ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ. Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα. Η Επαγωγική και Σύγχρονη μηχανή ως γεννήτρια: Δυναμική ανάλυση και Προσομοίωση

Transcript

1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Η Επαγωγική και Σύγχρονη μηχανή ως γεννήτρια: Δυναμική ανάλυση και Προσομοίωση Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ανδρέα Καλαμίδα Αριθμός Μητρώου: 7792 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 10/1/2018 Ο Επιβλέπων Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Κούσουλας Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: Η Επαγωγική και Σύγχρονη μηχανή ως γεννήτρια: Δυναμική ανάλυση και Προσομοίωση Φοιτητής: Ανδρέας Καλαμίδας Επιβλέπων: Αντώνιος Αλεξανδρίδης

4 Περίληψη Στην παρούσα εργασία εξετάζονται η κατασκευή, η αρχή λειτουργίας, καθώς και τα δυναμικά μοντέλα και αυτά της μόνιμης κατάστασης των επαγωγικών και των σύγχρονων γεννητριών που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αιολικής ενέργειας. Τα μοντέλα της επαγωγικής γεννήτριας (IG) εξάγονται στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να μετασχηματισθούν εύκολα σε οποιοδήποτε άλλο πλαίσιο αναφοράς. Τα μοντέλα αυτά είναι ιδανικά για τις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIGs) και για τις επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (DFIGs). Τα μοντέλα της σύγχρονης γεννήτριας (SG) αναπτύσσονται στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς, το οποίο είναι το πιο κατάλληλο πλαίσιο αναφοράς για την ανάλυση της σύγχρονης γεννήτριας. Τα μοντέλα αυτά εφαρμόζονται στις σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSGs) καθώς και στις σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες (PMSGs). Πλειάδα εκθέσεων παρατίθενται προκειμένου να διερευνηθεί η δυναμική συμπεριφορά καθώς και η συμπεριφορά της μόνιμης κατάστασης των γεννητριών. Τέλος, προσομοιώνονται τα παραπάνω συστήματα και, μέσω της μελέτης των αποτελεσμάτων, εξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα. 1

5 Summary In the present thesis, the construction, the operating principle and the dynamic and steady-state models of induction and synchronous generators used in wind energy systems are examined. The induction generator (IG) models are derived in the arbitrary reference frame, which can be easily transformed to any other reference frame. These models are suitable for both squirrel-cage induction generators (SCIGs) and doubly fed induction generator (DFIG). The synchronous generator (SG) models are developed in the synchronous reference frame, which is the most the convenient reference frame for the analysis of synchronous generators. These models are applicable to both wound rotor synchronous generators (WRSGs) and permanent-magnet synchronous generators (PMSGs). Case studies are provided to investigate the dynamic and steady-state behavior of the generators. Finally, the system analysis above is verified through extensive simulation results. 2

6 Πρόλογος Σε αυτήν την εργασία, εξετάζονται οι αρχές κατασκευής και λειτουργίας των επαγωγικών και σύγχρονων γεννητριών, καθώς και παρουσιάζονται η δυναμική ανάλυση και τα πρότυπα στο χώρο κατάστασης. Παρέχονται, τέλος, εμπεριστατωμένες έρευνες οι οποίες καταδεικνύουν σημαντικές έννοιες και επιδόσεις των γεννητριών, ενώ παράλληλα προσομοιώθηκε η λειτουργία των παραπάνω γεννητριών με το πρόγραμμα Simulink του MATLAB. Πιο αναλυτικά, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται λόγος για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δίνοντας κάποιες επιπλέον πληροφορίες για τις πιο διαδεδομένες μη συμβατικές πηγές. Επιπλέον, καταγράφονται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τέλος δίνονται στατιστικά στοιχεία για την εγκατεστημένη ισχύ στην Ελλάδα σήμερα. Στο Κεφάλαιο 2 αναφέρονται διεξοδικά οι βασικοί τύποι γεννητριών που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αιολικής ενέργειας, επισημαίνοντας τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τους. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα κυριότερα συστήματα αναφοράς με τη βοήθεια των οποίων είναι δυνατό να απλοποιηθεί η ανάλυση των ηλεκτρικών μηχανών και να διευκολυνθεί η προσομοίωση και η ψηφιακή υλοποίηση των διαγραμμάτων ελέγχου στα συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 4 εξετάζεται εκτενέστατα η δομή και η ανάλυση της επαγωγικής γεννήτριας, χρησιμοποιώντας το dq πλαίσιο αναφοράς. Επίσης, υπολογίζονται οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα κατά την προσομοίωσή του. Τέλος, παρατίθενται εκθέσεις οι οποίες ερευνούν τη λειτουργία της γεννήτριας κατά τη μεταβατική και τη μόνιμη κατάσταση. Στο Κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται η κατασκευή των σύγχρονων γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα και των σύγχρονων γεννητριών με μόνιμους μαγνήτες. Επίσης εξάγεται το δυναμικό μοντέλο όπως και το μοντέλο μόνιμης κατάστασης και για τους δύο τύπους των σύγχρονων γεννητριών. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται τα δομικά διαγράμματα που χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση των σύγχρονων γεννητριών, ενώ παρουσιάζονται και έρευνες 3

7 σχετικές με τη δυναμική ανάλυση και την ανάλυση μόνιμης κατάστασης των παραπάνω γεννητριών. Στο Κεφάλαιο 6 προσομοιώνεται η λειτουργία της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού, όπως και της σύγχρονης γεννήτριας με μόνιμους μαγνήτες, κατά τη μεταβολή της τάσης και της μηχανικής ροπής τους. Παρατίθενται αναλυτικά όλες οι παράμετροι των γεννητριών οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο του συστήματος. Έχοντας πραγματοποιήσει την προσομοίωση του εκάστοτε συστήματος με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του MATLAB, εξάγονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται πίνακας με επεξήγηση των βασικών μεγεθών που εμφανίζονται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Στο Παράρτημα Β περιγράφονται αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά μεγέθη των γεννητριών οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στις εκθέσεις των προηγούμενων κεφαλαίων. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που εξετάστηκε κατά την περάτωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 4

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη... 1 Summary... 2 Πρόλογος ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ενεργειακό Πρόβλημα - Κλιματική Αλλαγή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Αιολική Ενέργεια Ηλιακή Ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Υδροηλεκτρική Ενέργεια Ενέργεια από Βιομάζα Ενέργεια από Ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα των ΑΠΕ H κατάσταση των ΑΠΕ στην Ελλάδα σήμερα ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

9 2.1 Παρουσίαση Γεννητριών Η Επαγωγική Γεννήτρια Η Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού Η Επαγωγική Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα H Επαγωγική Γεννήτρια με Μεταβαλλόμενη Αντίσταση Δρομέα Η Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Η Σύγχρονη Γεννήτρια Η Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Η Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑΣ abc/dq Μετασχηματισμός Πλαισίου Αναφοράς abc/αβ Μετασχηματισμός Πλαισίου Αναφοράς ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Κατασκευή Μοντέλο Χωρικού Διανύσματος Μοντέλο Πλαισίου Αναφοράς dq Μοντέλο Προσομοίωσης Μεταβατικά Φαινόμενα Επαγωγικής Γεννήτριας Ισοδύναμο Κύκλωμα Μόνιμης Κατάστασης

10 5. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Κατασκευή Δυναμικό Μοντέλο της Σύγχρονης Γεννήτριας Ισοδύναμα Κυκλώματα Μόνιμης Κατάστασης ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Προσομοίωση Επαγωγικής Γεννήτριας Βραχυκυκλωμένου Κλωβού Αλλαγή της Τάση Συμπεράσματα Αλλαγή της Μηχανικής Ροπής Συμπεράσματα Προσομοίωση Σύγχρονης Γεννήτριας με Μόνιμους Μαγνήτες Αλλαγή της Τάσης Συμπεράσματα Αλλαγή της Μηχανικής Ροπής Συμπεράσματα Παράρτημα Α Παράρτημα B ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

11 1. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Ενεργειακό Πρόβλημα - Κλιματική Αλλαγή Το ενεργειακό πρόβλημα συσχετίζει τα ενεργειακά αποθέματα που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Κύριο χαρακτηριστικό του είναι η συνεχής αύξηση στις τιμές ενέργειας αλλά και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων, καθώς και από τα ορυκτά καύσιμα προέρχεται το 78% της ενέργειας παγκοσμίως. Επιβάλλεται, λοιπόν, η μείωση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων, τα οποία αποτελούν και το σημαντικότερο παράγοντα ρύπανσης της ατμόσφαιρας και ως εκ τούτου η αύξηση του ποσοστού παραγωγής ενέργειας από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας το οποίο περιορίζεται μόλις στο 16% της παγκόσμιας παραγωγής. Η καύση των ορυκτών καυσίμων απελευθερώνει στην ατμόσφαιρα δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα (CO2) το οποίο θεωρείται υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και τη δραματική αλλαγή του 8

12 κλίματος στις επόμενες δεκαετίες. Οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου, όπως η μείωση των αποθεμάτων του νερού, οι υψηλές θερμοκρασίες κατά τη θερινή περίοδο ή οι απότομες μεταβολές στη θερμοκρασία του πλανήτη, είναι ήδη φανερές στην εποχή μας. Αξίζει να σημειώσουμε ότι οι πιο ρυπογόνοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη λειτουργούν στην Ελλάδα, τη Γερμανία, την Πολωνία και την Ισπανία. Η ανάγκη για την αντιμετώπιση όλων των παραπάνω παραγόντων που οδηγούν στις σφοδρές αυτές κλιματικές αλλαγές οδήγησε στην υπογραφή της συμφωνίας των Παρισίων για την κλιματική αλλαγή. Σύμφωνα με τη σύμβαση αυτή η διεθνής κοινότητα συμφώνησε στη μείωση των εκπομπών αερίων θέτοντας συγκεκριμένο στόχο. Η συμφωνία αποτελεί ένα σχέδιο δράσης για τη συγκράτηση της αύξησης της θερμοκρασίας του πλανήτη «αρκετά κάτω» από τους 2 C. Καλύπτει την περίοδο από το 2020 και μετά. Τα κύρια στοιχεία της νέας Συμφωνίας των Παρισίων είναι τα εξής: οι κυβερνήσεις συμφώνησαν να συγκρατήσουν την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη αρκετά κάτω από τους 2 C πάνω από τα προβιομηχανικά επίπεδα και να συνεχίσουν τις προσπάθειες να την περιορίσουν στον 1,5 C. πριν και κατά τη διάσκεψη των Παρισίων, οι χώρες υπέβαλαν ολοκληρωμένα εθνικά σχέδια δράσης για το κλίμα με στόχο τη μείωση των εκπομπών τους. η ΕΕ και άλλες ανεπτυγμένες χώρες θα εξακολουθήσουν να παρέχουν χρηματοδότηση για το κλίμα, προκειμένου να βοηθήσουν τις αναπτυσσόμενες χώρες τόσο να μειώσουν τις εκπομπές όσο και να θωρακιστούν έναντι των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Σημειωτέον, το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο έχει εγκρίνει τέσσερις στόχους στο πλαίσιο της πολιτικής για το κλίμα και την ενέργεια με ορίζοντα το 2030: Να μειωθούν οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου κατά 40% έως το 2030 σε σύγκριση με το 1990 στόχος δεσμευτικός σε επίπεδο Ένωσης. Να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές τουλάχιστον το 27% της ενέργειας που θα καταναλώνεται το

13 Να βελτιωθεί η ενεργειακή απόδοση κατά 27 % σε σύγκριση με τις προβολές. Να ολοκληρωθεί η εσωτερική αγορά ενέργειας με την επίτευξη ενός ελάχιστου στόχου 10% έως το 2020 όσον αφορά τις υφιστάμενες διασυνδέσεις ηλεκτρικής ενέργειας, τουλάχιστον για τις ενεργειακές νησίδες ιδίως τα κράτη της Βαλτικής και την Ιβηρική Χερσόνησο. 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Εικόνα 1.1. Διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Με τον όρο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εννοούμε τους φυσικούς διαθέσιμους πόρους - πηγές ενέργειας, που υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον, που δεν εξαντλούνται αλλά διαρκώς ανανεώνονται και που δύνανται να μετατρέπονται σε ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ελάχιστα ή καθόλου ρυπογόνες και ως εκ τούτου ο ήλιος, ο 10

14 άνεμος, το νερό, η γεωθερμία και η βιομάζα, που αποτελούν πηγές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον, μπορούν και πρέπει να τις εκμεταλλευτούμε ώστε να συμβάλλουν στην αειφόρο ανάπτυξη. Αναγκαίες προϋποθέσεις για να είναι χρήσιμη μια πηγή ενέργειας είναι: Η ενέργεια αυτή να είναι άφθονη και η πρόσβαση στην ενεργειακή πηγή εύκολη. Να μετατρέπεται χωρίς δυσκολία σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα σύγχρονα μηχανήματα. Να μεταφέρεται εύκολα. Να αποθηκεύεται εύκολα. Προκειμένου να εγκατασταθεί σύστημα παραγωγής ενέργειας που βασίζεται στις ανανεώσιμες πηγές και το σύστημα αυτό να παρέχει αυτονομία από το δίκτυο θα πρέπει να ισχύουν τα ακόλουθα: η τοποθεσία που βρίσκεται η εγκατάσταση να έχει επαρκές δυναμικό Α.Π.Ε. να μην υπάρχει υφιστάμενη σύνδεση με το δίκτυο ή να μην απαιτείται για να υλοποιηθεί επέκταση γραμμών που επιφέρει μεγάλο κόστος. να υπάρχει επιθυμία για ενεργειακή ανεξαρτησία από τον πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας. να υπάρχει επιθυμία και οικονομική δυνατότητα να επενδυθούν σε ΑΠΕ για περιβαλλοντικούς λόγους. να υπάρχει μελλοντικός σχεδιασμός για επέκταση του δικτύου και αγορά από το δίκτυο της πλεονάζουσας ενέργειας. 11

15 1.2.1 Αιολική Ενέργεια Εικόνα 1.2. Αιολικό πάρκο. Η χρήση της αιολικής ενέργειας αποτελεί μία από τις καθαρότερες ενεργειακές επιλογές. Η πηγή αυτή της ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητη, ανανεούμενη συνεχώς, γι αυτό ονομάζεται ανανεώσιμη. Εάν υπήρχε η δυνατότητα να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας καθιστά απαραίτητη την χρήση ειδικών διατάξεων που εκθέτουν έναν δρομέα (πτερωτή τύπου έλικας, με ένα η περισσότερα πτερύγια) στο ρεύμα του ανέμου, λαμβάνοντας έτσι μέρος της κινητικής ενέργειάς του, με αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Οι διατάξεις αυτές λέγονται ανεμογεννήτριες όταν ο άξονας τους κινεί ηλεκτρογεννήτρια παράγωγης ρεύματος. Στις ανεμογεννήτριες η αιολική ενέργεια 12

16 μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση του δρομέα του αεροκινητήρα και του άξονά του. Η σύνδεση ανεμογεννητριών στο ηλεκτρικό δίκτυο μιας χώρας αποτελεί, από οικονομικής απόψεως, μια πολύ σημαντική εφαρμογή τους. Σ αυτή την περίπτωση κατασκευάζεται μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, γνωστή ως αιολικό πάρκο, που εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό. Η συνολική ενέργεια που παράγεται στο αιολικό αυτό πάρκο διοχετεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα. Συνήθως, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται: Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές συνδεδεμένες στο δίκτυο είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρεία εκμετάλλευσης του δικτύου. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε μόνες τους με συσσωρευτές, είτε σε συνδυασμό με σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας. 13

17 1.2.2 Ηλιακή Ενέργεια Εικόνα 1.3. Ηλιακό πάρκο. Ο ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι με επιφανειακή θερμοκρασία ~5800 Κ και εσωτερική περίπου Κ. Η υψηλή θερμοκρασία οφείλεται στις αυτοσυντηρούμενες πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του κατά τις οποίες το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια που εκλύεται κατά τη διάρκεια της παραπάνω μετατροπής διαδίδεται στο σύμπαν κυρίως με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλλά και με σωματιδιακή μορφή. Ωστόσο, το μεγαλύτερο ποσό της ενέργειας αυτής δεν μπορεί να συλλεχθεί. Καθώς διαχέεται μέσα στην ατμόσφαιρα, ανακλάται πίσω στο διάστημα ή απορροφάται από τα φυτά και τις υδάτινες μάζες. Παρά το γεγονός ότι οι απώλειες αυτές είναι σημαντικές, ο ήλιος αποτελεί μια πραγματικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας και παρέχει τεράστια αποθέματα ενέργειας. Για παράδειγμα, περίπου το 13% της ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας, φθάνει στο έδαφος. Αν η ενέργεια αυτή μετατρεπόταν σε ηλεκτρισμό, με βαθμό απόδοσης 20%, τότε θα ήταν δυνατό να τροφοδοτηθούν όλες οι ηλεκτρικές 14

18 ανάγκες μίας χώρας. Πρακτικά, αν ένα σπίτι μπορούσε να χρησιμοποιήσει ολόκληρη την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην οροφή του, θα κάλυπτε όλες τις ηλεκτρικές του ανάγκες. Από τα αρχαία χρόνια, η ηλιακή ενέργεια αξιοποιήθηκε από τον άνθρωπο στη γεωργία, την κατοικία και τη βιομηχανία. Στη νεότερη εποχή, όμως, χρειάστηκε να ξεσπάσει η ενεργειακή κρίση του 1973, ώστε να στραφεί ξανά το ενδιαφέρον του κόσμου σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή. Από τις αρχές, κιόλας, της δεκαετίας του 1970 είχε επιδειχθεί ενδιαφέρον για έρευνα και εφαρμογή στην ηλιακή ενέργεια. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύτατο φάσμα εφαρμογών, όπως είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού από μεγάλες μονάδες και απευθείας σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ή ακόμη σε οικιακό και εμπορικό επίπεδο για κάλυψη βασικών αναγκών (π.χ. φωτισμός, ψυγείο, τηλεόραση κ.λπ.), τηλεπικοινωνίες, άντληση νερού, σηματοδότηση κ.λπ. Στην Ελλάδα υπάρχουν πολλές εφαρμογές που αφορούν κυρίως την ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων περιοχών, στις οποίες υπάρχει πρόβλημα ηλεκτροδότησης από το δίκτυο της ΔΕΗ, καθώς επίσης και επενδύσεις για πώληση του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος στη ΔΕΗ. Επιπλέον, αξιόλογες είναι οι εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας στη θέρμανση και το δροσισμό (ψύξη) κτιρίων, με τη χρήση ενεργητικών και παθητικών (βιοκλιματικών) συστημάτων. Σε παγκόσμια κλίμακα, η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που καταφθάνει στη γη μέσα σε μία περίοδο δύο εβδομάδων, σύμφωνα με έρευνα του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, είναι ισοδύναμη με την ενέργεια όλων των αποθεμάτων φυσικών καυσίμων υδρογονανθράκων (γαιάνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου). Είναι γεγονός ότι η συνολική ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στη γήινη ατμόσφαιρα μέσα σε ένα χρόνο, ισούται περίπου με φορές την ενέργεια που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα ετησίως. Η μέση ένταση της ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας είναι 1.36 kw ανά τετραγωνικό μέτρο (μετρούμενη στο κάθετο προς αυτήν επίπεδο) αριθμός που αποτελεί ηλιακή σταθερά και λαμβάνει τη μέγιστη αυτή τιμή όταν ο ήλιος είναι κατακόρυφος στον ουρανό. Κατά τη διάρκεια της υπόλοιπης ημέρας, η λαμβανόμενη ενέργεια εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών πάνω στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας. Υπάρχουν, βέβαια, και άλλες παράμετροι που επηρεάζουν τη 15

19 λαμβανόμενη ηλιακή ενέργεια, όπως το γεωγραφικό πλάτος, η χρονική στιγμή της ημέρας και η εποχή του χρόνου. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι για το μισό περίπου χρονικό διάστημα η γη δεν λαμβάνει απευθείας ηλιακή ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Εικόνα 1.4. Εγκατάσταση για την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας. Με τον όρο γεωθερμική ενέργεια εννοούμε την ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και η οποία έχει σχέση με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες κάθε περιοχής. Είναι γεγονός ότι η γεωθερμία είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς όσο εμείς την αξιοποιούμε τόσο αυτή ανανεώνεται λόγω της ροής θερμότητας από το εσωτερικό της γης. Η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία με την οποία αυτή εξάγεται από το εσωτερικό της γης. Έτσι, ο άνθρωπος τη χρησιμοποιεί για να παράγει ηλεκτρισμό (όταν η γεωθερμία 16

20 εξάγεται με τη μορφή βραστού νερού ή ατμού), για θέρμανση κτιρίων, για θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών (επειδή τα φυτά αναπτύσσονται περισσότερο με τη ζέστη), για ιχθυοκαλλιέργειες και φυσικά για θερμά λουτρά. Επίσης, με χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, οι οποίες μπορούν και ανεβάζουν τη διαθέσιμη θερμοκρασία, καταφέραμε να αξιοποιήσουμε τη θερμότητα που βρίσκεται στο έδαφος σε βάθος μερικών μέτρων για θέρμανση χώρων. Τα ίδια μηχανήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για κλιματισμό. Βασικό πλεονέκτημα των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας είναι ότι το έδαφος έχει παντού σταθερή θερμοκρασία, περίπου 15 ο C, ανεξάρτητα από τη ζέστη ή το κρύο που έχει στην ατμόσφαιρα. Κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ο ευκολότερος τύπος γεωθερμικής πηγής είναι η πηγή ξηρού ατμού από γεώτρηση. Στις πηγές αυτού του είδους οι ενεργειακοί σταθμοί είναι απλοί τόσο ως προς την αρχή λειτουργίας όσο και πρακτικά. Οι γεωτρήσεις παρέχουν τον ατμό είτε με τη μορφή κορεσμένου ατμού είτε σαν ελάχιστα υπέρθερμο. Συνήθως, ο ατμός φιλτράρεται για απομάκρυνση στερεών και ξηραίνεται για απομάκρυνση συμπυκνωμάτων που πιθανόν να σχηματιστούν στου αγωγούς μεταφοράς. Στη συνέχεια οδηγείται σε ένα κλασικό στρόβιλο χαμηλής πίεσης, ο οποίος κινεί μία ηλεκτρογεννήτρια. Ο εν μέρει συμπυκνωμένος ατμός ή στέλνεται σε ένα συμπυκνωτή ή εκκενώνεται απευθείας στην ατμόσφαιρα. Η τελευταία λύση είναι και η πιο απλή και συχνά χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με μικρά αντλητικά συγκροτήματα στα πρώτα στάδια ανάπτυξης αγρών ακόμα και αν σπαταλιέται κάποια ενέργεια ατμού. Ένας στρόβιλος συμπύκνωσης παράγει τη διπλάσια ηλεκτρική ενέργεια από ένα μη συμπύκνωσης για τις ίδιες συνθήκες εισόδου. Στην Ελλάδα, γεωθερμία κατάλληλη για παραγωγή ηλεκτρισμού βρίσκεται σε μικρά βάθη στα νησιά του ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου, όπως είναι η Μήλος, η Σαντορίνη και η Νίσυρος, αλλά και στη Λέσβο, τη Σαμοθράκη και αλλού. Γεωθερμία κατάλληλη για θέρμανση και αγροτικές εφαρμογές απαντάται σε μικρά βάθη σε πολλές περιοχές στις πεδιάδες της Μακεδονίας και της Θράκης. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι οι ιαματικές εφαρμογές της γεωθερμίας κυριαρχούν με ποσοστό 39%, η αξιοποίηση της γεωθερμίας στην θέρμανση των χώρων φαίνεται να χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σε ποσοστό μόνο 1%. 17

21 1.2.4 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Εικόνα 1.5. Εγκατάσταση για την εκμετάλλευση της δυναμικής ενέργειας των υδάτων. Τα νερά, τα οποία προέρχονται από το λιώσιμο των πάγων και του χιονιού ή τη βροχή που πέφτει σε μεγάλο υψόμετρο, και είναι συγκεντρωμένα σε οποιοδήποτε ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας έχουν ενέργεια καθώς κατεβαίνουν προς χαμηλότερες περιοχές. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο υψηλότερα βρίσκεται, τόση περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Υπάρχει η δυνατότητα να «αποθηκεύσουμε» την ενέργεια του νερού συγκεντρώνοντας το σε τεχνητές λίμνες (ταμιευτήρες) σε μεγάλο υψόμετρο. Στη συνέχεια, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την αποθηκευμένη ενέργεια, μετατρέποντάς τη σε άλλη μορφή ενέργειας, αν αφήσουμε το νερό να ρέει μέσα σε αγωγούς με ταχύτητα (λόγω της διαφοράς υψομέτρου) προς χαμηλότερες περιοχές. Έτσι, το νερό, καθώς θα πέφτει με ταχύτητα, μπορεί να περιστρέψει μεγάλους τροχούς που έχουν πτερύγια στην περιφέρειά τους (υδροστροβίλους). 18

22 Αυτή την περιστροφή είχε εκμεταλλευτεί από παλιά ο άνθρωπος για τη λειτουργία των νερόμυλων, κυρίως, που άλεθαν τα σιτηρά. Ακόμα και σήμερα υπάρχουν παραδοσιακές εγκαταστάσεις που λειτουργούν με το νερό μικρών ταμιευτήρων ή και το νερό υδατορευμάτων, που βρίσκονται σε κάποιο υψόμετρο. Στη σύγχρονη εποχή το νερό των ταμιευτήρων, που συνήθως δημιουργούνται με τεχνητά φράγματα, χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η μεγαλύτερη και πιο ώριμη εφαρμογή ανανεώσιμης ενέργειας με περίπου 1000 GW εγκατεστημένης ισχύος. Στη Δυτική Ευρώπη, τα υδροηλεκτρικά συνεισέφεραν το 20% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Παρόλα αυτά, υπάρχουν ακόμη περιθώρια για περαιτέρω ανάπτυξη καθώς το υφιστάμενο υδροηλεκτρικό δυναμικό αποτελεί μόνο το 10% του συνολικού παγκόσμιου βιώσιμου υδροδυναμικού. Στην Ελλάδα, όπου δεν υπάρχει αφθονία σε νερά, οι υδατοταμιευτήρες δεν είναι δυνατό να τροφοδοτούν συνεχώς με νερό τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Συνεπώς, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί λειτουργούν μόνο τις ώρες αιχμής κατά τη διάρκεια των οποίων χρειαζόμαστε πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια. Βέβαια, αξίζει να αναφερθεί ότι σε πολλές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις, αφού το νερό των ταμιευτήρων χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον υδροηλεκτρικό σταθμό, αξιοποιείται για την ύδρευση κοντινών πόλεων ή για την άρδευση γεωργικών εκτάσεων. Στη χώρα μας λειτουργούν μερικοί μεγάλοι υδροηλεκτρικοί σταθμοί και πολλοί μικρότεροι, ενώ υπάρχει η δυνατότητα εγκατάστασης και άλλων σε πολλές περιοχές, όπου υπάρχουν μεγάλα ή μικρά υδατορεύματα. Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι το νερό των ταμιευτήρων είναι μια ανεκτίμητη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον, είναι δηλαδή μια καθαρή πηγή ενέργειας. 19

23 1.2.5 Ενέργεια από Βιομάζα Εικόνα 1.6. Βιομάζα που χρησιμοποιείται ως καύσιμη ύλη. Βιομάζα ορίζουμε την ύλη που έχει οργανική προέλευση δηλαδή, είναι οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Τέτοια υλικά μπορεί να είναι: Οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες. Τα υποπροϊόντα και τα κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής. Τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα. Το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. Οι φυτικές ουσίες έχουν αποθηκευμένη ενέργεια την οποία δεσμεύουν από τον ήλιο. Κατά τη φωτοσύνθεση τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα. Την ενέργεια αυτή την προσλαμβάνουν οι ζωικοί οργανισμοί, μέσω της 20

24 τροφής, και αποθηκεύουν ένα μέρος της. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα, μετά την επεξεργασία και τη χρήση της. Αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας αφού στην ουσία είναι η ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση. Η βιομάζα είναι η πιο παλιά και διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Ο πρωτόγονος άνθρωπος για να ζεσταθεί και να μαγειρέψει, χρησιμοποίησε την ενέργεια (θερμότητα) που προερχόταν από την καύση των ξύλων, που είναι ένα είδος βιομάζας. Στη σύγχρονη εποχή είναι πολύ σημαντικό το γεγονός ότι υλικά, τα οποία προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο, υγρά απόβλητα καθώς και το μεγαλύτερο μέρος των αστικών απορριμμάτων των πόλεων και των βιομηχανιών μπορούμε να τα μετατρέψουμε σε ενέργεια Ενέργεια από Ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Εικόνα 1.7. Εγκατάσταση για την εκμετάλλευση της ενέργειας των παλιρροιακών ρευμάτων. 21

25 Το θαλασσινό νερό καθώς και το νερό των μεγάλων λιμνών βρίσκεται σε χαμηλό υψόμετρο και δεν είναι δυνατό να κινηθεί με ταχύτητα προς χαμηλότερες περιοχές και συνεπώς να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας, όπως περιγράψαμε στην υδροηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, και η θάλασσα κινείται, αφού ανεβαίνει (πλημμύρα) και κατεβαίνει (άμπωτη) λόγω της παλίρροιας, κυκλοφορεί ως ρεύματα (λόγω της διαφοράς της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία του νερού), ή κινείται παλινδρομικά (κύματα). Τέτοιες κινήσεις της θάλασσας μπορούμε να τις εκμεταλλευτούμε για να περιστρέψουμε τροχούς με πτερύγια προκειμένου να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι λοιπόν ένας ηλεκτρικός σταθμός που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Επιπλέον, μπορούμε να επιτύχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλευόμενοι τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της επιφάνειας και των βαθύτερων στρωμάτων της θάλασσας Ενέργεια από Κύματα Εικόνα 1.8. Εγκατάσταση για την εκμετάλλευση της ενέργειας των κυμάτων. 22

26 Τα θαλάσσια κύματα αποτελούν μια ανανεώσιμη και ισχυρή πηγή ενέργειας που ωστόσο δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλα ποσά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να είναι σπάνιοι. Αντί όμως της χρήσης των θαλάσσιων κυμάτων, υπάρχει μέθοδος παραγωγής ενέργειας από τα κύματα που δημιουργούνται τεχνητά σε πισίνα. Το σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φθηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες. 1.3 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα των ΑΠΕ Είναι γεγονός ότι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι οι μόνες πηγές ενέργειας που επιβαρύνουν ελάχιστα ή καθόλου το περιβάλλον και ως εκ τούτου η συμβολή τους είναι πολύ σημαντική στην προσπάθεια μείωσης των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Θα πρέπει να σημειώσουμε επιπρόσθετα ότι τα χαρακτηριστικά των Α.Π.Ε. τις καθιστούν συστατικό στοιχείο μιας νέας αναπτυξιακής πολιτικής και μοναδική μακροπρόθεσμη απάντηση στην πορεία προς την βιώσιμη ανάπτυξη. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε. είναι: Αποτελούν ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους πόρους, όπως τα ορυκτά καύσιμα. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Ο σχεδιασμός των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε. γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτουν τις ανάγκες των χρηστών και, σε μικρή κλίμακα εφαρμογών ή σε μεγάλη κλίμακα αντίστοιχα, οι εγκαταστάσεις αυτές έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής. Έτσι, επιτυγχάνεται γρήγορη ανταπόκριση στη ζήτηση ενέργειας. 23

27 Το λειτουργικό τους κόστος είναι συνήθως χαμηλό και δεν επηρεάζεται από την κατάσταση που επικρατεί στην παγκόσμια οικονομία ούτε από τις τιμές των συμβατικών καυσίμων. Συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής αυτάρκειας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο καθώς είναι εγχώριες πηγές ενέργειας. Βοηθούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος αφού είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και προσφέρουν κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Έτσι, ανακουφίζουν τα συστήματα υποδομής και παράλληλα μειώνουν τις απώλειες λόγω μεταφοράς της ενέργειας. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών, αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή). Βοηθούν στην οικονομική και κοινωνική αναζωογόνηση υποβαθμισμένων περιοχών με την προώθηση επενδύσεων, όπως είναι η κατασκευή αιολικών πάρκων και εργοστασίων ενεργειακής αξιοποίησης γεωργικής βιομάζας και η δημιουργία καλλιεργειών σε θερμοκήπια με χρήση της γεωθερμίας. Οι επενδύσεις των Α.Π.Ε. δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Μολονότι, τα πλεονεκτήματα από τη χρήση των Ανανεώσιμών Πηγών Ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ σημαντικά τόσο σε επίπεδο περιβαλλοντικό όσο και σε οικονομικό και κοινωνικοπολιτικό, εντούτοις μπορούμε να παραθέσουμε και κάποια μειονεκτήματα: Ο συντελεστής απόδοσης των Α.Π.Ε. είναι αρκετά μικρός (της τάξης του 30%) με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγάλο αρχικό κεφάλαιο και μεγάλη επιφάνεια γης. Αυτός είναι και ο λόγος που οι Α.Π.Ε., προς το παρόν, χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. 24

28 Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους καθώς επίσης και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Η συμπεριφορά τους μπορεί λοιπόν να χαρακτηριστεί ως στοχαστική, καθώς εμπεριέχει το στοιχείο της πιθανότητας. Σχετικά με τα υδροηλεκτρικά έργα υπάρχει η άποψη ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου, από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω από το νερό, με αποτέλεσμα να συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Γενικά, οι αιολικές μηχανές προσβάλλουν την αισθητική ορισμένων και υπάρχει η άποψη ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη, όμως, της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. 1.4 H κατάσταση των ΑΠΕ στην Ελλάδα σήμερα Η μακρά πλέον εμπειρία της αξιοποίησης των ΑΠΕ τόσο διεθνώς όσο και στη χώρα μας έχει δείξει ότι οι σύγχρονες τεχνολογίες ΑΠΕ μπορούν: (α) να μειώνουν το κόστος παραγωγής ενέργειας, (β) να δημιουργούν και να διατηρούν θέσεις απασχόλησης και υψηλή προστιθέμενη αξία, (γ) να τονώνουν την περιφερειακή ανάπτυξη και να δίνουν ανταποδοτικά οφέλη στις τοπικές κοινωνίες, (δ) να απεξαρτούν τη χώρα από εισαγόμενα καύσιμα, (ε) να βελτιώνουν το εμπορικό ισοζύγιο, (στ) να μειώνουν τους ρύπους και να προστατεύουν το περιβάλλον. Ως εκ τούτου, στο πλαίσιο μιας ενεργειακής στρατηγικής με κεντρικό άξονα την ανάπτυξη και την ορθολογική αξιοποίηση των εγχώριων ενεργειακών πόρων οι ΑΠΕ (αέρας, νερό, ήλιος, βιομάζα, γεωθερμία) μπορούν να προσφέρουν ουσιαστική αναπτυξιακή προοπτική για τη χώρα και να βοηθήσουν στην παραγωγική ανασυγκρότησή της και στην έξοδο από την κρίση. Τα επίσημα στοιχεία της EUROSTAT και της Ευρωπαϊκής Επιτροπής (ΕΕ) δείχνουν ότι η διείσδυση των ΑΠΕ στο εθνικό ενεργειακό ισοζύγιο (ως ποσοστό της ακαθάριστης τελικής ενεργειακής κατανάλωσης) έφθασε το 2015 στο 15,4%, από 6,9% που ήταν το

29 Οι πιο πρόσφατες επίσημες εκτιμήσεις της ΕΕ (Μάρτιος 2017) είναι ότι για να επιτευχθεί ο δεσμευτικός εθνικός στόχος του 18% για το 2020 απαιτείται η προσθήκη MW νέας ανανεώσιμης ηλεκτρικής ισχύος στα αμέσως επόμενα 3-4 χρόνια. Η παρατεταμένη οικονομική κρίση στη χώρα μας και οι καθυστερήσεις της δομικής αναδιάρθρωσης, του εκσυγχρονισμού και της εξυγίανσης της εθνικής αγοράς ηλεκτρισμού, είχαν και έχουν σημαντικές γενικές και ειδικές αρνητικές επιπτώσεις. Όσον αφορά στις ΑΠΕ, όχι μόνον έχουν δράσει ανασταλτικά στην ανάπτυξη νέων, αλλά και απειλούν μονίμως να τορπιλίσουν και τα υφιστάμενα, εν λειτουργία έργα, παρά τις προσπάθειες που έχουν καταβληθεί και εξακολουθούν να καταβάλλονται από την Πολιτεία και τους επενδυτικούς φορείς για τη στήριξή τους. Παρ όλα αυτά, δεδομένου ότι τα αιολικά αποτελούν ιδιαίτερα ανταγωνιστική τεχνολογία, η διείσδυση τους αναμένεται να είναι υψηλή, αυξάνοντας το ρυθμό διείσδυσης τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι σύμφωνα με την ετήσια έκθεση της Ελληνικής Επιστημονικής Ένωσης Αιολικής Ενέργειας (ΕΛΕΤΑΕΝ) για το έτος 2016, η συνολική καθαρή αιολική ισχύς που εγκαταστάθηκε κατά το 2016 ήταν MW, το οποίο αποτελεί την δεύτερη καλύτερη ετήσια επίδοση μετά το έτος 2011, όπου εγκαταστάθηκαν 311 MW. H συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς έργων που βρισκόταν σε εμπορική η δοκιμαστική λειτουργία είναι MW, εκ των οποίων τα MW αφορούν το διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό σύστημα. Η προοπτική διείσδυση των αιολικών συνεπώς αναμένεται υψηλή, και αναμένεται να υπερβεί τα 1GW την περίοδο Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι η διείσδυση των ΑΠΕ συμβάλλει στην ικανοποίηση της ανάγκης επάρκειας ισχύος, που αναμένεται να αντιμετωπίσει το Ελληνικό σύστημα λόγω της απόσυρσης των λιγνιτικών μονάδων, που απορρέει από τον περιορισμό λειτουργίας για ώρες την περίοδο για τις μονάδες του Αμυνταίου και Καρδιάς. Ο ΑΔΜΗΕ στην πρόσφατη «Μελέτη Επάρκειας Ισχύος για την περίοδο », αποτύπωσε την ανάγκη επάρκειας ισχύος του ελληνικού συστήματος, ιδίως από το έτος 2020 και μετά. 26

30 Πίνακας 1.1. Εγκατεστημένη ισχύς (MW) μονάδων ΑΠΕ σε λειτουργία στο διασυνδεδεμένο σύστημα. Πηγή: ΛΑΓΗΕ Όσον αφορά τα μεγέθη της εγκατεστημένης ισχύος στη χώρα μας, με στοιχεία Μαΐου 2017 η κατάσταση έχει ως εξής: Φωτοβολταϊκά στο διασυνδεδεμένο δίκτυο: 2094 MW Φωτοβολταϊκά σε στέγες: 351 MW Αιολικά: 2102 MW Μικροί Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί: 229 MW Σταθμοί Βιομάζας - Βιοαερίου: 61 MW 27

31 2. ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2.1 Παρουσίαση Γεννητριών Εικόνα 2.1. Σύστημα μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική ή σύγχρονη μηχανή. Η εξέλιξη της τεχνολογίας σχετικά με την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων τύπων ανεμογεννητριών οι οποίες συμπεριλαμβάνουν μια ποικιλία ηλεκτρικών γεννητριών. Μία ταξινόμηση των πιο κοινών ηλεκτρικών γεννητριών σε μεγάλου μεγέθους συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας (WECS) παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.2. Ανάλογα με την αρχή κατασκευής και λειτουργίας τους, οι ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: επαγωγικές γεννήτριες (IGs) και σύγχρονες γεννήτριες (SGs). Αμφότερες οι επαγωγικές και οι σύγχρονες γεννήτριες φέρουν δακτυλιοφόρους δρομείς, οι οποίοι τροφοδοτούνται από δακτυλίους επαφής μέσω ψηκτρών ή από ηλεκτρομαγνητικό διεγέρτη άνευ ψηκτρών. Η επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα, γνωστή κι ως επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG), είναι μία από τις πιο κοινώς χρησιμοποιούμενες γεννήτριες στη βιομηχανία της αιολικής ενέργειας. Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου 28

32 δρομέα (WRSG) βρίσκεται επίσης σε συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας με υψηλό αριθμό πόλων λειτουργώντας σε χαμηλές ταχύτητες του δρομέα. Επίσης, επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIGs) χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα αιολικής. Στις σύγχρονες μηχανές με μόνιμους μαγνήτες (PMSGs), η μαγνητική ροή του δρομέα δημιουργείται μέσω των μόνιμων μαγνητών. Δύο κατηγορίες σύγχρονων μηχανών με μόνιμους μαγνήτες χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία της αιολικής ενέργειας: κυλινδρικών και έκτυπων πόλων. Παραδείγματα γεννητριών που χρησιμοποιούνται σε πρακτικές ανεμογεννήτριες απαριθμούνται στον Πίνακα 2.1, όπου παρατίθενται η διατίμηση της τάσης/ισχύος, η διακύμανση της ταχύτητας και οι κατασκευαστές των ανεμογεννητριών. Εικόνα 2.2. Ταξινόμηση ευρέως χρησιμοποιούμενων ηλεκτρογεννητριών σε ανεμογεννήτριες. Στις μέρες μας οι περισσότεροι και μεγαλύτεροι παραγωγοί ανεμογεννητριών στον κόσμο κατασκευάζουν μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες με έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος γεννήτριας είναι οι επαγωγικές γεννήτριες, ενώ σε πολύ μικρό ποσοστό χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη. Στη διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών κυρίαρχος τύπος ανεμογεννήτριας, σε ποσοστό μεγαλύτερο του 70 %, είναι αυτός της επαγωγικής μηχανής διπλής τροφοδοσίας (DFIG), με 29

33 μεταβλητή ταχύτητα και μεταβλητό έλεγχο γωνίας κλίσης των πτερυγίων. Γενικά για ισχύ της τάξης των MW, μια γεννήτρια μπορεί να εξοπλιστεί με οποιαδήποτε τριφασική γεννήτρια. Όλοι οι τύποι γεννητριών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανεμογεννήτριες, όπως: Επαγωγικές γεννήτριες Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) Σύγχρονες γεννήτριες Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) Πίνακας 2.1. Παραδείγματα γεννητριών στα συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας. 2.2 Η Επαγωγική Γεννήτρια Ο τύπος της γεννήτριας που χρησιμοποιείται κυρίως σε ανεμογεννήτριες είναι η επαγωγική γεννήτρια. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν αυτές οι γεννήτριες είναι αρκετά, όπως ευρωστία, απλότητα στο μηχανικό κομμάτι και χαμηλό κόστος, που οφείλεται στο μεγάλο αριθμό παραγωγής τους. Το μεγάλο τους 30

34 μειονέκτημα είναι ότι καταναλώνουν άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να παρέχεται από το δίκτυο, από συστοιχίες πυκνωτών ή από ένα κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος. Στην επαγωγική γεννήτρια το μαγνητικό πεδίο του δρομέα δημιουργείται εξ επαγωγής μόνο όταν ο στάτης είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο. Στην επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα, σε περίπτωση ac διέγερσης, το δημιουργούμενο μαγνητικό πεδίο περιστρέφεται σε μία ταχύτητα η οποία καθορίζεται από τον αριθμό των πόλων και τη συχνότητα του ρεύματος, δηλαδή τη σύγχρονη ταχύτητα. Ο δρομέας μπορεί να περιστρέφεται με ταχύτητα μεγαλύτερη ή μικρότερη της σύγχρονης ταχύτητας Η Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού Εικόνα 2.3. Σύστημα επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού. Είναι γνωστό πως οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι η επικρατούσα επιλογή σε απλές εφαρμογές εξαιτίας της μηχανικής τους απλότητας, της υψηλής τους απόδοσης και του ελάχιστου κόστους συντήρησης που απαιτούν. 31

35 Με σύνδεση απευθείας στο δίκτυο, η ταχύτητα της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό, ένεκα της ολίσθησης της γεννήτριας η οποία και οφείλεται στις αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Ως αποτέλεσμα, οι γεννήτριες αυτές χρησιμοποιήθηκαν πολύ για σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες. Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν ως χαρακτηριστικό τις απότομες αλλαγές στη ροπή με αποτέλεσμα οι διαταραχές του ανέμου να περνούν απευθείας στο δίκτυο. Αυτές οι διαταραχές είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο, όταν και η ένταση του μεταβατικού ρεύματος είναι πολύ μεγαλύτερη από την ονομαστική. Σε ένα αδύναμο δίκτυο, το υψηλό μεταβατικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει μεγάλες διαταραχές στην τάση. Έτσι, η σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σταδιακά προκειμένου να μειωθεί το μεταβατικό ρεύμα. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια της μόνιμης κατάστασης και της άμεσης σύνδεσης με ένα στιβαρό ac δίκτυο, η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι πολύ εύρωστη και ευσταθής. Η ολίσθηση ποικίλει και αυξάνεται με αύξηση του φορτίου. Μεγάλο μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός πως, λόγω του ρεύματος μαγνήτισης που παρέχεται στο δίκτυο στα τυλίγματα του στάτη, ο συντελεστής ισχύος υπό πλήρες φορτίο είναι σχετικά μικρός, γεγονός που δεν είναι αποδεκτό από τις εταιρίες ηλεκτρισμού και μπορεί να διορθωθεί με τη σύνδεση πυκνωτών παράλληλα με τη γεννήτρια. Στις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού υπάρχει μία μοναδική σχέση μεταξύ της άεργου ισχύος, της ενεργού ισχύος, της τάσης στο τερματικό σημείο και της ταχύτητας του δρομέα. Αυτό έχει σαν συνέπεια ότι, σε υψηλές ταχύτητες ανέμου, η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει μεγαλύτερα ποσά ενεργού ισχύος μόνο εφόσον απορροφήσει περισσότερη άεργο ισχύ. Στην περίπτωση που η άεργος ισχύς παρέχεται από το δίκτυο, προκαλούνται επιπλέον απώλειες μεταφοράς και ίσως γίνει το δίκτυο ασταθές. Σε περίπτωση σφάλματος, οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού οι οποίες δεν έχουν κανένα σύστημα αντιστάθμισης της άεργου ισχύος, μπορεί να οδηγήσουν σε αστάθεια τάσης το δίκτυο. Όταν υπάρξει πτώση τάσης, 32

36 ο δρομέας της ανεμογεννήτριας μπορεί να επιταχυνθεί στιγμιαία εξαιτίας της ανισορροπίας μεταξύ της ηλεκτρικής και της μηχανικής ροπής. Η συνεπαγόμενη αύξηση της ολίσθησης, τότε, θα απαιτήσει μία μεγαλύτερη ποσότητα άεργου ισχύος από το δίκτυο το οποίο θα οδηγήσει σε περεταίρω μείωση της τάσης. Η συγκεκριμένη διαδικασία γίνεται επαναληπτικά μέχρις ότου επέλθει η κατάρρευση της ανεμογεννήτριας. Στις μέρες μας, η μεγάλη ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος, έχει καταστήσει τις επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού ικανές να χρησιμοποιηθούν ως πλήρως μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτριες και να επιφέρουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα, η διάταξη που χρησιμοποιείται περιλαμβάνει τη γεννήτρια συνδεδεμένη στο δίκτυο μέσω ενός πλήρως ελεγχόμενου back-to-back μετατροπέα ισχύος IGBT. Έτσι, είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού καθώς και της άεργου ισχύος και η προσαρμογή τους στις συνθήκες του ανέμου όπως και στις απαιτήσεις του δικτύου. Κατ αυτήν τη μέθοδο, εξομαλύνεται η λειτουργία της επαγωγικής γεννήτριας και αποφεύγονται ανεπιθύμητες διαταραχές, ενώ παράλληλα γίνεται δυνατή η προσαρμογή της ταχύτητας περιστροφής ώστε να έχουμε τη μέγιστη παραγωγή ισχύος σε όλο σχεδόν το εύρος ταχυτήτων του ανέμου Η Επαγωγική Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Στην περίπτωση των επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά, από την τάση του δρομέα. Τα τυλίγματα του δρομέα συνδέονται εξωτερικά μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών. Με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, η ισχύς μπορεί να εξαχθεί ή και να εισαχθεί στο κύκλωμα του δρομέα και η γεννήτρια μπορεί να μαγνητιστεί είτε από το κύκλωμα του στάτη είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Το μειονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα είναι το σχετικά υψηλότερο κόστος, σε σχέση με την αντίστοιχη γεννήτρια του βραχυκυκλωμένου δρομέα. Η βιομηχανία των γεννητριών συνήθως χρησιμοποιεί τους εξής δύο τύπους επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα: 33

37 Επαγωγική Γεννήτρια με Μεταβαλλόμενη Αντίσταση Δρομέα (OSIG) Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας (DFIG) H Επαγωγική Γεννήτρια με Μεταβαλλόμενη Αντίσταση Δρομέα Ο συγκεκριμένος τύπος επαγωγικής γεννήτριας εισάχθηκε στην αγορά προκειμένου να μειωθεί το φορτίο στην ανεμογεννήτρια εξαιτίας των ριπών ανέμου. Η διάταξη που χρησιμοποιεί επιτρέπει στη γεννήτρια να έχει μεταβαλλόμενη (θετική) ολίσθηση και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή για αυτή, έχοντας σαν αποτέλεσμα μικρότερες διαταραχές στη ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια. Η μεταβλητή ολίσθηση είναι πολύ απλή, αξιόπιστη και πολύ αποτελεσματική στη μείωση του φορτίου, εν συγκρίσει με άλλες πιο πολύπλοκες λύσεις. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου γεννήτριας είναι ότι με μία σχετικά απλή τοπολογία του κυκλώματος δρομέα, χωρίς απαραίτητα να υπάρχουν δακτύλιοι ολίσθησης, παρέχεται μεγαλύτερο εύρος ταχύτητας από την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Επιπλέον, η συγκεκριμένη διάταξη μπορεί να μειώσει τα μηχανικά φορτία και τις διαταραχές στην ενέργεια που οφείλονται στις ριπές του ανέμου. Παρόλα αυτά είναι απαραίτητο ένα σύστημα αντιστάθμισης της άεργου ισχύος. Το μειονέκτημά της είναι ότι το εύρος μεταβολής της ταχύτητας κυμαίνεται μόνο μεταξύ 0-10 %. Επίσης, δεν μπορεί να γίνει αξιόλογος έλεγχος της ενεργού και άεργου ισχύος και η ενέργεια της ολίσθησης καταναλώνεται πάνω στη μεταβλητή αντίσταση του δρομέα, υπό τη μορφή της θερμότητας Η Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Η εφαρμογή της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι η εξέλιξη της επαγωγικής γεννήτριας με μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, με την έννοια ότι η μεταβλητή αντίσταση στο δρομέα έχει αντικατασταθεί από ένα back-to-back IGBT 34

38 μετατροπέα πηγής τάσης συνδεδεμένο στο δίκτυο. Οι συγκεκριμένες γεννήτριες κερδίζουν συνεχώς μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς. Η συγκεκριμένη τοπολογία επιτρέπει τη λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας με ένα αρκετά ευρύ φάσμα. Όσον αφορά τον έλεγχο, ο μετατροπέας στη πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και την άεργο ισχύ της μηχανής μέσω ελέγχου του ρεύματος του δρομέα, ενώ ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στη dc διασύνδεση και διασφαλίζει τη λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Ανάλογα με τη λειτουργία, η ισχύς του δρομέα μπορεί να μεταφερθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις. Σε περίπτωση υπερσύγχρονης λειτουργίας (θετική ολίσθηση) έχουμε ροή ισχύος από το δρομέα, μέσω του μετατροπέα, στο δίκτυο. Σε περίπτωση υποσύγχρονης λειτουργίας (αρνητική ολίσθηση) η ροή ισχύος είναι αντίθετη. Και στις δύο περιπτώσεις ο στάτης παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Τα παραπάνω μας οδηγούν στο σημαντικότερο πλεονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας εν αντιθέσει με αυτήν με μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα. Όταν βρισκόμαστε σε υπερσύγχρονη λειτουργία η αυξημένη ισχύς στο δρομέα οδηγείται στο δίκτυο αντί να καταναλώνεται σε ωμικές αντιστάσεις. Επίσης, η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας δεν είναι απαραίτητο να μαγνητίζεται από το δίκτυο, καθώς η μαγνήτιση μπορεί να πραγματοποιηθεί και από το κύκλωμα του δρομέα. Επιπρόσθετα, το συγκεκριμένο σύστημα είναι ικανό να παράγει άεργο ισχύ η οποία μπορεί να μεταφερθεί στο στάτη μέσω του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου διορθώνει συνολικά το συντελεστή ισχύος και έτσι εμπλέκεται εμμέσως στην ανταλλαγή άεργου ισχύος μεταξύ του στάτη και του δικτύου. Τα μειονεκτήματα της επαγωγικής γεννήτριας είναι πως το μέγεθος του μετατροπέα δεν σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας, αλλά με το επιλεγμένο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας, καθώς και ότι στην τοπολογία είναι απαραίτητοι οι δακτύλιοι ολίσθησης. 35

39 2.3 Η Σύγχρονη Γεννήτρια Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πολύ πιο ακριβή και μηχανολογικά πολύ πιο πολύπλοκη, σε σχέση με μια επαγωγική γεννήτρια ανάλογου μεγέθους. Παρ όλα αυτά, έχει ένα ξεκάθαρο πλεονέκτημα σε σύγκριση με την επαγωγική γεννήτρια, καθώς το ρεύμα μαγνήτισης δεν δημιουργείται από το κύκλωμα του στάτη. Επιπλέον, είναι πιθανότατα η πιο κατάλληλη για τον έλεγχο πλήρους ισχύος, μιας και συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας αυτός έχει δύο στόχους. Πρώτον, κάνει απόσβεση των διαταραχών της ισχύος που οφείλονται στις ριπές του ανέμου και των μεταβατικών φαινομένων που πηγάζουν από το δίκτυο. Δεύτερος και βασικότερος στόχος είναι να ελέγχει τη μαγνήτιση και να αποφεύγει προβλήματα παραμένοντας σύγχρονος με τη λειτουργία του δικτύου. Μια τέτοια γεννήτρια επιτρέπει τη λειτουργία με μεταβλητή ταχύτητα στην ανεμογεννήτρια. Οι δύο βασικοί τύποι των σύγχρονων γεννητριών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των ανεμογεννητριών είναι η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) και η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) Η Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα είναι ο βασικότερος τύπος γεννήτριας στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τυλίγματα του στάτη, μιας τέτοιας γεννήτριας, είναι συνδεδεμένα απευθείας στο δίκτυο και, όπως είναι λογικό, η ταχύτητα περιστροφής ρυθμίζεται από τη συχνότητα του δικτύου. Τα τυλίγματα του δρομέα διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλιδιών ολίσθησης και ψηκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη χωρίς ψήκτρες με ένα στρεφόμενο ανορθωτή. Επίσης, τα τυλίγματα του δρομέα, παράγουν το πεδίο διέγερσης το οποίο περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του στρεφόμενου πεδίου και τον αριθμό των πόλων. Σε αντίθεση με τις επαγωγικές γεννήτριες, οι σύγχρονες γεννήτριες δεν χρειάζονται περεταίρω μέτρα αντιστάθμισης για την άεργο ισχύ. 36

40 2.3.2 Η Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη Εικόνα 2.4. Σύστημα σύγχρονης γεννήτριας με μόνιμους μαγνήτες. Η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη είναι αυτοδιεγειρόμενη και λειτουργεί με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλή απόδοση, γεγονός που την καθιστά πολύ χρήσιμη κατά την εφαρμογή τους στις ανεμογεννήτριες. Στις μηχανές αυτές, η απόδοση είναι υψηλότερη εν συγκρίσει με αυτή των επαγωγικών, εφόσον η διέγερση παρέχεται χωρίς να υπάρχει επιπλέον παροχή ενέργειας. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί, πως τα υλικά με τα οποία κατασκευάζονται οι μόνιμοι μαγνήτες είναι πολύ ακριβά και καθόλου εύκολα στην επεξεργασία. Επιπρόσθετα, η χρήση της διέγερσης με μόνιμο μαγνήτη απαιτεί την εφαρμογή ενός μετατροπέα ισχύος πλήρους κλίμακας προκειμένου να προσαρμόσει την τάση και τη συχνότητα της γεννήτριας στην τάση και τη συχνότητα της γραμμής, αντίστοιχα. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε επιπρόσθετο κόστος. Το πλεονέκτημά της είναι ότι μπορεί να παραχθεί ενέργεια σε κάθε ταχύτητα. Ο στάτης των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη αποτελείται από συμβατικό τριφασικό τύλιγμα και ο δρομέας αποτελείται από ένα σύστημα πόλων μόνιμου μαγνήτη, οι οποίοι μπορεί να είναι έκτυποι ή κυλινδρικοί. Οι έκτυποι 37

41 πόλοι είναι πιο συνηθισμένοι σε μηχανές χαμηλής ταχύτητας και άρα είναι πιο χρήσιμοι σε εφαρμογές ανεμογεννητριών. Η σύγχρονη φύση των γεννητριών με μόνιμο μαγνήτη μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα κατά την εκκίνηση, το συγχρονισμό και τη ρύθμιση της τάσης. Η σύγχρονη λειτουργία προκαλεί, επίσης, δύσκαμπτη συμπεριφορά σε περίπτωση που η ταχύτητα του αέρα δεν είναι σταθερή. Τέλος, ένα ακόμα μειονέκτημα του συγκεκριμένου τύπου γεννητριών είναι ότι τα μαγνητικά τους υλικά είναι ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να απαιτείται σύστημα ψύξης. 38

42 3. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Η θεωρία του συστήματος αναφοράς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να απλοποιηθεί η ανάλυση των ηλεκτρικών μηχανών και να διευκολυνθεί η προσομοίωση και η ψηφιακή υλοποίηση των διαγραμμάτων ελέγχου στα συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας. Πλειάδα συστημάτων αναφοράς έχουν προταθεί κατά καιρούς, εκ των οποίων το τριφασικό σταθερού πλαισίου (γνωστό και ως abc πλαίσιο), το διφασικό σταθερού πλαισίου ( πλαίσιο),και το σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο ( dq στρεφόμενο πλαίσιο) εφαρμόζονται κυρίως. Ο μετασχηματισμός των μεταβλητών μεταξύ αυτών των συστημάτων αναφοράς παρουσιάζεται παρακάτω. 3.1 abc/dq Μετασχηματισμός Πλαισίου Αναφοράς Θεωρούμε τριφασικές ηλεκτρικές μεταβλητές, x a, x b και x c, οι οποίες μπορούν να αντιπροσωπεύουν τάση, είτε ρεύμα, ή μαγνητική ροή. Οι τριφασικές μεταβλητές μπορούν να αναπαρασταθούν με ένα χωρικό διάνυσμα x σε ένα τριφασικό ( abc ) σταθερό πλαίσιο αναφοράς (σύστημα συντεταγμένων). Η σχέση μεταξύ του χωρικού διανύσματος και των τριφασικών μεταβλητών του παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.1, όπου το χωρικό διάνυσμα x περιστρέφεται με μία αυθαίρετη ταχύτητα ω αναφορικά με το abc σταθερού πλαισίου. Οι φασικές τιμές του, x a, x b και x c, μπορούν να βρεθούν προβάλλοντας το x στους αντίστοιχους a, b και c άξονες οι οποίοι απέχουν στο χώρο 2 / 3. Εφόσον οι abc μεταβλητές παραμένουν σταθερές στο χώρο, καθεμία από τις τριφασικές μεταβλητές διαφέρει κατά μία περίοδο όταν το x εκτελέσει μία πλήρη περιστροφή στο χώρο. Υποθέτοντας ότι το μήκος (εύρος) και η ταχύτητα περιστροφής του χωρικού διανύσματος x είναι σταθερά, οι κυματομορφές των x a, x b και x c είναι ημιτονοειδείς με φασική μετατόπιση 2 / 3 μεταξύ δύο κυματομορφών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.1. Το διάγραμμα του χωρικού διανύσματος και οι 39

43 αντίστοιχες κυματομορφές δηλώνει ότι στιγμιαία στο t, το 1 x b είναι μεγαλύτερο του x a και το x c είναι αρνητικό. Εικόνα 3.1. Το χωρικό διάνυσμα x και οι τριφασικές μεταβλητές x a, x b και x c. Οι τριφασικές μεταβλητές στο abc σταθερό πλαίσιο μπορούν να μετασχηματιστούν σε διφασικές μεταβλητές σε ένα πλαίσιο αναφοράς το οποίο καθορίζεται από τους d (ευθύς/direct) και q (εγκάρσιος/quadrature) άξονες οι οποίοι είναι κάθετοι μεταξύ τους όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.2. Οι dq άξονες έχουν μία αυθαίρετη θέση αναφορικά με τους άξονες του abc σταθερού πλαισίου δοθείσης της γωνίας μεταξύ του a άξονα και του d άξονα. Οι dq άξονες περιστρέφονται στο χώρο με αυθαίρετη ταχύτητα, που σχετίζεται με τη γωνία ως d / dt. Προκειμένου να μετασχηματίσουμε τις μεταβλητές από το abc σταθερό πλαίσιο στο dq στρεφόμενο πλαίσιο, απλές τριγωνομετρικές συναρτήσεις εξάγονται από τις ορθογώνιες προβολές των μεταβλητών x a, x b και xc στους dq 40

44 άξονες, όπως φαίνεται στη Εικόνα 3.2, όπου μόνο οι προβολές στον d άξονα παρουσιάζονται στο γράφημα. Η συνισταμένη όλων των προβολών στον d άξονα αντιστοιχεί στο μετασχηματισμένο x d, το οποίο δίνεται από τον τύπο x x cos x cos(2 3 ) x cos(4 3 ), που μπορεί να γραφτεί και ως d a b c x x cos x cos( 2 3) x cos( 4 3). Ο μετασχηματισμός των d a b c μεταβλητών του abc πλαισίου στο q άξονα μπορεί να πραγματοποιηθεί κατά τον ίδιο τρόπο. Ο μετασχηματισμός των μεταβλητών από το abc στο dq πλαίσιο, το οποίο αναφέρεται ως μετασχηματισμός abc dq, μπορεί να παρασταθεί σε μορφή μήτρας όπως φαίνεται στην (3.1): xa xd 2 cos cos( 2 3) cos( 4 3). x b x q 3 sin sin( 2 3) sin( 4 3) x c (3.1) Εικόνα 3.2. Μετασχηματισμός των μεταβλητών από το τριφασικό ( abc ) σταθερό πλαίσιο στο διφασικό ( dq ) αυθαίρετο πλαίσιο. 41

45 Σημειώνεται ότι στον παραπάνω μετασχηματισμό abc dq : Ο συντελεστής 23προστέθηκε αυθαίρετα στην εξίσωση. Οι κοινώς χρησιμοποιούμενες τιμές είναι 23 ή 23. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης του 23 είναι ότι το εύρος των διφασικών τάσεων ισούται με αυτό των τριφασικών τάσεων μετά τον μετασχηματισμό. Οι διφασικές dq μεταβλητές μετά το μετασχηματισμό εμπεριέχουν όλη την πληροφορία των τριφασικών abc μεταβλητών. Το προηγούμενο ισχύει υπό την προϋπόθεση ότι το σύστημα πρέπει να είναι τριφασικά ισορροπημένο. Από τις τρείς μεταβλητές σε ένα τριφασικό ισορροπημένο σύστημα, μόνο οι δύο είναι ανεξάρτητες. Εφόσον υπάρχουν δύο ανεξάρτητες μεταβλητές, η τρίτη μπορεί να υπολογιστεί από την (3.2): xa xb xc 0 (3.2) φαίνεται στην (3.3): xa cos sin xd x b cos( 2 3) sin( 2 3). x q x c cos( 4 3) sin( 4 3) (3.3) Η Εικόνα 3.3 παρουσιάζει την ανάλυση του χωρικού διανύσματος x στο στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς dq. Υποθέτοντας ότι το x στρέφεται με την ίδια ταχύτητα που στρέφεται το dq πλαίσιο, η γωνία μεταξύ του x και του d άξονα είναι σταθερή. Οι προκύπτουσες dq συνιστώσες, x d και x q, είναι DC μεταβλητές. Αυτό αποτελεί ένα από τα πλεονεκτήματα του μετασχηματισμού abc dq, σύμφωνα με τον οποίο τριφασικές AC μεταβλητές μπορούν να αναπαρασταθούν αποτελεσματικά από διφασικές DC μεταβλητές. Προκειμένου να ελεγχθούν αιολικά συστήματα, το σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς χρησιμοποιείται συχνά. Σε αυτή την περίπτωση, η ταχύτητα περιστροφής του αυθαίρετου πλαισίου αναφοράς τίθεται στη σύγχρονη ταχύτητα s μίας επαγωγικής ή σύγχρονης γεννήτριας, όπως φαίνεται στην (3.4): 42

46 2 f (3.4) s όπου f s η συχνότητα του στάτη σε Hertz. Η γωνία μπορεί να υπολογιστεί μέσω της (3.5): s t s t dt 0 (3.5) 0 ( t) ( ) όπου 0 είναι η αρχική γωνιακή θέση. Εικόνα 3.3. Ανάλυση του χωρικού διανύσματος x στο dq στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. 3.2 abc/αβ Μετασχηματισμός Πλαισίου Αναφοράς Ο μετασχηματισμός των τριφασικών μεταβλητών του σταθερού πλαισίου αναφοράς σε διφασικές μεταβλητές επίσης σταθερού πλαισίου αναφέρεται συχνά 43

47 ως μετασχηματισμός abc. Εφόσον το πλαίσιο αναφοράς δεν στρέφεται στο χώρο, ο μετασχηματισμός μπορεί να αποκτηθεί θέτοντας το μηδέν στην (3.1), από την οποία προκύπτει η (3.6): xa x x b x xc (3.6) Ενδιαφέρον έχει να σημειωθεί ότι στο τριφασικό ισορροπημένο σύστημα, όπου xa xb xc 0, η σχέση μεταξύ του x a του πλαισίου αναφοράς και του x a του abc πλαισίου δίνεται από την (3.7): x x x x x a a b c a (3.7) Παρόμοια, ο μετασχηματισμός από το διφασικό στο τριφασικό σταθερό πλαίσιο αναφοράς, γνωστός και ως μετασχηματισμός abc, εκτελείται μέσω της (3.8): x 1 0 a x x b x x c (3.8) 44

48 4. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 4.1 Κατασκευή Όπως φαίνεται στην ταξινόμηση της Εικόνας 2.2, υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες επαγωγικών γεννητριών στη βιομηχανία της αιολικής ενέργειας: οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (DFIGs) και οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIGs). Οι γεννήτριες αυτές έχουν ίδια κατασκευή του στάτη και διαφέρουν μόνο στην κατασκευή του δρομέα. Η Εικόνα 4.1 (a) παρουσιάζει την κατασκευή μίας επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού. Ο στάτης είναι φτιαγμένος από λεπτά ελάσματα πυριτιούχου χάλυβα. Τα ελάσματα είναι μονωμένα προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες σιδήρου που προκαλούνται από επαγόμενα δινορεύματα. Τα ελάσματα είναι ουσιαστικά επίπεδοι δακτύλιοι με διαθέσιμες υποδοχές κατά μήκος της εσωτερικής περιμέτρου του δακτυλίου. Όταν τα ελάσματα είναι κολλημένα με ευθυγραμμισμένες τις υποδοχές τους, δημιουργείται αγωγός, στο οποίο τοποθετείται τριφασική χάλκινη περιέλιξη. Ο δρομέας της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) συγκροτείται από τον ελάσιμο πυρήνα και τις ράβδους. Οι ράβδοι είναι ενσωματωμένοι στις αυλακώσεις μέσα στα ελάσματα του δρομέα και βραχυκυκλώνονται και από τις δύο πλευρές από τερματικούς δακτυλίους. Όταν το τύλιγμα του στάτη είναι συνδεδεμένο σε τριφασική τροφοδότηση, στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργείται στο εσωτερικό της μηχανής. Το στρεφόμενο πεδίο επάγει τριφασική τάση στις ράβδους. Εφόσον οι ράβδοι είναι βραχυκυκλωμένες, η επαγόμενη τάση του δρομέα έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος στο δρομέα, το οποίο αλληλοεπιδρά με το στρεφόμενο πεδίο ώστε να παραχθεί ηλεκτρομαγνητική ροπή. Ο δρομέας της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (DFIG) φέρει τριφασικό τύλιγμα παρόμοιο με το τύλιγμα του στάτη. Το τύλιγμα του δρομέα είναι ενσωματωμένο στα ελάσματα του δρομέα αλλά στην εξωτερική περίμετρο. Το συγκεκριμένο τύλιγμα τροφοδοτείται συνήθως μέσω δακτυλίων επαφής οι οποίοι 45

49 είναι τοποθετημένοι στον άξονα του δρομέα. Στα συστήματα αιολικής ενάργειας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, το τύλιγμα του δρομέα είναι συνήθως συνδεδεμένο σε σύστημα μετατροπής ισχύος το οποίο ωφελεί στην ρύθμιση της ταχύτητας του δρομέα. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα της επαγωγικής γεννήτριας παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.1 (b), όπου τα πολυάριθμα πηνία του στάτη και οι πολυάριθμες ράβδοι του δρομέα έχουν ομαδοποιηθεί και παρουσιάζονται από ένα μόνο πηνίο ανά φάση. (a) Κατασκευή στάτη και δρομέα (b) Απλοποιημένο διάγραμμα Εικόνα 4.1. Όψη εκ διατομής μίας SCIG. Υπάρχουν κυρίως δύο δυναμικά μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούνται για την επαγωγική γεννήτρια. Το ένα βασίζεται στη θεωρία του χωρικού διανύσματος και το δεύτερο στο μοντέλο των dq αξόνων που εξάγεται από το μοντέλο του χωρικού διανύσματος. Το μοντέλο του χωρικού διανύσματος χαρακτηρίζεται από σύντομες μαθηματικές εκφράσεις και ένα μόνο ισοδύναμο κύκλωμα αλλά απαιτείται η χρήση μιγαδικών (πραγματικό και φανταστικό μέρος) μεταβλητών, ενώ το μοντέλο του dq πλαισίου συγκροτείται από δύο ισοδύναμα κυκλώματα, ένα για τον κάθε άξονα. Τα παραπάνω μοντέλα παρουσιάζουν στενή αλληλοσυσχέτιση και είναι το ίδιο έγκυρα όσον αφορά την ανάλυση των μεταβατικών φαινομένων και της μόνιμης κατάστασης της επαγωγικής γεννήτριας. Στα επόμενα κεφάλαια, παρουσιάζονται τα δύο αυτά μοντέλα. 46

50 4.2 Μοντέλο Χωρικού Διανύσματος Κατασκευάζοντας το μοντέλο του χωρικού διανύσματος για την επαγωγική γεννήτρια, υποθέτουμε ότι (1) η επαγωγική γεννήτρια είναι συμμετρική όσον αφορά την κατασκευή της και τριφασικά ισορροπημένη, και (2) ο μαγνητικός πυρήνας του στάτη και του δρομέα είναι γραμμικός με αμελητέες απώλειες. Το μοντέλο του χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας αποτελείται γενικά από τρία σύνολα εξισώσεων: εξισώσεις τάσεων, εξισώσεις μαγνητικής ροής και εξισώσεις κίνησης. Οι εξισώσεις τάσεων για το στάτη και το δρομέα της γεννήτριας στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς δίνονται από την (4.1): vs Rs is ps js vr Rr ir pr j( r ) s (4.1) Όπου: v, v διανύσματα τάσης στάτη και δρομέα (V) s r i, i διανύσματα ρεύματος στάτη και δρομέα (Α) s r, διανύσματα μαγνητικής ροής στάτη και δρομέα (Wb) s r R, R αντιστάσεις τυλίγματος περιέλιξης στάτη και δρομέα (Λ) s r ταχύτητα περιστροφής αυθαίρετου πλαισίου αναφοράς (rad/s) r ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα δρομέα (rad/s) p τελεστής παραγώγισης ( p d dt ) Οι όροι j και j( ) στο δεξί μέλος της (4.1) αναφέρονται ως s r r ταχύτητα τάσης, οι οποίες επάγονται μέσω της περιστροφής του πλαισίου αναφοράς στην αυθαίρετη ταχύτητα. Στην (4.2) του δευτέρου συνόλου εξισώσεων συναντώνται οι μαγνητικές ροές του στάτη και του δρομέα s και r : 47

51 ( L L ) i L i L i L i ( L L ) i L i L i L i s ls m s m r s s m r r lr m r m s r r m s (4.2) Όπου: Ls Lls Lm αυτεπαγωγή στάτη (Η) Lr Llr Lm αυτεπαγωγή δρομέα (Η) L ls, L αυτεπαγωγές σκεδάσεως στάτη και δρομέα (Η) lr Lm αλληλεπαγωγή στάτη δρομέα ή επαγωγή μαγνήτισης (Η) Το τρίτο και τελευταίο σύνολο εξισώσεων είναι οι εξισώσεις κίνησης, οι οποίες περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά της μηχανικής ταχύτητας του δρομέα ως προς τη μηχανική και ηλεκτρομαγνητική ροπή, οι οποίες παρουσιάζονται στην (4.3): dm J Te Tm dt 3P * 3P * Te Re( jsis ) Re( jr ir ) 2 2 (4.3) Όπου: J ροπή αδράνειας δρομέα ( P ζευγάρια πόλων 2 kgm ) Tm μηχανική ροπή άξονα δρομέα ( N m) Te ηλεκτρομαγνητική ροπή ( N m) μηχανική ταχύτητα δρομέα, m r P m ( rad sec ) Οι άνωθεν εξισώσεις συγκροτούν το μοντέλο του χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας, των οποίων το ισοδύναμο κύκλωμα δίνεται στην 48

52 Εικόνα 4.2. Το μοντέλο της γεννήτριας βρίσκεται στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς, περιστρεφόμενο στο χώρο με την αυθαίρετη ταχύτητα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως το μοντέλο του χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας της Εικόνας 4.2 βασίζεται στη σύμβαση του κινητήρα, σύμφωνα με την οποία το ρεύμα του στάτη ρέει με κατεύθυνση από το δίκτυο προς το στάτη. Η συγκεκριμένη παραδοχή είναι κοινώς αποδεκτή εφόσον η πλειονότητα των επαγωγικών μηχανών χρησιμοποιούνται ως κινητήρες. Παρόλα αυτά, δεν μειώνεται η γενικότητα το μοντέλο του χωρικού διανύσματος και οι σχετιζόμενες με αυτό εξισώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παραμετροποιήσουν την επαγωγική μηχανή είτε ως κινητήρα είτε ως γεννήτρια. Εικόνα 4.2. Ισοδύναμο κύκλωμα του χωρικού διανύσματος μιας επαγωγικής γεννήτριας στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς. Η επαγωγική μηχανή της Εικόνας 4.2 στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς μπορεί να μετασχηματιστεί εύκολα σε άλλα πλαίσια αναφοράς. Επί παραδείγματι, ένα μοντέλο σύγχρονου πλαισίου είναι πολύ χρήσιμο όσον αφορά την προσομοίωση και την ψηφιακή υλοποίηση συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας επαγωγικών γεννητριών με προηγμένα συστήματα ελέγχου. Τέτοιο μοντέλο εξασφαλίζεται θέτοντας την αυθαίρετη ταχύτητα της (4.1) και της Εικόνας 4.2 στη σύγχρονη ταχύτητα s. Το εξαγόμενο μοντέλο στο σύγχρονο πλαίσιο το οποίο φαίνεται στην Εικόνα 4.3 (a), όπου η s είναι η σύγχρονη ταχύτητα και η si είναι η γωνιακή συχνότητα ολίσθησης της γεννήτριας, δίνεται από την (4.4): 49

53 s 2 fs sl s r (4.4) Η σύγχρονη ταχύτητα s του πλαισίου αναφοράς αντιστοιχεί στη γωνιακή συχνότητα του στάτη, η οποία είναι ανάλογη με τη συχνότητα f s του στάτη. Προκειμένου να αποκτήσουμε το μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας στο σταθερό πλαίσιο αναφοράς, θέτουμε την ταχύτητα του αυθαίρετου πλαισίου της Εικόνας 4.2 μηδέν εφόσον το σταθερό πλαίσιο δεν περιστρέφεται στο χώρο. Το ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.3 (b). Τα μοντέλα χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας στις Εικόνες 4.2 και 4.3 ισχύουν και για την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού και για την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Στην επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, το κύκλωμα του δρομέα είναι βραχυκυκλωμένο και, ως επακόλουθο, η τάση του δρομέα τίθεται μηδέν, ωστόσο για την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας το κύκλωμα του δρομέα είναι συνδεδεμένο σε σύστημα μετατροπής ισχύος το οποίο ελέγχει την ταχύτητα και τη ροπή της γεννήτριας. (a) Μοντέλο επαγωγικής γεννήτριας σύγχρονου πλαισίου 50

54 (b) Μοντέλο επαγωγικής γεννήτριας σταθερού πλαισίου Εικόνα 4.3. Μοντέλα χωρικού διανύσματος επαγωγικής γεννήτριας σύγχρονου και σταθερού πλαισίου αναφοράς. 4.3 Μοντέλο Πλαισίου Αναφοράς dq Το μοντέλο των dq αξόνων της επαγωγικής γεννήτριας μπορεί να αποκτηθεί αναλύοντας τα χωρικά διανύσματα στις αντίστοιχες συνιστώσες των d και q αξόνων, κατά την (4.5): vs vds jvqs; is ids jiqs ; s ds jqs vr vdr jvqr ; ir idr jiqr ; r dr jqr (4.5) Αντικαθιστώντας την (4.5) στην (4.1) και χωρίζοντας τα πραγματικά από τα φανταστικά μέρη και στα δύο μέλη των εξισώσεων, οι εξισώσεις τάσεων των dq αξόνων για την επαγωγική γεννήτρια δίνονται από την (4.6): vds Rsids p ds qs vqs Rsiqs p qs ds vdr Rridr p dr ( r ) qr vqr Rriqr p qr ( r ) dr (4.6) 51

55 Παρόμοια, αντικαθιστώντας την (4.5) στην (4.2), οι μαγνητικές ροές των dq αξόνων δίνονται από την (4.7): L L i L i L i L i ds ls m ds m dr s ds m dr L L i L i L i L i qs ls m qs m qr s qs m qr L L i L i L i L i dr lr m dr m ds s dr m ds L L i L i L i L i qr lr m qr m qs r qr m qs (4.7) Η ηλεκτρομαγνητική ροπή T e στην (4.3) μπορεί να παρασταθεί από μαγνητικές ροές όπως και ρεύματα των dq αξόνων. Μέσω μαθηματικών πράξεων, μπορούν να αποκτηθούν διάφορες εκφράσεις για την ροπή. Οι πιο κοινές εκφράσεις δίνονται από την (4.8): 3 P ( i qsds i dsqs ) 2 3PLm Te ( iqsidr idsqr ) 2 3PLm ( i qsdr i dsqr ) 2Lr (4.8) Οι (4.6) έως (4.8) μαζί με την κίνησης (4.3) αντιπροσωπεύουν το μοντέλο των dq αξόνων της επαγωγικής γεννήτριας στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς, και τα αντίστοιχα ισοδύναμα κυκλώματα εμφανίζονται στην Εικόνα 4.4. Προκειμένου να αποκτήσουμε το μοντέλο των dq αξόνων στο σύγχρονο και στο σταθερό πλαίσιο αναφοράς, η ταχύτητα του αυθαίρετου πλαισίου αναφοράς τίθεται ίση με τη σύγχρονη συχνότητα (του στάτη) s της γεννήτριας και ίση με μηδέν, αντίστοιχα. 52

56 (a) κύκλωμα d άξονα (b) κύκλωμα q άξονα Εικόνα 4.4. Μοντέλο επαγωγικής γεννήτριας dq αξόνων στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς. 4.4 Μοντέλο Προσομοίωσης Προκειμένου να κατασκευασθεί το μοντέλο προσομοίωσης, οι εξισώσεις που εξήχθησαν προηγουμένως πρέπει να αναδιαμορφωθούν. Η (4.6) μπορεί να ξαναγραφτεί υπό την μορφή της (4.9): ds ( vds Rsids qs ) S qs ( vqs Rsiqs ds ) S dr ( vdr Rridr ( r ) qr ) S qr ( vqr Rriqr ( r ) dr ) S (4.9) 53

57 όπου ο τελεστής παραγώγισης p της (4.6) αντικαθίσταται από τον Λαπλασιανό τελεστή S με το 1 S να αναπαριστά τον ολοκληρωτή. Η (4.7) της μαγνητικής ροής εμφανίζεται σε μορφή μήτρας μέσω της (4.10): ds Ls 0 Lm 0 ids qs 0 Ls 0 L i m qs. dr Lm 0 Lr 0 i dr qr 0 Lm 0 L i r qr (4.10) Τα ρεύματα του στάτη και του δρομέα στην παραπάνω εξίσωση μπορούν να εκφρασθούν σε σχέση με τις μαγνητικές ροές του στάτη και του δρομέα. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί εφαρμόζοντας την αντίστροφη μήτρα επαγωγής και στις δύο πλευρές της (4.10), σύμφωνα με την (4.11): Li L 1 L 1 Li i L 1 (4.11) από την οποία εξάγεται η (4.12): ids Lr 0 Lm 0 ds i qs 1 0 Lr 0 L m qs. i dr D L m L s dr iqr 0 Lm 0 L s qr (4.12) όπου D L L L. 2 1 s r m Οι εξισώσεις κίνησης και ροπής του μοντέλου προσομοίωσης δίνονται από την (4.13): P r ( T e T m) JS 3 P Te ( iqsds idsqs ) 2 (4.13) 54

58 Σύμφωνα με τις (4.9), (4.12), (4.13), το δομικό διάγραμμα της προσομοίωσης μιας επαγωγικής γεννήτριας στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς μπορεί να αναπτυχθεί και παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.5. Εξίσωση (4.9) Εξίσωση (4.12) Εξίσωση (4.13) Εικόνα 4.5. Δομικό διάγραμμα για τη δυναμική προσομοίωση της επαγωγικής γεννήτριας στο αυθαίρετο πλαίσιο αναφοράς. 55

59 4.5 Μεταβατικά Φαινόμενα Επαγωγικής Γεννήτριας Τα μεταβατικά φαινόμενα των συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας βασιζόμενων σε επαγωγικές γεννήτριες με απευθείας σύνδεση στο δίκτυο μπορούν να εξεταστούν χρησιμοποιώντας το δομικό διάγραμμα της Εικόνας 4.6. Θεωρώντας ένα τριφασικό συμμετρικό δίκτυο, οι τάσεις του δικτύου v as, v bs και v cs του σταθερού πλαισίου μετασχηματίζονται στις διφασικές τάσεις v s και v s του σταθερού πλαισίου μέσω του μετασχηματισμού abc. Στην περίπτωση αυτή, το μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας στο σταθερό πλαίσιο πρέπει να χρησιμοποιηθεί, το οποίο πραγματοποιείται θέτοντας την ταχύτητα του αυθαίρετου πλαισίου αναφοράς στο μηδέν ( 0 ). Τα προς προσομοίωση ρεύματα του στάτη i ds και i qs των dq αξόνων είναι επίσης στο σταθερό πλαίσιο, τα οποία μετασχηματίζονται στα τριφασικά ρεύματα i as, i bs και i cs μέσω του μετασχηματισμού abc. Οι τάσεις του δρομέα των dq αξόνων τίθενται στο μηδέν προκειμένου να εκτελεστεί η προσομοίωση των επαγωγικών γεννητριών βραχυκυκλωμένου κλωβού. Για το μετασχηματισμό abc χρησιμοποιώντας την (2.6), ο συντελεστής 23έχει επιλεχθεί αυθαίρετα, βάσει της οποίας εξάγεται η (2.8) για το μετασχηματισμό a abc. Ο λόγος για τον οποίο ο συντελεστής μπορεί να επιλεχθεί αυθαίρετα καταδεικνύεται από την Εικόνα 4.6, όπου οι τριφασικές τάσεις του στάτη μετασχηματίζονται σε διφασικές τάσεις μέσω του μετασχηματισμού abc και τα υπολογισμένα διφασικά ρεύματα του στάτη μετασχηματίζονται πίσω σε τριφασικά ρεύματα του στάτη μέσω του μετασχηματισμού abc. Εφόσον οι μετασχηματισμοί abc και abc της Εικόνας 4.6 αντικατασταθούν από αυτές που παράγονται με ένα συντελεστή διαφορετικό από 23, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης από τα δύο συστήματα, όπως επί παραδείγματι τα τριφασικά ρεύματα του στάτη, θα είναι πανομοιότυπα. 56

60 Έκθεση 1 - Απευθείας Σύνδεση στο Δίκτυο της SCIG κατά την Εκκίνηση του Συστήματος Η συγκεκριμένη Έκθεση εξετάζει τη δυναμική επίδοση ενός συστήματος αιολικής ενέργειας με επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού κατά την εκκίνηση του συστήματος, και επιβεβαιώνει πως μία μεγάλου μεγέθους επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού δεν μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο δίκτυο εξαιτίας του υπερβολικού ρεύματος εκκίνησης και των ταλαντώσεων που δημιουργούνται από την ροπή. Θεωρούμε μία επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού με χαρακτηριστικά στοιχεία 2.3 MW, 690 V, 50 Hz, 1512 rpm, οι παράμετροι της οποίας παρουσιάζονται στον Πίνακα Β-1. Ο άξονας της γεννήτριας είναι συνδεδεμένος στην ανεμογεννήτρια μέσω του συστήματος μετάδοσης κίνησης. Κατά την εκκίνηση του συστήματος, ο στρόβιλος και η γεννήτρια αποκτούν μέσω του ανέμου συγκεκριμένη ταχύτητα, στην οποία η γεννήτρια συνδέεται στο δίκτυο με στοιχεία 690 V/50Hz διά του διακόπτη κυκλώματος που παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.6. Η έρευνα πραγματοποιείται στις επόμενες δύο περιπτώσεις. (Εξ. 3.6) (Εξ. 3.8) (Εικ. 4.5) Εικόνα 4.6. Δομικό διάγραμμα για δυναμική προσομοίωση της SCIG με απευθείας σύνδεση στο δίκτυο. 57

61 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΠΙΔΟΣΗ ΤΗΣ SCIG ΜΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Η ανεμογεννήτρια αρχικά είναι σταματημένη με τα πτερύγια να είναι στραμμένα αντίθετα της κατεύθυνσης του αέρα. Όταν η ταχύτητα του ανέμου φτάσει στο επίπεδο λειτουργίας, τα πτερύγια στρέφονται ελαφρώς προς την κατεύθυνση του αέρα, και η ανεμογεννήτρια και η γεννήτρια ξεκινούν να περιστρέφονται. Όταν η ταχύτητα της γεννήτριας πλησιάσει την ονομαστική ταχύτητα (1450 rpm) ο διακόπτης κυκλώματος κλείνει και η γεννήτρια συνδέεται απευθείας στο δίκτυο. Οι κυματομορφές μέσω προσομοίωσης της γεννήτριας εμφανίζονται στην Εικόνα 4.7. Κατά τη διάρκεια των μεταβατικών φαινομένων του συστήματος, μεγάλης έντασης ρεύμα εκκίνησης ρέει στη γεννήτρια και ένα περιοδικό ρεύμα με μη μηδενική μέση τιμή εμφανίζεται σε κάθε ένα από τα ρεύματα i as, i bs και i cs του στάτη, αλλά η συνισταμένη αυτών των DC ρευμάτων είναι μηδέν εξαιτίας του τριφασικού ισορροπημένου συστήματος. Καθώς δημιουργείται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και μαγνητίζεται ο πυρήνας της γεννήτριας από το ρεύμα του στάτη, παράγεται η ηλεκτρομαγνητική ροπή T e. Εφόσον η γεννήτρια λειτουργεί κάτω από τη σύγχρονη ταχύτητα στην κατάσταση οδήγησης, δημιουργείται θετική ροπή η οποία επιταχύνει το στρόβιλο. Η γεννήτρια τελικά φτάνει στη σύγχρονη ταχύτητα των 1500 rpm (0.992 pu ) σε t 0.84 sec, στην οποία εισέρχεται στη λειτουργία μόνιμης κατάστασης με T T 0. Έχοντας ολοκληρωθεί η διαδικασία εκκίνησης, ο στρόβιλος μπορεί πλέον να αρχίσει να δεσμεύει ισχύ ρυθμίζοντας τη γωνία πρόσπτωσης των πτερυγίων. e Η απευθείας σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο κατά την εκκίνηση του συστήματος έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υπερυψηλών ρευμάτων εκκίνησης με μέγιστες τιμές πάνω από 10 pu, υψηλής ηλεκτρομαγνητικής ροπής (2 pu, μέγιστη τιμή), όπως και υψηλές ταλαντώσεις της ροπής. Το μεγάλο ρεύμα εκκίνησης μπορεί να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο δίκτυο, ιδιαίτερα σε ένα ασθενές δίκτυο, και οι υψηλές ταλαντώσεις της ροπής μπορούν να επιφέρουν υπερβολική μηχανική καταπόνηση στο σύστημα μετάδοσης κίνησης. Συμπεραίνεται ότι η απευθείας σύνδεση στο δίκτυο της επαγωγικής γεννήτριας m 58

62 βραχυκυκλωμένου κλωβού κατά την εκκίνηση του συστήματος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πράξη, ειδικά όσον αφορά τους στροβίλους σημαντικής ισχύος. Εικόνα 4.7. Δυναμική απόκριση της SCIG με απευθείας σύνδεση στο δίκτυο. 59

63 ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΗΣ SCIG ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΔΡΟΜΕΑ Το δεύτερο μέρος της έρευνας εξετάζει τα μεταβατικά φαινόμενα κατά την απευθείας σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο όταν η ταχύτητα της γεννήτριας έχει καταστεί από τον άνεμο ακριβώς ίση με τη σύγχρονη ταχύτητα των 1500 rpm ( pu ). Θεωρείται ως δεδομένο στη συγκεκριμένη έρευνα πως η συνδυασμένη ροπή αδράνειας της γεννήτριας, του συστήματος μετάδοσης κίνησης και των πτερυγίων είναι τόσο μεγάλη, ώστε η ταχύτητα του δρομέα διατηρείται σταθερή κατά τη διάρκεια των ηλεκτρικών μεταβατικών φαινομένων. Σε αυτήν την περίπτωση, η εξίσωση κίνησης (4.13 a) απλοποιείται σε d dt 0 και r s. Η ταχύτητα r του δρομέα έπειτα χρησιμοποιείται ως μία εκ των μεταβλητών εισόδου του συστήματος. Σαν αποτέλεσμα, το δομικό διάγραμμα της προσομοίωσης της επαγωγικής γεννήτριας της Εικόνας 4.5 πρέπει να υποστεί μία μικρή διαμόρφωση προκειμένου να διευθετηθούν οι αλλαγές. Η δυναμική απόκριση τη στιγμή που η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού συνδεθεί με το δίκτυο παριστάνεται στην Εικόνα 4.8. Υψηλό ρεύμα εκκίνησης αντλείται από τη γεννήτρια, με την μέγιστη τιμή του να είναι πάνω από 10 pu. Οι μεγάλες τιμές των ρευμάτων του στάτη προκαλούν ταλαντώσεις στη ροπή T e της γεννήτριας. Σε σχέση με την προηγούμενη έρευνα, η διεργασία των μεταβατικών φαινομένων είναι ταχύτερη ένεκα της σταθερής ταχύτητας του δρομέα η οποία εξαλείφει την εξίσωση κίνησης κατά την προσομοίωση. Συμπεραίνεται πως η απευθείας σύνδεση της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού στο δίκτυο δεν επιτρέπεται στην πράξη εξαιτίας του υπέρμετρης έντασης ρεύματος του στάτη και των ταλαντώσεων της ροπής. r 60

64 Εικόνα 4.8. Δυναμική απόκριση της SCIG με σταθερή ταχύτητα δρομέα κατά την απευθείας σύνδεσή της με το δίκτυο. 4.6 Ισοδύναμο Κύκλωμα Μόνιμης Κατάστασης Προκειμένου να εξεταστεί η επίδοση της επαγωγικής γεννήτριας στη μόνιμη κατάσταση, το ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης είναι ένα χρήσιμο εργαλείο. Το ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης μπορεί να εξαχθεί από το μοντέλο χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας που περιγράφεται από την (4.1). Για να αποκτηθεί το ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης, χρησιμοποιείται το μοντέλο χωρικού διανύσματος της επαγωγικής γεννήτριας στο σύγχρονο πλαίσιο, και ακολουθούνται τα εξής βήματα: Θέτουμε την αυθαίρετη ταχύτητα της (4.1) ίση με τη σύγχρονη ταχύτητα s. Θέτουμε τους όρους παραγώγισης, p s και p r, της (4.1) ίσους με το μηδέν (όλες οι μεταβλητές της επαγωγικής γεννήτριας στο σύγχρονο 61

65 πλαίσιο είναι DC ποσότητες στη μόνιμη κατάσταση και έτσι η παράγωγός τους είναι μηδέν). Αντικαθιστούμε όλα τα χωρικά διανύσματα της (4.1) με τους αντίστοιχους φάσορες. Επί παραδείγματι, το διάνυσμα τάσης v s του στάτη αντικαθίσταται με το φάσορα τάσης V του στάτη, όπου vs vds jvqs, s Vs Re( Vs ) j Im( Vs ). Η σχέση μεταξύ των V s και v s δίνεται από τον τύπο V s v 2. s Αντιστρέφουμε την κατεύθυνση του ρεύματος του δρομέα, υπό την έννοια ότι, το ρεύμα του δρομέα ρέει εκτός του κυκλώματος του δρομέα αντί να ρέει εντός του κυκλώματος του δρομέα που φαίνεται στην Εικόνα 4.2. Το παραπάνω δεν αποτελεί αναγκαιότητα. Ωστόσο, η αναθεωρημένη κατεύθυνση του ρεύματος του δρομέα συμφωνεί με το συμβατικό ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης της επαγωγικής μηχανής. Ιδιαιτέρως, διευκολύνει την ανάλυση ενός συστήματος αιολικής ενέργειας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, όπου το κύκλωμα του δρομέα είναι συνδεδεμένο με ένα σύστημα μετατροπής ισχύος με αμφίδρομη ροή ισχύος. Οι εξισώσεις για την ανάλυση της μόνιμης κατάστασης της επαγωγικής γεννήτριας δίνονται από την (4.14): V s Rs Is j s V R I j( ) r r r s r r (4.14) όπου τα κεφαλαία γράμματα με παύλα συμβολίζουν τους φάσορες. Λόγου χάρη, S και r είναι οι φάσορες των μαγνητικών ροών s και r του στάτη και του δρομέα, αντίστοιχα. Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφεί επίσης υπό τη μορφή της εξίσωσης (4.15): V s Rs Is js ( Lls Is Lm Im) Vr Rr Ir jls ( Llr Ir Lm Im) (4.15) 62

66 όπου ls είναι η γωνιακή συχνότητα ολίσθησης, η οποία δίνεται από τον τύπο ls s r. Διαιρώντας την εξίσωση τάσης του δρομέα με την ολίσθηση αποκτούμε την (4.16): s ls (4.16) s και προσαρμόζοντας εκ νέου την (4.15), έχουμε την (4.17): V s Rs Is js ( Lls Is Lm Im) Rs Is jx ls Is jx m Im Vr Rr Rr I j ( L I L I ) I jx I jx I s s s r ls lr r m m r lr r m m (4.17) όπου οι X ls και X lr, είναι οι αντιδράσεις σκέδασης του στάτη και του δρομέα, ενώ X m είναι η μαγνητική αντίδραση. Οι ποσότητες αυτές δίνονται από την (4.18): X X X L ls s ls L lr s lr L m s m (4.18) Βάσει της (4.17), το ισοδύναμο της μόνιμης κατάστασης για την επαγωγική γεννήτρια εμφανίζεται στην Εικόνα 4.9. Στα συστήματα αιολικής ενέργειας με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, το κύκλωμα του δρομέα είναι συνήθως συνδεδεμένο σε ένα μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα (RSC) ο οποίος μπορεί να αντικατασταθεί από μία ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.9 (a), ενώ όσον αφορά την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού το κύκλωμα του δρομέα είναι βραχυκυκλωμένο και η τάση V r του δρομέα είναι μηδέν, όπως εμφανίζεται στην Εικόνα 4.9 (b). 63

67 Εικόνα 4.9. Ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης για την επαγωγική γεννήτρια. Ροή Ισχύος: Προκειμένου να διευκολυνθεί η ανάλυση της ροής ισχύος για την επαγωγική γεννήτρια, η αντίσταση Rr s του δρομέα της Εικόνας 4.9 χωρίζεται σε δύο συνιστώσες, σύμφωνα με την (4.19): R s r 1 s Rr Rr (4.19) s Το επακόλουθο ισοδύναμο κύκλωμα μόνιμης κατάστασης για την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού δίνεται στην Εικόνα 4.10, όπου P in είναι η συνολική ισχύς εισόδου που παράγεται από την ανεμογεννήτρια, και P rot είναι οι συνολικές περιστροφικές απώλειες του μηχανικού συστήματος (οι απώλειες ισχύος του συστήματος μετάδοσης κίνησης έχουν παραμεληθεί χάριν απλότητας). Η μηχανική ισχύς του άξονα της γεννήτριας υπολογίζεται μέσω της (4.20): 64

68 2 (1 s) P 3I R s (4.20) m r r Οι απώλειες χαλκού των τυλιγμάτων του δρομέα και του στάτη δίνονται μέσω της (4.21): P P 3I R 2 cu, r s r 3I R 2 cu, s s s (4.21) Εικόνα Ροή ισχύος και απώλειες στην επαγωγική γεννήτρια. Η ισχύς εξόδου του στάτη μπορεί να βρεθεί από την (4.22): P P P P (4.22) s m cu, r cu, s όπου και έχουν χρησιμοποιηθεί απόλυτες τιμές προκειμένου να αποφευχθεί η σύγχυση, εφόσον η ισχύς του στάτη και η μηχανική ισχύς είναι αρνητικές όταν η επαγωγική γεννήτρια λειτουργεί στην κατάσταση παραγωγής. Η ισχύς του στάτη μπορεί επίσης να υπολογιστεί κάνοντας χρήση της (4.23): P 3V I cos (4.23) s s s s όπου s είναι η γωνία του συντελεστή ισχύος, η οποία αντικατοπτρίζει την φασική μετατόπιση μεταξύ της τάσης και του ρεύματος του στάτη. Η γωνία του συντελεστή ισχύος ορίζεται από την (4.24): 65

69 V I (4.24) s s s Χαρακτηριστική Ροπής-Ταχύτητας Γεννήτριας: Η καμπύλη ροπήςταχύτητας αντικατοπτρίζει τη μεταβολή της ροπής που δημιουργείται από τη γεννήτρια συναρτήσει της ταχύτητας για δεδομένη τάση και συχνότητα του στάτη. Προκειμένου να αποκτηθεί η καμπύλη ροπής-ταχύτητας, είναι αναγκαίο να βρεθεί μία εξίσωση που να συσχετίζει τις δύο αυτές μεταβλητές. Η μηχανική ισχύς της γεννήτριας δίνεται από τη (4.25): P m Tm m (4.25) Αντικαθιστώντας την (4.20) στην (4.25), η μηχανική ροπή μπορεί να υπολογιστεί από την (4.26): 1 1s 1 1s T 3I R 3I R 2 2 m r r r r m s r P s (4.26) Αντικαθιστώντας την έκφραση (1 s) r s στην (4.26) αποφέρει την (4.27): T m 1 2 Rr Pag 3Ir P s P s s (4.27) όπου η ισχύς του διακένου αέρα εκφράζεται μέσω της (4.28): P ag R s 2 r 3Ir (4.28) Παραμελώντας τον κλάδο μαγνήτισης της Εικόνας 4.9 (b) για απλούστευση, το ρεύμα του δρομέα μπορεί να υπολογιστεί μέσω της (4.29): I r 2 V R R X X s s r s ls lr 2 (4.29) Αντικαθιστώντας την (4.29) στην (4.27) παράγεται η (4.30): 66

70 T m R s 2 3P r s 2 s s Rr Rs X ls X lr V 2 (4.30) Η (4.30) συσχετίζει τη μηχανική ροπή T m με την ολίσθηση s για μία δεδομένη τάση του στάτη V s και συχνότητα του στάτη s. Μία τυπική καμπύλη ροπής-ολίσθησης για την επαγωγική γεννήτρια παρουσιάζεται στην Εικόνα Υπάρχουν δύο καταστάσεις λειτουργίας: η λειτουργία κινητήρα και η λειτουργία γεννήτριας. Όταν η γεννήτρια λειτουργεί στην κατάσταση λειτουργίας κινητήρα, τότε η ταχύτητα του δρομέα μικρότερη από τη σύγχρονη ταχύτητα r είναι s και η μηχανική ροπή καθώς και η ολίσθηση είναι θετικές ( Tm 0, s 0 ). Αντίθετα, όταν η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, τότε η ταχύτητα του δρομέα είναι μεγαλύτερη από τη σύγχρονη ταχύτητα και η μηχανική ροπή όπως και η ολίσθηση είναι αρνητικές ( Tm 0, s 0 ). Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της σύμβασης του κινητήρα που αναφέρθηκε προηγουμένως, σύμφωνα με την οποία η κατεύθυνση του ρεύματος του στάτη είναι εντός του στάτη, όπως εμφανίζεται στην Εικόνα 4.9. Όταν η γεννήτρια λειτουργεί στην ονομαστική κατάσταση (Rated operating point), η ονομαστική μηχανική ροπή της είναι -1.0 pu, και η ονομαστική ολίσθησή της κυμαίνεται συνήθως μεταξύ και Οι προηγούμενες τιμές αναφέρονται σε επαγωγικές γεννήτριες πολλών megawatt τοποθετημένες σε συστήματα αιολικής ενέργειας. 67

71 Εικόνα Τυπική καμπύλη ροπής-ολίσθησης της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού. Έκθεση 2 Ανάλυση της Ισχύς και της Απόδοσης Η συγκεκριμένη έκθεση εξετάζει τις απώλειες ισχύος και απόδοσης της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού, με βάση το ισοδύναμο κύκλωμά της και ερευνά επίσης τις διαφορές μεταξύ των καταστάσεων λειτουργίας της γεννήτριας και του κινητήρα. Θεωρούμε την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού με τεχνικά χαρακτηριστικά 2.3 MW, 690 V,50 Hz, 1512 rpm της Έκθεσης 1. Ο άξονας της γεννήτριας ενώνεται με την ανεμογεννήτρια μέσω ενός συστήματος μετάδοσης κίνησης και ο στάτης της είναι συνδεδεμένος απευθείας στο δίκτυο με χαρακτηριστικά 690 V/50 Hz. Για δεδομένη ταχύτητα ανέμου, η γεννήτρια λειτουργεί σε ταχύτητα δρομέα ίση με 1506 rpm, στην οποία οι απώλειες περιστροφής της γεννήτριας είναι 23 kw. Στηριζόμενοι στη θεωρία του ισοδυνάμου κυκλώματος μόνιμης κατάστασης της επαγωγικής γεννήτριας βραχυκυκλωμένου κλωβού που φαίνεται 68

72 στην Εικόνα 4.9 (b), η συνολική σύνθετη αντίσταση της γεννήτριας δίνεται από την παρακάτω έκφραση: Rr Zs Rs jx ls jx m / / jx lr s όπου και η ολίσθηση υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση: (4.31) s (4.32) 1500 Η αρνητική τιμή της ολίσθησης συμβολίζει πως η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού λειτουργεί στην κατάσταση λειτουργίας γεννήτριας. Τα ρεύματα στάτη και δρομέα δίνονται από τις σχέσεις: Vs Is Z s jx mis Ir jx m Rr s jx lr (4.33) Το ρεύμα του στάτη καθυστερεί σε σχέση με την τάση του στάτη, το οποίο σημαίνει ότι η γεννήτρια αντλεί άεργο ισχύ από το δίκτυο. ισχύος Η γωνία του συντελεστή ισχύος του στάτη s καθώς και ο συντελεστής PF s μπορούν να υπολογιστούν ως εξής: s Vs Is PFs coss o o o (4.34) Παρατηρείται πως η γωνία του συντελεστή ισχύος του στάτη είναι μεγαλύτερη των 90 ενώ ο συντελεστής ισχύος είναι αρνητικός, γεγονός που υποδεικνύει πως η μηχανή δουλεύει στην κατάσταση λειτουργίας γεννήτριας. Η ισχύς του στάτη υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση: P 3V I cos kw (4.35) s s s s Η αρνητική τιμή της ισχύος υποδηλώνει πως η γεννήτρια προσδίδει την ενεργό ισχύ στο δίκτυο. 69

73 Χρησιμοποιώντας το ισοδύναμο κύκλωμα που απεικονίζεται στην Εικόνα 4.9 (b), η μηχανική ισχύς της γεννήτριας υπολογίζεται από την εξίσωση: P I R s s kw (4.36) 2 m 3 r r Η μηχανική ροπή βρίσκεται ως εξής: T m 3 Pm kn m m (4.37) Οι απώλειες χαλκού του στάτη και του δρομέα δίνονται από τις εκφράσεις: 2 Pcu, s 3Is Rs 4.82 kw 2 Pcu, r 3Ir Rr 4.76 kw (4.38) Η ισχύς του στάτη προς το δίκτυο επαληθεύεται ως εξής: Ps Pm Pcu, s Pcu, r kw (4.39) Η συνολική ισχύς εισόδου από τον άξονα της γεννήτριας υπολογίζεται ως: P P P kw (4.40) in m rot Η απόδοση της γεννήτριας τελικά ως εξής: P P 97.33% (4.41) s Παρατηρείται από την παραπάνω ανάλυση πως όταν η επαγωγική μηχανή δουλεύει στην κατάσταση λειτουργίας γεννήτριας, η ισχύς του στάτη μηχανική ισχύς P m, η μηχανική ροπή T m, ο συντελεστής ισχύος του στάτη in P s, η καθώς και η ολίσθηση s είναι αρνητικά. Το παραπάνω προκύπτει εξαιτίας του ισοδυνάμου κυκλώματος της επαγωγικής γεννήτριας με τη σύμβαση του κινητήρα που χρησιμοποιήθηκε κατά την ανάλυση, δια του οποίου το ρεύμα του στάτη i s θεωρείται ότι ρέει από το δίκτυο προς το στάτη. PF s 70

74 Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζεται εν περιλήψει η λειτουργία της επαγωγικής γεννήτριας στην κατάσταση λειτουργίας γεννήτριας και στην αντίστοιχη του κινητήρα. Εμφανίζονται επίσης ένα απλοποιημένο διάγραμμα σύνδεσης και το αντίστοιχο διάγραμμα φάσης. Η ισχύς του στάτη, ο συντελεστής ισχύος, η ηλεκτρομαγνητική και η μηχανική ροπή, όπως και η ολίσθηση της επαγωγικής μηχανής είναι όλες θετικές ποσότητες στην κατάσταση λειτουργίας κινητήρα ενώ είναι όλες αρνητικές στην κατάσταση λειτουργίας της γεννήτριας. Τέλος, η γωνία o o του συντελεστή ισχύος του στάτη είναι εντός των διαστημάτων 0 90 και o o σε κατάσταση λειτουργίας κινητήρα και γεννήτριας, αντιστοίχως. s s Πίνακας 4.1. Σύνοψη της λειτουργίας της επαγωγικής μηχανής στις καταστάσεις λειτουργίας κινητήρα και γεννήτριας. 71

75 5. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι σύγχρονες γεννήτριες χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας της τάξεως των μερικών kilowatts έως και μερικών megawatts. Όπως αναφέρθηκε, οι σύγχρονες γεννήτριες τοποθετούνται σε δύο κύριες κατηγορίες: σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSGs) και σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες (PMSGs). Στις σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα η μαγνητική ροή του δρομέα παράγεται από το τύλιγμα του δρομέα, ενώ η σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες χρησιμοποιεί τους μόνιμους μαγνήτες προκείμενου να δημιουργηθεί η μαγνητική ροή του δρομέα. Ανάλογα με τη μορφή του δρομέα και της κατανομής του διακένου αέρα κατά μήκος της περιμέτρου του δρομέα, οι σύγχρονες γεννήτριες μπορούν να χωριστούν σε έκτυπων πόλων και σε μη έκτυπων πόλων. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η κατασκευή των σύγχρονων γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα και των σύγχρονων γεννητριών με μόνιμους μαγνήτες των συστημάτων αιολικής ενέργειας. Επίσης εξάγεται το δυναμικό μοντέλο όπως και το μοντέλο μόνιμης κατάστασης και για τους δύο τύπους των σύγχρονων γεννητριών. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται τα δομικά διαγράμματα που χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση των σύγχρονων γεννητριών, ενώ παρουσιάζονται και έρευνες σχετικές με τη δυναμική ανάλυση και την ανάλυση μόνιμης κατάστασης των παραπάνω γεννητριών. 5.1 Κατασκευή Όπως συμβαίνει στις επαγωγικές γεννήτριες και οι σύγχρονες γεννήτριες απαρτίζονται κατά κύριο λόγο από το στάτη και το δρομέα. Η κατασκευή του στάτη των γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα όπως επίσης και αυτών με τους μόνιμους μαγνήτες είναι ουσιαστικά πανομοιότυπη με αυτή μίας επαγωγικής γεννήτριας και ως εκ τούτου δεν επαναλαμβάνεται στο παρόν κεφάλαιο. Το 72

76 συγκεκριμένο κεφάλαιο παρέχει μία επισκόπηση της διαμόρφωσης του δρομέα για τις προαναφερόμενες σύγχρονες γεννήτριες. Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Όπως υποδηλώνει το όνομά της, η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα χρησιμοποιεί σχηματισμό δακτυλιοφόρου δρομέα προκειμένου να δημιουργηθεί η μαγνητική ροή του δρομέα. Η Εικόνα 5.1 δείχνει μία τυπική σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα έκτυπων πόλων, στην οποία και εμφανίζονται μόνο δώδεκα από τους πόλους για να κατανοηθεί καλύτερα η δομή του δρομέα. Το πηνίο τυλίγεται γύρω από τους πόλους, οι οποίοι και τοποθετούνται συμμετρικά στην περίμετρο του δρομέα σε τέτοια διαμόρφωση γύρω από τον άξονα ώστε να φιλοξενηθεί μεγαλύτερος αριθμός πόλων. Η γεννήτρια φέρει ανώμαλη κατανομή μαγνητικής ροής στο διάκενο η οποία οφείλεται στην κατασκευή του δρομέα με τους έκτυπους πόλους. Οι σύγχρονες γεννήτριες με υψηλό αριθμό πόλων (παραδείγματος χάριν 72 πόλοι) λειτουργώντας σε χαμηλή ταχύτητα περιστροφής μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα αιολικής ενέργειας άμεσης οδήγησης της τάξης των megawatt όπου και δεν υπάρχει ανάγκη για σύστημα μετάδοσης κίνησης. Το προαναφερθέν οδηγεί σε μείωση στις απώλειες ισχύος και στο κόστος συντήρησης. Η περιέλιξη του δρομέα μιας σύγχρονης γεννήτριας απαιτεί DC διέγερση. Το ρεύμα του δρομέα μπορεί να τροφοδοτείται απευθείας από τις ψήκτρες που έρχονται σε επαφή με τους δακτυλίους ολίσθησης. Οι δακτύλιοι είναι κολλημένοι στον άξονα ενώ συνδέονται ηλεκτρικά με το τύλιγμα του δρομέα. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας διεγέρτης άνευ ψηκτρών ο οποίος είναι συνδεδεμένος στον άξονα. Ο διεγέρτης αυτός παράγει AC ρεύμα το οποίο και ανορθώνεται μέσω της χρήσης ειδικά τοποθετημένων διόδων, προκειμένου να διεγερθεί το τύλιγμα του δρομέα. Η πρώτη επιλογή που αναφέρθηκε είναι απλή αλλά απαιτεί τακτική συντήρηση των ψηκτρών και των δακτυλίων ολίσθησης. Από την άλλη μεριά, η δεύτερη είναι περισσότερο ακριβή και πολύπλοκη όμως χρειάζεται λιγότερο συχνά συντήρηση. 73

77 Εικόνα 5.1. Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα με έκτυπους πόλους (σύνθεση δώδεκα πόλων). Σύγχρονη Γεννήτρια με Μόνιμους Μαγνήτες Στη σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες, η μαγνητική ροή του δρομέα δημιουργείται από τους μόνιμους μαγνήτες και ως εκ τούτου οι συγκεκριμένες γεννήτριες δεν φέρουν ψήκτρες. Εξ αιτίας της απουσίας του τυλίγματος του δρομέα, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή πυκνότητα ισχύος ενώ μειώνεται το μέγεθος και το βάρος της γεννήτριας. Επιπλέον, δεν υφίστανται απώλειες του τυλίγματος του δρομέα, γεγονός που επιφέρει την ελάττωση της θερμικής καταπόνησης του δρομέα. Παρ όλα αυτά, τα μειονεκτήματα αυτών των γεννητριών έγκεινται στο γεγονός πως οι μόνιμοι μαγνήτες είναι περισσότερο ακριβοί και επιρρεπείς στην απομαγνήτιση. Τέλος, αναλόγως με τον τρόπο που εφαρμόζονται οι μόνιμοι μαγνήτες στο δρομέα, η σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες χωρίζεται σε γεννήτρια έκτυπων και κυλινδρικών πόλων. 74

78 Σύγχρονη Γεννήτρια με Μόνιμους Μαγνήτες, Κυλινδρικών Πόλων Στις σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες κυλινδρικών πόλων, οι μόνιμοι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι στην επιφάνεια του δρομέα. Η Εικόνα 5.2 παρουσιάζει μια γεννήτρια αυτής της μορφής, όπου και 16 μαγνήτες είναι ομοιόμορφα τοποθετημένοι στην περιφέρεια του πυρήνα του δρομέα, ενώ μεταξύ δύο παρακείμενων μαγνητών παρεμβάλλεται παραμαγνητικό υλικό. Εφόσον η διαπερατότητα των μαγνητών είναι παρόμοια με αυτή των παραμαγνητικών υλικών, το ενεργό διάκενο αέρα μεταξύ του πυρήνα του δρομέα και του στάτη κατανέμεται ομοιόμορφα γύρω από την επιφάνεια του δρομέα. Τα κύρια πλεονεκτήματα της σύγχρονης γεννήτριας κυλινδρικών πόλων είναι η απλότητά της και το χαμηλό κόστος κατασκευής της σε σύγκριση με αυτής των έκτυπων πόλων. Παρ όλα αυτά, οι μαγνήτες εκτίθενται σε φυγόκεντρες δυνάμεις οι οποίες και μπορούν να επιφέρουν την αποκόλλησή τους από το δρομέα και ως εκ τούτου οι σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες κυλινδρικών πόλων χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές χαμηλών ταχυτήτων. Οι συγκεκριμένες γεννήτριες μπορούν να φέρουν εξωτερικό δρομέα στον οποίο οι μόνιμοι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι στην εσωτερική επιφάνεια του πυρήνα του αντίστοιχου δρομέα. Στην περίπτωση αυτή, οι φυγόκεντρες δυνάμεις ενεργούν κατά τέτοιο τρόπο που βοηθούν τους μαγνήτες να παραμείνουν κολλημένοι στον πυρήνα του δρομέα. Εικόνα 5.2. Σύγχρονη γεννήτρια με μόνιμους μαγνήτες κυλινδρικών πόλων (σύνθεση δεκαέξι πόλων). 75