεται ο συγχρονισμός του μετατροπέα στο μικροδίκτυο και η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται. Επίσης παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που καταδεικνύουν τη δυνατότητα του μετατροπέα για σωστό συγχρονισμό στο δίκτυο. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από την παρούσα εργασία, καθώς και η συνεισφορά και οι προοπτικές συνέχισής της.

8

9 ABSTRACT This Dissertation studies the synchronization of a lab converter to a microgrid and the data exchange among converters for the optimization of microgrid operation. The purpose of this dissertation is the investigation of the aforementioned phenomena and the experimental verification of the creation capability of a fully functional lab microgrid based on these converters and the communication network among them. A brief description of the basic concepts for microgrid operation takes place in the initial chapters, along with the description of the main power converter categories used in microgrids. Afterwards, the used converter, its modulation technique and its main applications are analyzed in detail. The converter consists of a dc/dc buckboost converter connected in series with a polarity swapping inverter. Using this converter is feasible a conversion of dc input voltage to ac output voltage, with controlled amplitude and frequency. In the next chapter the most important communication technologies that are used in microgrids and smart grid applications in general, are analyzed. Amphasis is given to CAN technology that is used in this dissertation for converter communication. CAN is a wired communication method with wide application in industry and other technological fields. Experimental results that verify the adequacy of this communication method for proper information exchange among converters are also displayed. Then, the converter synchronization to the microgrid along with the used methodology is analyzed. Experimental results that verify the capability of the converter for proper synchronization to the grid are displayed. Finally the conclusions being extracted of the present dissertation, its contribution and the prospects for its future continuation are presented.

10

11 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Εισαγωγή Είδη παραγωγών στα μικροδίκτυα Ανεμογεννήτριες Φωτοβολταϊκά Κυψέλες καυσίμου Μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού Έλεγχος μικροδίκτυου Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας Έλεγχος άεργου ισχύος-τάσης Έλεγχος τάσης και συχνότητας σε μικροδίκτυα Έλεγχος μικροδίκτυου σε διασυνδεδεμένη λειτουργία Έλεγχος μικροδίκτυου σε απομονωμένη λειτουργία Μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος Σύγκριση μικροδίκτυων συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος Οικονομία μικροδίκτυου Βασικά χαρακτηριστικά οικονομίας μικροδίκτυου Σύγκριση οικονομίας μικροδίκτυου-συμβατικών συστημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Εισαγωγή Αντιστροφείς Κατηγορίες αντιστροφέων Αντιστροφείς πηγής τάσης Διαμόρφωση εύρους παλμών Ημιτονοειδής μέθοδος διαμόρφωση παλμών Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών σε μονοφασικούς αντιστροφείς πλήρους γέφυρας Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών σε τριφασικούς αντιστροφείς Περαιτέρω κατηγοριοποίηση της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών Βελτιωμένες μέθοδοι ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή... 49

12 3.4.1 Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης Μετατροπέας ανύψωσης τάσης Μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4-ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Εισαγωγή Λειτουργία μετατροπέα Λειτουργία μετατροπέα buck-boost Λειτουργία αντιστροφέα Χρήσεις μετατροπέα Τροφοδοσία απομονωμένου φορτίου Σύνδεση μετατροπέα στο δίκτυο Απαλοιφή αρμονικών Τεχνική απαλοιφής αρμονικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5- ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Εισαγωγή Διαθέσιμες τεχνολογίες επικοινωνίας Ενσύρματες επικοινωνίες Ασύρματες επικοινωνίες Χρήση δικτύου CAN για επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων Πρωτόκολλο CAN Πεδία μηνύματος σε πρωτόκολλο CAN Πεδία μηνύματος σε πρωτόκολλο Extended CAN Διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας Τύποι μηνυμάτων σε σύστημα CAN Έλεγχος λαθών και περιορισμών σφαλμάτων Κανάλι CAN Ελεγκτής CAN Πειραματικά αποτελέσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6- ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ Εισαγωγή Συγχρονισμός με ανταλλαγή ισχύος Μηχανισμός συγχρονισμού δύο σύγχρονων μηχανών Έλεγχος συγχρονισμού ισχύος μετατροπέων Συγχρονισμός με εύρεση φασικής γωνίας... 92

13 6.3.1 Μέθοδοι συγχρονισμού ανοικτού βρόχου Μέθοδοι συγχρονισμού κλειστού βρόχου Χρησιμοποιούμενη μέθοδος συγχρονισμού Πειραματικά αποτελέσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7- ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ & ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Ανακεφαλαίωση Συμπεράσματα Συνεισφορά & μελλοντική επέκταση

14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στη σημερινή εποχή η ανάγκη για εκσυγχρονισμό και βελτιστοποίηση των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) επέβαλλε την αλλαγή της δομής τους. Έτσι υπάρχει πλέον μετάβαση από τη συμβατική, κεντρικοποιημένη δομή των συστημάτων ενέργειας σε μια πιο ευέλικτη και κατά το δυνατόν αποκεντρωμένη μορφή. Η συμβατική μορφή των ΣΗΕ περιλαμβάνει μεγάλους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτούν την παραγόμενη ισχύ σε απομακρυσμένους καταναλωτές. Η μεταφορά πραγματοποιείται μέσω γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης, η οποία με χρήση μετασχηματιστών υποβιβάζεται σε χαμηλή τάση στο επίπεδο διανομής, όπου βρίσκονται οι καταναλωτές. Με άλλα λόγια στα συμβατικά συστήματα τα επίπεδα της παραγωγής, της μεταφοράς, της διανομής και της κατανάλωσης της ενέργειας είναι οργανωμένα οριζόντια και είναι απομονωμένα το ένα από το άλλο. Πλέον η εγκατάσταση μονάδων κατανεμημένης παραγωγής μικρής ισχύος, συγκριτικά με τους μεγάλους σταθμούς παραγωγής, στο επίπεδο της μέσης τάσης έχει οδηγήσει τα ΣΗΕ σε ένα διαφορετικό τρόπο λειτουργίας. Η εγκατάσταση αυτών των μονάδων γίνεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στα φορτία της μέσης τάσης, διαφοροποιώντας τη μέχρι πρότινος οριζόντια οργάνωση των ΣΗΕ. Η διείσδυση των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής στο δίκτυο διανομής επιδιώκεται πλέον για μια σειρά από λόγους. Οι κυριότεροι είναι: Παραγωγή ενέργειας με φιλικότερες για το περιβάλλον μεθόδους, καθώς η πλειοψηφία αυτών των μονάδων είναι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Οι ΑΠΕ έχουν άφθονη και ανανεώσιμη πρώτη ύλη (ηλιακή ακτινοβολία, αιολική ενέργεια κ.α.) και σχεδόν μηδενικές εκπομπές αεριών του θερμοκηπίου. Με τη χρήση τους και τη χρήση άλλων ήπιων μορφών ενέργειας (κυψέλες καυσίμων, μικροτουρμπίνες κ.α.), αποφεύγεται η καύση λιγνίτη, πετρελαίου και άλλων ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούν οι συμβατικές μονάδες παραγωγής ενέργειας και έχει ως αποτέλεσμα τη ρύπανση της ατμόσφαιρας. Τα σύγχρονα και ευαίσθητα φορτία που απαιτούν αδιάλειπτη παροχή και υψηλή ποιότητα ισχύος. Τα συμβατικά ΣΗΕ δεν έχουν τη δυνατότητα παροχής τέτοιων υπηρεσιών λόγω της μεγάλης απόστασης που υπάρχει μεταξύ της παραγωγής και της κατανάλωσης. Η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που επιτρέπει σε ανεξάρτητους παραγωγούς να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο και στις αγορές της ηλεκτρικής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο δίνονται επιπλέον κίνητρα για εγκατάσταση μονάδων ΑΠΕ από καταναλωτές. Το Σχ. 1.1 δείχνει την δομή ενός συμβατικού ΣΗΕ, ενός ΣΗΕ με ενσωμάτωση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και τη μελλοντική δομή των ΣΗΕ. 1

16 Σχ Δομή συμβατικού ΣΗΕ-Δομή ΣΗΕ με ενσωμάτωση διεσπαρμένης παραγωγής- Μελλοντική δομή ΣΗΕ. Η τάση για ολοένα και μεγαλύτερη διείσδυση των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής στο επίπεδο της διανομής οδήγησε στην έννοια του Έξυπνου Δικτύου (Smart Grid). Στο έξυπνο δίκτυο, εκτός από τις μονάδες κατανεμημένης παραγωγής, ενσωματώνονται εποπτικές μονάδες και επικοινωνιακά δίκτυα, για την καλύτερη παρακολούθηση και τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του. Με τον τρόπο αυτό παράγεται και τροφοδοτείται στους καταναλωτές φθηνή ενέργεια υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας. Μια βασική δομική μονάδα του έξυπνου δικτύου είναι το μικροδίκτυο (microgrid). Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά μια μικρογραφία ενός μεγάλου διασυνδεδεμένου δικτύου και μπορεί να λειτουργεί είτε παράλληλα με το κυρίως δίκτυο, είτε αν παραστεί ανάγκη αυτόνομα. Η αυτόνομη λειτουργία του μικροδίκτυου συνεπάγεται την αύξηση του χρόνου παραγωγής των μονάδων που είναι συνδεδεμένες σε αυτό, καθώς σε διαφορετική περίπτωση οι μονάδες αυτές θα έπρεπε να αποσυνδεθούν. Για να είναι δυνατή η αυτόνομη λειτουργία θα πρέπει να υπάρχουν στο σύστημα πηγές με ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας. Συνεπώς σε ένα μικροδίκτυο είναι απαραίτητη η παρουσία κι άλλων μορφών παραγωγής εκτός από ΑΠΕ. Επίσης, είναι απαραίτητη η παρουσία συσκευών αποθήκευσης της ενέργειας, όπως είναι οι μπαταρίες, οι περιστρεφόμενοι σφόνδυλοι, οι υπεραγώγιμοι πυκνωτές, τα υπεραγώγιμα πηνία κ.α. Οι κυριότερες πηγές που συνδέονται στο επίπεδο της διανομής είναι: ΑΠΕ χαμηλής ισχύος. Οι ΑΠΕ αυτές μπορεί να είναι ανεμογεννήτριες, φωτοβολταικά ή άλλες μορφές (γεωθερμία, βιομάζα κ.α.) ανάλογα με τις κατά τόπους διαθέσιμες πρώτες ύλες. Μικροτουρμπίνες. Κυψέλες καυσίμων. Η πλειοψηφία αυτών των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής παράγει συνεχή τάση ή εναλλασσόμενη τάση μεταβλητού πλάτους και συχνότητας. Συνεπώς για τη σύνδεση τους στο δίκτυο είναι απαραίτητη η χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος (power converter). Οι μετατροπείς παίρνουν στην είσοδό τους την παραγόμενη τάση των πηγών και τη μετατρέπουν σε εναλλασσόμενη τάση κατάλληλου πλάτους και συχνότητας για σύνδεση με το δίκτυο. Για να είναι δυνατός 2

17 ο συγχρονισμός πρέπει η τάση στην έξοδο του μετατροπέα κάθε πηγής να ικανοποιεί τα ακόλουθα: να είναι ίδιου πλάτους, ίδιας συχνότητας και ίδιας φασικής γωνίας με την τάση του δικτύου. Σε περίπτωση τριφασικών δικτύων πρέπει και η φασική ακολουθία των τριφασικών τάσεων να είναι η ίδια. Επιπρόσθετα για να υπάρχει σωστός καταμερισμός της παραγωγής ισχύος ανάμεσα στις μονάδες του μικροδίκτυου και να είναι δυνατή η παροχή ισχύος υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας στους καταναλωτές του, είναι απαραίτητη η χρησιμοποίηση επικοινωνιακού δικτύου. Το επικοινωνιακό δίκτυο υλοποιείται με ενσύρματες ή ασύρματες τεχνολογίες και συνήθως επικεντρώνεται στην επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων των πηγών του ενεργειακού δικτύου. Μέσω της επικοινωνίας των μετατροπέων ανταλλάσσονται πληροφορίες μεταξύ των πηγών για την κατάσταση και τη δυνατότητα παραγωγής τους ανά πάσα στιγμή. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατός ο έλεγχος της παραγωγής όλων των διαθέσιμων μονάδων και ο συντονισμός του επίπεδου παραγωγής τους για βέλτιστη λειτουργία του συστήματος. Επιπλέον είναι δυνατή η ανταλλαγή κρίσιμων πληροφοριών για την ανίχνευση σφαλμάτων στο κυρίως δίκτυο ή εντός του μικροδίκτυου και τη μετάβαση σε απομονωμένη λειτουργία. Με λίγα λόγια το επικοινωνιακό δίκτυο διασφαλίσει τη σωστή λειτουργία και την ευστάθεια του μικροδίκτυου, προσπαθώντας παράλληλα να βελτιστοποιήσει την απόδοση και την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος. Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της λειτουργίας ενός πραγματικού εργαστηριακού μετατροπέα υψηλής απόδοσης, ο συγχρονισμός του στο δίκτυο και η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ δύο μετατροπέων, ώστε να διερευνηθεί η δυνατότητα πραγματοποίησης εργαστηριακού μικροδίκτυου. Η διάρθρωση της εργασίας έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια παρουσίαση της τεχνολογίας των μικροδίκτυων. Αρχικά παρουσιάζονται συνοπτικά οι κύριες μορφές κατανεμημένης παραγωγής που χρησιμοποιούνται σε μικροδίκτυα. Έπειτα γίνεται αναφορά στους κύριους τύπους ελέγχου των μικροδίκτυων και στα βασικά οικονομικά ζητήματά του μικροδίκτυου. Τέλος γίνεται ιδιαίτερος λόγος για μια υποκατηγορία των μικροδίκτυων, τα μικροδίκτυα συνεχούς τάσης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι σημαντικότερες κατηγορίες ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μικροδίκτυων. Αυτοί είναι οι αντιστροφείς, που μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη και οι μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, που μετατρέπουν μια συνεχή τάση στην είσοδο σε συνεχή τάση διαφορετικής τιμής στην έξοδο. Επίσης, παρουσιάζεται και η κυριότερη μέθοδος παλμοδότησης των μετατροπέων, η διαμόρφωση του εύρους των παλμών και η κυριότερη παραλλαγή της η ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο χρησιμοποιούμενος μετατροπέας. Αναλύεται η λειτουργία του και επεξηγείται η ακολουθούμενη τεχνική παλμοδότησης. Τέλος παρουσιάζονται οι κύριες εφαρμογές του συγκεκριμένου μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι κύριες τεχνολογίες επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές έξυπνων δικτύων και μικροδίκτυων. Δίνεται έμφαση στην επικοινωνία μέσω CAN, καθώς χρησιμοποιήθηκε η 3

18 συγκεκριμένη τεχνολογία για την επικοινωνία και την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των μετατροπέων. Τέλος παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που καταδεικνύουν τη δυνατότητα χρήσης της τεχνολογίας CAN για την επικοινωνία μεταξύ μετατροπέων ενός μικροδίκτυου. Στο Κεφάλαιο 6 αναλύεται το πρόβλημα του συγχρονισμού ενός μετατροπέα σε δίκτυο και οι κύριες τεχνικές συγχρονισμού. Επίσης, παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθείται για το συγχρονισμό του μετατροπέα στο δίκτυο και τα πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την καταλληλότητα της μεθόδου. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας, η συνεισφορά της και οι μελλοντικές προοπτικές επέκτασής της. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1.1] Χ. Ν. Παπαδημητρίου, «Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για την ένταξη της σε μικροδίκτυα», Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, [1.2] International Energy Agency, Technology Roadmap- Smart Grids, 4

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 2.1 Εισαγωγή Η ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος, επίτευξη αειφορίας και εκσυγχρονισμό των ΣΗΕ, ιδίως του συστήματος διανομής, οδήγησε στη διαρκώς αυξανόμενη διείσδυση ΑΠΕ. Προς αυτήν την κατεύθυνση εμφανίσθηκε η ιδέα της δημιουργίας μικροδίκτυων στη μέση και χαμηλή τάση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μικροδίκτυα είναι μικρής κλίμακας ευέλικτα συστήματα διανομής με δυνατότητα αυτόνομης και διασυνδεδεμένης λειτουργίας με το δίκτυο. Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά ένα ενεργό δίκτυο διανομής, καθώς αποτελείται από διάφορες πηγές και φορτία σε τάση διανομής. Οι πηγές είναι κύρια ΑΠΕ αλλά υπάρχει η δυνατότητα να περιέχουν συμβατικές παραγωγές ενέργειας (μικροτουρμπίνες, ντιζελογεννήτριες κ.α.) και μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας (Combined Heat and Power- CHP). Αυτές οι μικροπαραγωγές και μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (Distributed Generators- DGs) συνδέονται μεταξύ τους και με τα τοπικά φορτία σχηματίζοντας το μικροδίκτυο. Η σύνδεση του μικροδίκτυου με το κυρίως δίκτυο γίνεται μέσω του σημείου κοινής σύνδεσης (ΚΣΣ- Point of Common Coupling- PCC), δίνοντας τη δυνατότητα στο μικροδίκτυο να λειτουργεί παράλληλα με το κυρίως δίκτυο ή να αποσυνδέεται από αυτό και να λειτουργεί αυτόνομα. Οι περιπτώσεις αποσύνδεσης και αυτόνομης λειτουργίας κατηγοριοποιούνται σε προγραμματισμένες και έκτακτες. Οι προγραμματισμένες αποσυνδέσεις συμβαίνουν όταν υπάρχουν τακτικές εργασίες συντήρησης στο κυρίως δίκτυο, επομένως αντί η περιοχή που καλύπτει το μικροδίκτυο να παραμείνει χωρίς παροχή ενέργειας μέχρι το πέρας των εργασιών, το μικροδίκτυο αποσυνδέεται από το κυρίως δίκτυο και τα τοπικά φορτία εξυπηρετούνται από τις τοπικές παραγωγές. Οι έκτακτες αποσυνδέσεις πραγματοποιούνται κύρια όταν έχει συμβεί κάποιο σφάλμα είτε στο κυρίως δίκτυο είτε στο μικροδίκτυο (βραχυκύκλωμα, πτώση κεραυνού κ.α.). Κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία το μικροδίκτυο ανταλλάσει ισχύ με το κύριο δίκτυο. Σε περίπτωση απομονωμένης λειτουργίας το μικροδίκτυο τροφοδοτεί τα φορτία μεγαλύτερης προτεραιότητας, ανάλογα με τις δυνατότητες παροχής ισχύος που έχει. Η χρήση των μικροδίκτυων επιφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα τόσο στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας όσο και στους καταναλωτές. Κύριο πλεονέκτημα των μικροδίκτυων αποτελεί η ολοένα και αυξανόμενη εκμετάλλευση των ΑΠΕ μέσω αυτών. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε πιο «καθαρή» ενέργεια, χωρίς τα βλαβερά αέρια του θερμοκηπίου που απελευθερώνονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται από τις συμβατικές μορφές ενέργειας. Επιπρόσθετα πλεονεκτήματα αποτελούν η αποφόρτιση του κυρίως δικτύου λόγω της λειτουργίας του μικροδίκτυου, η παροχή βοηθητικών υπηρεσιών στο κυρίως δίκτυο κ.α.. Οι καταναλωτές που συμμετέχουν στο μικροδίκτυο μπορούν να έχουν διάφορα οφέλη, κυρίως οικονομικά, αλλά όχι μόνο. Τα οικονομικά οφέλη προέρχονται κυρίως από 5

20 την πώληση στο κυρίως δίκτυο της περισσευούμενης ενέργειας των μικροπαραγωγών σε προσυμφωνημένες τιμές. Απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η ύπαρξη απελευθερωμένης αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και ενός χρηματιστηρίου ενέργειας στο οποίο μπορούν να συμμετέχουν οι παραγωγοί και οι καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, προχωρώντας σε αγοροπωλησίες ενέργειας είτε για την ίδια μέρα είτε για την επόμενη. Η λειτουργία του μικροδίκτυου βασίζεται σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται κύρια για τη σύνδεση των μικροπαραγωγών σε αυτό. Η λειτουργία τους θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Τέλος για τη σωστή λειτουργία και την πλήρη εκμετάλλευση των παραγωγών του μικροδίκτυου είναι απαραίτητη η ύπαρξη στρατηγικών ελέγχου. Ο έλεγχος βασίζεται σε μικροεπεξεργαστές και χωρίζεται σε πρωτεύων, δευτερεύων και τριτεύων έλεγχο. Οι λεπτομέρειες των επιμέρους ελέγχων θα παρουσιαστούν παρακάτω. 2.2 Είδη παραγωγών στα μικροδίκτυα Η πλειοψηφία των παραγωγών που υπάρχουν σε ένα μικροδίκτυο αποτελείται από ΑΠΕ και κύρια από ανεμογεννήτριες (μικρής ισχύος) και φωτοβολταικά. Αυτές οι πηγές δεν είναι οι μοναδικές αφού υπάρχουν και συμβατικές, κυψέλες καυσίμων και μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού Ανεμογεννήτριες Οι ανεμογεννήτριες μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το κύριο τμήμα των ανεμογεννητριών είναι ο δρομέας, ο οποίος συνδέεται με τη γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Τα κυριότερα μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι ο πύργος στήριξης, ο δρομέας και η άτρακτος, όπως φαίνεται στο Σχ Στην άτρακτο περιέχεται η ηλεκτρική γεννήτρια και ο μηχανισμός μετάδοσης της κίνησης. Ο δρομέας μπορεί να έχει δύο η περισσότερα πτερύγια, με την πλειοψηφία να έχει τρία. Τα πτερύγια παίρνουν την κινητική ενέργεια του ανέμου και μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων τη μεταφέρουν στη γεννήτρια, όπου μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Επιπλέον το κιβώτιο ταχυτήτων μετατρέπει τη χαμηλή ταχύτητα με την οποία περιστρέφονται τα πτερύγια σε υψηλότερη ταχύτητα περιστροφής του άξονα της γεννήτριας Η ισχύς εξόδου των ανεμογεννητριών δίνεται από τη σχέση: P = 1 2 C PρV 3 A (2.1) Όπου: P: Η ισχύς της ανεμογεννήτριας σε Watt. C P :Ο συντελεστής ισχύος της ανεμογεννήτριας. 6

21 ρ: Η πυκνότητα του αέρα σε kg m 3. V: Η ταχύτητα του ανέμου σε m s. A: Το εμβαδόν της επιφάνειας σάρωσης των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας σε m 2. Σχ Κύρια μέρη ανεμογεννήτριας. Ο συντελεστής ισχύος C P έχει μέγιστη θεωρητική τιμή το (όριο Betz), αλλά η πρακτική μέγιστη τιμή του περιορίζεται στο 0.4. Το C P εκφράζει το ποσοστό της ισχύος του ανέμου που εξάγεται από το δρομέα της ανεμογεννήτριας και οι τιμές του εξαρτώνται από τη σχεδίαση του δρομέα, από το βήμα των πτερυγίων και από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (Tip Speed Ratio- TSR), που δίνεται από την παρακάτω σχέση: 7

22 λ = ω δr V (2.2) Όπου: ω δ : Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της ανεμογεννήτριας. R: Η ακτίνα των πτερυγίων. V: Η ταχύτητα του ανέμου Μια κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών μπορεί να γίνει σύμφωνα με τον αριθμό των στροφών τους. Με αυτόν τον τρόπο κατηγοριοποιούνται σε ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών. Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών λειτουργούν σε σχεδόν σταθερή ταχύτητα, η οποία είναι καθορισμένη από το σχεδιασμό τους και το κιβώτιο ταχυτήτων τους. Ο έλεγχος αυτού του τύπου των γεννητριών έγκειται είτε στη μέγιστη απορρόφηση ισχύος με έλεγχο της ροπής του δρομέα, είτε στον έλεγχο της αποδιδόμενης ισχύος όταν επικρατούν άνεμοι υψηλής ταχύτητας, μέσω του ελέγχου της γωνίας βήματος. Ανάλογα με τη στρατηγική ελέγχου αυτού του τύπου ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε: Ανεμογεννήτριες με έλεγχο της απώλειας στήριξης. Ανεμογεννήτριες με έλεγχο της γωνίας βήματος. Οι πρώτες δεν έχουν επιλογές ελέγχου. Τα πτερύγιά τους είναι σχεδιασμένα με σταθερή γωνία βήματος, έτσι ώστε να έχουν τη βέλτιστη λειτουργία τους για συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Συγκεντρωτικά τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών σταθερών στροφών είναι τα εξής: Απλότητα σχεδιασμού με στιβαρή κατασκευή και ικανοποιητική ηλεκτρική απόδοση. Αυξημένη αξιοπιστία, λόγω μικρού αριθμού μερών. Λόγω μη μετατροπής συχνότητας δεν εισάγονται ανώτερες αρμονικές στο δίκτυο. Συνεπώς καλύτερη ποιότητα παραγόμενης ισχύος. Μικρότερο κόστος. Αντίθετα τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν είναι τα εξής: Μη επαρκής αεροδυναμική εκμετάλλευση του ανέμου. Επιρρεπείς στις μηχανικές καταπονήσεις. Περισσότερο θορυβώδεις και άρα ακατάλληλες για αστικό περιβάλλον. Μια τυπική ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με έλεγχο της γωνίας βήματος παρουσιάζεται στο Σχ

23 Σχ Διάγραμμα ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με έλεγχο της γωνίας βήματος. Ο τύπος αυτός έχει κύρια δύο στρατηγικές ελέγχου λειτουργίας: Για ταχύτητες ανέμου μικρότερες από την ονομαστική, γίνεται μέγιστη απορρόφηση ισχύος φροντίζοντας ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ να βρίσκεται στη βέλτιστη τιμή του, μεταβαλλόμενης της ταχύτητας του ανέμου. Για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από την ονομαστική, ο έλεγχος της γωνίας βήματος των πτερυγίων γίνεται έτσι ώστε η ισχύς εξόδου να μη ξεπερνά την ονομαστική της τιμή. Συγκεντρωτικά τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών είναι τα εξής: Μικρές μηχανικές καταπονήσεις. Υψηλές ενεργειακές απολαβές. Ικανοποιητική αεροδυναμική εκμετάλλευση του ανέμου. Μικρή μεταβατική ροπή. Δεν είναι απαραίτητη η παρουσία συστημάτων μηχανικής απόσβεσης, καθώς αυτή προσφέρεται από το ηλεκτρικό σύστημα. Δεν υπάρχουν προβλήματα συγχρονισμού ή βυθίσεων τάσης λόγω απότομου ελέγχου. Αντίθετα τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν είναι τα εξής: Μικρότερη ηλεκτρική απόδοση συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών. Απαιτούνται σύνθετες στρατηγικές ελέγχου. Μεγαλύτερο κόστος. 9

24 2.2.2 Φωτοβολταϊκά Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική εκμεταλλευόμενα την άφθονη ηλιακή ακτινοβολία. Η χρήση των συστημάτων αυτών παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα, τα κυριότερα από τα οποία είναι: Άφθονη, δωρεάν και ανανεώσιμη πρώτη ύλη. Ελάχιστη έως καθόλου επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Μεγάλος χρόνος ζωής (περίπου χρόνια). Ελάχιστο κόστος συντήρησης. Αθόρυβη λειτουργία. Τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα έχουν ως αποτέλεσμα την ολοένα και αυξανόμενη χρήση των ηλιακών συστημάτων για παραγωγή ενέργειας και προβλέπεται ότι στο μέλλον θα κατέχουν σημαντικό μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπρόσθετα με τα πλεονεκτήματα αυτά, η καλπάζουσα βελτίωση της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καθιστούν τα φωτοβολταϊκά συστήματα την κύρια μέθοδο αύξησης της διεσπαρμένης παραγωγής στο επίπεδο της διανομής. Μειονεκτήματα των ηλιακών συστημάτων είναι κυρίως το μεγάλο κόστος εγκατάστασης και ο μικρός βαθμός απόδοσης που παρουσιάζουν. Γι αυτό το λόγο οικονομοτεχνικές μελέτες έχουν δείξει ότι μικρής κλίμακας εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών είναι πιο συμφέρουσες οικονομικά από τις μεγαλύτερες. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα παράγουν συνεχή τάση. Έτσι είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρονικών αντιστροφέων που μετατρέπουν αυτήν την τάση σε εναλλασσόμενη, ονομαστικής συχνότητας. Επειδή η τάση και το ρεύμα που παράγει κάθε φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι αρκετά μικρά, τα κύτταρα συνδυάζονται μεταξύ τους σε σειρά και παράλληλα ώστε να αυξηθεί το επίπεδο της τάσης και του ρεύματος εξόδου αντίστοιχα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι σειρές και οι συστοιχίες φωτοβολταικών κυττάρων. Μελετώντας το Σχ. 2.3 παρατηρούμε ότι για κάποιες τιμές τάσης και ρεύματος (θεωρώντας σταθερή ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία περιβάλλοντος) η ισχύς εξόδου των φωτοβολταικών συστημάτων γίνεται μέγιστη. Για αυτόν τον λόγο η πλειοψηφία των σύγχρονων ηλιακών συστημάτων είναι εξοπλισμένη με σύστημα ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking- MPPT). Αυτό το σύστημα μεγιστοποιεί την ισχύ εξόδου μεταβάλλοντας το σημείο λειτουργίας ανάλογα με την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Οι κυριότεροι τύποι φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι: Μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Απόδοση περίπου 15%. Πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Απόδοση περίπου 12%. Άμορφου πυριτίου. Απόδοση περίπου 6%, με πολύ μικρότερο κόστος. Υβριδικής τεχνολογίας. Απόδοση περίπου 17%. 10

25 Σχ Διαγράμματα ισχύος-τάσης και ρεύματος-τάσης φωτοβολταϊκών κυττάρων Κυψέλες καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν τη χημική ενέργεια κάποιου καυσίμου (συνήθως υδρογόνου) σε ηλεκτρική ενέργεια. Παράγουν ηλεκτρισμό απευθείας μέσω ηλεκτροχημικής οξείδωσης στα ηλεκτρόδια. Η απόδοσή τους είναι αρκετά υψηλή και μπορεί να φτάσει και το 80% όταν χρησιμοποιηθούν κατάλληλες τεχνικές ανάκτησης θερμότητας. Όσον αφορά το χρησιμοποιούμενο καύσιμο η αποθήκευση υδρογόνου είναι αρκετά επικίνδυνη και δαπανηρή. Για αυτόν το λόγο προτιμάται συνήθως η αναμόρφωση με ατμό υγρών υδρογονανθράκων (C n H m ) σε αναμορφωτές (reformer). Η διαδικασία αυτή είναι ένας δυναμικός τρόπος δημιουργίας καυσίμου πλούσιου σε υδρογόνο, το οποίο όμως περιέχει και μικρές ποσότητες μονοξειδίου του άνθρακα. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται το απαραίτητο για τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου υδρογόνο αποφεύγοντας την επικίνδυνη αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου υψηλής πίεσης. Οι κυψέλες καυσίμου παρουσιάζουν κυρίως τα εξής πλεονεκτήματα: Χαμηλότερες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (CO 2, NO x ), συγκρινόμενες με τη συμβατική παραγωγή. Απουσία κινούμενων μερών με αποτέλεσμα τη στιβαρή κατασκευή, το χαμηλό κόστος συντήρησης και την αθόρυβη λειτουργία. Ευελιξία στην επιλογή καυσίμου. Αντίθετα τα βασικά μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι κυψέλες καυσίμου είναι: 11

26 Οι υγροί υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή του υδρογόνου μπορεί να μην είναι επαρκώς διαθέσιμοι για τη συνεχή παραγωγή του. Μεγάλος χρόνος εκκίνησης. Απαιτείται η χρήση ακριβών υλικών κατασκευής, ανθεκτικών σε υψηλές θερμοκρασίες. Η λειτουργία τους απαιτεί τη χρήση ιδιαιτέρως ακριβών καταλυτών, οι ιδιότητες των οποίων μπορούν να αλλοιωθούν λόγω της παρουσίας των θειικών ενώσεων των καυσίμων. Το παραγόμενο μονοξείδιο του άνθρακα ενδέχεται να μειώσει την απόδοση της μεμβράνης της κυψέλης καυσίμου. Η θερμοδυναμική απόδοση της αντίδρασης εξαρτάται από την καθαρότητα του υδρογόνου. Οι κυριότεροι τύποι κυψελών καυσίμου είναι οι εξής: Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell- PEMFC). Λειτουργεί σε θερμοκρασία 80⁰ C και μπορεί να λειτουργήσει σε αυξημένη πίεση μέχρι 8 atm, με την οποία αυξάνεται η πυκνότητα ισχύος της κυψέλης καυσίμου. Η ηλεκτρική απόδοση αυτού του τύπου είναι περίπου 50%. Λόγω όμως της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας η θερμοκρασία της αποβαλλόμενης θερμότητας είναι πολύ χαμηλή για να αξιοποιηθεί από τον αναμορφωτή και έτσι η συνολική απόδοση του συστήματος περιορίζεται περίπου στο 42%. Η PEMFC κατασκευάζεται για ισχείς μικρότερες των 500 W. Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell- PAFC). Λειτουργεί σε θερμοκρασία περίπου 200⁰ C και πίεση μέχρι 8 atm. Ο ηλεκτρολύτης είναι 100% φωσφορικό οξύ. Η ηλεκτρική απόδοση αυτού του τύπου είναι περίπου 40%. Κυψέλη καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate Fuel Cell- MCFC). Λειτουργεί σε θερμοκρασία περίπου 650⁰ C και ο καταλύτης είναι υγρός, αποτελούμενος από λίθιο-κάλιο ή λίθιο-νάτριο. Η ηλεκτρική απόδοση αυτού του τύπου είναι περίπου 44%. Η θερμότητα που αποβάλλεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην επεξεργασία του καυσίμου σε μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού και σε βιομηχανικές χρήσεις. Κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell- SOFC). Λειτουργεί σε θερμοκρασία περίπου 1000⁰ C. Για ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται ένα στερεό κεραμικό ανόργανο οξείδιο, συνήθως ζιρκόνιο σταθεροποιημένο με ύττριο. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας παρέχει την κατάλληλη θερμότητα για αναμόρφωση του καυσίμου ή για τροφοδότηση στροβίλου για περαιτέρω παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όταν υπάρχει συνεργασία με αεριοστρόβιλο η ηλεκτρική απόδοση του συστήματος φτάνει το 70-75%. Η χρήση όμως κραμάτων ανθεκτικών σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες απαιτεί ειδικές τεχνικές παρασκευής τους και αυξάνει πολύ το κόστος. 12

27 2.2.4 Μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού Για την καλύτερη εκμετάλλευση και υψηλότερη ενεργειακή απόδοση του μικροδίκτυου χρησιμοποιούνται μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού. Σαν αποτέλεσμα αυτής της λογικής τα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής που είναι βασισμένα σε συστήματα συμπαραγωγής διευκολύνουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με υψηλή απόδοση, αξιοποιώντας την αποβαλλόμενη θερμότητα. Με αυτόν τον τρόπο τα οικονομικά οφέλη των συμμετεχόντων στο μικροδίκτυο αυξάνονται, καθιστώντας το πιο ελκυστικό στους καταναλωτές. Το βασικότερο πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι η υψηλή απόδοση στην παραγωγή ενέργειας, μέσω της αξιοποίησης της αποβαλλόμενης θερμότητας. Το μεγαλύτερο ποσοστό αυτής της θερμότητας χρησιμοποιείται για τοπική οικιακή θέρμανση και βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά σε περιπτώσεις μέσης θερμοκρασίας της αποβαλλόμενης θερμότητας υπάρχει δυνατότητα χρησιμοποίησης για ψύξη. Οι μονάδες αυτές πρέπει να είναι τοποθετημένες πιο κοντά στα θερμικά φορτία, καθώς η μεταφορά θερμότητας είναι πιο δύσκολη, ενεργοβόρα και κοστοβόρα διαδικασία απ ότι η αντίστοιχη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι υψηλής ενεργειακής απόδοσης και συνήθως ξεπερνούν το 80%. Στα μικροδίκτυα βρίσκουν καλύτερη εφαρμογή τα συστήματα μικροσυμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (micro-chp). Η κύρια διαφορά τους με τα μεγαλύτερης κλίμακας συστήματα συμπαραγωγής, πέραν του ποσού της παραγόμενης ενέργειας, είναι ότι παράγουν πρωτίστως θερμότητα και σαν υποπροϊόν παράγεται ηλεκτρισμός, ενώ στα CHP συμβαίνει το αντίθετο. Άρα η παραγωγή ενέργειας των micro-chp προγραμματίζεται κυρίως για την ικανοποίηση των θερμικών απαιτήσεων των καταναλωτών. Τα micro-chp είναι στιβαρής κατασκευής, υψηλής αξιοπιστίας και σχετικά μικρού κόστους συστήματα. Λειτουργούν με καύσιμα όπως φυσικό αέριο, βιοκαύσιμο, προπάνιο ή υγρό καύσιμο και έχουν σχετικά μικρό αντίκτυπο στο περιβάλλον. Η χρήση τέτοιων micro-chp συστημάτων δίνει στα μικροδίκτυα τα εξής πλεονεκτήματα: Η τοποθέτηση των micro-chp σε κοντινή απόσταση με τα θερμικά φορτία επιφέρει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη αξιοποίηση της παραγόμενης θερμότητας και σαν αποτέλεσμα βέλτιστη συνολική ενεργειακή απόδοση. Ευελιξία, λόγω μεγέθους αυτών των συστημάτων, για την καλύτερη τροφοδοσία αρκετών μικρών θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων. Οι βασικές τεχνολογίες παραγωγής μηχανικής ισχύος στις οποίες βασίζονται τα συστήματα micro-chp είναι οι εξής: Μηχανές εσωτερικής καύσης. Μετά την ανάφλεξη του καυσίμου παράγονται αέρια υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας τα οποία εκτονώνονται σε κινούμενα μέρη (πιστόνια, δρομείς κ.α.). Τα καύσιμα που 13

28 χρησιμοποιούνται είναι κυρίως το πετρέλαιο, η βενζίνη, το φυσικό αέριο και το προπάνιο. Μηχανές τύπου Stirling. Είναι κλειστού κύκλου, εξωτερικής καύσης θερμική μηχανή. Το αέριο λειτουργίας είναι μονίμως περιορισμένο μέσα στον κύλινδρο. Σε αυτού του τύπου τις μηχανές χρησιμοποιείται μια εξωτερική πηγή θερμότητας (ηλιακή, χημική κ.α.) και ένας εκπομπός θερμότητας. Η πηγή και ο εκπομπός έχουν σχεδόν σταθερή θερμοκρασία αλλά και μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Ως αέριο λειτουργίας χρησιμοποιείται αέρας, υδρογόνο ή ήλιο. Η λειτουργία της περιλαμβάνει τέσσερεις φάσεις: Ψύξη. Συστολή. Θέρμανση. Εκτόνωση, μέσω της κίνησης του αερίου λειτουργίας μεταξύ θερμού και ψυχρού εναλλάκτη. Για εφαρμογές σε συστήματα συμπαραγωγής η μηχανή Stirling εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στην κύρια θερμική πηγή και την εφαρμογή χρήσης της θερμότητας. Η μηχανή Stirling έχει μεγαλύτερη απόδοση από την ατμομηχανή, ενώ είναι πιο αθόρυβη και πιο αξιόπιστη συγκρινόμενη με τη μηχανή εσωτερικής καύσης. Έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει οποιαδήποτε πηγή θερμότητας και άρα και ΑΠΕ, ωστόσο είναι μεγάλου μεγέθους και υψηλού αρχικού κόστους. Μια τυπική μηχανή Stirling παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Τυπικό διάγραμμα μηχανής Stirling. Μικροστρόβιλοι (Microturbines). Πρόκειται για μικρούς απλού κύκλου αεριοστρόβιλους ισχύος μέχρι 300 kw. Για την αύξηση του βαθμού απόδοσης τους χρησιμοποιούνται τεχνικές ανάκτησης θερμότητας χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας και εξελιγμένα υλικά (συνήθως κεραμικά με αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες). Υπάρχουν μικροστρόβιλοι μονού και διπλού 14

29 άξονα με ηλεκτρική απόδοση 20-30% και 35-40% αντίστοιχα. Οι μικροστρόβιλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξυπηρέτηση των ηλεκτρικών φορτίων των καταναλωτών αλλά και για εφαρμογές συμπαραγωγής. Η πλειοψηφία των μικροστροβίλων χρησιμοποιεί σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη ή ασύγχρονες επαγωγικές γεννήτριες για την παραγωγή ισχύος. Σε διπλού άξονα μικροστροβίλους προτιμάται η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, καθώς έτσι αποφεύγεται η χρήση ηλεκτρονικού μετατροπέα, εφόσον η γεννήτρια συνδεθεί με το στρόβιλο μέσω κιβωτίου ταχυτήτων. Το κιβώτιο ταχυτήτων όμως μειώνει τη συνολική απόδοση του συστήματος. Σε εφαρμογές μονού άξονα ωστόσο η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη παρουσιάζει αρκετά προβλήματα (θερμικές πιέσεις, φαινόμενα απομαγνήτισης, απώλεια δρομέα κ.α.). Η χρήση ασύγχρονης γεννήτριας προϋποθέτει την ύπαρξη μετατροπέα ισχύος, ο οποίος προσθέτει κόστος, μειώνει το βαθμό απόδοσης λόγω απωλειών και εισάγει ανώτερες αρμονικές στο δίκτυο. Τα κύρια χαρακτηριστικά των μικροστροβίλων είναι τα εξής: Μικρότερο μέγεθος σε σύγκριση με τα υπόλοιπα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής. Μεγάλη ενεργειακή απόδοση της τάξης του 80% σε εφαρμογές συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού. Χαμηλές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Μεγάλη διάρκεια ζωής (πάνω από ώρες). Κόστος εξοπλισμού 650 $/kw και κόστος λειτουργίας συγκρίσιμο με αυτό των ΑΠΕ. Ευελιξία παραγωγής στο είδος του καυσίμου. Χαμηλά επίπεδα θορύβου και δονήσεων. Ένα τυπικό σύστημα μικροστροβίλου παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Τυπικό σύστημα μικροστροβίλου. 15

30 Κυψέλες καυσίμου. Η λειτουργία των κυψελών καυσίμου έχει αναλυθεί προηγουμένως. 2.3 Έλεγχος μικροδίκτυου Στα συμβατικά δίκτυα ο έλεγχος πραγματοποιείται αποκεντρωμένα και στηρίζεται στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που παρουσιάζει η στροβιλογεννήτρια. Ο έλεγχος αυτός ονομάζεται στατισμός (droop control) και περιλαμβάνει τον έλεγχο ενεργής ισχύοςσυχνότητας (P-f control) και άεργου ισχύος-τάσης (Q-V control). Έχοντας την τεχνογνωσία αυτών των ελέγχων γίνεται προσπάθεια τροποποίησης τους ώστε να ικανοποιούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του μικροδίκτυου. Για λόγους πληρότητας ακολουθεί μια σύντομη παρουσίαση των ελέγχων P-f και Q-V στα συμβατικά δίκτυα Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας Σε ένα ηλεκτρικό σύστημα με όλες τις γεννήτριες συγχρονισμένες και χωρίς αποθήκευση της ενέργειας θα πρέπει ο ρυθμός παραγωγής της ενέργειας να είναι ίσος με την κατανάλωση (φορτία και απώλειες στις γραμμές). Αν δεν υπάρχει ισορροπία, η διαφορά της ενέργειας προστίθεται ή αφαιρείται από την κινητική ενέργεια των στρεφόμενων δρομέων των γεννητριών. Λόγω της σχέσης που συνδέει την κινητική ενέργεια και την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας, κάθε διαταραχή στην ισορροπία της ισχύος συνεπάγεται μεταβολή της ταχύτητας και κατά συνέπεια της συχνότητας της τάσης που παράγει η γεννήτρια. Αν η παραγόμενη ισχύς είναι περισσότερη από αυτή που καταναλώνεται στα φορτία και στις γραμμές τότε η ταχύτητα περιστροφής και συνεπώς η συχνότητα θα αυξηθεί, αφού το πλεόνασμα θα μετατραπεί σε αύξηση της κινητικής ενέργειας της γεννήτριας. Αν η παραγόμενη ισχύς είναι μικρότερη από αυτή που καταναλώνεται στα φορτία και στις γραμμές τότε η ταχύτητα περιστροφής και συνεπώς η συχνότητα θα μειωθεί, αφού το έλλειμμα ισχύος θα καλυφθεί μέσω μείωσης της κινητικής ενέργειας της γεννήτριας. Όμως η συχνότητα λειτουργίας του συστήματος πρέπει να βρίσκεται μέσα σε πολύ στενά όρια για να υπάρχει ευστάθεια, που δεν ξεπερνούν το ±0.1% της ονομαστικής συχνότητας λειτουργίας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται ότι η παραγόμενη ισχύς θα πρέπει συνεχώς να ρυθμίζεται ώστε να είναι ίση με την καταναλισκόμενη, λαμβάνοντας υπόψη ότι το φορτίο μεταβάλλεται συνεχώς. Σε αυτό το σημείο επεμβαίνει ο έλεγχος P-f και επαναφέρει τη συχνότητα στην ονομαστική της τιμή. Σε περίπτωση μεταβολής του φορτίου ή της παραγωγής και άρα της συχνότητας f, o πρωτεύων έλεγχος συχνότητας (primary frequency control) επαναφέρει αρχικά τη συχνότητα κοντά στην ονομαστική τιμή. Με την επίδραση του στατισμού του ρυθμιστή στροφών κάθε γεννήτρια αναλαμβάνει τη μεταβολή του φορτίου που της αναλογεί, με βάση την ονομαστική δυνατότητα παραγωγής ισχύος που έχει και τη θέση της στο σύστημα. Ο δευτερεύων έλεγχος συχνότητας (secondary frequency control) αναλαμβάνει την ακριβή ρύθμιση της συχνότητας και με ολοκληρωτικό έλεγχο εξαλείφει τυχόν παραμένον σφάλμα του πρωτεύοντος ελέγχου, επαναφέροντας τη συχνότητα στην 16

31 ονομαστική της τιμή. Ο δευτερεύων έλεγχος είναι πιο αργός από τον πρωτεύοντα και λαμβάνει χώρα αφού έχει τελειώσει ο πρωτεύων. Σε περίπτωση διασυνδεδεμένων περιοχών ελέγχου ο δευτερεύων έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τη ροή της ενεργού ισχύος των διασυνδετικών γραμμών στις συμφωνημένες τιμές, έπειτα από κάθε αλλαγή του φορτίου ή της παραγωγής. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά τον πρωτεύοντα έλεγχο όταν υπάρχει μια μεταβολή στο φορτίο μιας περιοχής ελέγχου συμμετέχουν στην κάλυψή του και οι γειτονικές περιοχές. Με τον όρο περιοχή ελέγχου καλούμε κάθε τμήμα του συστήματος στο οποίο όλες οι γεννήτριες λειτουργούν με την ίδια συχνότητα f και υφίστανται τις ίδιες μεταβολές της συχνότητας Δf, δηλαδή ταλαντεύονται σαν ένα ενιαίο σώμα. Τέλος η οικονομική κατανομή του φορτίου μεταξύ των γεννητριών αποτελεί τον τριτεύοντα έλεγχο συχνότητας (tertiary frequency control). Η βελτιστοποίηση της κατανομής φορτίου ανάμεσα στις μονάδες παραγωγής πραγματοποιείται μέσω εντολών που παρέχονται από ένα κέντρο ελέγχου. Το κέντρο λαμβάνει δεδομένα από τις μονάδες ανά τακτά χρονικά διαστήματα και παίρνει τις κατάλληλες αποφάσεις. Αυτός ο βρόχος ελέγχου είναι πιο αργός από τους δύο που αναλύθηκαν προηγουμένως Έλεγχος άεργου ισχύος-τάσης Σε ένα ηλεκτρικό σύστημα εκτός από τον έλεγχο της συχνότητας είναι απαραίτητος και ο έλεγχος της τάσης για μια σειρά από λόγους. Οι πιο σημαντικοί είναι: Οι απώλειες των συστημάτων μειώνονται με την ελαχιστοποίηση της συνολικής ροής άεργου ισχύος. Ο σημερινός τρόπος ανάπτυξης των ΣΗΕ δημιουργεί προβλήματα ευστάθειας και ελέγχου της τάσης, των οποίων η αντιμετώπιση απαιτεί σύγχρονες μεθόδους ελέγχου της άεργου ισχύος. Ο έλεγχος της άεργου ισχύος είναι ένα βασικό εργαλείο για την εξασφάλιση της ποιότητας τροφοδοσίας. Η ανάπτυξη και η αυξανόμενη χρησιμοποίηση μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με συνεχές ρεύμα δημιούργησε απαιτήσεις ελέγχου της άεργου ισχύος στους μετατροπείς. Ο έλεγχος άεργου ισχύος συνδέεται με τις αρμονικές, που παράγονται από συγκεκριμένα φορτία, αλλά και τους ελεγχόμενους στατικούς αντισταθμιστές. Η φιλοσοφία σχεδιασμού του συστήματος ελέγχου της τάσης γεννητριών διαφέρει από αυτή του ελέγχου της συχνότητας για τους εξής λόγους: Η παραγωγή άεργου ισχύος δεν συνεπάγεται κόστος καυσίμου, όπως στην περίπτωση της παραγωγής πραγματικής ισχύος. Δεν υπάρχει πρακτικός λόγος να ελέγχουμε το μέτρο της τάσης με την ίδια ακρίβεια, όπως τη συχνότητα. Επίσης, σφάλμα τάσης στην μόνιμη κατάσταση είναι αποδεκτό. Συνεπώς εξαλείφεται η ανάγκη για ολοκληρωτικό έλεγχο. Κατά τη διάρκεια της ημέρας έχουμε υπερφόρτιση του συστήματος και ανάγκη για παραγωγή άεργου ισχύος, ενώ κατά τη διάρκεια της νύκτας, λόγω υποφόρτισης του δικτύου, έχουμε πρόβλημα κατανάλωσης της άεργου ισχύος, που παράγεται από τις γραμμές. 17

32 Κάθε συσκευή που συνδέεται σε ένα σύστημα είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί υπό κάποια συγκεκριμένη ονομαστική τάση και τυχόν απόκλιση από αυτήν την τιμή έχει ως συνέπεια τη μείωση της απόδοσης και του χρόνου ζωής της. Συνεπώς, ο έλεγχος της τάσης είναι σοβαρό πρόβλημα για κάθε ΣΗΕ, αλλά δεν υπάρχει ανάγκη για μεγάλη ακρίβεια στη ρύθμιση και ένα μικρό μόνιμο σφάλμα είναι ανεκτό. Επίσης, η εξάρτηση των φορτίων από την τάση είναι μεγαλύτερη της εξάρτησή τους από τη συχνότητα, όμως αποκλίσεις της τάσης από την ονομαστική τιμή σε διάφορες θέσεις του δικτύου δεν είναι τόσο κρίσιμες όσο οι αποκλίσεις της συχνότητας στη λειτουργία όλου του συστήματος. Τα ΣΗΕ σχηματίζονται κυρίως από επαγωγικές και χωρητικές αντιδράσεις, οι οποίες ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν κάθε στιγμή εναλλάσσονται στον πρωτεύοντα ρόλο δημιουργώντας επαγωγικό ή χωρητικό συντελεστή ισχύος. Έτσι η τάση κάθε ζυγού εξαρτάται άμεσα από την έγχυση άεργου ισχύος στον ζυγό αυτό. Συνεπώς, ο έλεγχος της τάσης κάθε ζυγού επιτυγχάνεται με παραγωγή ή απορρόφηση άεργου ισχύος σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου χρησιμοποιώντας τις διεγέρσεις των σύγχρονων μηχανών, πυκνωτές ή πηνία, ηλεκτρονικούς αντισταθμιστές άεργου ισχύος και μετασχηματιστές με δυνατότητα αλλαγής τάσης. Μεταξύ των ελέγχων P-f και Q-V υπάρχει αμοιβαία εξάρτηση, η οποία είναι παρούσα σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο σύστημα. Οι λόγοι για τους οποίους παρατηρείται σημαντική σύζευξη των δύο βρόχων ελέγχου κατά τη διάρκεια μεγάλων μεταβολών είναι οι εξής: Καθώς μεταβάλλεται το μέτρο της τάσης του ζυγού, μεταβάλλεται και το πραγματικό φορτίο του ζυγού, λόγω της εξάρτησής του από την τάση. Καθώς μεταβάλλεται το μέτρο της τάσης του ζυγού, μεταβάλλονται και οι συντελεστές χρονισμού των γραμμών που συνδέονται στο ζυγό και ως συνέπεια μεταβάλλεται η πραγματική ισχύς που μεταφέρουν. Αντίθετα μικρή μεταβολή της τάσης σε κάποιο σημείο του δικτύου προκαλεί μικρή μεταβολή της παραγόμενης ισχύος και έτσι η μεταβολή της συχνότητας επιδρά ελάχιστα στην άεργο ισχύ. Η αλληλεξάρτηση των δύο βρόχων ελέγχου παραμένει σε χαμηλά επίπεδα για τους εξής λόγους: Οι διαφορές των φασικών γωνιών μεταξύ των ζυγών διατηρούνται σε χαμηλές τιμές, οπότε η επίδραση της φασικής γωνίας στην άεργο ισχύ παραμένει μικρή. Η αυτόματη ρύθμιση τάσης είναι αρκετά ταχύτερη από την αυτόματη ρύθμιση των στροφών της μηχανής, λόγω των μηχανικών σταθερών αδράνειας που παρουσιάζει ο βρόχος P-f. Έτσι υποθέτουμε ότι η μεταβατική περίοδος του βρόχου Q-V έχει ήδη περάσει πριν αρχίσει την δράση του ο βρόχος P-f Έλεγχος τάσης και συχνότητας σε μικροδίκτυα Ο έλεγχος του μικροδίκτυου συνήθως χωρίζεται στον έλεγχο της διασυνδεδεμένης λειτουργίας με το δίκτυο και στον έλεγχο κατά την αυτόνομη λειτουργία. Επίσης πρέπει να υπάρχει έλεγχος για το πότε το μικροδίκτυο θα βρίσκεται στη μία ή στην άλλη κατάσταση λειτουργίας. Ο έλεγχος πραγματοποιείται και στις δύο περιπτώσεις 18

33 μέσω του ελέγχου της διακοπτικής λειτουργίας των αντιστροφέων των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής του μικροδίκτυου Έλεγχος μικροδίκτυου σε διασυνδεδεμένη λειτουργία Αυτή η περίπτωση είναι η απλούστερη. Η τάση στο σημείο κοινή σύνδεσης και η συχνότητα λειτουργίας επιβάλλεται από το κυρίως δίκτυο. Ο ρόλος του μικροδίκτυου περιορίζεται κύρια στα εξής: Καθορισμός του ποσού της ενεργού και της άεργου ισχύος που παράγεται από την κάθε μονάδα του μικροδίκτυου. Εξυπηρέτηση των τοπικών φορτίων του μικροδίκτυου. Καθορισμός και έλεγχος της ροής ενεργού και άεργου ισχύος από και προς το κυρίως δίκτυο. Η παραγόμενη άεργος ισχύς από κάθε μονάδα του μικροδίκτυου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διόρθωση του συντελεστή ισχύος και για έλεγχο της τάσης στον αντίστοιχο ζυγό που είναι συνδεδεμένη. Προκειμένου να αποφευχθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ του ελέγχου της τάσης του κυρίως δικτύου στο σημείο κοινής σύνδεσης, οι μονάδες παραγωγής που βρίσκονται κοντά στο PCC δεν συνίσταται να συμμετέχουν ενεργά σε σχήματα ελέγχου τάσης Έλεγχος μικροδίκτυου σε απομονωμένη λειτουργία Η ευσταθής λειτουργία του μικροδίκτυου απαιτεί όπως και στα συμβατικά δίκτυα τον επαρκή έλεγχο των ροών ενεργού και άεργου ισχύος σε αυτό. Επίσης είναι απαραίτητος ο σωστός καταμερισμός του φορτίου μεταξύ των μονάδων παραγωγής του μικροδίκτυου. Έτσι γίνεται προσπάθεια ενσωμάτωσης της λογική τους ελέγχου των συμβατικών δικτύων στα μικροδίκτυα. Στην απομονωμένη λειτουργία το μικροδίκτυο λειτουργεί σαν μια ανεξάρτητη οντότητα και πρέπει να παρέχει έλεγχο συχνότητας και τάσης, καθώς και ισορροπία στη ροή ενεργού και άεργου ισχύος. Για παράδειγμα αν η παραγωγή των μονάδων του μικροδίκτυου είναι περισσότερη από την ισχύ του συνολικού φορτίου, τότε ο κεντρικός ελεγκτής του μικροδίκτυου θα πρέπει να ορίσει νέα σημεία παραγωγής για την κάθε μονάδα, ώστε να επέλθει ισορροπία. Από την άλλη μεριά αν η παραγωγή είναι μικρότερη από το συνολικό φορτίο, είτε θα πρέπει να ενεργοποιηθούν οι μονάδες αποθήκευσης του μικροδίκτυου, αν αυτές υπάρχουν, είτε θα πρέπει ο κεντρικός ελεγκτής να προχωρήσει σε απόρριψη των λιγότερο κρίσιμων φορτίων. Στα συμβατικά ΣΗΕ οι έλεγχοι P-f και Q-V γίνονται συνήθως μέσω του ελέγχου των μεγάλων σύγχρονων γεννητριών. Στα μικροδίκτυα, στα οποία δεν υπάρχουν τέτοιες γεννήτριες ο έλεγχος αυτός πρέπει να γίνει μέσω του ελέγχου των αντιστροφέων πηγής τάσης που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των μονάδων παραγωγής στο δίκτυο. Στη σύγχρονη μηχανή η συχνότητα λειτουργίας είναι συνδεδεμένη με την ισορροπία μεταξύ παραγόμενης και απορροφώμενης ισχύος μέσω της εξίσωσης ταλάντωσης του δρομέα της μηχανής. Ο βασικός παράγοντας ευστάθειας του συστήματος ισχύος με σύγχρονες μηχανές είναι η ροπή συγχρονισμού και κατά συνέπεια η ισχύς συγχρονισμού που αναπτύσσεται με κάθε μετατόπιση της γωνίας ισχύος από το 19

34 σημείο ισορροπίας λόγω αυτής της μετατόπισης. Όταν η σύγχρονη μηχανή συνδεθεί σε άπειρο ζυγό, η μεταβολή της ισχύος ανά μονάδα της γωνίας μετατόπισης δ, δηλαδή ο συντελεστής ισχύος συγχρονισμού δίνεται από τη σχέση: P = V a V b δ X όπου: cos δ 0 (2.3) V a : η εσωτερική τάση της μηχανής. V b : η τάση του άπειρου ζυγού. δ 0 : η αρχική γωνία. Η φυσική ιδιοσυχνότητα του συστήματος, δηλαδή η συχνότητα της μη αποσβεννύμενης ταλάντωσης θα είναι: P f ιδιοσ = πf s δ H (2.4) όπου: f s : η ονομαστική συχνότητα. H: η σταθερά αδράνειας της μηχανής. Όμως στους αντιστροφείς δεν υπάρχει η σύζευξη μεταξύ της ενεργού ισχύος στην έξοδο και της συχνότητας της τάσης που παράγουν, καθώς στην έξοδο του αντιστροφέα παράγεται μια τάση συγκεκριμένης συχνότητας και μέτρου. Οποιαδήποτε μεταβολή της φόρτισης ενεργού ισχύος αφήνει τη συχνότητα ανεπηρέαστη. Σε αυτήν την περίπτωση η ενεργός ισχύς στην έξοδο εξαρτάται από τη συνεχή τάση στην είσοδο του αντιστροφέα. Θεωρώντας μηδενικές απώλειες στους διακόπτες του αντιστροφέα η ενεργός ισχύς εξόδου θα πρέπει να ισούται με την ενεργό ισχύ στην είσοδο. Αυτή η ισχύς είναι η ισχύς που παράγεται από την πηγή μείον την ισχύ φόρτισης του πυκνωτή. Για να ικανοποιηθεί τυχόν αύξηση του φορτίου στην έξοδο του αντιστροφέα θα αυξηθεί η τιμή της τάσης στην πλευρά συνεχούς τάσης. Στιγμιαία η αύξηση αυτή θα καλυφθεί από την εκφόρτιση του πυκνωτή, ο οποίος αποτελεί το αντίστοιχο της στρεφόμενης μάζας της σύγχρονης μηχανής. Η συνεχής τάση μειώνεται προκαλώντας αύξηση της ροής ισχύος από την πηγή και έτσι η τάση του πυκνωτή αποκαθίσταται στα αρχικά επίπεδα. Για τον έλεγχο της τάσης στο απαιτούμενο επίπεδο για οποιοδήποτε ρεύμα φορτίου και συντελεστή ισχύος αρκεί να ελέγχεται η τερματική τάση του αντιστροφέα ώστε να παραμένει σε κάποια προκαθορισμένη τιμή. Αυτό επιτυγχάνεται με ρύθμιση του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m a του αντιστροφέα. Προκειμένου να επιτευχθεί ευσταθής λειτουργία σε απομονωμένο μικροδίκτυο θα πρέπει ο έλεγχος που επιβάλλεται στους αντιστροφείς να υποκαταστήσει τη σύζευξη ενεργού ισχύος-συχνότητας. Κατά τον ίδιο τρόπο θα πρέπει να διασφαλιστεί η σχέση 20

35 μεταξύ της άεργου ισχύος εξόδου και της εσωτερικής τάσης του αντιστροφέα. Οι αντιστροφείς θα πρέπει να ελέγχονται ώστε η συχνότητα και το μέτρο της κυματομορφής της παραγόμενης τάσης να ρυθμίζονται από χαρακτηριστικές ενεργού ισχύος-συχνότητας και άεργου ισχύος τάσης, κατά αντιστοιχία με τον έλεγχο των σύγχρονων μηχανών στα συμβατικά συστήματα. Ο έλεγχος της συχνότητας έχει είσοδο τη μετρούμενη ενεργό ισχύ και έξοδο, βάσει της κλίσης του στατισμού P-f, τη συχνότητα της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα η έξοδος του ελέγχου P-f θα είναι το ολοκλήρωμα της συχνότητας, δηλαδή η φασική γωνία, η οποία χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του σήματος διαμόρφωσης στην τεχνική PWM. Ομοίως ο έλεγχος της τάσης έχει σαν είσοδο τη μετρούμενη άεργο ισχύ και σαν έξοδο το πλάτος του σήματος διαμόρφωσης της τεχνικής PWM και άρα το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Η ενεργός και η άεργος ισχείς υπολογίζονται από τη μέτρηση των στιγμιαίων τιμών της τάσης και του ρεύματος στη έξοδο του αντιστροφέα. Οι γραφικές παραστάσεις P-f και Q-V ελέγχου των αντιστροφέων παρουσιάζονται στο Σχ Σχ Γραφικές παραστάσεις στατισμού P-f καιq-v Οι εξισώσεις που περιγράφουν τις χαρακτηριστικές P-f και Q-V είναι οι εξής: f = f ref + k p (P ref P) (2.5) V = V ref + k q (Q ref Q) (2.6) όπου: k p = Δf ΔP και k q = ΔV ΔQ (2.7) (2.8) είναι οι συντελεστές στατισμού, δηλαδή οι αναλογίες με θετικές τιμές της μεταβολής συχνότητας Δf και τάσης ΔV σε μεταβολές της ενεργού και της άεργου ισχύος ΔP και ΔQ αντίστοιχα. Οι μεταβολές εκφράζονται είτε σε ανά μονάδα είτε σε απόλυτες τιμές. Ο άξονας θετικών τιμών ενεργού και άεργου ισχύος αντιστοιχεί σε παραγωγή ισχύος, η οποία συνοδεύεται από μείωση της συχνότητας και της τάσης αντίστοιχα. Αντίθετα 21

36 ο άξονας αρνητικών τιμών ενεργού και άεργου ισχύος αντιστοιχεί σε απορρόφηση ισχύος, η οποία συνοδεύεται από αύξηση της συχνότητας και της τάσης αντίστοιχα. Ομοίως με τα συμβατικά συστήματα υπάρχουν τρία επίπεδα ελέγχου για απομονωμένα μικροδίκτυα: ο πρωτεύων, ο δευτερεύων και ο τριτεύων έλεγχος. Αυτοί οι βρόχοι ελέγχου διαφέρουν κυρίως: Στην ταχύτητα απόκρισης και στο χρονικό πλαίσιο που λειτουργούν. Στις απαιτήσεις που έχουν όσον αφορά την υποδομή (π.χ. ανάγκη για επικοινωνία). Πρωτεύων έλεγχος Αποτελεί ιεραρχικά τον πρώτο βρόχο ελέγχου και έχει την ταχύτερη αντίδραση. Αντιδρά στη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος και διασφαλίζει ότι οι μεταβλητές του συστήματος (τάση και συχνότητα), ακολουθούν τις προκαθορισμένες τιμές τους. Σε αυτόν το βρόχο ελέγχου εφαρμόζονται σε τοπικό επίπεδο κυρίως συμβατικές τεχνικές γραμμικού ελέγχου που βασίζονται σε τοπικά μετρούμενα σήματα. Λόγω της ταχύτητας εφαρμογής του η σωστή ανίχνευση της νησιδοποίησης (islanding detection) και κατά συνέπεια η αλλαγή της λειτουργία των ελεγκτών των αντιστροφέων υπόκειται στο συγκεκριμένο βρόχο ελέγχου. Δευτερεύων έλεγχος Αυτός ο βρόχος ελέγχου αποτελεί το επόμενο επίπεδο ελέγχου. Είναι υπεύθυνος για τη διασφάλιση της ποιότητας ισχύος και για την αποφυγή μακροχρόνιων διακυμάνσεων των τιμών της τάσης και της συχνότητας του συστήματος, θέτοντας τις τιμές λειτουργίας (set points) για τον πρωτεύοντα έλεγχο. Ο δευτερεύων έλεγχος λειτουργεί σε πιο αργό χρονικό πλαίσιο από τον πρωτεύοντα, έτσι ώστε ο πρωτεύων έλεγχος να έχει φτάσει στη μόνιμη κατάσταση προτού ο δευτερεύων ανανεώσει τα επιθυμητά σημεία λειτουργίας του συστήματος. Το γεγονός αυτό βοηθά στην απόζευξη των δύο βρόχων ελέγχου και στη μείωση του απαιτούμενου επικοινωνιακού εύρους ζώνης, αφού ο δευτερεύων έλεγχος χρησιμοποιεί δειγματολειπτούμενες μετρήσεις των μεταβλητών του μικροδίκτυου. Τριτεύων έλεγχος Αυτός ο βρόχος ελέγχου αποτελεί το υψηλότερο επίπεδο ελέγχου. Θέτει τα σημεία λειτουργία μόνιμης κατάστασης του μικροδίκτυου (steady-state set points), ικανοποιώντας τις απαιτήσεις για βέλτιστη ροή ισχύος. Βασίζεται στις πληροφορίες που λαμβάνει για την κατάσταση των μονάδων παραγωγής του μικροδικτύου, στα σήματα που λαμβάνει από την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας και σε άλλες απαιτήσεις του συστήματος. 22

37 2.4 Μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος Το γεγονός ότι η πλειοψηφία των ΑΠΕ παράγει συνεχή τάση και ότι τα περισσότερα ηλεκτρικά φορτία λειτουργούν υπό συνεχή τάση έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη έντονου ενδιαφέροντος γύρω από την έννοια του μικροδίκτυου συνεχούς τάσης (DC microgrid). Την ενίσχυση αυτού του ενδιαφέροντος προκαλεί το γεγονός ότι τα μικροδίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος υποφέρουν από τις απώλειες που προκύπτουν από τις μετατροπές της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενης και το αντίστροφο. Τα DC μικροδίκτυα βρίσκουν κυρίως εφαρμογή στα πλαίσια ενός κτιρίου ή σε κάποιο κομμάτι ενός κτιρίου και μπορούν να λειτουργήσουν αυτόνομα, σε συνεργασία με ένα AC μικροδίκτυο ή σε συνεργασία με το κυρίως δίκτυο. Μπορούν επίσης να λειτουργήσουν και έξω από το πλαίσιο ενός κτιρίου, όπως και τα AC μικροδίκτυα. Η βασική ιδέα είναι ότι τα φορτία συνεχούς τάσης τροφοδοτούνται απευθείας από ένα ζυγό συνεχούς τάσης όπου βρίσκονται συνδεδεμένες οι πηγές (κυρίως ΑΠΕ) που παράγουν συνεχή τάση, ενώ τα φορτία εναλλασσόμενης τάσης είναι αντίστοιχα συνδεδεμένα σε ένα ζυγό εναλλασσόμενης τάσης που μπορεί να είναι και το συμβατικό δίκτυο διανομής. Ένα τυπικό τέτοιο δίκτυο παρουσιάζεται στο Σχ. 2.7, ενώ ένα αυτόνομο DC μικροδίκτυο παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Μικροδίκτυο που συνδυάζει χαρακτηριστικά DCκαι AC μικροδίκτυων. 23

38 Σχ Τυπικό DC μικροδίκτυο Σύγκριση μικροδίκτυων συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος Τα μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα συγκρινόμενα με τα αντίστοιχα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα κυριότερα είναι τα εξής: Δεν υπάρχει η ανάγκη συγχρονισμού στο δίκτυο διανομής και η ανάγκη διαχείρισης άεργου ισχύος. Τα δύο προαναφερθέντα στοιχεία αποτελούν δύσκολες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίζουν τα AC μικροδίκτυα. Όταν προκύπτει κάποιο σφάλμα (blackout ή βύθιση τάσης) στο δίκτυο διανομής δεν επηρεάζεται άμεσα το ζυγό συνεχούς τάσης του μικροδίκτυου συνεχούς ρεύματος. Έτσι οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής που είναι συνδεδεμένες στο μικροδίκτυο δεν οδηγούνται εύκολα σε βλάβη. Άρα το DC μικροδίκτυο έχει ήδη τη δυνατότητα να λειτουργεί και κατά τη διάρκεια σφάλματος στο κυρίως δίκτυο (fault-ride-through capability). Δεν υπάρχει η ανάγκη για ρύθμιση συχνότητας και φάσης. Ο αριθμός των ηλεκτρονικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται στους DC ζυγούς είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο για τους AC ζυγούς, με αποτέλεσμα λιγότερη παραμόρφωση λόγω ανώτερων αρμονικών. Λιγότερες απώλειες μέχρι και κατά 15% συγκριτικά με αντίστοιχα μικροδίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος. Δυνατότητα περισσότερης μεταφοράς ισχύος συγκριτικά με αντίστοιχα μικροδίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος. Χρησιμοποίηση καλωδίων συνεχούς ρεύματος που μειώνουν το κόστος επένδυσης. Η τάση επηρεάζεται μόνο από την ενεργό ισχύ και άρα είναι πιο εύκολα ελέγξιμη. 24

39 Μικρότεροι ηλεκτρικοί κίνδυνοι. Από την άλλη μεριά τα μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος παρουσιάζουν επίσης μειονεκτήματα συγκρινόμενα με τα αντίστοιχα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα κυριότερα είναι τα εξής: Είναι αναγκαία η κατασκευή αποκλειστικά γραμμών συνεχούς ρεύματος στο επίπεδο της διανομής, αυξάνοντας το κόστος και την πολυπλοκότητα του συστήματος. Η προστασία των συστημάτων συνεχούς ρεύματος είναι δυσκολότερη από την προστασία συστημάτων εναλλασσόμενου ρεύματος, καθώς δεν υπάρχει σημείο μηδενισμού της τάσης ή του ρεύματος (zero cross point). Τα φορτία συνεχούς ρεύματος απαιτούν καλύτερη απόδοση και αξιοπιστία του συστήματος. 2.5 Οικονομία μικροδίκτυου Οι σύγχρονες τεχνολογίες ελέγχου και εποπτείας των μικροδίκτυων δίνουν τη δυνατότητα χειρισμού τους όπως τα συμβατικά ΣΗΕ και άρα συμμετοχής στην απελευθερωμένη αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. Παρόλα αυτά η αποδοχή του μικροδίκτυου από την αγορά ηλεκτρική ενέργειας αλλά και η οικονομική βιωσιμότητά του συνδέονται με την επίλυση μιας σειράς οικονομικών ζητημάτων του μικροδίκτυου. Η υπάρχουσα οικονομική πολιτική, όσον αφορά τα τέλη εφεδρείας, τις μετρητικές διατάξεις και τα ρυθμιστικά ζητήματα, που αφορούν τη δυνατότητα των μικρών γεννητριών να εξυπηρετούν γειτονικούς καταναλωτές ενθαρρύνει τη χρησιμοποίηση των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. Αυτή η οικονομική πολιτική όμως δεν είναι ακόμη επαρκής για την καθιέρωση του μικροδίκτυου ως οικονομικά βιώσιμο οργανισμό παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Για να συμβεί αυτό χρειάζεται να αξιολογηθούν και να διευθετηθούν ρυθμιστικά και οικονομικά ζητήματα σχετικά με το μικροδίκτυο. Επίσης θα πρέπει το μικροδίκτυο να συμμετέχει και στην αγορά για την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών στο κυρίως δίκτυο, ώστε να έχει μια επιπλέον πηγή εσόδων Βασικά χαρακτηριστικά οικονομίας μικροδίκτυου Τα βασικότερα χαρακτηριστικά της οικονομίας του μικροδίκτυου είναι τα εξής: Βέλτιστη τεχνολογική επένδυση. Οι οικονομικές αρχές της βέλτιστης επένδυσης με την καλύτερη τεχνολογία πρέπει να εφαρμοστούν και στη λειτουργία του μικροδίκτυου. Υπάρχει η δυνατότητα να γίνει αξιοποίηση της γνώσης και της εμπειρίας που έχει συσσωρευτεί από την εφαρμογή παρόμοιων τέτοιων μεθόδων στο επίπεδο της μεταφοράς. Αξιοποίηση των μοναδικών χαρακτηριστικών του μικροδίκτυου. Το μικροδίκτυο παρουσιάζει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που δεν υπάρχουν στα συμβατικά δίκτυα και τα οποία θα πρέπει να αξιοποιηθούν για τη βελτίωση της οικονομίας του. Για παράδειγμα το μικροδίκτυο έχει τη δυνατότητα παροχής διαφορετικών επιπέδων αξιοπιστίας στους καταναλωτές, ανάλογα με τις ανάγκες τους, με αντίστοιχη τιμολόγηση. 25

40 Επίσης, οι περιορισμοί λειτουργίας που ικανοποιούνται κατά την οικονομική λειτουργία του συμβατικού συστήματος διαφέρουν από αυτούς του μικροδίκτυου. Σχέση μικροδίκτυου-συστήματος διανομής. Η οικονομία του μικροδίκτυου καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σχέση και την αλληλεπίδραση που έχει με το σύστημα διανομής με το οποίο είναι συνδεδεμένο. Το μικροδίκτυο χρειάζεται την τιμή της ενέργειας σε πραγματικό χρόνο, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη αλληλεπίδραση μεταξύ των καταναλωτών και των εταιρειών. Επιπρόσθετα η συμμετοχή του μικροδίκτυου στην αγορά βοηθητικών υπηρεσιών του κυρίως συστήματος μπορεί να βελτιώσει σε μεγάλο βαθμό την οικονομία του. Οι βοηθητικές υπηρεσίες που μπορεί να προσφέρει το μικροδίκτυο αφορούν την υποστήριξη τάσης, τον περιορισμό των απωλειών κ.α Σύγκριση οικονομίας μικροδίκτυου-συμβατικών συστημάτων Τα μικροδίκτυα παρουσιάζουν αρκετές ομοιότητες αλλά και αρκετές διαφορές με τα συμβατικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά την οικονομία τους. Οι κύριες οικονομικές ομοιότητες μεταξύ αυτών των δύο τύπων συστημάτων είναι οι εξής: Ίδιοι κανόνες οικονομικής λειτουργίας. Αγορά και πώληση ηλεκτρικής ενέργειας σε διαφορετικούς χρόνους. Βέλτιστος συνδυασμός διαφορετικών τεχνολογικά πηγών για καλύτερη λειτουργία στους διάφορους κύκλους λειτουργίας του συστήματος. Χρησιμοποίηση τεχνολογιών υψηλού κόστους εγκατάστασης και χαμηλού κόστους παραγωγής για την εξυπηρέτηση των φορτίων βάσης. Χρησιμοποίηση τεχνολογιών χαμηλού κόστους εγκατάστασης και υψηλού κόστους παραγωγής για την εξυπηρέτηση των φορτίων αιχμής. Όμως τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν μεταξύ τους και μερικές οικονομικές διαφορές, οι βασικότερες εκ των οποίων είναι οι εξής: Αξιοποίηση των μονάδων συνδυασμένης παραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού στα μικροδίκτυα. Οι μονάδες αυτές χρησιμοποιούνται σε κάποια συμβατικά συστήματα, αλλά η εφαρμογή τους δεν είναι τόσο ανεπτυγμένη και ευρεία. Η αξιοποίησή τους από τα μικροδίκτυα μπορεί να αποτελέσει πηγή εσόδων για αυτά, αλλά και μέθοδο εξοικονόμησης ενέργειας για τους καταναλωτές. Αυτό γιατί η ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και ψύξης έχει σημαντικά μικρότερο κόστος για τον καταναλωτή συγκριτικά με την αγορά τους από διαφορετικές πηγές. Συνδυασμένη βελτιστοποίηση φορτίου και παραγωγής στα μικροδίκτυα. Είναι ευκολότερη στο μικροδίκτυο επειδή ο παραγωγός είναι ταυτόχρονα και καταναλωτής άρα οι αποφάσεις που παίρνει τείνουν να προσπαθούν να βελτιστοποιήσουν και τους δύο τομείς. Συνεπώς, το σημαντικότερο κριτήριο για τη βελτιστοποίηση της οικονομίας του 26

41 μικροδίκτυου είναι το οριακό κόστος της παραγωγής, δηλαδή το κόστος για την παραγωγή μιας επιπλέον μονάδας του αγαθού. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των μικροδίκτυων. Όπως προαναφέρθηκε τα μικροδίκτυα έχουν τη δυνατότητα παροχής πολλαπλών επιπέδων αξιοπιστίας στους καταναλωτές σε αντίθεση με τα συμβατικά συστήματα. Έτσι οι καταναλωτές που δε χρειάζονται υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας ηλεκτρική ενέργεια μπορούν να μειώσουν τα τιμολόγια τους προμηθευόμενοι φθηνότερη ενέργεια. Αντίθετα οι καταναλωτές που χρειάζονται υψηλότερης ποιότητας και αξιοπιστίας ενέργεια μπορούν να την προμηθευτούν, λαμβάνοντας ενέργεια με υψηλότερη τιμολόγηση, αποφεύγοντας όμως το κόστος εγκατάστασης ακριβών πρόσθετων μονάδων. Τέτοιοι καταναλωτές είναι μονάδες με κρίσιμα φορτία όπως νοσοκομεία, εργοστάσια κ.α.. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [2.1] Γ. Β. Γιαννακόπουλος, Ν. Α. Βοβός «Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», εκδ. ΖΗΤΗ, [2.2] Γ. Β. Γιαννακόπουλος, Ν. Α. Βοβός «Έλεγχος και Ευστάθεια Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας», εκδ. ΖΗΤΗ, [2.3] Ν. Α. Βοβός, «Εξελιγμένα δίκτυα συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας», διαλέξεις μεταπτυχιακού μαθήματος, Πανεπιστήμιο Πατρών, [2.4] Χ. Ν. Παπαδημητρίου, «Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για την ένταξη της σε μικροδίκτυα», Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, [2.5] I. D. Bouloumpasis, P. N. Vovos, K. G. Georgakas, N. A. Vovos, A method for power conditioner with harmonic reduction in microgrids, In Proceedings of the International Conference on Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ 14), Cordoba, [2.6] I.D. Bouloumpasis, P.N. Vovos, K.G. Georgakas, N.A. Vovos, Current Harmonics Compensation in Microgrids Exploiting the Power Electronics Interfaces of Renewable Energy Sources, International Journal Energies, Vol 8, Issue 4, pp ,doi: /en , [2.7] Ι. Δ. Μπουλούμπασης, Π. Ν. Βοβός, Κ. Γ. Γεωργάκας, Ν. Α. Βοβός, «Χρήση μετατροπέα για απαλοιφή αρμονικών και βελτίωση ποιότητας ισχύος σε μικροδίκτυο», Σύνοδος «Αθήνα 2015», [2.8] P. R. Foster, Innovative Rotary Displacer Stirling Engine: Sustainable Power Generation for Private and Fleet Vehicle Applications, Journal of Technology Studies, Vol. 37, No 2,

42 [2.9] F. Katiraei, M. R. Iravani, P. W. Lehn, Micro-Grid Autonomous Operation During and Subsequent Islanding Process, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 20 No 1, pp , [2.10] F. Katiraei, M. R. Iravani, Power Management for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units, IEEE Transaction in Power Systems, Vol. 21, No 4, pp , [2.11] J. A. Pecas Lopes, C. L. Moreira, A. G. Madureira, Defining Control Strategies for MicroGrids Islanded Operation, IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 21, No 2, pp , [2.12] A. Mehrizi-Sani, R. Iravani, Potential-Function Based Control of a Microgrid in Islanded and Grid-Connected Modes, IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 25, No 4, pp , [2.13] H. Kakigano, Y. Miura, T. Ise, Low-Voltage Bipolar-Type DC Microgrid for Super High Quality Distribution, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 25, No 12, pp , [2.14] M. A. Tavakkoli, A. Radan, H. Hassibi, Simulation and Analysis of a Compact Electronic Infrastructure for DC Micro-Grid: Necessity and Challenges, Smart Grid and Renewable Energy, Vol. 3, pp 73-82, [2.15] B. T. Patterson, DC, Come Home, IEEE Power & Energy Magazine, [2.16] P. Savage, R. R. nordhaus, S. P, Jamieson, DC Microgrids: Benefits and Barriers, Yale School of Forestry & Environmental Studies. 28

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ 3.1 Εισαγωγή Στις εφαρμογές μικροδίκτυων, γενικά ΑΠΕ και όχι μόνο, είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων, κυρίως αντιστροφέων ή μετατροπέων συνεχούς τάσης. Ο κύριος λόγος χρήσης αντιστροφέων είναι η σύνδεση των ΑΠΕ στο δίκτυο και ο έλεγχός τους. Οι περισσότερες μορφές ΑΠΕ παράγουν ενέργεια συνεχούς ρεύματος με αποτέλεσμα να μην είναι εφικτή η απευθείας σύνδεσή τους με το δίκτυο διανομής. Έτσι γίνεται αναγκαία η χρησιμοποίηση ενός αντιστροφέα που θα μετατρέψει τη συνεχή αυτή τάση σε εναλλασσόμενη, κατάλληλου πλάτους και συχνότητας για συγχρονισμό στο δίκτυο. Η διαμόρφωση της κατάλληλης κυματομορφής της τάσης πραγματοποιείται μέσω του ελέγχου των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα με διάφορες τεχνικές, με πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation- PWM) και την παραλλαγή αυτής την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation- SPWM). Στις περισσότερες εφαρμογές είναι αναγκαία η χρήση ενός επιπλέον μετατροπέα ο οποίος παρεμβάλλεται ανάμεσα στην ΑΠΕ και στον αντιστροφέα. Ο λόγος είναι ότι πολλές πηγές παράγουν τάση πολύ μικρού ή πολύ μεγάλου πλάτους με αποτέλεσμα ο αντιστροφέας να μην έχει τη δυνατότητα να επιτύχει το επιθυμητό επίπεδο πλάτους για συγχρονισμό με το δίκτυο. Οι μετατροπείς αυτοί ονομάζονται μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC/DC converters) ή απλούστερα DC τροφοδοτικά. Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστεί η λειτουργία των δύο προαναφερθεισών κατηγοριών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καθώς και μια ανάλυση των μεθόδων ελέγχου τους. 3.2 Αντιστροφείς Αυτή η κατηγορία ηλεκτρονικών μετατροπέων μετατρέπει μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Οι αντιστροφείς χρησιμοποιούνται σε μια σειρά από εφαρμογές οι κύριες εκ των οποίων είναι: Συστήματα ΑΠΕ. Συστήματα ελέγχου στροφών ή ροπής ηλεκτρικών κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος (Adjustable Speed AC Drives). Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος (Power Factor Correction systems- PFC). Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (Uninterruptible Power Supply-UPS). 29

44 Ευέλικτα συστήματα μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος (Flexible AC Transmission Systems- FACTS). Ενεργά φίλτρα ισχύος (Active Power Filters-APF). Η είσοδος του αντιστροφέα είναι μια πηγή σταθερής τάσης, συνηθέστερα ΑΠΕ (φωτοβολταϊκές συστοιχίες, κυψέλες καυσίμου), ή μπαταρίες. Σε ορισμένες περιπτώσεις η απαραίτητη για τη λειτουργία του αντιστροφέα συνεχής τάση παρέχεται μέσω ανόρθωσης της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου. Η ανόρθωση αυτή πραγματοποιείται είτε με ελεγχόμενες γέφυρες ημιαγωγικών στοιχείων είτε με μη ελεγχόμενες ανορθωτικές γέφυρες διόδων. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές, στα FACTS και στα ενεργά φίλτρα ισχύος. Ο έλεγχος του πλάτους και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου του αντιστροφέα καθορίζεται από την έναυση και τη σβέση των ημιαγωγικών στοιχείων που τον αποτελούν, οι οποίες ρυθμίζονται μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα η συχνότητα της κυματομορφής εξόδου ρυθμίζεται από τη διακοπτική συχνότητα των ημιαγωγικών στοιχείων, δηλαδή από το ρυθμό με τον οποίο αυτά βρίσκονται σε αγωγή ή σε αποκοπή. Διακοπτική συχνότητα f s ορίζεται ως ο αριθμός των εναύσεων και σβέσεων των ημιαγωγικών στοιχείων στη μονάδα του χρόνου. Αντίστοιχα το πλάτος της βασικής αρμονικής της κυματομορφής εξόδου καθορίζεται είτε με ρύθμιση του χρόνου έναυσης και σβέσης των ημιαγωγών είτε με ρύθμιση της τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Η ρύθμιση του χρόνου αγωγής του αντιστροφέα γίνεται μέσω του λόγου κατάτμησης D (Duty Cycle) του αντιστροφέα. Ο λόγος κατάτμησης ισούται με το χρόνο κατά τον οποίο το ημιαγωγικό στοιχείο άγει προς το συνολικό χρόνο μιας περιόδου. Δηλαδή: D = t on T s όπου: T s = 1 f s (3.1) (3.2) με f s τη διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα. Η διακοπτική λειτουργία των ημιαγωγών του μετατροπέα προκαλεί ανώτερες αρμονικές στην κυματομορφή εξόδου οι οποίες πρέπει να εξαλειφθούν για να μην υπάρχει υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος της κυματομορφής εξόδου. Ο πλέον διαδεδομένος τρόπος εξάλειψης των ανώτερων αρμονικών είναι η χρήση παθητικών φίλτρων που όμως αυξάνουν το κόστος, το βάρος και τον όγκο του μετατροπέα. Έτσι προτιμάται η χρήση ενεργών φίλτρων για την καταπολέμηση του προβλήματος, αλλά και άλλες μέθοδοι που δημιουργούν κυματομορφές εξόδου με όσο το δυνατόν καλύτερο αρμονικό περιεχόμενο και αρμονικές σε μεγάλες συχνότητες. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους αντιστροφείς μπορεί να είναι: Στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (π.χ. θυρίστορ) και ως εκ τούτου να είναι υποχρεωτική η χρήση ενός εξωτερικού κυκλώματος σβέσης. Στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση, όπως είναι διάφορα τρανζίστορ όπως BJT (Bipolar JunctionTransistor), MOSFET (Metal 30

45 Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), GTO θυρίστορ (Gate Turn-off Thyristor), IGBT (Insulated-gate BipolarTransistor), IGCT (Intergrated gatecommuted Thyristor) Κατηγορίες αντιστροφέων Οι αντιστροφείς παρέχουν τη δυνατότητα μετατροπής ενός σταθερού μεγέθους σε εναλλασσόμενο μεταβάλλοντας τόσο το πλάτος όσο και τη συχνότητα της προκύπτουσας κυματομορφής, είτε αυτή είναι τάση είτε ρεύμα. Με βάση το είδος της κυματομορφής εξόδου, οι αντιστροφείς χωρίζονται σε: Αντιστροφείς πηγής τάσης (Voltage Source Inverter-VSI). Τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς τάσης και η έξοδός τους είναι μια ανεξάρτητη κυματομορφή τάσης. Άρα λειτουργούν σαν μια πηγή τάσης. Έχουν τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές. Αντιστροφείς πηγής ρεύματος (Current Source Inverter-CSI). Τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς ρεύματος και η έξοδός τους είναι μια ανεξάρτητη κυματομορφή ρεύματος. Άρα λειτουργούν σαν μια πηγή ρεύματος. Ανεξάρτητα της προηγούμενης κατηγοριοποίησης οι αντιστροφείς χωρίζονται σε: Μονοφασικούς αντιστροφείς. Η κυματομορφή εξόδου τους έχει μια φάση και χρησιμοποιούνται για τροφοδοσία μονοφασικών φορτίων. Τριφασικούς αντιστροφείς. Η κυματομορφή εξόδου έχει τρεις φάσεις με διαφορά φάσης 120⁰ μεταξύ τους και χρησιμοποιούνται για τροφοδοσία τριφασικών φορτίων Αντιστροφείς πηγής τάσης Λόγω της ευρείας χρήσης των αντιστροφέων πηγής τάσης και της χρησιμοποίησης ενός στην παρούσα εργασία θα γίνει μια εκτενέστερη παρουσίαση της κατηγορίας αυτής. Οι αντιστροφείς πηγής τάσης κατηγοριοποιούνται στις εξής γενικές κατηγορίες ανάλογα με τη χρήση τους: Αντιστροφείς τετραγωνικής κυματομορφής. Για να ελεγχθεί το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου μεταβάλλεται το πλάτος της συνεχούς τάσης εισόδου. Με αυτό τον τρόπο η χρήση του αντιστροφέα περιορίζεται στον έλεγχο της συχνότητας της τάσης στην έξοδο. Η εναλλασσόμενη τάση που προκύπτει στη έξοδο έχει τετραγωνική κυματομορφή, οδηγώντας στην ονομασία της συγκεκριμένης ομάδας αντιστροφέων. Αντιστροφείς με διαμόρφωση του εύρους των παλμών (PWM). Η συνεχής τάση εισόδου έχει σταθερό πλάτος και έτσι ο αντιστροφέας έχει τη δυνατότητα να ελέγχει το πλάτος και τη συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου. Ο έλεγχος αυτός γίνεται μέσω της κατάλληλης παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από τη μέθοδο της διαμόρφωση του εύρους των παλμών, η οποία θα αναλυθεί λεπτομερώς στη συνέχεια. Κύριος στόχος των αντιστροφέων της συγκεκριμένης κατηγορίας είναι η βασική αρμονική της εναλλασσόμενης 31

46 τάσης εξόδου να είναι όσο το δυνατόν πιο ημιτονοειδής. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της μεθόδου PWM, με κύρια την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM). Μονοφασικοί αντιστροφείς με απαλοιφή τάσης. Η είσοδος είναι μια συνεχή τάση σταθερού πλάτους και στα διακοπτικά του στοιχεία δεν επιβάλλεται τεχνική διαμόρφωσης του εύρου των παλμών. Επειδή η εναλλασσόμενη τάση εξόδου είναι μονοφασική υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου τόσο της συχνότητας όσο και του πλάτους της με τη τεχνική της απαλοιφής της τάσης. Οι αντιστροφείς αυτοί δεν μπορούν να δημιουργήσουν τριφασική τάση εξόδου. Παρακάτω θα αναλυθούν οι τύποι αντιστροφέων πηγής τάσης με την πιο ευρεία χρήση. Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας Ο μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία. Παράλληλα σε αυτά τοποθετούνται αντιπαράλληλες δίοδοι οι οποίες πολώνονται ορθά όταν τα στοιχεία δεν άγουν και ανάστροφα όταν άγουν. Έτσι κάθε ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη φορά του ρεύματος κατά τη μία κατεύθυνση όταν άγει, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει να ρέει κατά την αντίστροφη κατεύθυνση όταν το στοιχείο δεν άγει. Ένα τυπικό παράδειγμα αντιστροφέα ημιγέφυρας παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας. Κατά τη λειτουργία του συγκεκριμένου τύπου αντιστροφέα πραγματοποιείται εναλλάξ έναυση και σβέση των ημιαγωγικών διακοπτών για την παραγωγή μιας εναλλασσόμενης κυματομορφής τάσης τετραγωνικής μορφής στους ακροδέκτες εξόδου. Η μέγιστη τιμή της τάσης που εφαρμόζεται πάνω στο φορτίο έχει μέγιστη τιμή V in και ελάχιστη τιμή V in. Η παρουσία των αντιπαράλληλων διόδων είναι 2 2 απαραίτητη όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Αυτό συμβαίνει γιατί οι δίοδοι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος και άρα της ενέργειας από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα. 32

47 Τα κύρια μειονεκτήματα των μονοφασικών αντιστροφέων ημιγέφυρας είναι τα εξής: Απαιτούνται δύο πυκνωτές για τη δημιουργία της μεσαίας λήψης. Το δυναμικό της μεσαίας λήψης δεν σταθεροποιείται. Το πλάτος της τάσης εξόδου έχει τη μισή τιμή από την τιμή της τάσης εισόδου. Δεν είναι εφικτό να δημιουργηθούν διαστήματα μηδενισμού της τάσης εξόδου για μη ωμικά φορτία. Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Αποτελείται από δύο κλάδους, καθένας εκ των οποίων είναι αντιστροφέας ημιγέφυρας. Η χρήση του προτιμάται σε σύγκριση με τον αντίστοιχο αντιστροφέα ημιγέφυρας καθώς έχει διπλάσια μέγιστη τάση εξόδου, ενώ οι εντάσεις των ρευμάτων που διαρρέουν τους ημιαγωγούς είναι οι μισές. Το γεγονός αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Ένα τυπικό παράδειγμα αντιστροφέα πλήρους γέφυρας παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Με τη χρήση αυτών των αντιστροφέων αποφεύγεται η μεσαία λήψη στη πλευρά συνεχούς τάσης, αλλά είναι αναγκαία περισσότερα διακοπτικά στοιχεία για τη λειτουργία του. Κατά τη λειτουργία του αντιστροφέα τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία αναβοσβήνουν ανά διαγώνια ζεύγη. Όταν δηλαδή οι διακόπτες S 1 και S 4 βρίσκονται σε αγωγή οι διακόπτες S 2 και S 3 βρίσκονται σε αποκοπή και αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο στην εναλλασσόμενη πλευρά εμφανίζεται μια τετραγωνική τάση με μέγιστη τιμή V dc και ελάχιστη τιμή V dc. Ομοίως με προηγουμένως οι αντιπαράλληλες δίοδοι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος και άρα της ενέργειας από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας 33

48 στην είσοδο του αντιστροφέα και είναι απαραίτητες όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Για τη σωστή λειτουργία των αντιστροφέων αυτών είναι απαραίτητη η καθυστέρηση της έναυσης του στοιχείου που τίθεται σε αγωγή σε σχέση με αυτό που τίθεται σε αποκοπή. Αυτό συμβαίνει γιατί αν τα στοιχεία του ίδιου κλάδου βρίσκονται ταυτόχρονα σε αγωγή δημιουργείται βραχυκύκλωμα στον αντιστροφέα με σημαντικό κίνδυνο βλάβης του. Για να αποφευχθεί το γεγονός αυτό δημιουργείται μια χρονική ζώνη κατά την οποία κανένα στοιχείο του αντιστροφέα δεν έχει παλμό και άρα δεν άγει (dead band). Αυτό το κύκλωμα που καθυστερεί τους παλμούς έναυσης μπορεί να υλοποιηθεί με αναλογικά και ψηφιακά στοιχεία ή με μικροεπεξεργαστές. Το αρμονικό περιεχόμενο της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου του αντιστροφέα περιέχει τη βασική αρμονική (στη θεμελιώδη συχνότητα) και ανώτερες αρμονικές σε περιττά πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. Το πλάτος της βασικής αρμονικής είναι: (V AB ) 1 = 4 π V dc (3.3) άρα η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής θα είναι: (V rms AB ) 1 = 4 V 2π dc (3.4) Αντίστοιχα το πλάτος των ανώτερων αρμονικών θα είναι: (V AB ) h = (4 π V dc) h (3.5) h = 3,5,7,9 Μονοφασικός αντιστροφέας με απαλοιφή τάσης Ο έλεγχος της τάσης εξόδου με τη μέθοδο της απαλοιφής είναι εφικτός μόνος στους μονοφασικούς αντιστροφείς πλήρους γέφυρας. Κατά τη μέθοδο αυτή οι διακόπτες στα δύο σκέλη του αντιστροφέα ελέγχονται ξεχωριστά και εισάγεται μια επικάλυψη χρονικής διάρκειας [π β], η οποία μπορεί να ελέγχεται. Η διάρκεια αγωγής κάθε ημιαγωγικού διακόπτη είναι 180⁰, ενώ κατά τη διάρκεια της επικάλυψης η τάση εξόδου μηδενίζεται καθώς άγουν ταυτόχρονα είτε οι δύο πάνω είτε οι δύο κάτω διακόπτες. Το πλάτος των αρμονικών για τη συγκεκριμένη περίπτωση δίνεται από τη σχέση: (V AB ) h = 4 V hπ dc sin ( hβ ) (3.6) 2 h = 1,3,5,7,9 34

49 Τριφασικός αντιστροφέας Ο τριφασικός αντιστροφέας δημιουργείται τοποθετώντας έναν επιπλέον κλάδο στο μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Έτσι αυτός ο αντιστροφέας αποτελείται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία. Κάθε διακόπτης άγει για 180⁰ με τη σειρά που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα που παρουσιάζει μια τυπική τοπολογία ενός τριφασικού αντιστροφέα (Σχ.3.3). Σχ Τριφασικός αντιστροφέας. Ο κάθε ακροδέκτης εξόδου συνδέεται εναλλάξ στο θετικό ή τον αρνητικό πόλο της πηγής σταθερής τάσης εισόδου και λόγω της καθυστέρησης 120⁰ μεταξύ των παλμών έναυσης κάθε κλάδου παράγεται τριφασική τάση στην έξοδο του αντιστροφέα. Σε αυτήν την τοπολογία είναι δυνατή η ρύθμιση μόνο της συχνότητας της βασικής αρμονική της τριφασικής τάσης εξόδου και όχι της ενεργού τιμής της. Όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο και σε αυτόν τον αντιστροφέα η βασική αρμονική της τάσης εξόδου βρίσκεται στη συχνότητα της κυματομορφής που συγκρίνεται με τη φέρουσα της μεθόδου PWM, η οποία θα αναλυθεί παρακάτω. Επίσης και σε αυτήν την περίπτωση οι ανώτερες αρμονικές των φασικών τάσεων της κυματομορφής εξόδου βρίσκονται σε περιττά πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. Οι ανώτερες αρμονικές στις πολικές τάσεις βρίσκονται και πάλι στα περιττά πολλαπλάσια της συχνότητας της θεμελιώδους αρμονικής εκτός από την 3 η αρμονική και τα πολλαπλάσιά της, όπου δεν εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές. Το πλάτος των αρμονικών των πολικών τάσεων εξόδου δίνεται από την παρακάτω σχέση: (V LL ) h = ( 34 V d π 2 ) h (3.7) h = 6k ± 1, k = 1,2,3 35

50 και αντίστοιχα η ενεργός τιμή: (V rms AB ) h = 6 V hπ d (3.8) h = 6k ± 1, k = 1,2,3 Το πλάτος της βασικής αρμονικής των φασικών τάσεων V A0, V B0, V C0 δίνεται από τη σχέση: (V X0 ) 1 = 4 π V d 2 (3.9) και αντίστοιχα η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής είναι: (V rms Χ0 ) 1 = 2 V π d (3.10) Οι ανώτερες αρμονικές των φασικών τάσεων βρίσκονται στα περιττά πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής και δίνονται από τη σχέση: (V Χ0 ) h = 1 h 4 π V d 2 (3.11) και αντίστοιχα η ενεργός τιμή: (V rms Χ0 ) h = 2 V hπ d (3.12) h = 3,5,7,9 Οι τάσεις ουδετέρων V AΝ, V BΝ, V CΝ προκύπτουν από τη σχέση: V XΝ (t) = V X0 (t) V Ν0 (t) (3.13) όπου: V Ν0 (t) = V Α0 (t)+v Β0 (t)+v C0 (t) 3 (3.14) Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η τάση V Ν0 (t) είναι τετραγωνικοί παλμοί με V τριπλάσια συχνότητα από τις φασικές τάσεις V Χ0 και με πλάτος d. Συνεπώς οι 6 ανώτερες αρμονικές της V Ν0 (t) βρίσκονται σε συχνότητες που είναι περιττά πολλαπλάσια της βασικής αρμονικής των V Χ0. Το πλάτος τους είναι ίσο με το αντίστοιχο πλάτος των αρμονικών των φασικών τάσεων. Άρα οι φασικές τάσεις στην έξοδο του αντιστροφέα δεν περιλαμβάνουν ανώτερες αρμονικές σε συχνότητες που είναι περιττά πολλαπλάσια της 3 ης αρμονικής των τάσεων V Χ0. Επίσης η βασική αρμονική και οι υπόλοιπες ανώτερες αρμονικές στην έξοδο είναι ίδιες με αυτές των φασικών τάσεων V Χ0. Το πλάτος της βασικής αρμονικής δίνεται από την σχέση: (V ΧΝ ) 1 = 4 π V d 2 (3.15) και αντίστοιχα η ενεργός τιμή: 36

51 (V rms ΧΝ ) 1 = 2 V π d (3.16) Το πλάτος των ανώτερων αρμονικών δίνεται από τη σχέση: (V ΧΝ ) h = 2 hπ V d (3.17) και αντίστοιχα η ενεργός τιμή: (V rms ΧΝ ) h = 2 V hπ d (3.18) όπου h = 6k ± 1, k = 1,2,3 η τάξη των ανώτερων αρμονικών. 3.3 Διαμόρφωση εύρους παλμών Η διαμόρφωση του εύρους των παλμών είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος παλμοδότησης των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και ιδιαίτερα των αντιστροφέων. Στόχος της PWM τεχνικής είναι να παράγει τους κατάλληλους παλμούς έναυσης ώστε να ελέγχονται τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, δημιουργώντας στην έξοδο την επιθυμητή τάση τόσο σε συχνότητα όσο και σε μέτρο. Με την PWM τεχνική ελέγχεται η βασική αρμονική της τάσης εξόδου αυξομειώνοντας το εύρος των παλμών. Βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής PWM είναι οι περιορισμένες απώλειες ισχύος σε σύγκριση με άλλες μεθόδους. Αυτό συμβαίνει καθώς όταν το ημιαγωγικό στοιχείο άγει η τάση στα άκρα του είναι σχεδόν μηδενική, άρα περιορίζονται οι απώλειες αγωγής. Η αρχή λειτουργίας της PWM τεχνικής στηρίζεται στη σύγκριση ενός σήματος αναφοράς με μία τριγωνική κυματομορφή, που ονομάζεται φέρουσα κυματομορφή ή σήμα φορέα. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της διακοπτικής λειτουργίας των στοιχείων του μετατροπέα. Όταν το σήμα αναφοράς είναι μεγαλύτερο από την τριγωνική κυματομορφή ο παλμός παίρνει λογική στάθμη 1 (high) και το ελεγχόμενο στοιχείο άγει. Αντίθετα όταν η φέρουσα τριγωνική κυματομορφή έχει μεγαλύτερη τιμή από το σήμα αναφοράς ο παλμός παίρνει λογική στάθμη 0 (low) και το ελεγχόμενο στοιχείο δεν άγει. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται μια χρονικά μεταβαλλόμενη παλμοσειρά, η οποία ελέγχει την έναυση και τη σβέση των διακοπτών του μετατροπέα. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής επηρεάζει τη διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα, ενώ η συχνότητα, το πλάτος και η μορφή του σήματος αναφοράς επηρεάζει τα αντίστοιχα μεγέθη της κυματομορφής εξόδου του μετατροπέα. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της μεθόδου PWM. Στην παρούσα εργασία θα αναλυθεί η μέθοδος της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης του εύρους των παλμών, καθώς χρησιμοποιείται πιο πολύ στην πράξη. Ένα τυπικό παράδειγμα διαμόρφωσης παλμών με τεχνική PWM φαίνεται στο Σχ

52 Σχ Παράδειγμα διαμόρφωσης παλμών με τεχνική PWM Ημιτονοειδής μέθοδος διαμόρφωση παλμών Σε αυτή την παραλλαγή της μεθόδου PWM το σήμα αναφοράς είναι ημίτονο σταθερής συχνότητας και πλάτους. Κατά την ίδια λογική με την απλή PWM το ημίτονο αναφοράς (U sin ) συγκρίνεται με την τριγωνική κυματομορφή (U tri ) και δημιουργούνται οι παλμοί που οδηγούν τη λειτουργία των διακοπτών. H συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής ισούται με τη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα (f s ). Αντίστοιχα η συχνότητα του ημιτόνου αναφοράς (συχνότητα διαμόρφωσης (f sin ) είναι η επιθυμητή συχνότητα της βασικής αρμονικής της κυματομορφής εξόδου του μετατροπέα Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών σε μονοφασικούς αντιστροφείς πλήρους γέφυρας Τα παραπάνω ισχύουν για μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Σε περίπτωση τριφασικού αντιστροφέα χρειάζονται τρία ημίτονα αναφοράς με διαφορά φάσης 120⁰ μεταξύ τους. Για τους μονοφασικούς αντιστροφείς πλήρους γέφυρας χρησιμοποιούνται κυρίως δύο παραλλαγές της SPWM: Διπολική ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Bipolar SPWM). Μονοπολική ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Unipolar SPWM). Οι δύο αυτές μέθοδοι αναλύονται παρακάτω. Διπολική ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών Το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής διατηρείται σταθερό ενώ η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του αντιστροφέα είναι ίδια με τη συχνότητα του τριγώνου. Η ρύθμιση της συχνότητας και του πλάτους της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου πραγματοποιείται με μεταβολή της συχνότητας και του πλάτους του ημιτόνου αναφοράς. Η δημιουργία των παλμών έναυσης με τη μέθοδο της διπολικής ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών φαίνεται στο Σχ Σε αυτήν τη μέθοδο διαμόρφωσης εύρους παλμών ορίζονται τα εξής μεγέθη: 38

53 Συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a = Α sin A tri. Τα μεγέθη Α sin και A tri αντιστοιχούν στα πλάτη των σημάτων U sin και U tri. Γενικά το πλάτος Α tri διατηρείται σταθερό, ενώ το πλάτος A sin μπορεί να μεταβάλλεται. Συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f = f s f sin. Σχ Παράδειγμα διαμόρφωσης παλμών με χρήση διπολικής SPWM. Κάνοντας ανάλυση Fourier στην κυματομορφή που προκύπτει από τη σύγκριση ημιτόνου-τριγώνου διαπιστώνουμε ότι η συχνότητα της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου είναι ίση με τη συχνότητα του ημιτόνου αναφοράς και το πλάτος είναι ανάλογο του m a. Όσο ισχύει ότι m a < 1 το πλάτος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου είναι: Α 1Φ = m a V d (3.19) και άρα η ενεργός τιμή της από τη σχέση: Α rms 1Φ = m av d 2 (3.20) Όταν ο συντελεστής διαμόρφωσης είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα (m a > 1) ο αντιστροφέας περνά σε υπερδιαμόρφωση και τότε ισχύει η σχέση: V d < Α 1Φ < 4 π V d (3.21) Η εξάρτηση του πλάτους της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου από το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους φαίνεται στο Σχ

54 Σχ Εξάρτηση πλάτους βασικής αρμονικής τάσης εξόδου από τον συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους, Όπως σε όλες τις μεθόδους διαμόρφωσης εύρους παλμών και στη διπολική ημιτονοειδή διαμόρφωση εύρους παλμών δημιουργούνται ανώτερες αρμονικές. Αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ζώνες συχνοτήτων που βρίσκονται γύρω από τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας του τριγώνου (f s ). Η πρώτη ομάδα αρμονικών περιέχει μια κεντρική αρμονική συχνότητας f s και ένα σύνολο αρμονικές σε συχνότητες μικρότερες και μεγαλύτερες από την f s που δίνονται από τη σχέση: f i = f s ± 2(i 1)f sin, i = 1,2,3 (3.22) Η δεύτερη ομάδα αρμονικών δεν περιέχει κεντρική αρμονική συχνότητας 2f s, παρά μόνο ένα σύνολο αρμονικές σε συχνότητες μικρότερες και μεγαλύτερες από την f s που δίνονται από τη σχέση: f i = 2f s ± 2(i 1)f sin, i = 1,2,3 (3.23) Η γενίκευση αυτή ισχύει για όλα τα πολλαπλάσια της f s, με τα περιττά πολλαπλάσιά της να περιλαμβάνουν την αντίστοιχη κεντρική αρμονική, ενώ τα άρτια να περιλαμβάνουν μόνο τις πλευρικές αρμονικές. Το αρμονικό περιεχόμενο της μεθόδου Bipolar SPWM παρουσιάζεται στο Σχ

55 Σχ Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου με χρήση διπολικής SPWM. Μονοπολική ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών Σε αυτήν τη μέθοδο τα ημιαγωγικά στοιχεία του πρώτου κλάδου παλμοδοτούνται από τη σύγκριση ενός ημιτόνου αναφοράς με την τριγωνική κυματομορφή. Τα στοιχεία του δεύτερου κλάδου παλμοδοτούνται από τη σύγκριση της τριγωνικής κυματομορφής και ενός ημιτόνου με διαφορά φάσης 180⁰ από αυτό που χρησιμοποιείται για τον πρώτο κλάδο. Το Σχ. 3.8 παρουσιάζει τη διαδικασία σχηματισμού παλμών για την εν λόγω μέθοδο. Σχ Παράδειγμα διαμόρφωσης παλμών με χρήση μονοπολικής SPWM. 41

56 Το βασικό πλεονέκτημα της μονοπολικής από τη διπολική SPWM είναι ότι οι ανώτερες αρμονικές βρίσκονται σε ακέραια πολλαπλάσια της 2f s με αποτέλεσμα τη βελτίωση του συνολικού αρμονικού περιεχομένου της τάσης εξόδου. Για τον πρώτο κλάδο η λειτουργία του αντιστροφέα με τη συγκεκριμένη μέθοδο γίνεται ως εξής: Όταν το ημίτονο αναφοράς βρίσκεται πάνω από την τριγωνική κυματομορφή (U sin > U tri ), τίθεται σε αγωγή ο διακόπτης S 1 και η τάση μεταξύ του ακροδέκτη Α της τάσης εξόδου και του ορισμένου ως μηδενικού σημείου του αντιστροφέα θα είναι U Α0 = V d 2. Όταν το ημίτονο αναφοράς βρίσκεται κάτω από την τριγωνική κυματομορφή (U sin < U tri ), τίθεται σε αγωγή ο διακόπτης S 4 και ισχύει U Α0 = V d 2. Αντίστοιχα για το δεύτερο κλάδο ισχύει ότι: Όταν το ημίτονο αναφοράς βρίσκεται πάνω από την τριγωνική κυματομορφή ( U sin > U tri ), τίθεται σε αγωγή ο διακόπτης S 3 και η τάση μεταξύ του ακροδέκτη Β της τάσης εξόδου και του ορισμένου ως μηδενικού σημείου του αντιστροφέα θα είναι U Β0 = V d 2. Όταν το ημίτονο αναφοράς βρίσκεται κάτω από την τριγωνική κυματομορφή ( U sin < U tri ), τίθεται σε αγωγή ο διακόπτης S 2 και ισχύει U Β0 = V d 2. Για τη συνολική τάση εξόδου του αντιστροφέα ισχύει ότι: Όταν οι διακόπτες S 1 και S 4 άγουν, τότε η τάση στους ακροδέκτες εξόδου του αντιστροφέα είναι U ΑΒ = V d. Όταν οι διακόπτες S 2 και S 3 άγουν, τότε η τάση στους ακροδέκτες εξόδου του αντιστροφέα είναι U ΑΒ = V d. Όταν οι διακόπτες S 1 και S 3 άγουν, τότε η τάση στους ακροδέκτες εξόδου του αντιστροφέα είναι μηδενική (U ΑΒ = 0). Όταν οι διακόπτες S 2 και S 4 άγουν, τότε η τάση στους ακροδέκτες εξόδου του αντιστροφέα είναι μηδενική (U ΑΒ = 0). Συμπερασματικά, ένα επιπλέον πλεονέκτημα της μονοπολικής SPWM σε σύγκριση με τη διπολική είναι ότι η μεταβολή της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα είναι κατά V d και όχι κατά 2V d Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών σε τριφασικούς αντιστροφείς Στην περίπτωση τριφασικών αντιστροφέων που ελέγχονται με την τεχνική SPWM η λογική παραμένει παρόμοια με τους μονοφασικούς αντιστροφείς. Για την παλμοδότηση δημιουργούνται τρία ημίτονα αναφοράς (ένα για κάθε φάση της τάσης εξόδου) ίδιας συχνότητας, αλλά με διαφορά φάσης 120⁰ μεταξύ τους. Αυτά τα ημίτονα αναφοράς συγκρίνονται με την ίδια τριγωνική κυματομορφή. Όπως και στους μονοφασικούς αντιστροφείς η συχνότητα του τριγώνου καθορίζει τη διακοπτική 42

57 συχνότητα του αντιστροφέα, ενώ η συχνότητα των ημιτόνων αναφοράς καθορίζει τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Η λειτουργία του τριφασικού αντιστροφέα ελεγχόμενου από SPWM φαίνεται στο Σχ Σχ Παράδειγμα λειτουργίας τριφασικού αντιστροφέα με χρήση SPWM. Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (m f = f s f sin ) θα πρέπει να είναι περιττός αριθμός και πολλαπλάσιο του τρία για να υπάρχει συμμετρία στη τριφασική τάση εξόδου. Λόγω αυτής της συμμετρίας στις φασικές τάσεις εξόδου εμφανίζονται μόνο αρμονικές σε συχνότητες που είναι περιττά πολλαπλάσια της βασικής. Επίσης στις πολικές αλλά και τις φασικές τάσεις δεν εμφανίζονται αρμονικές σε συχνότητες που είναι περιττά πολλαπλάσια της τρίτης αρμονικής. Για συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους μικρότερο της μονάδας (m a = Α sin A tri <1), το πλάτος της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης εξόδου του αντιστροφέα δίνεται από τη σχέση: 43

58 Α 3Φ = 3m a V d 2 (3.24) Αντίθετα για συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους μεγαλύτερο της μονάδας (m a = Α sin A tri <1), ο αντιστροφέας περνά στην περιοχή της υπερδιαμόρφωσης και το πλάτος της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης εξόδου του αντιστροφέα δίνεται από τη σχέση: Α 3Φ = 2 3 π m av d (3.25) Η εξάρτηση του πλάτους της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης εξόδου από το συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους φαίνεται στο Σχ Σχ Εξάρτηση πλάτους βασικής αρμονικής τάσης εξόδου από τον συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους σε τριφασικό αντιστροφέα. Σημειώνεται ότι στην υπερδιαμόρφωση εμφανίζονται αρμονικές χαμηλή τάξης που αυξάνουν την αρμονική παραμόρφωση και μειώνουν την ποιότητα της τάσης εξόδου. Για αυτόν το λόγο αποφεύγεται η λειτουργία του αντιστροφέα σε υπερδιαμόρφωση Περαιτέρω κατηγοριοποίηση της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών Ανεξάρτητα από την εφαρμογή της σε τριφασικούς ή μονοφασικούς αντιστροφείς και αν είναι διπολική ή μονοπολική, η μέθοδος SPWM μπορεί να διαχωριστεί σε δύο επιπλέον κατηγορίες, ανάλογα με τη συμπεριφορά των συχνοτήτων της τριγωνικής κυματομορφής και του ημιτόνου αναφοράς. Ασύγχρονη SPWM Στην ασύγχρονη SPWM η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής, άρα και η διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα, διατηρείται σταθερή. Αντιθέτως η συχνότητα 44

59 του ημιτόνου αναφοράς μπορεί να μεταβάλλεται προκαλώντας αλλαγή στη συχνότητα της τάσης εξόδου. Στην πράξη αποτελεί την απλούστερη μέθοδο ελέγχου αντιστροφέων με SPWM, αφού δε χρειάζεται να αλλάζει η διακοπτική συχνότητα. Όμως αντιμετωπίζει διάφορα προβλήματα όπως είναι η εμφάνιση υποαρμονικών για μικρές τιμές του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας m f. Υποαρμονικές ονομάζονται οι αρμονικές που εμφανίζονται σε συχνότητες μικρότερες από αυτή της βασικής. Οι υποαρμονικές υποβαθμίζουν την ποιότητα ισχύος, δημιουργώντας σημαντικά προβλήματα στα τροφοδοτούμενα φορτία. Ιδιαίτερα σε περίπτωση τροφοδοσίας ασύγχρονου κινητήρα οι υποαρμονικές σε συχνότητες κοντά στη θεμελιώδη, προκαλούν δημιουργία μεγάλων ρευμάτων και ταλαντώσεων στη ροπή του άξονα. Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα κατά την εφαρμογή της ασύγχρονης SPWM επιβάλλεται μεγάλος λόγος διαμόρφωσης συχνότητας m f. Μεγάλο m f σημαίνει ότι η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής θα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συχνότητα του ημιτόνου αναφοράς. Με άλλα λόγια για την καλύτερη λειτουργία της ασύγχρονης SPWM θα πρέπει να ισχύει f s f sin. Σύγχρονη SPWM Στη σύγχρονη SPWM ο συντελεστής διαμόρφωση συχνότητας m f (= f s f sin ) διατηρείται σταθερός, ανεξάρτητα από τη μεταβολή της συχνότητας του ημιτόνου αναφοράς. Αυτό συνεπάγεται ότι αν υπάρξει μεταβολή της συχνότητας του ημιτόνου αναφοράς θα πρέπει να υπάρξει μεταβολή αντίστοιχου μεγέθους στη συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής. Έτσι στη σύγχρονη SPWM η διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα είναι μεταβλητή. Ο m f πρέπει να είναι ακέραιος και περιττός αριθμός άρα υπάρχει συμμετρία ως προς τις 90⁰ και αντισυμμετρία ως προς τις 180⁰. Συνεπώς εμφανίζονται μόνο αρμονικές περιττής τάξης στην τάση εξόδου. Στην περίπτωση που έχουμε εφαρμογή της σύγχρονης SPWM σε τριφασικούς αντιστροφείς ο m f πρέπει να είναι περιττό πολλαπλάσιο του 3, έτσι ώστε να υπάρχει περιττή συμμετρία σε όλες τις φάσεις. Εξαίρεση στα προηγούμενα αποτελούν οι μονοφασικοί αντιστροφείς με μονοπολική διαμόρφωση εύρους παλμών όπου για λόγους συμμετρίας ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας πρέπει να είναι άρτιος αριθμός. Το βασικό πλεονέκτημα της σύγχρονης SPWM είναι ότι κατά την εφαρμογή της αποκλείεται η εμφάνιση υποαρμονικών. Αυτό συμβαίνει γιατί οι χαμηλές πλευρικές συχνότητες της πρώτης ομάδας αρμονικών συμπίπτουν με τη συχνότητα της βασικής αρμονικής. 45

60 Βελτιωμένες μέθοδοι ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών Ένα σημαντικό μειονέκτημα που παρουσιάζουν τόσο οι μονοφασικοί όσο και ο τριφασικοί αντιστροφείς πηγής τάσης που ελέγχονται με SPWM είναι η ανεπαρκής εκμετάλλευση της τάσης εισόδου. Παίρνοντας σαν παράδειγμα τον τριφασικό αντιστροφέα,το πλάτος της τάσης εξόδου είναι: Α 3Φ = 3m a V d 2 (3.26) αντίστοιχα η ενεργός τιμή της τάσης εισόδου θα είναι: Α rms 3Φ = 6 m 4 av d (3.27) Άρα αφού 6 < 4 και m a 1 θα ισχύει ότι Α rms 3Φ < V d. Συνεπώς η εκμετάλλευση της τάσης εισόδου δεν είναι στα επιθυμητά επίπεδα. Λύση σε αυτό το πρόβλημα προσπαθούν να δώσουν οι βελτιωμένες μέθοδοι SPWM. Κοινή βάση αυτών των μεθόδων αποτελεί η απλή SPWM, αλλά διαφοροποιείται κατά περίπτωση η κυματομορφή της τριγωνικής κυματομορφής ή του σήματος αναφοράς. Οι μέθοδοι αυτοί είναι γενικές αλλά βρίσκουν εφαρμογή κυρίως σε τριφασικούς αντιστροφείς. Οι μέθοδοι αυτές βελτιώνουν τη λειτουργία των αντιστροφέων σε σχέση με τις απλές SPWM στα εξής χαρακτηριστικά: Καλύτερη εκμετάλλευση της τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Για την ίδια τάση εισόδου δημιουργείται τάση εξόδου μεγαλύτερης ενεργού τιμή από αυτή που παράγεται από έναν αντιστροφέα αντίστοιχων προδιαγραφών που ελέγχεται με απλές τεχνικές SPWM. Βελτίωση του αρμονικού περιεχομένου της τάσης εξόδου. Οι τεχνικές αυτές προσφέρουν καλύτερο αρμονικό περιεχόμενο με λιγότερες αρμονικές χαμηλής τάξης και γενικά βελτιωμένο συντελεστή συνολική αρμονικής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion- THD). Οι πιο σημαντικές τέτοιες μέθοδοι που έχουν προταθεί είναι οι εξής: Τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με έγχυση τρίτης αρμονικής (3 rd Harmonic Injection PWM). Τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με έγχυση αρμονικών (Harmonic Injection PWM). Τροποποιημένη τεχνική ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Modified SPWM). 46

61 Τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με έγχυση τρίτης αρμονικής Σε αυτήν την τεχνική η τριγωνική κυματομορφή συγκρίνεται με ένα σήμα αναφοράς που αποτελεί άθροισμα ενός ημιτόνου συχνότητας της βασικής αρμονικής και ενός ημιτόνου τριπλάσιας συχνότητας. Η γενική σχέση που δίνει το σήμα αναφοράς είναι: S TOTAL = A sin [A 1 sin(ωt) + A 3 sin(3ωt)] (3.28) όπου: ω: η συχνότητα της βασικής αρμονικής. 3ω: η συχνότητα της τρίτης αρμονικής. A 1 : το πλάτος της βασικής αρμονικής. A 3 : το πλάτος της τρίτης αρμονικής. A sin : το συνολικό πλάτος της φέρουσα κυματομορφής. Τυπικές τιμές για τα A 1 και A 3 είναι 1.15 και 0.19 αντίστοιχα. Συγκρίνοντας τη μέθοδο αυτή με την κλασσική SPWM για τα προαναφερθέντα A 1 και A 3 και για m f = 21, m a = 1, παίρνουμε το αρμονικό φάσμα που φαίνεται στο Σχ Σχ Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου με χρήση SPWMμε έγχυση τρίτης αρμονικής. Παρατηρώντας το φάσμα συχνοτήτων βλέπουμε ότι το πλάτος της βασικής αρμονικής με τη μέθοδο της έγχυσης τρίτης αρμονικής είναι μεγαλύτερο από ότι με την απλή SPWM. Αυτό είναι το μεγάλο πλεονέκτημα της συγκεκριμένης μεθόδου, αφού με απλό τρόπο επιτυγχάνεται καλύτερη εκμετάλλευση της τάσης εισόδου. Αντίθετα παρατηρείται δημιουργία τρίτης αρμονικής μεταξύ των ακροδεκτών εξόδου και του ουδετέρου του δικτύου, ενώ στην κλασσική SPWM δεν υπάρχει. Τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με έγχυση αρμονικών Σε αυτήν την τεχνική η τριγωνική κυματομορφή συγκρίνεται με ένα σήμα αναφοράς που αποτελεί άθροισμα ενός ημιτόνου συχνότητας της βασικής αρμονικής και ενός ή 47

62 περισσότερων ημιτόνων με συχνότητα που είναι περιττό πολλαπλάσιο της βασικής. Η γενική σχέση που δίνει το σήμα αναφοράς είναι: S TOTAL = A sin [A 1 sin(ωt) + A 3 sin(3ωt) + A 5 sin(5ωt) + + A n sin(nωt)] n = 2k + 1, k = 1,2,3 (3.29) Για την περίπτωση έγχυσης μόνο βασικής, τρίτης και ένατης αρμονικής με αντίστοιχα πλάτη 1.15, 0.19 και και για m f = 21 και m a = 1 το φάσμα συχνοτήτων σε σύγκριση με το αντίστοιχο της απλής SPWM παρουσιάζεται στο Σχ Παρατηρούμε ότι η μέθοδος αυτή παρουσιάζει τα ίδια βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου με έγχυση μόνο 3 ης αρμονικής. Η διαφορά είναι ότι σε αυτή τη περίπτωση η 3 η αρμονική έχει μικρότερο πλάτος και γενικά το αρμονικό περιεχόμενο είναι βελτιωμένο, καταλήγοντας σε καλύτερο δείκτη THD. Σχ Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου με χρήση SPWMμε έγχυση τρίτης και ένατης αρμονικής. Τροποποιημένη τεχνική ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών Σε αυτήν την τεχνική το ημίτονο αναφοράς συγκρίνεται με την τριγωνική κυματομορφή μόνο κατά τις πρώτες και τις τελευταίες 60⁰ κάθε ημιπεριόδου (Σχ.3.13). Σε περίπτωση τριφασικού μετατροπέα χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν τρία ημίτονα αναφοράς με διαφορά φάσης 120⁰ μεταξύ τους και τρείς αντίστοιχες τριγωνικές κυματομορφές. 48

63 Σχ Παράδειγμα διαμόρφωσης παλμών με χρήση τροποποιημένης SPWM. Κάνοντας ξανά την ίδια σύγκριση με την κλασσική SPWM και συγκρίνοντας τα φάσματα συχνοτήτων βλέπουμε ότι και πάλι έχουμε καλύτερη εκμετάλλευση της τάσης εισόδου του αντιστροφέα, αλλά με μια σχετικά πιο πολύπλοκη διαδικασία σε σχέση με τις προηγούμενες μεθόδους. Επίσης το ποσοστό της 3 ης αρμονικής μεταξύ των ακροδεκτών εξόδου του αντιστροφέα και του δικτύου, αλλά και η συνολική αρμονική παραμόρφωση (δείκτης THD) είναι μεγαλύτερα από ότι στις προηγούμενες μεθόδους (Σχ.3.14). Σχ Αρμονικό περιεχόμενο τάσης εξόδου με χρήση τροποποιημένης SPWM 3.4 Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή Με τον όρο μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC-DC Converters) περιγράφονται οι διατάξεις ηλεκτρονικών μετατροπέων που περιέχουν τουλάχιστον ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο και μετατρέπουν τη συνεχή τάση στην είσοδό τους σε συνεχή τάση διαφορετικής τιμής στην έξοδο. Η χρήση των μετατροπέων αυτών είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στις εφαρμογές ΑΠΕ. Οι περισσότερες ΑΠΕ παράγουν συνεχή τάση σε τιμές ακατάλληλες για την τροφοδοσία των συγχρονισμένων με το δίκτυο αντιστροφέων. Έτσι χρησιμοποιούνται 49

64 οι συγκεκριμένοι μετατροπείς για τη διαμόρφωση σε κατάλληλο επίπεδο της συνεχούς τάσης εξόδου των ΑΠΕ, ώστε να γίνει κατάλληλη για τάση εισόδου των αντιστροφέων. Παρακάτω αναλύονται οι βασικότεροι τύποι αυτής της κατηγορίας μετατροπέων, που ελέγχονται με τεχνική PWM. Οι τρεις βασικότερες τοπολογίες περιέχουν τρία στοιχεία (διακόπτη, πυκνωτή και δίοδο) στα οποία εναλλάσσεται η θέση ανάλογα με το είδος του μετατροπέα. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς είναι τα ίδια με τους αντιστροφείς. Η ανάλυση της λειτουργίας τους γίνεται με τις κλασσικές μεθόδους κυκλωμάτων κάνοντας τις παρακάτω παραδοχές: Η ανάλυση γίνεται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Οι ημιαγωγικοί διακόπτες είναι ιδανικοί, δηλαδή δεν έχουν απώλειες αγωγής, παρουσιάζουν μηδενικούς χρόνους έναυσης και σβέσης και μηδενική πτώση τάσης. Ο πυκνωτής στην έξοδο είναι πολύ μεγάλης χωρητικότητας και άρα η τάση εξόδου μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Γενικά διακρίνονται δύο κύριες περιοχές λειτουργίας αυτών των μετατροπέων ανάλογα με το ρεύμα του πηνίου εξομάλυνσης: Περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος (Continuous Conduction Mode-CCM). Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης δεν μηδενίζεται ποτέ. Περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύματος (Discontinuous Conduction Mode- DCM). Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης παρουσιάζει διαστήματα μηδενισμού Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης Ο μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης (step-down ή Buck DC Converter) παίρνει στην είσοδο μια συνεχή τάση συγκεκριμένης τιμής και παράγει στην έξοδο μια συνεχή τάση χαμηλότερης τιμής. Η κύρια χρήση του σε ΑΠΕ είναι όταν το επίπεδο της τάσης που παράγεται είναι πολύ υψηλό για απευθείας εφαρμογή στον διασυνδεδεμένο αντιστροφέα. Το κυκλωματικό διάγραμμα της τοπολογίας αυτής παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης. 50

65 Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται σε αγωγή υπάρχει απευθείας μεταφορά ενέργειας από την είσοδο στην έξοδο. Ταυτόχρονα ένα μέρος της αποθηκεύεται στο πηνίο εξομάλυνσης. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει. Το κύκλωμα που περιγράφει αυτήν την κατάσταση φαίνεται στο Σχ Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης βρίσκεται σε αγωγή. Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο δεν άγει το πηνίο τείνει να διατηρήσει τη φορά του ρεύματος προς την ίδια κατεύθυνση, ενεργώντας σαν πηγή ρεύματος. Σαν αποτέλεσμα η διαφορά δυναμικού στα άκρα του αναστρέφεται και η δίοδος άγει (Σχ. 3.17). Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης δεν άγει. Αν η αποθηκευμένη ενέργεια του πηνίου είναι αρκετή για τη διατήρηση μη μηδενικού ρεύματος πηνίου τότε ο μετατροπέας λειτουργεί σε CCM. Σε αντίθετη περίπτωση λειτουργεί σε DCM. 51

66 Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση συνεχούς αγωγής είναι ανεξάρτητος του ρεύματος εξόδου και δίνεται από τη σχέση: D = V o V i (3.31) όπου: V o : η τάση εξόδου του μετατροπέα. V i : η τάση εισόδου του μετατροπέα. Στην περίπτωση ασυνεχούς αγωγής ο λόγος κατάτμησης εξαρτάται από το ρεύμα εξόδου και δίνεται από τη σχέση: V o V i = D 2 D 2 +2( I o V ) i Ts L f (3.32) όπου: V o : η τάση εξόδου του μετατροπέα. V i : η τάση εισόδου του μετατροπέα. I o : το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. T s : η διακοπτική περίοδος του μετατροπέα. L f : η τιμή του πηνίου εξομάλυνσης του μετατροπέα Μετατροπέας ανύψωσης τάσης Ο μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης (step-up ή Boost DC Converter) παίρνει στην είσοδο μια συνεχή τάση συγκεκριμένης τιμής και παράγει στην έξοδο μια συνεχή τάση υψηλότερης τιμής. Η κύρια χρήση του σε ΑΠΕ είναι όταν το επίπεδο της τάσης που παράγεται δεν επαρκεί για απευθείας εφαρμογή στο διασυνδεδεμένο αντιστροφέα. Το κυκλωματικό διάγραμμα της τοπολογίας αυτής παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης. 52

67 Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται σε αγωγή αποθηκεύεται ενέργεια στο πηνίο εξομάλυνσης L f. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, με αποτέλεσμα την απομόνωση της εξόδου από την είσοδο. Το κυκλωματικό διάγραμμα της τοπολογίας αυτής παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης άγει. Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο δεν άγει, η έξοδος απορροφά ενέργεια τόσο από την είσοδο όσο και από το πηνίο εξομάλυνσης L f. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαγωγής L f αντιστρέφεται και σαν αποτέλεσμα η δίοδος πολώνεται ορθά και άγει. Η τοπολογία σε αυτή τη περίπτωση φαίνεται στο Σχ Ομοίως με το μετατροπέα υποβιβασμού υπάρχει διαχωρισμός σε συνεχή και ασυνεχή λειτουργία, ανάλογα με το αν μηδενίζεται ή όχι το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης L f. Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης δεν άγει. Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση συνεχούς αγωγής είναι ανεξάρτητος του ρεύματος εξόδου και δίνεται από τη σχέση: D = V o V i V ο (3.33) 53

68 Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση ασυνεχούς αγωγής εξαρτάται από το ρεύμα εξόδου και δίνεται από τη σχέση: V o V i = 2( I o V i Ts L f )+D 2 2( I o V ) i Ts L f (3.34) με τα αναγραφόμενα μεγέθη να είναι τα ίδια όπως στην περίπτωση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης Μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης Ο μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης (step-down/up ή Buck- Boost DC Converter) παίρνει στην είσοδο μια συνεχή τάση συγκεκριμένης τιμής και παράγει στην έξοδο μια συνεχή τάση χαμηλότερης ή υψηλότερης τιμής, αντίστροφης πολικότητας από την τάση εισόδου. Χρησιμοποιείται κατά κόρον σε περιπτώσεις όπου δε γνωρίζουμε με βεβαιότητα το επίπεδο της τάσης που παράγουν οι ΑΠΕ. Το Σχ παρουσιάζει την τυπική τοπολογία του συγκεκριμένου μετατροπέα. Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης- υποβιβασμού συνεχούς τάσης. Ο μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης έχει τη δυνατότητα να αλλάζει τη λειτουργία του από ανύψωση σε υποβιβασμό τάσης και το αντίστροφο με αλλαγή του λόγου κατάτμησης D. Για D>0.5 ο λειτουργεί σαν Boost, ενώ για D<0.5 λειτουργεί σαν Buck. Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται σε αγωγή αποθηκεύεται ενέργεια στο πηνίο εξομάλυνσης L f. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, με αποτέλεσμα την απομόνωση της εξόδου από την είσοδο. Δηλαδή στην αγωγή η συμπεριφορά του μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού είναι παρόμοια με αυτή του μετατροπέα ανύψωσης.το κυκλωματικό διάγραμμα σε αυτή την περίπτωση φαίνεται στο Σχ Όταν ο διακόπτης δεν άγει η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο εξομάλυνσης L f αποδίδεται στην έξοδο. Σε αυτό το χρονικό διάστημα η είσοδος είναι απομονωμένη από την έξοδο και δεν παρέχει ενέργεια. Δηλαδή όταν δεν άγει ο διακόπτης ο 54

69 μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού έχει παρόμοια συμπεριφορά με τον μετατροπέα υποβιβασμού. Ομοίως με τους προηγούμενους μετατροπείς υπάρχει διαχωρισμός σε συνεχή και ασυνεχή λειτουργία, ανάλογα με το αν μηδενίζεται ή όχι το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης L f.το αντίστοιχο κυκλωματικό διάγραμμα φαίνεται στο Σχ Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης άγει. Σχ Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης δεν άγει Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση συνεχούς αγωγής είναι ανεξάρτητος του ρεύματος εξόδου και δίνεται από τη σχέση: D = V o V ο +V i (3.35) Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση ασυνεχούς αγωγής εξαρτάται από το ρεύμα εξόδου και δίνεται από τη σχέση: V o V i = D2 2( I o V ) i Ts L f (3.36) με τα αναγραφόμενα μεγέθη να είναι τα ίδια όπως και στους άλλους μετατροπείς. 55

70 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [3.1] Ε. Τατάκης, «Μετατροπείς πηγής τάσης, αλληλεπίδραση με το δίκτυο, μέθοδοι ελέγχου τους», Διαλέξεις μεταπτυχιακού μαθήματος, Πανεπιστήμιο Πατρών, [3.2] Χ. Ν. Παπαδημητρίου, «Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για την ένταξη της σε μικροδίκτυα», Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, [3.3] Ε. Σ. Βεργίνη, «Εργαστηριακή εξομοίωση της μηχανικής ροπής ανεμογεννήτριας με τη μέθοδο της ταχείας προτυποποίησης», Διπλωματική εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, [3.4] [3.5] [3.6] [3.7] [3.8] [3.9] [3.10] sequence=1. [3.11] 56

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4-ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ 4.1 Εισαγωγή Όπως εξηγήθηκε και στο Κεφάλαιο 3 είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων για τη δημιουργία μικροδίκτυων και τη σύνδεση των ΑΠΕ στο δίκτυο. Συνήθως χρησιμοποιούνται δύο τύπων μετατροπείς. Ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένας αντιστροφέας. Ο πρώτος αναλαμβάνει την ανύψωση ή τον υποβιβασμό της συνεχούς εξόδου της ΑΠΕ και ο δεύτερος τη μετατροπή της συνεχούς τάσης εξόδου του μετατροπέα συνεχούς σε εναλλασσόμενη. Σε περιπτώσεις όπου η μονάδα διεσπαρμένης παραγωγής παράγει εναλλασσόμενη τάση (π.χ. ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών), χρησιμοποιείται μια ακόμα βαθμίδα μετατροπής της τάσης, καθώς η εναλλασσόμενη τάση μετατρέπεται αρχικά σε συνεχή, μετά ανυψώνεται ή υποβιβάζεται και στο τέλος αντιστρέφεται για σύνδεση στο δίκτυο. Η παρεμβολή αυτής της βαθμίδας γίνεται γιατί η εναλλασσόμενη τάση που παράγεται είναι κακής ποιότητας (μεταβαλλόμενο πλάτος και συχνότητα λόγω μεταβολής του ανέμου) και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε η χρήση ενός μετατροπέα που περιλαμβάνει τις δύο προαναφερθείσες βαθμίδες μετατροπής. Πρόκειται για ένα μονοφασικό μετατροπέα που αποτελείται από ένα μετατροπέα ανύψωσης/υποβιβασμού συνεχούς τάσης συνδεδεμένο σε σειρά με ένα μονοφασικό αντιστροφέα εναλλαγής πολικότητας πλήρους γέφυρας. 4.2 Λειτουργία μετατροπέα Η τοπολογία του μετατροπέα παρουσιάζεται στο Σχ V DC S 1 S2 D in S in D V AC C in L in VDC S3 S4 INVERTER BUCK-BOOST Σχ Τοπολογία χρησιμοποιούμενου μετατροπέα. 57

72 Η τάση που παράγεται από μια πηγή συνεχούς τάσης τροφοδοτείται στο μετατροπέα buck-boost συνεχούς τάσης, ο οποίος λειτουργεί σε υψηλή διακοπτική συχνότητα (20 khz). Στην έξοδο του buck-boost δημιουργείται μία συνεχής τάση, η οποία είναι ουσιαστικά ένα ανορθωμένο ημίτονο με ενεργό τιμή ίση με αυτή της τάσης του δικτύου. Αυτή η τάση τροφοδοτείται στο μονοφασικό αντιστροφέα εναλλαγής πολικότητας που λειτουργεί σε χαμηλή διακοπτική συχνότητα, ίση με τη συχνότητα του δικτύου (50 Hz). Ο αντιστροφέας απλά εναλλάσσει την πολικότητα του ανορθωμένου ημιτόνου και δημιουργεί εναλλασσόμενη τάση που πληροί τις προδιαγραφές για σύνδεση στο δίκτυο. Η χαμηλή συχνότητα λειτουργίας του αντιστροφέα είναι το σημαντικότερο πλεονέκτημα του συγκεκριμένου μετατροπέα, καθώς περιορίζει τις διακοπτικές απώλειες στα ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα. Λόγω χαμηλής συχνότητας οι διακοπτικές απώλειες στους τέσσερις διακόπτες του αντιστροφέα θεωρούνται σχεδόν αμελητέες. Σαν αποτέλεσμα οι συνολικές διακοπτικές απώλειες προέρχονται μόνο από τη λειτουργία του ενός διακόπτη του μετατροπέα buck-boost σε υψηλή συχνότητα. Με τον τρόπο αυτό ο συνολικός βαθμός απόδοσης του συγκεκριμένου μετατροπέα είναι υψηλότερος από αντίστοιχους μετατροπείς που ακολουθούν διαφορετική λογική Λειτουργία μετατροπέα buck-boost Η τοπολογία του μετατροπέα buck-boost φαίνεται στο Σχ Η τάση που παράγεται από μια πηγή συνεχούς τάσης V i εισάγεται στον μετατροπέα buck-boost, ο οποίος λειτουργεί σε υψηλή διακοπτική συχνότητα (20 khz). Έπειτα ο λόγος κατάτμησης D υπολογίζεται συνεχώς από τη σχέση: D = V o V ο +V i (4.1) Με V o συμβολίζεται η κυματομορφή μιας τάσης που εξαρτάται από την τάση εξόδου του αντιστροφέα και αναλύεται περιεκτικά παρακάτω. Έτσι, ουσιαστικά παράγεται μια κυματομορφή D η οποία οδηγείται σε σύγκριση με μια τριγωνική κυματομορφή αναφοράς συχνότητας 20 khz. Από τη σύγκριση αυτή παράγονται οι κατάλληλοι παλμοί για την οδήγηση του buck-boost. Διάφορα σήματα που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές του μετατροπέα (π.χ. απαλοιφή αρμονικών), προστίθενται σε ένα ημίτονο με τη συχνότητα του δικτύου. Το συνολικό σήμα ανορθώνεται και αποτελεί τον όρο V o στη (4.1). Η διαδικασία της δημιουργίας των παλμών έναυσης εξηγείται στο Σχ Σχ Διαδικασία διαμόρφωσης παλμών για την οδήγηση του μετατροπέα buck-boost. 58

73 Σε ιδανικές συνθήκες η έξοδος του μετατροπέα buck-boost είναι ένα ανορθωμένο ημίτονο, που τροφοδοτείται στον αντιστροφέα Λειτουργία αντιστροφέα Όπως φαίνεται στο Σχ. 4.1, χρησιμοποιείτε ένας απλός μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας. Τα ημιαγωγικά στοιχεία του αντιστροφέα άγουν σε αντιπαράλληλα ζεύγη (S 1 S 4, S 2 S 3 ). Οι παλμοί έναυσης του αντιστροφέα προκύπτουν με PWM τεχνική από τη σύγκριση ενός ημιτόνου αναφοράς και μιας τριγωνικής κυματομορφής με συχνότητα ίση με του δικτύου. Ο αντιστροφέας είναι συγχρονισμένος με τον μετατροπέα buck-boost και με το δίκτυο. Κάθε φορά που η τάση εξόδου του μετατροπέα buck-boost μηδενίζεται αλλάζει το ζεύγος αγωγής του αντιστροφέα, με αποτέλεσμα την αλλαγή της πολικότητας της τάσης εξόδου του. Έτσι δημιουργείται στην έξοδο του αντιστροφέα μια τάση με την ίδια συχνότητα και ενεργό τιμή με την τάση του δικτύου. Η λειτουργία του αντιστροφέα εξηγείται καλύτερα από το Σχ Στο Σχ. 4.3 φαίνεται η τάση στην έξοδο του μετατροπέα buck-boost, οι παλμοί έναυσης των δύο αντιπαράλληλων ζευγών των ημιαγωγών του αντιστροφέα και η τάση εξόδου του αντιστροφέα. (α) (β) (γ) Σχ (α) Τάση εξόδου μετατροπέα buck-boost,(β) παλμοί έναυσης των διακοπτών του αντιστροφέα, (γ) τάση εξόδου αντιστροφέα. 59

74 4.3 Χρήσεις μετατροπέα Σημαντικό πλεονέκτημα του μετατροπέα αυτού είναι η δυνατότητα χρησιμοποίησης σε ένα πλήθος διαφορετικών εφαρμογών με μικρές παραλλαγές στη λογική της συνδεσμολογίας και της παλμοδότησης. Οι κύριες χρήσεις του μετατροπέα αυτού παρουσιάζονται παρακάτω Τροφοδοσία απομονωμένου φορτίου Σε αυτήν την περίπτωση ο μετατροπέας δεν είναι συνδεδεμένος στο δίκτυο και τροφοδοτεί ένα φορτίο ή ένα σύνολο φορτίων. Αυτό μπορεί να συμβαίνει στις εξής περιπτώσεις: Δεν υπάρχει κάποια ΑΠΕ ή γενικά μονάδα διεσπαρμένης παραγωγής, αλλά είναι απαραίτητη η προστασία ευαίσθητων φορτίων από τις διαταραχές του δικτύου. Στην περίπτωση αυτή η συνεχής τάση που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του μετατροπέα buck-boost παρέχεται από ανόρθωση της τάσης του δικτύου, που γίνεται συνήθως με μη ελεγχόμενη γέφυρα με διόδους. Τα ευαίσθητα φορτία χρειάζονται τροφοδοσία υψηλής ποιότητας ισχύος (Power Quality) για την σωστή λειτουργία και προστασία τους. Για αυτόν το λόγο όταν το δίκτυο παρουσιάζει συχνές διαταραχές που υποβαθμίζουν την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος χρησιμοποιούνται ειδικές τοπολογίες (Power Conditioners, Active filters). Οι διαταραχές αυτές μπορεί να είναι ποικίλες. Οι πιο συχνές από αυτές είναι τα βυθίσματα τάσης (voltage dips or sags), οι υπερτάσεις (overvoltage or swell), η παραμόρφωση λόγω αρμονικών (harmonic distortion), οι αναλαμπές ή διακυμάνσεις (flicker or fluctuations), η μεταβολή της συχνότητας (frequency variation) κ.α.. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας έχει τη δυνατότητα να υπερκεράσει τις διαταραχές του δικτύου και να τροφοδοτήσει τα ευαίσθητα φορτία με υψηλής ποιότητας ισχύ. Η πλειοψηφία των διαταραχών αυτών αντιμετωπίζεται σχετικά εύκολα με τη σωστή δειγματοληψία της τάσης του δικτύου. Στην περίπτωση αρμονικής παραμόρφωσης του δικτύου πραγματοποιείται συνεχής ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου μέσω ανάλυσης Fourier και έγχυση των καθρεπτικών αρμονικών στην κυματομορφή της διαμόρφωσης των παλμών που οδηγούν το μετατροπέα buck-boost. Η μεθοδολογία αυτή θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Η τοπολογία του συστήματος σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζεται στο Σχ Συνήθως είναι απαραίτητη η χρήση μετασχηματιστή απομόνωσης μεταξύ του μετατροπέα και του δικτύου. 60

75 VDC S 1 S2 D in S in D AC U R L Cin L in LOAD S S 3 4 INVERTER BUCK- BOOST TRANSFORMER DIODE RECTIFIER Σχ Σχηματικό διάγραμμα χρήσης μετατροπέα για προστασία κρίσιμων φορτίων από τις διαταραχές του δικτύου, χωρίς χρήση ΑΠΕ. Υπάρχει κάποια ΑΠΕ ή γενικά μονάδα διεσπαρμένης παραγωγής, αλλά δεν υφίσταται το δίκτυο. Αυτές οι περιπτώσεις αφορούν κυρίως απομονωμένες αγροτικές περιοχές, όπου δεν υπάρχει δίκτυο και η δημιουργία νέας σύνδεσης με αυτό δεν είναι τοπολογικά εφικτή ή οικονομικά συμφέρουσα. Σε αυτήν την περίπτωση η παραγόμενη συνεχής τάση από τη μονάδα παραγωγής τροφοδοτείται στο μετατροπέα, που στην έξοδό του παρέχει μια εναλλασσόμενη τάση με συχνότητα και ενεργό τιμή που ικανοποιεί την εκάστοτε εφαρμογή. Η διαφοροποίηση έγκειται στη δημιουργία του ημιτόνου αναφοράς που πλέον δεν πραγματοποιείται με την ανόρθωση της τάσης του δικτύου. Η τοπολογία αυτής της περίπτωσης φαίνεται στο Σχ DC 1 2 in S in D in L in DC LOAD 3 4 INVERTER BUCK-BOOST RES Σχ Σχηματικό διάγραμμα χρήσης μετατροπέα για τροφοδοσία απομονωμένων φορτίων με χρήση ΑΠΕ 61

76 4.3.2 Σύνδεση μετατροπέα στο δίκτυο Σε αυτή την περίπτωση ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο στο σημείο κοινής σύνδεσης και αποδίδει την ισχύ της μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής σε αυτό. Διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις: Ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο και λειτουργεί με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Σε αυτήν τη λειτουργία ο μετατροπέας εγχέει μόνο την παραγόμενη ενεργό ισχύ της μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής. Το ρεύμα και η τάση είναι εξόδου του είναι συμφασικά μεταξύ τους και όσο το δυνατόν ημιτονοειδή. Οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος του δικτύου δεν επηρεάζονται από τη λειτουργία του μετατροπέα. Η τοπολογία στην περίπτωση αυτή φαίνεται στο Σχ DC 1 2 in S in D AC L 3 4 in L in dc DC INVERTER BUCK-BOOST RES Σχ Σχηματικό διάγραμμα χρήσης μετατροπέα για σύνδεση ΑΠΕ σε ισχυρό δίκτυο και τροφοδοσία του δικτύου μόνο με την παραγόμενη ενεργό ισχύ της ΑΠΕ. Ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο και δε λειτουργεί με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Σε αυτήν τη λειτουργία ο μετατροπέας εκτός από την παραγόμενη ενεργό ισχύ της μονάδας εγχέει και ένα ποσό άεργου ισχύος. Αυτή ή άεργος ισχύς βελτιώνει το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος του δικτύου μέσω καθρεπτικών αρμονικών. Επειδή το δίκτυο είναι ισχυρό, η κυματομορφή της τάσης του δεν μπορεί να διαμορφωθεί από το μετατροπέα. Η λειτουργία αυτή προκρίνεται όταν ο μετατροπέας βρίσκεται συνδεδεμένος σε ένα ισχυρό δίκτυο με αρκετά μεγάλη αρμονική παραμόρφωση ρεύματος. Η παραμόρφωση μπορεί να προέρχεται από τη λειτουργία μεγάλων επαγωγικών φορτίων, από τη διακοπτική λειτουργία άλλων αντιστροφέων που είναι συνδεδεμένη στο ίδιο δίκτυο, αλλά και από τη διακοπτική λειτουργία του ίδιου του μετατροπέα. Για να είναι εφικτή η απαλοιφή των ανώτερων αρμονικών του ρεύματος μέσω της έγχυσης καθρεπτικών αρμονικών είναι απαραίτητη η διαρκής δειγματοληψία του ρεύματος και η ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου μέσω ανάλυσης Fourier. Η μεθοδολογία αυτή θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Η τοπολογία στην περίπτωση αυτή φαίνεται στο Σχ

77 GRID PCC I miror R VDC AC U R L I harm P S1 S Q S 3 S 2 4 D in Cin L in S in D V dc DC INVERTER BUCK-BOOST Σχ Σχηματικό διάγραμμα χρήσης μετατροπέα για σύνδεση ΑΠΕ σε ισχυρό δίκτυο και τροφοδοσία του δικτύου με ενεργό και άεργο ισχύ, για απαλοιφή των αρμονικών ρεύματος του δικτύου. RES Ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος σε ασθενές δίκτυο και δε λειτουργεί με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση υπάρχει έγχυση ενεργού και άεργου ισχύος από το μετατροπέα στο δίκτυο. Επειδή το δίκτυο είναι ασθενές η τάση του μπορεί να επηρεαστεί από την τάση του μετατροπέα. Η λειτουργία αυτή βρίσκει καλύτερη εφαρμογή σε μικροδίκτυα, τα οποία είναι από τη φύση τους ασθενή δίκτυα. Η εγχεόμενη άεργος ισχύς μπορεί να βελτιώσει το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης ή του ρεύματος του δικτύου, ανάλογα με την αρμονική παραμόρφωση. Για να πραγματοποιηθεί η απαλοιφή των ανώτερων αρμονικών χρειάζεται και πάλι συνεχής ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου του παραμορφωμένου μεγέθους μέσω ανάλυσης Fourier. Η τοπολογία στην περίπτωση αυτή φαίνεται στο Σχ S S DC AC 1 L 1 2 in in L in S in D DC AC harm 3 4 INVERTER Σχ Σχηματικό διάγραμμα χρήσης μετατροπέα για σύνδεση ΑΠΕ σε ασθενές δίκτυο και τροφοδοσία του δικτύου με ενεργό και άεργο ισχύ, για απαλοιφή των αρμονικών τάσης του δικτύου. 4.4 Απαλοιφή αρμονικών BUCK-BOOST RES Όταν ο μετατροπέας χρησιμοποιείτε για την απαλοιφή των ανώτερων αρμονικών είτε τάσης είτε ρεύματος ακολουθούνται τα επόμενα βήματα: Αποσαφήνιση του μεγέθους (τάση ή ρεύμα) που έχει την παραμόρφωση. 63

78 Ανάλυση Fourier του παραμορφομένου μεγέθους για την απόκτηση της πληροφορίας σχετικά με το ακριβές αρμονικό περιεχόμενο. Η ανάλυση Fourier γίνεται στην έξοδο του μετατροπέα. Υπολογισμός των αρμονικών που πρέπει να εγχυθούν, ξέροντας το αρμονικό περιεχόμενο στην έξοδο του μετατροπέα και το ποσό των αρμονικών που έχουν ήδη εγχυθεί. Έγχυση του κατάλληλου αρμονικού περιεχομένου μέσω της παλμοδότησης του μετατροπέα buck-boost. Τα τρία τελευταία βήματα πραγματοποιούνται επαναληπτικά μέχρι η συνολική αρμονική παραμόρφωση να είναι αποδεκτή για την εφαρμογή. Συνήθως αυτό συμβαίνει όταν το THD του μετρούμενου μεγέθους είναι κάτω από το όριο του 5% που ορίζεται από τους διεθνείς κανονισμούς. Σημειώνεται ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε όλες τις προαναφερθείσες χρήσεις του αντιστροφέα. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία δεν πραγματοποιείτε μόνο για τη βελτίωση του αρμονικού περιεχομένου του δικτύου στο οποίο μπορεί αν είναι συνδεδεμένος ο μετατροπέας, αλλά και για την βελτίωση της ποιότητας ισχύος που τροφοδοτείται στα φορτία σε περίπτωση απομονωμένης λειτουργίας. Το γεγονός ότι η μέτρηση των αρμονικών γίνεται στην έξοδο του μετατροπέα, σημείο που συμπίπτει με το σημείο κοινής σύνδεσης σε περίπτωση σύνδεσης με το δίκτυο, παρουσιάζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Αυτό είναι ότι στην μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης λαμβάνεται υπόψη η παραμόρφωση που εισάγεται λόγω της διακοπτικής λειτουργίας του μετατροπέα. Έτσι ο μετατροπέας είναι σε θέση να βελτιώσει το αρμονικό περιεχόμενο, ανεξάρτητα από το αν η παραμόρφωση προέρχεται από εξωτερικές πηγές, από τη λειτουργία του μετατροπέα ή και από τα δύο Τεχνική απαλοιφής αρμονικών Αρχικά αναλύεται το αρμονικό περιεχόμενο του υπό μελέτη μεγέθους και ακολουθούνται τα βήματα που σημειώνονται παραπάνω. Για να γίνει καλύτερα κατανοητή η χρησιμοποιούμενη μέθοδος θεωρείται ότι η μελέτη αφορά διαταραχή με μία μόνο ανώτερη αρμονική. Έστω ότι ο μετατροπέας εγχέει αρμονικό περιεχόμενο h Β (t) σε ένα δίκτυο που έχει ήδη αρμονικό περιεχόμενο h A (t). Έτσι το συνολικό αρμονικό περιεχόμενο θα είναι h C (t). Οι κυματομορφές αυτές δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: h Α (t) = A sin(2 πft + a) h B (t) = B sin(2 πft + b) (4.2) h C (t) = C sin(2 πft + c) Όπου A,B,C και a,b,c είναι τα αντίστοιχα πλάτη και φασικές γωνίες των αρμονικών που προαναφέρθηκαν. 64

79 Αφού όλες οι παραπάνω αρμονικές έχουν την ίδια συχνότητα f, η οποία είναι συνήθως περιττό πολλαπλάσιο της συχνότητας της βασικής αρμονικής του δικτύου, οι σχέσεις (4.2) μπορούν να γραφούν σε μορφή φασόρων ως εξής: h A (t) = Ae ja h B (t) = Be jb (4.3) h C (t) = Ce jc Έτσι το αρμονικό συνολικό περιεχόμενο h C (t) είναι το άθροισμα των αρμονικών h A (t) και h B (t) και μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση: Ce jc = Ae ja + Be jb (4.4) Τελικά τα πλάτη A,B,C και οι φασικές γωνίες a,b,c συνδέονται μεταξύ τους με τη σχέση: cos(a) + ja sin(a) + B cos(b) + jb sin(b) = C cos(c) + jc sin(c) C cos c = A cos(a) + B cos(b) { C sin c = A sin(a) + B sin(b) { a = tan 1 C sin(c) B sin(b) ( A = ) C cos(c) B cos(b) C cos(c) B cos(b) cos (a) (4.5) Σημειώνεται ότι κατά την πρώτη επανάληψη δεν υπάρχει έγχυση αρμονικής από το μετατροπέα και άρα ισχύει ότι B = 0. Άρα από τις παραπάνω σχέσεις ισχύει ότι A = C και a = c. Στις επόμενες επαναλήψεις τίθεται B = A και b = a ή αντίστοιχα B = A και b = a 180⁰, έτσι ώστε να δημιουργηθεί η καθρεπτική αρμονική και να βελτιωθεί το συνολικό αρμονικό περιεχόμενο. Γνωρίζοντας ανά πάσα στιγμή το πλάτος και τη φασική γωνία της αρμονικής στην έξοδο του μετατροπέα, υπάρχει η δυνατότητα να οριστεί η καθρεπτική αρμονική που πρέπει να εγχυθεί από το μετατροπέα σε κάθε επανάληψη. Αυτή η αρμονική έχει ίδιο πλάτος αλλά 180⁰ διαφορά φάσης από την αρμονική που δειγματολειπτείται στην έξοδο του μετατροπέα σε κάθε επανάληψη. Μόλις τελειώσει η διαδικασία της έγχυσης της αρμονικής αρχίζει η επόμενη επανάληψη και πραγματοποιείται εκ νέου ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου με ανάλυση Fourier. Η έγχυση της ανώτερης αρμονικής πραγματοποιείται μέσω της προσθήκης της αρμονικής αυτής στην κυματομορφή αναφοράς που χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση των παλμών έναυσης του μετατροπέα buck-boost. Άρα μόλις ληθφεί η πληροφορία για το πλάτος και τη φασική γωνία της αρμονικής, δημιουργείται ένα ημίτονο που είναι η καθρεπτική αρμονική αυτής της αρμονικής. Αυτό προστίθεται στο ημίτονο της βασικής αρμονικής που χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση των παλμών του buck-boost, όπως εξηγήθηκε προηγουμένως. Αυτό το σήμα πλέον ανορθώνεται για να δημιουργηθεί η επιθυμητή τάση εξόδου του μετατροπέα buck-boost. Η κυματομορφή D συγκρίνεται με την τριγωνική κυματομορφή για να δημιουργηθούν οι παλμοί έναυσης του buck-boost. Σαν αποτέλεσμα η επιθυμητή αρμονική εγχέεται 65

80 από το μετατροπέα buck-boost στον αντιστροφέα και από εκεί στην έξοδο, με αποτέλεσμα τη βελτίωση του αρμονικού περιεχομένου. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [4.1] K. G. Georgakas, P. N. Vovos, N. A. Vovos, Harmonic reduction method for a single-phase DC-AC converter without output filter, IEEE Transaction on PowerElectronics, Vol. 29, Issue 9,pp , [4.2] I.D. Bouloumpasis, P.N. Vovos,K.G. Georgakas, N.A. Vovos, A method for power conditioner with harmonic reduction in microgrids, In Proceedings of the International Conference on Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ 14), Cordoba, [4.3] I.D. Bouloumpasis, P.N. Vovos,K.G. Georgakas, N.A. Vovos, Current Harmonics Compensation in Microgrids Exploiting the Power Electronics Interfaces of Renewable Energy Sources, Energies8, pp ,doi: /en , [4.4] Ι. Δ. Μπουλούμπασης, Π. Ν. Βοβός, Κ. Γ. Γεωργάκας, Ν. Α. Βοβός, «Χρήση μετατροπέα για απαλοιφή αρμονικών και βελτίωση ποιότητας ισχύος σε μικροδίκτυο», Σύνοδος «Αθήνα 2015», [4.5] IEEE Standard. 66

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5- ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ 5.1 Εισαγωγή Η ανάγκη για εκσυγχρονισμό των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, ειδικότερα στο επίπεδο της διανομής, έφερε στο προσκήνιο την ιδέα του έξυπνου δικτύου (Smart Grid). Ο κύριος στόχος του έξυπνου δικτύου είναι η παροχή ενέργειας υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας στους καταναλωτές, με όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος, αύξηση της αξιοπιστίας και της ασφάλειας του συστήματος και ταυτόχρονη διασφάλιση της αειφορίας με την ολοένα και μεγαλύτερη διείσδυση των ΑΠΕ στην παραγωγή ενέργειας. Για να γίνει δυνατή η ύπαρξη του έξυπνου δικτύου θα πρέπει να ενσωματωθεί το επικοινωνιακό δίκτυο στο δίκτυο διανομής. Η συνεργασία των δύο δικτύων είναι απαραίτητη καθώς χωρίς τη δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής δεν είναι εφικτός ο έλεγχος της παραγωγής τους και κατά συνέπεια η βελτιστοποίηση της λειτουργίας του ενεργειακού συστήματος. Στο έξυπνο δίκτυο η ύπαρξη αξιόπιστων πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο που αφορούν την κατάσταση του συστήματος αποτελεί παράγοντα ζωτικής σημασίας για την εύρυθμη λειτουργία του. Οι συνέπειες των αστοχιών του εξοπλισμού, της περιορισμένης χωρητικότητας και των φυσικών καταστροφών μπορούν να μετριαστούν με τη χρησιμοποίηση εποπτικών διατάξεων και διατάξεων προστασίας. Το παρόν δίκτυο πάσχει από έλλειψη εποπτικών και διαγνωστικών συστημάτων, αλλά και επικοινωνιακών δυνατοτήτων. Ο στόχος είναι να επιτευχθεί ένα έξυπνο δίκτυο με εξελιγμένες επικοινωνιακές υποδομές και υπολογιστικές δυνατότητες, όπως φαίνεται στο Σχ Τα διαφορετικά μέρη του συστήματος είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους με διαύλους επικοινωνίας και κόμβους αισθητήρων για τη βελτίωση της λειτουργικότητας του. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί πολλές τεχνολογίες επικοινωνίας για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των μονάδων του δικτύου διανομής, αλλά και την επίβλεψη του από κάποια κεντρική μονάδα όπως είναι το διαχειριστής του δικτύου διανομής (Distribution Network Operator-DNO). Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει μια σύντομη περιγραφή των τεχνολογιών επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στο επίπεδο του δικτύου διανομής και θα αναλυθεί πιο διεξοδικά το σύστημα που επιλέχθηκε για την επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων που αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. 67

82 Σχ Τυπικό διάγραμμα έξυπνου δικτύου. 5.2 Διαθέσιμες τεχνολογίες επικοινωνίας Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά δεδομένων μέσω του επικοινωνιακού δικτύου ενός μικροδίκτυου. Η κύρια κατηγοριοποίηση γίνεται ανάμεσα σε ενσύρματες και ασύρματες επικοινωνίες Ενσύρματες επικοινωνίες Οι τεχνολογίες ενσύρματης μετάδοσης πληροφοριών χρησιμοποιούν σαν κανάλι μετάδοσης κάποιο φυσικό μέσο. Οι κυριότερες είναι οι εξής: Χρησιμοποίηση γραμμής ισχύος (Power Line Communication-PLC). Σε αυτήν την περίπτωση το επικοινωνιακό δίκτυο περνά μέσα από το δίκτυο ισχύος. Τα δεδομένα μεταδίδονται μέσω του ίδιου καναλιού με την ενέργεια. Το φάσμα συχνοτήτων στην PLC είναι 1-30 MHz και ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων 2-3 Mbps. Το κύριο πλεονέκτημα της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι ότι το μέσο μετάδοσης είναι ήδη εγκατεστημένο και άρα το κόστος εγκατάστασης είναι πολύ μικρό, ακόμα και για απομακρυσμένες περιοχές, αφού τα ενεργειακά δίκτυα έχουν εξαπλωθεί σχεδόν παντού. Με τη χρήση των καλωδίων ισχύος αποφεύγονται τα προβλήματα που προκύπτουν λόγω του ενεργειακού περιορισμού των ασύρματων μέσων μετάδοσης. Τα συστήματα PLC είναι ιδανικά για εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται έξυπνοι μετρητές, λόγω της απευθείας σύνδεσης του επικοινωνιακού δικτύου με το μετρητή. Από την άλλη μεριά υπάρχουν διάφορα μειονεκτήματα. Τα κυριότερα είναι: o Περιορισμένο εύρος ζώνης του καλωδίου. o Σφάλμα στο καλώδιο προκαλεί σφάλμα στο επικοινωνιακό δίκτυο. 68

83 o o o o Απαιτείται εξελιγμένος μηχανισμός για φιλτράρισμα θορύβου και διόρθωση των λαθών κατά τη μετάδοση. Είναι δύσκολη η επικοινωνία μεταξύ των συσκευών διαφορετικών προμηθευτών ενέργειας. Η ενσύρματη επικοινωνία καθιστά μη ευέλικτη την τοποθεσία των συσκευών. Διαταραχές και αποσυγχρονισμοί στη γραμμή ισχύος προκαλούν διαφοροποιήσεις στη δρομολόγηση της επικοινωνίας. Λόγω των παραπάνω πλεονεκτημάτων και παρά τα όποια μειονεκτήματα η PLC τεχνολογία έχει ευρεία χρήση και αποτελεί συνήθως την πρώτη εναλλακτική για εφαρμογές έξυπνων δικτύων. Οπτικές ίνες. Σε αυτήν την τεχνολογία το επικοινωνιακό δίκτυο μπορεί υλοποιείται με τη χρήση οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες παρέχουν κανάλια με μεγάλο εύρος ζώνης και δυνατότητα ανταλλαγής δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Όμως παρότι σε μακροπρόθεσμο ορίζοντα το λειτουργικό τους κόστος είναι μικρό, το αρχικό κόστος εγκατάστασης ενός δικτύου οπτικών ινών είναι αρκετά μεγάλο Ασύρματες επικοινωνίες Οι ασύρματες τεχνολογίες μεταφοράς δεδομένων χρησιμοποιούν ως μέσο μετάδοσης τον αέρα. Οι κυριότερες είναι οι εξής: ZigBee. Το ZigBee είναι μια ασύρματη τεχνολογία επικοινωνίας με χαμηλή κατανάλωση, χαμηλό ρυθμό μετάδοσης (250 Kbps), μικρή πολυπλοκότητα και χαμηλό κόστος εγκατάστασης. Έχει μεγάλο εύρος ζώνης, καθώς αποτελείται από 16 κανάλια στα 2.4 GHz με εύρος ζώνης 5MHz το καθένα. Έχει σχετικά μικρή εμβέλεια (1-100 m) και είναι ιδανική λύση για εφαρμογές έξυπνου φωτισμού, εποπτεία ροής ενέργειας, οικιακούς αυτοματισμούς και αυτόματη ανάγνωση μετρητών. Τα βασικά μειονεκτήματα του ZigBee είναι οι χαμηλές υπολογιστικές δυνατότητες, το μικρό μέγεθος μνήμης και οι αλληλεπιδράσεις με άλλες συσκευές που χρησιμοποιούν το ίδιο μέσο μετάδοσης. WirelessMesh. Το Wireless Mesh είναι ένα ευέλικτο ασύρματο δίκτυο που αποτελείται από ομάδες κόμβων. Καινούριοι κόμβοι μπορούν να συνδέονται στο δίκτυο και κάθε κόμβος μπορεί να λειτουργεί σαν ανεξάρτητος δρομολογητής. Είναι μια οικονομικά αποτελεσματική λύση με δυνατότητα αυτό-οργάνωσης και αυτό-διόρθωσης. Μπορεί να βελτιώσει τη συμπεριφορά του δικτύου και την ισορροπία του φορτίου, αυξάνοντας την εμβέλεια και τη χωρητικότητα του δικτύου. Αντίθετα οι παρεμβολές από άλλες τεχνολογίες, η εξασθένιση των σημάτων και η αξιοπιστία της δρομολόγησης αποτελούν τα βασικά μειονεκτήματα της συγκεκριμένης τεχνολογίας. Επίσης, λόγω του γεγονότος ότι η πληροφορία δρομολογείται μέσω διαφορετικών παρόχων υπάρχει η πιθανότητα να δημιουργηθούν προβλήματα κρυπτογράφησης και συμφόρησης στο επικοινωνιακό δίκτυο. Χρησιμοποίηση τεχνολογιών κινητής τηλεφωνίας. Τα ήδη υπάρχοντα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση 69

84 των πληροφοριών μεταξύ των κόμβων του έξυπνου δικτύου. Σε αυτές τις τεχνολογίες ανήκουν τα GSM, GPRS, 3G κ.α.. Με τη χρήση των δικτύων κινητής τηλεφωνίας μειώνεται το κόστος εγκατάστασης και το λειτουργικό κόστος της εφαρμογής. Σημαντικά πλεονεκτήματα αποτελούν το αρκετά μεγάλο εύρος ζώνης που είναι κρίσιμο για μεταφορά δεδομένων σε έξυπνα δίκτυα μεγάλης κλίμακας, η αυξημένη ασφάλεια μετάδοσης των δεδομένων, όπως και η μεγάλη εμβέλεια και το χαμηλό κόστος συντήρησης. Αντίθετα, κάποιες εφαρμογές έξυπνου δικτύου απαιτούν συνεχή επικοινωνιακή διαθεσιμότητα. Όμως τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούνται και από άλλες αγορές. Σαν αποτέλεσμα υπάρχει πιθανότητα συμφόρησης του δικτύου και μείωση της απόδοσής του σε έκτακτες περιπτώσεις. Bluetooth. Λόγω χαμηλής ισχύος και σχετικά χαμηλής εμβέλειας (1-100 m) χρησιμοποιείται κυρίως για εποπτικές εφαρμογές σε επίπεδο σπιτιών και γειτονίας. Έχει σχετικά μικρό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (721 Kbps). Ο χειρότερος βαθμός ασφάλειας συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες παράλληλα με τις παρεμβολές που δέχεται από άλλες τεχνολογίες καθιστούν το Bluetooth ακατάλληλη τεχνολογία για κρίσιμες εφαρμογές. Ο Πίνακας 1 περιλαμβάνει τα κύρια χαρακτηριστικά των παραπάνω τεχνολογιών. Πίνακας 1. Βασικά χαρακτηριστικά των κύριων επικοινωνιακών τεχνολογιώνγια εφαρμογές έξυπνου δικτύου. Τεχνολογία Φάσμα Συχνοτήτων Ρυθμός μετάδοσης Εμβέλεια GSM MHZ Μέχρι 14.4 Kbps 1-10 Km GPRS MHz Μέχρι 170 Kbps 1-10 Km 3G GHz 384 Kbps-2 Mbps 1-10 Km GHz PLC 1-30 MHz 2-3 Mbps 1-3 Km ZigBee 2.4 GHz MHz 250 Kbps m Bluetooth 2400 MHz MHz 721 Kbps m 5.3 Χρήση δικτύου CAN για επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων Για να είναι λειτουργικό ένα μικροδίκτυο, ακόμα και σε εργαστηριακό επίπεδο, είναι απαραίτητη η χρήση ενός επικοινωνιακού δικτύου, το οποίο θα επιτρέπει σε κάθε πηγή που είναι συνδεδεμένη στο μικροδίκτυο να ανταλλάσει κρίσιμες πληροφορίες με τις υπόλοιπες. Η επικοινωνία των πηγών του μικροδίκτυου πραγματοποιείται μέσω των μετατροπέων που ελέγχουν τη λειτουργία τους. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο 4. Οι μετατροπείς αυτοί οδηγούνται από μικροεπεξεργαστές DSPTMS320F28335 ezdsp της Spectrum Digital στα 150 MHz. Οι επεξεργαστές αυτής της οικογένειας υποστηρίζουν το πρωτόκολλο CAN (Controller Area Network) και ECAN (Enhanced CAN). Το CAN παρουσιάζει κάποια 70

85 χαρακτηριστικά, όπως η αποκεντρωμένη λειτουργία και η ανοχή σε περιβάλλοντα θορύβου που το καθιστούν επαρκές για την παρούσα εφαρμογή. Ο δίαυλος CAN (CAN-bus) αναπτύχθηκε από την εταιρία BOSCH ως ένα αποκεντρωμένο σύστημα μετάδοσης μηνυμάτων από διάφορες πηγές. Το CAN έχει μέγιστο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 1 Mbps. Αντίθετα με τα παραδοσιακά δίκτυα όπως το USB και το Ethernet το CAN δε στέλνει μεγάλα πακέτα δεδομένων από έναν κόμβο του δικτύου σε κάποιον άλλο υπό την επιτήρηση κάποιου κεντρικού ελεγκτή του δικτύου. Σε ένα δίκτυο CAN, πολλά μικρά μηνύματα μεταδίδονται σε όλο το δίκτυο, γεγονός που παρέχει συνοχή δεδομένων σε κάθε κόμβο του συστήματος. Το CAN είναι πιστοποιημένος με ISO δίαυλος σειριακής επικοινωνίας που αρχικά αναπτύχθηκε για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία με σκοπό την αντικατάσταση της πολύπλοκης καλωδίωσης με ένα δίαυλο δύο καλωδίων. Η εξειδίκευση στο συγκεκριμένο τομέα απαιτεί υψηλή ανοσία σε ηλεκτρικές παρεμβολές και δυνατότητα διάγνωσης και διόρθωσης των εσφαλμένων δεδομένων. Τα χαρακτηριστικά αυτά οδήγησαν στην εξάπλωση της χρήσης του CAN σε διάφορες βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές. Το πρωτόκολλο CAN (ISO-11898: 2003) περιγράφει τον τρόπο που τα δεδομένα μεταφέρονται ανάμεσα στις συσκευές ενός δικτύου και υπακούει στο μοντέλο OSI (Open Systems Interconnection), το οποίο καθορίζεται σε επίπεδα. Η πραγματική επικοινωνία μεταξύ των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο φυσικό μέσο καθορίζεται από το φυσικό επίπεδο του μοντέλου. Η αρχιτεκτονική του ISO καθορίζει τα δύο χαμηλότερα επίπεδα του μοντέλου επτά επιπέδων OSI/ISO ως το φυσικό επίπεδο (physical layer) και το επίπεδο μεταφοράς δεδομένων (data-link layer), όπως φαίνεται στο Σχ Στο Σχ. 5.2 το επίπεδο εφαρμογής (application layer) αναφέρεται στην επικοινωνιακή σύνδεση με συγκεκριμένα πρωτόκολλα ανώτερου επιπέδου εφαρμογών. Σχ Αρχιτεκτονική του προτύπου ISO

86 5.3.1 Πρωτόκολλο CAN Το πρωτόκολλο CAN είναι ένα πολλαπλής πρόσβασης CSMA πρωτόκολλο ανίχνευσης του καναλιού με ανίχνευση σύγκρουσης και διευθέτηση στην προτεραιότητα των μηνυμάτων (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection & Arbitrationon Message Priority-CSMA/ CD&AMP). Ο όρος CSMA σημαίνει ότι κάθε κόμβος του διαύλου πρέπει να παραμένει για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα ανενεργός προτού προσπαθήσει να αποστείλει κάποιο μήνυμα. Ο όρος CD&AMP σημαίνει ότι οι συγκρούσεις που προκύπτουν από προσπάθεια ταυτόχρονης αποστολής δύο ή περισσοτέρων μηνυμάτων στο κανάλι επιλύονται μέσα από μια διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας που βασίζεται σε bit. Η προτεραιότητα των μηνυμάτων είναι προγραμματισμένη από πριν και εκφράζεται στον πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος, όπως φαίνεται στο Σχ Τα μηνύματα υψηλότερης προτεραιότητας κερδίζουν πάντα την πρόσβαση στο κανάλι. Συνεπώς το τελευταίο επικρατές bit (dominant bit) του πεδίου ταυτοποίησης θα μεταδίδεται συνεχώς, αφού έχει τη μεγαλύτερη προτεραιότητα Πεδία μηνύματος σε πρωτόκολλο CAN Το πρωτόκολλο ISO-11898: 2003 με πεδίο ταυτοποίησης μηνύματος 11-bit, παρέχει ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 125 Kbps-1 Mbps. Αργότερα χρησιμοποιήθηκε το «εκτεταμένο» ( extended ) πεδίο ταυτοποίησης 29-bit. To Standard CAN με 11-bit ταυτοποίησης που παρουσιάζεται στο Σχ. 5.3 παρέχει 2 11 (2048) διαφορετικά πακέτα ταυτοποίησης μηνυμάτων, ενώ το Extended CAN παρέχει 2 39 (537 εκατομμύρια) διαφορετικά πακέτα. Σχ Πεδία μηνύματος πρωτοκόλλου CANμε πεδίο ταυτοποίησης 11-bit. Αναλύοντας ένα μήνυμα σε πρωτόκολλο CAN με πεδίο ταυτοποίησης 11-bit διακρίνουμε τα εξής πεδία bit: SOF. Το SOF είναι το πεδίο αρχή του μηνύματος (Start Of Frame). Έχει μέγεθος 1 bit και προσδιορίζει την αρχή του μηνύματος. Χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό των κόμβων ενός δικτύουμετά από μία περίοδο αδράνειας. Identifier. Στο πεδίο ταυτοποίησης (Identifier) προσδιορίζεται η προτεραιότητα του μηνύματος. Όσο μικρότερη είναι η δυαδική τιμή του πεδίου ταυτοποίησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η προτεραιότητα του μηνύματος. RTR. Το RTR είναι το πεδίο απομεμακρυσμένου αιτήματος αποστολής ενός bit (single Remote Transmission Request). Το bit του είναι επικρατές όταν απαιτείται αποστολή δεδομένων από κάποιον κόμβο του δικτύου. Όλοι οι κόμβοι λαμβάνουν το αίτημα, όμως το πεδίο ταυτοποίησης ορίζει το συγκεκριμένο κόμβο. Τα αντίστοιχα δεδομένα λαμβάνονται από όλους τους κόμβους και χρησιμοποιούνται από όποιον κόμβο ενδιαφέρεται για το περιεχόμενό τους. Με αυτόν τον τρόπο όλα τα μηνύματα που χρησιμοποιούνται σε ένα σύστημα είναι ομοιόμορφα. 72

87 IDE. Ένα επικρατές bit στο πεδίο επέκτασης ταυτοποίησης (Identifier Extension) σημαίνει ότι χρησιμοποιείται πρωτόκολλο Standard CAN χωρίς επέκταση του πεδίου ταυτοποίησης. r0. Εφεδρικό bit για χρήση σε πιθανή μελλοντική τροποποίηση του πρωτοκόλλου. DLC. Είναι ένας κώδικας μήκους δεδομένων (Data Length Code) μεγέθους 4- bit και περιέχει τον αριθμό των bytes που μεταδίδονται στο μήνυμα. Data. Τα υπό μετάδοση δεδομένα, τα οποία μπορούν να έχουν μέγεθος μέχρι και 64 bits. CRC. Το πεδίο κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check) είναι μεγέθους 16-bit (15 bit συν τον οριοθέτη-delimiter). Περιέχει τον αριθμό των μεταδιδόμενων bits των δεδομένων της προηγούμενης εφαρμογής για τον έλεγχο πιθανών λαθών. ACK. Κάθε κόμβος που λαμβάνει ένα ακριβές μήνυμα, αντικαθιστά αυτό το υπολειπόμενο bit (recessive bit) στο αρχικό μήνυμα με ένα επικρατές bit. Με αυτόν τον τρόπο επιδεικνύεται ότι έχει αποσταλεί ένα μήνυμα χωρίς λάθος. Σε περίπτωση που ο κόμβος άφιξης εντοπίσει κάποιο λάθος στο μήνυμα και αφήσει το υπολειπόμενο bit, απορρίπτει το μήνυμα και ο κόμβος μετάδοσης θα πρέπει να το ξαναστείλει έπειτα από νέα διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας. Με αυτόν τον τρόπο κάθε κόμβος αναγνωρίζει την ακεραιότητα των δεδομένων. Το πεδίο αυτό αποτελείται από 2 bits. Το ένα αποτελεί την αναγνώριση και το άλλο την οριοθέτηση. EOF. Το EOF είναι το πεδίο τέλους του μηνύματος (End Of Frame) και αποτελείται από 7 bit. Σηματοδοτεί το τέλος του μηνύματος και απενεργοποιεί τη διαδικασία του «γεμίσματος» των bit (bit-stuffing), δηλώνοντας λάθος της διαδικασίας όταν είναι επικρατές. IFS. Το ενδιάμεσο πεδίο μεταξύ των πακέτων (Interframe Space) είναι μεγέθους 7-bit. Περιέχει το χρόνο που απαιτείται από τον ελεγκτή για τη μετακίνηση ενός σωστά ληφθέντος μηνύματος στην κατάλληλη θέση μιας περιοχής αποθήκευσης των μηνυμάτων (message bufferarea) Πεδία μηνύματος σε πρωτόκολλο Extended CAN Όπως φαίνεται από το Σχ. 5.4, τα πεδία του μηνύματος στο Extended πρωτόκολλο CAN είναι τα ίδια με την περίπτωση του Standard CAN με την προσθήκη των εξής πεδίων: SRR. Το υποκατάστατο bit απομεμακρυσμένου αιτήματος (Substitute Remote Request) αντικαθιστά το RTR του Standard CAN. IDE. Ένα υπολειπόμενο bit στο πεδίο επέκτασης της ταυτοποίησης του μηνύματος (identifier extension) δηλώνει ότι ακολουθούν περισσότερα bits ταυτοποίησης. Η επέκταση ταυτοποίησης μεγέθους 18-bit ακολουθεί το πεδίο IDE. r1. Έπειτα από τα πεδία RTR και r0 έχει προστεθεί ακόμη ένα εφεδρικό bit μπροστά από το bit του πεδίου DLC. 73

88 Σχ Πεδία μηνύματος πρωτοκόλλου ecan με πεδίο ταυτοποίησης 29-bit Διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας Ένα βασικό χαρακτηριστικό του CAN το οποίο παρουσιάζεται στο Σχ. 5.5 είναι η αντίθετη λογική μεταξύ του καναλιού και του οδηγητή (driver) στην είσοδο και του δέκτη στην έξοδο. Συνήθως η λογική στάθμη high (επικρατές bit) δηλώνεται με 1 και η λογική στάθμη low (υπολειπόμενο bit) με 0, αλλά όχι σε ένα δίκτυο CAN. Για αυτό το λόγο οι πομποδέκτες ενός δικτύου CAN έχουν τις ακίδες του οδηγού εισόδου και του δέκτη εξόδου εσωτερικά ορισμένες παθητικά σε στάθμη high. Με αυτόν τον τρόπο όταν δεν υπάρχει κάποια είσοδος η συσκευή αυτόματα μπαίνει σε αδρανή κατάσταση (recessive state) σε όλες τις ακίδες εισόδου και εξόδου. Σχ. 5.5.Η ανεστραμμένη λογική του καναλιού CAN. Η πρόσβαση στο κανάλι οδηγείται από τα γεγονότα και λαμβάνει χώρα τυχαία. Αν δύο κόμβοι προσπαθήσουν να καταλάβουν το κανάλι ταυτόχρονα, η πρόσβαση εφαρμόζεται μέσω μιας μη καταστροφικής και βασιζόμενης σε bits διαδικασίας διευθέτησης προτεραιότητας. Με τον όρο μη καταστροφική εννοείται ότι ο κόμβος που κερδίζει στη διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας συνεχίζει τη μετάδοση του μηνύματος, χωρίς αυτό να καταστραφεί ή να διαστρεβλωθεί από κάποιον άλλο κόμβο. Η κατανομή της προτεραιότητας μέσα στο μήνυμα μέσω του πεδίου ταυτοποίησης, καθιστά το CAN ιδιαίτερα ελκυστικό για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Όπως προαναφέρθηκε, όσο μικρότερη είναι η δυαδική τιμή του πεδίου ταυτοποίησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η προτεραιότητα του μηνύματος. Έτσι ένα πεδίο ταυτοποίησης που αποτελείται αποκλειστικά από μηδενικά, έχει τη μέγιστη προτεραιότητα σε ένα δίκτυο, αφού κρατά το δίκτυο σε dominant κατάσταση (λογική στάθμη high ) για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, λόγω της αντεστραμμένης λογικής του δικτύου CAN. Όταν δύο κόμβοι αρχίσουν να μεταδίδουν ταυτόχρονα, ο κόμβος που έχει το τελευταίο ψηφίο 74

89 του πεδίου ταυτοποίησης 0 θα κρατήσει τον έλεγχο του καναλιού και θα συνεχίσει τη μετάδοση του μηνύματος αντίθετα με αυτόν που έχει ως τελευταίο ψηφίο το 1. Σε περίπτωση ίδιου τελευταίου ψηφίου η σύγκριση μετατίθεται στο αμέσως επόμενο κ.ο.κ.. Σε ένα κανάλι CAN πάντα το επικρατές ψηφίο ( 0 ) αντικαθιστά το υπολειπόμενο ( 1 ). Σημειώνεται ότι κάθε κόμβος που μεταδίδει κάποιο μήνυμα παρακολουθεί κάθε bit της δικής του μετάδοσης. Αυτός είναι ο λόγος για τη τοπολογία του πομποδέκτη που φαίνεται στο Σχ Όπως φαίνεται οι ακίδες εξόδου του οδηγού του πομπού είναι εσωτερικά συνδεδεμένες με τις εισόδους του δέκτη. Η καθυστέρηση μετάδοσης ενός σήματος στον εσωτερικό βρόχο από την είσοδο του πομπού στην έξοδο του δέκτη χρησιμοποιείται τυπικά ως δείκτης ποιότητας ενός πομποδέκτη CAN. Η διαδικασία της διευθέτησης προτεραιότητας σε ένα σύστημα CAN που πραγματοποιείται αυτόματα από έναν ελεγκτή CAN φαίνεται στο Σχ Επειδή κάθε κόμβος παρακολουθεί συνεχώς τις δικές του μεταδόσεις, αφού το υπολειπόμενο ψηφίο του κόμβου B έχει αντικατασταθεί από το μεγαλύτερης προτεραιότητας επικρατές ψηφίο του κόμβου C, ο κόμβος B αντιλαμβάνεται ότι η κατάσταση του καναλιού δεν ταιριάζει με το bit το οποίο έχει αρχικά αποστείλει. Με αυτόν τον τρόπο ο κόμβος B σταματά τη μετάδοση του μηνύματος του, ενώ ο κόμβος C συνεχίζει κανονικά. Ο κόμβος B πραγματοποιεί εκ νέου προσπάθεια μετάδοσης του μηνύματος μόλις ελευθερωθεί το κανάλι από τη μετάδοση του μηνύματος από τον κόμβο C. Αυτή η λειτουργικότητα είναι μέρος της σηματοδότησης φυσικού επιπέδου ISO Αυτό σημαίνει ότι περιέχεται εξ ολοκλήρου σε έναν ελεγκτή CAN και είναι εντελώς διαφανής στο χρήστη του συστήματος. Η κατανομή των προτεραιοτήτων στο δίκτυο ορίζεται από το χρήστη. Συνήθως τα ομοειδή μεγέθη έχουν τα ίδια τελευταία ψηφία στο πεδίο διευθέτησης προτεραιότητας και από εκεί αντιλαμβάνεται το σύστημα ποιο μέγεθος αποστέλλεται. Σχ. 5.6.Διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας σε κανάλι CAN Τύποι μηνυμάτων σε σύστημα CAN Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τύποι μηνυμάτων (πακέτων) που μπορούν να αποσταλούν σε ένα κανάλι CAN, τα οποία είναι τα εξής: 75

90 Πακέτο δεδομένων (data frame). Το πακέτο δεδομένων είναι το συνηθέστερο μήνυμα που αποστέλλεται σε δίκτυα CAN. Περιλαμβάνει το πεδίο διευθέτησης προτεραιότητας, το πεδίο δεδομένων, το πεδίο κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (CRC) και το πεδίο αναγνώρισης. Το πεδίο διευθέτηση προτεραιότητας περιέχει ένα πεδίο αναγνώρισης 11-bit ή 29-bit ανάλογα με τον τύπο πρωτοκόλλου CAN που χρησιμοποιείται και ένα bit απομεμακρυσμένου αιτήματος αποστολής (RTR bit), το οποίο στην περίπτωση των πακέτων δεδομένων είναι επικρατές ( 0 ). Το πεδίο δεδομένων περιέχει μηδέν έως οκτώ bytes δεδομένων και το πεδίο κυκλικού ελέγχου πλεονασμού που περιέχει ένα σύνολο 16-bit, που χρησιμοποιείται για εντοπισμό λαθών. Τέλος υπάρχει το πεδίο αναγνώρισης που δείχνει αν το μήνυμα μεταδόθηκε επιτυχώς ή όχι. Απομακρυσμένο πακέτο. Ο ρόλος του απομακρυσμένου πακέτου είναι να ζητήσει την αποστολή δεδομένων από κάποιον άλλον κόμβο. Η δομή του είναι παρόμοια με αυτή του πακέτου δεδομένων με δύο σημαντικές διαφορές. Ένα μήνυμα σηματοδοτείται ως απομακρυσμένο πακέτο με τη χρήση ενός υπολειπόμενου RTR bit στο πεδίο διευθέτησης προτεραιότητας σε αντίθεση με το πακέτο δεδομένων, ενώ δεν υπάρχουν καθόλου δεδομένα. Πακέτο λάθους. Είναι ένα ειδικό μήνυμα, το οποίο παραβιάζει τους κανόνες μορφοποίησης ενός μηνύματος CAN. Μεταδίδεται όταν κάποιος κόμβος εντοπίσει λάθος σε ένα μήνυμα και έχει ως αποτέλεσμα οι υπόλοιποι κόμβοι του συστήματος να αποστείλουν και αυτοί ένα πακέτο λάθους. Έπειτα ο αρχικός κόμβος μετάδοσης του πακέτου λάθους μεταδίδει πάλι το μήνυμα. Ένας λεπτομερής μετρητής λαθών στον ελεγκτή του CAN διασφαλίζει ότι το κανάλι δε θα μονοπωλείται από έναν κόμβο που στέλνει επαναλαμβανόμενα πακέτα λάθους. Πακέτο υπερφόρτωσης. Είναι παρόμοιο με το πακέτο λάθους και αποστέλλεται από έναν κόμβο που είναι πολύ απασχολημένος. Χρησιμοποιείται κυρίως για να παρέχει επιπλέον καθυστέρηση μεταξύ των μηνυμάτων Έλεγχος λαθών και περιορισμών σφαλμάτων Η σθεναρότητα του CAN μπορεί εν μέρει να πιστωθεί στις πολλαπλές διαδικασίες ελέγχου λαθών. Το πρωτόκολλο CAN ενσωματώνει πέντε μεθόδους ελέγχου λαθών, τρείς σε επίπεδο των μηνυμάτων και δύο σε επίπεδο των bit. Σε περίπτωση που κάποιο μήνυμα αποτύχει σε οποιονδήποτε από αυτούς τους ελέγχους δε γίνεται αποδεκτό και παράγεται ένα σήμα λάθους από τον κόμβο λήψης. Αυτό αναγκάζει τον κόμβο μετάδοσης να στείλει ξανά το μήνυμα μέχρι να ληφθεί σωστά. Όμως, αν ένας προβληματικός κόμβος μονοπωλεί το κανάλι επαναλαμβάνοντας το ίδιο λάθος, ο ελεγκτής του αφαιρεί τη δυνατότητα μετάδοσης μετά από ορισμένο αριθμό λαθών. Οι πρώτοι δύο έλεγχοι σε επίπεδο μηνύματος πραγματοποιούνται από το πεδίο κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (CRC) και το πεδίο αναγνώρισης (ACK), όπως εξηγήθηκε προηγουμένως. Σε επίπεδο μηνύματος πραγματοποιείται ένας επιπλέον έλεγχος, κατά τον οποίον ελέγχονται συγκεκριμένα bits του μηνύματος που θα πρέπει πάντα να είναι υπολειπόμενα ( 1 ). Σε περίπτωση που σε αυτές τις προκαθορισμένες θέσεις υπάρχει επικρατές bit ( 0 ), παράγεται ένα πακέτο λάθους. Τα bits που ελέγχονται σε αυτό το επίπεδο ελέγχου είναι τα bits αρχής και τέλους του 76

91 μηνύματος (SOF και EOF) και οι οριοθέτες του πεδίου αναγνώρισης και του πεδίου κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (ACK και CRC delimiter). Σε επίπεδο bit, κάθε bit που μεταδίδεται παρακολουθείται από τον πομπό του μηνύματος. Αν κάποιο bit του πεδίου δεδομένων (όχι του πεδίου διευθέτησης προτεραιότητας) μεταδοθεί λάθος παράγεται ένα μήνυμα λάθους και το bit αναγνώρισης που θα πρέπει να είναι υπολειπόμενο ( 1 ) αντικαθίσταται από επικρατές ( 0 ). Η τελευταία μέθοδος ελέγχου σε επίπεδο bit πραγματοποιείται με βάση τον κανόνα του «γεμίσματος» bits (bit-stuffing rule), όπου μετά από πέντε διαδοχικά bits της ίδιας λογικής στάθμης, αν το επόμενο bit δεν είναι διαφορετικής λογικής στάθμης, παράγεται ένα μήνυμα λάθους. Ο κανόνας αυτός διασφαλίζει ότι οι ανερχόμενες ακμές είναι διαθέσιμες για το συνεχώς εξελισσόμενο συγχρονισμό του δικτύου. Επίσης διασφαλίζει ότι μια διαδοχή από bits δε θα ερμηνευτεί λανθασμένα είτε ως ένα πακέτο λάθους, είτε ως το 7-bit χώρο μεταξύ των μηνυμάτων που σηματοδοτεί το τέλος ενός μηνύματος. Τα bits που έχουν προστεθεί κατά τη διαδικασία του γεμίσματος, αφαιρούνται από τον ελεγκτή του κόμβου λήψης του μηνύματος, προτού τα δεδομένα του μηνύματος προωθηθούν στην εφαρμογή. Με αυτήν την λογική, ένα ενεργό μήνυμα λάθους αποτελείται από έξι επικρατούντα bits ( ), παραβιάζοντας τον κανόνα «γεμίσματος» με bits. Αυτό το μήνυμα εκλαμβάνεται ως λάθος από όλους τους κόμβους του CAN, οι οποίοι με τη σειρά παράγουν τα δικά τους πακέτα λάθους. Αυτό συνεπάγεται ότι ένα πακέτο λάθους μπορεί να αποτελείται από 6-12 bits μαζί με όλες τις απαντήσεις. Αυτό το μήνυμα λάθους ακολουθείται από ένα πεδίο οριοθέτη (delimiter field),που αποτελείται από οκτώ υπολειπόμενα bits ( ) και από μία περίοδο αδράνειας του καναλιού μέχρι να μεταδοθεί εκ νέου το κατεστραμμένο μήνυμα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το αναμεταδιδόμενο μήνυμα πρέπει να περάσει πάλι μέσα από τη διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας Κανάλι CAN Το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων του Σχ περιλαμβάνονται σε κάθε ελεγκτή που εκτελεί το πρωτόκολλο CAN. Η σύνδεση στο φυσικό επίπεδο πραγματοποιείται μέσω ενός πομποδέκτη γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Σύνδεση κόμβων σε κανάλι CAN. Η σθεναρότητα στο θόρυβο και η ανεκτικότητα στα σφάλματα που αποτελούν χαρακτηριστικά του CAN πηγάζουν από τη διαφορική σηματοδότηση του. Η ισορροπημένη διαφορική σηματοδότηση μειώνει τη σύζευξη του θορύβου και 77

92 επιτρέπει υψηλούς ρυθμούς σηματοδότησης μέσω συνεστραμμένου ζεύγους καλωδίων. Με την έννοια «ισορροπημένη σηματοδότηση» εννοείται ότι το ρεύμα που ρέει σε κάθε γραμμή του σήματος είναι ίδιο σε μέγεθος, αλλά αντίθετο σε κατεύθυνση, καταλήγοντας σε φαινόμενο ακύρωσης πεδίου, που αποτελεί σημαντικό παράγοντα για μεταδόσεις χαμηλού θορύβου. Η χρήση ισορροπημένων διαφορικών δεκτών και συνεστραμμένου ζεύγους καλωδίων ενισχύει την απόρριψη κοινής λειτουργίας και την υψηλή ανοχή σε θόρυβο του καναλιού CAN. Σύμφωνα με το πρότυπο High-Speed ISO δίνονται εξειδικευμένες πληροφορίες για μέγιστο ρυθμό σηματοδότησης 1 Mbps με κανάλι 40 μέτρων και μέγιστο αριθμό τριάντα κόμβων. Προτείνεται επίσης μέγιστο μη τερματισμένο μήκος στελέχους 30 εκατοστά. Το κανάλι καθορίζεται να είναι θωρακισμένο ή μη θωρακισμένο συνεστραμμένου ζεύγους με χαρακτηριστική αντίσταση Ζ 0 = 120 Ω. Το πρότυπο ISO ορίζει σαν τοπολογία δικτύου μια απλή γραμμή συνεστραμμένου ζεύγους καλωδίων με τερματικές αντιστάσεις 120 Ω στα δύο άκρα, όπως φαίνεται στο Σχ.5.7. Η τιμή αυτή ορίζεται ώστε να ταιριάζει στη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής και να αποφεύγονται ανακλάσεις του σήματος. Σύμφωνα με το ίδιο πρότυπο θα πρέπει να αποφεύγεται η τοποθέτηση τερματικών αντιστάσεων στους κόμβους του δικτύου, καθώς σε περίπτωση αποσύνδεσης του συγκεκριμένου κόμβου από το δίκτυο, οι γραμμές του καναλιού θα χάσουν τον τερματισμό τους. Οι δύο γραμμές σήματος του καναλιού, η υψηλή και η χαμηλή στάθμη (CANHκαι CANL αντίστοιχα) βρίσκονται πολωμένες παθητικά και συμμετρικά περίπου στα 2.5V. Η υψηλή στάθμη του καναλιού CANH βρίσκεται περίπου 1 V υψηλότερα, στα 3.5 V, ενώ η χαμηλή στάθμη του καναλιού βρίσκεται περίπου 1 V χαμηλότερα στο 1.5 V, δημιουργώντας έτσι ένα τυπικό διαφορικό σήμα 2 V όπως φαίνεται και στο Σχ Σχ Επικρατούσες και υπολειπόμενες καταστάσεις του καναλιού CAN. Το πρωτόκολλο CAN ορίζει ένα επικοινωνιακό δίκτυο που συνδέει όλους τους κόμβους του δικτύου και τους επιτρέπει να ανταλλάσουν πληροφορίες μεταξύ τους. 78

93 Η ύπαρξη κάποιου κεντρικού κόμβου είναι δυνατή, αλλά όχι απαραίτητη. Όλοι οι κόμβοι μπορούν να προστίθενται στο δίκτυο ανά πάσα χρονικοί στιγμή, ακόμη και όταν το δίκτυο βρίσκεται σε λειτουργία (δυνατότητα hot-plugging). Στο Σχ. 5.9 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα της λειτουργίας ενός δικτύου CAN. Ο κόμβος Α τελειώνει την αποστολή του μηνύματος μόλις λάβει μηνύματα αναγνώρισης από τους κόμβους B και C ότι η αποστολή ήταν επιτυχής. Έπειτα ξεκινά η διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας ανάμεσα στους κόμβους B και C. Ο κόμβος C κερδίζει την προτεραιότητα και προχωρά στην αποστολή του μηνύματος. Σχ Παράδειγμα μετάδοσης μηνυμάτων σε κανάλι CAN Ελεγκτής CAN Ο ecan είναι ένας CAN ελεγκτής με εσωτερική αρχιτεκτονική 32-bit και αποτελείται από τον πυρήνα του πρωτοκόλλου CAN (CAN Protocol Kernel-CPK) και τον ελεγκτή μηνύματος, ο οποίος περιλαμβάνει: Τη μονάδα διαχείρισης μνήμης (Memory Management Unit-MMU), συμπεριλαμβανομένης της διεπαφής με την κεντρική μονάδα επεξεργασίας του μικροεπεξεργαστή και τη μονάδα διαχείρισης χρονισμού. Θέσεις RAM που επιτρέπουν την αποθήκευση 32 μηνυμάτων. Καταχωρητές ελέγχου και κατάστασης. Δύο βασικές λειτουργίες του CPK είναι να αποκωδικοποιεί όλα τα ληφθέντα μηνύματα που λαμβάνονται μέσω του καναλιού CAN και να μεταφέρει αυτά τα μηνύματα στη ζώνη λήψης (receive buffer). Άλλη λειτουργία του CPK είναι να μεταδίδει μηνύματα στο κανάλι CAN σύμφωνα με το πρωτόκολλο CAN. 79

94 Ο ελεγκτής μηνύματος ενός ελεγκτή CAN είναι υπεύθυνος για τον καθορισμό της διατήρησης ή της απόρριψης ενός μηνύματος από την CPU. Στη φάση αρχικοποίησης η CPU προσδιορίζει στον ελεγκτή μηνύματος όλα τα πεδία ταυτοποίησης που χρησιμοποιούνται από την εφαρμογή. Ο ελεγκτής μηνύματος είναι επίσης υπεύθυνος για την αποστολή στο CPK του επόμενου μηνύματος προς μετάδοση, σύμφωνα με την προτεραιότητα των μηνυμάτων. Ο ελεγκτής ecan παρέχει στην CPU πλήρη λειτουργικότητα του πρωτοκόλλου CAN. Παράλληλα ελαχιστοποιεί το επικοινωνιακό φορτίο της CPU και ενισχύει το δίκτυο CAN παρέχοντας επιπλέον χαρακτηριστικά. Μετά τη λήψη ενός έγκυρου μηνύματος μέσω του από τον CPK, η μονάδα ελέγχου λήψης του ελεγκτή μηνύματος καθορίζει αν το μήνυμα πρέπει να αποθηκευτεί σε μία από τις 32 θέσεις μνήμης RAM. Η μονάδα ελέγχου λήψης ελέγχει την κατάσταση, το πεδίο ταυτοποίησης και τη μάσκα όλων των μηνυμάτων, έτσι ώστε να καθορίσει την κατάλληλη θέση μνήμης για την αποθήκευση του μηνύματος. Το ληφθέν μήνυμα αποθηκεύεται στην πρώτη θέση που περνά από κάποιο φιλτράρισμα αποδοχής. Αν δεν υπάρχει κάποια διαθέσιμη θέση μνήμης, το μήνυμα απορρίπτεται. Όταν κάποιο μήνυμα πρέπει να μεταδοθεί, ο ελεγκτής μηνύματος μεταφέρει το μήνυμα στη ζώνη μετάδοσης του CPK έτσι ώστε να ξεκινήσει η μετάδοση του στην επόμενη κατάσταση αδράνειας του καναλιού, εφόσον περάσει από τη διαδικασία διευθέτησης προτεραιότητας. Η μονάδα διαχείρισης χρονισμού περιλαμβάνει ένα μετρητή χρονικής αποτύπωσης (time-stamp) που τοποθετεί μια χρονική σφραγίδα σε όλα τα μηνύματα που λήφθηκαν ή μεταδόθηκαν. Επίσης, δημιουργεί μια διακοπή (interrupt) όταν κάποιο μήνυμα δεν έχει ληφθεί ή μεταδοθεί μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Το χαρακτηριστικό της χρονικής αποτύπωσης είναι διαθέσιμο μόνο σε λειτουργία ecan. Για να ξεκινήσει η αποστολή ενός μηνύματος, πρέπει το bit αίτησης μετάδοσης να τοποθετηθεί σε κάποιον καταχωρητή ελέγχου. Από εκεί και πέρα ολόκληρη η διαδικασία μετάδοσης και χειρισμού ενδεχόμενων λαθών πραγματοποιείται χωρίς την εμπλοκή της CPU του μικροεπεξεργαστή. Αν μια θέση μνήμης έχει οριστεί ως θέση λήψης, η CPU του μικροεπεξεργαστή μπορεί εύκολα να διαβάσει τα αποθηκευμένα σε αυτή δεδομένα χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες εντολές. Υπάρχει η δυνατότητα να προγραμματιστούν οι θέσεις μνήμες ώστε να στέλνουν ένα μήνυμα διακοπής στην CPU έπειτα από κάθε επιτυχημένη μετάδοση ή λήψη μηνύματος. Η αρχιτεκτονική ενός πλαισίου ecan (ecan module) παρουσιάζεται στο Σχ Όπως εξηγήθηκε, ο ελεγκτής CAN ανταλλάσει πληροφορίες με την CPU και με τον CPK. Ο CPK είναι συνδεδεμένος και ανταλλάσει δεδομένα με τον πομποδέκτη CAN που βρίσκεται συνδεδεμένος στο κανάλι. 80

95 Σχ Αρχιτεκτονική πλαισίου ecan Πειραματικά αποτελέσματα Θέλοντας να διερευνήσουμε τη δυνατότητα χρησιμοποίησης του CAN για την επικοινωνιακή σύνδεση και την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ μετατροπέων κατασκευάστηκε η πειραματική διάταξη που φαίνεται στο Σχ Ο κάθε μετατροπέας ελέγχεται μέσω ενός μικροεπεξεργαστή DSPTMS320F28335 ezdsp της Spectrum Digital. Ο συγκεκριμένος μικροεπεξεργαστής υποστηρίζει την επικοινωνία μέσω CAN, έχοντας ειδική θύρα για την σύνδεση ενός καναλιού CAN, όπως φαίνεται στο Σχ Για την υλοποίηση του προγράμματος που ορίζει την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των μικροεπεξεργαστών (και κατ επέκταση των μετατροπέων) χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα Matlab-Simulink, η οποία υποστηρίζει το πρωτόκολλο CAN. 81

96 TMS320F28335 ezdsp CAN BUS TMS320F28335 ezdsp ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σχ Πειραματική διάταξη για ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ μετατροπέων. Σχ Διάγραμμα μικροεπεξεργαστή DSPTMS320F28335 ezdsp. Ανάλογα με την προτεραιότητα που έχει δοθεί από το χρήστη του συστήματος, αντιλαμβανόμαστε ποια τιμή αντιστοιχεί σε κάθε μέγεθος. Ο κάθε μετατροπέας 82

97 στέλνει στον άλλο πληροφορίες για κάποια προσυμφωνημένα μεγέθη. Για να γίνει σωστά η επικοινωνία μεταξύ των κόμβων του συστήματος, θα πρέπει το πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος αποστολής του ενός κόμβου να είναι το ίδιο με το πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος λήψης του άλλου κόμβου και αντίστροφα. Σε περίπτωση παραπάνω από δύο κόμβων θα πρέπει να συμπίπτουν τα πεδία ταυτοποίησης των μηνυμάτων αποστολής και λήψης όλων των επιθυμητών κόμβων. Για παράδειγμα αν έχουμε σύστημα τριών κόμβων και ο κόμβος 1 θέλει να στείλει πληροφορίες σχετικά με κάποιο μέγεθος στους κόμβους 2 και 3 πρέπει τα πεδία ταυτοποίησης του μηνύματος λήψης και των κόμβων 2 και 3 να είναι ίδια με το πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος αποστολής του κόμβου 1. Αν με τη σειρά του ο κόμβος 3 θέλει να στείλει πληροφορίες σχετικά με κάποια μεγέθη μόνο στον κόμβο 2, το πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος αποστολής του κόμβου 3 θα πρέπει να είναι το ίδιο με το πεδίο ταυτοποίησης του μηνύματος λήψης του κόμβου 2 και διαφορετικό από το αντίστοιχο πεδίο του κόμβου 1. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ανταλλαγή πληροφοριών για δύο μεγέθη ανάμεσα σε δύο μετατροπείς. Επιλέχθηκε οι μετατροπείς να ανταλλάσουν πληροφορίες για τα ίδια μεγέθη ταυτόχρονα. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα Σχ και Σχ αντίστοιχα. Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 1 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για δύο μεγέθη. 83

98 Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 1 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για δύο μεγέθη. Παρατηρείται ότι ο κάθε κόμβος λαμβάνει σωστά τις πληροφορίες που στέλνει ο άλλος. Η αποστολή των τιμών πραγματοποιείται με ένα πακέτο. Επειδή το κάθε μήνυμα CAN έχει δυνατότητα αποστολής 64 bits (8 bytes), στην περίπτωση αυτή το κάθε μέγεθος έχει κωδικοποιηθεί ως αριθμός 32 bits. Σε διαφορετική περίπτωση θα υπήρχε περίοδος μηδενισμού του μηνύματος αποστολής, που θα μπορούσε να οδηγήσει σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Συνεπώς είναι πολύ σημαντικό να υπάρχει η σωστή κωδικοποίηση των δεδομένων που μεταδίδονται στο κανάλι και σωστή αποκωδικοποίηση της πληροφορίας από τον κάθε κόμβο λήψης. Παρατηρούμε ότι τα δεδομένα επαναλαμβάνονται περιοδικά. Αυτή η επανάληψη θα συνεχιστεί έως ότου σταλούν διαφορετικά δεδομένα του ίδιου τύπου (ίδιο πεδίο ταυτοποίησης) από τον έναν κόμβο στον άλλο. Με άλλα λόγια ο κάθε κόμβος λήψης λαμβάνει συνέχεια τα τελευταία έγκυρα δεδομένα από τον κάθε κόμβο αποστολής. Σημειώνεται ότι στο κανάλι μεταδόθηκαν κατά προτεραιότητα και τα δύο πακέτα πληροφορίας (μηνύματα) με βάση την προαναφερθείσα μέθοδο διευθέτησης προτεραιότητας. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανταλλαγή πληροφοριών για τέσσερα μεγέθη ανάμεσα στους δύο μετατροπείς. Επιλέχθηκε εκ νέου οι μετατροπείς να ανταλλάσουν πληροφορίες για τα ίδια μεγέθη ταυτόχρονα. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα Σχ.5.15 και Σχ αντίστοιχα. 84

99 Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 1 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για τέσσερα μεγέθη. Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 2 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για τέσσερα μεγέθη. Παρατηρείται εκ νέου ότι ο κάθε κόμβος λαμβάνει σωστά τις πληροφορίες που στέλνει ο άλλος. Και σε αυτήν την περίπτωση η αποστολή των τιμών πραγματοποιείται με ένα πακέτο. Λόγω των 64 bits δεδομένων του κάθε μηνύματος, σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει το κάθε δεδομένο να κωδικοποιηθεί ως αριθμός 16 bits. Σε περίπτωση κωδικοποίησης 8 bits θα υπήρχε περίοδος μηδενισμού του μηνύματος αποστολής, που θα μπορούσε να οδηγήσει σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Από την άλλη μεριά σε περίπτωση κωδικοποίησης ως αριθμό 32 bits θα είχαμε εσφαλμένη αποστολή. Παρατηρείται επίσης ότι και σε αυτήν την περίπτωση έχουμε επαναλαμβανόμενη λήψη των τελευταίων έγκυρων δεδομένων από τον κάθε κόμβο λήψης. Σημειώνεται τέλος, ότι στο κανάλι μεταδόθηκαν εκ νέου 85

100 κατά προτεραιότητα και τα δύο πακέτα πληροφορίας (μηνύματα) με βάση την προαναφερθείσα μέθοδο διευθέτησης προτεραιότητας. Τέλος πραγματοποιήθηκε ανταλλαγή πληροφοριών για οκτώ μεγέθη ανάμεσα στους δύο μετατροπείς. Επιλέχθηκε εκ νέου οι μετατροπείς να ανταλλάσουν πληροφορίες για τα ίδια μεγέθη ταυτόχρονα. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα Σχ και Σχ αντίστοιχα. Παρατηρείται εκ νέου ότι ο κάθε κόμβος λαμβάνει σωστά τις πληροφορίες που στέλνει ο άλλος. Και σε αυτήν την περίπτωση η αποστολή των τιμών πραγματοποιείται με ένα πακέτο. Λόγω των 64 bits δεδομένων του κάθε μηνύματος, σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει το κάθε δεδομένο να κωδικοποιηθεί ως αριθμός 8 bits. Σε περίπτωση διαφορετικής κωδικοποίησης (16 ή 32 bits) θα υπήρχε εσφαλμένη αποστολή. Παρατηρείται επίσης ότι και σε αυτήν την περίπτωση έχουμε επαναλαμβανόμενη λήψη των τελευταίων έγκυρων δεδομένων από τον κάθε κόμβο λήψης. Σημειώνεται τέλος, ότι στο κανάλι μεταδόθηκαν εκ νέου κατά προτεραιότητα και τα δύο πακέτα πληροφορίας (μηνύματα) με βάση την προαναφερθείσα μέθοδο διευθέτησης προτεραιότητας. Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 1 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για οκτώ μεγέθη. 86

101 Σχ Δεδομένα που λαμβάνει ο κόμβος 2 στην περίπτωση ανταλλαγής πληροφοριών για οκτώ μεγέθη. Τέλος μια γενικότερη παρατήρηση είναι ότι οι μεταδιδόμενοι αριθμοί δεν πρέπει να έχουν τιμή μεγαλύτερη από 255 (2 8 συμπεριλαμβανομένης της μηδενικής στάθμης), καθώς δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί η μετάδοσή τους. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [5.1] Z. Pourmirza, J. M. Brooke, Integration of Wireless Sensor Networks and Local Computational Unit in the Communication Network of the Smart Grid, In Proceedings of the 1 st Conference on Applied Radio Systems Research for Postgraduates and Young Researchers, Manchester, [5.2] P. Ghune, R. N. Ghune, P. Pandey, P, Mishra, Application of Wireless Sensor Network in Smart Grid- Opportunities, Challenges & Technologies Available (A Survey), International Journal on Advanced Computer Theory an Engineering (IJACTE), Vol. 2, Issue 5, pp 11-18, [5.3] S. Corrigan, Introduction to the Controller Area Network (CAN), Application report, Texas Instruments, [5.4] TMS 320F2833x, 2823x Enhanced Controller Area Network (ecan), Reference Guide, Texas Instruments, [5.5] 87

102 88

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6- ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ 6.1 Εισαγωγή Η σύνδεση ηλεκτρονικών μετατροπέων στο δίκτυο, ειδικότερα στη μέση και την υψηλή τάση, απαιτεί σωστό συγχρονισμό μεταξύ του μετατροπέα και του δικτύου. Για να συγχρονιστεί ένας μετατροπέας σε κάποιο δίκτυο πρέπει οι τάσεις του δίκτυου και της εξόδου του μετατροπέα να ικανοποιούν τις εξής συνθήκες: Να έχουν την ίδια συχνότητα. Να έχουν το ίδιο μέτρο. Να έχουν την ίδια φασική γωνία. Σε περίπτωση τριφασικών δικτύων να έχουν την ίδια φασική ακολουθία. Στην πραγματικότητα επειδή είναι σχεδόν αδύνατη η πλήρης ταύτιση του πλάτους, της φασικής γωνίας και της συχνότητας των δύο τάσεων χρησιμοποιούνται κάποια περιθώρια σφάλματος για το συγχρονισμό. Σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς για να συγχρονιστεί ένας μετατροπέας με το δίκτυο θα πρέπει: Η διαφορά των ενεργών τιμών του πλάτους των δύο σημάτων να μη ξεπερνά το 5%. Άρα σε περίπτωση δικτύου 230 V rms, πρέπει η rms τιμή της τάσης εξόδου του μετατροπέα να είναι 230±11.5 V. Η διαφορά στη συχνότητα μεταξύ των δύο σημάτων να μην είναι μεγαλύτερη από 0.1 Hz. Άρα σε περίπτωση δικτύων συχνότητα 50 Hz, η συχνότητα της τάσης εξόδου του μετατροπέα θα πρέπει να είναι 50±0.1 Hz. Η διαφορά μεταξύ των φασικών διαφορών των δύο σημάτων δε θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 10⁰. Συνήθως ο συγχρονισμός εκτελείται σύμφωνα με τη φασική γωνία της τάσης του δικτύου. Το σήμα αυτό συχνά παρουσιάζει αρμονικές ή άλλες μορφές παραμόρφωσης. Συνεπώς μια λειτουργική μέθοδος συγχρονισμού πρέπει να ανιχνεύει όσο το δυνατόν γρηγορότερα τη φασική γωνία της τάσης του δικτύου, εξαλείφοντας επαρκώς τις επιπτώσεις των διαταραχών στο σήμα. Η αυξανόμενη χρήση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής στο δίκτυο διανομής, αυξάνει την ανάγκη για βελτιωμένες τεχνικές συγχρονισμού των μετατροπέων στο δίκτυο. Μια μονάδα συνδεδεμένη στο δίκτυο πρέπει να έχει τη δυνατότητα λειτουργίας και συγχρονισμού σε διασυνδεδεμένη με το δίκτυο και σε απομονωμένη λειτουργία, κάτω από οποιεσδήποτε επικρατούσες συνθήκες δικτύου. Για αυτόν το λόγο έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές συγχρονισμού μετατροπέων στο δίκτυο. Οι κυριότερες από αυτές θα παρουσιαστούν παρακάτω. 89

104 6.2 Συγχρονισμός με ανταλλαγή ισχύος Ένας από τους τρόπους για να πραγματοποιηθεί συγχρονισμός μεταξύ ενός μετατροπέα και του δικτύου είναι η ανταλλαγή ισχύος μεταξύ τους Μηχανισμός συγχρονισμού δύο σύγχρονων μηχανών Για την καλύτερη αντίληψη του φαινομένου του ηλεκτρικού συγχρονισμού ισχύος παρουσιάζεται ο μηχανισμός συγχρονισμού ισχύος μεταξύ δύο σύγχρονων μηχανών (Synchronous Machine- SM) σε εναλλασσόμενο σύστημα. Το σύστημα των δύο μηχανών παρουσιάζεται στο Σχ Η μηχανή SM 1 λειτουργεί σαν γεννήτρια, ενώ η SM 2 σαν κινητήρας. Η επαγωγική αντίδραση X εκφράζει το άθροισμα των επαγωγικών αντιδράσεων των δύο μηχανών και της γραμμής διασύνδεσης. Όλες οι ωμικές αντιστάσεις και οι υπόλοιπες μορφές απόσβεσης παραλείπονται. Αρχικά θεωρείται ότι οι δύο μηχανές λειτουργούν στη μόνιμη κατάσταση. Οι φάσορες E 1 και E 2 αντιστοιχούν στις ανά φάση εσωτερικές ηλεκτρεγερτικές δυνάμεις των δύο μηχανών αντίστοιχα. Οι E 1 και E 2 θεωρούνται σταθερές, ακόμα και κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων. Σχ Σύστημα δύο σύγχρονων μηχανών. Η ενεργός ισχύς που μεταφέρει από τη μηχανή SM 1 στην SM 2 δίνεται από τη σχέση: P = E 1E 2 X sin θ (6.1) όπου θ η ηλεκτρική γωνία ανάμεσα στις τάσεις E 1 και E 2. Θεωρούμε ότι η μηχανική ροπή T m1 της SM 1 αυξάνεται για κάποιο μικρό χρονικό διάστημα και έπειτα επανέρχεται στην αρχική της τιμή. Ως συνέπεια της παροδικής αύξησης της T m1, η μηχανική γωνία του δρομέα της SM 1 αυξάνεται, όπως φαίνεται από την εξίσωση ταλάντωσης της σύγχρονης γεννήτριας: J 1 dω m1 dt = T m1 T e1 (6.2) όπου J 1 είναι η συνολική ροπή αδράνειας του συστήματος του άξονα της SM 1, ω m1 είναι η ταχύτητα του δρομέα της SM 1 και T e1 είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή της SM 1. Εφόσον η ηλεκτρεγερτική δύναμη μιας σύγχρονης μηχανής είναι στενά συνδεδεμένη με τη θέση του δρομέα της, η αύξηση της μηχανικής γωνίας του δρομέα της SM 1 προκαλεί αύξηση της φασικής γωνίας της E 1. Λόγω της αύξησης της φασικής γωνίας της E 1, η φασική διαφορά των E 1 και E 2 αυξάνεται (γωνία ισχύος θ). Σύμφωνα με τη σχέση (6.1) η αύξηση της γωνίας θ μεταφράζεται σε αύξηση της 90

105 μεταφερόμενης ηλεκτρικής ισχύος από την SM 1 στην SM 2. Το γεγονός αυτό προκαλεί αύξηση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής T e2 της SM 2. Θεωρώντας σταθερή μηχανική ροπή T m2 για την SM 2, ο δρομέας της SM 2 ξεκινά να επιταχύνεται, όπως ορίζεται από την εξίσωση ταλάντωσης του σύγχρονου κινητήρα: J 2 dω m2 dt = T e2 T m1 (6.3) όπου J 2 είναι η συνολική ροπή αδράνειας του συστήματος του άξονα της SM 2, ω m2 είναι η ταχύτητα του δρομέα της SM 2. Όταν ο δρομέας της SM 2 αρχίσει να επιταχύνεται, το ίδιο θα συμβεί με τη φασική γωνία της E 2. Η αύξηση της φασική γωνίας της E 2 έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της γωνίας ισχύος θ. Μετά από κάποιο μεταβατικό χρονικό διάστημα η γωνία θ, και συνεπώς η μεταφερόμενη ισχύς από την SM 1 στην SM 2, θα επανέλθει στην αρχική της τιμή. Άρα το σύστημα επανέρχεται στη μόνιμη κατάσταση. Το σημαντικότερο συμπέρασμα αυτής της γνωστής διαδικασίας συγχρονισμού είναι ότι ο συγχρονισμός επιτυγχάνεται μέσω μεταφοράς ισχύος. Η ίδια μέθοδος συγχρονισμού χρησιμοποιείται σε μεγάλα συστήματα διασυνδεδεμένων σύγχρονων μηχανών. Έχοντας αυτήν την εμπειρία είναι λογικό να γίνουν προσπάθειες επέκτασης της μεθόδου για το συγχρονισμό μετατροπέων Έλεγχος συγχρονισμού ισχύος μετατροπέων Από την παραπάνω διαδικασία παρατηρούμε ότι κατά τη μεταφορά ισχύος υπάρχει ροή ρεύματος ανάμεσα στα εμπλεκόμενα στοιχεία. Γενικά η τιμή του ρεύματος αυτού είναι άγνωστη. Άρα με τη μέθοδο του συγχρονισμού με έλεγχο ισχύος δεν είναι απαραίτητη η χρήση εσωτερικού βρόχου ελέγχου του ρεύματος. Η ενεργός ισχύς εξόδου του μετατροπέα ελέγχεται απευθείας από το βρόχο συγχρονισμού της ισχύος που παρουσιάζεται στο Σχ Σχ Βρόχος συγχρονισμού ισχύος. Ο νόμος ελέγχου για την περίπτωση συγχρονισμού μετατροπέα προτείνεται ως εξής: dδθ dt = K Ρ(P ref P) (6.4) όπου P ref είναι η αναφορά ενεργού ισχύος, Ρ η μετρούμενη ενεργός ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα, K Ρ το κέρδος του ελεγκτή και Δθ είναι η έξοδος του ελεγκτή. Η έξοδος Δθ παρέχει την απαιτούμενη πληροφορία για το συγχρονισμό του μετατροπέα. Η δυναμική διαδικασία συγχρονισμού μετατροπέα σε δίκτυο με τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι παρόμοια με αυτήν για τη σύνδεση δύο σύγχρονων μηχανών που περιγράφηκε προηγουμένως. Η μεταφερόμενη ισχύς αυξάνεται η μειώνεται 91

106 αλλάζοντας το φάσορα της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Όμως, αυτός ο νόμος ελέγχου δεν είναι ακριβές αντίγραφο της εξίσωσης ταλάντωσης της σύγχρονης μηχανής. Στην περίπτωση των σύγχρονων μηχανών η αλλαγή της ηλεκτρική γωνίας της αναφοράς ενεργού ισχύος πραγματοποιείται μέσω της δυναμικής συμπεριφοράς του δρομέα, ενώ στην περίπτωση του μετατροπέα επιτυγχάνεται εύκολα μέσω μιας απλής διαδικασίας ολοκλήρωσης. Η συνάρτηση μεταφοράς J Pθ (s) είναι η συνάρτηση μεταφοράς του εναλλασσόμενου συστήματος από το Δθ στο ΔΡ. Ουσιαστικά η J Pθ (s) αποτελεί τη σύζευξη της μεταβολής της ισχύος με τη μεταβολή της γωνίας. Η σύζευξη αυτή υφίσταται στη σύγχρονη μηχανή και εκφράζεται από την αδράνεια του άξονα της. Στην περίπτωση του μετατροπέα δεν υπάρχει ροπή αδράνειας λόγω απουσίας κινούμενων μερών. Έτσι η προαναφερθείσα σύζευξη εκφράζεται μέσω της συνάρτησης μεταφοράς J Pθ (s). Το απλοποιημένο διάγραμμα για την σύνδεση ενός μετατροπέα στο δίκτυο φαίνεται στο Σχ Σχ Απλοποιημένο διάγραμμα σύνδεσης μετατροπέα στο δίκτυο. Αντίστοιχα με την περίπτωση των σύγχρονων μηχανών η ροή ισχύος ανάμεσα στο μετατροπέα και το δίκτυο θα δίνεται από την σχέση: P = EV X sin θ (6.5) όπου E, V είναι οι φασικές τάσεις του δικτύου και της εξόδου του μετατροπέα αντίστοιχα και X η αντίδραση της γραμμής διασύνδεσης. Η διαδικασία συγχρονισμού είναι ίδια όπως και στην περίπτωση δύο σύγχρονων μηχανών. 6.3 Συγχρονισμός με εύρεση φασικής γωνίας Το κρισιμότερο σήμα για τον συγχρονισμό ενός μετατροπέα στο δίκτυο είναι η φάση του σήματος της τάσης του δικτύου. Αυτό συμβαίνει καθώς γνωρίζοντας τη φασική γωνία θ ενός σήματος, ουσιαστικά έχουμε την πληροφορία για τη συχνότητα του σήματος (ω = dθ dt ). Μια από τις απλούστερες μεθόδους για την απόκτηση της πληροφορίας της φάσης ενός σήματος είναι η εύρεση των σημείων μηδενισμού του (zero crossing method). Όμως, τα σημεία μηδενισμού μπορούν να παρατηρηθούν μόνο κάθε μισό κύκλο του σήματος αναφοράς. Κατά συνέπεια η δυναμική συμπεριφορά αυτής της μεθόδου είναι αρκετά χαμηλή, καθιστώντας τη χρήση της σε εφαρμογές συγχρονισμού μετατροπέων σε δίκτυο προβληματική. 92

107 Για αυτό το λόγο έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι συγχρονισμού που ως στόχο έχουν την εξασφάλιση της σωστής και ακριβούς τιμής της φασικής γωνίας της τάσης του δικτύου. Οι κυριότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται κατηγοριοποιούνται σε μεθόδους ανοικτού και κλειστού βρόχου Μέθοδοι συγχρονισμού ανοικτού βρόχου Φιλτράρισμα στο αβ πλαίσιο αναφοράς Η φασική γωνία της τάσης του δικτύου μπορεί να ληφθεί σχετικά εύκολα με φιλτράρισμα του σήματος της τριφασικής τάσης δικτύου. Στη μέθοδο αυτή το φιλτράρισμα γίνεται στο αβ στατικό πλαίσιο αναφοράς. Στο Σχ. 6.4 φαίνεται η μέθοδος απόκτησης της πληροφορίας για τη φασική γωνία τριφασικής τάσης στο στατικό πλαίσιο αναφοράς. Σχ Μέθοδος απόκτησης πληροφορίας για την φασική γωνία τριφασικής τάσης με χρήση φιλτραρίσματος στο στατικό πλαίσιο αναφοράς. Αρχικά η τριφασική τάση του δικτύου μετασχηματίζεται στο αβ πλαίσιο αναφοράς χρησιμοποιώντας τον κατάλληλο πίνακα μετασχηματισμού. Έπειτα πραγματοποιείται φιλτράρισμα και στα δύο στοιχεία της τάσης με τη χρήση κατάλληλων φίλτρων. Τα χρησιμοποιούμενα φίλτρα μπορούν να είναι απλά κατωδιαβατά φίλτρα, φίλτρα συντονισμού, φίλτρα διανυσμάτων κατάστασης (space vector filter) κ.α.. Είναι γνωστό ότι η διαδικασία του φιλτραρίσματος δημιουργεί καθυστέρηση, γεγονός απαράδεκτο για την εφαρμογή του συγχρονισμού. Συνεπώς είναι απαραίτητος ο κατάλληλος σχεδιασμός του φίλτρου. Μια άλλη εναλλακτική είναι η αντιστάθμιση της καθυστέρησης του που εισάγει το φίλτρο. Αυτό μπορεί να γίνει με τη χρήση ενός PI ελεγκτή που θα παρακολουθεί τη μία από τις δύο συνιστώσες της τάσης και θα διορθώνει τη μετατόπιση που επιφέρουν τα φίλτρα. Φιλτράρισμα στο dq πλαίσιο αναφοράς Χρησιμοποιώντας παρόμοια λογική μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε φιλτράρισμα στο dq σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς. Η χρησιμοποιούμενη μέθοδος παρουσιάζεται στο Σχ. 6.5 Σχ Μέθοδος απόκτησης πληροφορίας για την φασική γωνία τριφασικής τάσης με χρήση φιλτραρίσματος στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. 93

108 Εφόσον οι συνιστώσες U d και U q της μετασχηματισμένης στο dq πλαίσιο αναφοράς τάσης του δικτύου είναι DC ποσότητες, μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτές οι περισσότερες τεχνικές φιλτραρίσματος. Η επιλογή του κατάλληλου φίλτρου εξαρτάται από την εφαρμογή. Παρατηρούμε ότι σε αυτήν τη μέθοδο απαιτούνται δύο βαθμίδες μετασχηματισμού. Η τριφασική τάση μετασχηματίζεται πρώτα στο στατικό αβ πλαίσιο αναφοράς και μετά στο σύγχρονο dqπλαίσιο Μέθοδοι συγχρονισμού κλειστού βρόχου Η κυριότερη μέθοδος συγχρονισμού κλειστού βρόχου είναι η τεχνική βρόχου κλειδώματος φάσης (Phase Locking Loop-PLL). Γενικά το PLL μπορεί να χαρακτηριστεί σαν μια συσκευή που προκαλεί ένα σήμα να ακολουθεί κάποιο άλλο. Το σήμα εξόδου του PLL είναι συγχρονισμένο τόσο σε φασική γωνία όσο και σε συχνότητα με το σήμα αναφοράς στην είσοδο του PLL. Με άλλα λόγια το PLL είναι ένας αλγόριθμος που ουσιαστικά κλειδώνει τη φασική γωνία του σήματος εξόδου σε αυτή του σήματος εισόδου. Το τυπικό μπλοκ διάγραμμα και ο τυπικός βρόχος ελέγχου ενός PLL παρουσιάζονται στα Σχ. 6.6 και 6.7 αντίστοιχα. Η φασική διαφορά μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου υπολογίζεται από τον ανιχνευτή φάσης (phase detector) και περνά μέσα από το βρόχο φιλτραρίσματος (loop filter). Το σήμα σφάλματος e οδηγεί έναν ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή (Voltage-Controlled Oscillator-VCO), που παράγει το σήμα εξόδου. Ο ανιχνευτής φάσης μπορεί απλά να είναι ένας πολλαπλασιαστής. Η έξοδος του βρόχου φιλτραρίσματος είναι μια μέτρηση της πραγματικής διαφοράς φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου. Ιδανικά το σήμα σφάλματος είναι ένα μικρό ποσοστό της πραγματικής διαφοράς φάσης μεταξύ των σημάτων. Input Phase Detector Scheme Loop Filter VCO Σχ Τυπικό μπλοκ διάγραμμα PLL. Σχ Τυπικός βρόχος ελέγχου PLL. Πολλοί διαφορετικοί τύποι PLL έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί. Οι κυριότεροι αναλύονται παρακάτω. 94

109 Χρησιμοποίηση SRF-PLL Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η χρήση PLL στο σύγχρονο dq πλαίσιο αναφοράς (SRF-PLL). Το Σχ. 6.8 παρουσιάζει ένα παράδειγμα χρήσης του SRF-PLL για σύνδεση μετατροπέα στο δίκτυο. Σχ Παράδειγμα χρήσης SRF-PLLγια σύνδεση μετατροπέα στο δίκτυο. Όπως παρατηρείται από το Σχ. 6.8 χρησιμοποιείται μετασχηματισμός δύο βαθμίδων από το abc τριφασικό σύστημα αναφοράς στο σύγχρονο dq πλαίσιο αναφοράς μέσω του στατικού αβ πλαισίου αναφοράς. Το «κλείδωμα» του βρόχου επιτυγχάνεται θέτοντας την αναφορά για τον d άξονα στο μηδέν (V dc = 0). Ένας ρυθμιστής, συνήθως PI, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο αυτής της μεταβλητής και η έξοδος του ρυθμιστή είναι η συχνότητα της τάσης του δικτύου. Μετά την ολοκλήρωση της συχνότητας του δικτύου, λαμβάνεται η φασική γωνία της τάση του δικτύου, η οποία τροφοδοτείται στη μονάδα μετασχηματισμού από αβ σε dq πλαίσιο αναφοράς, ώστε να γίνει ο μετασχηματισμός στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. Αυτή η δομή του PLL αποτελείται από 2 κύρια μέρη, την ανίχνευση της φάσης και το βρόχο φιλτραρίσματος. Η ανίχνευση φάση μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας μετασχηματισμό από abc σε dq πλαίσιο αναφοράς. Από την άλλη πλευρά, ο βρόχος φιλτραρίσματος καθορίζει τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Συνεπώς το εύρος ζώνης του φίλτρου αποτελεί συμβιβασμό μεταξύ της επίδοσης του φίλτρου και του χρόνου απόκρισης. Άρα οι παράμετροι του βρόχου φιλτραρίσματος, έχουν σημαντική επίδραση στην ποιότητα και τη δυναμική συμπεριφορά του PLL. Χρησιμοποίηση ΕPLL Ο βελτιωμένος βρόχος κλειδώματος φάσης (Enhanced PLL-EPLL) είναι μια σχετικά πρόσφατη τεχνική που βασίζεται σε μη γραμμικό δυναμικό σύστημα. Συγκρινόμενο με άλλες μεθόδους συγχρονισμού το EPLL λιγότερη ευαισθησία στο θόρυβο και σε διαταραχές αρμονικής παραμόρφωσης. Βασικό πλεονέκτημα του EPLL είναι η προσαρμοστικότητα που παρουσιάζει στη συχνότητα. Το χαρακτηριστικό αυτό επιτρέπει στο EPLL να παρουσιάζει ικανοποιητική συμπεριφορά σε περιπτώσεις που η κεντρική συχνότητα της φάσης του δικτύου δεν είναι σταθερή. Το EPLL είναι κατάλληλο για εφαρμογές σε συστήματα ενέργειας αφού όχι μόνο παρέχει ένα σήμα εξόδου του οποίου η φάση είναι «κλειδωμένη» στο σήμα εισόδου, αλλά το σήμα εξόδου είναι επίσης «κλειδωμένο» στη συχνότητα και το πλάτος της 95

110 βασικής αρμονικής του σήματος εισόδου. Με άλλα λόγια το EPLL μπορεί να παρέχει μια on-line εκτίμηση της θεμελιώδους αρμονικής του σήματος εισόδου, ακολουθώντας παράλληλα τις μεταβολές του σε πλάτος, φάση και συχνότητα. Επίσης το EPLL μπορεί να παρέχει και το ορθογώνιο σήμα, που παρουσιάζει διαφορά φάσης 90⁰ σε σχέση με το σήμα εισόδου. Η δομή του EPLL παρουσιάζεται στο Σχ Παρατηρούμε ότι τα βασικά στοιχεία της δομής του PLL τηρούνται και στο EPLL. Το σήμα εισόδου u(t) συγκρίνεται με την εξαγόμενη ομαλή έκδοση του y(t), ώστε να δημιουργηθεί ένα σήμα λάθους e(t). Το σήμα e(t) χρησιμοποιείται από το φίλτρο (LF) για τη δημιουργία του σήματος οδήγησης για τον ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή (VCO). Η βασική δομή του Σχ. 6.9 έχει τρεις βασικές παραμέτρους: K, K p K u, K i K u. Η παράμετρος K ελέγχει κυρίως την ταχύτητα σύγκλισης του πλάτους. Οι παράμετροι K p K u και K i K u ελέγχουν το ρυθμό σύγκλισης της φάσης και της συχνότητας αντίστοιχα. Όταν το σήμα της φάσης του δικτύου έχει υποστεί διαταραχές, μπορεί να ενσωματωθεί μετά τη μονάδα ολοκλήρωσης του VCO ένα κατωδιαβατό φίλτρο για την απόκτηση ομαλότερης εκτίμησης της φασικής γωνίας. Σχ Δομή EPLL. Το EPLL είναι εφαρμόσιμο σε μονοφασικό συστήματα. Για τη χρησιμοποίηση του EPLL σε τριφασικές εφαρμογές, συνδέονται μεταξύ τους τέσσερα παρόμοια EPLL, όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Χρήση EPLL για τριφασικά συστήματα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μια τριφασική δομή EPLL για εφαρμογές συγχρονισμού σε τριφασικά συστήματα. 96

111 Λόγω της ανάγκης για σωστό και γρήγορο συγχρονισμό μονάδων στο δίκτυο, έχουν προταθεί κατά καιρούς πολλές διαφορετικές μέθοδοι συγχρονισμού κλειστού βρόχου. Η πλειοψηφία αυτών είναι PLL μέθοδοι, όμως έχουν προταθεί και διαφορετικές προσεγγίσεις όπως για παράδειγμα βρόχοι «κλειδώματος» συχνότητας (Frequency Locking Loop-FLL). Καινούργιες προτάσεις προσπαθούν να ελέγχουν προσαρμοστικά το «κλείδωμα» της φασικής γωνίας. Η κατηγορία αυτή αποτελεί τους προσαρμοστικούς βρόχους «κλειδώματος» φάσης (Adaptive PLL). Επίσης έχουν προταθεί μέθοδος διπλού βρόχου «κλειδώματος» φάσης στο σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς (Double SRF-PLL), για βελτίωση της συμπεριφοράς του SRF-PLL χρησιμοποιώντας απόζευξη μεταξύ των αξόνων d και q. Τέλος, αρκετά ευρεία εφαρμογή έχουν οι βρόχοι «κλειδώματος» φάσης και συχνότητας που χρησιμοποιούν γενικευμένη ολοκλήρωση δευτέρας τάξης (SOGI- PLL/FLL). Οι συγκεκριμένοι βρόχοι έχουν τη δυνατότητα να προσδιορίσουν τη φασική γωνία της τάσης του δικτύου στο στατικό σύστημα αναφοράς. 6.4 Χρησιμοποιούμενη μέθοδος συγχρονισμού Για το συγχρονισμό στο δίκτυο του εργαστηριακού μετατροπέα που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4 μελετήθηκε η διεθνής βιβλιογραφία και αξιοποιήθηκαν οι βασικές αρχές που εξάγονται από αυτήν. Για την επίτευξη του συγχρονισμού παρεμβλήθηκε ανάμεσα στο μετατροπέα και το δίκτυο ένας συγχρονιστής (synchronizer). Η συσκευή αυτή δέχεται στα άκρα της τις δύο τάσεις που θέλουμε να συγχρονίσουμε και ελέγχει αν πληρούνται οι προϋποθέσεις συγχρονισμού. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι συνθήκες για συγχρονισμό είναι οι δύο τάσεις να έχουν ίδιο μέτρο, ίδια συχνότητα και φασική γωνία. Επειδή ο προτεινόμενος μετατροπέας είναι μονοφασικός, ο συγχρονισμός θα πραγματοποιηθεί σε μία φάση της τάσης του δικτύου. Άρα για τις συνθήκες συγχρονισμού δεν λαμβάνεται υπόψη η ακολουθία των τάσεων του δικτύου. Εφόσον πληρούνται οι αναγκαίες συνθήκες, ο συγχρονιστής δίνει εντολή (μέσω λογικής στάθμης 1 ) για συγχρονισμό με το δίκτυο. Για επιπλέον ασφάλεια έχει προστεθεί ρελαί για χειροκίνητο συγχρονισμό. Μόλις οι δύο τάσεις είναι έτοιμες για συγχρονισμό ο επεξεργαστής του συγχρονιστή δίνει την πληροφορία στο μετατροπέα και ο χειριστής πατάει το κουμπί συγχρονισμού ώστε να κλείσουν οι επαφές του ρελαί και να κλείσει το κύκλωμα. Το κυκλωματικό διάγραμμα που εξηγεί την προαναφερθείσα διαδικασία παρουσιάζεται στο Σχ Στο Σχ ο μετατροπέας έχει παρασταθεί σαν μία πηγή εναλλασσόμενης τάσης. 97

112 AC ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ AC ΔΙΚΤΥΟ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΤΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Σχ Σχηματικό διάγραμμα πειραματικής διάταξης και ακολουθούμενης μεθοδολογίας για τον συγχρονισμό του μετατροπέα στο δίκτυο. Ως συγχρονιστής χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο DKG-117 της εταιρίας DATAKOM. Το Σχ δείχνει την εξωτερική πλευρά του συγχρονιστή, την οποία βλέπει και ο χρήστης. Σχ Εξωτερική πλευρά του συγχρονιστή DKG-117. Όταν οι τάσεις του δικτύου (ένδειξη BUS) και του μετατροπέα (ένδειξη GEN) είναι ικανές για συγχρονισμό, ο χρήστης πατά το κουμπί SYNC και ο μετατροπέας συνδέεται στο δίκτυο. Η φωτεινή ένδειξη μπορεί να δείχνει τη διαφορά των ενεργών τιμών των δύο τάσεων, τη φασική του διαφορά και άλλα μεγέθη ανάλογα με την πληροφορία που θέλει να λάβει ο χρήστης. Για να μπορέσει ο μετατροπέας να δημιουργήσει μια τάση όμοια με αυτήν του δικτύου, λαμβάνεται σαν αναφορά η τάση του δικτύου. Οι πληροφορίες για την ενεργό τιμή, τη συχνότητα και τη φάση του 98

113 σήματος της τάσης του δικτύου διαβάζονται από τον μικροεπεξεργαστή και με τη χρήση του κατάλληλου προγράμματος σε λογισμικό οδηγούν το μετατροπέα με τη μεθοδολογία που αναλύθηκε στο κεφάλαιο 4. Συνεπώς, επιβάλλεται στο μετατροπέα έλεγχος τάσης που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία της κατάλληλης για συγχρονισμό με το δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης εξόδου. Όπως είναι λογικό ο έλεγχος τάσης αφορά την ενεργό τιμή, τη συχνότητα και τη φασική γωνία της κυματομορφής της παραγόμενης τάσης. Από τη στιγμή που πραγματοποιείται ο συγχρονισμός του μετατροπέα στο δίκτυο, ο συγχρονιστής στέλνει ένα λογικό σήμα στο μικροεπεξεργαστή που οδηγεί το μετατροπέα, που αφορά την αλλαγή του βρόχου ελέγχου του μετατροπέα. Πλέον ο έλεγχος που επιβάλλεται στο μετατροπέα δεν είναι έλεγχος τάσης, αλλά έλεγχος ισχύος. 6.5 Πειραματικά αποτελέσματα Για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργία της μεθόδου συγχρονισμού πραγματοποιήθηκε πειραματική σύνδεση του μετατροπέα στο δίκτυο. Στην έξοδο του μετατροπέα είναι συνδεδεμένο τοπικό φορτίο. Σύμφωνα με την προαναφερθείσα μεθοδολογία πριν πραγματοποιηθεί ο συγχρονισμός, ο μετατροπέας οδηγείται να έχει τάση ίδια με την τάση του δικτύου, ώστε με το χειροκίνητο πάτημα του κουμπιού συγχρονισμού να επέρχεται αυτόματα και χωρίς προβλήματα η σύνδεσή του στο δίκτυο. Αυτή η κατάσταση περιγράφεται στο Σχ Στο Σχ παρουσιάζεται η κατάσταση που επικρατεί στο σύστημα λίγο πριν το πάτημα του κουμπιού συγχρονισμού. Βλέπουμε ότι οι τάση του δικτύου και του μετατροπέα είναι σχεδόν ίδιες, ενώ υπάρχει και ροή ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα, λόγω του τοπικού φορτίου που τροφοδοτεί. Σχ Κατάσταση του συστήματος πριν το συγχρονισμό. 99

114 Έπειτα πατάμε το διακόπτη συγχρονισμού και ο μετατροπέας συνδέεται στο δίκτυο. Οι δύο τάσεις πλέον ταυτίζονται και υπάρχει ροή ρεύματος από τον αντιστροφέα στο δίκτυο. Αρχικά επιλέχθηκε ισχύς αναφοράς 200 W. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχ Σχ Κατάσταση του συστήματος μετά τον συγχρονισμό για έγχυση ισχύος 200 W από τον μετατροπέα στο δίκτυο. Όπως αναμενόταν οι τάσεις του δικτύου και του μετατροπέα σχεδόν συμπίπτουν, ενώ όπως είναι λογικό άλλαξε η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα. Με βάση τα αποτελέσματα του Σχ μπορούμε να πούμε ότι ο μετατροπέας συνδέεται επιτυχώς στο δίκτυο βάσει της ακολουθούμενης μεθοδολογίας και εγχέει σε αυτό σταθερή ισχύ 200 W. Στη συνέχεια αποσυγχρονιζόμαστε πατώντας εκ νέου το κουμπί συγχρονισμού και επανερχόμαστε σε μια κατάσταση παρόμοια με αυτήν που περιγράφεται από το Σχ Θέτουμε την επιθυμητή ισχύ έγχυσης στο δίκτυο στα 300W και ακολουθούμε ξανά την ίδια διαδικασία. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχ Σχ Κατάσταση του συστήματος μετά τον συγχρονισμό για έγχυση ισχύος 300 W από τον μετατροπέα στο δίκτυο. 100

115 Παρατηρούμε ότι ξανά ο μετατροπέας συγχρονίζεται επιτυχώς στο δίκτυο, αφού οι τάσεις του δικτύου και του μετατροπέα συμπίπτουν. Επίσης το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα έχει παρόμοια μορφή με αυτή του Σχ. 6.14, αλλά μεγαλύτερη ενεργό τιμή. Αυτό είναι λογικό καθώς αυξήθηκε η ενεργός ισχύς που δίνει ο μετατροπέας στο δίκτυο και η τάση εξόδου παραμένει στην ίδια τιμή με το προηγούμενο πείραμα. Συνεπώς για να ικανοποιηθεί η αύξηση της τιμής της εγχεόμενης ισχύος θα πρέπει να αυξηθεί η ενεργός τιμή του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα. Άρα σύμφωνα με τα αποτελέσματα του Σχ μπορούμε να πούμε ότι ο μετατροπέας συνδέεται επιτυχώς στο δίκτυο βάσει της ακολουθούμενης μεθοδολογίας και εγχέει σε αυτό σταθερή ισχύ 300 W. Έπειτα, γίνεται αποσυγχρονισμός όπως εξηγήθηκε προηγουμένως και ο μετατροπέας γυρίζει ξανά σε έλεγχο τάσης. Το σύστημα περιγράφεται ξανά από την κατάσταση του Σχ Τώρα ορίζεται τιμή εγχεόμενης ισχύος στο δίκτυο 400W και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχ Σχ Κατάσταση του συστήματος μετά τον συγχρονισμό για έγχυση ισχύος 400 W από τον μετατροπέα στο δίκτυο. Όπως φαίνεται από το Σχ υπάρχει πάλι επιτυχής συγχρονισμός και το ρεύμα εξόδου έχει την ίδια μορφή με αυτή των Σχ και 6.15 αλλά με υψηλότερη ενεργό τιμή. Όπως εξηγήθηκε και πρωτύτερα αυτό είναι λογικό λόγω περισσότερης μεταφερόμενης ισχύος από το μετατροπέα στο δίκτυο. Συνεπώς σύμφωνα με τα αποτελέσματα του Σχ ο μετατροπέας συνδέεται επιτυχώς στο δίκτυο βάσει της ακολουθούμενης μεθοδολογίας και εγχέει σε αυτό σταθερή ισχύ 400 W. Για επιπλέον επικύρωση της μεθοδολογίας συγχρονισμού, έγινε εκ νέου αποσυγχρονισμός του μετατροπέα από το δίκτυο και ορίστηκε νέα τιμή ισχύος 500 W. Και σε αυτήν την περίπτωση η κατάσταση του συστήματος πριν το συγχρονισμό περιγράφεται από το Σχ. 6.13, ενώ η κατάσταση μετά το συγχρονισμό παρουσιάζεται στο Σχ Παρατηρώντας το Σχ βλέπουμε ότι τα αποτελέσματα είναι παρόμοια με τα προηγούμενα πειράματα. Ο συγχρονισμός είναι επιτυχής, οι τάσεις του μετατροπέα και του δικτύου σχεδόν συμπίπτουν και τα ρεύμα εξόδου του μετατροπέα έχει την 101

116 ίδια μορφή, αλλά μεγαλύτερη ενεργό τιμή λόγω της αύξησης της ισχύος που εγχέεται στο δίκτυο. Με βάση τα παραπάνω, συμπεραίνουμε ότι ο μετατροπέας συνδέεται επιτυχώς στο δίκτυο βάσει της ακολουθούμενης μεθοδολογίας και εγχέει σε αυτό σταθερή ισχύ 500 W. Σχ Κατάσταση του συστήματος μετά τον συγχρονισμό για έγχυση ισχύος 500 W από τον μετατροπέα στο δίκτυο. Από τη σειρά των πειραμάτων που παρουσιάστηκε βλέπουμε ότι ακολουθώντας τη συγκεκριμένη μεθοδολογία υπάρχει δυνατότητα σωστού και γρήγορου συγχρονισμού του μετατροπέα στο δίκτυο, με ταυτόχρονο έλεγχο της ισχύος που εγχέει σε αυτό. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [6.1] I.D. Bouloumpasis, P.N. Vovos,K.G. Georgakas, N.A. Vovos, A method for power conditioner with harmonic reduction in microgrids, In Proceedings of the International Conference on Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ 14), Cordoba, [6.2] A. Timbus, R. Teodorescu, F. Blaabjerg, M. Liserre, Synchronization Methods for Three Phase Distributed Power Generation Systems. An Overview and Evaluation, In Proceedings of the Power Electronics Specialists Conference (PESC), pp , Recife, [6.3] F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre, A. V. Timbus, Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5, pp , [6.4] L. Zhang, L. Harnefors, H. P. Nee, Power-Synchronization Control of Grid- Connected Voltage Source Converters, IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 25, No 2, pp ,