Περιεχόµενα 1 Πρόλογος Εισαγωγή Τοπολογία της εγκατάστασης Συσσωρευτής Αντιστροφέας Φωτοβολταϊκά Αντιστροφέας...

Transcript

1 Περιεχόµενα 1 Πρόλογος Εισαγωγή Τοπολογία της εγκατάστασης Λειτουργία της εγκατάστασης Συσσωρευτής Αντιστροφέας Συσσωρευτής Αντιστροφέας Φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα Σύστηµα αυτοµάτου ελέγχου του αντιστροφέα Απώλειες του αντιστροφέα Φωτοβολταϊκά Αντιστροφέας Γενικά για Φωτοβολταϊκά Το φωτοβολταϊκό στοιχείο (PV cell) Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module) Φωτοβλταϊκό panel (PV panel) Φωτοβολταϊκή Συστοιχία (PV array) Σύνδεση των ΦΒ συστοιχιών στην εγκατάσταση Φωτοβολταϊκές συστοιχίες DC-DC µετατροπέας Αντιστροφέας Ισχύος PWM ελέγχου ρεύµατος µε βρόχο υστέρησης Απώλειες του αντιστροφέα Ανεµογεννήτρια Ροή ισχύος Ανεµοκινητήρας Πολλαπλασιαστής στροφών Ηλεκτρική γεννήτρια Ηλεκτρικό µέρος Ασύγχρονη γεννήτρια Προσοµοίωση µε το PSIM

2 7 Φορτίο Συνολική λειτουργία της εγκατάστασης Μετασχηµατιστές Γραµµές µεταφοράς Κυµατοµορφές η κατάσταση η κατάσταση η κατάσταση Συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Παράρτηµα Περιεχόµενα Σχηµάτων Σχήµα 3-1 Τοπολογία της εγκατάστασης... 9 Σχήµα 4-1 Κύκλωµα προσοµοίωσης συσσωρευτή-αντιστροφέα Σχήµα 4-2 Συσσωρευτής µε LC φίλτρο Σχήµα 4-3 Τριφασικός αντιστροφέας µε διακοπτικά στοιχεία Σχήµα 4-4 Τριγωνική κυµατοµορφή (u tr ) και σήµατα ελέγχου (u controla,b,c ) Σχήµα 4-5 Πολική τάση PWM στην έξοδο του αντιστροφέα, u AB =u AN -u BN Σχήµα 4-6 Ενεργός τιµή της h-οστής αρµονικής για διάφορα m a Σχήµα 4-7 Λόγος της ενεργού τιµής της 1 ης αρµονικής συναρτήσει του m a (για m f = 15) Σχήµα 4-8 Φίλτρο στην AC πλευρά του αντιστροφέα Σχήµα 4-9 Σύστηµα αυτοµάτου ελέγχου της τάσης του αντιστροφέα Σχήµα 4-10 PWM διαµόρφωση του αντιστροφέα µε µεταβλητό m a Σχήµα 4-11 Υπολογισµός απωλειών του αντιστροφέα Σχήµα 5-1 Φωτοβολταϊκό στοιχείο Σχήµα 5-2 Ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα φωτοβολταϊκού στοιχείου Σχήµα 5-3 Καµπύλες I-V ΦΒ στοιχείου για διάφορες τιµές της ακτινοβολίας Σχήµα 5-4 ΦΒ Στοιχείο-Πλαίσιο-Panel-Συστοιχία Σχήµα 5-5 ΦΒ Στοιχείο-Πλαίσιο Συστοιχία

3 Σχήµα 5-6 Σύνδεση φωτοβολταϊκών συστοιχιών µε την εγκατάσταση Σχήµα 5-7 Κύκλωµα προσοµοίωσης αντιστροφέα φωτοβολταϊκών Σχήµα 5-8 Κύκλωµα ελέγχου PLL Σχήµα 5-9 Κύκλωµα µέτρησης στιγµιαίας ενεργής και άεργου ισχύος Σχήµα 5-10 Υπολογισµός πλάτους και φάσης του ρεύµατος αναφοράς Σχήµα 5-11 Έλεγχος ζώνης ανοχής Σχήµα 5-12 Κύκλωµα προσοµοίωσης βρόχου υστέρησης για τη φάση a Σχήµα 5-13 Μέτρηση στιγµιαίας τιµής ρεύµατος και φασικής τάσης της φάσης a που χρησιµοποιούνται για το βρόχο υστέρησης Σχήµα 6-1 Τµήµατα µιας ανεµογεννήτριας Σχήµα 6-2 Συντελεστής C p συναρτήσει του λ για διάφορες γωνίες βήµατος έλικας. 41 Σχήµα 6-3 Ροή ισχύος από τον άνεµο µέχρι την έξοδο της ηλεκτρογεννήτριας Σχήµα 6-4 Ηλεκτρική ισχύς εξόδου µιας ανεµογεννήτριας P el συναρτήσει της ταχύτητας ανέµου u Σχήµα 6-5 Μαγνητικά πεδία της ασύγχρονης γεννήτριας για µικρή (a) και µεγάλη (b) ροπή δροµέα Σχήµα 6-6 Καµπύλη ροπής-στροφών µιας ασύγχρονης µηχανής Σχήµα 6-7 Ισοδύναµο κύκλωµα µιας ασύγχρονης γεννήτριας Σχήµα 6-8 Ισοδύναµο κύκλωµα ασύγχρονης γεννήτριας (αγνοούνται οι απώλειες σιδήρου) Σχήµα 6-9 Ισοδύναµο Thevenin µιας ασύγχρονης γεννήτριας Σχήµα 6-10 Ισοδύναµη σύνθετη αντίσταση του κυκλώµατος ασύγχρονης γεννήτριας Σχήµα 6-11 Κύκλωµα προσοµοίωσης ανεµογεννήτριας Σχήµα 7-1 Φορτίο Σχήµα 8-1 Κύκλωµα προσοµοίωσης της εγκατάστασης Σχήµα 8-2 Κύκλωµα µέτρησης στιγµιαίας άεργου ισχύος Σχήµα 8-3 Κύκλωµα ελέγχου της άεργου ισχύος που µπορεί να τροφοδοτήσει ο αντιστροφέας των φωτοβολταϊκών στην ασύγχρονη γεννήτρια Σχήµα 9-1 Μηχανική ροπή στον άξονα της ανεµογεννήτριας Σχήµα 9-2 Ενεργή ισχύς που παράγει η ανεµογεννήτρια Σχήµα 9-3 Άεργη ισχύς που καταναλώνει η ανεµογεννήτρια Σχήµα 9-4 Ενεργή ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης

4 Σχήµα 9-5 Άεργη ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης Σχήµα 9-6 Ενεργή ισχύς που αποθηκεύεται στον συσσωρευτή Σχήµα 9-7 DC ρεύµα συσσωρευτή Σχήµα 9-8 Ενεργή τιµή της πολικής τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-9 m a του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-10 Πολική τάση, τάση παραµόρφωσης και 1 η αρµονική της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-11 Φασική τάση, τάση παραµόρφωσης και 1 η αρµονική της τάσης στο φορτίο Σχήµα 9-12 Μηχανική ροπή στον άξονα της ανεµογεννήτριας Σχήµα 9-13 Ενεργή ισχύς που παράγει η ανεµογεννήτρια Σχήµα 9-14 Άεργη ισχύς που καταναλώνει η ανεµογεννήτρια Σχήµα 9-15 Ενεργή ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης Σχήµα 9-16 Άεργη ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης Σχήµα 9-17 Ενεργή ισχύς που αποθηκεύεται αρχικά και στη συνέχεια ανακτάται από τον συσσωρευτή Σχήµα 9-18 DC ρεύµα συσσωρευτή Σχήµα 9-19 Ενεργή τιµή της πολικής τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-20 m a του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-21 Πολική τάση, τάση παραµόρφωσης και 1 η αρµονική της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-22 Φασική τάση, τάση παραµόρφωσης και 1 η αρµονική της τάσης στο φορτίο Σχήµα 9-23 Ισχύς αναφοράς και πραγµατική ισχύς των Φ/Β Σχήµα 9-24 Ενεργή ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης Σχήµα 9-25 Άεργη ισχύς του κάθε τµήµατος της εγκατάστασης Σχήµα 9-26 Ενεργή ισχύς που αποθηκεύεται στον συσσωρευτή Σχήµα 9-27 DC ρεύµα συσσωρευτή Σχήµα 9-28 Ενεργή τιµή της πολικής τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα του συσσωρευτή Σχήµα 9-29 m a του αντιστροφέα του συσσωρευτή

5 Περιεχόµενα Πινάκων Πίνακας 3-1 Ισοζύγιο ενεργού και άεργου ισχύος στην εγκατάσταση Πίνακας 5-1 Λειτουργικές καταστάσεις διακοπτών και τιµές µονοφασικών τάσεων σε τριφασικό αντιστροφέα Πίνακας 6-1 Στοιχεία της ανεµογεννήτριας που χρησιµοποιείται στη προσοµοίωση 50 Πίνακας 8-1 Στοιχεία Μετασχηµατιστών Ισχύος Πίνακας 8-2 Στοιχεία Γραµµών Μεταφοράς

6 1 Πρόλογος Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται µια στροφή προς τις Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), πράγµα που οφείλεται όχι µόνο στο πεπερασµένο των συµβατικών (µη ανανεώσιµων) πηγών ενέργειας αλλά και στην ανάγκη µείωσης των δυσµενών επιπτώσεων από τη χρήση τους στο περιβάλλον. Η αιολική και ηλιακή ενέργεια είναι σήµερα οι ευρύτερα χρησιµοποιούµενες και οι µόνες µε τις οποίες παράγεται ηλεκτρική ενέργεια σε τιµές που θα µπορούσαν να συγκριθούν µε τις συµβατικές πηγές ενέργειας. Αν και τις περισσότερες φορές οι εγκαταστάσεις ΑΠΕ λειτουργούν συνδεδεµένες στο ηλεκτρικό δίκτυο και παράλληλα µε συµβατικούς σταθµούς, υπάρχουν περιπτώσεις που τροφοδοτούν αυτόνοµα κάποιο δίκτυο. Μια τέτοια περίπτωση µικρής κλίµακας αυτόνοµου δικτύου, µε 100% διείσδυση ΑΠΕ, σχεδιάζεται σε επίπεδο προσοµοίωσης στη διπλωµατική αυτή εργασία. Συγκεκριµένα χρησιµοποιούνται ανεµογεννήτριες και φωτοβολταϊκές συστοιχίες ως παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιµοποιούνται επίσης συσσωρευτές για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας και για την ανάκτησή της ώστε να τροφοδοτηθεί το φορτίο σε περίπτωση που οι εγκαταστάσεις ΑΠΕ δεν µπορούν να δώσουν ισχύ στο σύστηµα. Αναπόσπαστο κοµµάτι τέτοιων εγκαταστάσεων αποτελούν οι αντιστροφείς ισχύος. Η σχεδίαση εστιάζει στον έλεγχο των αντιστροφέων και την επιλογή των φίλτρων τους. Βασικός στόχος είναι να υπάρχει οµαλή ροή ενεργού και άεργου ισχύος στο σύστηµα ώστε να διατηρείται σταθερή η συχνότητα και το µέτρο της τάσης. Επιπλέον στόχοι είναι η διατήρηση της ποιότητας τάσης στα επιτρεπτά όρια καθώς και ο κατά το δυνατόν καλύτερος βαθµός απόδοσης των αντιστροφέων ισχύος. Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατοποιήθηκε µε την αµέριστη συµβολή και υπό τη συνεχή παρακολούθηση του κ. Χάρη ηµουλιά, επίκουρου καθηγητή του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής σχολής του ΑΠΘ, τον οποίο και ευχαριστώ ιδιαίτερα. 2 Εισαγωγή Οι «ήπιες µορφές ενέργειας» ή «ανανεώσιµες πηγές ενέργειας» ή «νέες πηγές ενέργειας» είναι µορφές εκµεταλλεύσιµης ενέργειας που προέρχεται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεµος, η γεωθερµία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος "ήπιες" αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχήν, για την εκµετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέµβαση, όπως εξόρυξη, άντληση, καύση, όπως µε τις µέχρι τώρα χρησιµοποιούµενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκµετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. εύτερο, πρόκειται για "καθαρές" µορφές ενέργειας, πολύ φιλικές στο περιβάλλον, που δεν αποδεσµεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιµοποιούνται σε µεγάλη κλίµακα. Ως "ανανεώσιµες πηγές" θεωρούνται γενικά οι 6

7 εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), όπως η ηλιακή και η αιολική. Ο χαρακτηρισµός "ανανεώσιµες" είναι κάπως καταχρηστικός, µια και ορισµένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερµική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίµακα χιλιετιών. Τελευταία από την Ευρωπαϊκή Ένωση αλλά και πολλά κράτη υιοθετούνται νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, που προάγουν τέτοιες εσωτερικές πολιτικές και για τα κράτη µέλη. Ο όρος «Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας» αναφέρεται κυρίως στις ακόλουθες : Αιολική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Μικρά υδροηλεκτρικά Κυψέλες καύσιµου Ενέργεια των θαλάσσιων κυµάτων Γεωθερµική ενέργεια Ενέργεια της βιοµάζας Όπως αναφέρθηκε και στον πρόλογο η αιολική και ηλιακή ενέργεια είναι σήµερα οι ευρύτερα χρησιµοποιούµενες και οι µόνες µε τις οποίες παράγεται ηλεκτρική ενέργεια σε τιµές που θα µπορούσαν να συγκριθούν µε τις συµβατικές πηγές ενέργειας. Ο εξοπλισµός που χρησιµοποιείται για την µετατροπή τους σε ηλεκτρική ενέργεια είναι οι ανεµογεννήτριες και οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες αντίστοιχα. Το βασικό πρόβληµα που υπάρχει µε τις ανεµογεννήτριες και τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες είναι ότι µπορούν να τροφοδοτήσουν µε ισχύ τα ηλεκτρικά φορτία µόνον εφόσον υπάρχει ο απαραίτητος άνεµος και η απαραίτητη ηλιοφάνεια αντίστοιχα. Η ύπαρξή τους όµως είναι ένα στοιχείο το οποίο δεν εναπόκειται στον ανθρώπινο έλεγχο. Έτσι στις περισσότερες περιπτώσεις, οι εγκαταστάσεις ΑΠΕ συνδέονται στο ήδη υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο και λειτουργούν βοηθητικά, παράλληλα µε τους συµβατικούς σταθµούς, την παραγωγή των οποίων µπορούµε να ελέγξουµε. Υπάρχουν περιπτώσεις όµως που η τροφοδότηση µιας εγκατάστασης µόνο από ΑΠΕ αποτελεί δελεαστική οικονοµικά και περιβαλλοντικά λύση. Μια τέτοια συνήθης περίπτωση είναι η τροφοδότηση ενός νησιού το οποίο βρίσκεται µακριά από ηπειρωτικά εδάφη. Σε µια τέτοια περίπτωση το κόστος σύνδεσης του νησιού µε το ηπειρωτικό ηλεκτρικό δίκτυο µπορεί να είναι απαγορευτικό. Επιπλέον το µικρό µέγεθος του φορτίου µπορεί να µας δίνει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε µόνο ΑΠΕ µε κάποιους συσσωρευτές αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας αντί των συµβατικών σταθµών. Στην διπλωµατική αυτή εργασία σχεδιάζεται και προσοµοιώνεται η λειτουργία µιας τέτοιας αυτόνοµης εγκατάστασης. Το λογισµικό που χρησιµοποιείται για την προσοµοίωση είναι το PSIM της PowerSim Inc. 7

8 3 Τοπολογία της εγκατάστασης Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή, η διπλωµατική αυτή εξετάζει και προσοµοιώνει την τροφοδότηση µιας µικρής κλίµακας αυτόνοµης εγκατάστασης µόνο από ΑΠΕ και συγκεκριµένα από ηλιακή και αιολική ενέργεια. Η εγκατάσταση αυτή είναι το δίκτυο ενός µικρού ελληνικού νησιού. Τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού συστήµατος του νησιού είναι τα εξής: Μέγιστη ζήτηση: 300 kw (µέση ωριαία τιµή), 350 kw (µέγιστη ζήτηση) Ελάχιστη ζήτηση : 70 kw (µέση ωριαία τιµή) Ετήσια ζήτηση ενέργειας : 1020 MWh. Το φορτίο που πρέπει να τροφοδοτηθεί αποτελείται από µονοφασικούς καταναλωτές και υποθέτουµε ότι έχει µέσο συντελεστή ισχύος cosφ=0.8. Η σχεδίαση γίνεται για µελλοντική αύξηση του φορτίου κατά 50%. Ο εξοπλισµός που χρησιµοποιείται για την παραγωγή ενέργειας από τον άνεµο και τον ήλιο είναι ο εξής: ύο ανεµογεννήτριες ισχύος 275kW, τάσης 400V και 1000rpm. ύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες ισχύος 115kW η καθεµία. Αυτές συνδέονται µε το υπόλοιπο σύστηµα µέσω τριφασικών αντιστροφέων, συνολικής ισχύος S=250kVA. Επειδή η παραγωγή ενέργειας στηρίζεται εξ ολοκλήρου σε ανανεώσιµες πηγές, οι οποίες δεν είναι πάντοτε διαθέσιµες, πρέπει να χρησιµοποιήσουµε ένα µέσο αποθήκευσης και ανάκτησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιµοποιούµε λοιπόν συσσωρευτές DC τάσης. Οι συσσωρευτές συνδέονται µε την υπόλοιπη εγκατάσταση µε τριφασικούς αντιστροφείς ισχύος. Οι αντιστροφείς αυτοί επιτρέπουν την αµφίδροµη ροή ισχύος, από και προς τους συσσωρευτές. Ο ακριβής αριθµών των συσσωρευτών των αντιστροφέων ισχύος των που συµφέρει από τεχνικοοικονοµική άποψη να χρησιµοποιηθούν, δεν εξετάζεται στην παρούσα εργασία. Στο εξής, για αποφυγή σύγχυσης, το σύνολο των συσσωρευτών, των φωτοβολταϊκών συστοιχιών, των ανεµογεννητριών και των αντιστροφέων θα αναφέρονται ως «συσσωρευτής», «φωτοβολταϊκά» «ανεµογεννήτρια» και «αντιστροφέας» αντίστοιχα. Το ίδιο γίνεται και στην προσοµοίωση, δηλαδή µια οµάδα από όµοια στοιχεία προσοµοιώνεται σαν ένα στοιχείο µε ισχύ ίση µε τη συνολική ισχύ της αντίστοιχης οµάδας (aggregate). ηλαδή η προσοµοίωση γίνεται µε µία ανεµογεννήτρια 550kW και µια Φ/Β συστοιχία 230kW. 8

9 Η τοπολογία της εγκατάστασης φαίνεται στο Σχήµα 3-1 Σχήµα 3-1 Τοπολογία της εγκατάστασης 9

10 3.1 Λειτουργία της εγκατάστασης Η λειτουργία της εγκατάστασης βασίζεται στο εξής λογική: Ισοζύγιο ενεργού ισχύος στο σύστηµα Οι παραγωγοί ενεργού ισχύος είναι τα φωτοβολταϊκά και η ανεµογεννήτρια. Ο καταναλωτής είναι το φορτίο. Ο συσσωρευτής είτε αποθηκεύει είναι προσφέρει ενέργεια, άρα λειτουργεί είτε ως καταναλωτής είναι ως παραγωγός. Όταν οι ανεµογεννήτρια και τα φωτοβολταϊκά µπορούν να δώσουν ενεργό ισχύ, τροφοδοτούν απευθείας το φορτίο και η περίσσεια της ισχύος τους αποθηκεύεται στον συσσωρευτή. Αν δεν υπάρχει περίσσεια ισχύος, τότε ο συσσωρευτής πρέπει να δώσει στο φορτίο την υπόλοιπη ισχύ που χρειάζεται. Στην ακραία περίπτωση που οι ανανεώσιµες πηγές δεν µας δίνουν καθόλου ισχύ, πρέπει ο συσσωρευτής από µόνος του να καλύψει ολόκληρο το φορτίο. Ισοζύγιο άεργου ισχύος στο σύστηµα Το φορτίο καταναλώνει άεργο ισχύ γιατί, όπως αναφέρθηκε, αποτελείται από µονοφασικούς καταναλωτές και λειτουργεί µε έναν συντελεστή ισχύος ίσο µε 0.8. Επιπλέον η ανεµογεννήτρια καταναλώνει άεργο ισχύ επειδή διαθέτει ασύγχρονη γεννήτρια. Αυτή τη συνολική λοιπόν ζήτηση άεργου ισχύος πρέπει να µπορούν να την καλύψουν ο συσσωρευτής και τα φωτοβολταϊκά. Ο συσσωρευτής από µόνος του δεν µπορεί να δώσει άεργο ισχύ. ίνει έµµεσα µέσω του αντιστροφέα του. Ο αντιστροφέας αποτελείται από διακοπτικά στοιχεία τα οποία λειτουργούν µε µη γραµµικό τρόπο σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα. Με αυτόν τον τρόπο µπορεί να παράγει άεργο ισχύ. Τα φωτοβολταϊκά µπορούν να δώσουν άεργο ισχύ µε τον ίδιο τρόπο, δηλαδή µέσω του αντιστροφέα τους. Συγκεντρωτικά φαίνεται στον Πίνακας 3-1 το ισοζύγιο ενεργού και άεργου ισχύος. Με + υποδηλώνεται η παραγωγή και µε η κατανάλωση. Πίνακας 3-1 Ισοζύγιο ενεργού και άεργου ισχύος στην εγκατάσταση Ενεργός Ισχύς Άεργος ισχύς Συσσωρευτής-Αντιστροφέας Αµφίδροµη ροή + Φ/B-Αντιστροφέας + + Ανεµογεννήτρια + - Φορτίο

11 Σηµείωση Τα φωτοβολταϊκά έχουν συνολική ισχύ 230kW. Από αυτή την ισχύ δεν µπορούν να δώσουν παρά µόνο το 80% στην καλύτερη των περιπτώσεων. Οπότε µπορούν να µας δώσουν µέχρι. Ο αντιστροφέας τους επιλέχτηκε µε υπερδιαστασιολόγηση να έχει ονοµαστική ισχύ 250kVA. Με αυτή την επιλογή τα φωτοβολταϊκά µπορούν να δώσουν άεργο ισχύ από µέχρι και 250kVAr. Αυτή την άεργο ισχύ την δίνουν µόνο στις ανεµογεννήτριες σε περίπτωση που υπάρχει ζήτηση από αυτές. Στη συνέχεια αναλύονται λεπτοµερώς καθένα από τα στοιχεία που απαρτίζουν την εγκατάστασή : Συσσωρευτής - Αντιστροφέας Φωτοβολταϊκά - Αντιστροφέας Ανεµογεννήτρια Φορτίο 4 Συσσωρευτής Αντιστροφέας Το σύστηµα συσσωρευτή-αντιστροφέα είναι το πιο σηµαντικό στοιχείο της εγκατάστασης. Παίζει το ρόλο του άπειρου ζυγού που έχουν τα συµβατικά συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας. Ο στόχος του είναι δηλαδή να κρατάει στην έξοδο του φίλτρου του αντιστροφέα (σηµείο Β στο Σχήµα 4-1) σταθερά τα παρακάτω µεγέθη: το µέτρο της τάσης (δηλαδή την ενεργό τιµή της εναλλασσόµενης τριφασικής τάσης στα 400V). τη συχνότητα της τάσης στα 50Hz. Το κύκλωµα που χρησιµοποιήθηκε στην προσοµοίωση µε το PSIM φαίνεται στο Σχήµα

12 Σχήµα 4-1 Κύκλωµα προσοµοίωσης συσσωρευτή-αντιστροφέα 12

13 Τα επιµέρους τµήµατά του αναλύονται στη συνέχεια. 4.1 Συσσωρευτής Ο συσσωρευτής προσοµοιώνεται στο PSIM µε µια DC πηγή τάσης 900V. Αν οι συσσωρευτές δίνουν τάση µικρότερη από 900V τότε µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε DC-DC µετατροπέα ανύψωσης τάσης ώστε να την ανυψώσουµε σε 900V. Λόγω της ύπαρξης του τριφασικού αντιστροφέα, το ρεύµα στο DC αποτελείται από µια DC συνιστώσα και από αρµονικές υψηλής συχνότητας. Επειδή όµως ο συσσωρευτής δεν µπορεί να δεχτεί ένα DC ρεύµα µε αρµονικές µεγάλου πλάτους χρησιµοποιούµε ένα χαµηλοπερατό φίλτρο LC. Η επιτρεπτή κυµάτωση του ρεύµατος θέλουµε γενικά να µη ξεπερνάει το 20% peak-peak. Με τη µέθοδο trial & error, για να ικανοποιήσουµε αυτόν τον περιορισµό, καταλήγουµε σε ένα φίλτρο µε L=1mH και C=100µF (Σχήµα 4-2). 4.2 Αντιστροφέας Σχήµα 4-2 Συσσωρευτής µε LC φίλτρο Ο αντιστροφέας είναι µια διάταξη η οποία µετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόµενη. Στην εγκατάστασή µας χρησιµοποιείται ως αντιστροφέας µια τριφασική γέφυρα µε διακοπτικά στοιχεία (Σχήµα 4-3). Για τη δηµιουργία ενός τριφασικού συστήµατος συµµετρικών τάσεων από µία πηγή DC τάσης χρησιµοποιείται η διαµόρφωση PWM η οποία περιγράφεται συνοπτικά στη συνέχεια. 13

14 Σύντοµη περιγραφή της τεχνικής PWM Σχήµα 4-3 Τριφασικός αντιστροφέας µε διακοπτικά στοιχεία Σκοπός της τεχνικής ελέγχου PWM είναι η µορφοποίηση και ο έλεγχος των τριφασικών τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα, µε µια σταθερή τάση εισόδου V d. Για την επίτευξη συµµετρικών τριφασικών τάσεων εξόδου σε έναν τριφασικό αντιστροφέα µε διαµόρφωση PWM, συγκρίνεται η ίδια τριγωνική κυµατοµορφή τάσης (u trigger ) µε τρεις ηµιτονοειδείς τάσεις ελέγχου (u control ), οι οποίες είναι κατά 120 ο εκτός φάσης (Σχήµα 4-4). Σχήµα 4-4 Τριγωνική κυµατοµορφή (u tr ) και σήµατα ελέγχου (u controla,b,c ) Το σήµα ελέγχου u controla ελέγχει το σκέλος Α του αντιστροφέα (διακόπτες Ta+ και Ta-) και εποµένως τη φάση Α του τριφασικού συστήµατος. Όταν η u controla > u tr τότε 14

15 είναι κλειστός ο πάνω διακόπτης του σκέλους Α και ο κάτω είναι ανοικτός. Τη στιγµή που θα γίνει u controla < u tr τότε αλλάζει η κατάσταση των διακοπτών του σκέλους Α. Ανοίγει δηλαδή ο επάνω διακόπτης και κλείνει ο κάτω. Αυτή η διαδικασία επαναλαµβάνεται. Ακριβώς µε τον ίδιο τρόπο επιδρούν και τα δύο άλλα σήµατα ελέγχου στις δύο άλλες φάσεις. Ως αποτέλεσµα έχουµε µια πολική τάση εξόδου η οποία τη µισή περίοδο κυµαίνεται µεταξύ V d και 0, και την άλλη µισή περίοδο µεταξύ 0 και -V d. Στο Σχήµα 4-5 φαίνεται η πολική τάση u AB η οποία υπολογίζεται ως u AN u BN στο κύκλωµα στο Σχήµα 4-3. Σχήµα 4-5 Πολική τάση PWM στην έξοδο του αντιστροφέα, u AB =u AN -u BN Κάθε διακοπτικό στοιχείο έχει και µια αντιπαράλληλη δίοδο η οποία επιτρέπει τη ροή ισχύος προς τη DC πλευρά του αντιστροφέα. Έτσι ο αντιστροφέας επιτρέπει την αµφίδροµη ροή ισχύος. Ο λόγος του πλάτους του σήµατος ελέγχου προς το πλάτος της τριγωνικής κυµατοµορφής λέγεται συντελεστής διαµόρφωσης πλάτους και είναι: 15

16 m a U control = (2.1) U tr Ο λόγος της συχνότητας της τριγωνικής κυµατοµορφής προς τη συχνότητα του σήµατος ελέγχου λέγεται συντελεστής διαµόρφωσης συχνότητας και είναι f s m f = (2.2) fcontrol Η τάση εξόδου έχει αρκετές αρµονικές οι οποίες βρίσκονται όµως σε υψηλές συχνότητες. Αν επιλέξουµε ένα m f περιττό και πολλαπλάσιο του 3 οι αρµονικές της πολικής τάσης εξόδου για διάφορα m a εµφανίζονται στις συχνότητες που φαίνονται στον Σχήµα 4-6. Το h υποδηλώνει την τάξη των αρµονικών. Σχήµα 4-6 Ενεργός τιµή της h-οστής αρµονικής για διάφορα m a Το σήµα ελέγχου αποτελεί µια µικρογραφία της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Η φάση, το πλάτος και η συχνότητα του σήµατος ελέγχου καθορίζουν τη φάση, το πλάτος και τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Εποµένως ελέγχοντας κάποιο από αυτά τα στοιχεία στο σήµα ελέγχου µπορούµε να ελέγξουµε και το αντίστοιχο στοιχείο της τάσης εξόδου. Η φάση ενός σήµατος ελέγχου είναι και η φάση της 1 ης αρµονικής της αντίστοιχης µονοφασικής τάσης εξόδου. Η συχνότητα του σήµατος ελέγχου είναι και η συχνότητα της 1 ης αρµονικής της τάσης εξόδου. Όσον αφορά το µέτρο της τάσης εξόδου αυτό εξαρτάται από το m a µε την εξής σχέση: Για m a <1 η ενεργός τιµή της 1 ης από τη σχέση αρµονικής της πολικής τάσης εξόδου δίνεται 16

17 V 1= 0.612m V (2.3) LL a d Για m a >1 η σχέση αυτή γίνεται µη γραµµική, και ακολουθεί το διάγραµµα στο Σχήµα 4-7. Από κάποιο m a και µετά, η ενεργός τιµή δεν αυξάνεται γιατί η τάση εξόδου έχει γίνει τετραγωνική κυµατοµορφή (το m a αυτού του σηµείου εξαρτάται από το m f ) Σχήµα 4-7 Λόγος της ενεργού τιµής της 1 ης αρµονικής συναρτήσει του m a (για m f = 15) 4.3 Φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα Όσο πιο µεγάλο m f επιλέξουµε τόσο πιο υψηλή θα είναι η τάξη των αρµονικών και τόσο πιο µικρό φίλτρο χρειάζεται για να τις εξαλείψουµε. Για το σήµα ελέγχου επιλέγουµε m f = 198 το οποίο οδηγεί σε συχνότητα διαµόρφωσης 12kHz. Με αυτό το m f οδηγούµε τις αρµονικές σε αρκετά υψηλές συχνότητες. Στην έξοδο του αντιστροφέα βάζουµε ένα χαµηλοπερατό φίλτρο LC για να εξαλείψουµε αυτές τις αρµονικές όσο το δυνατόν περισσότερο. Επιλέγουµε L=0.2mH και C=20µF. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 4-8 οι αυτεπαγωγές συνδέονται σε αστέρα ενώ οι πυκνωτές σε τρίγωνο. Σχήµα 4-8 Φίλτρο στην AC πλευρά του αντιστροφέα 17

18 4.4 Σύστημα αυτομάτου ελέγχου του αντιστροφέα Όπως αναφέρθηκε αρχικά, θέλουµε η τάση στην έξοδο του συστήµατος συσσωρευτήαντιστροφέα να έχει σταθερό µέτρο και συχνότητα. Σταθερή Συχνότητα Η συχνότητα της 1 ης αρµονικής της τάσης πριν το φίλτρο (σηµείο Α στο Σχήµα 4-1) εξαρτάται από τη συχνότητα του σήµατος ελέγχου. Έχοντας λοιπόν σταθερή συχνότητα του ηµιτονοειδούς σήµατος ελέγχου έχουµε και σταθερή συχνότητα πριν το φίλτρο. Άρα και η συχνότητα µετά το φίλτρο (σηµείο Β στο Σχήµα 4-1) θα είναι σταθερή. Σταθερή Τάση Η ενεργός τιµή της 1 ης αρµονικής της τάσης στο σηµείο Α δίνεται από τον τύπο (2.3). Για V d =900 και V LL1 =400V επιλύοντας ως προς m a υπολογίζουµε m a = ηλαδή έχοντας το συγκεκριµένο m a έχουµε ενεργό τιµή της πολικής τάσης ίση µε 400V στην έξοδο του αντιστροφέα πριν το φίλτρο (σηµείο Α). Όταν όµως ρεύµα διαρρέει τον αντιστροφέα, προκαλεί πτώση τάσης στην αυτεπαγωγή του φίλτρου η οποία εξαρτάται από το διάνυσµα του ρεύµατος. Έτσι η τάση στο σηµείο µετά το φίλτρο (σηµείο Β) θα είναι διαφορετική από 400V. Επειδή όµως σε αυτό το σηµείο συνδέεται η υπόλοιπη εγκατάσταση, πρέπει η τάση να είναι 400V. Εποµένως πρέπει να χρησιµοποιήσουµε ένα σύστηµα αυτοµάτου ελέγχου το οποίο να αλλάζει το πλάτος του σήµατος ελέγχου, δηλαδή το m a, έτσι ώστε κάθε στιγµή, ανεξαρτήτως του ρεύµατος, η πολική τάση µετά το φίλτρο να έχει ενεργό τιµή ίση µε 400V. Προς το σκοπό αυτό, διαβάζουµε την ενεργό τιµή της τάσης και τη συγκρίνουµε µε τα 400V. Στη συνέχεια οδηγούµε το σφάλµα σε έναν ελεγκτή PI και η έξοδος του PI είναι το m a. Για να το επιτύχουµε αυτό πρέπει αρχικά να µπορούµε να µετρούµε την ενεργό τιµή της τάσης µετά το φίλτρο. εν θα χρησιµοποιηθεί ο κλασσικός ορισµός της ενεργού τιµής ο οποίος είναι: 1 T 0 ( ) 2 U rms = uab t dt T (2.4) Αυτός ο ορισµός έχει το µειονέκτηµα ότι µας δίνει ένδειξη στο τέλος κάθε περιόδου T=0.02s και κατά τη διάρκεια µιας περιόδου η ένδειξη είναι σταθερή ακόµη και αν υπάρξει κάποια αλλαγή του φορτίου. Αυτό το γεγονός θα καθυστερούσε την απόκριση του ελεγκτή PI. Γι αυτό το λόγο η ενεργός τιµή της τάσης υπολογίζεται χρησιµοποιώντας τις στιγµιαίες τιµές και των τριών φάσεων σύµφωνα µε τη σχέση: U = u + u + u (2.5) rms a b c 18

19 Με τη σχέση (2.5) κατά κάποιο τρόπο υπολογίζουµε τη «στιγµιαία» ενεργό τιµή της τάσης. Με τον όρο «στιγµιαία» ενεργό τιµή εννοούµε το εξής: Αν γίνει µια αλλαγή της τάσης λόγω αλλαγής του φορτίου, η σχέση (2.5) ανιχνεύει αµέσως αυτήν την αλλαγή στην ενεργό τιµή της τάσης. Χρησιµοποιούµε το κύκλωµα που φαίνεται στο Σχήµα 4-9: Σχήµα 4-9 Σύστηµα αυτοµάτου ελέγχου της τάσης του αντιστροφέα Με τρεις αισθητήρες τάσης διαβάζουµε τις τρεις φασικές τάσεις στο σηµείο µετά το φίλτρο στην AC πλευρά του αντιστροφέα. Η ενεργός τιµή της πολικής τάσης δίνεται από τη σχέση (2.5). Επειδή οι τάσεις του κυκλώµατος ισχύος έχουν αρµονικές υψηλής συχνότητας, αυτές µεταφέρονται και στην ενεργό τιµή. Γι αυτό το λόγο χρησιµοποιούµε ένα χαµηλοπερατό φίλτρο το οποίο τις εξαλείφει. Στη συνέχεια αφαιρούµε την ενεργό τιµή από την αναφορά που είναι τα 400V και οδηγούµε το σφάλµα σε έναν ελεγκτή PI (Proportional Integral). Η έξοδος του PI µας δίνει το m a. Όσο µεγαλύτερο είναι το ρεύµα του αντιστροφέα, τόσο µεγαλύτερη είναι η πτώση τάσης πάνω στην αυτεπαγωγή και εποµένως τόσο µεγαλύτερο m a παίρνουµε. Στο Σχήµα 4-10 φαίνεται η υλοποίηση του PWM στον αντιστροφέα του συσσωρευτή. Έχουµε τρεις ηµιτονοειδείς τάσεις ελέγχου µε πλάτος ίσο µε 1 οι οποίες πολλαπλασιάζονται κάθε στιγµή µε το m a που προέκυψε από τον έλεγχο που παρουσιάστηκε προηγουµένως. Οι πολλαπλασιασµένες αυτές τάσεις συγκρίνονται µε το τριγωνικό σήµα αναφοράς που έχει πλάτος ίσο µε 1 και οι έξοδοι είναι τα δυαδικά 19

20 σήµατα ελέγχου για τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα. Οι τρεις ηµιτονοειδείς τάσεις ελέγχου, στην πράξη, υλοποιούνται µε ταλαντωτές. Σχήµα 4-10 PWM διαµόρφωση του αντιστροφέα µε µεταβλητό m a 4.5 Απώλειες του αντιστροφέα Θα γίνει µια πρόχειρη εκτίµηση του µεγέθους του αντιστροφέα. Η µέγιστη φαινόµενη ισχύς που θα περάσει από τον αντιστροφέα ισχύος είναι η περίπτωση που λειτουργεί η ανεµογεννήτρια σε πλήρη ισχύ (παράγει 550kW και καταναλώνει 420kVAr), τα φωτοβολταϊκά-αντιστροφέας σε πλήρη ισχύ (παράγουν 185kW και µέσω του αντιστροφέα τους 168kVAr) και το φορτίο να είναι το µικρότερο δυνατό δηλαδή 70kW και 90kVAr (υποθέτουµε ότι το cosφ έχει πέσει στο 0.61). Αυτή η περίπτωση µας οδηγεί σε µια φαινόµενη ισχύ περίπου S max =750kVA που αντιστοιχεί σε ένα ρεύµα σχεδόν I max =1.1kA. Στη συνέχεια πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι απώλειες στις γραµµές µεταφοράς και να γίνει η επιλογή του αντιστροφέα. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αν το φορτίο γίνει µικρότερο ή κάποια από τα υπόλοιπα δεδοµένα αλλάξει, τότε η µέγιστη φαινόµενη ισχύς που θα περάσει από τον αντιστροφέα του συσσωρευτή ίσως να είναι µεγαλύτερη και αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη στην επιλογή του αντιστροφέα. Η ακριβής επιλογή του αντιστροφέα προϋποθέτει συνολική και πιο λεπτοµερή εξέταση του συστήµατος και δεν είναι στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Σε επίπεδο προσοµοίωσης επιλέγουµε να χρησιµοποιήσουµε διακοπτικά στοιχεία IGBT. 20

21 Οι απώλειες ενός διακοπτικού στοιχείου αποτελούνται από τις απώλειες µετάβασης και αγωγιµότητας του διακοπτικού στοιχείου και της αντιπαράλληλης διόδου. Οι απώλειες υπολογίστηκαν µε τη βοήθεια του Thermal Module που υπάρχει στο λογισµικό PSIM. Στο Thermal Module υπάρχουν έτοιµα διακοπτικά στοιχεία από διάφορους κατασκευαστές µε καταχωρηµένες τις καµπύλες απωλειών τους. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε το IGBT της εταιρίας Powerex τύπου CM1000HA- 24H, το τεχνικό φυλλάδιο του οποίου βρίσκεται στο παράρτηµα. Το συγκεκριµένο IGBT είναι τύπου single αλλά στην προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκαν σε τριφασική γέφυρα απλά και µόνο για να έχουµε µια εικόνα των απωλειών του αντιστροφέα. Το συγκεκριµένο IGBT αντέχει µέχρι τάση 1200V και ρεύµα 1000Α. Παρατηρούµε ότι η τάση αντοχής του µας καλύπτει αλλά το ρεύµα όχι, γιατί µπορεί να εµφανιστεί ρεύµα µέχρι και 1.12kA. Χρησιµοποιήθηκε όµως αυτό το IDBT γιατί δεν υπήρχε κάποιο άλλο καταχωρηµένο στο Thermal Module που να έχει µεγαλύτερο µέγιστο ρεύµα. Οπότε υπολογίστηκαν οι απώλειες για διάφορες τιµές φαινόµενης ισχύος που αντιστοιχεί σε ρεύµα το πολύ 1000Α. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο βαθµός απόδοσης από τη σχέση S Ploss η (%) = 100 (2.6) S όπου S είναι η φαινόµενη ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα (µετά το φίλτρο). Ο βαθµός απόδοσης για διάφορες φαινόµενες ισχείς κυµαίνεται µεταξύ 96-98%, κάτι το οποίο είναι αποδεκτό. Υποθέτουµε ότι αν είχαν χρησιµοποιηθεί διακοπτικά στοιχεία µε µεγαλύτερη ανοχή ρεύµατος, ο βαθµός απόδοσης θα ήταν περίπου ο ίδιος και για τιµές ρεύµατος µεγαλύτερες από 1000Α. Σχήµα 4-11 Υπολογισµός απωλειών του αντιστροφέα 21

22 5 Φωτοβολταϊκά Αντιστροφέας 5.1 Γενικά για Φωτοβολταϊκά Η µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο. Το φαινόµενο αναφέρεται στη δηµιουργία ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό ενός ηµιαγωγού µε φωτοαγωγιµότητα η οποία προκαλείται από την ενέργεια η οποία εκλύεται από µια φωτεινή πηγή. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η συνύπαρξη δύο φωτοαγώγιµων ηµιαγωγών υλικών σε επαφή. Το ηλεκτρικό πεδίο που δηµιουργείται στις επαφές προκαλεί την κίνηση ηλεκτρικών φορέων η οποία αποτελεί το φωτοβολταϊκό ρεύµα Το φωτοβολταϊκό στοιχείο (PV cell) Η µετατροπή της ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας που απορροφάται στο εσωτερικό µιας διάταξης ηµιαγωγών υλικών σε επαφή, σε ηλεκτρική ενέργεια ονοµάζεται φωτοβολταϊκό φαινόµενο και η διάταξη αυτή φωτοβολταϊκό στοιχείο. Ένα ΦΒ στοιχείο είναι µια επαφή p-n που φωτίζεται. Οι φορείς που παράγονται από το φως µέσα και κοντά στην επαφή των ηµιαγωγών ωθούνται από το ηλεκτρικό πεδίο της επαφής, τα µεν ηλεκτρόνια στη µεριά του ηµιαγωγού τύπου n, οι δε οπές στη µεριά του ηµιαγωγού τύπου p. Τα άκρα των ηµιαγωγών φορτίζονται από ηλεκτρικούς φορείς που δηµιουργεί το φως, µε τέτοιο ρυθµό που να µπορούν να διατηρήσουν, σχετικά ισχυρό ρεύµα µέσα από αγωγούς, που συνδέονται σ' αυτά. Σχήµα 5-1 Φωτοβολταϊκό στοιχείο Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο είναι αποτέλεσµα του συνδυασµού της δηµιουργίας ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό των ηµιαγωγών (φωτοαγωγιµότητα) και της δηµιουργίας εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή της επαφής των δύο ηµιαγωγών. Ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Το ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα του ΦΒ στοιχείου είναι µια πηγή ρεύµατος σε συνδυασµό µε µια ιδανική δίοδο. Ακολουθεί το µη ιδανικό κοµµάτι του Φ/Β στοιχείου το οποίο αποτελείται από την αντίσταση απωλειών διαρροής του ρεύµατος µεταξύ των άκρων του Φ/Β στοιχείου και την αντίσταση απωλειών στο δρόµο ροής του ρεύµατος της διόδου. Η πρώτη αντίσταση θεωρείται εν παραλλήλω και σε καλής 22

23 απόδοσης Φ/Β είναι µεγαλύτερη του 1 kω ενώ η δεύτερη αντίσταση θεωρείται εν σειρά και είναι της τάξης του Ω. Σχήµα 5-2 Ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα φωτοβολταϊκού στοιχείου Η καµπύλη I-V του Φ/Β στοιχείου Η έξοδος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι ένα DC ρεύµα µε µια DC τάση. Η καµπύλη I-V του φωτοβολταϊκού για διαφορετικές τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας δίνεται στο σχήµα Σχήµα 5-3. Η ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού στοιχείου δίνεται από τη σχέση P= VI (3.1) Έχοντας ως σκοπό την αποδοτική λειτουργία του ΦΒ στοιχείου θέλουµε να λειτουργεί στο σηµείο µέγιστης ισχύς για κάθε ακτινοβολία. Παρατηρώντας την γραφική παράσταση διακρίνουµε ένα µέγιστο το οποίο βρίσκεται κοντά στο «γόνατο» της καµπύλης. Αν I m είναι το ρεύµα και V m η τάση στο σηµείο µέγιστης ισχύος, τότε η µέγιστη ισχύς µπορεί να εκφραστεί ως: Pmax = Vm I m = FF I sc Voc (3.2) όπου FF ορίζεται ως ο συντελεστής πλήρωσης της κυψέλης, I sc το ρεύµα βραχυκύκλωσης του στοιχείου και V oc η τάση ανοικτού κυκλώµατος του στοιχείου. Ο συντελεστής πλήρωσης είναι ένα µέτρο της ποιότητας της κυψέλης. Κυψέλες µε µεγάλη εσωτερική αντίσταση θα έχουν µικρό συντελεστή πλήρωσης, ενώ για την ιδανική κυψέλη ο συντελεστής πλήρωσης ισούται µε τη µονάδα. Σηµ µειώνεται ότι ο µοναδιαίος συντελεστής πλήρωσης αντιστοιχεί σε τετραγωνική χαρακτηριστική I V. Μια τέτοια χαρακτηριστική δηλώνει ότι η κυψέλη θα λειτουργεί είτε ως ιδανική πηγή τάσης είτε ως ιδανική πηγή ρεύµατος. 23

24 Σχήµα 5-3 Καµπύλες I-V ΦΒ στοιχείου για διάφορες τιµές της ακτινοβολίας Βαθµός απόδοσης Φ/Β στοιχείου Από τα παραπάνω µπορεί να οριστεί και ο βαθµός απόδοσης του στοιχείου. Έτσι : η cell P V I FF I V = = = P P P m m m sc oc in in in Η απόδοση του Φ/Β στοιχείου εξαρτάται από: Το υλικό του ηµιαγωγού Την πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας στην οποία εκτίθεται Τη θερµοκρασία του Φ/Β στοιχείου Για να µπορεί να γίνει κάποια ασφαλής σύγκριση µεταξύ των διαφόρων ειδών Φ/Β στοιχείων οι ονοµαστικές τιµές απόδοσης τους υπολογίζονται κάτω από τις πρότυπες συνθήκες STC. 24

25 Συνθήκες STC Μέγεθος Τιµή Πυκνότητα ακτινοβολίας 1000 W/ m 2 Μάζα αέρα ΑΜ 1.5 Θερµοκρασία στοιχείου 25 o C Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module) Για να µπορέσει να επιτευχθεί επαρκής τάση εξόδου τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται σε σειρά σχηµατίζοντας ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι η απόδοση του πλαισίου τελικά είναι µικρότερη από αυτήν του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Οι λόγοι για τους οποίου συµβαίνει αυτό είναι οι εξής : i. Η µη πλήρης κάλυψη του πλαισίου µε κυψέλες. ii. Οι κυψέλες ενώ είναι θεωρητικά ίδιες, στην πράξη παρουσιάζουν αποκλίσεις στη λειτουργία τους. Έτσι, επειδή είναι συνδεδεµένες σε σειρά, ενώ κάποιες λειτουργούν στο βέλτιστο σηµείο κάποιες άλλες υπολειτουργούν. iii. Ο υαλοπίνακας του πλαισίου έχει κάποια ανακλαστικότητα µε αποτέλεσµα να µη φτάνει όλη η ακτινοβολία του ηλίου στις κυψέλες Φωτοβλταϊκό panel (PV panel) Ένα φωτοβολταϊκό panel αποτελείται από ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια Φωτοβολταϊκή Συστοιχία (PV array) Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία αποτελείται από φωτοβολταϊκά panel. Μπορεί να αποτελείται απ ευθείας από φωτοβολταϊκά πλαίσια τα οποία να µην σχηµατίζουν κάποιο panel. Σε κάθε περίπτωση, αν τα φωτοβολταϊκά panel (ή πλαίσια) είναι συνδεδεµένα σε σειρά δίνουν αθροιστική τάση, ενώ αν είναι συνδεδεµένα παράλληλα δίνουν αθροιστικό ρεύµα. Με αυτή τη δυνατότητα µπορούµε να πετύχουµε επιθυµητή τάση και ρεύµα εξόδου. Στα σχήµατα που ακολουθούν δίνονται οι δύο τρόποι που δηµιουργείται µια ΦΒ συστοιχία, οι οποίοι είναι ουσιαστικά ισοδύναµοι. 25

26 Σχήµα 5-4 ΦΒ Στοιχείο-Πλαίσιο-Panel-Συστοιχία Σχήµα 5-5 ΦΒ Στοιχείο-Πλαίσιο Συστοιχία 26

27 5.2 Σύνδεση των ΦΒ συστοιχιών στην εγκατάσταση Η σύνδεση των φωτοβολταϊκών συστοιχιών µε την υπόλοιπη εγκατάσταση που εξετάζεται γίνεται όπως φαίνεται στο Σχήµα 5-6. Παρακάτω περιγράφονται τα επιµέρους τµήµατα του σχήµατος. Σχήµα 5-6 Σύνδεση φωτοβολταϊκών συστοιχιών µε την εγκατάσταση 5.3 Φωτοβολταϊκές συστοιχίες Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες αναλύθηκαν προηγουµένως. Η εγκατάστασή µας αποτελείται από δύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες των 115kW έκαστη. Αυτές δίνουν στην έξοδό τους DC τάση και DC ρεύµα που δίνεται από µια καµπύλη όπως στο Σχήµα 5-3. Θέλουµε κάθε στιγµή τα φωτοβολταϊκά να δίνουν τη µέγιστη ενεργό ισχύ. Έτσι τα φωτοβολταϊκά διαθέτουν ένα σύστηµα, το MPPT (Maximumm Power Point Tracker) το οποίο κάθε για κάθε ακτινοβολία φροντίζει η καµπύλη I-V να βρίσκεται στο σηµείο µέγιστης ενεργού ισχύος P max. 5.4 DC-DC μετατροπέας Οι συστοιχίες δίνουν DC τάση στην έξοδό τους η οποία είναι µεταβλητή και εξαρτάται από την ηλιοφάνεια όπως περιγράφθηκε από τις I-V καµπύλες. Στην έξοδο των φωτοβολταϊκών χρησιµοποιούµε ένα µετατροπέα DC-DC ανύψωσης τάσης. Αυτός ο µετατροπέας δέχεται στην είσοδό του την τάση εξόδου των φωτοβολταϊκών στην έξοδό του δίνει DC τάση 700V. ιαθέτει κατάλληλο σύστηµα ελέγχου ώστε να δίνει στην έξοδό του 700V για µεταβλητή DC τάση εισόδου. Η διπλωµ µατική αυτή δεν ασχολείται µε τον DC-DCC µετατροπέα και τον έλεγχό του. Στην έξοδο του DC-DC µετατροπέα τοποθετούµε έναν αντιστροφέα ισχύος ο οποίος θεωρούµε ότι έχει σταθερή DC τάση εισόδου ίση µε 700V. 5.5 Αντιστροφέας Ισχύος Ο αντιστροφέας ισχύος είναι και εδώ ένας τριφασικός αντιστροφέας µε διακοπτικά στοιχεία (Σχήµα 4-3). Έχει DC τάση εισόδου 700V στην έξοδό του δέχεται τριφασική τάση µε πολική ενεργό ίση µε 400V. Στην AC πλευρά του αντιστροφέα βάζουµε και εδώ ένα χαµηλοπερατό LC φίλτρο για εξάλειψη των αρµονικών. Επιλέγουµε τιµές L=0.5mH, C=20µF. Το κύκλωµα που χρησιµοποιήθηκε στην προσοµοίωση φαίνεται στο Σχήµα

28 Σχήµα 5-7 Κύκλωµα προσοµοίωσης αντιστροφέα φωτοβολταϊκών Αυτό που διαφέρει σε σχέση µε τον αντιστροφέα της µπαταρίας είναι η τεχνική ελέγχου η οποία περιγράφεται στη συνέχεια. 28

29 5.6 PWM ελέγχου ρεύματος με βρόχο υστέρησης Η τεχνική που χρησιµοποιείται λέγεται βρόχος ελέγχου ρεύµατος. Αυτή η τεχνική ελέγχει το ρεύµα εξόδου του αντιστροφέα. Έχοντας ένα ρεύµα αναφοράς, δηµιουργεί µία ζώνη αναφοράς και ελέγχοντας τα διακοπτικά στοιχεία προσπαθεί να κρατήσει το πραγµατικό ρεύµα εξόδου µέσα σε αυτή την ζώνη. Η τεχνική αυτή προσαρµοσµένη στις ανάγκες της εγκατάστασης, περιγράφεται σε τρία βήµατα: ηµιουργία συγχρονισµένου σήµατος ηµιουργία ζώνης ανοχής Έλεγχος των διακοπτών ηµιουργία συγχρονισµένου σήµατος Η AC τάση του αντιστροφέα, µετά το LC φίλτρο, συγκρατείται σταθερή από τον αντιστροφέα του συσσωρευτή. Για να µπορούµε λοιπόν να εγχύσουµε στο σύστηµα συγκεκριµένη ποσότητα ενεργού και άεργου ισχύος, πρέπει να δηµιουργήσουµε ένα ρεύµα αναφοράς του οποίου θα έχουµε τη δυνατότητα να αλλάζουµε το µέτρο και τη φάση σε σχέση µε την AC αυτή τάση. Για το λόγο αυτό αρχικά διαβάζουµε τις φασικές τάσεις µε τρεις αισθητήρες τάσης όπως φαίνεται στο Σχήµα 5-7. Στη συνέχεια χρησιµοποιούµε τρία PLL (phase locked loop), ένα για κάθε φασική τάση. Το PLL, Σχήµα 5-8, είναι ένα κύκλωµα που λειτουργεί ως εξής: διαβάζει κάποιο ηµιτονοειδές µέγεθος από το κύκλωµα ισχύος και δηµιουργεί ένα σήµα στο σύστηµα ελέγχου µε την ίδια φάση και συχνότητα, αλλά µε πλάτος ίσο µε 1. Θα ονοµάσουµε αυτό το σήµα συγχρονισµένο σήµα. Στο Σχήµα 5-8 φαίνεται το κύκλωµα του PLL για την φασική τάση u a : Σχήµα 5-8 Κύκλωµα ελέγχου PLL Βάζοντας κάποια τιµή στο σηµείο «Φάση» µπορούµε να µετατοπίσουµε τη φάση του συγχρονισµένου σήµατος ως προς την u a. Αν βάλουµε κάποια τιµή στο σηµείο «Πλάτος», το συγχρονισµένο σήµα πολλαπλασιάζεται µε την τιµή αυτή, έτσι µε αυτόν τον τρόπο µπορούµε να αλλάξουµε το πλάτος του. 29

30 ηµιουργία ζώνης ανοχής Από το MPPT των φωτοβολταϊκών κάθε στιγµή έχουµε µια ενεργό ισχύ αναφοράς P ref η όποια πρέπει να εγχυθεί στο υπόλοιπο σύστηµα. Επιπλέον, ο αντιστροφέας πρέπει να µπορεί να δίνει άεργη ισχύ στις ανεµογεννήτριες εφόσον αυτές το ζητούν. Έτσι έχουµε και άεργο ισχύ αναφοράς Q ref. Το διανυσµατικό άθροισµα τους προφανώς περιορίζεται από την ονοµαστική ισχύ του αντιστροφέα που είναι 250kVA. Στην AC πλευρά µετά το φίλτρο πρέπει να µπορούµε να διαβάζουµε τις τιµές της ενεργής και της άεργου ισχύος ώστε να µπορούµε να τις συγκρίνουµε µε τις P ref και Q ref αντίστοιχα. Το λογισµικό PSIM διαθέτει όργανα µέτρησης της ενεργού και άεργου ισχύος όµως οι µετρήσεις αυτών µπορούν µόνο να παρασταθούν γραφικά και όχι να χρησιµοποιηθούν στο κύκλωµα ελέγχου. Έτσι πρέπει µε κάποιο τρόπο να µπορούµε να υπολογίζουµε την ενεργό και άεργο ισχύ µόνο από αισθητήρες τάσης και ρεύµατος, δηλαδή µόνο από τις στιγµιαίες τιµές της τάσης και του ρεύµατος. Χρειαζόµαστε λοιπόν τρεις αισθητήρες τάσης και τρεις αισθητήρες ρεύµατος οι οποίοι µετρούν στιγµιαίες τιµές της φασικής τάσης και του ρεύµατος αντίστοιχα. Οι τιµές p και q δίνονται από τις σχέσεις: p= uaia + ubib + ucic (3.3) 1 q= ( uabi c+ ubci a+ ucai b) (3.4) 3 Οι σχέσεις (3.3) και (3.4) έχουν το πλεονέκτηµα ότι δεν χρησιµοποιούν στον υπολογισµό ενεργές τιµές των τάσεων και των ρευµάτων. Αυτό είναι σηµαντικό γιατί η χρησιµοποίηση ενεργών τιµών µας δίνει, όπως αναφέρθηκε, ένδειξη µόνο στο τέλος κάθε περιόδου πράγµα που θα έκανε την απόκριση στη συνέχεια πιο αργή. Οι τιµές της ενεργού και άεργου ισχύος µετρούνται στο Σχήµα 5-7 µε το υποκύκλωµα P-Q. To υποκύκλωµα P-Q (µέσα στο γκρι πλαίσιο) φαίνεται στο Σχήµα 5-9: 30

31 Σχήµα 5-9 Κύκλωµα µέτρησης στιγµιαίας ενεργής και άεργου ισχύος Έχοντας αυτά τα στοιχεία πρέπει να δηµιουργηθεί το ρεύµα αναφοράς. Επιλέγουµε η ενεργός ισχύς να ελέγχει την ενεργό συνιστώσα του ρεύµατος αναφοράς και η άεργος ισχύς την άεργο συνιστώσα του ρεύµατος αναφοράς. Έτσι αφαιρούµε από την P ref την πραγµατική ενεργό ισχύ, οδηγούµε το σφάλµα σε έναν PI ελεγκτή και η έξοδος του PI είναι το πλάτος της ενεργούς συνιστώσας του ρεύµατος αναφοράς. Αντίστοιχα κάνουµε το ίδιο και για την άεργο συνιστώσα µε έναν δεύτερο PI. Στη συνέχεια υπολογίζουµε µε απλές πράξεις το πλάτος και τη φάση του ρεύµατος αναφοράς (Σχήµα 5-10) : I = I + I (3.5) 2 2 ref P Q ϕ ref I 1 Q = tan ( ) (3.6) I P 31

32 Σχήµα 5-10 Υπολογισµός πλάτους και φάσης του ρεύµατος αναφοράς Στη συνέχεια πολλαπλασιάζουµε το συγχρονισµένο σήµα µε το I ref και το µετατοπίζουµε κατά φ ref και έχουµε δηµιουργήσει στιγµιαίο ρεύµα αναφοράς i ref. Η ενεργός τιµή του ρεύµατος αναφοράς δίνεται από τη σχέση I ref. 2 Για να δηµιουργήσουµε µια ζώνη ανοχής προσθέτουµε και αφαιρούµε κάθε στιγµή στο ρεύµα αναφοράς µια ίδια ποσότητα. Θέλουµε όµως αυτή η ποσότητα να είναι συνάρτηση του ρεύµατος αναφοράς ώστε και η ζώνη να είναι ανάλογη του ρεύµατος και όχι σταθερή για κάθε φορτίο. Έτσι η ποσότητα που προστίθεται επιλέγεται να είναι ένα ποσοστό της ενεργού τιµής του ρεύµατος αναφοράς και δίνεται από τον I ref τύπο k. Ο παράγοντας k καθορίζει το σχετικό πλάτος ζώνης. Είναι στην 2 ευχέρεια µας να επιλέξουµε το k. Το επιλέγουµε περίπου 1%. Έλεγχος των διακοπτών Η διαδικασία αυτή γίνεται και για τις τρεις φάσεις ξεχωριστά αλλά θα περιγραφεί µόνο για τη φάση a. Οι άλλες δύο γίνονται µε τον ίδιο τρόπο. ιαβάζουµε το πραγµατικό ρεύµα στην AC πλευρά πριν το φίλτρο LC. Κάθε στιγµή συγκρίνουµε το πραγµατικό ρεύµα µε τη ζώνη ανοχής. Αν το ρεύµα είναι µεγαλύτερο από το άνω όριο της ζώνης, τότε κλείνουµε τον κάτω διακόπτη του σκέλους Α και ανοίγουµε τον άνω διακόπτη του σκέλους Α. Με αυτόν τον τρόπο το ρεύµα αρχίζει να µειώνεται. Αντίστοιχα, αν το πραγµατικό ρεύµα βρίσκεται κάτω από τη ζώνη αναφοράς κλείνουµε τον άνω διακόπτη και ανοίγουµε τον κάτω. Έτσι το ρεύµα αυξάνεται. Αν το ρεύµα είναι µέσα στη ζώνη αναφοράς δεν αλλάζει η κατάσταση των διακοπτών. Στο Σχήµα 5-11 φαίνεται η διαδικασία που µόλις περιγράφθηκε. Η υλοποίηση αυτού του ελέγχου σε ψηφιακό επίπεδο γίνεται µε 1 Flip Flop τύπου SR και 2 συγκριτές. 32

33 Σχήµα 5-11 Έλεγχος ζώνης ανοχής Η τεχνική ελέγχου PWM µε βρόχο υστέρησης παρουσιάζεται συνολικά για τη φάση a στον Σχήµα Οι γκρίζα περιοχή είναι αυτή που βρίσκεται µέσα στο υποκύκλωµα «Phase A» στο Σχήµα 5-7. Οι εντολές εξόδου Ta+ και Ta- είναι δυαδικές και θα φτάσουν στα διακοπτικά στοιχεία του σκέλους Α του αντιστροφέα. Για εντολή ίση µε 1 ο διακόπτης είναι κλειστός και για 0 ανοικτός. 33

34 Σχήµα 5-12 Κύκλωµα προσοµοίωσης βρόχου υστέρησης για τη φάση a 34

35 Όπου, U a είναι η φασική τάση που διαβάζεται µετά το φίλτρο (Σχήµα 5-13) I a είναι το ρεύµα που διαβάζεται πριν το φίλτρο (Σχήµα 5-13) Η ίδια ακριβώς διαδικασία γίνεται και για τις φάσεις b και c στα υποκυκλώµατα «Phase B» και «Phase C» στο Σχήµα 5-7. Τα υποκυκλώµατα «Phase Α», «Phase Β» και «Phase C» έχουν την ίδια ακριβώς δοµή η οποία είναι το τµήµα στο Σχήµα 5-12 µε το γκρι φόντο. Η µόνη διαφορά είναι ότι δέχονται σαν εισόδους τα ρεύµατα και τις τάσεις των αντίστοιχων φάσεων και δίνουν σαν εξόδους τις εντολές των αντίστοιχων διακοπτών. Σηµείωση: Το ρεύµα I a που φαίνεται στο Σχήµα 5-13 είναι διαφορετικό από αυτό που φαίνεται στο Σχήµα 5-9. Το πρώτο είναι µετά το φίλτρο και χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό της στιγµιαίας ενεργής και άεργης ισχύος. Το δεύτερο είναι πριν το φίλτρο και χρησιµοποιείται για τον έλεγχο του βρόχου υστέρησης. Σχήµα 5-13 Μέτρηση στιγµιαίας τιµής ρεύµατος και φασικής τάσης της φάσης a που χρησιµοποιούνται για το βρόχο υστέρησης Σηµείωση Πρέπει να γίνουν δύο επισηµάνσεις που αφορούν στο βήµα «έλεγχος των διακοπτών». Η πρώτη επισήµανση είναι ότι η µορφή του πραγµατικού ρεύµατος δεν είναι ακριβώς αυτή που φαίνεται στο Σχήµα Αυτό θα εξηγηθεί τώρα για τη φάση a. Στις άλλες δύο φάσεις ισχύουν τα ίδια. Το ρεύµα που ουσιαστικά ελέγχουµε είναι το ρεύµα που διαρρέει το πηνίο του φίλτρου. Η διαφορική εξίσωση του πηνίου είναι η εξής: 35

36 dil dt u L L = (3.7) Η τάση u L στα άκρα του πηνίου δίνεται από τη διαφορά των τάσεων ul = uaa uab (3.8) Ο πρώτος δείκτης της τάσης u aα, δηλαδή ο a, δηλώνει την φάση και ο δεύτερος δείκτης, δηλαδή ο A, δηλώνει το σηµείο όπως φαίνεται στο Σχήµα 5-7. Εποµένως η τάση u aα είναι η τάση του σηµείου A της φάσης a ως προς τη γη και u aβ είναι η τάση του σηµείου Β της φάσης a ως προς τη γη. Η τάση u aβ είναι η φασική τάση του δικτύου. Η τάση του δικτύου είναι ηµιτονοειδής µε λίγες αρµονικές οπότε χωρίς σφάλµα µπορούµε να την θεωρήσουµε ένα τέλειο ηµίτονο µε ενεργό τιµή ίση µε 231V. Άρα η στιγµιαία τιµή της τάσης κινείται µεταξύ V και 326.5V. Ο Πίνακας 5-1 παρουσιάζει τις τάσεις στο σηµείο Α για κάθε φάση. Η τάση u aα φαίνεται ότι εξαρτάται από την κατάσταση των διακοπτικών στοιχείων και των τριών σκελών του αντιστροφέα. Παρατηρούµε ότι αν ο πάνω διακόπτης του σκέλους Α είναι κλειστός (κατάσταση 1) η τάση u aα µπορεί να πάρει τρεις διαφορετικές τιµές ( 2 V, 1 V και 0) που εξαρτώνται και από την κατάσταση των διακοπτών των άλλων 3 d 3 d σκελών. Υπάρχει δηλαδή µια σύζευξη µεταξύ των σκελών, γεγονός που οδηγεί στο συµπέρασµα ότι η τριφασική γέφυρα λειτουργεί ως µια ενιαία οντότητα και όχι ως τρία ανεξάρτητα µονοφασικά σκέλη. Πίνακας 5-1 Λειτουργικές καταστάσεις διακοπτών και τιµές µονοφασικών τάσεων σε τριφασικό αντιστροφέα Τ a Τ b Τ c u aα / V d u bα / V d u cα / V d /3-1/3 2/ /3 2/3-1/ /3 1/3 1/ /3-1/3-1/ /3-2/3 1/ /3 1/3-2/ Ας υποτεθεί ότι ο πάνω διακόπτης του Α σκέλους είναι κλειστός ώστε για τον έλεγχο ρεύµατος να έχουµε θετική τάση u L. Έχοντας V d = 700V, η τάση u aα, σύµφωνα µε τον πίνακα µπορεί να πάρει τις τιµές 467V και 233V και 0V. Αν η τάση είναι 467V τότε για κάθε τιµή της τάσης του δικτύου, σύµφωνα µε τη σχέση (3.8) η u L είναι θετική 36

37 όπως και θέλουµε. Αν όµως u aα =233V, τότε για 233V< u αβ < 326.5V η u L γίνεται αρνητική. ηλαδή ενώ θα θέλαµε να έχουµε u L >0 έτσι ώστε το ρεύµα να αυξηθεί, αυτό δεν γίνεται. Επιπλέον αν η u aα είναι 0, τότε για κάθε θετική τιµή της u αβ η u L γίνεται αρνητική. Αυτό θεωρητικά µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα στη λειτουργία του ελέγχου βρόχου υστέρησης. Μια θεωρητική µερική λύση θα ήταν να επιλέγαµε τέτοια V d V d ώστε να ισχύει > 326.5V.Έτσι όταν η u aα γινόταν ίση µε V d /3 δεν θα υπήρχε το 3 πρόβληµα. Βέβαια αν η u aα γινόταν ίση µε 0 το πρόβληµα εξακολουθεί να υπάρχει. Σε προσοµοιώσεις που έγιναν όµως για διάφορα φορτία, φάνηκε ότι πρακτικά αυτό το πρόβληµα δεν επηρεάζει τη συνολική λειτουργία του ελέγχου γιατί οι στιγµές στις οποίες υφίσταται είναι περιορισµένες και διαρκούν πολύ λίγο. Μια δεύτερη επισήµανση που πρέπει να γίνει είναι η εξής: Όπως περιγράφθηκε στον έλεγχο ρεύµατος µε βρόχο υστέρησης δηµιουργείται µια ζώνη ρεύµατος αναφοράς µέσα στην οποία πρέπει να κρατήσουµε το πραγµατικό ρεύµα. Εφόσον το ρεύµα αναφοράς είναι ηµιτονοειδές µπορούµε να θεωρήσουµε ότι δίνεται από τη σχέση i = I sin( ωt) (3.9) ref ref Όπου I ref είναι το πλάτος του, όπως υπολογίστηκε από τη σχέση (3.5). Η µέγιστη κλίση του ρεύµατος αναφοράς µπορεί να δοθεί από την παράγωγο του i ref δηλαδή di ref dt = ωi cos( ωt) (3.10) ref Η κλίση έχει µέγιστη τιµή αναφοράς µηδενίζεται. ω I η οποία εµφανίζεται τη στιγµή ref που το ρεύµα Από τη σχέση (3.7) φαίνεται ότι η κλίση του πραγµατικού ρεύµατος του πηνίου δίνεται από τον λόγο της τάσης στα άκρα του προς την αυτεπαγωγή του. Για να µπορεί λοιπόν το πραγµατικό ρεύµα να ακολουθήσει το ρεύµα αναφοράς πρέπει κάθε στιγµή ο λόγος u L /L να είναι τέτοιος ώστε να µπορεί να δώσει στο πραγµατικό ρεύµα κλίση µεγαλύτερη από τη µέγιστη κλίση του ρεύµατος αναφοράς, δηλαδή να ισχύει ul L > ωi (3.11) ref Για να επιτευχθεί αυτό µπορούµε είτε να αυξήσουµε την V d είτε να µειώσουµε την αυτεπαγωγή του πηνίου. Από φυσικής πλευράς, το πηνίο εισάγει αδράνεια στο κύκλωµα εποµένως αν µικρύνει, το ρεύµα τείνει να ακολουθήσει τις αλλαγές της τάσης γρηγορότερα. Τέλος πρέπει να σηµειωθεί ότι υπάρχει µεγάλη έρευνα σχετικά µε τον έλεγχο βρόχου υστέρησης και υπάρχουν πιο πολύπλοκες τεχνικές υλοποίησης αυτού του ελέγχου οι οποίες δίνουν καλύτερα αποτελέσµατα από την τεχνική που χρησιµοποιήθηκε σε 37

38 αυτόν τον αντιστροφέα. Αυτές εφαρµόζονται όµως κυρίως σε ηλεκτρικούς κινητήρες όπου η ακρίβεια του ελέγχου είναι σηµαντική. 5.7 Απώλειες του αντιστροφέα Ο αντιστροφέας, όπως αναφέρθηκε, έχει ονοµαστική ισχύ 250kVA. Αυτή ορίζει ένα ονοµαστικό ρεύµα ίσο µε 361Α. Έτσι επιλέγουµε και σ αυτόν τον αντιστροφέα να χρησιµοποιήσουµε IGBT. Οι απώλειες και εδώ υπολογίζονται µε τη βοήθεια του Thermal Module του PSIM. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε IGBT της εταιρίας Powerex τύπου CM600DU-24F. Το συγκεκριµένο IGBT είναι τύπου dual αλλά στην προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε σε τριφασική γέφυρα απλά και µόνο για να έχουµε µια εικόνα των απωλειών του αντιστροφέα. Το τεχνικό φυλλάδιο παρατίθεται στο παράρτηµα. Ο βαθµός απόδοσης του αντιστροφέα βρέθηκε να κυµαίνεται από 93% για χαµηλές ισχείς µέχρι 98% για υψηλές ισχείς. Οι απώλειες µετάβασης εξαρτώνται από τη συχνότητα µετάβασης των διακοπτών και άρα από το εύρος της ζώνης ανοχής. Όσο στενότερη είναι η ζώνη τόσο πιο γρήγορα θα αναγκάζονται να ανοιγοκλείνουν τα διακοπτικά στοιχεία µε αποτέλεσµα αυξηµένες απώλειες µετάβασης. Σε επίπεδο προσοµοίωσης, η συχνότητα αυτή περιορίζεται αποκλειστικά από το βήµα ολοκλήρωσης, ωστόσο σε πραγµατικό επίπεδο τα όρια στη συχνότητα µετάβασης προσδιορίζονται τόσο από την ανώτατη συχνότητα λειτουργίας των διακοπτικών στοιχείων, όσο και από τη συχνότητα δειγµατοληψίας του αισθητήρα ρεύµατος. Τυπικές συχνότητες τέτοιων αισθητήρων φτάνουν τα 200kHz και παραπάνω. Στην προσοµοίωση η συχνότητα δειγµατοληψίας προσοµοιώθηκε µε ένα συγκρατητή µηδενικής τάξης ZOH (Zero Order Hold) µε συχνότητα δειγµατοληψίας 200kHz. Με αυτόν τον τρόπο η συχνότητα µετάβασης των διακοπτικών στοιχείων δεν εξαρτάται από το βήµα ολοκλήρωσης αλλά από τη συχνότητα του συγκρατητή µηδενικής τάξης. Πρέπει να επισηµανθεί ότι για χαµηλές φαινόµενες ισχείς του αντιστροφέα, η συχνότητα µετάβασης των διακοπτικών φτάνει τα 100kHz και µπορεί να τα ξεπεράσει. Αν τα διακοπτικά στοιχεία που χρησιµοποιηθούν δεν µπορούν να ανοιγοκλείνουν µε τέτοια συχνότητα, τότε στον έλεγχο ρεύµατος µε βρόχο υστέρησης µπορεί να χρησιµοποιηθεί διαµόρφωση δέλτα. Η διαµόρφωση δέλτα θέτει ουσιαστικά µια ανώτατη επιτρεπτή συχνότητα ανοιγοκλεισίµατος των διακοπτικών στοιχείων. Αυτό το γεγονός µπορεί να οδηγήσει σε χειρότερη ποιότητα ρεύµατος και εποµένως τάσης. Αν αυτό πρέπει να αποφευχθεί µπορεί να χρησιµοποιηθεί µεγαλύτερο φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα των Φ/Β. 38

39 6 Ανεμογεννήτρια Οι ανεµογεννήτριες είναι κατασκευές που εκµεταλλεύονται την αιολική ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στο Σχήµα 6-1 φαίνονται τα µέρη που αποτελούν µια τυπική ανεµογεννήτρια. Σχήµα 6-1 Τµήµατα µιας ανεµογεννήτριας Μέσα στο κέλυφος της ανεµογεννήτριας διαχωρίζουµε το µηχανικό και το ηλεκτρικό µέρος. Το µηχανικό µέρος µιας έχει σκοπό την µετατροπή της αιολικής ενέργειας σε µηχανική στον άξονα της ηλεκτρικής γεννήτριας. Τα πιο σηµαντικά του τµήµατα είναι : Ο ανεµοκινητήρας Το κιβώτιο ταχυτήτων Το ηλεκτρικό µέρος έχει στόχο τη µετατροπή της µηχανικής ισχύος στον άξονα της ηλεκτρικής γεννήτριας σε ηλεκτρική ισχύ στα στην έξοδο της ανεµογεννήτριας. Τα πιο σηµαντικά του τµήµατα είναι Η ηλεκτρική γεννήτρια Η διπλωµατική αυτή δεν ασχολείται καθόλου µε το µηχανικό µέρος της ανεµογεννήτριας. Εξετάζει µόνο το ηλεκτρικό µέρος. Παρ όλα αυτά δίνονται πολύ 39

40 συνοπτικά κάποια γενικά στοιχεία για τη ροή ισχύος διαµέσου ολόκληρης της ανεµογεννήτριας και στη συνέχεια εξετάζεται το ηλεκτρικό µέρος. 6.1 Ροή ισχύος Ανεμοκινητήρας Η ισχύς µιας µάζας ανέµου σχήµατος παραλληλογράµµου που ρέει µε ταχύτητα u και έχει µάζα m,πυκνότητα ρ και διασχίζει µια επιφάνεια εµβαδού A είναι: Pw = ρ Au (3.12) Σε έναν ανεµοκινητήρα το Α είναι η κυκλική επιφάνεια που σαρώνουν τα πτερύγιά του. Ο άνεµος κινεί τα πτερύγιά του παράγοντας µια ροπή στον άξονά του η οποία τον επιταχύνει. Η ισχύς στον άξονα του ανεµοκινητήρα είναι το γινόµενο της ροπής επί τη γωνιακή του ταχύτητα: P = Tω (3.13) t t t Αν η επιφάνεια των πτερυγίων είναι κάθετη στην κατεύθυνση του ανέµου τότε η ροπή που παράγεται είναι η µέγιστη. Η γωνία που σχηµατίζει η κάθετη στην επιφάνεια των πτερυγίων ως προς την κατεύθυνση του ανέµου ονοµάζεται γωνία βήµατος έλικας και συµβολίζεται µε β. Ελέγχοντας αυτήν την γωνία είναι δυνατόν να ελέγξουµε τη ροπή του άξονα του ανεµοκινητήρα. Έχει αποδειχτεί ότι η ισχύς που µπορεί να εκµεταλλευτεί ένας ιδανικός ανεµοκινητήρας είναι µόνο τα 16/27 της ισχύος του ανέµου: 16 1 ρ Pt, ideal = Au = 0.593P w (3.14) Ο παράγοντας 16/27=0.593 λέγεται συντελεστής του Betz. Στην πράξη το 59.3% πέφτει σε ακόµη χαµηλότερες τιµές λόγω µηχανικών ατελειών. Κυµαίνεται από 35-40%. Στην ανάλυση εκφράζουµε το ποσοστό της ενέργειας του ανέµου που εκµεταλλεύεται ο ανεµοκινητήρας µε το συντελεστή C p ο οποίος ονοµάζεται αεροδυναµικός συντελεστής ισχύος. 1 P= C ρau = C P 2 3 t p p w (3.15) Ο αεροδυναµικός συντελεστής ισχύος εξαρτάται από τη γωνία βήµατος της έλικας και µπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση του λόγου Rω λ = (3.16) u 40

41 όπου R είναι η ακτίνα της έλικας, ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας και u η ταχύτητα του ανέµου µακριά από την έλικα. ηλαδή εξαρτάται από το λόγο της ταχύτητας του άκρου της έλικας (Rω) προς την ταχύτητα του ανέµου u. Στο Σχήµα 6-2 φαίνεται ένα διάγραµµα που δείχνει τη µεταβολή του C p συναρτήσει του λ για διάφορες τιµές της γωνίας βήµατος έλικας. Σχήµα 6-2 Συντελεστής C p συναρτήσει του λ για διάφορες γωνίες βήµατος έλικας Πολλαπλασιαστής στροφών Οι στροφές του ανεµοκινητήρα είναι συνήθως χαµηλές και κυµαίνονται µεταξύ 60-90rpm. Η γεννήτρια δουλεύει στις 1000rpm εφόσον έχει 6 πόλους. Έτσι µεταξύ του ανεµοκινητήρα και της ηλεκτρικής γεννήτριας συνήθως µεσολαβεί ένας πολλαπλασιαστής στροφών. Ο πολλαπλασιαστής στροφών αυξάνει τις στροφές και µειώνει τη ροπή που θα φτάσει στον άξονα της γεννήτριας. Η σχέση που συνδέει τη ροπή και στις στροφές στους 2 άξονες ενός πολλαπλασιαστή στροφών χωρίς απώλειες είναι : Tt T mec ω ω mec = = (3.17) t α όπου, T t και ω t είναι η ροπή και οι στροφές στον άξονα χαµηλής ταχύτητας, T mec και ω mec είναι η ροπή και οι στροφές στον άξονα υψηλής ταχύτητας, α είναι ο συντελεστής σύζευξης του πολλαπλασιαστή στροφών 41