Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μιχάλη Κανελλή του Δημητρίου Α.Μ: 5975 ΘΕΜΑ «Επίδραση αιολικών συστημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας» Επιβλέπων Αλεξανδρίδης Αντώνιος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Νοέμβριος 2010

2 2

3 3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Επίδραση αιολικών συστημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μιχάλη Κανελλή του Δημητρίου Α.Μ: 5975 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../.../... Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αλεξανδρίδης Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αντώνιος

4 4

5 5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: ΘΕΜΑ: «Επίδραση αιολικών συστημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας» Φοιτητής: Κανελλής Μιχαήλ του Δημητρίου Επιβλέπων: Αλεξανδρίδης Αντώνιος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης ενός αιολικού συστήματος στην ευστάθεια ενός κοινού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία της μόνιμης κατάστασης. Πιό συγκεκριμένα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σχετικά με την χρήση της αιολικής ενέργειας από τα παλαιά χρόνια έως και σήμερα, αλλά και στοιχείων που αφορούν τόσο την Ελλάδα αλλά και άλλες χώρες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα αιολικά συστήματα ως προς τη δομή τους, τη λειτουργία τους, τα προβλήματα που προκαλούν αλλά και τα οφέλη που αποφέρουν. Στο τρίτο κεφάλαιο ακολουθεί μία κατηγοριοποίηση των συστημάτων ανεμογεννητριών ως προς τον τύπο γεννήτριας που περιέχουν αλλά και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της διείσδυσης της αιολικής ενέργειας ως προς την κλίμακα διείσδυσης (μικρή μεγάλη), τις προϋποθέσεις σωστής χρησιμοποίησής τους καθώς και των προβλημάτων που προκύπτουν σχετικά με την ευστάθεια τάσης αλλά και τη συχνότητα. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση ροής φορτίου και πίο συγκεκριμένα η μέθοδος Newton-Raphson που χρησιμοποιήσαμε για την πραγματοποίηση του πειραματικού κομματιού αυτής της εργασίας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε μαζί με τα αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο ακολουθεί σχολιασμός των παραπάνω αποτελεσμάτων.

6 6 Abstract This diploma thesis examines the influence of a wind energy system on the stability of a common electric power system during the steady state operation. More specifically: In the first chapter, there is an introduction related to the usage of wind energy from the past years up to nowadays, and also facts related not only to Greece but also other countries. In the second chapter, the wind energy systems are analyzed for their structure, the way they operate, the problems they cause and the benefits they yield. In the third chapter, there is a categorization of the wind energy systems in terms of the generator type the use and the state they operate. In the fourth chapter, there is an analysis of the wind power integration depending on the integration scale (small-scale large-scale), the conditions of correct usage, as well as the problems that appear and are related to the voltage stability and the frequency. In the fifth chapter, the load flow procedure is described and more particularly the Newton-Raphson procedure that was used in this case. Ιn the sixth chapter, the simulation is presented along with the results. Finally, in the seventh chapter there are comments related to the results above.

7 7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή Αντώνιο Αλεξανδρίδη που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα, αλλά και για τη βοήθεια και τη συνολική καθοδήγηση καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου τον καλό μου φίλο και μεταπτυχιακό φοιτητή Κανά Βασίλη για τη σημαντική βοήθεια και τις πολύτιμες συμβουλές του, καθώς και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Μπoυρδούλη Μιχάλη και Κωνσταντόπουλο Γιώργο για τη βοήθεια τους. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όσο περισσότερο μπορώ τους φίλους μου και την οικογένειά μου που όλα αυτά τα χρόνια με βοήθησαν, με στήρηξαν και μου έδειξαν εμπιστοσύνη.

8 8

9 9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ABSTRACT... 6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΟΦΕΛΗ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΕΙΔΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Κλασσική μηχανή διπλής τροφοδοσίας Μηχανή διπλης τροφοδοσίας εν σειρά (cascaded) Μηχανή διπλής τροφοδοσίας εν σειρά (single-frame cascaded) Μηχανή διπλής τροφοδοσίας χωρίς ψήκτρες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Απαιτήσεις κατανάλωσης Απαιτήσεις αιολικών συστημάτων ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΣΤΑΘΕΙΑΣ ΤΑΣΗΣ Ανάλυση του φαινομένου της αστάθειας τάσης Χρονική διάρκεια της αστάθειας τάσης ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Ανάλυση ταλαντώσεων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΑΛΥΣΗ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ N-R ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΡΟΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ - ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΩΡΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Χαρακτηριστικά του συστήματος Μεταβολή του P στο ζυγο 3 με σταθερο Q... 71

10 Μεταβολή του Q στο ζυγο 3 με σταθερο P Μεταβολή του S (P,Q) στο ζυγο 3 κατά 5 MW και 5 MVar αντίστοιχα ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Μεταβολή του P στο ζυγο 3 με σταθερο Q Μεταβολή του Q στο ζυγό 3 με σταθερό P Χρήση πολυωνυμικής συνάρτησης για την αναπαράσταση της αέργου ισχύος του αιολικου πάρκου Μεταβολή της ενεργού ισχύος στο ζυγό 7 διατηρώντας σταθερό cosφ= ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΧΩΡΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 87

11 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εκμετάλλευση του ανέμου από τον άνθρωπο ξεκίνησε πριν από χιλιάδες χρόνια. Οι πρώτοι ανεμόμυλοι όμως έκαναν την εμφάνισή τους στη μέση ανατολή γύρω στο 10 ο αιώνα. Από το 1940 άρχισαν οι πρώτες προσπάθειες για τη χρησιμοποίηση του ανέμου στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η ανάπτυξη των ανεμογεννητριών συνεχίζεται μέχρι και σήμερα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, με την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, δόθηκε μεγάλη σημασία στην αιολική ενέργεια και έτσι κατέστη σταδιακά δυνατή η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου και συνεπούς συστήματος παροχής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση διαφορετικών ενεργειακών τεχνολογιών, που λειτουργούσε ως στήριγμα. Στη συνέχεια λοιπόν με τη βοήθεια της έρευνας και της τεχνολογίας φτάσαμε από τις ανεμογεννήτριες των 50 KW του 1980, στις ανεμογεννήτριες με μετατροπείς ισχύος 500 έως 1000 KW δέκα χρόνια αργότερα. Λόγω της συνεχούς βελτίωσης των υλικών, της σχεδίασης και κατασκευής και του ηλεκτρονικού ελέγχου, «πάρκα» μεγάλων ανεμογεννητριών με υψηλό δυναμικό ανέμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με κόστος πολύ χαμηλό. Το 2006 η εκτιμώμενη συνολική εγκατεστημένη ισχύς ανεμογεννητριών ήταν περίπου 70 GW και αναμένεται να φτάσει τα 160 GW το Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο συνολικό αιολικο δυναμικο στην Ελλάδα, όπως προκύπτει με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες και τους βασικούς

12 12 περιορισμούς χωροθέτησης αιολικών πάρκων εκτιμάται σε MW για ταχύτητες ανέμου πάνω από 6 m/s. Μέχρι το 2003 έχουν εγκατασταθεί στην Ελλάδα 37 MW από τη ΔΕΗ και 338 MW από άλλους φορείς. Στα Ελληνικά νησιά του Αιγαίου, στην Κρήτη και στην Ανατολική Στερεά Ελλάδα (με επίκεντρο την Εύβοια), όπου μέσες ταχύτητες ανέμου 6-7 μέτρων το δευτερόλεπτο δεν είναι σπάνιο φαινόμενο, το κόστος της παραγόμενης ενέργειας είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό και υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τις εφαρμογές της αιολικής ενέργειας. Η συνολική ισχύς των ανεμογεννητριών των έργων που έχουν προταθεί και κάποια από αυτά έχουν ήδη εγκριθεί, στα πλαίσια εθνικών αναπτυξιακών προγραμμάτων (π.χ. ΕΠΕ - Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Ενέργειας, Υπουργείο Ανάπτυξης) και τη Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (ΡΑΕ) είναι της τάξεως των 100 MW. Από αυτά υπάρχει θετική γνωμοδότηση από τη ΡΑΕ για 10 έργα αιολικών πάρκων στο Νομό Αττικής συνολικής ισχύος 109 MW, 27 έργων για τη Ν. Εύβοια (387 MW), 9 έργων για τη Β. Εύβοια (119 MW), 8 έργων για την Άνδρο και 15 έργων στην Ηπειρωτική Ελλάδα (407 MW), στην Κρήτη περίπου 45 MW κ.λπ. Η πρώτη εγκατάσταση ανεμογεννήτριας στην Ελλάδα έγινε από τη ΔΕΗ το 1983 στη Μύκονο. Το πρώτο ιδιωτικό αιολικό πάρκο λειτουργεί από το 1988 στην Κρήτη, ισχύος 10,2 MW (Κοινότητα Μετόχι Σητείας) καλύπτοντας τις ενεργειακές ανάγκες νοικοκυριών. Σύμφωνα με τη ΡΑΕ, σε κάθε μη διασυνδεδεμένο νησί υπάρχει αυστηρός περιορισμός (περίπου 30% της μέγιστης ζήτησης του έτους) ως προς το συνολικό μέγεθος ισχύος των αιολικών που μπορούν να εγκατασταθούν. Το αιολικό δυναμικό στα νησιά του Αιγαίου (ταχύτητες ανέμου 8-11 m/sec) και Ανατολικής Πελοποννήσου (π.χ. στη Λακωνία 9 m/sec), Εύβοιας (8-9 m/sec) και Ανατολικής Αττικής (6 m/sec) είναι αρκετά ικανό για να επιτρέψει τη μεγαλύτερη διείσδυση των αιολικών για την παραγωγή ενέργειας. Η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας παρουσιάζεται στον ακόλουθο πίνακα.

13 13 Σχήμα 1.1: Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου στα 10m σε Ελληνικές περιοχές 1.2 Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ Την δεκαετία του 2000 η αιολική ενεργεία παρουσίασε τους υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης από οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας. Το 2009 εγκαταστάθηκαν συνολικά 37.5 GW σε όλο τον κόσμο, φτάνοντας συνολικά τα 158 GW, αύξηση δηλαδή 31% σε σχέση με το προηγούμενο έτος. Στην Ευρώπη, το 2009 η συνολικά εγκατεστημένη ισχύς έφτάσε τα 76 GW, από τα οποία 10 GW ήταν οι νέες εγκαταστάσεις, ποσοστό αύξησης δηλαδή 15% σε σχέση με το προηγούμενο έτος. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση των 27 χωρών μελών η συνολικά εγκατεστημένη ισχύς το 2009 ήταν MW. Στις ΗΠΑ, το 2009 εγκαταστάθηκαν σχεδόν 10 GW, σύμφωνα με τα στοιχεία της AWEA, ενώ η συνολικά εγκατεστημένη ισχύς στις ΗΠΑ ήταν MW. Σύμφωνα με το πρόγραμμα ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας του Υπουρ. Ενέργειας των ΗΠΑ για την περίοδο , η συνολικά εγκατεστημένη ισχύς μέχρι το 2020 μπορεί να φτάσει τα 100 GW. Δεδομένου όμως ότι το 2004 σταμάτησαν οι φορολογικές απαλλαγές, αναμένεται να παρουσιαστεί σημαντική ύφεση στην εγκατάσταση νέων αιολικών πάρκων στις ΗΠΑ τα επόμενα χρόνια. Τέλος η Κίνα, ως ένας ραγδαία αναπτυσσόμενος οικονομικός κολοσσός, έφερε το ένα τρίτο των νέων αιολικών συστημάτων που εγκαταστάθηκαν το 2009, σε μία

14 14 προσπάθεια να ενισχύσει ακόμα περισσότερο την ανάπτυξή της, να μειώσει τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και να αξιοποιήσει το εξαιρετικό αιολικό δυναμικό που διαθέτει. Σύμφωνα με εκτιμήσεις της EWEA (European Wind Energy Association), μέχρι το 2020, με μέσο ετήσιο ρυθμό αύξησης 9,1% για την περίοδο , ο στόχος είναι να εγκατασταθούν 180 GW (από τα οποία 70 GW σε θαλάσσια αιολικά πάρκα), που θα παράγουν 425 TWh ικανές να καλύψουν τις ισοδύναμες ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια περίπου 195 εκατ. πολιτών. Το συνολικό κόστος εκτιμάται σε 101 δισ. Ευρώ, με παράλληλη δημιουργία θέσεων εργασίας, και τον περιορισμό των εκπομπών ρύπων κατά 236 εκατ. τόννους διοξειδίου του άνθρακα. Η επίτευξη των στόχων αυτών θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από την υλοποίηση των νομοθετικών ρυθμίσεων και την εναρμόνιση των εθνικών προτεραιοτήτων ορισμένων χωρών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ιδιαίτερα μετά την ένταξη των νέων χωρών μελών.

15 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2.1 ΔΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ο άνεμος σαν πηγή ενέργειας έχει πολλά πλεονεκτήματα: είναι άφθονος, ανεξάντλητος, δε μολύνει ούτε αυξάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, έχει όμως το μειονέκτημα ότι είναι μεταβλητός, επομένως για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος να απαιτείται ο συνδυασμός της με άλλες πηγές ενέργειας. Σήμερα οι πλέον ανεπτυγμένες ανεμογεννήτριες είναι οριζοντίου άξονα με 2 ή 3 πτερύγια. Μία σύγχρονη ανεμογεννήτρια αποτελείται από τον πύργο στήριξης, τον ανεμοκινητήρα και την άτρακτο, μέσα στην οποία βρίσκονται ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης, η γεννήτρια και το σύστημα σύνδεσης της γεννήτριας με το δίκτυο. Στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα στην άτρακτο υπάρχει και το σύστημα προσνατολισμού τους, ανάλογα με τη διεύθυνση του ανέμου. Επίσης έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί κατάλληλα συστήματα ελέγχου και μετατροπείς ισχύος ώστε να είναι δυνατή η αυτόματη εκκίνηση ή παύση της ανεμογεννήτριας, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεφύγει από τα επιθυμητά όρια. Διακρίνονται, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.1, τα εξής βασικά στοιχεία σε μία ανεμογεννήτρια:

16 16 Η νασσέλλα, που περικλείει τα στοιχεία της ανεμογεννήτριας. Ο δρομέας, το κινούμενο μέρος της ανεμογεννήτριας, που αποτελείται από τα πτερύγια, την πλήμνη και τον άξονα. Το κιβώτιο ταχυτήτων, για τον πολλαπλασιασμό των στροφών του άξονα. Η γεννήτρια. Ο έλεγχος της κλίσης των πτερυγίων (pitch control). Ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου (yaw control). Το σύστημα πέδησης. Το ανεμόμετρο. Τα ηλεκτρονικά ισχύος με τα συστήματα ελέγχου. Οι διατάξεις αντιστάθμισης και τα φίλτρα. Οι διατάξεις ζεύξης και προστασίας (ηλεκτρονόμοι προστασίας, σύστημα ομαλής εκκίνησης κλπ). Ο μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης, όποτε υπάρχει. Σχήμα 2.1:Δομή μιας σύγχρονης ανεμογεννήτριας.

17 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Περιγράφοντας συνοπτικά τη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας, αρχικά η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται από το δρομέα σε στρεφόμενη μηχανική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια διοχετεύεται μέσω του άξονα στο ρότορα της γεννήτριας. Σε κάποιες περιπτώσεις, μεταξύ του δρομέα και της γεννήτριας, παρεμβάλλεται κιβώτιο ταχυτήτων, που πολλαπλασιάζει τις στροφές του άξονα χαμηλών στροφών. Στο ρότορα της γεννήτριας, η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και αποδίδεται στο δίκτυο, ενώ συνηθίζεται να παρεμβάλλεται και ένας μετασχηματιστής ανύψωσης για την προσαρμογή της τάσης σε αυτή του δικτύου. Προκειμένου να επιτυγχάνεται καλύτερη λειτουργία της ανεμογεννήτριας, χρησιμοποιούνται μηχανισμοί ελέγχου τόσο του μηχανικού όσο και του ηλεκτρικού τμήματός της. Ο μηχανισμός περιστροφής και προσανατολισμού (yaw control) περιστρέφει την άτρακτο και την έλικα, ώστε το επίπεδο περιστροφής του δρομέα να είναι συνεχώς κάθετο προς την κατεύθυνση του ανέμου ώστε ο δρομέας να εκμεταλλεύεται στο μέγιστο την ενέργεια του. Βέβαια, τα στρεφόμενα πτερύγια, έχοντας μεγάλες σταθερές αδράνειας, παράγουν υψηλές γυροσκοπικές ροπές κατά τη διάρκεια του προσανατολισμού, που συχνά έχουν ως αποτέλεσμα υψηλό θόρυβο, ο οποίος υπερβαίνει τα τοπικά αποδεκτά όρια. Ο έλεγχος της γωνίας βήματος πραγματοποιείται μέσω ενός σερβομηχανισμού, που αλλάζει τη γωνία των πτερυγίων, με σκοπό την ελεγχόμενη εκμετάλλευση ισχύος σε διάφορες ταχύτητες ανέμου.στις περισσότερες συνδεσμολογίες ανεμογεννητριών χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά ισχύος, τα οποία παρεμβάλλονται μεταξύ της γεννήτριας και του δικτύου, μέσω των οποίων ελέγχεται η ισχύς που ανταλλάσσεται μεταξύ της γεννήτριας και του δικτύου. Τέλος, διατάξεις αντιστάθμισης είναι απαραίτητες για τη βελτίωση της παραγόμενης ισχύος, ενώ διατάξεις, όπως το σύστημα ομαλής εκκίνησης και ο

18 18 διακόπτης αποσύνδεσης, διασφαλίζουν την ομαλή ζεύξη αλλά και απόζευξή της, όταν αυτό είναι απαραίτητο, όπως σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. 2.3 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ Μία τυπική ανεμογεννήτρια συνδέεται απ ευθείας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και η γεννήτρια συγχρονίζεται με το δίκτυο. Το είδος αυτό ανεμογεννήτριας ονομάζεται «σταθερών στροφών» γιατί η επαγωγική γεννήτρια επιτρέπει μικρές αποκλίσεις της ταχύτητας περιστροφής. Οι ανεμογεννήτριες αυτές δημιουργούν προβλήματα στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της απουσίας ελέγχου ενεργής και αέργου ισχύος, ο οποίος είναι πολύ σημαντικός για τη διατήριση της τάσης και της συχνότητας μέσα στα επιτρεπτά όρια. Πιό συγκεκριμένα η απουσία ελέγχου αέργου ισχύος προκαλεί προβλήματα αστάθειας τάσης ενώ η απουσία ελέγχου ενεργής ισχύος δημιουργεί προβλήματα συχνότητας. Στην εργασία αυτή επίκεντρο του ενδιαφέροντος είναι τα προβλήματα που δημιουργούν τέτοιου τύπου αιολικά συστήματα στο μέτρο της τάσης και τη συχνότητα. Επειδή απουσιάζουν συστήματα ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος, η ενέργεια που παράγουν τα συστήματα αυτά θεωρείται χαμηλης ποιότητας. Παράλληλα, τα αποτελέσματα που θα προκύψουν από τη μελέτη του συστήματος που θα εξετάσουμε σε επόμενο κεφάλαιο, μπορούμε να τα λάβουμε υπ όψιν μας και για μεγαλύτερη παραγωγή αιολικής ενέργειας, καθώς όσο αυξάνει ο αριθμός των ανεμογεννητριών που συμμετέχουν στην παραγωγή, τόσο μικρότερες διακυμάνσεις θα έχουμε στη συνολική παραγόμενη ισχύ, αφού μειώνεται ο δείκτης χωρικής συσχέτισης μεταξύ των ανεμογεννητριών (Power smoothing effect). Το φαινόμενο αυτό απεικονίζεται καλύτερα στο παρακάτω σχήμα:

19 19 Σχήμα 2.2: Βελτίωση παραγωγής ανάλογα με τον αριθμό ανεμογεννητριών Όπως προκύπτει από το σχήμα λοιπόν, ένα σημαντικό ζήτημα που χρίζει αντιμετώπισης είναι αυτό της αστάθειας τάσης που προκύπτει από τα αιολικά συστήματα. Η αστάθειας τάσης διακρίνεται σε αστάθεια μόνιμης κατάστασης, αστάθεια μεταβατικής κατάστασης και δυναμική αστάθεια. Πιό συγκεκριμένα, η αστάθεια μόνιμης κατάστασης σχετίζεται με την αργή αλλά σταθερή μεταβολή του φορτίου του συστήματος, η αστάθεια μεταβατικής κατάστασης σχετίζεται με μεγάλες διαταραχές και είναι η αδυναμία του συστήματος να διατηρήσει το συγχρονισμό του μετά από μία διαταραχή στο διάστημα που μεσολαβεί από την εφαρμογή της διαταραχής μέχρι την ενεργοποίηση των συστημάτων ελέγχου πραγματικής ισχύος, ενώ η δυναμική αστάθεια αφορά την ικανότητα του συστήματος να διατηρήσει το συγχρονισμό του μετά την πρώτη αρχική ταλάντωση και να αποκατασταθεί μία νέα ισορροπία μόνιμης κατάστασης. Εδώ θα εξετάσουμε την περίπτωση της μόνιμης κατάστασης.

20 ΟΦΕΛΗ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Με την διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, και κατ επέκτασιν των αιολικών συστημάτων στα σύγρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούμε να αποκομίσουμε πολλαπλά οφέλη, τα οποία αναλύονται λεπτομερώς παρακάτω. Κατ αρχήν, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συμβάλλουν στην μείωση της εξάρτησης από τις συμβατικές και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, οι οποίες έχουν αρνητικές συνέπειες για το περιβάλλον.σαν παράδειγμα θα μπορούσαμε να αναφέρουμε την μείωση της εκπομπής, στην ατμόσφαιρα, των 6 αερίων τα οποία είναι υπεύθυνα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου (CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6). Σημαντικό, επίσης, πλεονέκτημα των ΑΠΕ είναι η αποκέντρωση του συστήματος ενέργειας εξαιτίας της γεωγραφικής τους διασποράς. Κάτι τέτοιο έχει σαν αποτέλεσμα την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε περιφερειακό και τοπικό επίπεδο με αποτέλεσμα, την ανακούφιση των συστημάτων υποδομής και τον περιορισμό των απωλειών κατά την μεταφορά ενέργειας. Σαν συνέχεια των παραπάνω, μπορούμε να αναφέρουμε την αναζωογόνηση των οικονομικά και κοινωνικά ασθενέστερων περιοχών μέσω των επενδύσεων. Δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, με διαφορετικές λύσεις για διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες (για παράδειγμα χρήση ηλιακής ενέργειας για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών, χρήση αιολικής ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή κ.α). Συνεισφορά στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων.

21 21 Σημαντικό επιπλέον είναι πως, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Ο ήλιος, ο άνεμος, τα ποτάμια, οι οργανικές ύλες όπως το ξύλο και ακόμη τα απορρίμματα οικιακής και γεωργικής προέλευσης, είναι πηγές ενέργειας που η προσφορά τους δεν εξαντλείται ποτέ. Υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον και είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος, σχεδόν αποκλειστικά, μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα, οπότε και στράφηκε στην εντατική χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων.

22 22

23 23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι ανεμογεννήτριες περιέχουν έναν από τους 2 τύπους γεννητριών: α)τις σύγχρονες που διακρίνονται σε γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα και γεννήτριες μονίμων μαγνητών, και β)τις ασύγχρονες (επαγωγικές), με δύο τύπους, αυτή με βραχυκυκλωμένο κλωβό (squirrel cage) και αυτή με δακτυλιοφόρο δρομέα (wound rotor). Με βάση τον τρόπο λειτουργίας, οι ανεμογεννήτριες εντάσσονται σε 2 μεγάλες «οικογένειες»: ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (fixed speed wind turbines) ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (variable speed wind turbines). Για ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, η γεννήτρια (επαγωγική) συνδέεται άμεσα στο δίκτυο. Δεδομένου ότι η ταχύτητα καθορίζεται σχεδόν από τη συχνότητα δικτύου, άρα είναι και μη ελέγξιμη, δεν είναι δυνατό, με τις διαταραχές του αέρα, να έχουμε μεταβαλλόμενη ενέργεια. Επομένως, για ένα σύστημα σταθερής ταχύτητας, η διακύμανση του αέρα θα οδηγήσει σε διακυμάνσεις ισχύος, οι οποίες έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα της ισχύος στο δίκτυο. Οι μηχανές σταθερής ταχύτητας ελέγχονται από εξοπλισμό ηλεκτρονικών ισχύος, ο οποίος καθιστά δυνατό τον έλεγχο της ταχύτητας ρότορα. Κατ' αυτό τον τρόπο οι διακυμάνσεις δύναμης που προκαλούνται από τις παραλλαγές αέρα μπορούν να απορροφηθούν (λίγο ή πολύ), αλλάζοντας την ταχύτητα ρότορα και έτσι μπορούν να μειωθούν οι διακυμάνσεις της ισχύος (λόγω του στροβιλισμού του ανέμου ).

24 24 Αυτός είναι ένας τρόπος να ξεπεραστούν ορισμένα από τα προβλήματα που παρουσιάζει ο συγκεκριμένος τύπος γεννήτριας. Η περιστροφική ταχύτητα της ανεμογεννήτριας είναι αρκετά χαμηλή και πρέπει επομένως, να προσαρμοστεί στην ηλεκτρική συχνότητα. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: με ένα κιβώτιο ταχυτήτων ή με τον καθορισμό του αριθμού των ζευγών πόλων της γεννήτριας. Ο αριθμός ζευγών πόλων που διαθέτει κάθε μηχανή καθορίζει την επιτρεπτή μηχανική ταχύτητα της γεννήτριας, λαμβάνοντας υπόψη την ηλεκτρική συχνότητα, και το κιβώτιο ταχυτήτων προσαρμόζει την ταχύτητα του ρότορα στη μηχανική ταχύτητα της γεννήτριας. Σε αυτό το τμήμα θα παρουσιαστούν τα ακόλουθα συστήματα ανεμογεννητριών: 1. σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή, 2. μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή σύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού, 3. μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη γεννήτρια πολλαπλών πόλων ή πολλαπλών πόλων με μόνιμους μαγνήτες, 4. μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Ακολουθεί μια συνοπτική παρουσίαση αυτών των συστημάτων. 3.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Για τις ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, η επαγωγική μηχανή είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο, με μια διάταξη ομαλής εκκίνησης (soft starter) και μια συστοιχία πυκνωτών για τη μείωση της κατανάλωσης άεργου ισχύος, σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα.

25 25 Σχήμα 3.1: Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή Η ταχύτητα ρότορα σε αυτόν τον τύπο, καθορίζεται εξ ορισμού από το κιβώτιο ταχυτήτων και τον αριθμό των πόλων της γεννήτριας. Συνήθως υπάρχουν 2 σταθερές ταχύτητες. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση 2 κινητήρων με διαφορετικά ζεύγη πόλων και χαρακτηριστικά. Έτσι μπορούμε να επιτύχουμε καλύτερη εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού και μείωση των απωλειών στις χαμηλές ταχύτητες. Αυτό το μοντέλο ανεμογεννήτριας χρησιμοποιήθηκε αρκετά τα προηγούμενα χρόνια. Στην περίπτωση των ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας, η γεννήτρια είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο. Το πλεονέκτημα τους είναι ότι είναι απλές κατασκευαστικά, στιβαρές, αξιόπιστες και το κόστος των ηλεκτρικών της μερών και της συντήρησης είναι χαμηλό. Δυστυχώς, όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, επειδή η ταχύτητα είναι σχεδόν σταθερή στην συχνότητα του δικτύου, άρα και μη ελέγξιμη, δεν είναι δυνατόν να απορροφήσει τις διακυμάνσεις της ισχύος, ενώ ο έλεγχος της ισχύος είναι σημαντικά αργός, καθώς η μόνη δυνατότητα ελέγχου είναι η ρύθμιση της γωνίας προσβολής. 3.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Το σύστημα στο σχήμα 3.2 αποτελείται από μια Α/Γ εξοπλισμένη με έναν αντιστροφέα συνδεδεμένο στο στάτη της γεννήτριας. Η γεννήτρια μπορεί να είναι είτε βραχυκυκλωμένου κλωβού επαγωγική ή σύγχρονη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι σχεδιασμένο έτσι, ώστε η ταχύτητα του άξονα να ανταποκρίνεται στην

26 26 προσδοκώμενη, από τη γεννήτρια, ταχύτητα. Οι σύγχρονες γεννήτριες ή οι μόνιμου μαγνήτη σύγχρονες γεννήτριες μπορούν να σχεδιαστούν με πολλαπλά ζεύγη πόλων, που στην περίπτωση αυτή δεν είναι απαραίτητο να έχουμε κιβώτιο ταχυτήτων. Σχήμα 3.2: Σύστημα μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή συγχρονη μηχανή Μέσω της λειτουργίας με μεταβλητές στροφές γίνεται εφικτό να προσαρμόζεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας σε κάθε ταχύτητα ανέμου. Σε αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών στροφών διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις της ισχύος που προκαλούνται από μεταβολές του ανέμου αποσβένονται μέσω της αλλαγής της ταχύτητας του δρομέα. Τα πλεονεκτήματά αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη πρόσληψη ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας. Τα μειονεκτήματά της είναι οι απώλειες στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος, καθώς οι αυξημένες απαιτήσεις για καλύτερη απόδοση του αντιστροφέα απαιτούν όλο και πιο εξελιγμένα μέρη. 3.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Το σύστημα που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, λειτουργεί με μια μηχανή διπλής τροφοδοσίας, με τον στάτη να είναι απευθείας συνδεδεμένο στο δίκτυο, ενώ το τύλιγμα ρότορα, μέσω των δακτυλίων, σε έναν αντιστροφέα.

27 27 Σχήμα 3.3: Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας Αυτό το σύστημα έχει γίνει το τελευταίο διάστημα πολύ δημοφιλές και χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα στα αιολικά πάρκα. Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι ο αντιστροφέας δεν χρειάζεται να διαχειριστεί πάνω από το 30% της συνολικής ισχύος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των απωλειών του αντιστροφέα, και επιπλέον το κόστος κατασκευής του αντιστροφέα είναι αρκετά μικρότερο. Υπάρχει, επίσης, μια εναλλακτική τοπολογία για σύστημα με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας, η οποία χρησιμοποιεί εξωτερικές αντιστάσεις, με αρνητικές, όμως, επιπτώσεις στην ποιότητα της ενέργειας και την ελεγξιμότητα της αέργου ισχύος. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι η ανάγκη για πολύπλοκο έλεγχο. 3.4 ΕΙΔΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) Ακολουθεί παρουσίαση των διαφόρων ειδών μηχανών DFIG, τα οποία είναι η κλασσική DFIG, DFIG σε σειρά, DFIG μονού πλαισίου σε σειρά και DFIG χωρίς ψήκτρες. Οι μηχανές διπλής τροφοδοσίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές που απαιτούν σταθερή συχνότητα και μεταβαλλόμενη ταχύτητα, όπως επιθυμούμε στις Α/Γ. Το κύριο πλεονέκτημα μιας DFIG μηχανής σε σύγκριση με μια μηχανή απλής τροφοδοσίας, είναι το μειωμένο ποσό ισχύος που καλείται να διαχειριστεί ο αντιστροφέας. Το μέγεθος της ισχύος αυτής, εξαρτάται από το εύρος τιμών στο οποίο θέλουμε να κυμαίνεται η ταχύτητα της μηχανής.

28 Κλασσική μηχανή διπλής τροφοδοσίας Η κλασσική DFIG είναι μια επαγωγική μηχανή με δακτυλίους στον άξονα του ρότορα. Το τύλιγμα του στάτη συνδέεται κατευθείαν στο δίκτυο ενώ ένας αναστροφέας παρεμβάλλεται ανάμεσα στο ρότορα και το δίκτυο ο οποίος ελέγχει ουσιαστικά τα ρεύματα του ρότορα. Σχήμα 3.4: Κλασσική μηχανή διπλής τροφοδοσίας Μηχανή διπλής τροφοδοσίας εν σειρά (cascaded) Σε αυτόν τον τύπο συνδεσμολογίας, το σύστημα αποτελείται από δύο μηχανές διπλής τροφοδοσίας, οι οποίες συνδέονται και μηχανικά μέσω των αξόνων τους, και ηλεκτρικά μέσω των ρευμάτων των δρομέων. Στην περίπτωση αυτή, μόνο το τύλιγμα στάτη συνδέεται απευθείας στο δίκτυο, ενώ το αντίστοιχο τύλιγμα της δεύτερης, συνδέεται με έναν αντιστροφέα πριν συνδεθεί στο δίκτυο. Επειδή οι τάσεις των δρομέων είναι ίδιες, ο έλεγχος της DFIG που συνδέεται απευθείας στο δίκτυο, μπορεί να επιτευχθεί μέσω της δεύτερης DFIG που συνδέεται στον αντιστροφέα. Παρόλο που είναι δυνατόν να υπάρξει παρόμοιος έλεγχος της ισχύος, όπως στην κλασσική DFIG, είναι πολύ αρνητικό ότι παρουσιάζονται αυξημένες απώλειες συνολικά στο σύστημα, καθώς περιλαμβάνονται 2 μηχανές.

29 29 Σχήμα 3.5: Μηχανή διπλής τροφοδοσίας εν σειρά Μηχανή διπλής τροφοδοσίας εν σειρά (single-frame cascaded) Σε αυτόν τον τύπο έχουμε ότι και για τον προηγούμενο,αλλά με τις 2 επαγωγικές μηχανές σε ένα κοινό πλαίσιο. Το θετικό αυτού του συστήματος είναι η αυξημένη στιβαρότητα, αλλά το μείον του είναι η μειωμένη απόδοση, σε σχέση τον άλλον τύπο Μηχανή διπλής τροφοδοσίας χωρίς ψήκτρες Αυτός ο τύπος περιέχει 2 τυλίγματα στάτη, ένα για τον έλεγχο και ένα για την ισχύ. Επειδή υπάρχει ο κίνδυνος να έχουμε αλληλεπαγωγικά φαινόμενα μεταξύ των δύο τυλιγμάτων, τα δύο τυλίγματα έχουν διαφορετικό αριθμό ζευγών πόλων, με τη διαφορά μεταξύ τους να είναι μεγαλύτερη του ενός ζεύγους. Ένα επιπλέον σημείο που πρέπει να προσεχθεί είναι ότι ο αριθμός των ζευγών πόλων του ρότορα πρέπει να είναι ίσος με το άθροισμα των ζευγών πόλων των τυλιγμάτων του στάτη. Ένας τύπος μηχανής που εντάσσεται σε αυτή την κατηγορία DFIG, αυτή χωρίς ψήκτρες, είναι η reluctance Μηχανή διπλής τροφοδοσίας, της οποίας ο στάτης είναι ακριβώς όπως της προηγούμενης μηχανής, ενώ ο δρομέας βασίζεται στην αρχή του reluctance.

30 Σχήμα 3.6: Μηχανή διπλής τροφοδοσίας χωρίς ψήκτρες 30

31 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρησιμοποίηση της αιολικής ενέργειας μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα ελέγχου τάσης ή προβλήματα ευστάθειας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι κύριες επιδράσεις της αιολικής ενέργειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας με επίκεντρο την ευστάθεια τάσης και την ποιότητα ισχύος. Το πρόβλημα της ποιότητας ισχύος και τα προβλήματα ευστάθειας, καθώς και οι τρόποι αντιμετώπισης τους, δεν είναι καινούρια. Ωστόσο, δεν υπάρχει καλή περιγραφή των προβλημάτων αυτών όταν έχουμε μεγάλης κλίμακας διείσδυση αιολικής ενέργειας.ακολουθεί λοιπόν μία παρουσίαση των προβλημάτων που μόλις προαναφέρθηκαν. Αρχικά, ορίζουμε τις κλίμακες ενσωμάτωσης αιολικής ενέργειας ως εξής: Μικρής κλίμακας διείσδυση αιολικής ενέργειας: η εγκατεστημένη αιολική ισχύς είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα ισχύος. Η αιολική ενέργεια αποτελεί μικρό μέρος της συνολικής παραγωγής ενέργειας (έως π.χ. 2%). Σε αυτή την περίπτωση, το σύστημα ηλεκτρικής

32 32 ενέργειας θεωρούμε ότι έχει σταθερή συχνότητα επομένως εξετάζουμε μόνο τα προβλήματα ευστάθειας τάσης. Μεγάλης κλίμακας διείσδυση της αιολικής ενέργειας: η εγκατεστημένη αιολική ενέργεια συγκρίνεται με τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια αποτελεί μεγάλο μέρος της συνολικής παραγωγής ενέργειας (έως π.χ. 10%). Σε αυτή την περίπτωση, παρατηρούνται προβλήματα στην ποιότητα ισχύος ή την ευστάθεια τάσης, ενώ σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις η συχνότητα επηρεάζεται από τις ανεμογεννήτριες. 4.2 ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας θεωρείται ανθεκτικό και τα κύρια προβλήματα στη σύνδεση αιολικών πάρκων προέρχονται από τον έλεγχο της τάσης. Το αιολικό πάρκο αποτελείται από πολλές ανεμογεννήτριες όπου κάθε ανεμογεννήτρια έχει ως βασικά ηλεκτρικά εξαρτήματα μια επαγωγική γεννήτρια, τους τοπικούς αντιστάθμισης αέργου ισχύος και ένα μετασχηματιστή αύξησης τάσης(step-up transformer). Σχήμα 4.1: Ένα συμβατικό αιολικό πάρκο Το σχήμα 4.1 παρουσιάζει τα βασικά κατασκευαστικά στοιχεία ενός συμβατικού αιολικού πάρκου. Στην παρούσα διπλωματική, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στις άμεσα συνδεδεμένες ανεμογεννήτριες με δρομέα σταθερής ταχύτητας των οποίων η ενεργός ισχύς που προέρχεται από το αιολικό πάρκο μεταφέρεται στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς συσκευές αποθήκευσης.

33 33 Επαγωγικές (ή ασύγχρονες) μηχανές που χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες δημιουργούν ζήτηση άεργου ισχύος από το δίκτυο, που εν μέρει αντισταθμίζεται με πυκνωτές αντιστάθμισης. Σε άλλα συστήματα, χρειάζεται αντισταθμιστής αέργου ισχύος ο οποίος εγκαταθίσταται στο PCC (Point of Common Coupling). Τα αιολικά πάρκα έχουν περιορισμένο έλεγχο της ενεργού ισχύος, λόγω της στοχαστικής συμπεριφοράς του ανέμου, ενώ ο έλεγχος τάσης σε αυτό το είδος των ανεμογεννητριών μπορεί να γίνει μόνο με την αλλαγή του ποσού της αντιστάθμισης αέργου ισχύος. Η έλλειψη ελέγχου ενεργής και άεργης ισχύος μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα τάσης στο PCC. Οι διαταραχές της τάσης από τα αιολικά πάρκα έχουν ταξινομηθεί σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες σύμφωνα με το IEC που καθορίζει και προσδιορίζει τις ποσότητες που θα καθοριστούν για το χαρακτηρισμό της ποιότητας ισχύος των ανεμογεννητριών, περιλαμβάνει διαδικασίες μέτρησης για τον ποσοτικό προσδιορισμό των χαρακτηριστικών και την αξιολόγηση της συμμόρφωσης με τις απαιτήσεις της ποιότητας ισχύος. Η ταξινόμηση λοιπόν έχει ως εξής: Λειτουργία μόνιμης κατάστασης (Steady State Operation) οι τάσεις και τα ρεύματα είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις της θεμελιώδους συχνότητας, ενώ η ταχύτητα περιστροφής είναι σταθερή, Δυναμική λειτουργία - περιλαμβάνει την δυναμική συμπεριφορά για χρονική περιόδο από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως μερικά λεπτά, Αρμονικές - περιλαμβάνει τη μεταβολή της τάσης σε υψηλή συχνότητα (π.χ. πάνω από 50Hz για την Ευρώπη) που οφείλεται στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό εγκατεστημένο στις ανεμογεννήτριες. Εδώ, οι αρμονικές δεν είναι ένα σημαντικό ζήτημα, επειδή εστιάζουμε στις απευθείας συνδεδεμένες ανεμογεννήτριες που δε δημιουργούν αρμονικές συνιστώσες στο ρεύμα, θα επικεντρωθούμε δηλαδή στη λειτουργία μόνιμης κατάστασης.

34 Η ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η λειτουργία μόνιμης κατάστασης εξασφαλίζει ότι: Τα ρεύματα δεν θα υπερβαίνουν τα θερμικά όρια ούτε θα ενεργοποιηθούν τα συστήματα προστασίας σε περίπτωση ακραίων φορτίων, Τα επίπεδα τάσης δεν θα υπερβαίνουν τα όρια. Μελλοντικά, οι ανεμογεννήτριες θα μπορούν να πιστοποιούνται ανάλογα με την ποιότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι βασικές παράμετροι μόνιμης κατάστασης για τις ανεμογεννήτριες που θα πιστοποιούν την ποιότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ Ονομαστική ενεργός ισχύς Ονομαστική άεργος ισχύς Ονομαστική φαινόμενη ισχύς Ονομαστικό ρεύμα ανεμογεννήτριας σε ονομαστική τάση Ονομαστική τάση ανεμογεννήτριας Μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς εγκατεστημένη στον ελεγκτή(p max ) Μέγιστη ισχύς που μετριέται σε περίοδο 60 δευτερολέπτων(p 60 ) Μέγιστη ισχύς που καταγράφεται σε περίοδο 0,2 δευτερολέπτων(p 0,2 ) Προσφορά-Ζήτηση αέργου ισχύος ως συνάρτηση της ενεργού ισχύος Μετρούμενη άεργος ισχύς ως προς το P max Μετρούμενη άεργος ισχύς ως προς το P 60 Μετρούμενη άεργος ισχύς ως προς το P 0,2 Πίνακας 4.1:Κύριες παράμετροι βάσει του IEC Με βάση τις παραμέτρους που ορίζονται στον πίνακα 4.1 και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δικτύου, είναι δυνατόν να προσδιοριστούν οι επιπτώσεις στην

35 35 ποιότητα τάσης καθώς και τα μέγιστα ρεύματα στα καλώδια και τους μετασχηματιστές. Οι επιπτώσεις στην ποιότητα τάσης για διάφορες συνθήκες, όπως προκύπτει από τον πίνακα 4.1, μπορούν να υπολογιστούν με τη βοήθεια ενός προγράμματος ανάλυσης ροής φορτίου ή με απλές εξισώσεις. Στη συνέχεια, παρατίθενται απλές εξισώσεις για τον προσδιορισμό των επιπέδων τάσης. Το ακόλουθο σχήμα παραθέτει μία απλουστευμένη απεικόνηση της ανεμογεννήτριας και του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, όπου ο κόμβος αναφοράς και η ισοδύναμη αντίσταση αντιπροσωπεύουν ολόκληρο το σύστημα που συνδέεται στα άκρα της ανεμογεννήτριας. Σχήμα 4.2:Απλουστευμένη απεικόνηση ανεμογεννήτριας - δικτύου Τα P και Q είναι η ενεργός και άεργος ισχύς, αντίστοιχα, από την ανεμογεννήτρια, ενώ δεν υπάρχουν άλλα φορτία ή παράλληλα στοιχεία εγκατεστημένα στις ανεμογεννήτριες. Η τάση στους ακροδέκτες της ανεμογεννήτριας υπολογίζεται ως εξής: U = U0+ U (4.1) όπου, U 0 είναι η τάση στον κόμβο αναφοράς, U είναι η τάση στην ανεμογεννήτρια και το ΔU μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: ( PR+ QX) ( PX QR) U = + j (4.2) U U 0 0 όπου, R και X είναι τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου. Η τάση μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί ανάλογα με τη ροή της αέργου και ενεργού ισχύος και τα χαρακτηριστικά του δικτύου. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση (4.2) είναι δυνατός ο υπολογισμός των επιπέδων τάσης και η σύγκριση με προκαθορισμένα όρια που επιβάλλονται από το τοπικό δίκτυο.

36 ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συνεχίζοντας προς την ευρύτερη διείσδυση της αιολικής ενέργειας στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, τα προβλήματα που προκύπτουν εδώ βασίζονται σε αυτά της μικρής κλίμακας. Η ένταξη μεγάλου ποσού αιολικής ενέργειας μπορεί να συμβεί σε δύο κύριες περιπτώσεις: 1. Μεγάλα αιολικά πάρκα συνδέονται με το δίκτυο μεταφοράς ή 2. Πολλά μικρά αιολικά πάρκα που συνδέονται με το σύστημα διανομής σε μια περιοχή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Και στις 2 περιπτώσεις, η εκτίμηση της ποιότητας ισχύος και της σταθερότητας του συστήματος είναι πιο σύνθετη και ανάλογα με τα μεγέθη, απαιτούν ειδική μελέτη της τάσης και των διακυμάνσεων της συχνότητας. Στη μικρής κλίμακας ένταξη αιολικής ενέργειας, η συχνότητα θεωρήθηκε σταθερή. Όμως η μεγάλη ποσότητα αιολικής ισχύος, που είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, συνεπάγεται μη αμεληταία αλληλεπίδραση των ελεγκτών συχνότητας που βρίσκονται στους σταθμούς παραγωγής με τις μεγάλες μεταβολές στα φορτία, επομένως μπορούν να συμβούν μεταβολές συχνότητας. Επιπλέον, τα μεγάλα ποσά αέργου ισχύος που απαιτούν τα αιολικά πάρκα μπορεί να μειώσουν τη συνολική παροχή αέργου ισχύος, γι αυτό και τα όρια ευστάθειας τάσης μπορούν να μεταβληθούν και πρέπει να αναλυθούν. Μπορούμε να απεικονήσουμε όμως καλύτερα τα ζητήματα που προκύπτουν από την μεγάλης κλίμακας διείσδυση αιολικής ενέργειας με ένα σχήμα. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας όπου υπάρχουν σπίτια και βιομηχανίες τα οποία καταναλώνουν ενεργό ισχύ P D, ένα αιολικό πάρκο που παράγει ισχύ P W, ενώ η επιπρόσθετη ισχύς P G που απαιτείται παράγεται αλλού. Οι αντιστάσεις Ζ 1 -Ζ 3 αντιπροσωπεύουν τις αντιστάσεις των γραμμών μεταφοράς και των μετασχηματιστών του δικτύου.

37 37 Σχήμα 4.3 :Το δίκτυο του παραδείγματος μας Στο δίκτυο του σχήματός μας θα ισχύει πάντα το ισοζύγιο ισχύος ως εξής: PG = PD + PL PW όπου P D η κατανάλωση ισχύος στα φορτία(σπίτια και επιχειρήσεις), P G η επιπρόσθετη ισχύς που απαιτείται, P L οι απώλειες στις γραμμές μεταφοράς και τους μετασχηματιστές και P W η παραγόμενη αιολική ισχύς. Η παραπάνω εξίσωση που περιγράφει το ισοζύγιο ισχύος ισχύει σε κάθε περίπτωση και υπονοεί ότι η δεν υπάρχει αποθήκευση ενέργειας στο σύστημα. Επομένως οποιαδήποτε μεταβολή είτε στο φορτίο είτε στην παραγωγή θα πρέπει να εξισορροπηθεί από στοιχεία που υπάρχουν ήδη στο δίκτυο μας Απαιτήσεις κατανάλωσης Βασικός σκοπός του συστήματος είναι να παρέχει στους καταναλωτές την απαραίτητη ισχύ σε οποιαδήποτε στιγμή και σε λογικό κόστος. Επομένως οι τρεις βασικές απαιτήσεις των καταναλωτών ειναι: 1. Η τάση να παραμένει μέσα στα αποδεκτά όρια αφού οι περισσότερες οικιακές συσκευές απαιτούν συγκεκριμένο εύρος τάσης για να λειτουργήσουν σωστά(π.χ 220V±10%). Εδώ διακρίνουμε 2 περιπτώσεις. Αρχικά υποθέτουμε ότι δεν έχουμε αιολική παραγωγή και η τάση U 0 είναι σταθερή λόγω της σταθερής παραγωγής P G. Αν υπάρξουν διακυμάνσεις στη ζήτηση P D τότε μεταβάλλονται και

38 38 τα ρεύματα I 1,I 3 και άρα θα αλλάξει και η τάση στις αντιστάσεις Z 1,Z 3. Για να αποφύγουμε τις μεγάλες διακυμάνσεις μπορούμε να κάνουμε τα εξής: α) χρήση ισχυρότερου δικτύου με χρήση μεγαλύτερης τάσης μεταφοράς ώστε να μειωθεί το ρεύμα άρα και οι απώλειες, β) έλεγχο της τάσης U 3 με ελεγχόμενους μετασχηματιστές κοντά στη U 3, γ) έλεγχο της τάσης U 1 με ελεγχόμενου μετασχηματιστές ή και χρήση εξοπλισμού ελέγχου τάσης όπως συστοιχία πυκνωτών. Έπειτα υποθέτουμε την ύπαρξη αιολικής παραγωγής PW. Επειδή η αιολική παραγωγή παρουσιάζει διακυμάνσεις, θα υπάρχουν διακυμάνσεις στο ρεύμα I 2 άρα και στο Ι 1, επομένως θα υπάρχει μεταβολή της τάσης της Ζ 1. Όπως βλέπουμε λοιπόν, η επίδραση της αιολικής παραγωγής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την Ζ 1. Αν η Ζ 1 είναι μεγάλη, η σχέση μεταξύ της μεταβαλλόμενης αιολικής παραγωγής και των διακυμάνσεων της U 3 θα είναι μεγάλη, ενώ αν η Ζ 1 είναι μικρή, η U 3 θα είναι σχεδόν ανεπηρέαστη από τη μεταβολή της αιολικής παραγωγής. Στην πραγματικότητα επηρεάζονται μόνο οι καταναλωτές που βρίσκονται κοντά στο αιολικό πάρκο. Για να αποφύγουμε τέτοια προβλήματα μπορούμε να κάνουμε ότει και στην προηγούμενη περίπτωση και επιπλέον να χρησημοποιήσουμε τοπικό έλεγχο της U Η απαραίτητη ισχύς θα πρέπει να είναι διαθέσιμη ακριβώς τη στιγμή που τη χρειάζονται οι καταναλωτές για τις διάφορες εφαρμογές. Και πάλι εξετάζουμε πρώτα την περίπτωση χωρίς αιολική παραγωγή. Όταν λοιπόν οι καταναλωτές αυξησουν τις απαιτήσεις τους, η απαιτούμενη ενέργεια θα προέλθει κατ ευθείαν από τους συμβατικούς σταθμους παραγωγής. Σχήμα 4.4: Ισορροπία ισχύος σε συμβατικό σταθμό παραγωγής Το παραπάνω σχήμα δείχνει ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνει τη σύγχρονη γεννήτρια και την τουρμπίνα νερού ή ατμού. Όταν το φορτίο P D αυξάνει, αυξάνει άμεσα και η παραγωγή P G, αύξηση

39 39 που προκύπτει από την αποθηκευμένη κινητική ενέργεια P S και όχι ευθέως από την τουρμπίνα με αποτέλεσμα να μειωθεί η ταχύτητα του ρότορα άρα και η συχνότητα. Για να περιοριστεί το φαινόμενο της μείωσης της ταχύτητας του ρότορα, εξοπλίζουμε τους σταθμούς παραγωγής με διατάξεις ελέγχου της συχνότητας, τα οποία προσαρμόζουν την παραγωγή όταν έχουμε μεταβολές της συχνότητας. Ο χρόνος αντίδρασης των διατάξεων αυτών είναι πολύ σημαντικός και εξαρτάται από τη δομή του σταθμού παραγωγής. Στην περίπτωση που έχουμε αιολική παραγωγή, παρουσιάζεται η ανάγκη να ελέγξουμε ακόμα πιό προσεκτικά την ισορροπία του συστήματος. Στην περίπτωση αυτή αύξηση της ζήτησης έχει την ίδια επίδραση στην ευστάθεια του συστήματος με τη μείωση της αιολικής παραγωγής, γίνεται λοιπόν κατανοητό ότι σε αυτή την περίπτωση τα συστήματα ελέγχου έχουν ακόμα πιο σημαντικό ρόλο. 3. Η καταναλισκόμενη ισχύς θα πρέπει να είναι διαθέσιμη σε λογικό κόστος. Γενικά οι σχεδιαστές αιολικών συστημάτων οφείλουν να αναλύσουν το κόστος και τα πλεονεκτήματα για ένα συγκεκριμένο επίπεδο αξιοοπιστίας. Αρχικά, το σύστημα θα πρέπει να έχει επαρκή δυνατότητα παραγωγής ώστε να καλύπτει τις μέγιστες ανάγκες. Επίσης σημαντικό ρόλο παίζει και η μέγιστη ισχύς που μπορεί το δίκτυο να μεταφέρει στους καταναλωτές, αφού αυτοί κατανέμονται στο δίκτυο και θα πρέπει το σύστημα να μπορεί να ικανοποιήσει τη μέγιστη ζήτηση για κάθε καταναλωτή. Φαίνεται λοιπόν ότι θα πρέπει στο σχεδιασμό να προβλέψουμε όλες τις δυνατές περιπτώσεις ζήτησης, επομένως αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος σημαίνει και κατακόρυφη αύξηση του κόστους για τους καταναλωτές. Οι πρώτες δύο απαιτήσεις σχετίζονται άμεσα με την αξιοπιστία του συστήματος, γεγονός που συνεπάγεται αυξημένο κόστος, επομένως πρέπει οι δύο πρώτες απαιτήσεις να εξισορροπηθούν με την Τρίτη που αφορά το κόστος.

40 Απαιτήσεις αιολικών συστημάτων Όπως οι καταναλωτές, έτσι και οι ιδιοκτήτες-παραγωγοί έχουν κάποιες συγκεκριμένες απαιτήσεις από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να μπορούν να πουλάνε την παραγόμενη ενέργεια: 1. τα αιολικά πάρκα χρειάζονται συγκεκριμένο επίπεδο τάσης στο σημείο σύνδεσης αφού οι ανεμογεννήτριες συνήθως είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν σε συγκεκριμένη τάση (π.χ ±10% της ονομαστικής). Σε αντίθεση με τους καταναλωτές,που οι ανάλογες απαιτήσεις είναι παρόμοιες αφού η πλειοψηφία των οικιακών συσκευών λειτουργεί με την ίδια τάση, οι ανεμογεννήτριες μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικά επίπεδα τάσης. H διαφορά ως προς την αντίστοιχη περίπτωση των καταναλωτών είναι ότι εδω σημαντικό ρόλο παιζει η Ζ 2 ειδικά όταν η αιολική παραγωγή βρίσκεται μακριά από τους καταναλωτές. Για την αποφυγή των προβλημάτων κάνουμε ότι και στην πρώτη περίπτωση των καταναλωτών ενώ μία ενδιαφέρουσα λύση είναι η τοποθέτηση μετασχηματιστή ελέγχου κοντά στη U οι παραγωγοί αιολικής ενέργειας επιδιώκουν να πουλήσουν την παραγόμενη ενέργεια στο δίκτυο όταν θα το επιτρέπει ο άνεμος (δηλαδη όταν η απαιτούμενη ταχύτητα του ανέμου θα είναι πάνω από ένα καθορισμένο όριο) διαφορετικά θα υπάρχει οικονομική ζημιά. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος και την ισχύ του ανέμου, μπορεί να δημιουργηθούν προβλήματα μετάδοσης αλλά και προβλήματα ευστάθειας στο σύστημα. 3. όπως και στην περίπτωση των καταναλωτών, έτσι και εδώ πρέπει να υπάρξει ένας συμβιβασμός ανάμεσα στην αξιοπιστία και το κόστος αφού μεγαλύτερη αξιοπιστία του συστήματος απαιτεί και αυξημένο κόστος επένδυσης. Ένα αρχικό ζήτημα σχετικά με την αξιοπιστία ενός συστήματος είναι τα περιθώρια μεταφοράς ισχύος. Όταν χρησιμοποιούμε αιολική παραγωγή η αξιοπιστία του συστήματος αυξάνει αφού σε περίπτωση υπερφόρτωσης του δικτύου, υπάρχει πολύ μεγάλη πιθανότητα να υπάρχει επαρκής ποσότητα αιολικής παραγωγής, η οποία θα

41 41 μειώσει τον κίνδυνο ανεπάρκειας. Όμως η διασύνδεση αιολικών συστημάτων στο δίκτυο, όπως προαναφέρθηκε, επηρεάζει την αξιοπιστία του συστήματος ως προς την ευστάθειά του, ειδικά σε περιπτώσεις σφάλματος. Επίσης όσον αφορά το κόστος, θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν και η απόσταση του αιολικού πάρκου από το δίκτυο, αφού μεγάλη απόσταση σημαίνει ότι θα πρέπει να προβλεφθεί και βοηθητικό σύστημα μεταφοράς για την περίπτωση βλάβης στο κύριο σύστημα, ώστε να μη δημιουργηθούν σοβαρά προβλήματα τροφοδοσίας. Τέλος θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν και οι περιπτώσεις όπου υπάρχει μέγιστη αιολική παραγωγή και ελάχιστη ζήτηση ενέργειας από τους καταναλωτές ή μηδενική αιολική παραγωγή και μέγιστη ζήτηση από τους καταναλωτές. Περιπτώσεις δηλαδή όπου η U 1 που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, θα παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις, επομένως, θα χρειαστεί να ληφθεί υπ όψιν η επιλογή της χρησιμοποίησης συστημάτων ελέγχου της τάσης για τις ακραίες αυτές περιπτώσεις. Σε κάθε περίπτωση, και ανάλογα με τις απαιτήσεις που έχουμε, συμφέρει να επιδιώξουμε ευστάθεια τάσης μέχρι κάποιο ορισμένο ποσοστό. 4.4 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΣΤΑΘΕΙΑΣ ΤΑΣΗΣ Η αστάθεια τάσης χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η τάση σε κάποιο ζυγό ή σε κάποια περιοχή του δικτύου βαθμιαία ελαττώνεται (συνήθως καταρρέει και γι αυτό αυτή η αστάθεια ονομάζεται κατάρρευση τάσης). Δεν συνοδεύεται κατ'ανάγκη από σημαντική μεταβολή των γωνιών ισχύος των γεννητριών, τουλάχιστον στο αρχικό στάδιο (με την πάροδο του χρόνου είναι δυνατόν να ενεργοποιήσει τα συστήματα προστασίας και να προκληθεί αστάθεια γωνίας ισχύος). Η χρονική διάρκεια του φαινομένου της αστάθειας τάσης μεταβάλλεται σημαντικά και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Η ικανότητα μεταφοράς άεργου ισχύος από τις πηγές στις καταναλώσεις επηρεάζει την αστάθεια τάσης. Όταν εμπλέκονται αυτόματα συστήματα αλλαγής λόγου σπειρών μετασχηματιστών η εξέλιξη του φαινομένου της αστάθειας τάσης μπορεί να διαρκέσει μερικά λεπτά. Είναι πολύ ταχύτερο όταν, για παράδειγμα, η αποσύνδεση κάποιας γραμμής ή κάποιας συσκευής αντιστάθμισης αέργου ισχύος οδηγήσει σε ξαφνική έλλειψη υποστήριξης της τάσης. Η αστάθεια τάσης είναι ένα δυναμικό φαινόμενο, που περιλαμβάνει την

42 42 αλληλεπίδραση των μεταβολών των φορτίων και του εξοπλισμού που διαθέτουμε για τον έλεγγο της τάσης. Η βραδεία εξέλιξή του όμως μας επιτρέπει τη χρήση μεθόδων ανάλυσης ΣΗΕ στη μόνιμη κατάσταση, για μια προσεγγιστική, γρήγορη λύση Ανάλυση του φαινομένου της αστάθειας τάσης Για ένα δεδομένο ΣΗΕ (οπότε έχουμε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά) η αστάθεια τάσης εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του τροφοδοτούμενου φορτίου. Την εξάρτηση αυτή θα προσπαθήσουμε να διευκρινίσουμε σε αυτήν την παράγραφο. Θα ξεκινήσουμε με ένα φορτίο με σταθερό συντελεστή ισχύος που παριστάνεται με τη σύνθετη αντίσταση Ζ ι /θ και τροφοδοτείται από τη σταθερή τάση Ε /δ μέσω της ισοδύναμης σύνθετης αντίστασης του συστήματος Ζ s /φ, Σχ.4. Όλα τα δεδομένα είναι εκφρασμένα στο ανά μονάδα (pu) σύστημα. Με σταθερή τη γωνία θ, όταν μεταβάλλουμε το Ζ ι μεταβάλλεται η τάση του φορτίου V και άρα και η απορροφούμενη πραγματική ισχύς Ρ από το φορτίο. Στόχος μας είναι η μαθηματική έκφραση αυτής της εξάρτησης. Σχ. 4.5: Κύκλωμα συστήματος προς διερεύνηση Από το Σχ.4.5 παίρνουμε:

43 43 E V = ZlI = Zl = Z + Z l s E Zs + 1 Z l ή V o E δ 0 = Zs 1+ Z l ( ϕ θ) Επομένως: V = 2 2 1/2 Z s Z s cos( ϕ θ) sin( ϕ θ) Zl Zl E Επίσης: * 2 * V V P= Re( VI ) = Re V Re Z * = l Z l ( θ ) όπου Re σημαίνει «το πραγματικό μέρος του». Επομένως: P= V Z l 2 cosθ Για κάθε τιμή της Z l παίρνουμε ένα ζεύγος αποδεκτών τιμών (Ρ, V) από τις παραπάνω εξισώσεις. Η γραφική παράσταση αυτών των ζευγών μας δίνει την καμπύλη των χαρακτηριστικών P-V τ ου συστήματος, ενώ αν υπολογίσουμε τα χαρακτηριστικά αυτά για διαφορετικούς συντελεστές ισχύος (cosθ) του φορτίου παίρνουμε το σμήνος των καμπυλών του Σχ. 5.

44 44 Σχήμα 4.6:Καμπύλες χαρακτηριστικών P-V για διαφορετικούς συντελεστές ισχύος. Από το Σχ.4.6 γίνεται αμέσως φανερό πόσο πολύ επιταχύνει την κατάρρευση της τάσης μια μεταβολή του συντελεστή ισχύος, π.χ. από σε επαγωγικό. Επομένως, σε γραμμές μεγάλου μήκους για να έχουμε λογική μεταφορά ισχύος είναι απαραίτητο να εξασφαλίζουμε συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα (οπωσδήποτε μεγαλύτερο του 0.97 επαγωγικό) και να αντισταθμίζουμε την άεργο ισχύ των φορτίων τοπικά. Για συγκεκριμένο συντελεστή ισχύος υπάρχει μια μέγιστη ισχύς P m (Maximum Available Power (MAP)) που μπορεί να τροφοδοτηθεί στο φορτίο (αντιστοιχεί στη "μύτη" της καμπύλης) και αυτό συμβαίνει όταν Z l = Z S (για σταθερή τάση εισόδου). Η τάση σε αυτό το σημείο ονομάζεται κρίσιμη ( V c ) και ισούται με: 2 2 ( cos( ) 1) sin ( ) 1 2 Vc = E ϕ θ + + ϕ θ Παρατηρούμε ότι για ένα δεδομένο φορτίο (εκτός του μεγίστου) υπάρχουν δύο σημεία λειτουργίας Α και Β (Σx. 4.6). Το Α που αντιστοιχεί στη "μεγάλη" τάση και το "μικρό" ρεύμα ( Ζ l > Z S και άρα προκύπτει V > V c ), και το Β που αντιστοιχεί στη "μικρή" τάση και το "μεγάλο" ρεύμα ( Ζ l < Z S ), έτσι ώστε το γινόμενο τους να