Θεώνη Νιάρου του Ιωάννη

Transcript

1 Νιάρου Θεώνη Ι. 1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Θεώνη Νιάρου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου: 5203 Θέμα «Ανάπτυξη υψηλής τάξης μοντέλου της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης ενεργειακών συστημάτων, στα οποία εντάσσονται ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν αυτή τη μηχανή.» Επιβλέπων Γ.Β. Γιαννακόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2012

2 Νιάρου Θεώνη Ι. 2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα : «Ανάπτυξη υψηλής τάξης μοντέλου της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης ενεργειακών συστημάτων, στα οποία εντάσσονται ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν αυτή τη μηχανή.» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Θεώνη Νιάρου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου: 5203 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Καθηγητής Γαβριήλ Β.Γιαννακόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης

3 Νιάρου Θεώνη Ι. 3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάπτυξη υψηλής τάξης μοντέλου της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης ενεργειακών συστημάτων, στα οποία εντάσσονται ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν αυτή τη μηχανή.» Φοιτήτρια: Θεώνη Ι.Νιάρου Επιβλέπων: Καθηγητής Γαβριήλ Β.Γιαννακόπουλος ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός υψηλής τάξης μοντέλου διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης αιολικών συστημάτων. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και η αεροδυναμική τους μετατροπή. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας υψηλής τάξης. Εν συνεχεία, αναλύεται -βάσει εξισώσεων- η συμπεριφορά της εν λόγω γεννήτριας σε τριφασικές και ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων, που είναι αποτέλεσμα διαφόρων μεταβατικών καταστάσεων. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται διάφορες διαταραχές στο σύστημα, όπως: συμμετρικά και ασύμμετρα βραχυκυκλώματα, απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, απώλεια και μεταβολή φορτίου. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink, έκδοση 7.6. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, Αιολική ενέργεια, Ανεμογεννήτρια, Διπλής τροφοδοσίας, Επαγωγική μηχανή, Υψηλής τάξης, Μελέτες μεταβατικής κατάστασης, Δυναμική μοντελοποίηση, Διανυσματικός έλεγχος, Βραχυκυκλώματα, Διαταραχές, MATLAB/Simulink.

4 Νιάρου Θεώνη Ι. 4 ABSTRACT The subject of this thesis is the study and analysis of a high-order model of a doubly-fed induction machine (DFIM), suitable for unbalanced condition studies on a wind farm. At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made and after that, for the study of disturbances, the dynamic model and the vector control of a high-order model of a doubly-fed induction generator are presented. Through mathematical equations, the performance of this generator under voltage dips is then described, result of various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and several disturbances on the grid, such as: symmetrical and asymmetrical faults, sudden changes of the wind speed, loss and change of the load. Simulation is made with the use of the software MATLAB/Simulink, version 7.6. KEY WORDS Renewable energy sources, Wind energy, Wind turbine, Doubly-fed, Induction machine, High-Order, Unbalanced condition studies, Dynamic modeling, Vector control, Faults, Disturbances, MATLAB/Simulink.

5 Νιάρου Θεώνη Ι. 5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών κ.γαβριήλ Γιαννακόπουλο για την ανάθεση και επίβλεψη αυτής της τόσο ενδιαφέρουσας διπλωματικής εργασίας. Τον ευχαριστώ, επίσης, για την αρμονική συνεργασία που είχαμε και για την καθοδήγησή του. Θα ήθελα, κατόπιν, να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Μιχάλη Μπουρδούλη για την πολύτιμη βοήθειά του τόσο στην κατανόηση και την οργάνωση του υλικού που είχα συγκεντρώσει, όσο και στην προσομοίωση σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου, που με πιστεύουν και με στηρίζουν πάντα. Για την αγάπη και την εμπιστοσύνη που μου έδειξαν όλα αυτά τα χρόνια. Αυτή η διπλωματική εργασία είναι αφιερωμένη στην οικογένειά μου. Να πω κι ένα ακόμη ευχαριστώ σε συγκεκριμένους συγγενείς και φίλους, που πίστευαν πάντα σε μένα, παρόντες και μη.

6 Στην γιαγιά μου Θεώνη Νιάρου Θεώνη Ι. 6

7 Νιάρου Θεώνη Ι. 7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 «ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΜΙΑ ΡΑΓΔΑΙΑ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΗ ΑΠΕ» 1.1 Εισαγωγή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Εισαγωγή Μορφές ΑΠΕ Η κατάσταση των ΑΠΕ στην Ελλάδα Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ-Σύγκριση με Συμβατικές Πηγές Ενέργειας Αιολική ενέργεια-ιστορική ανασκόπηση Πλεονεκτήματα αιολικής ενέργειας Προβλήματα στην αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας Στατιστικά στοιχεία αιολικών εγκαταστάσεων Η θέση της αιολικής ενέργειας στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη Η αιολική ενέργεια στα πλαίσια της ΕΕ Η αιολική ενέργεια στην ελληνική πραγματικότητα.. 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 «ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ» 2.1 Εισαγωγή H αιολική ενέργεια στην ηλεκτροπαραγωγή-ιστορική αναδρομή Ανεμογεννήτριες οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα Η δομή μίας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Μετατροπή αιολικής ενέργειας Αιολική κατανομή Αιολική ισχύς Αεροδυναμική μετατροπή Αεροδυναμική των πτερυγίων Καμπύλη απόδοσης C p (λ) Τύπος C p (λ,β) Αποδοτικότητες μετάδοσης και παραγωγής Ηλεκτρική ισχύς εξόδου Αεροδυναμικός έλεγχος ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας Τοπολογίες ανεμογεννητριών Συνήθεις τύποι γεννητριών Ασύγχρονη (επαγωγική) γεννήτρια 68

8 Νιάρου Θεώνη Ι Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Σύγχρονη γεννήτρια Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη Ηλεκτρονικά ισχύος.. 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : «ΔΙΠΛΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΞΗΣ» 3.1 Εισαγωγή Δυναμική μοντελοποίηση Μοντέλο dq Αντιπροσώπευση του μοντέλου dq στον χώρο κατάστασης Εκτίμηση σταθερής κατάστασης σε συντεταγμένες dq Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος back-to-back Εισαγωγή Μετατροπέας back-to-back βασισμένος σε τοπολογία VSC δύο-επιπέδων Σύστημα πλευράς δικτύου Μετατροπέας, επαγωγικό φίλτρο και μοντέλο τάσης δικτύου Μετατροπέας πλευράς ρότορα και φίλτρο dv/dt Σύνδεση DC Παραγωγή παλμού των ελεγχόμενων διακοπτών Δυναμική μοντελοποίηση του συστήματος πλευράς δικτύου Μοντέλο dq Ευθυγράμμιση του πλαισίου αναφοράς dq Διανυσματικός έλεγχος Εισαγωγή Υπολογισμός των ρευμάτων αναφοράς Βρόχοι ελέγχου ρεύματος Μονάδα βρόχου ελέγχου Προσανατολισμοί πλαισίων αναφοράς Προσανατολισμός ροής Προσανατολισμός τάσης δικτύου Σύγκριση των προσανατολισμών Πλήρες σύστημα ελέγχου 105

9 Νιάρου Θεώνη Ι. 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : «ΔΙΠΛΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΞΗΣ : ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ» 4.1 Εισαγωγή Προέλευση των βυθίσεων τάσης Ορισμός των βυθίσεων τάσης Ταξινόμηση των βυθίσεων τάσης Ανάλυση της DFIM υπό βυθίσεις τάσεων Εισαγωγή Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στο ρότορα Κανονική λειτουργία Τριφασικές βυθίσεις τάσης Ολική βύθιση τάσης, ανοιχτοκυκλωμένος ρότορας Μερική βύθιση τάσης, ανοιχτοκυκλωμένος ρότορας Ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων Βασικές αρχές της μεθόδου συμμετρικών συνιστωσών Συμμετρικές συνιστώσες εφαρμοζόμενες στην DFIM Μονοφασική βύθιση Διφασική βύθιση.133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» 5.1 Εισαγωγή Δεδομένα προσομοίωσης Προσομοίωση-Αποτελέσματα-Συμπεράσματα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ : Α. Αναπαράσταση χωρικού διανύσματος 218 Α.1 Σημειογραφία χωρικού διανύσματος 218 Α.2 Μετασχηματισμοί σε διαφορετικά πλαίσια αναφοράς. 221 Α.3 Εκφράσεις ισχύος.. 224

10 Νιάρου Θεώνη Ι. 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΜΙΑ ΡΑΓΔΑΙΑ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΗ ΑΠΕ 1.1 Εισαγωγή Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας. Οι μετακινήσεις του αέρα, οι άνεμοι, προέρχονται από τις μεταβολές και τις διαφορετικές από τόπο σε τόπο τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι διαφορετικές αυτές τιμές της πίεσης οφείλονται στη διαφορετική θέρμανση (απορρόφηση ενέργειας) της ατμόσφαιρας κάθε τόπου από τον Ήλιο. Πρόκειται, δηλαδή, για μία έμμεση μορφή της ηλιακής ενέργειας. Οι άνεμοι, επομένως, προκαλούνται από την ανόμοια θέρμανση της ατμόσφαιρας από τον ήλιο, τις εδαφικές ανωμαλίες της επιφάνειας της γης και την περιστροφή της γης. Τα πρότυπα της ροής του ανέμου τροποποιούνται από το έδαφος της γης, από τους υδάτινους όγκους και τη βλάστηση. Η αξιοποίηση αυτής της ροής του ανέμου ή της κινητικής ενέργειας ξεκίνησε πριν από χιλιάδες χρόνια. Από τα βάθη των αιώνων έως σήμερα, ο άνθρωπος έχει χρησιμοποιήσει την αιολική ενέργεια για πολλούς σκοπούς, όπως: την κίνηση ιστιοφόρων πλοίων, το άλεσμα δημητριακών και την άντληση νερού με την βοήθεια ανεμόμυλων, το πέταγμα χαρταετού και πιο πρόσφατα, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την βοήθεια ανεμογεννητριών. Η αιολική ενέργεια όντας μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον και πρακτικά ανεξάντλητη, κατάφερε να συγκεντρώσει την προσοχή των επιστημόνων. Τα τελευταία χρόνια, γενικά, υπάρχει έντονο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να αξιοποιηθούν. Ο όρος ανανεώσιμες αποδίδεται, διότι οι πηγές αυτές έχουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι ανανεώνονται διαρκώς λόγω της φύσης τους, συνεπώς είναι ανεξάντλητες και προσφέρονται δωρεάν στον άνθρωπο προς εκμετάλλευση. Αφορμή για αυτό, αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του 1973, η οποία κατέστησε σαφές διεθνώς ότι τα αποθέματα του πετρελαίου, στο οποίο βασιζόταν ως επί το πλείστον η παραγωγή οποιασδήποτε μορφής αξιοποιήσιμης ενέργειας, είναι «πεπερασμένα» και «περιορισμένα». Με την πάροδο των χρόνων, η εξέλιξη της τεχνολογίας και κατά συνέπεια της βιομηχανίας ήρθε να δημιουργήσει νέα δεδομένα στην ανθρωπότητα. Η ανάγκη για ενέργεια εμφανίζει συνεχώς αυξητικές τάσεις παγκοσμίως και κατά συνέπεια και στην Ελλάδα. Οι ΑΠΕ κατάφεραν να εδραιωθούν τα τελευταία χρόνια στο παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη και η αιολική ενέργεια, να αποτελέσει πλέον μία άκρως υπολογίσιμη πηγή ενέργειας (από το 2000 έως και σήμερα).

11 Νιάρου Θεώνη Ι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Εισαγωγή Οι σύγχρονες κοινωνίες καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας για τη θέρμανση χώρων, τα μέσα μεταφοράς, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για τη λειτουργία των βιομηχανικών μονάδων. Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που χρησιμοποιείται προέρχεται από συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως είναι το πετρέλαιο, η βενζίνη και ο άνθρακας, που αργά ή γρήγορα θα εξαντληθούν. Από την άλλη πλευρά, οι ΑΠΕ ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Ο ήλιος, ο άνεμος, τα ποτάμια και οι οργανικές ύλες είναι πηγές ενέργειας που η προσφορά τους δεν εξαντλείται ποτέ. Η ευρύτερη έννοια των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αναφέρεται σε κάθε πηγή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ανανεώνεται μέσω φυσικών φαινομένων μόνιμου κύκλου. Αυτές οι ήπιες μορφές ενέργειας, βασίζονται κατ ουσία στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης και την ενέργεια από τα κύματα και τις παλίρροιες, που αποτελεί μορφή εκμετάλλευσης του βαρυτικού δυναμικού. Οι βασιζόμενες στην ηλιακή ακτινοβολία ήπιες πηγές ενέργειας είναι ανανεώσιμες, αφού δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος, δηλαδή για μερικά ακόμη δισεκατομμύρια χρόνια. Ουσιαστικά είναι ηλιακή ενέργεια «συσκευασμένη» κατά τον ένα ή τον άλλο τρόπο: η βιομάζα είναι ηλιακή ενέργεια δεσμευμένη στους ιστούς των φυτών μέσω της φωτοσύνθεσης, η αιολική ενέργεια εκμεταλλεύεται τους ανέμους που προκαλούνται από τη θέρμανση του αέρα, ενώ αυτές οι ΑΠΕ που βασίζονται στο νερό εκμεταλλεύονται τον κύκλο εξάτμισης συμπύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Η γεωθερμική ενέργεια δεν είναι ανανεώσιμη, καθώς τα γεωθερμικά πεδία κάποια στιγμή εξαντλούνται. Συνεπώς, οι ΑΠΕ συνιστούν πηγές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον και συνιστούν ειδικότερη έκφανση, αλλά και βασική συνιστώσα της αειφόρου ανάπτυξης. Η ανάπτυξη των ΑΠΕ αποτελεί βασική προτεραιότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, με στόχο την προστασία του περιβάλλοντος και την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού. Θεωρούνται, μάλιστα, ως η μόνη πηγή ενέργειας επί της οποίας η Ευρωπαϊκή Ένωση διαθέτει περιθώρια ελιγμών, καθώς πρόκειται για ενδογενή πηγή ενέργειας. Συγκεκριμένες δεσμεύσεις-στόχοι υπάρχουν και σε εθνικό επίπεδο (Οδηγία 2009/28/ΕΚ, για την προώθηση της χρήσης ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές, που θέτει τον νομικά δεσμευτικό στόχο 20% για συμμετοχή των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας της ΕΕ-27 μέχρι το 2020, ενώ για την Ελλάδα ο αντίστοιχος στόχος προσδιορίζεται στο 18%). Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει την μικρότερη επίδραση στο περιβάλλον και δίνει στον καταναλωτή ένα εναλλακτικό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την χρήση του άνθρακα, πετρελαίου. Σήμερα οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που λειτουργούν με άνθρακα παράγουν το μεγαλύτερο ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο. Όμως αυτή η φτηνή

12 Νιάρου Θεώνη Ι. 12 μέθοδος προκαλεί την μεγαλύτερη καταστροφή στο περιβάλλον με την εκπομπή τοξικών αερίων. Αυτά τα τοξικά αέρια σε συνδυασμό με το νερό της βροχής δημιουργούν την όξινη βροχή και συμβάλλουν στην αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη Μορφές ΑΠΕ Ηλιακή ενέργεια : Η μέση προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 600 W/m 2, αλλά η πραγματική της τιμή εξαρτάται πολύ από τη γεωγραφική θέση της περιοχής. Έχει το πλεονέκτημα ότι δεν έχει κόστος, είναι ανεξάντλητη και δεν μολύνει το περιβάλλον, αλλά έχει το μειονέκτημα ότι έχει μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας, είναι διαθέσιμη μόνο ένα μέρος της ημέρας και εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Οι προηγούμενοι λόγοι καθιστούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας ένα δύσκολο πρόβλημα τεχνολογικά. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται με: α) Μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική. β) Απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική. Επιτυγχάνεται: i) Σε επίπεδο καταναλωτών, με χρήση ηλιακών συλλεκτών για θέρμανση χώρου ή νερού. Οι ηλιακοί συλλέκτες απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία, εκτός της υπερύθρου, που την αντανακλούν και την αποδίδουν συνήθως σε ένα ψυκτικό υγρό, με ένα συντελεστή απόδοσης της τάξης 40-50%, που είναι συνάρτηση πολλών παραμέτρων. Αυτή η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας ελαττώνει το ηλεκτρικό φορτίο, αλλά οι ηλεκτρικές εταιρείες οφείλουν να διαθέτουν επαρκή εφεδρική ισχύ, για να καλύπτουν τις απαιτήσεις των καταναλωτών, όταν λόγω καιρικών συνθηκών, δεν παράγεται ηλιακή ενέργεια. ii) Σε επίπεδο ηλεκτρικών σταθμών, όπου η ηλιακή ενέργεια συλλέγεται με φακούς ή κάτοπτρα (ηλιοστάτες) μεγάλης επιφάνειας, τον ανακλαστήρα και τροφοδοτείται σε μία μικρότερη επιφάνεια, τον λεγόμενο απορροφητή. Για υψηλές θερμοκρασίες (μέχρι 580 ο C) χρησιμοποιείται μόνο ένας δέκτης (λέβητας στη κορυφή του πύργου), ενώ για χαμηλότερες θερμοκρασίες (μέχρι 400 ο C) ο δέκτης είναι σωλήνας στη θέση της γραμμικής εστίας (με νερό ή υγρό νάτριο), που τροφοδοτεί το λέβητα. Οι ανακλαστήρες παρακολουθούν την εποχιακή ή ημερήσια μετακίνηση του ήλιου. Απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Επιτυγχάνεται με τα ηλιακά κύτταρα, των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το τελευταίο πραγματοποιείται σε ένα λεπτό στρώμα κατάλληλου υλικού, πχ. πυριτίου, όπου ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων δημιουργούνται από την πρόσπτωση ηλιακών φωτονίων, ενώ η ασυνέχεια του δυναμικού του κυττάρου διαχωρίζει τις οπές από τα ηλεκτρόνια

13 Νιάρου Θεώνη Ι. 13 και δημιουργεί διαφορά δυναμικού. Ενώ η θεωρητική απόδοση είναι 25%, οι πρακτικές τιμές είναι περίπου 15%. Η μεγαλύτερη απόδοση, περίπου 22%, επετεύχθη με κύτταρα γαλλίουαρσενίου, αλλά η τοξικότητα του αρσενίου και οι υπάρχουσες μικρές ποσότητες γαλλίου δεν επιτρέπουν την εμπορική εκμετάλλευση αυτών των κυττάρων. Αιολική ενέργεια : Όπως προείπαμε, είναι η κινητική ενέργεια που παράγεται από τη δύναμη του ανέμου και μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια ή / και σε ηλεκτρική ενέργεια. Γεωθερμική ενέργεια : Είναι η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης, από βάθη που εκτείνονται από μερικές εκατοντάδες μέτρα, μέχρι μερικά χιλιόμετρα και παράγεται από τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης. Είναι εκμεταλλεύσιμη εκεί όπου η θερμότητα ανεβαίνει με φυσικό τρόπο στην επιφάνεια. Εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Γενικά η εκμετάλλευσή της είναι αντιοικονομική. Ωστόσο, στις περιοχές της γης, όπου εμφανίζεται επιφανειακά (γεωθερμικά πεδία), είναι υπό τη μορφή ζεστού νερού (60 ο -100 ο C), υγρού ατμού (νερό με πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής και θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 ο C) ή κεκορεσμένου ξηρού ατμού και μπορεί να αξιοποιηθεί σε βιομηχανίες, θερμοκήπια και θέρμανση κατοικιών. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της γης απορροφάται με τροφοδότηση αλμυρού νερού, σε γεώτρηση βάθους μέτρων και με άντλησή του από άλλη κοντινή γεώτρηση. Στην περίπτωση που το γεωθερμικό πεδίο διαθέτει ξηρό ατμό, τροφοδοτείται απευθείας ένας ατμοστρόβιλος χαμηλής πίεσης, ενώ εάν διαθέτει υγρό ατμό, τροφοδοτείται ένας εναλλάκτης θερμότητας που προσδίδει τη θερμότητα σε δευτερεύοντα υγρά εργασίας (πχ. φρέον) για να κινήσουν το στρόβιλο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η απόδοση των ηλεκτρικών σταθμών, που χρησιμοποιούν γεωθερμική ενέργεια, είναι μικρότερη των σταθμών που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, αλλά το κόστος κατασκευής τους είναι μικρότερο και φυσικά, το καύσιμο είναι δωρεάν. Ενέργεια από βιομάζα : Πρόκειται για ένα πολύ μικρό μέρος της ηλιακής ενέργειας, κάτω του 5%, που ακολουθεί τον φωτοσυνθετικό δρόμο και μετασχηματίζεται με μία σειρά διεργασιών των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης, οπότε και αποθηκεύεται σαν χημική ενέργεια μέσα στην φυτική ύλη (ξύλα, αγροτικά απορρίμματα, δημοτικά στέρεα απορρίμματα, απορρίμματα βιομηχανιών παραγωγής τροφίμων). Οι κύριες χρήσεις της βιομάζας είναι για παραγωγή θερμότητας και υγρών καυσίμων για τα αυτοκίνητα. Πιο συγκεκριμένα, τα υπολείμματα φυτών και τα απορρίμματα ζωικών οργανισμών ονομάζονται βιομάζα. Η τελευταία μπορεί με κατάλληλες χημικές ή βιολογικές διεργασίες να παράγει τα λεγόμενα βιοκαύσιμα. Κύριες πηγές της βιομάζας είναι: τα υπολείμματα της γεωργικής παραγωγής, των βιομηχανιών επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων και παραγωγής τροφίμων, παραπροϊόντα κτηνοτροφίας, παραπροϊόντα επεξεργασίας ξύλου, στερεά απορρίμματα

14 Νιάρου Θεώνη Ι. 14 νοικοκυριών, φυτομάζα από κλάδεμα δενδροκαλλιεργειών, αυτοφυών βοηθητικών φυτών (βοσκιές, καλαμιές) και αναξιοποίητης δασικής ύλης, αλλά και οι πρότυπες ενεργειακές καλλιέργειες. Η βιομάζα αξιοποιείται με την καύση για την παραγωγή θερμότητας ή με την παραγωγή υγρών και αερίων καυσίμων (κύρια αιθανόλη, υδρογονάνθρακες, μεθάνιο, υδρογόνο, υδρόθειο και μονοξείδιο του άνθρακα). Το μεγάλο ενδιαφέρον πολλών ηλεκτρικών εταιρειών στη χρήση της βιομάζας οφείλεται στη δυνατότητα άμεσης αξιοποίησης της, σαν συμπληρωματικό καύσιμο, στους ηλεκτρικούς σταθμούς που χρησιμοποιούν γεωλογικά καύσιμα, με ταυτόχρονη ελάττωση των οξειδίων θείου και αζώτου (κυρίως, με χρήση υπολειμμάτων ξύλου). Αλλά ισχυρά είναι και τα κοινωνικά κίνητρα των εταιρειών, όταν με την επιλογή τους αυτή, επιλύουν το πρόβλημα διάθεσης των απορριμμάτων των πελατών τους και διευκολύνουν την οικονομική ανάπτυξη της περιοχής (ιδίως με τη δυνατότητα ανάπτυξης ενεργειακών καλλιεργειών, αλλά και με την παραγωγή υποπροϊόντων, όπως είναι οι ζωοτροφές, ο χαρτοπολτός και η αιθανόλη). Υδροηλεκτρική ενέργεια : Χρησιμοποιείται κυρίως για σταθμούς αιχμής. Αποτελεί αντικείμενο εκμετάλλευσης τόσο σε μικρή, όσο και σε μεγάλη κλίμακα. Η εγκατάσταση και λειτουργία τους άπτεται σοβαρών κοινωνικών και περιβαλλοντικών προβλημάτων, καθώς προκαλούν σημαντική διακοπή των φυσικών ενεργειακών πόρων. Εν αντιθέσει, τα μικρά υδροηλεκτρικά έργα σε ποταμούς και χείμαρρους δεν παρουσιάζουν αντίστοιχα προβλήματα και αναπτύσσονται με επιτυχία σε όλο τον κόσμο. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από αυτά, είναι ανάλογη της ποσότητας νερού που περνά από τον υδροστρόβιλο και της υψομετρικής διαφοράς που καλύπτει το νερό στην πορεία του προς τον υδροστρόβιλο, μέσα από τον αγωγό πίεσης. Έτσι, η ίδια ισχύς μπορεί να αποσπασθεί, τόσο από μία μεγάλη ποσότητα νερού που πέφτει από μικρό ύψος, όσο και από μία μικρή ποσότητα νερού που πέφτει από μεγάλο ύψος. Στην πρώτη περίπτωση, όμως, οι διαστάσεις των επιμέρους μονάδων του μικρού υδροηλεκτρικού σταθμού θα είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές της δεύτερης, με προφανείς επιπτώσεις σε θέματα χωροθέτησης και εκπόνησης μελετών, περιβαλλοντικών επιπτώσεων των εγκαταστάσεων. Τα συγκριτικά πλεονεκτήματα των μικρών υδροηλεκτρικών έργων, σε σχέση και με ορισμένες ΑΠΕ, είναι η δυνατότητα άμεσης σύνδεσης/αποσύνδεσης με το δίκτυο ή η αυτόνομη λειτουργία τους, η αξιόπιστη μη διακοπτόμενη και χωρίς διακυμάνσεις μετατροπή ενέργειας, η μεγάλη διάρκεια ζωής τους, ο μικρός χρόνος απόσβεσης των αναγκαίων επενδύσεων, το χαμηλό κόστος συντήρησης, οι μηδενικές εκπομπές ρύπων (κατά τη φάση λειτουργίας), η ικανοποίηση και άλλων αναγκών χρήσης νερού (ύδρευσης, άρδευσης), κ.ά. Ενέργεια από παλίρροιες: Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το παλιρροϊκό ύψος επηρεάζεται και από την παροχετευτική ικανότητα των σημείων εκβολής, ενώ η ενέργεια που μπορεί να αποσπασθεί, είναι

15 Νιάρου Θεώνη Ι. 15 ανάλογη της περιοχής του νερού που παγιδεύεται, της μάζας του και της απόστασης που αυτό διανύει, από την υψηλή (πλημμυρίδα) στη χαμηλή παλίρροια (άμπωτη). Έτσι, οι εκβολές μεγάλου μήκους αποδίδουν μεγαλύτερη παλιρροϊκή ενέργεια. Τα παλιρροϊκά φράγματα δεν λειτουργούν συνεχώς, αφού σε καθημερινή βάση σημειώνονται μόνο δύο παλιρροϊκά φαινόμενα κατά τόπο. Η βασική τεχνολογία ενεργειακής μετατροπής που εφαρμόζεται, είναι παρόμοια με αυτή των υδροηλεκτρικών φραγμάτων. Σε αντίθεση, ωστόσο, με τα τελευταία, τα παλιρροϊκά φράγματα δεν απαιτούν τη δέσμευση και καταβύθιση μεγάλων εκτάσεων γης, αν και έχουν εκφρασθεί αντιρρήσεις από περιβαλλοντολόγους, σχετικά με τις αρνητικές επιπτώσεις τους σε τοπικά οικοσυστήματα, λόγω της αλλαγής που προκαλούν στην παλιρροϊκή έκταση. Επιπλέον, το κόστος kwη μίας παλιρροιακής εγκαταστάσεως είναι μεγαλύτερο ενός συνηθισμένου υδροηλεκτρικού σταθμού. Τέλος, αντί της κατασκευής μεγάλων και περιβαλλοντικά μη φιλικών παλιρροϊκών φραγμάτων, υπάρχει και η εναλλακτική τεχνολογική λύση της χρήσης βυθισμένων μηχανισμών, που μοιάζουν με ανεμογεννήτριες και εκμεταλλεύονται τα γρήγορα παλιρροϊκά ρεύματα, σε κανάλια κοντά σε παράκτιες περιοχές. Μία παλιρροϊκή γεννήτρια εκμεταλλεύεται τέσσερις φορές περισσότερη ενέργεια ανά m 2 ή στροφείο από μία ανεμογεννήτρια, λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας των παλιρροϊκών ρευμάτων. Ενέργεια από κύματα: Η ενέργεια των κυμάτων δεν επηρεάζεται από βραχυπρόθεσμες τοπικές κλιματικές επιδράσεις, καθώς οι ωριαίες και ημερήσιες διακυμάνσεις της είναι χαμηλότερες από αυτές της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Τα θαλάσσια κύματα μπορούν να αποδώσουν ενεργειακή ισχύ ανώτερη των 2TW σε παγκόσμιο επίπεδο. Σημαντικό χαρακτηριστικό των θαλάσσιων κυμάτων αποτελεί η υψηλή ενεργειακή τους πυκνότητα, η οποία είναι και η υψηλότερη όλων των υπολοίπων ΑΠΕ. Οι μηχανισμοί μετατροπής της κυματικής ενέργειας εντάσσονται σε δύο κύριες κατηγορίες: στους σταθερούς και στους πλωτούς. Α) Οι σταθεροί μηχανισμοί ή μηχανισμοί ακτογραμμής εγκαθίστανται, είτε στο βυθό, είτε στην ακτή και βασικό τους πλεονέκτημα, έναντι των πλωτών, είναι η εύκολη εγκατάσταση και συντήρησή τους. Το βασικό σταθερό ή ακτογραμμής σύστημα μετατροπής κυματικής ενέργειας εκμεταλλεύεται το φαινόμενο της ταλαντούμενης στήλης νερού: τα παράκτια κύματα ανυψώνουν τη στάθμη του νερού, μέσα σε ένα μεγάλο μερικώς βυθισμένο- θάλαμο, ο οποίος κατασκευάζεται από οπλισμένο σκυρόδεμα επί της ακτής. Καθώς η στάθμη του νερού ανυψώνεται, αναγκάζει τον συσσωρευμένο εντός του θαλάμου αέρα, να περάσει με ταχύτητα από ειδικό αεραγωγό και να κινήσει τα πτερύγια της στροβιλογεννήτριας, που βρίσκεται στο στόμιο εισόδου/εξόδου του αέρα. Όταν τα κύματα υποχωρούν, η στάθμη του νερού που πέφτει αναρροφά από το περιβάλλον αέρα, ο οποίος διαμέσου της στροβιλογεννήτριας μεταφέρεται στην αντίθετη κατεύθυνση. Τα περιστρεφόμενα πτερύγια οδηγούν την ηλεκτρογεννήτρια, η οποία παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Β) Οι πλωτοί μηχανισμοί μετατρέπουν την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική, μέσω της αρμονικής

16 κίνησης (ανύψωσης και πτώσης, συγχρόνως με την κίνηση του κύματος) του επιπλέοντος τμήματός τους. Νιάρου Θεώνη Ι. 16 Θερμική ωκεάνια ενέργεια: Βασίζεται στην υπάρχουσα διαφορά θερμοκρασίας του νερού, ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων. Είναι γεγονός, από πλήθος μετρήσεων, ότι τα ανώτερα στρώματα της θάλασσας στις περιοχές με τροπικό κλίμα έχουν θερμοκρασίες 25 ο -30 ο C. Αντίθετα, η θερμοκρασία των θαλάσσιων υδάτων σε μεγάλο βάθος, στις ανωτέρω περιοχές, είναι πολύ χαμηλή (περίπου 8 ο στα 500 μέτρα και 4 ο στα μέτρα). Παρά τα πλεονεκτήματα όχι εποχιακές μεταβολές, όχι αποθήκευση, άφθονη, πλωτές μονάδες, όχι ρύπανση τα τεχνοοικονομικά προβλήματα είναι μεγάλα Η κατάσταση των ΑΠΕ στην Ελλάδα Η συνολική συνεισφορά των ΑΠΕ καταγράφει σταθερά ανοδική πορεία τα τελευταία χρόνια, καρπός των τεράστιων ιδιωτικών επενδύσεων που υλοποιούνται στα πλαίσια των πολιτικών που έχουν ληφθεί, των μέτρων οικονομικής υποστήριξης, αλλά και των προοπτικών αξιοποίησης των ΑΠΕ. Πιο συγκεκριμένα, στο πλαίσιο της ολοκληρωμένης ευρωπαϊκής πολιτικής για την κλιματική αλλαγή και την ενέργεια όπου τίθενται σε επίπεδο Ε.Ε., οι στόχοι για τη μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, τη διείσδυση των ΑΠΕ και την εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας (γνωστοί και ως στόχοι ), υιοθετήθηκε από τα Κράτη Μέλη ένα ευρύ νομοθετικό «πακέτο». Εκεί περιλαμβάνεται και η Οδηγία 2009/28/ΕΚ για την προώθηση της χρήσης ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές, που θέτει τον νομικά δεσμευτικό στόχο 20% για συμμετοχή των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας της ΕΕ-27 μέχρι το 2020, ενώ για την Ελλάδα ο αντίστοιχος στόχος προσδιορίζεται στο 18%. Σύμφωνα με την οδηγία αυτή : Τίθεται νομικά δεσμευτικός ευρωπαϊκός στόχος 20% συμμετοχή των Α.Π.Ε. στην τελική κατανάλωση ενέργειας μέχρι το 2020, συμπεριλαμβανομένου ποσοστού 10% συμμετοχής τους στον τομέα μεταφορών. Προβλέπεται για πρώτη φορά αξιοποίηση των ΑΠΕ σε όλες τις ενεργειακές χρήσεις (ηλεκτροπαραγωγή, ψύξη/ θέρμανση, μεταφορές/ βιοκαύσιμα). Η εξειδίκευση σε εθνικούς στόχους στηρίζεται στο ΑΕΠ με σημείο εκκίνησης το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ σε κάθε κράτος-μέλος κατά το έτος 2005, με το συγκεκριμένο ποσοστό για την Ελλάδα να προσδιορίζεται στο 18%. Η Ελληνική Κυβέρνηση με το Νόμο 3851/2010 προχώρησε στην αύξηση του εθνικού στόχου συμμετοχής των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας στο 20%, ο οποίος και εξειδικεύεται σε 40% συμμετοχή των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή, 20% σε ανάγκες θέρμανσης-ψύξης και 10% στις μεταφορές. Παράλληλα, στο πλαίσιο εφαρμογής της Οδηγίας 2009/28/ΕΚ, εκπονήθηκε και υποβλήθηκε στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή το Εθνικό Σχέδιο Δράσης για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, που αποτελεί πλέον το κατεξοχήν εργαλείο ενεργειακού σχεδιασμού μέχρι το 2020.

17 Νιάρου Θεώνη Ι. 17 Σύμφωνα με την Υπηρεσία ΑΠΕ, η συνολική ισχύς από σταθμούς ΑΠΕ στη χώρα μας αυξήθηκε κατά 290 MW μέσα στο 2010, αθροίζοντας συνολική εγκατεστημένη ισχύ 1736 MW, έναντι των 1446 MW του τέλους του Πρωταθλητές στην ανάπτυξη νέας ισχύος ήταν τη χρονιά αυτή τα φωτοβολταϊκά, τα οποία σχεδόν τετραπλασίασαν τη διείσδυση τους στο ενεργειακό μας σύστημα, ξεκινώντας από 53 MW στο τέλος του 2009 και καταλήγοντας στα 198 MW στο τέλος του Η νέα αιολική ισχύς που προστέθηκε το 2010 ανέρχεται στα 131 MW, οδηγώντας σε σύνολο 1298 MW, ενώ μικρή αλλά σημαντική είναι και η αύξηση των μικρών υδροηλεκτρικών από 182,6 MW στο τέλος του 2009, στα 196,3 στο τέλος του Σχετικά με την αιολική ενέργεια, σύμφωνα με την Υπουργική Απόφαση 19598/ , για την επιδιωκόμενη αναλογία εγκατεστημένης ισχύος μέχρι το 2020 μεταξύ των διάφορων τεχνολογιών ΑΠΕ, καθορίζεται η επιδιωκόμενη εγκατεστημένη ισχύς από αιολικά έργα με πρώτη περίοδο κατανομής το 2014 τα ΜW και με χρονικό ορίζοντα το έτος 2020 τα MW [1]. Οι εθνικοί μας στόχοι για το 2020, σύμφωνα και με τα αποτελέσματα των ενεργειακών μοντέλων, αναμένεται να ικανοποιηθούν για τη μεν ηλεκτροπαραγωγή με την ανάπτυξη περίπου 13300MW από ΑΠΕ (από περίπου 4000MW σήμερα), όπου συμμετέχουν το σύνολο των τεχνολογιών με προεξέχουσες τα αιολικά πάρκα με 7500MW, υδροηλεκτρικά με 3000MW και τα ηλιακά με περίπου 2500MW, ενώ για τη θέρμανση και ψύξη με την ανάπτυξη των αντλιών θερμότητας, των θερμικών ηλιακών συστημάτων, αλλά και των εφαρμογών βιομάζας. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει την ανάπτυξη της εγκατεστημένης ισχύος μονάδων ΑΠΕ ανά τεχνολογία, όπου και φαίνεται ότι για τα αιολικά και τα υδροηλεκτρικά έργα, ο ρυθμός ανάπτυξης παρέμεινε κατά μέσο όρο γύρω στο 20% (Σχήμα 1.1). Σχήμα 1.1 Εξέλιξη εγκατεστημένης ισχύος μονάδων ΑΠΕ, κατά τη δεκαετία [2] Την πιο πρόσφατη ενημέρωση στατιστικά, σχετικά με τις ΑΠΕ στον Ελλαδικό χώρο, μας δίνει η εταιρεία Λειτουργός Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Ε. (ΛΑΓΗΕ Α.Ε.) με το τελευταίο ενημερωτικό δελτίο της, στο οποίο -για το Μάρτιο τα αιολικά έργα φθάνουν τα 1387,84 ΜW, τα υδροηλεκτρικά έργα φθάνουν τα 212 MW, βιοαέριο-βιομάζα παραμένουν σταθερά στα 45 MW το τελευταίο οκτάμηνο και τέλος, τα Φ/Β έργα φθάνουν στο σύνολο τα 535 MW (Σχήμα 1.2).

18 Νιάρου Θεώνη Ι. 18 Σχήμα 1.2 Εγκατεστημένη ισχύς (MW) μονάδων ΑΠΕ σε λειτουργία στο διασυνδεδεμένο σύστημα ( )[3] Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ-Σύγκριση με Συμβατικές Πηγές Ενέργειας Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των ΑΠΕ είναι τα εξής: i) Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητες και συμβάλλουν με αυτή τους την ιδιότητα στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. ii) Οι ΑΠΕ απαντούν στο ενεργειακό πρόβλημα, αφού δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και δεν εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου, όπως διοξείδιο και μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, καρκινογόνα μικροσωματίδια κ.ά., που εκπέμπουν οι συμβατικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίθετα, προστατεύουν το περιβάλλον, το κλίμα και την ποιότητα της ζωής μας. iii) Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας. iv) Γενικά, είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. v) Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών. vi) Έχουν, συνήθως, χαμηλό λειτουργικό κόστος. vii) Δημιουργούν σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας. viii) Αποτελούν πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για τη τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων. ix) Το κόστος παραγωγής ενέργειας από τις ΑΠΕ δεν είναι υψηλό. Για πολλές τεχνολογίες, είναι ήδη συγκρίσιμο ή και φθηνότερο από αυτό των συμβατικών πηγών ενέργειας (ορυκτά καύσιμα, πυρηνική ενέργεια). Επίσης, στην τιμή της ενέργειας που προέρχεται από συμβατικές πηγές δεν περιλαμβάνεται το

19 Νιάρου Θεώνη Ι. 19 λεγόμενο «εξωτερικό κόστος»: αυτό που πληρώνουμε έμμεσα εμείς ως πολίτες (π.χ. ρύπανση, υποβάθμιση του περιβάλλοντος, κλιματικές αλλαγές) και το οποίο καθιστά τελικά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τις συμβατικές πηγές ιδιαίτερα ακριβή. x) Στην Ελλάδα η παραγωγή 1 kwh από συμβατικά καύσιμα συνοδεύεται από την εκπομπή 0,9 κιλών CO 2. Αντίθετα, παράγοντας kwh από ΑΠΕ, εμποδίζουμε την έκλυση στην ατμόσφαιρα περίπου 9 τόνων CO 2. xi) Μία τυπική ανεμογεννήτρια ισχύος 2MW παράγει περίπου kwh/ έτος. Αν λάβουμε υπόψη μας ότι η μέση ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση ενός ελληνικού νοικοκυριού είναι περίπου 2700 kwh/ έτος, αντιλαμβανόμαστε ότι μπορεί να καλύψει τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια περίπου νοικοκυριών. Παράλληλα, κάθε χρόνο που θα λειτουργεί αυτή η ανεμογεννήτρια, αποφεύγεται η εκπομπή περίπου τόνων CO 2. Στην Ελλάδα, με μία μέση παραγωγή ενέργειας kwh/ έτος ανά εγκατεστημένο kw φωτοβολταϊκών συστημάτων, μια τυπική φωτοβολταική εγκατάσταση 100 kw καλύπτει τις ανάγκες περίπου 50 νοικοκυριών. xii) Δύο στρέμματα δάσους απορροφούν περίπου 1,5 τόνους CO 2. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και 10kW ενός Φ/Β συστήματος αποτρέπουν, σε ετήσια βάση, εκπομπές CO 2 ίσες με αυτές που θα απορροφούσαν περίπου 16 στρέμματα δάσους. Αντίστοιχα, μια ανεμογεννήτρια 2MW μας προστατεύει από εκπομπές CO 2 ίσες με αυτές που θα απορροφούσαν στρέμματα δάσους. Από αυτά τα παραδείγματα, γίνεται αντιληπτό ότι οι ΑΠΕ δουλεύουν υπέρ της φύσης και του περιβάλλοντος, λειτουργώντας σε αρκετές περιπτώσεις ακριβώς όπως τα δέντρα. xiii) Η εξέλιξη της τεχνολογίας καθιστά τις σύγχρονες ανεμογεννήτριες σχεδόν αθόρυβες. Από την παραγωγή ενέργειας από ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά συστήματα και υδροηλεκτρικούς σταθμούς δεν παράγονται καθόλου ρύποι, λύματα ή ηχορύπανση, ενώ δεν επηρεάζονται ζώα και φυτά. 1.3 Αιολική ενέργεια-ιστορική ανασκόπηση Ο άνεμος είναι μια από τις παλαιότερες φυσικές μορφές ενέργειας που αξιοποίησε από πολύ νωρίς ο άνθρωπος και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοΐα. Οι Αιγύπτιοι γύρω στο π.χ. χρησιμοποιούσαν τον άνεμο για την κίνηση ιστιοφόρων πλοίων, προκειμένου για την μεταφορά ανθρώπων κατά μήκος του Νείλου ποταμού. Το γεγονός αυτό συνέβαλε αποφασιστικά στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Γύρω στο 700 π.χ. στη Μεσοποταμία και την Κίνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ανεμόμυλοι κατακόρυφου άξονα περιστροφής, όπως το πανεμόνιο. Το πανεμόνιο είναι ο αρχαιότερος τύπος αιολικής μηχανής, που χρησιμοποιήθηκε γύρω στον 7 ο αιώνα π.χ. στην κοιλάδα της Μεσοποταμίας για την άντληση νερού. Παρόμοιος τύπος μηχανής εμφανίστηκε αργότερα και στην Κίνα. Είναι αιολική μηχανή κατακόρυφου άξονα, που διαθέτει 2-4 ημικυλινδρικά πτερύγια. Στρέφεται με αργό ρυθμό και έχει το μικρότερο συντελεστή απόδοσης σε σχέση με τις υπόλοιπες μηχανές. Αυτούς τους ανεμόμυλους έφεραν στην Ευρώπη καταρχήν οι Σταυροφόροι, μετά την Α Σταυροφορία και αργότερα οι εξερευνητές της Κίνας. Γνώρισαν εξάπλωση στην Ιβηρική και τη Νότια Ευρώπη. Αργότερα, γύρω στο 1500,

20 Νιάρου Θεώνη Ι. 20 χρησιμοποιήθηκαν στην Ολλανδία, ως μέρος του αντιπλημμυρικού συστήματος της χώρας. Κυρίως χρησιμοποιήθηκαν για την άλεση γεωργικών προϊόντων και την άντληση νερού. Οι πρώτοι ανεμόμυλοι : Δεν γνωρίζουμε με σιγουριά πότε ακριβώς χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ο άνεμος για την παραγωγή μηχανικού έργου. Ωστόσο, η πρώτη γραπτή αναφορά σε ανεμόμυλο (ένα περσικό συγκρότημα ανεμόμυλων του 644 μ.χ.) εμφανίζεται σε έργα Αράβων συγγραφέων του 9ου μ.χ. αιώνα. Αυτό το συγκρότημα των ανεμόμυλων, για άλεση των σιτηρών, βρισκόταν στο Σεϊστάν, στα σύνορα της Περσίας και Αφγανιστάν και ήταν οριζόντιου τύπου, δηλαδή με ιστία τοποθετημένα ακτινικά (οριζόντια φτερωτή) σε έναν κατακόρυφο άξονα. Ο άξονας αυτός στηριζόταν σε ένα μόνιμο κτίσμα, με ανοίγματα σε αντιδιαμετρικά σημεία για την είσοδο και την έξοδο του αέρα. Κάθε μύλος μετέδιδε απευθείας κίνηση σε ένα μόνο ζεύγος οριζόντια τοποθετημένες μυλόπετρες. Οι πρώτοι μύλοι είχαν τα ιστία κάτω από τις μυλόπετρες, όπως δηλαδή συμβαίνει και στους οριζόντιους νερόμυλους, οι οποίοι πιθανότατα να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους. Σε μερικούς από τους μύλους που σώζονται σήμερα, τα ιστία τοποθετούνται πάνω από τις μυλόπετρες. Τον 13ο αιώνα οι μύλοι αυτού του τύπου ήταν γνωστοί στην Βόρεια Κίνα, όπου μέχρι και τον 16ο αιώνα τους χρησιμοποιούσαν για εξάτμιση του θαλασσινού νερού στην παραγωγή αλατιού. Τον τύπο αυτό του μύλου χρησιμοποιούσαν επίσης στην Κριμαία, στις περισσότερες χώρες της Δυτικής Ευρώπης και στις ΗΠΑ, μόνο που λίγοι από αυτούς διασώζονται σήμερα. Ο πιο αντιπροσωπευτικός από όλους αυτούς τους τύπους των ανεμόμυλων είναι ο τύπος με το στροφείο σχήματος S (S-Rotor) (εφευρέτης ο Φινλανδός S.J.Savinious) που ακόμη και σήμερα χρησιμοποιείται σε φτωχές ή απομονωμένες περιοχές λόγω της φτηνής και εύκολης κατασκευής του. Σχήμα 1.3 Ερείπια ενός Περσικού τύπου ανεμόμυλου στην Khorasan (περιοχή που επεκτείνεται σε Ιράν, Τουρκμενιστάν και Αφγανιστάν) Ο ανεμόμυλος, ως πρακτική, έφτασε στην Ευρώπη από τους Άραβες, χρησιμοποιήθηκε δε στον τύπο του κατακόρυφου ρωμαϊκού υδραυλικού τροχού, με τη διαφορά ότι ο ανεμόμυλος είχε στην θέση του τροχού κατακόρυφα φτερά (κατακόρυφη φτερωτή), που μετέδιδαν την κίνηση στις μυλόπετρες με ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών. Οι πρώτοι τέτοιοι περιστρεφόμενοι μύλοι εμφανίστηκαν στη Γαλλία το 1180, στην Αγγλία το 1191 και στη Συρία την εποχή των Σταυροφοριών (1190).

21 Νιάρου Θεώνη Ι. 21 Στις αρχές του 14 ου αιώνα αναπτύχθηκε στη Γαλλία ο ανεμόμυλος σε σχήμα πύργου (ξετροχάρης). Σε αυτόν τον τύπο ανεμόμυλου οι μυλόπετρες και οι οδοντωτοί τροχοί ήταν τοποθετημένοι σε ένα σταθερό πύργο με κινητή οροφή ή κάλυμμα, στην οποία στηρίζονταν τα ιστία και η οποία μπορούσε να στραφεί επάνω σε ειδική τροχιά, στην κορυφή του πύργου. Ο περιστρεφόμενος ανεμόμυλος με κοίλο εσωτερικά άξονα επινοήθηκε στις Κάτω Χώρες, στις αρχές του 15 ου αιώνα. Διέθετε έναν κατακόρυφο άξονα με γρανάζια στα δύο του άκρα, ο οποίος περνούσε μέσα από τον κοίλο άξονα και κινούσε ένα τροχό με περιφερειακά διαταγμένα σκαφίδια που μετέφερε το νερό σε υψηλότερη στάθμη. Οι ανεμόμυλοι διαδόθηκαν ευρέως στην Ευρώπη επί 650 έτη, από τον 12 ο αιώνα μέχρι τις αρχές του 19 ου αιώνα, οπότε άρχισε σταδιακά να περιορίζεται η χρήση τους, λόγω κυρίως της ατμομηχανής. Η οριστική εκτόπιση των ανεμόμυλων άρχισε μετά τον Α Παγκόσμιο πόλεμο, παράλληλα με την ανάπτυξη του κινητήρα εσωτερικής καύσεως και την διάδοση του ηλεκτρισμού. Κατά τη δεκαετία του 1970, το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας με ανεμογεννήτριες και ανεμόμυλους ανανεώθηκε, λόγω της ενεργειακής κρίσης και των προβλημάτων που δημιουργεί η ρύπανση του περιβάλλοντος. Σήμερα η Δανία, χώρα πλούσια σε αιολικό δυναμικό, έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στη χρήση ανεμογεννητριών. Και άλλες χώρες όμως έχουν αρχίσει και αναπτύσσουν ραγδαία την τεχνολογία των ανεμογεννητριών, που αποτελούν τη συνέχεια των ανεμόμυλων. Σχήμα 1.4 Ανεμόμυλος στο Chesterton, Warwickshire, Ηνωμένο Βασίλειο. Κατασκευάστηκε το 1632 Στην Αμερική η τεχνολογία των ανεμόμυλων μεταφέρεται κατά τον 17 αιώνα, όπου και χρησιμοποιούνται για το άλεσμα σιτηρών. Στα εδάφη των σημερινών Η.Π.Α. εμφανίστηκαν οι ανεμόμυλοι, γύρω στο Άγγλοι μετανάστες ανόρθωσαν τον πρώτο ανεμόμυλο στην Βιρτζίνια και έπειτα, κατά μήκος της Ατλαντικής ακτής. Γαλλόφωνοι μετανάστες κατασκεύασαν τους πρώτους ανεμόμυλους στα εδάφη του σημερινού Καναδά. Αυτοί οι Ευρωπαϊκού τύπου ανεμόμυλοι είχαν συνήθως τέσσερα πτερύγια καλυμμένα με πανιά από καμβά και ρυθμίζονταν δια χειρός, έτσι ώστε να βλέπουν προς τον άνεμο. Ήταν όμως μεγάλες και ακριβές κατασκευές. Το 1854 κατασκευάστηκε από ιδιώτη ο πρώτος λεγόμενος αμερικανικός ανεμόμυλος, λόγω της διάδοσης που γνώρισε στις Η.Π.Α. Επρόκειτο για αργές και πολύπτερες αιολικές μηχανές που χρησιμοποιούνταν για την άντληση νερού και για το άλεσμα

22 Νιάρου Θεώνη Ι. 22 περιορισμένων ποσοτήτων σιτηρών. Το 1888 στο Cleveland, Οχάιο, Η.Π.Α. έχουμε την κατασκευή του πρώτου ανεμόμυλου, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όμως, γύρω στο 1890 με την είσοδο και την ταχεία διάδοση των μηχανών εσωτερικής καύσης, η αγορά των ανεμόμυλων στις Η.Π.Α. άρχισε να περιορίζεται. Λόγω της οικονομικής ύφεσης του 1930 η βιομηχανία κατασκευής των ανεμόμυλων δέχτηκε μεγάλο πλήγμα, από το οποίο δεν μπόρεσε ποτέ να ανακάμψει. Σχήμα 1.5 Ανεμόμυλος μοντέλου ΟΚ, στερεάς ρόδας, με ξύλινο πύργο, για άντληση νερού Έτος κατασκευής Challenge Company, Batavia, Illinois, Η.Π.Α.(1915) Οι Ελληνικοί ανεμόμυλοι : Ο πρώτος ανεμόμυλος σχεδιάστηκε από τον Ήρωνα τον 1 ο αιώνα μ.χ. Ήταν οριζόντιου άξονα περιστροφής και είχε τέσσερα πτερύγια. Στην Ελλάδα η χρήση των ανεμόμυλων υπήρξε αρκετά εκτεταμένη, λόγω του πλούσιου αιολικού δυναμικού της χώρας. Αν και είχαν εμφανιστεί πολλούς αιώνες πριν, η χρήση τους καθιερώθηκε κατά τη Βυζαντινή περίοδο, γνωρίζοντας ακόμα μεγαλύτερη διάδοση κατά την περίοδο της Φραγκοκρατίας, κυρίως στο ανατολικό Αιγαίο αλλά και στην ενδοχώρα. Κατά κανόνα στεγάζονταν σε κυλινδρικά, πέτρινα, διώροφα κτίρια. Στον επάνω όροφο βρισκόταν ο άξονας και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, ενώ στον κάτω όροφο γινόταν η άλεση και αποθήκευση των σιτηρών. Τα πτερύγιά τους ήταν πάνινα, 5-15 μέτρα σε μήκος και πλάτος το 1/5 του μήκους τους. Ένας ανεμόμυλος μπορούσε να αλέσει κιλά σιτηρών την ώρα, ανάλογα με την ένταση και τη φορά του ανέμου. Μια παραλλαγή ανεμόμυλου χρησιμοποιήθηκε στο οροπέδιο του Λασιθίου στην Κρήτη, για την άντληση νερού. Αυτοί ήταν σιδερένιες κατασκευές με πάνινα πτερύγια. Από τους που υπολογίζεται ότι υπήρχαν στις αρχές του 20ου αιώνα, σήμερα λειτουργούν περίπου οι χίλιοι. Στις μέρες μας, οι περισσότεροι ανεμόμυλοι έχουν ερειπωθεί και διατηρούνται ελάχιστοι, κυρίως για τουριστικούς λόγους. Οι αρχαίοι Έλληνες είχαν θεοποιήσει τους ανέμους. Η σημασία της ενέργειας του ανέμου φαίνεται στην Ελληνική Μυθολογία, όπου ο Δίας παραχώρησε την εξουσία των ανέμων στον Αίολο, το βασιλιά της Θεσσαλίας. Έτσι ο Αίολος διορίζεται ως Ταμίας των ανέμων και έχει μαζί του οκτώ βοηθούς : Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης, Εύρος, Νότος, Λιψ, Ζέφυρος, Σκίρων.

23 Νιάρου Θεώνη Ι. 23 Σχήμα 1.6 Παλαιά φωτογραφία των ανεμόμυλων της Μυκόνου, στη Χώρα. Πρωτοεμφανίστηκαν στο νησί τον 16 ο αιώνα. Υπήρχαν στο παρελθόν πάνω από είκοσι ανεμόμυλοι. Σήμερα διατηρούνται μόλις επτά. Χρησιμοποιούνταν για το άλεσμα του τοπικού σιταριού. Στην Ελλάδα συναντώνται τέσσερις τύποι ανεμόμυλων : Δύο από αυτούς προέρχονται απευθείας από τον υδραυλικό τροχό με κατακόρυφο και οριζόντιο άξονα αντίστοιχα και χαρακτηρίζονται με την κοινή ονομασία : ταράλης. Ο τρίτος τύπος : αξετροχάρης ή μονόπαντος είναι σχεδιασμένος για μόνο μία διεύθυνση ανέμου, ενώ ο τέταρτος : ξετροχάρης γυρίζει πάντα κάθετα προς την διεύθυνση του ανέμου και είναι ο πιο διαδεδομένος. Ο πρώτος τύπος ταράλη, είναι ακριβώς όμοιος με τους ανεμόμυλους κατακόρυφου άξονα του Σεϊστάν (7 ος αιώνας). Φαίνεται πως είναι ο αρχαιότερος τύπος ελληνικού ανεμόμυλου με τα ιστία στο κάτω μέρος του μύλου και το σύστημα άλεσης των καρπών ακριβώς από πάνω. Ο δεύτερος τύπος ταράλη είναι οριζόντιου άξονα και μοιάζει ιδιαίτερα με τους υδροτροχούς των νερόμυλων. Μια κατασκευή σαν χοάνη οδηγεί τον άνεμο προς τα φτερά τα οποία, όταν κινούνται, δίνουν μέσω ενός άξονα κίνηση στη μυλόπετρα. Και οι δυο παραπάνω τύπο είναι σχεδιασμένοι για μόνο μία διεύθυνση του ανέμου και τους βρίσκουμε μόνο στην Κάρπαθο. Ο αξετροχάρης ή μονόπαντος συναντάται σπάνια στον ελληνικό χώρο, μόνο στην Κρήτη και στα Δωδεκάνησα. Είναι ανεμόμυλος που η σκέπη του δεν στρέφεται προς την διεύθυνση του ανέμου. Το κτίσμα που στεγάζει τις μυλόπετρες και τους συναφείς μηχανισμούς είναι πεταλόσχημο και τα ιστία, που βρίσκονται στο προσήνεμο τμήμα του κτίσματος, ξετυλίγονται από τα ξύλινα δοκάρια του μύλου (αντένες) ανάλογα με την ένταση του ανέμου. Οι αντένες είναι στερεωμένες σε οριζόντιο άξονα συνήθως σε τέσσερα διαφορετικά επίπεδα, έτσι ώστε το σχήμα των ιστίων να είναι συστρεμμένο. Ο πιο διαδεδομένος ανεμόμυλος στον ελληνικό χώρο και ιδίως στα αιγαιοπελαγίτικα νησιά και στην Κρήτη, είναι ο ξετροχάρης. Πρόκειται για ανεμόμυλο, του οποίου η σκέπη περιστρέφεται ανάλογα με την διεύθυνση του ανέμου. Το κυρίως κτίσμα του μύλου είναι συνήθως κυλινδρικό ή μερικές φορές στενότερο στην κορυφή, μοιάζει δηλαδή με κόλουρο κώνο. Η σκέπη είναι κωνική ή σαγματοειδής.

24 Νιάρου Θεώνη Ι Πλεονεκτήματα αιολικής ενέργειας Η αιολική ενέργεια προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, πράγμα που εξηγεί γιατί είναι η περισσότερο ταχέως αναπτυσσόμενη πηγή ενέργειας στον κόσμο. Οι ερευνητικές προσπάθειες έχουν στόχο να ανταποκριθούν στις ανάγκες για ευρύτερη χρήση της αιολικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια εμφανίζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού, σε σχέση και με τις συμβατικές μορφές ενέργειας: Από Περιβαλλοντική σκοπιά: i) Είναι μία απολύτως καθαρή μορφή ενέργειας, αφού δεν μολύνει το περιβάλλον, επομένως είναι απόλυτα φιλική προς αυτό. Συγκριτικά με τα συμβατικά καύσιμα, η αιολική ενέργεια προστατεύει τον πλανήτη, καθώς αποφεύγονται οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου και επιπλέον, δεν επιβαρύνει το τοπικό περιβάλλον με επικίνδυνους ρύπους. ii) Είναι μία απολύτως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αφού είναι πρακτικά ανεξάντλητη, διότι προέρχεται από τον ήλιο. iii) Η συνεισφορά της αιολικής ενέργειας στο παγκόσμιο αίτημα για ηλεκτρική ενέργεια βοηθά στην μείωση της ποσότητας συμβατικού καυσίμου που καίγεται, προκειμένου να παραχθεί ηλεκτρισμός. iv) Η αιολική ενέργεια δεν μολύνει την ατμόσφαιρα, όπως τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού τα οποία στηρίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων, όπως άνθρακα ή φυσικό αέριο. Οι ανεμογεννήτριες δεν εκλύουν χημικές ουσίες στο περιβάλλον οι οποίες προκαλούν όξινη βροχή ή αέρια του θερμοκηπίου. v) Οι επιδράσεις στην πανίδα είναι πρακτικώς αμελητέες. vi) Δεν καταστρέφει τα δάση, καθώς τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται σε ορεινές θέσεις με αραιή ή καθόλου βλάστηση. Η παρουσία υψηλής βλάστησης στην περιοχή (συστάδες δένδρων και δασώδεις εκτάσεις) δεν προσφέρονται για την εγκατάσταση αιολικού πάρκου. vii) Έχει ελάχιστες απαιτήσεις γης. viii) Αντίθετα με τα εργοστάσια με άνθρακα, πετρέλαιο ή πυρηνικά καύσιμα, τα αιολικά πάρκα δεν αφήνουν κατάλοιπα ή άλλα (επικίνδυνα) παραπροϊόντα. Από Οικονομικής απόψεως: i) Η πρώτη ύλη παρέχεται δωρεάν από τη φύση-πρόκειται για πλούσιο, εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό. Ο άνεμος είναι μία ανεξάντλητη πηγή - ένα καύσιμο άφθονο και έτοιμο προς εκμετάλλευση, χωρίς επιπλέον έξοδα. Το πετρέλαιο, για παράδειγμα, απαιτεί εξόρυξη, μεταφορά, επεξεργασία κ.τ.λ. ii) Έχει χαμηλό λειτουργικό κόστος. iii) Τα συστήματα παραγωγής ενέργειας έχουν μικρές απώλειες. iv) Είναι ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανομής. v) Είναι ασφαλής επένδυση, καθώς υπάρχουν τεράστια και άφθονα αποθέματα. Επομένως η απόσβεση του κεφαλαίου είναι δεδομένη. Όλα αυτά με την προϋπόθεση ότι η περιοχή εγκατάστασης είναι

25 Νιάρου Θεώνη Ι. 25 κατάλληλη. Ειδικά στην Ευρώπη, που δεν υπάρχουν πολλά αποθέματα ορυκτών καυσίμων, υπολογίζεται ότι στο μέλλον το 70% των ενεργειακών αναγκών θα καλύπτεται από εισαγωγές. vi) Είναι οικονομικά συμφέρουσα, εξαιτίας της εξέλιξης της τεχνολογίας χρόνο με το χρόνο και συνεπώς, το κόστος εγκατάστασης αιολικών πάρκων είναι συγκρίσιμο με αυτό των συμβατικών. Από Κοινωνικής πλευράς: i) Είναι τεχνολογία των τελευταίων ετών υπό εξέλιξη, άρα απορροφά χιλιάδες εργαζόμενους παγκοσμίως και συντελεί στην μείωση της ανεργίας. ii) Το κοινωνικό αγαθό, το ηλεκτρικό ρεύμα, μπορεί να πάει παντού, ακόμη και σε ορεινές και δύσβατες περιοχές, κάτι που στο παρελθόν ήταν οικονομικά ασύμφορο. iii) Λόγω της τεράστιας ανάπτυξης που αναφέρθηκε, προσδίδουν «κύρος» σε αυτόν που λειτουργεί ανεμογεννήτριες ή αιολικά πάρκα γενικότερα, αφού χρησιμοποιεί μοντέρνα τεχνολογία. Ενεργειακά Οφέλη: i) Η αιολική ενέργεια συνεισφέρει σημαντικά στην ηλεκτροπαραγωγή, σε τοπικό και διεθνές επίπεδο. ii) Εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών. iii) Υπάρχει αρκετό αιολικό δυναμικό στον πλανήτη που μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες κατά 4 φορές περισσότερο. Αυτή τη στιγμή, λιγότερο από 1% του παγκόσμιου αιολικού δυναμικού αξιοποιείται. iv) Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια. Επιπλέον: i) Παρέχει αυτονομία. Στην Ευρώπη τα ήδη εγκατεστημένα αιολικά πάρκα ικανοποιούν τις ηλεκτρικές ανάγκες πάνω από Ευρωπαίων. Η αυτονομία που παρέχει είναι τόσο σε εθνικό επίπεδο, εφόσον μειώνονται οι εισαγωγές ηλεκτρικής ισχύος, αλλά και σε ατομικό επίπεδο, αφού ο καθένας μπορεί να εγκαταστήσει στο χώρο του ανεμοκινητήρα, σε οποιοδήποτε σημείο κι αν βρίσκεται. ii) Προστατεύει κάποια ειδικά κτίρια, όπως εταιρειών τηλεφωνίας κ.α. στα οποία είναι απαραίτητη η παροχή ηλεκτρικής ισχύος, ακόμη και όταν το υπόλοιπο κράτος είναι σε ολική διακοπή, από πρόσθετες δαπάνες για αυτονομία, όπως ντηζελογεννήτριες, οι οποίες - εκτός από το κόστος αγοράς και συντήρησης που είναι αρκετά υψηλό - απαιτούν συνεχή τροφοδότηση από συμβατικό καύσιμο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα και υψηλό κόστος λειτουργίας. Η αντικατάσταση αυτών των γεννητριών με ανεμογεννήτριες είναι οικονομικά συμφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον. iii) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για οικιακή χρήση, όσο και για ευρεία. Στην Ευρώπη και με ελάχιστες εξαιρέσεις παγκοσμίως (Ιαπωνία, Γερμανία, Σουηδία κ.τ.λ.) τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται μόνο σε οικιακές χρήσεις. iv) Έχει μακρόπνοο ορίζοντα. Η αιολική βιομηχανία γνωρίζει αλματώδη ανάπτυξη και είναι ακόμα στο ξεκίνημα. Η αγορά των αιολικών έχει τη δυνατότητα να φτάσει στα σε λιγότερο από επτά (7) χρόνια σύμφωνα με στοιχεία της EWEA.

26 Νιάρου Θεώνη Ι. 26 v) Τα αιολικά πάρκα αυξάνουν την αξιοπιστία του υπάρχοντος ισχυρού δικτύου και μπορούν να βοηθήσουν επαρκώς στην κάλυψη αιχμών. vi) Μπορούν να παράγουν, κατόπιν μετατροπής, επιθυμητό είδος τάσης Ε.Ρ. (με ασύγχρονες ή σύγχρονες μηχανές) ή Σ.Ρ. (με μηχανές Σ.Ρ. με μόνιμους μαγνήτες) που είναι απαραίτητο για κάποιες ειδικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, σε κάθε εταιρεία σταθερής και κινητής τηλεφωνίας, τα κυκλώματά των ψηφιακών της κέντρων διαρρέονται από συνεχές ρεύμα. vii) Τα αιολικά πάρκα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τουριστική εκμετάλλευση, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε άνοδο του βιοτικού επιπέδου των ντόπιων και σε γνωστοποίηση της περιοχής που μέχρι τότε ήταν άγνωστη. viii) Δεν εμποδίζει τις γεωγραφικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες, καθώς το 99% της γης που φιλοξενεί αιολικό πάρκο είναι διαθέσιμο για χρήσεις. ix) Δεν δημιουργούνται αισθητικά προβλήματα και προσβολή του τοπίου από ανεμογεννήτριες. x) Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι πολύ ήσυχες. Το επίπεδο της έντασης του ήχου σε απόσταση 40 μέτρων από μια ανεμογεννήτρια είναι db(a), που είναι αντίστοιχο με την ένταση μιας συζήτησης. Δεδομένης δε της απαιτούμενης ελάχιστης απόστασης των ανεμογεννητριών από γειτονικούς οικισμούς το επίπεδο αυτό είναι ακόμη χαμηλότερο, της τάξης των 30 db(a) περίπου, που αντιστοιχεί στο επίπεδο θορύβου ενός ήσυχου καθιστικού. 1.5 Προβλήματα στην αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας i) Τρεις κυρίως, είναι οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις τοπικής κλίμακας, που αναφέρονται ως αποτέλεσμα της εγκατάστασης και λειτουργίας αιολικών πάρκων: η οπτική όχληση (πρόβλημα περιβαλλοντικής αισθητικής), η κατασκευαστική αλλοίωση του χαρακτήρα και της λειτουργίας μιας περιοχής και ο θόρυβος (ηχορύπανση) από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών. Οι ανωτέρω περιβαλλοντικές επιπτώσεις των αιολικών συστημάτων, αντιμετωπίζονται με : προσεκτική επιλογή του χώρου εγκατάστασης των αιολικών πάρκων, σωστό σχεδιασμό των ανεμογεννητριών και χωροθέτησή τους, καθώς και με πρωτοποριακές λύσεις, όπως η εγκατάσταση αιολικών πάρκων μέσα στη θάλασσα. Τα κατάλληλα σημεία για αιολικά πάρκα συχνά βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές, μακριά από πόλεις όπου χρειάζεται ο ηλεκτρισμός. Ακόμη, αν και τα αιολικά πάρκα έχουν σχετικά μικρή επίπτωση στο περιβάλλον, σε σύγκριση με άλλες συμβατικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, υπάρχει ένας προβληματισμός για τον θόρυβο που παράγεται από τις λεπίδες του ηλεκτρικού κινητήρα (ρότορα), για την αισθητική (οπτική) επίπτωση και για τα πουλιά που μερικές φορές έχουν σκοτωθεί, καθώς πετούσαν προς τους ηλεκτρικούς κινητήρες. Τα περισσότερα από αυτά τα προβλήματα έχουν επιλυθεί ή έχουν σε σημαντικό βαθμό μειωθεί, μέσω της τεχνολογικής ανάπτυξης ή μέσω της επιλογής κατάλληλων περιοχών, για τη δημιουργία αιολικών πάρκων.

27 Νιάρου Θεώνη Ι. 27 ii) Άλλο ενδεχόμενο πρόβλημα από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας είναι: οι σπάνιες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στο ραδιόφωνο, τηλεόραση, τηλεπικοινωνίες, που επιλύονται όμως με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. iii) Η ένταξη των ανεμογεννητριών στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας συνεπάγεται κάποια ακόμη προβλήματα. Η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην απόδοση ισχύος του ανέμου, με αποτέλεσμα την εμφάνιση μηχανικών και ηλεκτρικών ταλαντώσεων, καθώς και τη μείωση της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος, η οποία τροφοδοτείται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Το πρόβλημα αυτό είναι ακόμα πιο έντονο στην περίπτωση της διεσπαρμένης παραγωγής, όπου τα δίκτυα με τα οποία συνδέονται τα αιολικά πάρκα είναι συνήθως ασθενή δίκτυα απομακρυσμένων περιοχών. Οι κυριότερες επιπτώσεις της διεσπαρμένης παραγωγής στη λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι ακόλουθες: αλλαγές στο επίπεδο της τάσης των δικτύων μειωμένη ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος μεταβολή των ρευμάτων από σφάλματα του δικτύου- αλλαγή του επιπέδου βραχυκύκλωσης αύξηση της αρμονικής παραμόρφωσης των τάσεων και ρευμάτων του δικτύου διακύβευση της ευστάθειας του συστήματος iv) Άλλο ένα μειονέκτημα της χρήσης της αιολικής ενέργειας είναι: Το γεγονός ότι εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου. Ο άνεμος είναι απρόβλεπτος. Επομένως, πρόκειται για μία μεταβλητής φύσεως πηγή ενέργειας. Τι γίνεται, λοιπόν, όταν δεν φυσάει άνεμος; Επειδή δεν υπάρχουν δυνατότητες για οικονομική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών, για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των ανεμογεννητριών. Η αιολική ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί, εκτός εάν χρησιμοποιηθούν μπαταρίες. v) Αξίζει να αναφέρουμε στο σημείο αυτό και το σχετικά υψηλό κόστος έρευνας και εγκατάστασης. Η αιολική ενέργεια πρέπει να συναγωνιστεί τις συμβατικές πηγές ενέργειας σε επίπεδο κόστους. Παρότι το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία απαιτεί μια αρχική επένδυση υψηλότερη από εκείνη των γεννητριών που λειτουργούν με καύση ορυκτών. vi) Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι: η χαμηλή πυκνότητα που παρουσιάζει ως μορφή ενέργειας. Αρκετά από τα προαναφερθέντα προβλήματα μπορούν να αντιμετωπισθούν με τη χρήση των : Ευέλικτων Συστημάτων Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος Flexible AC Transmission System (FACTS).

28 Νιάρου Θεώνη Ι. 28 Η τεχνολογία τους βασίζεται στη χρήση αξιόπιστων, μεγάλης ταχύτητας ηλεκτρονικών διακοπτών ισχύος, προκεχωρημένης θεωρίας ελέγχου και σύγχρονους επεξεργαστές. Στην εξάπλωσή του βοήθησε η τεχνολογία οπτικών ινών, η οποία επέτρεψε την αποστολή και λήψη σημάτων σε επίπεδα υψηλών τάσεων, αλλά και η ανάπτυξη της τεχνολογίας κατασκευής διακοπτικών ηλεκτρονικών στοιχείων με διακοπτική ικανότητα στο επίπεδο των MW. Οι συσκευές FACTS, συνδεόμενες στο αιολικό πάρκο, συντελούν στη βελτίωση της ποιότητας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος, στον έλεγχο της πραγματικής και άεργου ισχύος, στην ενίσχυση της ευστάθειας του συστήματος και στον περιορισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης, με αποτέλεσμα την αποφυγή της αποσύνδεσης του πάρκου από το δίκτυο. Aνεμογεννητριών μεταβλητών στροφών Οι οποίες συνδέονται στο δίκτυο με διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και επιτυγχάνουν τη μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος, τη βελτίωση της ποιότητάς της, τη μείωση των μηχανικών καταπονήσεων, τη δυνατότητα ελέγχου της αέργου ισχύος κ.α. Η ιδέα των μεταβλητών στροφών στηρίζεται στις αρχές λειτουργίας ενός σφονδύλου. Όταν παρατηρείται αύξηση της αεροδυναμικής ισχύος, μέρος της μετατρέπεται σε κινητική, αποκόπτοντας με αυτό τον τρόπο τις γρήγορες μεταβολές της. Το αντίθετο συμβαίνει κατά τη μείωση της ταχύτητας του ανέμου. Η μεγιστοποίηση της αεροδυναμικής απόδοσης της ανεμογεννήτριας επιτυγχάνεται, προσαρμόζοντας την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα της ανεμογεννήτριας σε κάθε ταχύτητα του ανέμου, με τη χρήση συστημάτων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Τέλος, όταν το αιολικό πάρκο πρέπει να συνδεθεί σε ένα απομακρυσμένο δίκτυο ΕΡ, μια ενδιαφέρουσα τεχνολογία είναι αυτή της διασύνδεσης Εναλλασσόμενου Ρεύματος/Συνεχούς Ρεύματος/ Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (ΜΠΤ), γνωστή με το όνομα HVDC LIGHT ή HVDC PLUS. Τα κύρια δομικά της στοιχεία είναι δύο ΜΠΤ με διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) και αντιπαράλληλες διόδους και δύο καλώδια ΣΡ. Τα κύρια πλεονεκτήματά της είναι ότι, σε αντίθεση με την κλασσική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ, επιτρέπει τη διασύνδεση ασθενών ή ακόμα και παθητικών δικτύων με τις ανεμογεννήτριες και ότι προσφέρει βελτιωμένη ποιότητα τροφοδοτούμενης ισχύος, σε συνδυασμό με ανεξάρτητο έλεγχο της άεργου ισχύος. Η τεχνολογία αυτή εφαρμόζεται σήμερα με επιτυχία σε διάφορες απαιτητικές περιπτώσεις διασύνδεσης δικτύων. 1.6 Στατιστικά στοιχεία αιολικών εγκαταστάσεων Η θέση της αιολικής ενέργειας στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη Σύμφωνα με την ετήσια έκθεση του Παγκόσμιου Συμβουλίου Αιολικής Ενέργειας (GWEC), το έτος 2011 σημειώθηκε ισχυρή ανάπτυξη και ταυτόχρονα σημαντικές οπισθοδρομήσεις σε διάφορα σημεία του κόσμου. Προστέθηκαν περίπου 40.5 GW νέας εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, που αντιστοιχούν σε 6%

29 Νιάρου Θεώνη Ι. 29 αύξηση της ετήσιας αγοράς και περισσότερο από 20% συνολικά εγκατεστημένης αιολικής ισχύος. Στο τέλος του 2011, λοιπόν, το νέο παγκόσμιο σύνολο εγκατεστημένης αιολικής ισχύος είναι GW. Για δεύτερη συνεχή χρονιά από το 2010 η πλειοψηφία των νέων εγκαταστάσεων προήλθε από αναπτυσσόμενες χώρες και αναδυόμενες οικονομίες και πιο συγκεκριμένα, κυρίως από την άνθηση της Κίνας και της Ινδίας στον τομέα αυτό. Η ανάπτυξη της αιολικής ισχύος πέραν των παραδοσιακών αιολικών αγορών (όπως ΗΠΑ, Γερμανία, Ισπανία, κλπ) οδηγήθηκε πρωτίστως από την Κίνα, που πλέον διαθέτει την μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ στον κόσμο (62,364 MW). Συγκεκριμένα, η Κίνα αντιπροσωπεύει περίπου το 43% της παγκόσμιας αγοράς και μαζί με την Ινδία, καλύπτει το 50% της παγκόσμιας αγοράς, για το έτος Η Κίνα εγκατέστησε σχεδόν 18 GW για δεύτερη συνεχή χρονιά, αλλά για πρώτη φορά εδώ και περίπου μία δεκαετία δεν είδαμε διπλή ή τριπλή αύξηση ψηφίων. Η Ινδία πέρασε το ορόσημο των 2 GW για πρώτη φορά το 2010 και των 3 GW για το Όσον αφορά στις παραδοσιακές αιολικές αγορές, οι ΗΠΑ παρέμειναν δεύτερες στη λίστα, μετά την Κίνα, ενώ παράλληλα σημείωσαν μία αξιόλογη ανάκαμψη, φθάνοντας αισίως τα 6,810 MW σε 31 Πολιτείες για το έτος 2011 και συνολικά τα 46,919 MW. Η ετήσια ανάπτυξή τους υπήρξε πάνω από 30% πέρσι, με συνολική ανάπτυξη περίπου 17%. Ο Καναδάς είχε ένα έτος ρεκόρ, εγκαθιστώντας 1,267 MW και περνώντας το ορόσημο του 1 GW για πρώτη φορά μέσα σε ένα χρόνο. Τώρα, πλέον, έχει συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύ 5,265 MW και βρίσκεται σε καλό δρόμο, προκειμένου να πετύχει τον στόχο των 10GW έως το Η Ευρώπη, παρότι βρίσκεται στη δίνη της οικονομικής κρίσης, παραμένει σε καλό δρόμο, προκειμένου να πετύχει τους στόχους 20/20. Στο σύνολό της εγκατέστησε 10,281 MW το 2011, εκ των οποίων 9,616 εγκαταστάθηκαν από τις EU-27 χώρες. Η συνολικά εγκατεστημένη ισχύ στην Ευρώπη είναι πλέον 96.6 GW, εκ των οποίων GW αφορούν στις EU-27 χώρες. Συγκεκριμένα, πέρσι η Γερμανία κατάφερε 2,086MW εγκατεστημένη αιολική ισχύ και συνολικά έφτασε την τρίτη θέση, με 29,060 MW (Σχήμα 1.7). Για δεύτερη συνεχή χρονιά η πλειοψηφία των νέων εγκαταστάσεων βρίσκονται εκτός των παραδοσιακών αιολικών αγορών και αυτή η τάση αναμένεται να συνεχιστεί. Ενώ η κινεζική αγορά έχει σταθεροποιηθεί για λίγο, προς το παρόν, η ινδική αγορά αναπτύσσεται δυναμικά, όπως επίσης η Βραζιλία και το Μεξικό. Υπάρχουν, επίσης, κάποια φωτεινά σημεία νέων αναδυόμενων αγορών στην Ανατολική Ευρώπη, ενώ η ΕΈ συνεχίζει τη σταθερή της πορεία προς τους στόχους του Τέλος, ο Καναδάς και η Αυστραλία είναι εν δυνάμει αξιοσημείωτες αγορές, που θα μπορούσαν να συνεισφέρουν σημαντικά στα παγκόσμια νούμερα ανάπτυξης. Πιθανολογείται ότι για την περίοδο οι συνολικές εγκαταστάσεις θα φθάσουν τα 255 GW περίπου και η συνολική ανάπτυξη της αγοράς θα είναι λίγο πριν το 16% σε αναλογία. Η Ασία υπολογίζεται να εξακολουθεί να είναι η μεγαλύτερη αγορά παγκοσμίως. Η Βόρεια Αμερική (συμπεριλαμβανομένου και του Μεξικού) αναμένεται να έχει ένα δυνατό 2012, αφού τόσο ο Καναδάς, όσο και το Μεξικό θα εγκαταστήσουν περισσότερα από 1,000 MW.

30 Νιάρου Θεώνη Ι. 30 Μία πολλά υποσχόμενη αιολική δύναμη είναι η υπεράκτια, παρόλο που σήμερα αντιπροσωπεύει κάτι λιγότερο από 2% της παγκόσμια εγκατεστημένης αιολικής ισχύος. Οι εγκαταστάσεις των περίπου 1,000 MW για το έτος 2011 αντιπροσωπεύουν περίπου το 2.5% της ετήσιας αγοράς. Πρόκειται για μία σχετικά νέα τεχνολογία που συζητείται έντονα, λόγω των αξιοσημείωτων ευκαιριών που προσφέρει, ως προς τη μείωση του κόστους και τις τεχνικές καινοτομίες και με πολύ μεγαλύτερο αιολικό δυναμικό. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας, κοντά τα μεγαλύτερα κέντρα ζήτησης, που αντιπροσωπεύονται από τα μεγαλύτερα λιμάνια πόλεων του κόσμου, αποφεύγοντας την ανάγκη για μεγάλες γραμμές μεταφοράς, που φέρνουν την ισχύ σε πολύ μεγάλες συγκεντρώσεις ζήτησης, όπως συνήθως συμβαίνει με την χερσαία αιολική δύναμη [4]. i) ii) Σχήμα 1.7 i) Οι δέκα πρώτες χώρες παγκοσμίως, σε συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύ, Δεκ ii) Οι δέκα πρώτες χώρες παγκοσμίως, σε νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύ, Ιαν.-Δεκ Η αιολική ενέργεια στα πλαίσια της ΕΕ Κατά τη διάρκεια του έτους 2011 εγκαταστάθηκαν 10,281 MW αιολική ισχύος σε όλη την Ευρώπη (τα στοιχεία της Ρωσίας δεν ήταν διαθέσιμα την περίοδο της έκδοσης), εκ των οποίων 9,616 MW ανήκουν στις χώρες τις Ε.Ε., παρόμοια με τον προηγούμενο χρόνο. Από τα εγκατεστημένα 9,616 MW της Ε.Ε., τα 8,750 MW ήταν χερσαία και τα 866 MW υπεράκτια. Κατά το έτος 2011, η ετήσια χερσαία αγορά παρέμεινε σταθερή, συγκρινόμενη με του προηγούμενου έτους, ενώ η υπεράκτια αγορά μειώθηκε ελαφρά (-1.9%). Όσον αφορά στις ετήσιες εγκαταστάσεις, η Γερμανία υπήρξε μακράν η μεγαλύτερη αγορά το 2011, εγκαθιστώντας σχεδόν 2,100 MW νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύ. Το Ηνωμένο Βασίλειο έφτασε

31 Νιάρου Θεώνη Ι. 31 τη δεύτερη θέση με λίγο λιγότερο από 1,300 MW, εκ των οποίων τα 752 MW (58%) είναι υπεράκτια και ακολουθεί η Ισπανία με 1,050 MW. Η Ιταλία (950 MW), η Γαλλία (830 MW) και η Σουηδία (763 MW) ακολουθούνται από τη Ρουμανία (520 MW). Ανάμεσα στις αναδυόμενες αγορές, μετά τη Ρουμανία, η Πολωνία εγκατέστησε τη δεύτερη μεγαλύτερη αιολική ισχύ το 2011 (436 MW). Και οι δύο παραμένουν μεταξύ των δέκα μεγαλύτερων EU αγορών για δεύτερη συνεχή χρονιά (Σχήμα 1.8 i)). i) ii) Σχήμα 1.8 i) Κατανομή σε νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύ, για το 2011, των Κρατών-Μελών της Ε.Ε.. Συνολικά : 9,616 MW. ii) Κατανομή σε συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύ, για το 2011, των Κρατών-Μελών της Ε.Ε.. Συνολικά : 93.7 GW. Οι υπεράκτιες εγκαταστάσεις απετέλεσαν το 8.9% των συνολικών εγκαταστάσεων της Ε.Ε. για το έτος 2011, συγκρινόμενο με το 9.2% για το έτος Συγκεκριμένα, τοποθετήθηκαν 235 νέες υπεράκτιες ανεμογεννήτριες σε εννέα αιολικά πάρκα, ένα σύνολο MW, φθάνοντας τη συνολικά εγκατεστημένη υπεράκτια αιολική ισχύ στα 3,813 MW. Το 87% των νέων αυτών εγκαταστάσεων (752 MW) ανήκει στα νερά του Ηνωμένου Βασιλείου. Ακολουθούν : η Γερμανία με 108 MW, η Δανία με 3.6 MW και η Πορτογαλία με 2 MW (Σχήμα 1.9). Σχήμα 1.9 Συμμετοχή της υπεράκτιας αιολικής ισχύος στην ετήσια αιολική αγορά της Ε.Ε. (σε MW)

32 Νιάρου Θεώνη Ι. 32 Ένα σύνολο των 93,957 MW είναι πλέον εγκατεστημένο στην Ε.Ε., με ανάπτυξη της τάξης του 11%, σε σύγκριση με το έτος Η Γερμανία παραμένει το Κράτος-Μέλος της Ε.Ε. με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ (29.1 GW) και ακολουθούν η Ισπανία (21.7 GW), η Γαλλία (6.8 GW), η Ιταλία (6.7 GW) και το Ηνωμένο Βασίλειο (6.5 GW). Εννέα άλλες χώρες έχουν πάνω από 1 GW εγκατεστημένη αιολική ισχύ : η Πορτογαλία (4.1 GW), η Δανία (3.9 GW), η Σουηδία (2.9 GW), η Ολλανδία (2.3 GW), η Ιρλανδία (1.6 GW), η Ελλάδα, η Πολωνία, η Αυστρία και το Βέλγιο (Σχήμα 1.8 ii)) [5] Η αιολική ενέργεια στην ελληνική πραγματικότητα Κατά τη διάρκεια του 2010, εγκαταστάθηκαν 88 ανεμογεννήτριες στην Ελλάδα, αυξάνοντας το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος από 1,109 MW το 2009, σε 1,210 MW, μία αύξηση της τάξης του 9% περίπου. Η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 χρόνων, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, που απεικονίζει την ολικά εγκατεστημένη ισχύ, ανά έτος (Σχήμα 1.10). Σχήμα 1.10 Η συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύς (σε MW), στην Ελλάδα, για το διάστημα Η Ελληνική Κυβέρνηση έχει θέσει ως εθνικό δεσμευτικό στόχο την 20% συμμετοχή των ΑΠΕ στην ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, έως το Βάσει στατιστικών στοιχείων της Διεθνούς Υπηρεσίας Αιολικής Ενέργειας (IEA WIND), κατά τη διάρκεια του έτους 2010, η νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανήλθε στα 101 MW, ενώ η συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύς έφτασε αισίως τα 1,210 MW και η συνολική ηλεκτρική ενέργεια που παράχθηκε από τον άνεμο ανέρχεται στα TWh. Έτσι, η αιολική παραγωγή αντιστοιχεί στο 4% της εθνικής ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια (Σχήμα 1.11).

33 Νιάρου Θεώνη Ι. 33 Σχήμα 1.11 Στατιστικά δεδομένα της Ελλάδας, σχετικά με την αιολική ενέργεια, για το έτος 2010 Το επόμενο σχήμα δείχνει την παραγωγή ηλεκτρισμού από ανεμογεννήτριες, κατά τη διάρκεια των τελευταίων 10 χρόνων ( ) (Σχήμα 1.12). Σχήμα 1.12 Η παραγωγή ηλεκτρισμού από Α/Γ, στην Ελλάδα, για το διάστημα Την τελευταία δεκαετία, το ενδιαφέρον για τα έργα αιολικής ενέργειας έχει αυξηθεί, κυρίως μεταξύ των κατασκευαστικών εταιρειών και των μεμονωμένων επενδυτών. Η αιολική ενέργεια έχει γίνει ένας απαιτητικός τομέας ανάπτυξης σε όλη τη χώρα ειδικά σε περιοχές με φτωχή υποδομή, στις οποίες μπορούμε να βρούμε μερικές από τις πιο πολλά υποσχόμενες τοποθεσίες για ανάπτυξη αιολικής ενέργειας. Παρόλο που η κατασκευή των ανεμογεννητριών δεν έχει καθιερωθεί στην Ελλάδα, υπάρχει σημαντική εγχώρια προστιθέμενη αξία σε συνδυασμό με έργα υποδομής, για παράδειγμα, ενίσχυση δικτύου, κατασκευή πύργου στήριξης, κατασκευή δρόμου και θεμελίωσης, έργα πολιτικού μηχανικού και ούτω καθεξής. Επιπλέον, νέες θέσεις εργασίας δημιουργήθηκαν, σχετικές με τη συντήρηση και λειτουργία των αιολικών πάρκων, ιδίως σε υπανάπτυκτες περιοχές. Η διανομή των εγκατεστημένων αιολικών πάρκων καθ όλη την Ελλάδα, απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 1.13).

34 Νιάρου Θεώνη Ι. 34 Σχήμα 1.13 Διανομή των εγκατεστημένων αιολικών πάρκων, στην Ελλάδα, για το έτος 2010 (σε MW) Προβλήματα των ελληνικών αιολικών πάρκων, που έχουν αναφερθεί έως τώρα, είναι κυρίως σχετικά με την αποτυχία του κιβωτίου ταχυτήτων (gearbox failure) και με την πτώση κεραυνών. Δεν έχουν αναφερθεί, μέχρι σήμερα, σοβαρά περιστατικά, που να οδήγησαν σε εκτεταμένες διακοπές λειτουργίας αιολικών πάρκων. Το συνολικό κόστος των έργων αιολικής ισχύος εξαρτάται από τον τύπο ανεμογεννήτριας, το μέγεθος, καθώς και την προσβασιμότητα. Το κόστος αυτό ποικίλει, από 1,100 έως 1,400 ευρώ/kw και επηρεάζεται κυρίως από τις τιμές διεθνούς αγοράς και το κόστος διασυνδέσεων. Το κόστος της παραγόμενης αιολικής ισχύος μπορεί να θεωρηθεί ότι κυμαίνεται μεταξύ και ευρώ/kwh, ανάλογα την τοποθεσία και το κόστος του έργου [6].

35 Νιάρου Θεώνη Ι. 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 2.1 Εισαγωγή Οι άνεμοι, δηλαδή οι μεγάλες μάζες αέρα που μετακινούνται με ταχύτητα από μία περιοχή σε κάποια άλλη, οφείλονται στην ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της Γης από την ηλιακή ακτινοβολία. Η κινητική ενέργεια των ανέμων είναι τάση που, με βάση τη σημερινή τεχνολογία εκμετάλλευσής της, θα μπορούσε να καλύψει πάνω από δύο φορές τις ανάγκες της ανθρωπότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Αν και μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτής είναι σήμερα αξιοποιημένο, υπολογίζεται ότι στο 25% της επιφάνειας της Γης επικρατούν άνεμοι μέσης ταχύτητας 5,1 m/sec, σε ύψος 10m πάνω από το έδαφος. Όταν σε μία περιοχή οι άνεμοι πνέουν με μέση ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή την τιμή, τότε το αιολικό δυναμικό της θεωρείται εκμεταλλεύσιμο, κατά τρόπο οικονομικά συμφέροντα. Η εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου από τον άνθρωπο αποτελεί μία πρακτική που βρίσκει τις ρίζες της στην αρχαιότητα: ιστιοφόρα, ανεμόμυλοι κλπ. Στη σύγχρονη εποχή, τα συστήματα εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας αφορούν σχεδόν αποκλειστικά σε μηχανές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και στη συνέχεια, την διοχετεύουν στο ηλεκτρικό δίκτυο της χώρας. Οι μηχανές αυτές ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Χρησιμοποιούνται, επίσης και για την κάλυψη ή και τη συμπλήρωση των ενεργειακών αναγκών απομακρυσμένων εξοχικών κατοικιών, βιομηχανικών μονάδων, ιστιοφόρων πλοίων κ.λπ.. Σε περιπτώσεις άπνοιας ή και αυξημένων ενεργειακών αναγκών, η ενέργεια αποθηκεύεται σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) και χρησιμοποιείται όταν χρειάζεται, ενώ συχνά γίνεται και χρήση ντηζελογεννητριών, παράλληλα με τις ανεμογεννήτριες (υβριδικά συστήματα). Υπάρχουν πολλών ειδών ανεμογεννήτριες, οι οποίες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες : Α. Τις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα, των οποίων ο δρομέας είναι τύπου έλικας και περιστρέφεται γύρω από άξονα που μπορεί να παρακολουθεί συνεχώς τη διεύθυνση του ανέμου και Β. Τις ανεμογεννήτριες με κατακόρυφο άξονα, ο οποίος παραμένει σταθερός. Σήμερα, στην παγκόσμια αγορά, έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, σε ποσοστό πάνω από 90%. Έχουν συνήθως δύο ή τρία πτερύγια και η ισχύς τους κυμαίνεται από λίγα kw, μέχρι μερικά MW. Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται από το μέγεθος της και την ταχύτητα του ανέμου. Μία συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, το λεγόμενο αιολικό πάρκο, μπορεί να λειτουργήσει σαν μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας [7].

36 Νιάρου Θεώνη Ι Η αιολική ενέργεια στην ηλεκτροπαραγωγή-ιστορική αναδρομή Για πολλές εκατοντάδες χρόνια, η κίνηση των πλοίων στηριζόταν στη δύναμη του ανέμου, ενώ η χρήση του ανεμόμυλου ως κινητήριας μηχανής, κυρίως στον αγροτικό τομέα, εγκαταλείπεται μόλις στα μέσα του αιώνα μας. Είναι η εποχή που εξαπλώνεται ραγδαία η χρήση των συμβατικών καυσίμων και ο ηλεκτρισμός φθάνει ως τα πιο απομακρυσμένα σημεία. Το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση ενέργειας του ανέμου, κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, εκδηλώθηκε έντονα περί τα μέσα της δεκαετίας του 1970 και ήταν αποτέλεσμα της πετρελαϊκής κρίσης που είχε, εν τω μεταξύ, ξεσπάσει. Από τότε, μέχρι σήμερα, υπάρχει μία συνεχώς αυξανόμενη τάση για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, μέσω της εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου. To 1887, ο καθηγητής James Blyth του Anderson s College, στην Γλασκόβη, Σκωτία, πειραματιζόταν με τρία διαφορετικού τύπου σχέδια ανεμογεννητριών. Λέγεται ότι την τελευταία από αυτές, την χρησιμοποίησε, για να τροφοδοτήσει το σπίτι του, για 25 συνεχή χρόνια. Ο πιο διάσημος, όμως, σαν πρώτος ανεμόμυλος για παραγωγή ηλεκτρισμού, είναι εκείνος που κατασκευάστηκε το έτος 1888, από τον Charles F.Brush, στο Cleveland, Ohio, Η.Π.Α. Είχε δρομέα διαμέτρου 17 μέτρων, με 144 πτερύγια και τροφοδοτούσε με ισχύ 12 kw, 350 λαμπτήρες πυρακτώσεως, καθώς και μερικές μηχανές στο σπίτι του, για 20 χρόνια. Το μεγάλο ορθογώνιο σχήμα, στα αριστερά του δρομέα, είναι ο ανεμοδείκτης, που χρησιμοποιούταν για να μετακινεί τα πτερύγια προς τον άνεμο. Το δυναμό γύριζε 50 φορές, για κάθε περιστροφή των πτερυγίων και φόρτιζε 408 μπαταρίες (Σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1 Ο πρώτος ανεμόμυλος για ηλεκτροπαραγωγή, που κατασκευάστηκε από τον Charles F. Brush, το 1888, στο Cleveland, Ohio, Η.Π.Α. Το έτος 1891, στην περιοχή Askov, Δανία, ο επιστήμονας Poul la Cour κατασκεύασε έναν ανεμόμυλο για ηλεκτροπαραγωγή, που ήταν τοποθετημένος πάνω σε χαλύβδινο πύργο, με ισχία με σχισμές και διπλά πτερύγια αυτόματης μετάπτωσης προς τη διεύθυνση του ανέμου. Ανακάλυψε πρώτος ότι οι

37 Νιάρου Θεώνη Ι. 37 ανεμογεννήτριες που στρέφονταν γρήγορα, με λιγότερα πτερύγια στον δρομέα, ήταν πιο αποτελεσματικές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μετά τον Α Παγκόσμιο πόλεμο, έγιναν πειράματα με ανεμόμυλους που είχαν ισχία αεροτομής, δηλαδή όμοια με πτερύγια αεροπορικής έλικας. Το 1931 μια τέτοια ανεμογεννήτρια εγκαταστάθηκε στην περιοχή Yalta, στην Κριμαία (πρώην Σοβιετική Ένωση), που παρήγαγε 100 kw και υπήρξε πρόδρομος για την μοντέρνα ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα. Ο πύργος στήριξής της ήταν 30 μέτρων και είχε 32% παράγοντα φορτίου, παρείχε, δηλαδή, 32% της πιθανής ενεργειακής της εξόδου, πράγμα αρκετά καλό, ακόμη και με τα σημερινά δεδομένα. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς διοχετευόταν στο τμήμα χαμηλής τάσης του τοπικού δικτύου. Την ίδια χρονιά, κατοχυρώθηκε στις Η.Π.Α., με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, η πρώτη κατακόρυφου άξονα ανεμογεννήτρια, από τον Γάλλο George Darrieus και χρησίμευε για ηλεκτροπαραγωγή. Είχε δύο ή τρία πτερύγια και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σήμερα. Από τις αρχές του 1930, στις Η.Π.Α. χρησιμοποιούνταν μικρές ανεμογεννήτριες για ηλεκτροπαραγωγή, σε φάρμες, αλλά και για άρδευση, από την στιγμή που το ηλεκτρικό δίκτυο δεν έφτανε να ηλεκτροδοτήσει κάποιες μακρινές περιοχές. Πραγματικές ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια λειτούργησαν στις ΗΠΑ, κατά τη δεκαετία του 1940, στην Αγγλία στη δεκαετία του 1950 καθώς και στη Γαλλία. Μάλιστα, το 1941, κατασκευάστηκε η πρώτη παγκοσμίως μεγάλης κλίμακας (MW) ανεμογεννήτρια στην περιοχή Castleton, Vermont, Η.Π.Α., με πτερύγια 22,86 μέτρων και βάρους 240 τόνων. Η πιο πετυχημένη ανεμογεννήτρια αναπτύχθηκε το 1956, στην περιοχή Gedser της Δανίας, από τον Johannes Juul (πρώην μαθητής του Poul la Cour), ισχύος 200 kw, με τρία πτερύγια αλληλοσυνδεόμενα μεταξύ τους και με ένα πρόβολο στο μπροστινό μέρος του άξονα περιστροφής. Η ανεμογεννήτρια αυτή αποτέλεσε πηγή έμπνευσης για πολλά μεταγενέστερα σχέδια ανεμογεννητριών και η εφεύρεση του Juul χρησιμοποιείται ακόμη στις τουρμπίνες σήμερα (φρένα των αεροδυναμικών άκρων για έκτατες ανάγκες). Η ανεμογεννήτρια αυτή λειτούργησε έως το 1967, οπότε και ανανεώθηκε. Στην Ολλανδία, εκτελέστηκαν πειράματα από τον F.G. Pigeaud, με αντικείμενο τη μετασκευή των παλαιών ανεμόμυλων άλεσης δημητριακών, έτσι ώστε η πλεονάζουσα ενέργεια να χρησιμοποιείται για ηλεκτροπαραγωγή. Χρησιμοποιήθηκε ένας ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας που κινούσε τον ανεμόμυλο (σε περίπτωση άπνοιας) ή λειτουργούσε σαν γεννήτρια, όταν φυσούσε. Ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης περιλάμβανε συμπλέκτη παράκαμψης, με σκοπό ο ηλεκτροκινητήρας να μην κινεί τα ιστία, παρά μόνο να εκτελεί χρήσιμο έργο. Η οροφή στρεφόταν με τη βοήθεια σερβοκινητήρα, που ελεγχόταν από έναν ανεμοδείκτη. Μετά τον Β Παγκόσμιο πόλεμο πολλοί περίμεναν ότι η αιολική ενέργεια θα συνέβαλλε σημαντικά στην παραγωγή ηλεκτρισμού, αλλά οι προσπάθειες ανάπτυξης ανεμογεννητριών ατόνησαν, μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του Οι προσπάθειες αυτές ξανάρχισαν πιο έντονες, μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση (1973) και στηρίχθηκαν, κατά μεγάλο μέρος, στην σύγχρονη αεροδιαστημική τεχνολογία. Έτσι αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών και στις αρχές της δεκαετίας του 1980 διατίθεντο στο εμπόριο συγκροτήματα μικρής ισχύος (μέχρι kw), ενώ είχαν κατασκευαστεί και ανεμογεννήτριες μεγαλύτερης ισχύος (3-4 MW). Το πρώτο παγκοσμίως αιολικό πάρκο κατασκευάστηκε

38 Νιάρου Θεώνη Ι. 38 στην περιοχή New Hampshire των Η.Π.Α. το 1980 και αποτελείτο από 20 ανεμογεννήτριες. Απεδείχθη, ωστόσο, αποτυχία, αφού οι τουρμπίνες έπαθαν βλάβη και οι κατασκευαστές υπερεκτίμησαν την πηγή ανέμου. Το έτος 1991 δημιουργήθηκε το πρώτο παράκτιο αιολικό πάρκο στην περιοχή Vindeby, στο νότιο κομμάτι της Δανίας, που αποτελείτο από τουρμπίνες των kw. Σήμερα η Δανία, χώρα πλούσια σε αιολικό δυναμικό, έχει τα πρωτεία στην κατασκευή, αλλά και στην χρήση ανεμογεννητριών. 2.3 Ανεμογεννήτριες οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα Οι ανεμογεννήτριες προηγμένης τεχνολογίας, που παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον, στις μέρες μας, είναι κυρίως δύο τύπων: ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα με πτερύγια και ανεμογεννήτριες Darrieus με κατακόρυφο άξονα. Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες, λοιπόν, εμπίπτουν σε δύο βασικές ομάδες : 1) Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα (HAWT) Ο κύριος άξονας του δρομέα (main rotor shaft), καθώς και η ηλεκτρική γεννήτρια, βρίσκονται στην κορυφή ενός πύργου, και πρέπει να δείχνουν προς τον άνεμο. Για τον σκοπό αυτό, οι μικρές ανεμογεννήτριες διακρίνονται από έναν απλό ανεμοδείκτη (wind vane), ενώ οι μεγάλες ανεμογεννήτριες διαθέτουν γενικά έναν αισθητήρα αέρος, που συνδέεται με μια σερβομηχανή (servo motor). Οι περισσότεροι έχουν ένα κιβώτιο ταχυτήτων (gearbox), το οποίο μετατρέπει την αργή περιστροφή των πτερυγίων (blades), σε γρηγορότερη περιστροφή, που είναι καταλληλότερη να οδηγήσει μια ηλεκτρική γεννήτρια. Δεδομένου ότι ένας πύργος παράγει δίνη (turbulence) πίσω του, η ανεμογεννήτρια είναι φτιαγμένη έτσι ώστε συνήθως να δείχνει προς τον άνεμο (upwind) του πύργου. Τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας είναι ανθεκτικά, για να αντέχουν στους υψηλούς ανέμους. Επιπλέον, τα πτερύγια τοποθετούνται σε μια ιδιαίτερη απόσταση μπροστά από τον πύργο και έχουν μερικές φορές μία μικρή κλίση προς τα πάνω. Οι υπήνεμες μηχανές (downwind) έχουν φτιαχτεί, παρά το πρόβλημα της δίνης, επειδή δεν χρειάζονται έναν πρόσθετο μηχανισμό για να διατηρούνται στην ευθεία με τον άνεμο και επειδή στους υψηλούς ανέμους τα πτερύγια μπορούν να κάμψουν, γεγονός που μειώνει την περιοχή σάρωσής τους και έτσι την αντίσταση ανέμου. Δεδομένου ότι η κυκλική (επαναλαμβανόμενη) δίνη μπορεί να οδηγήσει σε λάθη λόγω κούρασης, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα δείχνουν προς τον άνεμο. Συνήθως έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Αυτές με τα τρία πτερύγια λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω, upwind, με τα πτερύγια να είναι στραμμένα προς τη φορά του ανέμου. Οι μικρές ανεμογεννήτριες παράγουν 400W-100kW και χρησιμοποιούνται για οικιακή χρήση, για πάρκα, για πιάτα τηλεπικοινωνιών, για άντληση νερού. Κάποιες φορές συνδέονται με μηχανές Diesel, με

39 Νιάρου Θεώνη Ι. 39 μπαταρίες και με φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτά λέγονται υβριδικά αιολικά συστήματα και χρησιμοποιούνται τυπικά σε περιοχές απόμακρες, εκτός δικτύου, όπου η σύνδεση με το υπόλοιπο δίκτυο δεν είναι εφικτή. Οι μεγάλες ανεμογεννήτριες παράγουν 100W-μερικά MW και συγκεντρώνονται σε αιολικά πάρκα, τα οποία παρέχουν σημαντικά ποσά ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο. Πλεονεκτήματα Μεταβλητό βήμα πτερυγίων (blade pitch), το οποίο δίνει στα πτερύγια του στροβίλου τη βέλτιστη γωνία επίθεσης (optimum angle of attack). Η δυνατότητα της γωνίας επίθεσης να ρυθμίζεται από απόσταση δίνει μεγαλύτερο έλεγχο, ώστε η ανεμογεννήτρια να εισπράττει το μέγιστο ποσό ενέργειας ανέμου για το χρόνο της ημέρας και της εποχής. Η ψηλή βάση του πύργου επιτρέπει την πρόσβαση στον ισχυρότερο αέρα στις κατάλληλες περιοχές. Σε μερικές περιοχές με ισχυρό άνεμο, κάθε δέκα μέτρα προς τα επάνω, η ταχύτητα αέρα μπορεί να αυξηθεί κατά 20% και η παραγωγή ισχύος κατά 34%. Υψηλή αποδοτικότητα, δεδομένου ότι τα πτερύγια κινούνται πάντα κάθετα προς τον αέρα, λαμβάνοντας ισχύ μέσω μίας πλήρους περιστροφής. Αντίθετα, όλες οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, και τα περισσότερα προτεινόμενα αερομεταφερόμενα σχέδια ανεμογεννητριών (airborne wind turbines) περιλαμβάνουν διάφορους τύπους παλινδρομικών ενεργειών, που απαιτούν επιφάνειες αεροτομών (airfoil surfaces), για να οπισθοδρομήσουν ενάντια στον αέρα για μέρος του κύκλου. Η οπισθοδρόμηση ενάντια στον αέρα οδηγεί στην εγγενώς χαμηλότερη αποδοτικότητα. Η πρόσοψη ενός πτερυγίου οριζοντίου άξονα χτυπιέται από τον αέρα, σε μια καθορισμένη γωνία, ανεξάρτητα από τη θέση περιστροφής του. Αυτό οδηγεί σε μια συνεπή πλευρική φόρτωση ανέμου κατά τη διάρκεια μιας περιστροφής, που μειώνει τη δόνηση και τον ευδιάκριτο θόρυβο που συνδέονται με τον πύργο. Μειονεκτήματα Οι ψηλοί πύργοι και τα πτερύγια μέχρι 90 μέτρα μήκος είναι δύσκολο να μεταφερθούν. Η μεταφορά μπορεί να κοστίσει 20% των δαπανών εξοπλισμού. Οι ψηλές ανεμογεννήτριες είναι δύσκολο να τοποθετηθούν, χρειάζονται πολύ ψηλούς και ακριβούς γερανούς και εξειδικευμένους χειριστές. Η ογκώδης κατασκευή πύργων απαιτείται για να υποστηρίξει τα βαριά πτερύγια, το κιβώτιο ταχυτήτων, και τη γεννήτρια. Το ύψος τους τις καθιστά φορτικά ορατές κατά μήκος μεγάλων εκτάσεων, αλλοιώνοντας την εμφάνιση του τοπίου και μερικές φορές προκαλούν την τοπική αντίθεση. Οι υπήνεμες μηχανές οριζοντίου άξονα καταπονούνται περισσότερο και ταλαιπωρούνται από ελαττώματα στη δομή τους, που προκαλούνται από την δίνη, όταν περνά το πτερύγιο μέσα από τη σκιά του πύργου (γι αυτόν τον λόγο, οι οριζοντίου άξονα ανεμογεννήτριες είναι κατά το

40 Νιάρου Θεώνη Ι. 40 πλείστον κατασκευασμένες, έτσι ώστε ο δρομέας τους να αντιμετωπίζει τον αέρα μπροστά από τον πύργο). Για να εξασφαλισθεί η παραγωγή μέγιστης ηλεκτρικής ενέργειας, για όλες τις ώρες, χρησιμοποιείται ένα σύστημα ελέγχου εκτροπής (yaw control mechanism), το οποίο φροντίζει ώστε να γυρίσουν τα πτερύγια προς τον αέρα και επομένως, ο δρομέας να βλέπει προς τον άνεμο, καθώς αλλάζει η κατεύθυνση του ανέμου. Αυτό συμβαίνει μόνο στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα. Εάν ο δρομέας δεν είναι ευθυγραμμισμένος με τον άνεμο, τότε έχουμε σφάλμα εκτροπής- -απόκλιση (yaw error) και επομένως, λιγότερο ποσοστό της αιολικής ενέργειας θα περνάει από την περιοχή του δρομέα. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα είναι κυρίως τύπου άνωσης (lift). Τα πτερύγια δηλαδή, είναι σχεδιασμένα, έτσι ώστε να μοιάζουν στα πτερά ενός αεροπλάνου και αυτό το γεγονός είναι που προκαλεί δύναμη άνωσης, όταν ο άνεμος περνά διαμέσου αυτού. Εξαιτίας αυτού, η άκρη των πτερυγίων μπορεί να ταξιδεύει σε 6-10 φορές την ταχύτητα του ανέμου. Αυτό είναι που προκαλεί και τον θόρυβο. 2) Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα (VAWT) Ο κύριος άξονας του δρομέα είναι τοποθετημένος κατακόρυφα. Τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής της ρύθμισης είναι ότι ο στρόβιλος δεν πρέπει να δείχνει προς τον αέρα, για να είναι αποτελεσματικός, γεγονός που μας εξυπηρετεί ιδιαίτερα σε περιοχές όπου η κατεύθυνση αέρα μεταβάλλεται συνεχώς. Επίσης, έχουν πολύ μεγαλύτερες περιοχές επιφάνειας και μπορούν να λειτουργήσουν σε πιο αργούς ανέμους από μία ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα. Εδώ, η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στο έδαφος. Έτσι, ο πύργος δεν χρειάζεται να τα υποστηρίξει και επιπλέον, είναι πιο προσιτά σε περίπτωση συντήρησης. Είναι δύσκολο να τοποθετηθούν σε πύργους, σημαίνοντας ότι εγκαθίστανται συχνά πλησιέστερα στη βάση στην οποία στηρίζονται, όπως το έδαφος ή μια στέγη οικοδόμησης. Η ταχύτητα αέρα είναι πιο αργή σε ένα χαμηλότερο ύψος, έτσι λιγότερη ενέργεια αέρα είναι διαθέσιμη για έναν δεδομένο μέγεθος στροβίλου. Η ροή αέρα κοντά στο έδαφος και άλλα αντικείμενα μπορεί να δημιουργήσουν ροή δίνης, η οποία μπορεί να εισαγάγει ζητήματα δόνησης, συμπεριλαμβανομένου του θορύβου της τριβής (bearing wear), γεγονός που μπορεί να αυξήσει τη συντήρηση ή να μικρύνει τη διάρκεια χρήσης του. Παρ όλα αυτά, όταν η ανεμογεννήτρια τοποθετείται στην ταράτσα ενός κτιρίου, το κτίριο γενικά αναδιανέμει τον αέρα πάνω στη στέγη και αυτό μπορεί να διπλασιάσει την ταχύτητα του ανέμου στο στρόβιλο. Εάν το ύψος της ταράτσας, όπου τοποθετείται η ανεμογεννήτρια, είναι περίπου 50% του ύψους του κτιρίου, αυτό είναι κοντά στο βέλτιστο, για μέγιστη αιολική ενέργεια και ελάχιστη δίνη αέρος. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ανεμογεννητριών καθέτου άξονα: άνωση (lift) και αντίσταση ή οπισθέλκουσα (drag). Η πιο γνωστή ανεμογεννήτρια τύπου ανύψωσης είναι η μηχανή Darius (Σχήμα 2.2), αν και δεν είναι πιο γρήγορη από την ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα. Έχει πάρει το όνομά της από τον Γάλλο που την εφηύρε. Οι υπόλοιπες εκδόσεις ανεμογεννητριών καθέτου άξονα ανήκουν γενικά στην

41 Νιάρου Θεώνη Ι. 41 κατηγορία drag και βασίζονται στην κατασκευή Savonius. Σε αυτού του τύπου μηχανές, η άκρη (εξωτερικά) της ανεμογεννήτριας ακολουθεί (track) ή καθυστερεί (lag) την ταχύτητα του ανέμου. Πλεονεκτήματα Δέχονται, σε αντίθεση με τις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα, τον άνεμο από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Μία τεράστια δομή πύργου είναι λιγότερα συχνά χρησιμοποιούμενη, αφού αυτές οι ανεμογεννήτριες συνήθως τοποθετούνται σε χαμηλά επίπεδα, κοντά στο έδαφος, πράγμα που διευκολύνει τη συντήρηση των κινούμενων μερών τους. Είναι λιγότερο επιρρεπείς στις αναταραχές (turbulence), ειδικά αυτές που δημιουργούνται από εμπόδια του εδάφους (ground obstructions). Γι αυτό είναι πιο κατάλληλες για αστικές εφαρμογές. Σχέδια χωρίς μηχανισμούς εκτροπής είναι πιθανά, για την περίπτωση δρομέα σταθερού βήματος (fixed pitch). Έχουν χαμηλότερες αρχικές ταχύτητες ανέμου, συγκριτικά με αυτές του οριζοντίου άξονα. Τυπικά, ξεκινούν να παράγουν ηλεκτρισμό στα 6 m.p.h. (10 km/h=2,78 m/sec). Μπορούν να τοποθετηθούν σε τοποθεσίες, όπου ψηλότερες δομές απαγορεύονται. Προκαλούν λιγότερο θόρυβο από αυτές του οριζοντίου άξονα. Μειονεκτήματα Μία ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιεί τεταμένα καλώδια (guy-wires) για να την συγκρατούν, προκαλεί πίεση στη βάση της (bottom bearing), αφού όλο το βάρος του δρομέα βρίσκεται εκεί. Αυτά τα τεταμένα καλώδια είναι ενωμένα με το ψηλότερο μέρος της δομής, με αποτέλεσμα να αυξάνουν την ώθηση (thrust) προς τα κάτω, στην περίπτωση ριπών ανέμου. Αυτό για να επιλυθεί, απαιτείται μία γερή δομή, για να κρατάει το πάνω μέρος του δρομέα στη θέση του. Η τάση (stress) σε κάθε πτερύγιο, εξαιτίας των αλλαγών στο φορτίο του ανέμου, δύο φόρες κατά την μία περιστροφή (360 ο ). Αυτή η ανατροπή αυξάνει την πιθανότητα ανεπάρκειας του πτερυγίου, εξαιτίας της κούρασης. Τα μέρη αυτής της ανεμογεννήτριας όχι μόνο τοποθετούνται στο έδαφος, αλλά και κάτω από το βάρος της κατασκευής, πράγμα που σημαίνει ότι η αλλαγή ενός από τα μέρη προϋποθέτει την αποσύνθεση σχεδόν πάντα της κατασκευής, εάν η τελευταία δεν έχει γίνει σωστά. Επειδή ο δρομέας τους είναι τοποθετημένος κοντά στο έδαφος, όπου οι ταχύτητες ανέμου είναι χαμηλότερες, μπορεί να μην παράγουν τόση ενέργεια, όσο οι ανεμογεννήτριες με το ίδιο ύψος ή καταλαμβανόμενο χώρο, για το ίδιο μέρος. Δεν έχουν αναπτυχθεί τόσο, εξαιτίας της εμφανούς χαμηλής αποδοτικότητας. Δεν είναι οικονομικά ανταγωνιστικές, έναντι των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα, για εφαρμογές ανοιχτού πεδίου (open space).

42 Νιάρου Θεώνη Ι. 42 Σχήμα 2.2 Ανεμογεννήτρια οριζοντίου (HAWT) και κατακόρυφου άξονα (VAWT) 2.4 Η δομή μίας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Σήμερα, οι πλέον αναπτυγμένες ανεμογεννήτριες είναι οι οριζοντίου άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Μία σύγχρονη ανεμογεννήτρια περιλαμβάνει: τον πύργο στήριξης, τον κινητήρα και την άτρακτο, όπου 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 προσανατολισμού τους, ανάλογα με την διεύθυνση του ανέμου. Στο σχήμα φαίνονται οι κύριες συνιστώσες μίας σύγχρονης ατράκτου (Σχήμα 2.5). 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 περάσει κάποιες τιμές και η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος σταθερής συχνότητας με μεταβαλλόμενη ταχύτητα του ανέμου. Πυλώνας/Πύργος (Tower) Είναι κυλινδρικής μορφής κατασκευασμένος από χάλυβα και συνήθως αποτελείται από δύο ή τρία συνδεδεμένα τμήματα. Είναι παρόμοιας κατασκευής με τους πύργους που στηρίζουν τα φώτα σε γήπεδα και εθνικούς δρόμους. Οι πύργοι κατασκευάζονται από ατσάλι σε σωληνοειδή μορφή, τσιμέντο, ή από ατσάλι σε καφασωτή μορφή, σαν πλέγμα. Επειδή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος, οι ψηλότεροι πύργοι δίνουν τη δυνατότητα στις τουρμπίνες να «αιχμαλωτίσουν» περισσότερη ενέργεια και να παραγάγουν περισσότερο ηλεκτρισμό. Άτρακτος (Nacelle) Η άτρακτος βρίσκεται στην κορυφή του πύργου και περιέχει το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και το φρένο. Μερικές άτρακτοι είναι τόσο μεγάλα, ώστε ακόμη και ένα ελικόπτερο μπορεί να προσγειωθεί πάνω τους.

43 Νιάρου Θεώνη Ι. 43 Περιέχει τα μηχανικά υποσυστήματα (κύριος άξονας, σύστημα πέδησης, κιβώτιο ταχυτήτων και ηλεκτρογεννήτρια): Ο κύριος άξονας (low-speed shaft) με το σύστημα πέδησης (brake) είναι παρόμοιος με τον άξονα των τροχών ενός αυτοκινήτου με υδραυλικά δισκόφρενα. Το κιβώτιο ταχυτήτων (gear box) είναι παρόμοιας κατασκευής με εκείνο του αυτοκινήτου μας, με τη διαφορά ότι έχει μόνον μια σχέση. Η ηλεκτρογεννήτρια (generator) είναι παρόμοια με αυτές που χρησιμοποιούνται από τη ΔΕΗ στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη ή με τις γεννήτριες που έχουμε στα εξοχικά μας. Ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου ασφαλούς λειτουργίας Αποτελούνται από ένα η περισσότερα υποσυστήματα μικροελεγκτών και «φροντίζουν» για την εύρυθμη και ασφαλή λειτουργία της ανεμογεννήτριας σε όλες τις συνθήκες. Πτερύγια (Blades) Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν δύο ή τρεις λεπίδες. Ο άνεμος φυσώντας πάνω στις λεπίδες τις προκαλεί να «σηκωθούν» και να περιστραφούν. Είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά (υαλονήματα και ειδικές ρητίνες), παρόμοια με αυτά που κατασκευάζονται τα ιστιοπλοϊκά σκάφη. Είναι δε σχεδιασμένα για να αντέχουν σε μεγάλες καταπονήσεις. Σχήμα 2.3 Ανατομία ενός πτερυγίου ανεμογεννήτριας Στροφή πτερυγίων (Pitch) Οι λεπίδες στρέφονται ή στρίβουν γύρω από τον άξονά τους, ανεξάρτητα από τον άνεμο, ώστε να ελέγχουν την ταχύτητα του δρομέα (ηλεκτρικού κινητήρα) και να εμποδίζουν τον δρομέα από το να στρίβει σε ανέμους, οι οποίοι είναι υπερβολικά ισχυροί ή υπερβολικά ασθενείς για να παραγάγουν ηλεκτρισμό.

44 Νιάρου Θεώνη Ι. 44 Ηλεκτρικός κινητήρας/ρότορας/δρομέας (Rotor) Οι λεπίδες και η πλήμνη (το κέντρο του άξονα) μαζί ονομάζονται ρότορας. Ο δρομέας περιστρέφει τη γεννήτρια, που προστατεύεται από μία άτρακτο κινητήρα, όπως κατευθύνεται από τον ανεμοδείκτη, τον οποίο θα περιγράψουμε στη συνέχεια. Αυτός είναι σχεδιασμένος αεροδυναμικά, για να συλλάβει τη μέγιστη περιοχή επιφάνειας του αέρα, προκειμένου να περιστραφεί όσο το δυνατόν πιο εργονομικά. Οι λεπίδες είναι ελαφριές, ανθεκτικές, από αντιδιαβρωτικό υλικό. Τα καλύτερα υλικά είναι σύνθετα του υαλοβάμβακα και του ενισχυμένου πλαστικού. Η κατασκευή του δρομέα περιλαμβάνει το 20% περίπου του συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας, συμπεριλαμβανομένου των πτερυγίων, για την μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε χαμηλής ταχύτητας περιστροφική ενέργεια. Γεννήτρια (Generator) Η γεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια από την περιστροφή του δρομέα. Οι γεννήτριες εμφανίζονται σε διάφορα μεγέθη, ανάλογα με την επιθυμητή παραγωγή-απόδοση. Η κατασκευή της περιλαμβάνει το 34% περίπου του συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας, συμπεριλαμβανομένου της ηλεκτρικής γεννήτριας, των ηλεκτρονικών ελέγχου και πιθανότατα του κιβωτίου ταχυτήτων, για την μετατροπή της χαμηλούς ταχύτητας εισερχόμενη περιστροφή σε υψηλής ταχύτητας περιστροφή, κατάλληλη για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Συνήθως, μια γεννήτρια εισαγωγής που εύκολα βρίσκει κανείς στο εμπόριο και παράγει ηλεκτρισμό, είναι η : 60-cycle AC. Σχήμα 2.4 Τα μέρη μίας ασύγχρονης μηχανής

45 Νιάρου Θεώνη Ι. 45 Οδηγός για την αποφυγή εκτροπής (Yaw drive) Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω (upwind), είναι στραμμένες προς τον άνεμο. Το yaw drive χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει ότι ο δρομέας θα είναι στραμμένος προς τον άνεμο, καθώς ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση. Οι ανεμογεννήτριες που είναι σχεδιασμένες για να λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα κάτω (downwind) δεν χρειάζονται yaw drive, διότι ο άνεμος φυσά και στρέφει τον δρομέα προς τα κάτω. Κινητήρας του οδηγού για την αποφυγή εκτροπής (Yaw motor) Δίνει ενέργεια στο yaw drive. Το σύστημα δομής, που είναι περίπου το 15% του συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας, περιλαμβάνει τον πύργο στήριξης και τον μηχανισμό εκτροπής (yaw) του δρομέα. Κιβώτιο ταχυτήτων (Gear box) Μεγεθύνει ή ενισχύει την ενεργειακή έξοδο του δρομέα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι τοποθετημένο ακριβώς μεταξύ του δρομέα και της γεννήτριας. Τα γρανάζια συνδέουν τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνουν τις ταχύτητες περιστροφής από περίπου 30 έως 60 rpm (περιστροφές ανά λεπτό) σε 1000 έως 1800 rpm, που είναι η ταχύτητα περιστροφής που οι περισσότερες ανεμογεννήτριες απαιτούν, ώστε να παράγουν ηλεκτρισμό. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένα ακριβό, αλλά και βαρύ εξάρτημα της ανεμογεννήτριας, γι αυτό και οι μηχανικοί ερευνούν προς την κατεύθυνση ανεμογεννητριών «άμεσης ώθησης» (direct-drive), οι οποίες λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής και δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων. Φρένο (Brake) Ένας δίσκος φρένου, ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί κατά τρόπο μηχανικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό, ώστε να σταματά ο δρομέας (ηλεκτρικός κινητήρας) σε περιπτώσεις επείγουσας ανάγκης. Άξονας υψηλής ταχύτητας (High-speed shaft) Θέτει τη γεννήτρια σε κίνηση. Άξονας χαμηλής ταχύτητας (Low-speed shaft) Ο ρότορας (rotor, ηλεκτρικός κινητήρας) στρέφει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας σε περίπου 30 έως 60 περιστροφές το λεπτό. Ανεμοδείκτης (Tail vane) Πρόκειται για ένα μετεωρολογικό όργανο που χρησιμεύει στην εύρεση της διεύθυνσης του ανέμου. Κατευθύνει ανάλογα το στρόβιλο, προκειμένου να συλλέξει τη μέγιστη ενέργεια αέρα. Μετρά την κατεύθυνση του ανέμου και επικοινωνεί με το yaw drive, για να προσανατολίσει την ανεμογεννήτρια σωστά, όσον αφορά στον άνεμο.

46 Νιάρου Θεώνη Ι. 46 Ανεμομετρητής (Anemometer) Μετρά την ταχύτητα του ανέμου και μεταφέρει δεδομένα για την ταχύτητα του ανέμου στον ελεγκτή. Ελεγκτής (Controller) Ο ελεγκτής εκκινεί τη μηχανή για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από 8 με 16 mph (ή 3.57 με 7.15 m/s) και την κλείνει, όταν φτάσουν στα 55 mph περίπου (ή 24,58 m/s). Οι τουρμπίνες δεν λειτουργούν για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες των 55 mph, γιατί κινδυνεύουν να καταστραφούν. Κατεύθυνση του ανέμου (Wind direction) Αυτή είναι μια ανεμογεννήτρια με πνοή ανέμου προς τα πάνω upwind, έτσι ονομαζόμενη διότι λειτουργεί στραμμένη προς τον άνεμο. Άλλες ανεμογεννήτριες είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα κάτω, downwind, στραμμένες μακριά από τον άνεμο. Ως απαραίτητο εξάρτημα λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας σε αιολικό πάρκο, θα μπορούσαμε να συμπεριλάβουμε και τον μετασχηματιστή μετατροπής της χαμηλής τάσης της ανεμογεννήτριας σε μέση τάση, προκειμένου να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο της ΔΕΗ. Ο μετασχηματιστής είναι συνήθως εγκατεστημένος δίπλα στην ανεμογεννήτρια και δεν διαφέρει κατασκευαστικά από τους μετασχηματιστές που είναι εγκατεστημένοι πάνω στους στύλους της ΔΕΗ και μάλιστα, συνήθως, λίγα μέτρα από τα σπίτια μας. Σχήμα 2.5 Τα μέρη μίας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα

47 Νιάρου Θεώνη Ι Μετατροπή αιολικής ενέργειας Αιολική κατανομή Η ταχύτητα του ανέμου αλλάζει συνεχώς, γεγονός που καθιστά επιθυμητό το να περιγραφεί ο άνεμος από στατιστικές μεθόδους. Υπάρχουν διάφορες συναρτήσεις πυκνότητας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν την καμπύλη συχνότητας-ταχύτητας ανέμου. Στο σημείο αυτό και προτού παρουσιάσουμε τις πιο γνωστές συναρτήσεις πυκνότητας, θα πρέπει να πούμε πως είναι βολικό, για πολλούς θεωρητικούς λόγους, να μοντελοποιήσουμε την καμπύλη συχνότητας-ταχύτητας ανέμου βάσει μίας συνεχούς μαθηματικής συνάρτησης, παρά βάσει ενός πίνακα από διακριτές τιμές. Στη συνέχεια, δίνουμε τις γενικές μορφές των καμπυλών της συνάρτησης πυκνότητας f(u) και της συνάρτησης αθροιστικής κατανομής F(u) (Σχήμα 2.6) και παραθέτουμε τους εξής ισχύοντες τύπους : f ( u) du 1 f( u) 0 u R (2.1) 0 Δηλαδή, η περιοχή κάτω από την συνάρτηση πυκνότητας είναι ίση με τη μονάδα. u F( u) f ( x) dx (2.2) 0 Όταν η ταχύτητα του ανέμου θεωρείται ως μία συνεχής τυχαία μεταβλητή, τότε η συνάρτηση αθροιστικής κατανομής F(u) έχει τις ιδιότητες : F(0)=0 και F( )=1. Σχήμα 2.6 Γενικής μορφής σχέση μεταξύ (a) της συνάρτησης πυκνότητας f(u) και (b) της συνάρτησης df( u) κατανομής F(u) ( f( u) ) du Μετά από την εισαγωγή αυτή, επιστρέφουμε στο ότι οι δύο πιο κοινά χρησιμοποιούμενες συναρτήσεις πυκνότητας είναι οι συναρτήσεις Weibull και Rayleigh. Η Weibull είναι μία ειδική περίπτωση της γενικευμένης Γάμμα κατανομής, ενώ η κατανομή Rayleigh είναι ένα υποσύνολο της Weibull. Η Weibull

48 Νιάρου Θεώνη Ι. 48 κατανομή έχει δύο παραμέτρους, ενώ η Rayleigh έχει μόνο μία. Το γεγονός αυτό κάνει πιο ευέλικτη την Weibull και την Rayleigh κάπως πιο απλή στη χρήση. Έτσι λοιπόν, η ταχύτητα ανέμου u κατανέμεται κατά Weibull, εφόσον η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας αυτής είναι της μορφής : u k k u ( ) k 1 c f ( u) ( ) e (k > 0, u > 0, c > 1) (2.3) c c Όπου k : η παράμετρος μορφής (shape parameter) c : η παράμετρος κλίμακας (scale parameter) u : η ταχύτητα του ανέμου, σε m/sec Από διάφορες μετρήσεις που έχουν γίνει σε πολλές περιοχές του κόσμου, έχει αναδειχθεί πως η συνάρτηση πυκνότητας Weibull μπορεί να προσεγγίσει την ταχύτητα ανέμου με μεγάλη ακρίβεια, υπό την προϋπόθεση ότι αναφέρεται σε μία χρονική περίοδο όχι πολύ μικρή. Περίοδοι μερικών ωρών ή ημερών, δηλαδή, μπορεί να περιλαμβάνουν δεδομένα για τον άνεμο που μην ταιριάζουν σε μία Weibull ή σε οποιαδήποτε άλλη στατιστική συνάρτηση, αλλά για περιόδους μερικών εβδομάδων ή ακόμη και ενός έτους ή περισσότερο, η Weibull συνήθως ταιριάζει αρκετά καλά στα παρατηρούμενα δεδομένα. Η μέση τιμή της συνάρτησης πυκνότητας f(u) δίνεται από τη σχέση : u uf ( u) du (2.4) 0 Οπότε, η μέση τιμή της ταχύτητας ανέμου υπολογίζεται ως εξής : Και εν συνεχεία, με αλλαγή μεταβλητής : 0 k k 1 u c uk u u e du c c (2.5) Προκύπτει η μέση τιμή ταχύτητας ως εξής : u x c k (2.6) 1 k x c x e dx u (2.7) Αυτή είναι μία πολύπλοκη έκφραση της μορφής της συνάρτησης Γάμμα, η οποία συνήθως γράφεται με την παρακάτω μορφή : 0 x y 1 y e x dx ( ) (2.8) 0

49 Νιάρου Θεώνη Ι. 49 Παρατηρούμε πως οι εξισώσεις (2.7) και (2.8) έχουν το ίδιο ολοκλήρωμα, εάν : Έτσι, η μέση ταχύτητα ανέμου παίρνει την μορφή : 1 u c 1 k 1 y 1. k (2.9) Δημοσιευμένοι πίνακες για την Γάμμα συνάρτηση Γ(y) δίνονται μόνο για τις τιμές : 1 y 2. Σε περίπτωση που ένα όρισμα y βρίσκεται εκτός αυτού του εύρους, πρέπει να χρησιμοποιηθεί αυτή η αναδρομική σχέση : Γ(y+1)=yΓ(y) (2.10) Κανονικά, οι πληροφορίες που συλλέγουμε περί ανέμου, από μία περιοχή, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν για τον άμεσο υπολογισμό της μέσης ταχύτητας ανέμου u. Ύστερα, βρίσκουμε και τις τιμές των c, k από τα δεδομένα αυτά. Μία καλή εκτίμηση για το c μπορούμε να έχουμε πολύ γρήγορα, από την εξίσωση (2.9) θεωρώντας την συνάρτηση c/ u ως μία συνάρτηση του k, που δίνεται από το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.7). Για τιμές του k<1, ο λόγος c/ u μειώνεται γρήγορα. Για k>1.5 και μικρότερο από 3 ή 4, όμως, ο λόγος c/ u είναι ουσιαστικά μία σταθερά, με τιμή περίπου Αυτό σημαίνει πως η παράμετρος κλίμακας c, για αυτή την περιοχή τιμών του k, θα πάρει την τιμή : c 1.12u 1.5 k 3.0 (2.11) Οι περισσότερες καλές μετρήσεις ανέμου θα έχουν την παράμετρο μορφής k σε αυτή την περιοχή τιμών, οπότε αυτή η εκτίμηση της c θα έχει μεγάλο φάσμα εφαρμογών. Σχήμα 2.7 Γραφική παράσταση της παραμέτρου κλίμακας Weibull c, δια της μέσης ταχύτητας ανέμου u, συναρτήσει της παραμέτρου μορφής Weibull k

50 Νιάρου Θεώνη Ι. 50 Μπορεί να αποδειχθεί εύκολα πως η συνάρτηση κατανομής Weibull F(u) προκύπτει, αντίστοιχα, από τη σχέση : k u c F( u) 1 e (2.12) Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειώσουμε ότι μία ειδική περίπτωση της κατανομής Weibull είναι η κατανομή Rayleigh, με k=2, η οποία είναι στην πραγματικότητα μία δίκαιη τυπική τιμή, για πολλές τοποθεσίες. Στην περίπτωση αυτή, ο παράγοντας Γ(1+ 1 k ) παίρνει την τιμή (Σχήμα 2.8). 2 Σχήμα 2.8 Παραδείγματα κατανομών Weibull [8] Όπως προαναφέραμε, μία άλλη πολύ γνωστή συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας στις μελέτες αιολικής ισχύος είναι η Rayleigh, η οποία δίνεται από την παρακάτω σχέση : 2 u 4 u u f ( u) e (2.13) 2 2u Η συνάρτηση αθροιστικής κατανομής Rayleigh υπολογίζεται από την εξίσωση : 2 u 4 u F( u) 1 e (2.14) Από τη στιγμή που η μέση ταχύτητα ανέμου υπολογίζεται πάντα, σε κάθε σημείο μέτρησης, όλες οι στατιστικές της συνάρτησης πυκνότητας Rayleigh που χρησιμοποιούνται, προκειμένου να περιγράψουν αυτό το σημείο, είναι αυτόματα διαθέσιμες, χωρίς πολλούς επιπρόσθετους υπολογισμούς. Αυτό ακριβώς είναι που κάνει τόσο εύκολη στη χρήση, αυτή την συνάρτηση πυκνότητας.

51 Νιάρου Θεώνη Ι. 51 Θα πρέπει να τονιστεί, στο σημείο αυτό, ότι πραγματικά ιστογράμματα ταχυτήτων ανέμων μπορεί να είναι δύσκολο να ταιριάξουν με οποιαδήποτε μαθηματική συνάρτηση, ειδικά εάν η χρονική περίοδος μετρήσεων είναι μικρή. Το τελικό τεστ ή αλλιώς, η απόδειξη της χρησιμότητας αυτών των συναρτήσεων βρίσκεται στην ικανότητά τους να προβλέπουν την ισχύ εξόδου πραγματικών ανεμογεννητριών. Εν τω μεταξύ, οποιαδήποτε από τις δύο συναρτήσεις μπορεί να δώσει αποδεκτά αποτελέσματα, με την Weibull να είναι η πιο ακριβής και την Rayleigh πιο εύκολη στη χρήση [9] Αιολική ισχύς Η κινητική ενέργεια ενός κυλίνδρου αέρα, μάζας m, που ρέει με ταχύτητα u στην κατεύθυνση x, είναι : 1 1 U mu Ax u (σε Joules) (2.15) Όπου Α : είναι το εμβαδόν της επιφάνειας, που διαπερνά κάθετα ο άνεμος (σε m 2 ) Ουσιαστικά, πρόκειται για το εμβαδό του κυκλικού δίσκου που διαγράφει η έλικα. Για τις ανεμογεννήτριες (Σχήμα 2.9), λοιπόν, η περιοχή σάρωσης του δρομέα είναι : Α=πR 2, όπου R : είναι η ακτίνα του δρομέα (σε m) ρ : η πυκνότητα αέρα, που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (σε kg/m 3 ) Βάσει της ISA (International Standard Atmosphere), σε κανονικές συνθήκες πιέσεως (1atm=101.3 kpa) και θερμοκρασίας ( ο C=288 ο Κ), ισχύει η τιμή ρ=1.225 kg/m 3 [10]. x : το πάχος ενός κυλίνδρου αέρα (σε m) u : η ταχύτητα ανέμου (σε m/sec) Η αιολική ισχύς P w είναι η παράγωγος της κινητικής ενέργειας ως προς τον χρόνο : du 1 dx 1 1 P Au Au ( R ) u dt 2 dt w (σε W) (2.16) Από την εξίσωση (2.16) συμπεραίνουμε τη μεγάλη επίδραση που έχει η ταχύτητα του ανέμου στην ισχύ του και πόσο σημαντικό παράγοντα αποτελεί για την επιλογή της τοποθεσίας, όπου θα εγκατασταθεί η ανεμογεννήτρια.

52 Νιάρου Θεώνη Ι. 52 Σχήμα 2.9 Δέσμευση μέρους αιολικής ενέργειας από μία ανεμογεννήτρια [8] Να σημειώσουμε εδώ, ότι για τον υπολογισμό της αιολικής ισχύος δεν λαμβάνουμε υπόψη την μέση ταχύτητα, αλλά πολλαπλασιάζουμε κάθε πιθανότητα μίας ορισμένης ταχύτητας ανέμου (συνάρτηση Weibull) με την ισχύ που παράγεται σε αυτή την ταχύτητα. Έτσι, σχηματίζεται η θεωρητική κατανομή της αιολικής ισχύος για κάθε ταχύτητα Αεροδυναμική μετατροπή Μία ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να δεσμεύσει όλη την κινητική ενέργεια του ανέμου, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από την ανεμογεννήτρια με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε η φτερωτή της ανεμογεννήτριας προκαλεί εκτροπή μέρους του αέρα, το οποίο την παρακάμπτει, χωρίς να την διαπεράσει [11]. Επομένως, για καταστάσεις κανονικής λειτουργίας (steady-state), η ανεμογεννήτρια δεσμεύει μόνο ένα μέρος της αιολικής ισχύος. Για τον υπολογισμό της ισχύος που δεσμεύουμε, ορίζουμε τον συντελεστή απόδοσης ισχύος C p (power efficiency coefficient) μίας ανεμογεννήτριας : Όπου P m : η μηχανική ισχύς της ανεμογεννήτριας (σε W) C P m p (2.17) Pw Η φυσική παρουσία μίας ανεμογεννήτριας μπροστά από μία μεγάλη μάζα κινούμενου αέρα τροποποιεί την τοπική αιολική ταχύτητα και πίεση (Σχήμα 2.10). Ας θεωρήσουμε έναν σωλήνα κινούμενου αέρα, με αρχική διάμετρο d 1, ταχύτητα u 1 και πίεση p 1, καθώς πλησιάζει την τουρμπίνα. Κατόπιν η αιολική ταχύτητα μειώνεται, προκαλώντας μεγέθυνση του σωλήνα αέρα ίση με τη διάμετρο της τουρμπίνας d 2. Η πίεση του αέρα θα αυξηθεί στο μέγιστο, ακριβώς μπροστά από την τουρμπίνα και εν συνεχεία, θα πέσει κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση, πίσω από την τουρμπίνα αυτή. Μέρος της κινητικής ενέργειας του αέρα μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια, προκειμένου να προκαλέσει αυτή την αύξηση της πίεσης. Ακόμη περισσότερη κινητική ενέργεια θα μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια μετά την τουρμπίνα, έτσι ώστε να αυξηθεί η πίεση του αέρα και να γίνει πάλι ίση με την ατμοσφαιρική. Το γεγονός αυτό προκαλεί

53 Νιάρου Θεώνη Ι. 53 περαιτέρω μείωση της αιολικής ταχύτητας, μέχρις ότου η πίεση βρεθεί σε ισορροπία. Μόλις η αιολική ταχύτητα φθάσει στο χαμηλότερο σημείο της, η ταχύτητα του σωλήνα αέρα θα αυξηθεί πάλι, μέχρι την τιμή : u 4 =u 1, αφού δέχεται κινητική ενέργεια από τον περιβάλλοντα αέρα. Μπορεί να αποδειχθεί ότι, κάτω από βέλτιστες συνθήκες, όταν μέγιστη ισχύς μεταφέρεται από τoν σωλήνα αέρα στην τουρμπίνα, ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις : 2 1 u2 u3 u1 u4 u A2 A3 A1 A4 3A1 (2.18) 2 Σχήμα 2.10 Κυλινδρικός σωλήνας αέρα που πνέει μέσα από ιδανική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα Η μηχανική ενέργεια που δεσμεύεται, επομένως, είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ αιολικής ισχύος εισόδου και εξόδου : Pm, ideal P1 P4 ( Au 1 1 A4u 4 ) Au 1 1 (σε W) (2.19) Αυτή η σχέση (2.19) δηλώνει ότι 8/9 της ισχύος του αρχικού σωλήνα αέρα δεσμεύονται από μία ιδανική τουρμπίνα. Αυτός ο σωλήνας είναι, ωστόσο, μικρότερος από την τουρμπίνα και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μπερδεμένα συμπεράσματα. Η κανονική μέθοδος περιγραφής αυτής της δεσμευμένης ισχύος βασίζεται στην αρχική αιολική ταχύτητα u 1 και την περιοχή τουρμπίνας A 2, δίνοντας την σχέση : Pm, ideal A2 u1 A2u (σε W) (2.20)

54 Νιάρου Θεώνη Ι. 54 Αποδεικνύεται, λοιπόν, ότι για μία ιδανική ανεμογεννήτρια, η θεωρητικά μέγιστη στατική τιμή του συντελεστή απόδοσης ισχύος C p είναι : 16/27 = 0,593 και λέγεται όριο του Benz. Ο παράγοντας αυτός μας δείχνει ότι μία πραγματική ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να δεσμεύσει περισσότερη ισχύ από 59.3%. Στην πράξη, η ισχύς που δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια (P m ) είναι πάντα μικρότερη της αιολικής ισχύος, εξαιτίας μηχανικών ατελειών και αεροδυναμικών προβλημάτων, όπως η μόνιμα μεταβαλλόμενη αιολική ταχύτητα και κατεύθυνση, όπως επίσης και οι απώλειες τριβών, εξαιτίας της τραχύτητας της επιφάνειας των πτερυγίων [9] Αεροδυναμική των πτερυγίων Η ροή του αέρα πάνω από μία σταθερή αεροτομή παράγει δύο δυνάμεις, μία δύναμη ανύψωσης κάθετη προς τη ροή του αέρα, που λέγεται άνωση (lift) και μία δύναμη αντίστασης στην κατεύθυνση της ροής του αέρα, που λέγεται αντίσταση ή οπισθέλκουσα (drag) (Σχήμα 2.11). Η ύπαρξη της άνωσης εξαρτάται από την ομοιόμορφη ροή πάνω από την αεροτομή, που σημαίνει ότι ο αέρας ρέει ομαλά πάνω κι από τις δύο πλευρές της αεροτομής. Στην περίπτωση που υπάρχει τυρβώδης ροή, παρά ομοιόμορφη ροή, τότε δημιουργείται μικρή ή μηδενική άνωση. Ο αέρας που ρέει πάνω από την κορυφή της αεροτομής επιταχύνεται, εξαιτίας του ότι πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση και αυτή η αύξηση στην ταχύτητα προκαλεί μία ελαφρά μείωση της πίεσης. Αυτή η διαφορά πιέσεως κατά μήκος της αεροτομής παράγει την δύναμη άνωσης, η οποία είναι κάθετη στην κατεύθυνση της ροής του αέρα. Η κίνηση του αέρα πάνω από την αεροτομή παράγει, επίσης, μία δύναμη αντίστασης κατά τη κατεύθυνση της ροής του αέρα. Αυτός είναι ένας όρος απωλειών και ελαχιστοποιείται, όσο αυτό είναι δυνατόν, σε υψηλής απόδοσης ανεμογεννήτριες. Και οι δύο αυτές δυνάμεις, άνωση και αντίσταση, είναι ανάλογες της πυκνότητας του αέρα, της επιφάνειας της αεροτομής και του τετραγώνου της αιολικής ταχύτητας. Σχήμα 2.11 Άνωση και αντίσταση σε μία σταθερή αεροτομή Ας υποθέσουμε, τώρα, ότι επιτρέπουμε στην αεροτομή να κινηθεί κατά την κατεύθυνση της δύναμης ανύψωσης. Αυτή η κίνηση (μετατόπιση) θα συνδυαστεί με την κίνηση του αέρα, ώστε να παραχθεί η σχετική κατεύθυνση του ανέμου (Σχήμα 2.12). Η αεροτομή έχει επαναπροσανατολιστεί, για να διατηρήσει έναν καλό λόγο άνωσης προς αντίσταση. Η άνωση είναι κάθετη στην σχετική κατεύθυνση

55 Νιάρου Θεώνη Ι. 55 του ανέμου, αλλά δεν είναι παράλληλη προς την κατεύθυνση της μετακίνησης της αεροτομής. Οι δυνάμεις ανύψωσης και αντίστασης μπορούν να αναλυθούν σε δύο συνιστώσες, μία παράλληλη και μία κάθετη στην κατεύθυνση του αδιατάρακτου ανέμου και αυτές οι συνιστώσες συνδυάζονται, για να σχηματίσουν την δύναμη F 1 παράλληλα στην κατεύθυνση της μετακίνησης της αεροτομής και την δύναμη F 2 παράλληλα στην κατεύθυνση του αδιατάρακτου ανέμου. Η δύναμη F 1 είναι διαθέσιμη, για να παράγει χρήσιμο έργο. Η δύναμη F 2 πρέπει να ληφθεί υπόψη στον σχεδιασμό στήριξης της αεροτομής, έτσι ώστε να διασφαλισθεί η δομική στιβαρότητα. Σχήμα 2.12 Άνωση και αντίσταση σε μία μετατοπισμένη αεροτομή Ένας πρακτικός τρόπος εφαρμογής της δύναμης F 1 είναι η σύνδεση δύο τέτοιων αεροτομών ή πτερυγίων σε μία κεντρική πλήμνη (hub), επιτρέποντάς τους να περιστρέφονται γύρω από έναν οριζόντιο άξονα (Σχήμα 2.13). Η δύναμη F 1 προκαλεί μία ροπή, η οποία, με τη σειρά της, οδηγεί κάποιο φορτίο συνδεδεμένο με την προπέλα. Ο πύργος στήριξης πρέπει να είναι αρκετά ισχυρός, για να αντέξει την δύναμη F 2. Σχήμα 2.13 Αεροδυναμικές δυνάμεις στο πτερύγιο μίας ανεμογεννήτριας Αυτές οι δυνάμεις, καθώς και η συνολική απόδοση μίας ανεμογεννήτριας, εξαρτώνται από την κατασκευή και τον προσανατολισμό των πτερυγίων. Μία σημαντική παράμετρος ενός πτερυγίου είναι η

56 Νιάρου Θεώνη Ι. 56 γωνία βήματος (κλίσης) β (pitch angle), που είναι η γωνία μεταξύ της ευθείας της χορδής (chord line) του πτερυγίου και του επιπέδου περιστροφής (plane of rotation) (Σχήμα 2.14). Η ευθεία της χορδής είναι η ευθεία γραμμή, που ενώνει το χείλος προσβολής (leading edge) με το χείλος διαφυγής (trailing edge) μίας αεροτομής. Το επίπεδο περιστροφής είναι το επίπεδο που σχηματίζουν τα ακροπτερύγια (blade tips), καθώς περιστρέφονται. Τα ακροπτερύγια ουσιαστικά χαράσσουν έναν κύκλο, που βρίσκεται πάνω στο επίπεδο περιστροφής. Κανονικά, πλήρης ισχύς εξόδου θα μπορούσε να αποκτηθεί, όταν η κατεύθυνση του ανέμου είναι κάθετη στο επίπεδο περιστροφής. Η γωνία βήματος β είναι μία στατική γωνία, που εξαρτάται μόνο από τον προσανατολισμό του πτερυγίου. Σχήμα 2.14 Προσδιορισμός της γωνίας βήματος β και της γωνίας προσβολής a Μία ακόμη σημαντική παράμετρος του πτερυγίου είναι η γωνία προσβολής α (angle of attack), η οποία είναι η γωνία μεταξύ της ευθείας της χορδής του πτερυγίου και της σχετικής κατεύθυνσης του ανέμου ή της αποτελεσματικής κατεύθυνσης της ροής του αέρα. Πρόκειται για μία δυναμική γωνία, που εξαρτάται από την ταχύτητα του πτερυγίου και την αιολική ταχύτητα. Η ταχύτητα του πτερυγίου σε απόσταση R από την πλήμνη (hub) και με γωνιακή ταχύτητα ω r είναι ίση με : Rω r [9]. Στο σημείο αυτό θα ορίσουμε ένα χαρακτηριστικό μέγεθος, που συναντάμε στην αεροδυναμική των ανεμογεννητριών, που ονομάζεται λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (tip-speed ratio) και είναι ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας, λόγω περιστροφής, των ακροπτερυγίων προς την αιολική ταχύτητα : Όπου ω r : η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας (σε rad/sec) R r (2.21) u Η γωνιακή ταχύτητα καθορίζεται από την ταχύτητα περιστροφής n (r/min) από την εξίσωση R : το μήκος του πτερυγίου (σε m) r 2 n 60

57 Νιάρου Θεώνη Ι Καμπύλη απόδοσης C p (λ) Τύπος C p (λ,β) Ο συντελεστής απόδοσης ισχύος C p (σχέση 2.17) μίας ανεμογεννήτριας δεν είναι μία σταθερά, αλλά ποικίλει με την αιολική ταχύτητα u, την ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας ω r και τις παραμέτρους των πτερυγίων, όπως είναι η γωνία προσβολής α και η γωνία βήματος πτερυγίου β. Για λόγους σύγκρισης, οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες τριών πτερυγίων έχουν μία βέλτιστη τιμή C p μεταξύ , όταν αυτή μετρείται στον άξονα (hub) της τουρμπίνας. Σε μερικές περιπτώσεις, ο συντελεστής C p καθορίζεται αναφορικά με την ηλεκτρική ισχύ στους ακροδέκτες της γεννήτριας, από ότι αναφορικά με την μηχανική ισχύ στην πλήμνη (άξονα, κέντρο) (hub) της τουρμπίνας, που σημαίνει πως οι απώλειες στο κιβώτιο ταχυτήτων ή γρανάζι (gear), καθώς και στη γεννήτρια αφαιρούνται από το συντελεστή απόδοσης ισχύος C p. Όταν καθορίζεται κατά αυτόν τον τρόπο, τότε οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες τριών πτερυγίων έχουν μία βέλτιστη τιμή του C p μεταξύ Επομένως, είναι απαραίτητο να καταλαβαίνουμε, εάν οι τιμές του C p προσδιορίζονται ως ένας συντελεστής απόδοσης μηχανικής ή ηλεκτρικής ισχύος [12]. Η πιο συνήθης μέθοδος παρουσίασης της απόδοσης ισχύος είναι μία αδιάστατη καμπύλη C p -λ, η οποία για την περίπτωση μίας τυπικής, μοντέρνας ανεμογεννήτριας τριών πτερυγίων, η καμπύλη παίρνει την παρακάτω μορφή (Σχήμα 2.15). Παρατηρούμε ότι ο C p έχει μέγιστη τιμή για μία συγκεκριμένη τιμή του λ. Η τιμή αυτή του λ καλείται βέλτιστη τιμή του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ opt. Σχήμα 2.15 Καμπύλη απόδοσης C p -λ για μία μοντέρνα ανεμογεννήτρια τριών πτερυγίων Βάσει της βιβλιογραφίας, ο συντελεστής απόδοσης ισχύος C p είναι μία εξαιρετικά μη γραμμική συνάρτηση ισχύος του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ και της γωνίας βήματος του πτερυγίου β. Σε παλαιότερες και απλούστερες ανεμογεννήτριες, τα πτερύγια έχουν μία σταθερή γωνιακή θέση πάνω στην πλήμνη της ανεμογεννήτριας, που σημαίνει ότι η γωνία βήματος β είναι σταθερή (β const ). Σε αυτή την περίπτωση, όπου β=β const, η σχέση μεταξύ C p (λ,β const ) και λ θα δίνει μία καμπύλη παρόμοια με αυτή του σχήματος 2.15.

58 Νιάρου Θεώνη Ι. 58 Στην γενική περίπτωση, για κάθε ταχύτητα του ανέμου πρέπει η γωνιακή ταχύτητα του ρότορα να παίρνει τιμές που να βελτιστοποιούν τα λ και β, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστη παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Για δεδομένες τιμές των λ και β, υπολογίζεται η τιμή του C p (λ, β) χρησιμοποιώντας τον παρακάτω προσεγγιστικό τύπο : (2.22) (2.23) Με βάση τις σχέσεις αυτές, είναι δυνατόν να σχεδιάσουμε ένα διάγραμμα που να εμπλέκει το C p, το λ και το β (σε μοίρες). Προκύπτει, έτσι, το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.16), στο οποίο διαπιστώνουμε εύκολα πως η μέγιστη τιμή του C p αντιστοιχεί στην τιμή β=0. Η τιμή αυτή του β μπορεί να μας δώσει τη βέλτιστη τιμή και για το C p και για το λ i και το λ [8,13]. Σχήμα 2.16 Διάγραμμα του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ με το συντελεστή ισχύος C p, για διάφορες τιμές του β 2.6 Αποδοτικότητες μετάδοσης και παραγωγής - Ηλεκτρική ισχύς εξόδου Όπως έχουμε αναφέρει και νωρίτερα, η μηχανική ισχύς P m (=C p P w ) (σχέση 2.17) ή αλλιώς ισχύς εξόδου του άξονα, κανονικά δεν χρησιμοποιείται απευθείας, αλλά συνήθως βρίσκεται σε συνδυασμό με ένα φορτίο, μέσα από μία μετάδοση ή ένα κιβώτιο ταχυτήτων (gear box). Το φορτίο για την περίπτωση που μας ενδιαφέρει εδώ, είναι μία ηλεκτρική γεννήτρια. Το βασικό σύστημα, επομένως, φαίνεται παρακάτω (Σχήμα 2.17). Ξεκινάμε με την αιολική ισχύ P w. Αφού αυτή η ισχύς περάσει μέσα από την τουρμπίνα, θα έχουμε μία μηχανική ισχύ P m στην γωνιακή ταχύτητα τουρμπίνας ω m, η οποία -εν συνεχεία- εφαρμόζεται στην μετάδοση. Η ισχύς εξόδου της μετάδοσης P t δίνεται, τότε, από την εξής σχέση : P n P (σε W) (2.24) t m m

59 Νιάρου Θεώνη Ι. 59 Όπου n m : ο βαθμός απόδοσης του μηχανικού συστήματος ή αποδοτικότητα μετάδοσης ~0.8 Ομοίως, η ισχύς εξόδου της γεννήτριας P e δίνεται από τον παρακάτω τύπο : P n P (σε W) (2.25) e g t Όπου n g : ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ή αποδοτικότητα γεννήτριας ~0.9 Συνδυάζοντας, επομένως, τις σχέσεις (2.17), (2.24) και (2.25), παίρνουμε μία εξίσωση που δίνει την ηλεκτρική ισχύ εξόδου σε σχέση με την αιολική ισχύ εισόδου : P C n n P (σε W) (2.26) e p m g w Σχήμα 2.17 Σύστημα αιολικής ενέργειας Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες δεσμεύουν αιολική ισχύ σε μηχανική μορφή και την μεταδίδουν στο φορτίο, μέσα από κατάλληλα κατασκευασμένους περιστρεφόμενους άξονες. Όταν η ισχύς μεταδοθεί μέσα από έναν άξονα, τότε εμφανίζεται η ροπή T, η οποία δίνεται από τον γενικό τύπο : Όπου P : είναι η μηχανική ισχύς (σε W) ω : η γωνιακή ταχύτητα (σε rad/sec) T P (σε N m/rad) (2.27) Οπότε, η ροπή στον άξονα χαμηλής ταχύτητας είναι T m = P m / ω m, ενώ η ροπή στον άξονα υψηλής ταχύτητας είναι T t = P t / ω t. Σύμφωνα με όσα έχουν αναφερθεί σε προηγούμενη παράγραφο, η κατανομή Rayleigh είναι μία ειδική περίπτωση της κατανομής Weibull για k=2 και είναι, συνήθως, επαρκώς ακριβής για αναλύσεις αιολικών συστημάτων ισχύος. Αυτή η τιμή του k θα πρέπει να χρησιμοποιείται, όταν οι στατιστικές του ανέμου μίας συγκεκριμένης περιοχής δεν είναι γνωστές. Η γραφική παράσταση της ηλεκτρικής ισχύος εξόδου P e συναρτήσει της αιολικής ταχύτητας u, για k=2 δίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.18). Η σχέση

60 Νιάρου Θεώνη Ι. 60 (2.26) ισχύει μόνο για μία περιοχή αιολικών ταχυτήτων, διότι η ηλεκτρική ισχύς που μπορούμε να πάρουμε είναι το πολύ ίση με την ονομαστική (rated) ηλεκτρική ισχύ P er της γεννήτριας. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι τόσο μεγάλη, ώστε η ισχύς που υπολογίζεται από αυτόν τον τύπο, είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική, τότε η ισχύς που πραγματικά παράγεται είναι ίση με την ονομαστική. Διακρίνουμε, επομένως, τρεις ταχύτητες : Ταχύτητα έναρξης u c (cut-in speed) : Είναι η ελάχιστη ταχύτητα ανέμου, όπου η μηχανή αρχίζει να παράγει ισχύ (της τάξεως των 4m/sec), διότι εμποδίζεται από τριβές, μηχανικές απώλειες, κλπ. Ονομαστική ταχύτητα u R (rated speed) : Είναι η ταχύτητα, όπου η μηχανή αρχίζει να παράγει την ονομαστική (δηλαδή την μέγιστη) ισχύ. Ταχύτητα αποσύζευξης u F (furling or cut-out speed) : Από την ονομαστική μέχρι την ταχύτητα αυτή, η μηχανή περιορίζει την έξοδό της στην ονομαστική ισχύ, ενώ για ταχύτητες μεγαλύτερες της u F (της τάξεως των 30 m/sec) η παραγωγή ενέργειας διακόπτεται, προκειμένου να προστατευθεί η εγκατάσταση. Ο περιορισμός της εξόδου στην ονομαστική τιμή γίνεται, στην πράξη, με μεταβολή της κλίσης των πτερυγίων ή του προσανατολισμού ολόκληρης της φτερωτής ως προς την διεύθυνση του ανέμου [9,11]. Σχήμα 2.18 Η ηλεκτρική ισχύς εξόδου μίας ανεμογεννήτριας συναρτήσει της αιολικής ταχύτητας 2.7 Αεροδυναμικός έλεγχος ισχύος ανεμογεννητριών Όλες οι ανεμογεννήτριες έχουν σχεδιαστεί με κάποιου είδους έλεγχο ισχύος. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ελέγχου των αεροδυναμικών δυνάμεων πάνω στον δρομέα της τουρμπίνας και περιορισμού, κατά συνέπεια, της ισχύος σε πολύ ισχυρούς ανέμους, προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν βλάβες στην ανεμογεννήτρια. Έλεγχος απώλειας στήριξης (stall control) : Η απλούστερη, πιο ισχυρή και φθηνότερη μέθοδος ελέγχου είναι ο έλεγχος απώλειας στήριξης (παθητικός έλεγχος), όπου τα πτερύγια είναι βιδωμένα πάνω στην πλήμνη (hub) - στον άξονα, δηλαδή, της ανεμογεννήτριας - σε μία σταθερή

61 Νιάρου Θεώνη Ι. 61 γωνία. Ο αεροδυναμικός σχεδιασμός του δρομέα είναι τέτοιος ώστε να προκαλεί την απώλεια στήριξης στο δρομέα (απώλεια ισχύος), όταν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί ένα ορισμένο επίπεδο. Έτσι, περιορίζεται η αεροδυναμική ισχύς στα πτερύγια. Μία τόσο αργή ρύθμιση της αεροδυναμικής ισχύος προκαλεί λιγότερες διακυμάνσεις στην ισχύ, από μία ρύθμιση ισχύος με γρήγορη μεταβολή της γωνίας των πτερυγίων. Μερικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι : χαμηλότερη απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, μη υποβοηθούμενη εκκίνηση και διακυμάνσεις στην μέγιστη ισχύ μόνιμης κατάστασης (steady-state), που οφείλονται στις διακυμάνσεις της πυκνότητας του αέρα και των συχνοτήτων του δικτύου. Έλεγχος βήματος πτερυγίων (pitch control) : Ένας άλλος τύπος ελέγχου είναι ο έλεγχος βήματος (ενεργός έλεγχος), όπου τα πτερύγια μπορούν να προσανατολισθούν εκτός ή προς τον άνεμο, καθώς η ισχύς εξόδου γίνεται υπερβολικά υψηλή ή χαμηλή, αντίστοιχα. Γενικά, τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου ελέγχου είναι τα εξής : καλός έλεγχος της ισχύος, υποβοηθούμενη εκκίνηση και διακοπή λειτουργίας σε έκτακτη ανάγκη. Από ηλεκτρικής άποψης, καλός έλεγχος της ισχύος σημαίνει ότι σε υψηλές ταχύτητες ανέμου η μέση τιμή (mean value) της ισχύος εξόδου διατηρείται κοντά στην ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Μερικά μειονεκτήματα είναι : η επιπλέον πολυπλοκότητα που προκύπτει από τον μηχανισμό των στρεφόμενων πτερυγίων και οι υψηλότερες διακυμάνσεις της ισχύος σε υψηλές ταχύτητες ανέμου. Η στιγμιαία ισχύς θα κυμαίνεται γύρω από την ονομαστική μέση τιμή της ισχύος, εξαιτίας των ριπών (σφοδρών ανέμων) και της περιορισμένης ταχύτητας του μηχανισμού περιστροφής των πτερυγίων. Ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης (active stall control) : Η τρίτη πιθανή στρατηγική ελέγχου λέγεται : ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης, που σημαίνει ότι η απώλεια στήριξης των πτερυγίων ελέγχεται ενεργά μέσω της περιστροφής των πτερυγίων. Σε χαμηλές αιολικές ταχύτητες τα πτερύγια στρέφονται με τον ίδιο τρόπο, όπως και σε μία ανεμογεννήτρια με έλεγχο γωνίας βήματος, προκειμένου να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση. Σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου τα πτερύγια πηγαίνουν σε μεγαλύτερη απώλεια στήριξης, στρεφόμενα ελάχιστα σε κατεύθυνση αντίθετη από αυτή μίας ανεμογεννήτριας με έλεγχο γωνίας βήματος. Η ανεμογεννήτρια με ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης επιτυγχάνει μία ομαλότερη περιορισμένη ισχύ, χωρίς διακυμάνσεις υψηλής ισχύος, όπως στην περίπτωση των ανεμογεννητριών ελέγχου βήματος. Αυτός ο τύπος ελέγχου έχει το πλεονέκτημα του να μπορεί να αντισταθμίσει μεταβολές στην πυκνότητα του αέρα. Ο συνδυασμός με τον μηχανισμό γωνίας βήματος καθιστά ευκολότερη την διαχείριση επειγουσών καταστάσεων άμεσης διακοπής λειτουργίας, καθώς και την εκκίνηση της ανεμογεννήτριας.

62 Νιάρου Θεώνη Ι Ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να λειτουργήσουν : είτε i) με σταθερή ταχύτητα (fixed speed) (στην πραγματικότητα, μέσα σε ένα περιθώριο ταχύτητας περίπου 1 %), είτε ii) με μεταβλητή ταχύτητα (variable speed). i) Ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας : Χαρακτηριστικό των ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας είναι ότι είναι εξοπλισμένες με μία επαγωγική γεννήτρια : βραχυκυκλωμένου κλωβού (squirrel cage) ή δακτυλιοφόρου δρομέα (wound rotor), η οποία συνδέεται απευθείας με το ηλεκτρικό δίκτυο, με μια διάταξη ομαλής εκκίνησης (soft starter) και μια συστοιχία πυκνωτών (capasitor bank) για τη μείωση της κατανάλωσης αέργου ισχύος (Σχήμα 2.19). Ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου, η ταχύτητα του δρομέα είναι σταθερή και καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου παροχής, την αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων (gear ratio) και το σχεδιασμό της γεννήτριας. Οι ανεμογεννήτριες αυτές σχεδιάζονται έτσι ώστε να παρουσιάζουν μέγιστη αεροδυναμική απόδοση, σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα του ανέμου. Προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή ισχύος, η γεννήτρια ορισμένων ανεμογεννητριών σταθερής ταχύτητας έχει διπλά τυλίγματα στάτη : το ένα χρησιμοποιείται σε χαμηλές αιολικές ταχύτητες (τυπικά, 8 πόλοι) και το άλλο σε μεσαίες και υψηλές αιολικές ταχύτητες (τυπικά, 4-6 πόλοι). Τα πλεονεκτήματά τους είναι τα εξής : είναι απλές κατασκευαστικά, στιβαρές, αξιόπιστες και το κόστος των ηλεκτρικών τους μερών είναι χαμηλό. Τα μειονεκτήματά τους είναι : η ανεξέλεγκτη κατανάλωση αέργου ισχύος, μηχανική καταπόνηση και περιορισμένος έλεγχος ποιότητας ισχύος. Λόγω της λειτουργίας τους υπό σταθερή ταχύτητα, όλες οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του ανέμου διαβιβάζονται περαιτέρω ως διακυμάνσεις στη μηχανική ροπή και ύστερα, ως διακυμάνσεις στην ηλεκτρική ισχύ του δικτύου. Στην περίπτωση των αδύναμων δικτύων, οι διακυμάνσεις ισχύος μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε μεγάλες διακυμάνσεις της τάσης, οι οποίες με τη σειρά τους- θα οδηγήσουν σε σημαντικές απώλειες γραμμής. Στις αρχές της δεκαετίας 90 οι εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες λειτουργούσαν υπό σταθερή ταχύτητα. Σχήμα 2.19 Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική γεννήτρια

63 Νιάρου Θεώνη Ι. 63 ii) Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας : Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, η ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας έχει γίνει ο κυρίαρχος τύπος μεταξύ των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου είναι κατάλληλα σχεδιασμένες, ώστε να πετυχαίνουν μέγιστη αεροδυναμική απόδοση, σε ένα ευρύ φάσμα αιολικών ταχυτήτων. Με τη λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας έχει καταστεί δυνατή η συνεχής προσαρμογή (επιτάχυνση ή επιβράδυνση) της ταχύτητας περιστροφής ω της ανεμογεννήτριας στην αιολική ταχύτητα u. Κατά αυτό τον τρόπο, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ διατηρείται σταθερός σε μία προκαθορισμένη τιμή, που αντιστοιχεί στον μέγιστο συντελεστή ισχύος C p. Σε αντίθεση με ένα σύστημα σταθερής ταχύτητας, ένα σύστημα μεταβλητής ταχύτητας διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας αρκετά σταθερή και οι διακυμάνσεις του ανέμου απορροφούνται από αλλαγές στην ταχύτητα της γεννήτριας. Το ηλεκτρικό σύστημα μίας ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας είναι πιο πολύπλοκο από εκείνο μίας ανεμογεννήτριας σταθερής ταχύτητας. Είναι συνήθως εξοπλισμένη με μία επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια και συνδεδεμένη με το δίκτυο, μέσω ενός μετατροπέα ισχύος (Σχήμα 2.20). Ο μετατροπέας ισχύος ελέγχει την ταχύτητα της γεννήτριας, που σημαίνει ότι οι διακυμάνσεις στην ισχύ, που προκαλούνται από διακυμάνσεις του ανέμου, απορροφούνται κυρίως από αλλαγές στην ταχύτητα του δρομέα της γεννήτριας και κατά συνέπεια, στην ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας. Τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας είναι τα εξής : μία αυξημένη δέσμευση ενέργειας, βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και μειωμένη μηχανική καταπόνηση στην ανεμογεννήτρια. Τα μειονεκτήματα είναι : απώλειες στα ηλεκτρονικά ισχύος, η χρήση περισσοτέρων εξαρτημάτων, καθώς και το αυξανόμενο κόστος του εξοπλισμού, εξαιτίας των ηλεκτρονικών ισχύος [14,12]. Σχήμα 2.20 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη ή επαγωγική γεννήτρια 2.9 Τοπολογίες ανεμογεννητριών Εν συνεχεία, θα περιγράψουμε τις πιο κοινά χρησιμοποιούμενες ανεμογεννήτριες, οι οποίες ταξινομούνται βάσει της ικανότητάς τους να ελέγχουν την ταχύτητα και βάσει του τύπου ελέγχου ισχύος που χρησιμοποιούν. Με βάση το κριτήριο του ελέγχου ταχύτητας, προκύπτουν τέσσερα βασικά είδη ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να ταξινομηθούν περαιτέρω, βάσει του τύπου ελέγχου της ισχύος : έλεγχος απώλειας στήριξης, έλεγχος βήματος πτερυγίων, ενεργός έλεγχος απώλειας

64 Νιάρου Θεώνη Ι. 64 στήριξης. Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας 2.1) δείχνει τους διαφορετικούς τύπους συνθέσεων των ανεμογεννητριών, λαμβάνοντας υπόψη και τα δύο κριτήρια (έλεγχος ταχύτητας και έλεγχος ισχύος). Να σημειώσουμε, στο σημείο αυτό, πως παρόλο που υπάρχουν και άλλα εναλλακτικά σχέδια ανεμογεννητριών, ελάχιστα διαφορετικών βέβαια, εμείς θα αρκεστούμε στους τέσσερις βασικούς τύπους αυτών και θα παρουσιάσουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Πίνακας 2.1 Ταξινόμηση ανεμογεννητριών (γκρι περιοχές : τύποι που δεν χρησιμοποιούνται σήμερα) Τύπου Α : Σταθερής ταχύτητας Πρόκειται για ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με μία ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG), που συνδέεται απευθείας με το δίκτυο, μέσω ενός μετασχηματιστή (Σχήμα 2.21). Δεδομένου ότι η ανεμογεννήτρια αυτή αντλεί πάντα άεργο ισχύ από το δίκτυο, χρησιμοποιεί μία συστοιχία πυκνωτών για αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Μία πιο ομαλή σύνδεση με το δίκτυο επιτυγχάνεται, χρησιμοποιώντας μία διάταξη ομαλής εκκίνησης. Ανεξάρτητα από την αρχή ελέγχου ισχύος σε μία ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας, οι διακυμάνσεις του ανέμου μετατρέπονται σε μηχανικές διακυμάνσεις και κατά συνέπεια, σε διακυμάνσεις ηλεκτρικής ισχύος. Στην περίπτωση ενός αδύναμου δικτύου, αυτές μπορεί να αποφέρουν διακυμάνσεις τάσεως στο σημείο σύνδεσης. Εξαιτίας αυτών των διακυμάνσεων τάσεως, η ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας αντλεί ποικίλες ποσότητες αέργου ισχύος από το δίκτυο (εκτός εάν υπάρχει συστοιχία πυκνωτών), γεγονός που αυξάνει τόσο τις διακυμάνσεις τάσης, όσο και τις απώλειες γραμμής. Έτσι, τα κύρια μειονεκτήματα αυτού του τύπου ανεμογεννήτριας είναι : ότι δεν υποστηρίζει κανένα έλεγχο ταχύτητας, απαιτεί ένα σκληρό δίκτυο και η μηχανική του κατασκευή πρέπει να είναι σε θέση να αντέχει υψηλές μηχανικές καταπονήσεις. Σχήμα 2.21 Τύπου Α : Α/Γ σταθερής ταχύτητας με επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού

65 Νιάρου Θεώνη Ι. 65 Υπάρχουν βάσει του παραπάνω πίνακα- τρεις εκδόσεις της ανεμογεννήτριας τύπου Α, που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία αυτή τη στιγμή : Τύπου Α0 : Χρησιμοποιήθηκαν από πολλούς Δανούς κατασκευαστές ανεμογεννητριών, κατά τις δεκαετίες 80 και 90. Είναι δημοφιλής, λόγω της σχετικά χαμηλής τιμής τους, της απλότητάς τους και της δυναμικής τους. Οι ανεμογεννήτριες με έλεγχο απώλειας στήριξης δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν υποβοηθούμενες εκκινήσεις, που σημαίνει ότι η ισχύς της τουρμπίνας δεν μπορεί να ελεγχθεί, κατά τη διάρκεια της ακολουθίας σύνδεσης. Τύπου Α1: Χρησιμοποιούνται, επίσης, στην αγορά. Τα κύρια χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας αυτού του τύπου είναι : ότι διευκολύνει την δυνατότητα ελέγχου ισχύος, την ελεγχόμενη εκκίνηση και την διακοπή λειτουργίας έκτακτης ανάγκης. Το μεγαλύτερο μειονέκτημά της είναι : ότι σε υψηλές ταχύτητες ανέμου, ακόμη και οι μικρές διακυμάνσεις στην ταχύτητα ανέμου, οδηγούν σε μεγάλες διακυμάνσεις της ισχύος εξόδου. Ο μηχανισμός βήματος πτερυγίων δεν είναι αρκετά γρήγορος, ώστε να αποφευχθούν τέτοιες διακυμάνσεις ισχύος. Αλλάζοντας την κλίση του πτερυγίου, αργές διακυμάνσεις στον άνεμο μπορούν να αντισταθμιστούν, αλλά αυτό δεν είναι εφικτό στην περίπτωση ριπών (σφοδρών ανέμων). Τύπου Α2 : Έγιναν πρόσφατα δημοφιλείς. Αυτός ο τύπος ανεμογεννήτριας διατηρεί ουσιαστικά όλα τα χαρακτηριστικά ποιότητας ισχύος του συστήματος ρυθμιζόμενης απώλειας στήριξης. Οι βελτιώσεις βρίσκονται στην καλύτερη αξιοποίηση του συνολικού συστήματος, ως αποτέλεσμα της χρήσης του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης. Η ευέλικτη σύζευξη των πτερυγίων στην πλήμνη (hub) διευκολύνει, επίσης, τις έκτακτες διακοπές και εκκινήσεις. Ένα μειονέκτημα είναι η υψηλότερη τιμή, που οφείλεται στον μηχανισμό βήματος πτερυγίων και στον ελεγκτή του. Τύπου Β : Περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας Πρόκειται για ανεμογεννήτρια περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας, με μεταβλητή αντίσταση στον δρομέα της γεννήτριας (OptiSlip). Χρησιμοποιεί μία επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) και έχει χρησιμοποιηθεί από τον Δανό κατασκευαστή Vestas από τα μέσα της δεκαετίας 90. Η γεννήτρια είναι απευθείας συνδεδεμένη με το δίκτυο. Μία συστοιχία πυκνωτών πραγματοποιεί την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Μία πιο ομαλή σύνδεση δικτύου πετυχαίνεται με τη χρήση μίας διάταξης ομαλής εκκίνησης (Σχήμα 2.22). Το μοναδικό χαρακτηριστικό αυτής της ανεμογεννήτριας είναι ότι έχει επιπρόσθετη μεταβλητή αντίσταση στον δρομέα, η οποία μπορεί να αλλάζει από έναν οπτικά ελεγχόμενο μετατροπέα, που είναι τοποθετημένος επί του άξονα του δρομέα. Επομένως, η συνολική αντίσταση δρομέα είναι ελεγχόμενη. Αυτή η οπτική ζεύξη εξαλείφει την ανάγκη για δαπανηρούς δακτυλίους ολίσθησης (slip rings), οι οποίοι χρειάζονται ψύκτρες και συντήρηση. Η αντίσταση του δρομέα μπορεί να αλλάξει και να ελέγχει, έτσι, την ολίσθηση. Με αυτό τον τρόπο, ελέγχεται η ισχύς εξόδου του συστήματος. Το εύρος του δυναμικού ελέγχου ταχύτητας εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβλητής αντίστασης δρομέα. Τυπικά, η ταχύτητα κυμαίνεται 0-10% πάνω από τη

66 Νιάρου Θεώνη Ι. 66 σύγχρονη ταχύτητα. Η ενέργεια που προέρχεται από την εξωτερική μονάδα μετατροπής ισχύος αμελείται ως απώλεια θερμότητας. Σχήμα 2.22 Τύπου Β : Α/Γ περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας, με επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Τύπος C : Μεταβλητής ταχύτητας με μερικής κλίμακας μετατροπέα συχνότητας Πρόκειται για τη γνωστή σε εμάς διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια (DFIG), που αντιστοιχεί στην περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας ανεμογεννήτρια, με επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) και μερικής κλίμακας μετατροπέα συχνότητας (υπολογίζεται περίπου 30% της ονομαστικής ισχύος γεννήτριας) επί του κυκλώματος του δρομέα (Σχήμα 2.23). Ο μερικής κλίμακας μετατροπέας συχνότητας εκτελεί την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος και την ομαλότερη σύνδεση με το δίκτυο. Έχει ένα ευρύτερο φάσμα δυναμικού ελέγχου της ταχύτητας, συγκρινόμενη με την OptiSlip, ανάλογα το μέγεθος του μετατροπέα συχνότητας. Συνήθως, το εύρος ταχύτητας περιλαμβάνει την σύγχρονη ταχύτητα από -40% έως +30%. Ο μικρότερος μετατροπέας συχνότητας κάνει πιο ελκυστική αυτού του τύπου την ανεμογεννήτρια, από οικονομικής σκοπιάς. Τα κύρια μειονεκτήματά του είναι η χρήση δακτυλίων ολίσθησης και η προστασία σε περίπτωση βλαβών του δικτύου. Σχήμα 2.23 Τύπου C : Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας με μερικής κλίμακας μετατροπέα συχνότητας με επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Τύπος D : Μεταβλητής ταχύτητας με πλήρους κλίμακας μετατροπέα συχνότητας Πρόκειται για την ανεμογεννήτρια πλήρους μεταβλητής ταχύτητας, με την γεννήτρια συνδεδεμένη στο δίκτυο, μέσω ενός πλήρους κλίμακας μετατροπέα συχνότητας. Ο μετατροπέας

67 Νιάρου Θεώνη Ι. 67 συχνότητας πραγματοποιεί την αντιστάθμιση αέργου ισχύος και την ομαλότερη σύνδεση με το δίκτυο. Η γεννήτρια μπορεί να διεγερθεί ηλεκτρικά (επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG or WRSG) ή μέσω ενός μόνιμου μαγνήτη (σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG) (Σχήμα 2.24). Μερικές ανεμογεννήτριες πλήρους μεταβλητής ταχύτητας δεν έχουν κιβώτιο ταχυτήτων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, χρησιμοποιείται για παράδειγμα, μία ευθέως οδηγούμενη πολυπολική γεννήτρια με μεγάλη διάμετρο. Σχήμα 2.24 Τύπου D : Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας με πλήρους κλίμακας μετατροπέα συχνότητας με γεννήτρια επαγωγική/σύγχρονη δακτυλιοφόρου δρομέα ή σύγχρονη μόνιμου μαγνήτη 2.10 Συνήθεις τύποι γεννητριών Αυτή τη στιγμή, 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, που όμως τελευταία παρουσιάζει κάποιες αυξητικές τάσεις, χρησιμοποιούνται σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμο μαγνήτη. Σήμερα, στη διεθνή αγορά των ανεμογεννητριών, κυρίαρχος τύπος ανεμογεννήτριας (σε ποσοστό μεγαλύτερο του 70%) είναι αυτός με διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική μηχανή (DFIG), με μεταβλητή ταχύτητα και μεταβλητό έλεγχο γωνίας κλίσης των πτερυγίων. Γενικά, για ισχείς της τάξης των MW, μία ανεμογεννήτρια μπορεί να εξοπλιστεί με οποιονδήποτε τύπο τριφασικής γεννήτριας. Στις ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται, επομένως, οι εξής τύποι γεννητριών : Ασύγχρονη (επαγωγική) γεννήτρια : o Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) o Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) : (i) OptiSlip επαγωγική γεννήτρια (OSIG) (ii) Διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια (DFIG). Σύγχρονη γεννήτρια : Γεννήτρια βραχυκυκλωμένου δρομέα (WRSG) Γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG).

68 Νιάρου Θεώνη Ι Ασύγχρονη (επαγωγική) γεννήτρια Πρόκειται για τον πιο γνωστό τύπο γεννήτριας, που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή σε ανεμογεννήτριες. Έχει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως : ευρωστία, απλότητα στο μηχανικό κομμάτι και χαμηλό κόστος, που οφείλεται στο μεγάλο αριθμό παραγωγής τους. Το μεγάλο μειονέκτημά της είναι ότι ο στάτης χρειάζεται ένα άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Η ασύγχρονη γεννήτρια δεν περιέχει μόνιμους μαγνήτες και δεν διεγείρεται χωριστά. Γι αυτό το λόγο, λαμβάνει το ρεύμα διέγερσης από άλλη πηγή και καταναλώνει, έτσι, άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να παρέχεται από το δίκτυο ή από ένα κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος. Το μαγνητικό πεδίο της γεννήτριας εγκαθίσταται, μόνο εφόσον είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο. Στην περίπτωση της AC διέγερσης, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται, στρέφεται με μία ταχύτητα που εξαρτάται, από κοινού, από τον αριθμό των πόλων στο τύλιγμα και τη συχνότητα του ρεύματος, δηλαδή τη σύγχρονη ταχύτητα. Έτσι, εάν ο δρομέας περιστρέφεται με μία ταχύτητα που ξεπερνά τη σύγχρονη ταχύτητα, επάγεται ένα ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα στον δρομέα και το στρεφόμενο πεδίο του στάτη από μία σχετική κίνηση (ολίσθηση), γεγονός που προκαλεί ένα ρεύμα στα τυλίγματα του δρομέα. Η αλληλεπίδραση μεταξύ του μαγνητικού πεδίου του δρομέα και του πεδίου του στάτη έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ροπής στον δρομέα. Ο δρομέας μίας επαγωγικής γεννήτριας μπορεί να είναι : βραχυκυκλωμένος κλωβός ή δακτυλιοφόρος δρομέας Επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού Μέχρι τώρα, υπήρξε η επικρατούσα επιλογή σε απλές εφαρμογές, εξαιτίας της μηχανικής της απλότητας, της υψηλής απόδοσής της και του ελάχιστου κόστους συντήρησης που απαιτεί. Με σύνδεση απευθείας στο δίκτυο, η ταχύτητα της γεννήτριας αυτής μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό, εξαιτίας της ολίσθησης της γεννήτριας, η οποία οφείλεται στις αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Για το λόγο αυτό, η γεννήτρια αυτή χρησιμοποιείται για ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (Τύπου Α). Η γεννήτρια και ο δρομέας της ανεμογεννήτριας συνδέονται μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων, μιας και το εύρος της βέλτιστης τιμής της ταχύτητας του δρομέα είναι διαφορετική από αυτή της γεννήτριας. Αυτού του τύπου ανεμογεννήτριες έχουν, συνήθως, έναν μηχανισμό ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή και μία εγκατάσταση για αντιστάθμιση αέργου ισχύος, με πυκνωτές, μιας και οι γεννήτριες αυτές καταναλώνουν άεργο ισχύ. Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν μία απότομη χαρακτηριστική ροπής-ταχύτητας και επομένως, διακυμάνσεις στην αιολική ισχύ μεταφέρονται απευθείας στο δίκτυο. Αυτές οι διαταραχές είναι ιδιαίτερα σημαντικές, κατά τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο, όπου το μεταβατικό ρεύμα μπορεί να είναι 7-8 φορές μεγαλύτερο από το ονομαστικό. Σε ένα αδύναμο δίκτυο, αυτό το υψηλό μεταβατικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει σοβαρές διαταραχές στην τάση. Επομένως, η σύνδεση της γεννήτριας αυτής στο δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σταδιακά, προκειμένου να μειωθεί το μεταβατικό ρεύμα.

69 Νιάρου Θεώνη Ι. 69 Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας και της απευθείας σύνδεσης με ένα στιβαρό AC δίκτυο, η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι πολύ εύρωστη και ευσταθής. Η ολίσθηση ποικίλει και αυξάνεται με την αύξηση του φορτίου. Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι, λόγω του ρεύματος μαγνήτισης που παρέχεται από το δίκτυο στο τύλιγμα του στάτη, ο συντελεστής ισχύος υπό πλήρες φορτίο είναι σχετικά μικρός. Αυτό θα πρέπει να συσχετισθεί με το γεγονός ότι οι περισσότερες εταιρείες ηλεκτρισμού επιβάλλουν κυρώσεις στους μεγάλους καταναλωτές, που φορτώνουν με χαμηλούς συντελεστές ισχύος. Επόμενο, λοιπόν, να μην επιτρέπεται η παραγωγή σε χαμηλό συντελεστή ισχύος ούτε κι εδώ. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί, συνδέοντας πυκνωτές παράλληλα με τη γεννήτρια. Στις γεννήτριες αυτού του τύπου υπάρχει μία μοναδική σχέση μεταξύ της ενεργού ισχύος, της αέργου ισχύος, της τερματικής τάσης και της ταχύτητας του ρότορα. Αυτό σημαίνει ότι σε υψηλές ταχύτητες ανέμου, η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει μεγαλύτερα ποσά ενεργού ισχύος, μόνο αν η γεννήτρια απορροφήσει περισσότερη άεργο ισχύ. Για αυτές τις γεννήτριες, το ποσό της καταναλισκόμενης αέργου ισχύος είναι μη ελέγξιμο, αφού μεταβάλλεται βάσει των συνθηκών του ανέμου. Εάν δεν υπάρχουν ηλεκτρικά στοιχεία να παρέχουν την άεργο ισχύ, τότε η άεργος ισχύς για την γεννήτρια θα πρέπει να προέλθει απευθείας από το δίκτυο. Η άεργο ισχύς που παρέχεται από το δίκτυο, προκαλεί επιπρόσθετες απώλειες μεταφοράς και σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να κάνει το δίκτυο ασταθές. Συστοιχίες πυκνωτών ή μοντέρνοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να μειωθεί η κατανάλωση αέργου ισχύος. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι τα ηλεκτρικά μεταβατικά φαινόμενα συμβαίνουν κατά τη διακοπτική λειτουργία. Σε περίπτωση σφάλματος, οι γεννήτριες αυτές χωρίς κανένα σύστημα αντιστάθμισης αέργου ισχύος μπορεί να οδηγήσουν σε αστάθεια της τάσης στο δίκτυο. Ο δρομέας της ανεμογεννήτριας μπορεί να επιταχυνθεί (αύξηση ολίσθησης), για παράδειγμα, όταν συμβεί ένα σφάλμα, εξαιτίας της ανισορροπίας μεταξύ ηλεκτρικής και μηχανικής ροπής. Έτσι, όταν καθαρίσει το σφάλμα, η γεννήτρια αυτή τραβάει μία μεγάλη ποσότητα αέργου ισχύος από το δίκτυο, γεγονός που οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της τάσης. Οι επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού μπορούν να χρησιμοποιηθούν εξίσου, τόσο σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (Τύπου Α), όσο και σε ανεμογεννήτριες πλήρους μεταβλητής ταχύτητας (Τύπου D). Στην τελευταία περίπτωση, η μεταβλητή συχνότητα ισχύος της μηχανής μετατρέπεται σε σταθερή συχνότητα ισχύος, με τη χρήση ενός μετατροπέα ισχύος back-to-back, πλήρους φορτίου, διπλής κατευθύνσεως Επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Στην περίπτωση της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του δρομέα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά και έτσι, να αποτυπωθεί μία τάση στον δρομέα. Τα τυλίγματα του δακτυλιοφόρου δρομέα μπορούν να συνδεθούν εξωτερικά, μέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψυκτρών ή μέσω εξοπλισμού ηλεκτρικών ισχύος, ο οποίος μπορεί να χρειαστεί ή και όχι, δακτυλίους ολίσθησης και ψύκτρες. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά ισχύος, η ισχύς μπορεί να εξαχθεί ή να εισαχθεί

70 Νιάρου Θεώνη Ι. 70 στο κύκλωμα του δρομέα και η γεννήτρια μπορεί να μαγνητισθεί είτε από το κύκλωμα του στάτη, είτε από το κύκλωμα του δρομέα. Είναι, επομένως, δυνατόν να ανακτήσει ενέργεια ολίσθησης από το κύκλωμα του δρομέα και να το τροφοδοτήσει στην έξοδο του στάτη. Το μειονέκτημα αυτής της γεννήτριας είναι ότι : είναι πιο ακριβή, αλλά όχι τόσο εύρωστη, όσο η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Η βιομηχανία των ανεμογεννητριών, συνήθως, χρησιμοποιεί τους εξής δύο τύπους επαγωγικών γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα : (i) Επαγωγική γεννήτρια περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας, με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OptiSlip) Η γεννήτρια αυτή δημιουργήθηκε, για να ελαχιστοποιήσει το φορτίο στη ανεμογεννήτρια κατά τη διάρκεια ριπών. Η διάταξη που χρησιμοποιεί, επιτρέπει στη γεννήτρια να έχει μεταβλητή ολίσθηση (στενού εύρους τιμών) και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή ολίσθησης, καταλήγοντας σε μικρότερες διακυμάνσεις στο σύστημα μετάδοσης της ροπής, καθώς και στην έξοδο ισχύος. Η μεταβλητή ολίσθηση είναι ένας πολύ απλός, αξιόπιστος και αποδοτικός τρόπος, για να επιτευχθεί μείωση του φορτίου, συγκριτικά με πιο πολύπλοκες λύσεις, όπως οι ανεμογεννήτριες πλήρους μεταβλητής ταχύτητας, που χρησιμοποιούν μετατροπείς πλήρους κλίμακας. Η γεννήτρια αυτή είναι, ουσιαστικά, επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα, αλλά επιπλέον με μία μεταβλητή εξωτερική αντίσταση δρομέα, προσαρμοσμένη στα τυλίγματά του δρομέα. Η ολίσθηση της γεννήτριας αλλάζει, με μετατροπή της συνολικής αντίστασης δρομέα, μέσω ενός μετατροπέα που είναι τοποθετημένος στον άξονα του δρομέα. Ο μετατροπέας ελέγχεται οπτικά, που σημαίνει ότι οι δακτύλιοι ολίσθησης δεν είναι απαραίτητοι. Ο στάτης της γεννήτριας είναι συνδεδεμένος απευθείας με το δίκτυο. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου γεννήτριας είναι μία απλή τοπολογία κυκλώματος, καμία ανάγκη για δακτυλίους ολίσθησης και μία βελτιωμένης κλίμακας ταχύτητα λειτουργίας, συγκρινόμενη με την επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Μέχρι ενός σημείου, η συγκεκριμένη διάταξη μπορεί να μειώσει τα μηχανικά φορτία και τις διαταραχές ισχύος, που οφείλονται στις ριπές του ανέμου. Παρόλα αυτά, είναι απαραίτητο ένα σύστημα κατανάλωσης αέργου ισχύος. Τα μειονεκτήματα είναι : (1) το εύρος της ταχύτητας είναι τυπικά περιορισμένο μεταξύ 0-10%, μιας και εξαρτάται από το μέγεθος της μεταβλητής αντίστασης δρομέα, (2) επιτυγχάνεται μόνο φτωχός έλεγχος ενεργού και αέργου ισχύος και (3) διαχέεται η ισχύς ολίσθησης στην μεταβλητή αντίσταση ως απώλεια. (ii) Διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια Η διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια είναι μία εξέλιξη της επαγωγικής γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα, με τα τυλίγματα του στάτη απευθείας συνδεδεμένα με το σταθερής συχνότητας τριφασικό δίκτυο και με τα τυλίγματα του ρότορα τοποθετημένα σε

71 Νιάρου Θεώνη Ι. 71 έναν διπλής κατευθύνσεως back-to-back IGBT μετατροπέα πηγής τάσης. Οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας κερδίζουν, συνεχώς, όλο και μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς. Ο όρος διπλής τροφοδοσίας αναφέρεται στο γεγονός ότι η τάση στον στάτη εφαρμόζεται από το δίκτυο και η τάση στο δρομέα προκαλείται από τον μετατροπέα ισχύος. Αυτό το σύστημα επιτρέπει την λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας σε μία ευρεία, αλλά περιορισμένη περιοχή. Ο μετατροπέας αντισταθμίζει τη διαφορά μεταξύ της μηχανικής και ηλεκτρικής συχνότητας, εγχέοντας ένα ρεύμα στον δρομέα με μία μεταβλητή συχνότητα. Κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας, καθώς και σφαλμάτων, η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται από τον μετατροπέα ισχύος και τους ελεγκτές του. Ο μετατροπέας ισχύος αποτελείται από δύο μετατροπείς, ουσιαστικά, έναν στην πλευρά του δρομέα και έναν ακόμη στην πλευρά του δικτύου, οι οποίοι ελέγχονται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Όσον αφορά τον έλεγχο των μετατροπέων, ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ, μέσω του ελέγχου του ρεύματος του δρομέα, ενώ ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στη DC διασύνδεση (DC-link) και διασφαλίζει μία λειτουργία του μετατροπέα σε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (δηλ. μηδενικής αέργου ισχύος). Ανάλογα με τη συνθήκη λειτουργίας της μονάδας, διοχετεύεται ισχύς προς το ρότορα ή μακριά από αυτόν : σε περίπτωση υπερσύγχρονης λειτουργίας (θετική ολίσθηση) έχουμε ροή από τον ρότορα μέσω του μετατροπέα- προς το δίκτυο, ενώ σε περίπτωση υποσύγχρονης λειτουργίας (αρνητική ολίσθηση) η ροή ισχύος είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και στις δύο περιπτώσεις υποσύγχρονη και υπερσύγχρονη- ο στάτης παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Η διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Έχει την ικανότητα να ελέγχει την άεργο ισχύ και να αποσυνδέει τον έλεγχο ενεργού και αέργου ισχύος, ελέγχοντας ανεξάρτητα τη διέγερση του ρεύματος ρότορα. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειώσουμε ότι η γεννήτρια αυτή δεν είναι απαραίτητο να μαγνητίζεται από το δίκτυο ισχύος, αλλά αυτό μπορεί να γίνει και από το κύκλωμα του ρότορα. Επιπλέον, η γεννήτρια αυτή είναι ικανή να παράγει άεργο ισχύ, η οποία μπορεί να παραδίδεται στον στάτη, μέσω του μετατροπέα πλευράς δικτύου. Παρόλα αυτά, ο μετατροπέας πλευράς δικτύου κανονικά λειτουργεί σε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος και δεν εμπλέκεται στην ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ της τουρμπίνας και του δικτύου. Στην περίπτωση ενός αδύναμου δικτύου, όπου η τάση μπορεί να κυμαίνεται, η γεννήτρια αυτή μπορεί να καλείται να παράγει ή να απορροφήσει ένα μέρος της αέργου ισχύος από ή προς το δίκτυο, με στόχο τον έλεγχο τάσης. Το μέγεθος του μετατροπέα δεν σχετίζεται με την συνολική ισχύ της γεννήτριας, αλλά με το επιλεγμένο εύρος ταχύτητας και ως εκ τούτου, με την ισχύ ολίσθησης. Έτσι, το κόστος του μετατροπέα αυξάνεται, όταν το εύρος της ταχύτητας γύρω από την σύγχρονη ταχύτητα γίνεται μεγαλύτερο. Η επιλογή του εύρους ταχύτητας είναι, επομένως, βασισμένη στην οικονομική βελτιστοποίηση του κόστους επένδυσης, καθώς και στην αυξημένη απόδοση.

72 Νιάρου Θεώνη Ι. 72 Ένα μειονέκτημα της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής είναι η αναπόφευκτη ανάγκη για δακτυλίους ολίσθησης Σύγχρονη γεννήτρια Η γεννήτρια αυτή είναι πολύ πιο ακριβή και μηχανολογικά πιο πολύπλοκη από μία επαγωγική γεννήτρια ανάλογου μεγέθους. Παρόλα αυτά, έχει ένα ξεκάθαρο πλεονέκτημα σε σχέση με την επαγωγική γεννήτρια, ότι δηλαδή δεν χρειάζεται άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Το μαγνητικό πεδίο στη σύγχρονη γεννήτρια μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση μόνιμων μαγνητών ή με ένα συμβατικό τύλιγμα πεδίου. Εάν η σύγχρονη γεννήτρια έχει ένα κατάλληλο αριθμό πόλων (πολυπολική σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα ή μονίμου μαγνήτη), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές απευθείας οδήγησης χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Ως σύγχρονη μηχανή, είναι πιθανότατα η πιο κατάλληλη για έλεγχο πλήρους ισχύος, μιας και συνδέεται στο δίκτυο, μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας έχει δύο πρωταρχικούς στόχους : (1) να λειτουργεί ως ένας ρυθμιστής ενέργειας για τις διακυμάνσεις ισχύος, που προκαλούνται από μία εγγενής αιολική ενέργεια ριπών, καθώς και για τα μεταβατικά φαινόμενα που έρχονται από την πλευρά του δικτύου και (2) να ελέγχει την μαγνήτιση και να αποφεύγει προβλήματα, παραμένοντας σύγχρονος με τη συχνότητα του δικτύου. Μία τέτοια γεννήτρια επιτρέπει την λειτουργία των ανεμογεννητριών σε μεταβλητή ταχύτητα. Δύο κλασσικοί τύποι σύγχρονων γεννητριών που χρησιμοποιούνται συχνά στην βιομηχανία των ανεμογεννητριών, είναι : (1) η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) και (2) η σύγχρονη γεννήτρια μονίμου μαγνήτη (PMSG) Σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα Η γεννήτρια αυτή είναι η κινητήρια δύναμη της βιομηχανίας ηλεκτρικής ισχύος. Τα τυλίγματα του στάτη μίας τέτοιας γεννήτριας είναι συνδεδεμένα απευθείας στο δίκτυο και ως εκ τούτου, η περιστροφική ταχύτητα είναι αυστηρά καθορισμένη από την συχνότητα του δικτύου τροφοδοσίας. Το τύλιγμα του δρομέα διεγείρεται από συνεχές ρεύμα, με τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών ή με τη χρήση διεγέρτη χωρίς ψύκτρες με έναν στρεφόμενο ανορθωτή. Σε αντίθεση με την επαγωγική γεννήτρια, η σύγχρονη γεννήτρια δεν χρειάζεται κανένα περαιτέρω σύστημα αντιστάθμισης αέργου ισχύος. Το τύλιγμα δρομέα, μέσω του οποίου ρέει συνεχές ρεύμα, παράγει το πεδίο διέγερσης, το οποίο περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του στρεφόμενου πεδίου και από τον αριθμό των ζευγών πόλων του δρομέα.

73 Νιάρου Θεώνη Ι Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη Υπάρχουν αρκετοί υπέρμαχοι των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη για τη χρήση τους στις ανεμογεννήτριες, λόγω της ιδιότητας της αυτοδιέγερσης που έχουν, η οποία τους επιτρέπει να λειτουργούν με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλή απόδοση. Στη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PM), η απόδοση είναι υψηλότερη από αυτή της επαγωγικής μηχανής, αφού παρέχεται η διέγερση χωρίς καμία παροχή ενέργειας. Ωστόσο, τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μόνιμων μαγνητών είναι ακριβά και είναι δύσκολα στην επεξεργασία. Επιπρόσθετα, η χρήση της διέγερσης μόνιμου μαγνήτη απαιτεί τη χρήση ενός μετατροπέας ισχύος πλήρους κλίμακας, προκειμένου να προσαρμόσει την τάση και συχνότητα της παραγωγής στην τάση και στη συχνότητα της μετάδοσης, αντίστοιχα. Αυτό αποτελεί ένα επιπλέον κόστος. Ωστόσο, το όφελος είναι ότι μπορεί να παραχθεί ισχύς σε οποιαδήποτε ταχύτητα, έτσι ώστε να ικανοποιεί τις τρέχουσες συνθήκες. Ο στάτης των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη αποτελείται από συμβατικό τριφασικό τύλιγμα και ο δρομέας διαθέτει ένα σύστημα πόλων μόνιμου μαγνήτη και μπορεί να έχει έκτυπους πόλους ή κυλινδρικούς. Οι έκτυποι πόλοι είναι πιο συνηθισμένοι σε μηχανές χαμηλής ταχύτητας και μπορεί να αποτελεί την πιο χρήσιμη εκδοχή για εφαρμογή σε ανεμογεννήτριες. Οι τυπικές σύγχρονες μηχανές χαμηλής ταχύτητας προέρχονται από τον τύπο έκτυπων πόλων και τον τύπο με πολλούς πόλους. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες των μηχανών μόνιμου μαγνήτη στην βιβλιογραφία. Οι πιο γνωστοί τύποι είναι : η μηχανή ακτινικής ροής, η μηχανή αξονικής ροής και η μηχανή εγκάρσιας ροής. Η σύγχρονη λειτουργία της γεννήτριας αυτής είναι δυνατόν να προκαλέσει προβλήματα κατά τη διάρκεια της εκκίνησης, του συγχρονισμού και της ρύθμισης της τάσης. Δεν παρέχει εύκολα σταθερή τάση. Η σύγχρονη λειτουργία προκαλεί επίσης μία πολύ δύσκαμπτη συμπεριφορά, σε περίπτωση ενός εξωτερικού βραχυκυκλώματος και εάν ο άνεμος είναι ασταθής. Ένα ακόμη μειονέκτημα αυτών των γεννητριών είναι ότι τα μαγνητικά υλικά είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία, για παράδειγμα ο μαγνήτης μπορεί να χάσει τις μαγνητικές του ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες, κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος, για παράδειγμα. Έτσι, η θερμοκρασία του ρότορα μίας σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη πρέπει να βρίσκεται υπό εποπτεία και ένα σύστημα ψύξης, επίσης, είναι απαραίτητο [12,13] Ηλεκτρονικά ισχύος Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι μία ταχύτατα αναπτυσσόμενη τεχνολογία. Τα στοιχεία αυτά μπορούν να χειριστούν εκτιμήσεις υψηλότερων ρευμάτων και τάσεων, οι απώλειες ισχύος μειώνονται και οι συσκευές γίνονται πιο αξιόπιστες. Οι συσκευές είναι, επίσης, πιο εύκολο να ελεγχθούν με μία ενίσχυση ισχύος μεγάλης κλίμακας. Ο λόγος κόστος/ισχύς εξακολουθεί να μικραίνει και οι μετατροπείς ισχύος γίνονται όλο και πιο ελκυστικοί, ως ένα μέσον βελτίωσης της επίδοσης των ανεμογεννητριών. Στη συνέχεια, θα παρουσιάσουμε τις τοπολογίες μετατροπέων ισχύος που είναι οι πιο διαδεδομένες στις εφαρμογές ανεμογεννητριών, όπως επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους.

74 Νιάρου Θεώνη Ι. 74 Διάταξη ομαλής εκκίνησης (soft starter) Η διάταξη ομαλής εκκίνησης είναι ένα απλό και φθηνό στοιχείο ηλεκτρικής ισχύος, που χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας, κατά τη διάρκεια της σύνδεσής τους στο δίκτυο (βλέπε Πίνακα 2.1, Τύποι Α και Β). Η λειτουργία της βασίζεται στη μείωση του ρεύματος εισροής και κατ επέκταση μειώνει τις διακυμάνσεις στο δίκτυο. Χωρίς την διάταξη ομαλής εκκίνησης, το ρεύμα εισροής (μεταβατικό) μπορεί να είναι 7-8 φορές μεγαλύτερο του ονομαστικού ρεύματος, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρές διαταραχές τάσης στο δίκτυο. Η διάταξη ομαλής εκκίνησης περιλαμβάνει δύο θυρίστορ, ως συσκευές μετατροπής σε κάθε φάση. Συνδέονται αντιπαράλληλα για κάθε φάση. Η ομαλή σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο, κατά τη διάρκεια ενός προκαθορισμένου αριθμού περιόδων δικτύου, επιτυγχάνεται προσαρμόζοντας τη γωνία έναυσης (α) των θυρίστορ. Η σχέση μεταξύ της γωνίας έναυσης και της προκύπτουσας ενίσχυσης της διάταξης ομαλής εκκίνησης είναι εξαιρετικά μη γραμμική και είναι, επιπρόσθετα, μία συνάρτηση του συντελεστή ισχύος του συνδεδεμένου στοιχείου. Μετά το μεταβατικό στάδιο, τα θυρίστορ παρακάμπτονται, προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες του συνολικού συστήματος. Συστοιχία πυκνωτών (capasitor bank) Η συστοιχία πυκνωτών χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας ή περιορισμένης μεταβλητής ταχύτητας (βλέπε Πίνακα 2.1, Τύπου Α και Β). Είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο που προμηθεύει άεργο ισχύ στην επαγωγική γεννήτρια. Έτσι, η άεργος ισχύς, που απορροφά η γεννήτρια από το δίκτυο, ελαχιστοποιείται. Οι γεννήτριες των ανεμογεννητριών μπορεί να έχουν μία δυναμική αντιστάθμιση πλήρους φορτίου, όπου ένας συγκεκριμένος αριθμός πυκνωτών συνδέεται ή αποσυνδέεται συνεχώς, ανάλογα με τη μέση ζήτηση σε άεργο ισχύ της γεννήτριας, σε μία προκαθορισμένη χρονική περίοδο. Οι συστοιχίες πυκνωτών είναι συνήθως τοποθετημένες στη βάση του πύργου ή στην άτρακτο. Μπορεί να είναι υπερφορτισμένες και κατεστραμμένες στην περίπτωση υπερτάσεων στο δίκτυο, με αποτέλεσμα να αυξάνουν το κόστος συντήρησης του συστήματος. Ανορθωτές (rectifiers) και αντιστροφείς (inverters) Ένας παραδοσιακός μετατροπέας συχνότητας, επίσης καλούμενος και ως μονάδα προσαρμοσμένης ταχύτητας, αποτελείται από : -Έναν ανορθωτή (ως μία AC-προς-DC μονάδα μετατροπής), που μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές, κατά τη διάρκεια που η ενέργεια ρέει στο σύστημα DC, -Αποθήκευση ενέργειας (πυκνωτές),

75 Νιάρου Θεώνη Ι. 75 -Έναν αντιστροφέα (DC-προς-AC με ελεγχόμενη συχνότητα και τάση), που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο, κατά τη διάρκεια που η ενέργεια ρέει στην AC πλευρά. Δίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για τη λειτουργία ανόρθωσης, ενώ ηλεκτρονικοί διακόπτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στη λειτουργία ανόρθωσης, όσο και στη λειτουργία αντιστροφής. Η πιο τυπική λύση ανορθωτή είναι : η ανόρθωση με διόδους, εξαιτίας της απλότητάς της, του χαμηλού κόστους της και των μικρών απωλειών. Είναι εκ φύσεως μη γραμμική και επομένως, παράγει αρμονικές ρεύματος. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι επιτρέπει μόνο μίας κατεύθυνσης ροή ισχύος. Δεν μπορεί να ελέγξει την τάση ή το ρεύμα της γεννήτριας. Για αυτό τον λόγο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο με μία γεννήτρια που μπορεί να ελέγξει την τάση και με έναν αντιστροφέα (όπως πχ. ένα IGBT) που μπορεί να ελέγξει το ρεύμα. Ο αντιστροφέας με θυρίστορ (μεταγωγή δικτύου) είναι μία φθηνή λύση αντιστροφέα, με χαμηλές απώλειες και βάσει του ονόματός του- πρέπει να είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο, για να μπορεί να λειτουργήσει. Ένας μεγάλο μειονέκτημά του είναι ότι καταναλώνει άεργο ισχύ και παράγει μεγάλες αρμονικές. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ποιότητα ισχύος κάνουν τους αντιστροφείς με θυρίστορ λιγότερο ελκυστικούς σε σχέση με τους αντιστροφείς αυτό-μεταγωγής (όπως αντιστροφείς GTO και IGBTs). Το πλεονέκτημα ενός αντιστροφέα GTO είναι ότι μπορεί να χειριστεί περισσότερη ισχύ από το IGBT, αλλά αυτό το χαρακτηριστικό θα είναι λιγότερο σημαντικό στο μέλλον, εξαιτίας της γρήγορης ανάπτυξης των IGBTs. Το μειονέκτημα των GTOs είναι ότι το κύκλωμα ελέγχου της βαλβίδας GTO είναι πιο πολύπλοκο. Η γεννήτρια και ο ανορθωτής πρέπει να επιλεγούν ως ένας συνδυασμός (δηλ. μία πλήρης λύση), ενώ ο αντιστροφέας μπορεί να επιλεγεί σχεδόν ανεξάρτητα από τη γεννήτρια και τον αντιστροφέα. Ένας ανορθωτής με διόδους ή ένας ανορθωτής με θυρίστορ μπορεί να χρησιμοποιηθούν μαζί μόνο με μία σύγχρονη γεννήτρια, μιας και δεν απαιτεί άεργο ρεύμα μαγνήτισης. Σε αντίθεση με αυτό, οι ανορθωτές GTO και IGBT πρέπει να συνδυάζονται μαζί με επαγωγικές γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας, επειδή έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν την άεργο ισχύ. Όμως, παρόλο που οι IGBTs είναι μία πολύ ελκυστική επιλογή, έχουν τα μειονεκτήματα του υψηλού κόστους και των μεγάλων απωλειών. Η σύγχρονη γεννήτρια με έναν ανορθωτή διόδων, για παράδειγμα, έχει πολύ λιγότερο συνολικό κόστος, από την ισοδύναμη επαγωγική γεννήτρια με έναν αντιστροφέα ή ανορθωτή IGBT. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να συνδυάσει κανείς έναν ανορθωτή και έναν αντιστροφέα σε έναν μετατροπέα συχνότητας. Υπάρχουν πέντε εφαρμόσιμες τεχνολογίες για προσαρμοσμένη ταχύτητα : back-to-back, πολυεπίπεδοι, παράλληλοι, μήτρας και αντηχείου.

76 Νιάρου Θεώνη Ι. 76 Μετατροπείς συχνότητας (frequency converters) Τα τελευταία χρόνια έχουν μελετηθεί διάφορες τοπολογίες μετατροπέων, ως προς την εφαρμογή τους σε ανεμογεννήτριες : -Μετατροπείς back-to-back -Πολυεπίπεδοι (multilevel) μετατροπείς -Παράλληλοι (tandem) μετατατροπείς -Μετατροπείς μήτρας (matrix) -Μετατροπείς αντηχείου (resonant). Από τις διάφορες τοπολογίες που υπάρχουν στις μέρες μας, προκειμένου για τριφασικούς μετατροπείς συχνότητας στις ανεμογεννήτριες, χρησιμοποιούνται κυρίως οι back-to-back μετατροπείς. Ένας μετατροπέας back-to-back, λοιπόν, είναι ένας αμφίδρομος μετατροπέας ισχύος, που αποτελείται από δύο συμβατικούς μετατροπείς VSC διαμόρφωσης παλμού πλάτους (PWM) (Σχήμα 2.25). Η τάση της DC-σύνδεσης ενισχύεται σε ένα υψηλότερο επίπεδο από το πλάτος της τάσης από γραμμή σε γραμμή του δικτύου, προκειμένου να επιτύχει πλήρη έλεγχο του ρεύματος δικτύου. Η εμφάνιση της ενίσχυσης της αυτεπαγωγής μειώνει τις απαιτήσεις στο φίλτρο αρμονικών εισόδου και προσφέρει κάποια προστασία για τον μετατροπέα, ενάντια στις μεταβατικές συνθήκες στο δίκτυο. Ο πυκνωτής ανάμεσα στον αντιστροφέα και τον ανορθωτή κάνει εφικτή την αποσύζευξη του ελέγχου των δύο αντιστροφέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά της γεννήτριας και στην πλευρά του δικτύου. Η ροή ισχύος στην πλευρά δικτύου του μετατροπέα ελέγχεται, προκειμένου να διατηρεί σταθερή την τάση της DCσύνδεσης και ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας εφαρμόζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να εξυπηρετεί τις ανάγκες μαγνήτισης και την επιθυμητή ταχύτητα ρότορα. Σχήμα 2.25 Δομή ενός μετατροπέα συχνότητας back-to-back Μελέτες έχουν δείξει ότι η παρουσία του πυκνωτή στην DC-σύνδεση σε έναν back-toback μετατροπέα μειώνει τη συνολική διάρκεια ζωής και απόδοση του συστήματος,

77 Νιάρου Θεώνη Ι. 77 συγκριτικά με έναν μετατροπέα χωρίς πυκνωτή DC-σύνδεσης, όπως ο μετατροπέας τύπου μήτρας. Ωστόσο, η προστασία του μετατροπέα τύπου μήτρας σε περίπτωση σφάλματος δεν είναι εξίσου καλή, όπως αυτή του μετατροπέα back-to-back. Μία άλλη όψη του μετατροπέα back-to-back είναι οι υψηλές διακοπτικές απώλειες, συγκριτικά με τις διακοπτικές απώλειες του μετατροπέα τύπου μήτρας. Τα μειονεκτήματα του μετατροπέα τύπου μήτρας, σε σχέση με τον μετατροπέα back-to-back είναι : οι υψηλότερες απώλειες αγωγιμότητας και ο περιορισμός της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Συγκρινόμενος με μετατροπείς με σταθερή τάση στη DC-σύνδεση και δύο, μόνο, επίπεδα εξόδου, το περιεχόμενο αρμονικών εξόδου του μετατροπέα τύπου μήτρας είναι χαμηλότερο, εξαιτίας του γεγονότος ότι η τάση εξόδου του μετατροπέα τύπου μήτρας αποτελείται από τρία επίπεδα τάσης. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη την αρμονική απόδοση, ο μετατροπέας τύπου πολλών επιπέδων (multilevel) υπερέχει ως ο μετατροπέας με τις λιγότερες απαιτήσεις σε φίλτρα εισόδου και επομένως, με το καλύτερο φάσμα τόσο στην πλευρά του δικτύου, όσο και στην πλευρά της γεννήτριας. Συνοψίζοντας, ο μετατροπέας back-to-back, ο μετατροπέας τύπου μήτρας και ο μετατροπέας τύπου πολλών επιπέδων είναι αυτοί που προτείνονται βάσει βιβλιογραφίας- για τις ανεμογεννήτριες.

78 Νιάρου Θεώνη Ι. 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΔΙΠΛΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΞΗΣ 3.1 Εισαγωγή Οι ανεμογεννήτριες με διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική μηχανή (DFIM) έχουν αναμφίβολα προκύψει ως μία από τις κορυφαίες τεχνολογίες για τους κατασκευαστές ανεμογεννητριών, αποδεικνύοντας ότι είναι μία οικονομικά αποδοτική (απαίτηση για μετατροπέα μειωμένου μεγέθους, που οφείλεται στη διττή φύση προμήθειας της μηχανής), αποτελεσματική και αξιόπιστη λύση. Αυτή η μηχανή στη βιβλιογραφία είναι επίσης γνωστή ως επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIM). Παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με την ευρέως χρησιμοποιούμενη και γνωστή επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIM). 3.2 Δυναμική μοντελοποίηση Εκτός από την ανάλυση του μοντέλου της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής σε σταθερή κατάσταση, είναι επίσης πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε πώς μπορεί να επιτευχθεί μία σταθερή κατάσταση, μετά από μία διαφορετική κατάσταση. Η δυναμική αυτή συμπεριφορά εξηγεί και καθορίζει τη συμπεριφορά των μεταβλητών της μηχανής σε μεταβατικές περιόδους, όπως επίσης και στην σταθερή κατάσταση. Έτσι λοιπόν, το δυναμικό μοντέλο μας επιτρέπει να γνωρίζουμε ανά πάσα στιγμή- τη συνεχή επίδοση (όχι μόνο στη σταθερή κατάσταση) των μεταβλητών της μηχανής, όπως : ροπή, ρεύματα και ροές, υπό συγκεκριμένες συνθήκες παροχής τάσης. Η δυναμική μοντελοποίηση μας επιτρέπει να εντοπίσουμε μη ασφαλείς συμπεριφορές, όπως ανισορροπίες ή υψηλά μεταβαλλόμενα ρεύματα και μας παρέχει επιπρόσθετες πληροφορίες για το σύστημα, κατά τη λειτουργία σταθερής κατάστασης, όπως : δυναμικές ταλαντώσεις, διακυμάνσεις ρεύματος ή ροπής, κλπ. Σύμφωνα με μοντέλα των AC μηχανών, που έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία, το απλουστευμένο και εξιδανικευμένο μοντέλο DFIM μπορεί να περιγραφεί ως τρία τυλίγματα στο στάτη και τρία τυλίγματα στο δρομέα (Σχήμα 3.1). Αυτά τα τυλίγματα είναι μία ιδανική αντιπροσώπευση της πραγματικής μηχανής, που βοηθάει στην άντληση ενός ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος (Σχήμα 3.2). Υπό αυτό το εξιδανικευμένο μοντέλο, οι στιγμιαίες τάσεις στάτη, ρεύματος στάτη και ροές στάτη της μηχανής μπορούν να περιγραφούν από τις ακόλουθες ηλεκτρικές εξισώσεις :

79 Νιάρου Θεώνη Ι. 79 (3.1) (3.2) (3.3) Όπου R s : είναι η αντίσταση του στάτη i as (t), i bs (t), i cs (t) : είναι τα φασικά ρεύματα του στάτη (για φάσεις a,b,c) v as (t), v bs (t), v cs (t) : είναι οι εφαρμοσμένες τάσεις του στάτη ψ as (t), ψ bs (t), ψ cs (t) : είναι οι ροές στάτη Τα ηλεκτρικά μεγέθη από την πλευρά του στάτη, σε σταθερή κατάσταση, έχουν μία σταθερή ημιτονοειδή γωνιακή συχνότητα ω s ίση με τη γωνιακή συχνότητα που επιβάλλεται από το δίκτυο. Ομοίως, τα μεγέθη του δρομέα περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις : (3.4) (3.5) (3.6) Όπου R r : είναι η αντίσταση του δρομέα, αναφερόμενη στο στάτη i ar (t), i br (t), i cr (t) : είναι τα φασικά ρεύματα του δρομέα, αναφερόμενα στο στάτη (των φάσεων, b και c) v ar (t), v br (t), v cr (t) : είναι οι τάσεις του δρομέα, αναφερόμενες στο στάτη ψ ar (t), ψ br (t), ψ cr (t) : είναι οι ροές στο δρομέα Κάτω από σταθερής κατάστασης συνθήκες λειτουργίας, τα μεγέθη του δρομέα έχουν σταθερή γωνιακή συχνότητα ω r. Να σημειωθεί στο σημείο αυτό, ότι από εδώ και πέρα, θα θεωρήσουμε ότι όλες οι παράμετροι και τα μεγέθη του δρομέα είναι αναφερόμενα στο στάτη. Η σχέση μεταξύ της γωνιακής συχνότητας στάτη και γωνιακής συχνότητας δρομέα είναι η εξής : (3.7)

80 Νιάρου Θεώνη Ι. 80 Όπου ω m είναι η ηλεκτρική γωνιακή συχνότητα της μηχανής. Ομοίως, Ω m είναι η μηχανική γωνιακή ταχύτητα, που σχετίζεται με την ηλεκτρική συχνότητα, μέσω ενός ζεύγους πόλων p : (3.8) Ως εκ τούτου, οι μεταβλητές δρομέα (τάσεις, ρεύματα και ροές) παρουσιάζουν έναν παλμό ω r που ποικίλει με την ταχύτητα. Η ολίσθηση δίνεται από τον παρακάτω τύπο : (3.9) Ανάλογα το πρόσημο της ολίσθησης κάθε φορά, διακρίνουμε τρεις συνθήκες λειτουργίας για τη μηχανή : (3.10) Ας σημειωθεί επίσης, ότι για λόγους απλοποίησης, η εξάρτηση των μεγεθών από το χρόνο θα παραλείπεται. Επιπλέον, θεωρήσαμε αμελητέες τις απώλειες πυρήνα ή σιδήρου (core or iron losses), προκειμένου για την παρουσίαση της δυναμικής μοντελοποίησης της DFIM. Σχήμα 3.1 Ιδανικά τριφασικά τυλίγματα (στάτη και ρότορα) της DFIM

81 Νιάρου Θεώνη Ι. 81 Σχήμα 3.2 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής Μοντέλο dq Οι διαφορικές εξισώσεις που εκπροσωπούν το μοντέλο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, προκύπτουν, χρησιμοποιώντας τη σημειογραφία χωρικού διανύσματος, στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς (βλέπε : Παράρτημα Α). Αρχικά, πολλαπλασιάζοντας τις εξισώσεις (3.1) και (3.4) με, πολλαπλασιάζοντας, επίσης, τις εξισώσεις (3.2) και (3.5) με και ακόμη, πολλαπλασιάζοντας τις εξισώσεις (3.3) και (3.6) με, η πρόσθεση των εξισώσεων που προκύπτουν, παράγει τις εξισώσεις τάσεων της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, υπό μορφή χωρικού διανύσματος : (3.11) (3.12) Όπου : είναι το χωρικό διάνυσμα της τάσης του στάτη : είναι το χωρικό διάνυσμα του ρεύματος του στάτη : είναι το χωρικό διάνυσμα της ροής στο στάτη Η εξίσωση (3.11) παριστάνεται με συντεταγμένες στάτη (αβ πλαίσιο αναφοράς). : είναι το χωρικό διάνυσμα της τάσης του ρότορα : είναι το χωρικό διάνυσμα του ρεύματος του ρότορα : είναι το χωρικό διάνυσμα της ροής στο ρότορα Η εξίσωση (3.12) παριστάνεται με συντεταγμένες ρότορα (DQ πλαίσιο αναφοράς). Να σημειώσουμε, εδώ, ότι οι εκθέτες s και r δηλώνουν πως τα χωρικά διανύσματα αναφέρονται στα πλαίσια αναφοράς του στάτη και του ρότορα, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, η συσχέτιση μεταξύ των ροών και των ρευμάτων, σε σημειογραφία χωρικού διανύσματος, δίνεται από τις εξής σχέσεις :

82 Νιάρου Θεώνη Ι. 82 (3.13) (3.14) Όπου L s, L r : είναι οι αυτεπαγωγές στάτη και ρότορα, αντίστοιχα L m : είναι η μαγνητική αυτεπαγωγή Σχετίζονται δε, με την αυτεπαγωγή σκέδασης στάτη L σs και την αυτεπαγωγή σκέδασης ρότορα L σr, βάσει των παρακάτω εκφράσεων : (3.15) (3.16) Να σημειωθεί, στο σημείο αυτό, ότι η εξίσωση (3.13) αναφέρεται στο πλαίσιο αναφοράς του στάτη, ενώ η εξίσωση (3.14) είναι στο πλαίσιο αναφοράς του ρότορα. Πολλαπλασιάζοντας, τώρα, τις αρχικές εξισώσεις (3.11) και (3.12) με και, αντίστοιχα, οι εξισώσεις τάσεων του στάτη και του ρότορα προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις : (3.17) (3.18) Όπου : ω r = (ω s ω m ) Εδώ, ο εκθέτης a δηλώνει τα χωρικά διανύσματα, που αναφέρονται σε ένα σύγχρονο περιστρεφόμενο πλαίσιο. Από τις εξισώσεις (3.13) και (3.14), χρησιμοποιώντας τις ίδιες εκφράσεις ροής, βρίσκουμε ότι : (3.19) (3.20) Για μία ημιτονοειδή παροχή τάσεων, σε σταθερή κατάσταση, οι συνιστώσες dq των τάσεων, ρευμάτων και ροών θα είναι σταθερές ποσότητες (σε αντίθεση με τις συνιστώσες αβ, που είναι ημιτονοειδή μεγέθη). Έτσι, το ισοδύναμο dq κυκλωματικό μοντέλο της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, σε σύγχρονες συντεταγμένες, παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.3). Οι εκφράσεις της ροπής και της ισχύος στο dq πλαίσιο αναφοράς (ενημερωτικά, είναι ίσες με τις εξισώσεις αβ) είναι οι εξής :

83 Νιάρου Θεώνη Ι. 83 (3.21) (3.22) (3.23) (3.24) Όπου ο εκθέτης * αντιπροσωπεύει τον συζυγή μιγαδικό ενός χωρικού διανύσματος, όπως χρησιμοποιούταν στους φάσορες. Τέλος, η έκφραση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής προκύπτει από τη σχέση : (3.25) Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (3.19) και (3.20) στην (3.25), η ηλεκτρομαγνητική ροπή μπορεί, επίσης, να υπολογισθεί βάσει των παρακάτω ισοδύναμων εκφράσεων ροπής : Όπου : είναι ο συντελεστής διαρροής (3.26) p : τα ζεύγη των πόλων της μηχανής Και πάλι εδώ, για λόγους απλότητας, οι εκθέτες των χωρικών διανυσμάτων έχουν παραλειφθεί, από τις εκφράσεις της ισχύος και της ροπής. Να σημειώσουμε, επίσης, ότι οι παράμετροι του μοντέλου της μηχανής : R s, R r, L σs, L σr και L m είναι οι ίδιοι, τόσο για σταθερής κατάστασης, όσο και για δυναμικά μοντέλα.

84 Νιάρου Θεώνη Ι. 84 Σχήμα 3.3 Μοντέλο dq της DFIM σε σύγχρονες συντεταγμένες Αντιπροσώπευση του μοντέλου dq στον χώρο κατάστασης Συνεχίζοντας με τη μελέτη του δυναμικού μοντέλου, είναι δυνατόν να επιτύχουμε μία αντιπροσώπευση του μοντέλου dq με εξισώσεις του χώρου κατάστασης. Από τις εξισώσεις (3.17)-(3.20) και παίρνοντας τις ροές ως μεγέθη στο χώρο κατάστασης, το μοντέλο της DFIM θα δίνεται από την επόμενη έκφραση : (3.27) Επεκτείνοντας την τελευταία έκφραση στις συνιστώσες dq, θα έχουμε : (3.28) Εάν στην θέση των ροών επιλεγούν τα ρεύματα, ως μεγέθη στο χώρο κατάστασης, το ισοδύναμο μοντέλο της DFIM εκφράζεται ως ακολούθως, στο σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς :

85 Νιάρου Θεώνη Ι. 85 (3.29) Αναλύοντας στις συνιστώσες dq, βρίσκουμε την παρακάτω εξίσωση : (3.30) Οι αναπαραστάσεις της DFIM στο χώρο κατάστασης, στο πλαίσιο αναφοράς dq, είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στο να πετυχαίνουν την σταθερή κατάσταση, για δοσμένες τάσεις εισόδου στάτη και ρότορα Εκτίμηση σταθερής κατάστασης σε συντεταγμένες dq Χρησιμοποιώντας την αναπαράσταση dq της DFIM στο χώρο κατάστασης, είναι δυνατό να αντλήσουμε απλά τα μεγέθη σταθερής κατάστασης στη μηχανή. Για παράδειγμα, λαμβάνοντας υπόψη την αναπαράσταση στο χώρο κατάστασης της έκφρασης (3.28), σε σταθερή κατάσταση, τα παράγωγα των ροών ισούται με μηδέν : (3.31) Ως εκ τούτου, η έκφραση του χώρου κατάστασης είναι η εξής : (3.32) Αναδιατάσσοντας τους όρους, οι ροές dq σε ρότορα και στάτη μπορούν να υπολογιστούν, ως εξής :

86 Νιάρου Θεώνη Ι. 86 (3.33) Από αυτή την τελευταία έκφραση (3.33) μπορούν να αντληθούν οι ροές του ρότορα και του στάτη της μηχανής, εφόσον γνωρίζουμε τις επιβαλλόμενες τάσεις εισόδου του στάτη και του ρότορα, όπως επίσης και την ταχύτητας της μηχανής. Μετά από αυτό και από τη στιγμή που γνωρίζουμε τις ροές, τα εναπομείναντα ρεύματα στάτη και ρότορα μπορούν να υπολογισθούν από την ακόλουθη έκφραση (που προκύπτει από τις εξισώσεις (3.19) και (3.20)) : (3.34) 3.3 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος back-to-back Εισαγωγή Στο σημείο αυτό, θα αναλύσουμε τις βασικές έννοιες που σχετίζονται με τον μετατροπέα back-to-back (που είναι γνωστός και ως αντιστρεπτός (reversible) ή αμφίδρομος (bidirectional)), τόσο από την πλευρά του δικτύου, όσο κι από την πλευρά του δρομέα. Έτσι, θα ασχοληθούμε με τον ίδιο τον μετατροπέα, αλλά και με τα στενά συνδεδεμένα στοιχεία με αυτόν, όπως είναι τα φίλτρα, η σύνδεση DC και ο έλεγχος (μόνο από την πλευρά δικτύου). Συγκεκριμένα, περιγράφεται ο κλασσικός και κοινά χρησιμοποιούμενος δύο-επιπέδων μετατροπέας πηγής τάσης (VTC), εξετάζεται το μοντέλο του και κατόπιν, δίνεται με μία σύντομη περιγραφή των φίλτρων που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό ανεπιθύμητων και αναπόφευκτων επιπτώσεων των μετατροπέων πηγής τάσης (διακυμάνσεις ρευμάτων, dv/dt, κλπ.). Αυτές οι πτυχές μελετώνται για τον μετατροπέα από πλευράς δρομέα και από πλευράς δικτύου. Είναι δυνατό να καταλάβει κανείς τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς της παροχής για την DFIM, χάρη στη χρήση του μετατροπέα back-to-back. Το απλοποιημένο σχήμα μίας DFIM ανεμογεννήτριας (Σχήμα 3.4) δείχνει πως συνδέεται ο μετατροπέας back-to-back, μέσω του φίλτρου πλευράς δρομέα, στον δρομέα της DFIM και μέσω του φίλτρου πλευράς δικτύου, στο δίκτυο.

87 Νιάρου Θεώνη Ι. 87 Σχήμα 3.4 Διαμόρφωση του συστήματος της ανεμογεννήτριας DFIM Μετατροπέας back-to-back βασισμένος σε τοπολογία VSC δύο-επιπέδων Στο σημείο αυτό, θα περιγράψουμε τις πιο σημαντικές πτυχές ενός μετατροπέα back-to-back, που είναι βασισμένος στον ευρέως χρησιμοποιούμενο μετατροπέα δύο-επιπέδων. Επιπλέον, περιγράφονται οι μετατροπείς και των δύο πλευρών Σύστημα πλευράς δικτύου Το σύστημα από πλευράς δικτύου απαρτίζεται από : τον μετατροπέα πλευράς δικτύου, το φίλτρο πλευράς δικτύου και την τάση δικτύου. Το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.5) απεικονίζει ένα απλοποιημένο μοντέλο του συστήματος πλευράς δικτύου. Μπορούμε να διακρίνουμε τα παρακάτω στοιχεία : Ο μετατροπέας από πλευράς δικτύου μοντελοποιείται με ιδανικούς δικατευθυντικούς ή αμφίδρομους διακόπτες. Μετατρέπει τάση και ρεύματα από DC σε AC, ενώ η ανταλλαγή ισχύος μπορεί να γίνεται κι από τις δύο κατευθύνσεις, από AC σε DC (λειτουργία ανορθωτή) και από DC σε AC (λειτουργία αναστροφέα). Ο ιδανικός διακόπτης κανονικά δημιουργείται από έναν ελεγχόμενο ημιαγωγό με μία δίοδο αντιπαράλληλα, για να επιτρέπει τη ροή του ρεύματος και στις δύο κατευθύνσεις. Στην περίπτωση τη δική μας, ο ελεγχόμενος ημιαγωγός που χρησιμοποιείται είναι ένα διπολικό τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT). Επίσης, να σημειωθεί ότι αντιμετωπίζουμε τους ελεγχόμενους διακόπτες ιδανικά, χωρίς να λάβουμε υπόψη πραγματικά χαρακτηριστικά, όπως χρόνος μεταγωγής (switching time) ή πτώσεις τάσης. Το φίλτρο πλευράς δικτύου κανονικά αποτελείται από τουλάχιστον τρεις αυτεπαγωγές (L), που είναι η σύνδεση μεταξύ κάθε φάσης εξόδου του μετατροπέα και της τάσης δικτύου. Όταν είναι αναγκαία η απαίτηση ενός υψηλού φίλτρου, κάθε αυτεπαγωγή

88 Νιάρου Θεώνη Ι. 88 μπορεί να συνοδεύεται από έναν πυκνωτή (LC) ή ακόμη από έναν πυκνωτή και μία ακόμη αυτεπαγωγή (LCL). Η τάση του δικτύου κανονικά παρέχεται μέσω ενός μετασχηματιστή. Αυτή η τάση AC υποτίθεται ότι είναι ισορροπημένη και ημιτονοειδής, υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Η επίδραση του μετασχηματιστή ή των συνθέτων αντιστάσεων δικτύου αγνοούνται στην περίπτωσή μας. Σχήμα 3.5 Απλοποιημένο μοντέλο μετατροπέα, φίλτρου και δικτύου Μετατροπέας, επαγωγικό φίλτρο και μοντέλο τάσης δικτύου Από το σχήμα 3.5, όπου αναπαρίσταται το μοντέλο του συστήματος από πλευράς δικτύου, διακρίνουμε ότι ένα τριφασικό φίλτρο είναι τοποθετημένο μεταξύ της τάσης δικτύου και των εξόδων του μετατροπέα. Μία απλή και αξιόπιστη λύση υιοθετεί ένα επαγωγικό φίλτρο, τοποθετώντας μία αυτεπαγωγή σε κάθε φάση. Η τάση δικτύου μοντελοποιείται ως μία ιδανική τριφασική ισορροπημένη τάση. Το τριφασικό σύστημα μπορεί να μοντελοποιηθεί ως τρία ανεξάρτητα, αλλά ισορροπημένα, μονοφασικά συστήματα (Σχήμα 3.6). Ας σημειωθεί ότι οι τάσεις εξόδου AC του μετατροπέα, που αναφέρονται στο ουδέτερο σημείο, φέρουν τον χαρακτηριστικό δείκτη f. Έτσι, οι ηλεκτρικές εξισώσεις του συστήματος είναι οι παρακάτω : (3.35) (3.36) (3.37) Όπου L f : η αυτεπαγωγή του φίλτρου πλευράς δικτύου (σε H) R f : η ωμική αντίσταση του φίλτρου πλευράς δικτύου (σε Ω)

89 Νιάρου Θεώνη Ι. 89 v ag, v bg, v cg : τάσεις δικτύου (σε V), με ω s : ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα (σε rad/s) i ag, i bg, i cg : ρεύματα που ρέουν μέσα από την έξοδο του μετατροπέα πλευράς δικτύου (σε Α) v af, v bf, v cf : τάσεις εξόδου του μετατροπέα, που αναφέρονται στο ουδέτερο σημείο του φορτίου n (σε V). Οι ιδανικές ημιτονοειδείς τάσεις του δικτύου δημιουργούνται σε σταθερό πλάτος και συχνότητα. Σχήμα 3.6 Απλοποιημένο ισοδύναμο μονοφασικό κύκλωμα δικτύου (α φάσης) Μετατροπέας πλευράς ρότορα και φίλτρο dv/dt Ο μετατροπέας πλευράς δρομέα που εφοδιάζει τον δρομέα της DFIM, σε γενικές γραμμές, είναι ίσος με τον μετατροπέα πλευράς δικτύου, όπως παρουσιάσθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Το επόμενο σχήμα (Σχήμα 3.7) απεικονίζει τον μετατροπέα και το φίλτρο dv/dt, που χρησιμοποιείται για τον εφοδιασμό του δρομέα της DFIM. Στην περίπτωση αυτή, επίσης, ένας δύο-επιπέδων VSC τροφοδοτεί τον δρομέα. Μεταξύ του δρομέα και του μετατροπέα, γενικά, ένα φίλτρο dv/dt είναι τοποθετημένο, με στόχο κυρίως να προστατέψει τη μηχανή από τις επιβλαβείς επιπτώσεις του μετατροπέα πηγής τάσης, όπως χωρητικά ρεύματα διαρροής, κατευθυνόμενα ρεύματα και αυξημένη πίεση στην μόνωση του κινητήρα. Σχήμα 3.7 Μετατροπέας πλευράς ρότορα και φίλτρο dv/dt που εφοδιάζει τον ρότορα στη μηχανή

90 Νιάρου Θεώνη Ι. 90 Ο μετατροπέας πλευράς δρομέα συνδέεται με τον μετατροπέα πλευράς δικτύου μέσω της σύνδεσης DC. Το φίλτρο dv/dt προσπαθεί κυρίως να μετριάσει τις βηματικές τάσεις στα τερματικά του δρομέα της μηχανής, που έρχονται από τον μετατροπέα. Ο συνδυασμός τριών, κυρίως, παραγόντων προσδιορίζει πόσο επιβλαβείς είναι οι επιδράσεις στην μηχανή, που το φίλτρο dv/dt τείνει να αμβλύνει. Αυτοί οι παράγοντες είναι : ο τύπος των βημάτων τάσης που παράγονται από τον μετατροπέα, τα χαρακτηριστικά και το μήκος του καλωδίου που χρησιμοποιείται για την σύνδεση του μετατροπέα και της μηχανής και τέλος, τα χαρακτηριστικά της μηχανής που παρέχεται. Η εξασθένιση των βηματικών τάσεων μπορεί να επιτευχθεί, γενικά, από διάφορους τύπους φίλτρων. Ως εκ τούτου, μία πιθανή λύση για να μετριασθούν οι υπερτάσεις στα τερματικά του κινητήρα είναι να τοποθετηθεί μία ωμική αντίσταση και μία αυτεπαγωγή παράλληλα στην έξοδο του μετατροπέα (Σχήμα 3.8). Η ωμική αντίσταση μετριάζει την αντανάκλαση στο καλώδιο, ενώ η αυτεπαγωγή είναι απαραίτητη, προκειμένου να μειώσει την πτώση τάσης και τις απώλειες, που οφείλονται στις χαμηλές συχνότητες. Αυτό το φίλτρο αποτελείται γενικά από δύο παθητικά στοιχεία. Ωστόσο, μερικοί συγγραφείς προτείνουν την αναπαραγωγή της επίδρασης της ωμικής αντίστασης, αυξάνοντας τις απώλειες ισχύος της αυτεπαγωγής, αποφεύγοντας την ανάγκη μίας φυσικής ωμικής αντίστασης. Σχήμα 3.8 Το φίλτρο dv/dt στην έξοδο του μετατροπέα Φίλτρα, των οποίων ο στόχος είναι να ζευγαρώσουν την σύνθετη αντίσταση εισόδου του κινητήρα με την σύνθετη αντίσταση του καλωδίου, τοποθετούνται κανονικά στα τερματικά του κινητήρα. Μεταξύ διαφόρων λύσεων, είναι πιθανό να τοποθετηθεί ένα RC ή ένα RLC φίλτρο, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.9). Τέλος, στην έξοδο του μετατροπέα είναι, επίσης, δυνατό να τοποθετηθούν δίκτυα φίλτρου, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 3.10), για να μειωθεί το dv/dt στον ίδιο τον μετατροπέα. Ως εκ τούτου, η επίδραση που παράγει την συμπερίληψη ενός φίλτρου dv/dt απεικονίζεται γραφικά (Σχήμα 3.11). Είναι δυνατό να δούμε, χωρίς το φίλτρο, πώς η υπέρταση που προκύπτει στα τερματικά του κινητήρα είναι πολύ σημαντική, ενώ χάρη στην συμπερίληψη του ίδιου του φίλτρου, αυτή η υπέρταση μειώνεται.

91 Νιάρου Θεώνη Ι. 91 Σχήμα 3.9 Πιθανά φίλτρα για το ζευγάρωμα των συνθέτων αντιστάσεων στα τερματικά του κινητήρα Σχήμα 3.10 Το φίλτρο dv/dt στην έξοδο του μετατροπέα Σχήμα 3.11 Η επίδραση του φίλτρου dv/dt πάνω στην τάση, στα τερματικά του κινητήρα : (a) υπερτάσεις χωρίς φίλτρο και (b) μείωση των υπερτάσεων, χάρη στη συμπερίληψη του φίλτρου Σύνδεση DC Το DC μέρος του μετατροπέα back-to-back τυπικά λέγεται σύνδεση DC. Χάρη στην ενέργεια που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή (ή συνδυασμό μερικών πυκνωτών), προσπαθεί να διατηρήσει μία

92 Νιάρου Θεώνη Ι. 92 σταθερή τάση στα τερματικά του. Είναι η σύνδεση μεταξύ των μετατροπέων της πλευράς του δικτύου και της πλευράς του δρομέα. Το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.12) δείχνει ένα πιθανό απλοποιημένο μοντέλο μίας σύνδεσης DC. Αποτελείται από έναν πυκνωτή παράλληλα με μία υψηλή ωμική αντίσταση. Προκειμένου να αντλήσουμε το μοντέλο της σύνδεσης DC, πρέπει να υπολογισθεί η τάση διαύλου DC. Αυτή η τάση είναι εξαρτημένη από το ρεύμα μέσω του πυκνωτή : (3.38) Το ρεύμα μέσω του πυκνωτή μπορεί να βρεθεί από τη σχέση : Όπου i res : το ρεύμα μέσω της ωμικής αντίστασης (σε Α) i g_dc : το ρεύμα DC που ρέει από τη σύνδεση DC στο δίκτυο (σε Α) i r_dc : το ρεύμα DC που ρέει από το δρομέα στη σύνδεση DC (σε Α). (3.39) Σχήμα 3.12 Σύστημα σύνδεσης DC Παραγωγή παλμού των ελεγχόμενων διακοπτών Οι επιταγές της τάξης, για τους ελεγχόμενους ημιαγωγούς του μετατροπέα δύο-επιπέδων, μπορούν να παραχθούν σύμφωνα με διαφορετικούς νόμους που ονομάζονται διαμόρφωση (modulation). Οι πιο κοινά χρησιμοποιούμενες τεχνικές διαμόρφωσης είναι, επιγραμματικά, οι παρακάτω : Η τεχνική διαμόρφωσης πλάτους ημιτονοειδούς παλμού (PWM) Η τεχνική διαμόρφωσης πλάτους ημιτονοειδούς παλμού (PWM) με έγχυση της τρίτης αρμονικής Η τεχνική διαμόρφωσης διανυσματικού χώρου (SVM)

93 Νιάρου Θεώνη Ι Δυναμική μοντελοποίηση του συστήματος πλευράς δικτύου Η αναπαράσταση του χωρικού διανύσματος (βλέπε : Παράρτημα Α) επιτρέπει την παραγωγή του δυναμικού μοντέλου του συστήματος από πλευράς δικτύου. Μέσω του εργαλείου του χωρικού διανύσματος, είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσουμε τις διαφορικές εξισώσεις, προσδιορίζοντας τη συμπεριφορά των μεταβλητών του συστήματος από πλευράς δικτύου, όπως το ρεύμα και οι τάσεις Μοντέλο dq Όπως είδαμε σε προηγούμενη παράγραφο, το σύστημα που ορίζεται από τον μετατροπέα πλευράς δικτύου, το φίλτρο και την τάση δικτύου, μπορεί να αναπαρασταθεί ιδανικά, όπως φαίνεται από το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.13). Η τάση δικτύου (v ag, v bg, v cg ) είναι ημιτονοειδής με σταθερό πλάτος και συχνότητα. Η τάση που επιβάλλεται από τον μετατροπέα πλευράς δικτύου (v af, v bf, v cf ) μπορεί να τροποποιηθεί σε πλάτος και φάση. Το φίλτρο που θεωρούμε στην περίπτωσή μας, είναι η πιο απλή λύση, τουτέστιν ένα καθαρά επαγωγικό φίλτρο (L f ). Να σημειωθεί ότι η παρασιτική αντίσταση (R f ) συμπεριλαμβάνεται, επίσης, στο μοντέλο του φίλτρου. Σχήμα 3.13 Απλοποιημένη αναπαράσταση του τριφασικού συστήματος δικτύου Εφαρμόζοντας τη σημειογραφία του χωρικού διανύσματος στις εξισώσεις (3.35)-(3.37) της μοντελοποίησης abc, είναι δυνατόν να αναπαραστήσουμε τις ηλεκτρικές εξισώσεις στις dq συνιστώσες (βλέπε : Παράρτημα Α). Συγκεκριμένα, πολλαπλασιάζοντας την εξίσωση (3.35) με, την εξίσωση (3.36) με και την εξίσωση (3.37) με, η πρόσθεση των εξισώσεων που προκύπτουν, υπό μορφή χωρικού διανύσματος και σε ένα στάσιμο πλαίσιο αναφοράς, μας δίνει : (3.40) Εν συνεχεία, πολλαπλασιάζοντας την εξίσωση (3.40) με εκφράσεις dq (περιστρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς) :, από τις εκφράσεις αβ προκύπτουν οι

94 Νιάρου Θεώνη Ι. 94 (3.41) Όπου θ = ω a t : είναι η γωνιακή θέση του περιστρεφόμενου πλαισίου αναφοράς. (3.42) (3.43) (3.44) Συνεπώς, αναλύοντας στις dq συνιστώσες, οι βασικές εξισώσεις για διανυσματικό προσανατολισμό είναι οι εξής : (3.45) (3.46) Η σχηματική αναπαράσταση του ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος απεικονίζεται ως εξής (Σχήμα 3.14) : Σχήμα 3.14 Μοντέλο dq του συστήματος πλευράς δικτύου σε στάσιμες συντεταγμένες Ευθυγράμμιση του πλαισίου αναφοράς dq Αυτές οι δύο τελευταίες εκφράσεις (3.45) και (3.46) είναι οι εξισώσεις dq του ηλεκτρικού συστήματος, αναφερόμενες σε ένα πλαίσιο αναφοράς dq που περιστρέφεται με ταχύτητα. Προκειμένου να αποσυνδέσουμε και να απλοποιήσουμε περαιτέρω το σύστημα, επιλέγουμε τυπικά την σύγχρονη γωνιακή ταχύτητα ίση με την γωνιακή ταχύτητα της τάσης του δικτύου και τον άξονα d του περιστρεφόμενου πλαισίου να είναι ευθυγραμμισμένος με το χωρικό διάνυσμα της τάσης δικτύου

95 Νιάρου Θεώνη Ι. 95 (Σχήμα 3.15). Αυτή η επιλογή αντιστοιχεί σε μία από τις πιο σημαντικές απαιτήσεις, που είναι η εκτέλεση της τεχνικής του διανυσματικού ελέγχου. Να σημειωθεί ότι στο παρακάτω σχήμα, ο εκθέτης α των χωρικών διανυσμάτων παραλείπεται, αλλά και τα δύο πλαίσια αναφοράς (αβ και dq) παρουσιάζονται. Σχήμα 3.15 Ευθυγράμμιση με τον άξονα d του χωρικού διανύσματος της τάσης δικτύου Οι προκύπτουσες συνιστώσες dq της τάσης δικτύου δίνουν τις παρακάτω σχέσεις : (3.47) (3.48) (3.49) (3.50) Επομένως, οι εκφράσεις (3.45) και (3.46) απλοποιούνται ως εξής : (3.51) (3.52) Αυτή η ευθυγράμμιση της τάσης δικτύου όχι μόνο απλοποιεί ελαφρώς τις εξισώσεις της τάσης του συστήματος, αλλά επιπλέον μειώνει τους υπολογισμούς για την ενεργό και άεργο ισχύ. Έτσι, εάν οι συνολικές ενεργές και άεργες ισχείς που ανταλλάσσονται με το δίκτυο υπολογιστούν, βρίσκουμε : (3.53) (3.54) Λαμβάνοντας υπόψη τις σχέσεις (3.47) και (3.48), ο υπολογισμός ισχύος μπορεί να απλοποιηθεί : (3.55) (3.56)

96 Νιάρου Θεώνη Ι. 96 Να σημειωθεί ότι οι όροι τάσης αυτών των δύο τελευταίων εκφράσεων είναι σταθερές, υπό ιδανικές συνθήκες, που σημαίνει ότι έχει αποκτηθεί μία αποσυνδεδεμένη σχέση μεταξύ των συνιστωσών dq του ρεύματος και της ενεργού και αέργου ισχύος. Έτσι, το ρεύμα είναι υπεύθυνο για την τιμή της, ενώ το ρεύμα είναι υπεύθυνο για την τιμή της. Από την άλλη πλευρά, η ενεργός και άεργος ισχύς που μετριέται στα τερματικά του μετατροπέα, δεν είναι ίδια με την ισχύ στα τερματικά του δικτύου. Η ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα υπολογίζεται ως ακολούθως : (3.57) (3.58) Αντικαθιστώντας την έκφραση της τάσης (3.51) και (3.52) σε αυτές τις δύο τελευταίες εκφράσεις, βρίσκουμε : (3.59) (3.60) 3.4 Διανυσματικός έλεγχος Εισαγωγή Ο έλεγχος από μόνος του παίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο στην τεχνολογία των ανεμογεννητριών. Ο έλεγχος, πιο συγκεκριμένα, της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας, όταν αυτή παράγει ενέργεια σε μία ανεμογεννήτρια, είναι αναγκαίος και αναπόφευκτος. Ο έλεγχος διατηρεί μεγέθη της γεννήτριας, όπως η ροπή, η ενεργή και άεργος ισχύς, καθώς επίσης και μεγέθη που σχετίζονται με τον μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου, όπως η άεργος ισχύς και η τάση του DC διαύλου κοντά στις βέλτιστες τιμές τους, για ορθή κι αποτελεσματική παραγωγή ενέργειας. Με αυτό τον τρόπο, ο έλεγχος μαζί με τον διαμορφωτή (modulator), εάν εφαρμοστεί, είναι υπεύθυνος για τη διαμόρφωση των διακοπτικών παλμών του μετατροπέα, σύμφωνα με τις επιθυμητές τιμές αναφοράς. Δύο είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες φιλοσοφίες ελέγχου για τις διπλά τροφοδοτούμενες επαγωγικές μηχανές : η τεχνική του διανυσματικού ελέγχου (επίσης γνωστός και ως έλεγχος προσανατολισμένος στο πεδίο) και η τεχνική του άμεσου ελέγχου. Εμείς θα παρουσιάσουμε τον διανυσματικό έλεγχο [15]. Επιπλέον, ο έλεγχος των DFIM σε ανεμογεννήτριες είναι απαραίτητο να δίνει έμφαση στο σενάριο στρεβλής λειτουργίας της τάσης. Εκτός από την κανονική λειτουργία της ανεμογεννήτριας, δηλαδή, ο σχεδιαστικός έλεγχος οφείλει να είναι έτοιμος να αντιμετωπίσει και προβληματικές περιπτώσεις, που προέρχονται από διαταραχές της τάσης δικτύου. Αυτές οι διαταραχές μπορεί να είναι διαφορετικής

97 Νιάρου Θεώνη Ι. 97 φύσεως (βυθίσεις τάσεων, ανισορροπίες, αρμονικές, κλπ.), εξαρτώμενες από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του ηλεκτρικού δικτύου. Ωστόσο, η πιο συνήθης διαταραχή είναι μία βύθιση τάσης. Στην ουσία, μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι και η πιο προβληματική περίπτωση, αφού παράγει συχνά αποσυνδέσεις των ανεμογεννητριών, εάν δεν εφαρμοστούν τα απαραίτητα αντίμετρα. Ας σημειωθεί δε, ότι οι πιο σοβαρές βυθίσεις τάσεων δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν μόνο από τεχνικές ελέγχου, καθώς είναι ανάγκη να υπάρχουν κάποιες επιπλέον λύσεις υλικού, όπως μοχλοί (crowbars) ή πέδηση ελίκων (braking choppers). Στον διανυσματικό έλεγχο της DFIM, οι συνιστώσες των αξόνων d και q του ρεύματος δρομέα είναι ρυθμιζόμενες. Εάν χρησιμοποιηθεί ένα πλαίσιο αναφοράς προσανατολισμένο με την ροή στάτη, η ενεργός και άεργος ροή ισχύος του στάτη μπορεί να ελεγχθεί ανεξάρτητα, μέσω του εγκάρσιου και του συνεχούς ρεύματος, αντίστοιχα (Σχήμα 3.16). Σχήμα 3.16 Διανυσματικός έλεγχος της DFIM Υπολογισμός των ρευμάτων αναφοράς Οι γενικές εκφράσεις της μηχανής DFIM, εξισώσεις (3.17) έως (3.25), μπορούν να απλοποιηθούν, χρησιμοποιώντας ένα πλαίσιο αναφοράς ευθυγραμμισμένο με την ροή στάτη. Υπό τον προσανατολισμό της ροής στάτη, η σχέση μεταξύ του ρεύματος και των ροών μπορεί να γραφτεί ως εξής : (3.61) Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω εξισώσεις, η σχέση μεταξύ των ρευμάτων ρότορα και στάτη θα είναι : (3.62) Στην σταθερή κατάσταση, η ροή στάτη είναι ανάλογη με την τάση δικτύου πτώση στην αντίσταση στάτη, έχουμε : Αγνοώντας την μικρή

98 Νιάρου Θεώνη Ι. 98 (3.63) Επομένως, όταν προσανατολίζουμε τον ευθύ άξονα με την ροή στάτη, η τάση ευθυγραμμίζεται με τον εγκάρσιο άξονα. Η ενεργός και άεργος ροή ισχύος στον στάτη μπορεί, τότε, θα γραφεί ως εξής : (3.64) Συνδυάζοντας αυτές τις εξισώσεις με την εξίσωση (3.62), παίρνουμε : (3.65) Οι παραπάνω εξισώσεις δείχνουν καθαρά ότι, υπό τον προσανατολισμό της ροής στάτη, οι ενεργές και άεργες ισχείς είναι αποσυνδεδεμένες και μπορούν να ελεγχθούν μέσω των ρευμάτων δρομέα. Μέσω του ευθέως ρεύματος, μπορούμε να ελέγξουμε την ενεργό ισχύ, ενώ η άεργος ισχύς μπορεί να ελεγχθεί μέσω του εγκάρσιου ρεύματος. Χρησιμοποιώντας την ανωτέρω εξίσωση, τα ρεύματα αναφοράς μπορούν να υπολογιστούν από τις επιθυμητές ισχείς, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.17). Ύστερα, χρησιμοποιούνται βρόχοι ελέγχου, για να εξασφαλίσουν ότι τα πραγματικά ρεύματα ακολουθούν αυτές τις αναφορές. Σχήμα 3.17 Υπολογισμός των ρευμάτων αναφοράς

99 Νιάρου Θεώνη Ι. 99 Οι προηγούμενες σχέσεις δεν είναι τελείως ακριβείς, αφού η επίδραση των αντιστάσεων στάτη έχει αγνοηθεί. Οι πραγματικές ισχείς στάτη δεν θα είναι ακριβώς οι επιθυμητές τιμές. Για να διορθωθεί αυτό το λάθος, ακόμη κι αν δεν είναι πολύ σχετικό, καθώς και άλλα, που οφείλονται σε ανακρίβειες στις τιμές των παραμέτρων της μηχανής (L s, L m, λόγος περιελίξεων, κλπ.), συνήθως προστίθενται δύο εξωτερικοί βρόχοι ισχύος : ο πρώτος βρόχος που ρυθμίζει την ενεργό ισχύ, μέσω του ευθέως ρεύματος i dr και ο δεύτερος βρόχος που ρυθμίζει την άεργο ισχύ, μέσω του ευθέως ρεύματος. Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.18) παρουσιάζεται μία γραφική απεικόνιση, που περιλαμβάνει αυτή την επιλογή. Με αυτούς τους εξωτερικούς βρόχους ισχύος επιτυγχάνεται ένας ακριβής έλεγχος της ροής ισχύος στον στάτη, παρά την ανακρίβεια στις παραμέτρους της μηχανής ή τις μικρές αποκλίσεις του πλαισίου αναφοράς. Σχήμα 3.18 Υπολογισμός αναφοράς, που περιλαμβάνει εξωτερικούς βρόχους ισχύος Συνήθως, δεν επιθυμούμε να ελέγχουμε την ισχύ του στάτη, αλλά την ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγεται από την μηχανή. Εάν, όμως, έχουμε μία τέτοια περίπτωση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σχέση μεταξύ της ροπής, της ροής στάτη και του ρεύματος ρότορα, εξίσωση (3.25) : (3.66) Υπό τον προσανατολισμό ροής στάτη, αυτή η έκφραση μπορεί να γραφτεί ως : (3.67) Και αντικαθιστώντας τη ροή στάτη, από την τιμή που παίρνουμε στην εξίσωση (3.63), έχουμε : (3.68) Έτσι, η ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι απευθείας ελεγχόμενη από το εγκάρσιο ρεύμα.

100 Νιάρου Θεώνη Ι. 100 Εναλλακτικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την έκφραση, για να υπολογίσουμε την μηχανική ισχύ : (3.69) Συγχωνεύοντας αυτή την έκφραση με την εξίσωση (3.64), βρίσκουμε τη σχέση μεταξύ της ισχύος του στάτη και της μηχανικής ισχύος : (3.70) Χρησιμοποιώντας αυτή την τελευταία έκφραση, είναι δυνατόν να μεταφράσουμε οποιαδήποτε αναφορά της ηλεκτρομαγνητικής ροπής σε μία αναφορά της ισχύος του στάτη, για να εισαχθεί στα σχήματα (3.19) και (3.20): (3.71) Βρόχοι ελέγχου ρεύματος Από την στιγμή που υπολογιστούν τα ρεύματα αναφοράς ρότορα, ο μετατροπέας ρότορα πρέπει να εξασφαλίσει ότι τα πραγματικά ρεύματα παρακολουθούν αυτές τις αναφορές. Γενικά, ο μετατροπέας ρότορα είναι ένας τριφασικός αναστροφέας, που καθορίζει την τάση στα άκρα του ρότορα, αλλά όχι τα ρεύματα. Οι βρόχοι ελέγχου πρέπει τότε να ενσωματωθούν, για να εξασφαλίσουν ότι τα ρεύματα ακολουθούν αποτελεσματικά τις αναφορές τους. Παρόλο που είναι δυνατόν να εφαρμοστούν τέτοιοι βρόχοι ελέγχου, σε οποιοδήποτε πλαίσιο αναφοράς, η πιο πρακτική λύση είναι να χρησιμοποιηθεί το ίδιο πλαίσιο αναφοράς, όπως στις εντολές, δηλαδή ευθυγραμμισμένο με τη ροή d-άξονα του στάτη. Επιπροσθέτως, κατά μήκος αυτού του άξονα, οι μεταβλητές είναι σταθερές κατά την σταθερή κατάσταση, γεγονός που βοηθάει τη ρύθμιση των ρευμάτων. Σχήμα 3.19 Υπολογισμός των γωνιών για τους μετασχηματισμούς Park

101 Νιάρου Θεώνη Ι. 101 Οι τάσεις που υπολογίζονται με αυτό τον τρόπο, αναφέρονται ως ένα σύγχρονο σύστημα αναφοράς. Ο αναστροφέας ρότορα απαιτεί η τάση για κάθε μία από τις τρεις φάσεις να υπολογίζεται από v dr και v qr, μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού Park. Επίσης, τα ρεύματα i dr και i qr υπολογίζονται, σύμφωνα με τα ρεύματα των τριών φάσεων, χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό Park. Και οι δύο συναρτήσεις απαιτούν την γωνία μεταξύ του d-άξονα και των φάσεων ρότορα, θ r, να είναι γνωστή. Έτσι, η θέση των φάσεων ρότορα, δηλαδή η γωνιακή θέση του ρότορα, θ m, πρέπει να είναι γνωστή. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι, για να εκτιμηθεί αυτή η τιμή, αλλά η πιο κοινή λύση στην πράξη από την βιομηχανία, είναι μέσω ενός κωδικοποιητή (encoder) σε συνδυασμό με τον ρότορα (Σχήμα 3.19) Μονάδα βρόχου ελέγχου Υπάρχουν άπειροι διαφορετικοί ελεγκτές, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον βρόχο ελέγχου. Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος είναι ο PI ελεγκτής (proportional-integral), εξαιτίας της απλότητάς του. Προκειμένου να υπολογιστούν οι παράμετροι του PI ρυθμιστή, πρέπει να είναι γνωστή η σχέση μεταξύ της τάσης ρότορα και των ρευμάτων ρότορα. Μία τέτοια σχέση μπορεί να αποκτηθεί από το μοντέλο dq αξόνων (Σχήμα 3.20). Σχήμα 3.20 Ισοδύναμο κύκλωμα της DFIM Αμελώντας τις αντιστάσεις στάτη, το μοντέλο απλοποιείται σημαντικά. Κάνοντάς το αυτό, η τάση ευθυγραμμίζεται με τον q-άξονα, έτσι η d συνιστώσα του γίνεται μηδέν. Από την άλλη πλευρά, το μοντέλο θεωρεί τον d-άξονα ευθυγραμμισμένο με τη ροή, οπότε η ροή κατά μήκος του q-άξονα είναι μηδενική. Η τάση στα τερματικά του ρότορα αντιστοιχεί στο άθροισμα της πτώσης τάσης στην αντίσταση R r και της τάσης που επάγεται από τη ροή του ρότορα : (3.72)

102 Νιάρου Θεώνη Ι. 102 Η σχέση μεταξύ αυτής της ροής του ρότορα και των ρευμάτων ρότορα είναι : (3.73) Οι πρώτοι όροι των παραπάνω εξισώσεων αποδίδουν τη ροή, που σχετίζεται ευθέως με το ρεύμα ρότορα. Ο λόγος της αναλογικότητας μεταξύ αυτών των ροών και των ρευμάτων αναφέρεται ως η μεταβατική αυτεπαγωγή του ρότορα, και είναι το αποτέλεσμα της πρόσθεσης σε σειρά της αυτεπαγωγής διαρροής του ρότορα, με την παράλληλη αυτεπαγωγή μαγνήτισης και διαρροής στάτη : (3.74) Όπου : σ είναι ο συντελεστής διαρροής της μηχανής. Από τις εκφράσεις (3.72) και (3.73), η σχέση μεταξύ των τάσεων ρότορα και των ρευμάτων είναι : (3.75) Κατά τη διάρκεια τακτικής λειτουργίας, όταν η τάση δικτύου είναι σταθερή σε πλάτος, η παράγωγος της ροής ψ ds είναι μηδέν και επομένως, ο τελευταίος όρος της πρώτης εξίσωσης εξαφανίζεται (σημείωση: αυτή δεν είναι η περίπτωση κατά τη διάρκεια βύθισης τάσης). Οι εξισώσεις που προκύπτουν αναπαρίστανται γραφικά στο παρακάτω σχηματικό διάγραμμα (Σχήμα 3.21). Από πλευράς ελέγχου, ο όρος (ω r L m /L s ) ψ ds είναι μία διαταραχή, αφού εξαρτάται από τη ροή στάτη (δηλαδή την τάση δικτύου), μία εξωτερική μεταβλητή ανεξάρτητη του βρόχου. Καθώς είναι σταθερά, θα αποζημιωθεί εύκολα από τον ελεγκτή. Οι όροι που απεικονίζονται στη μέση του σχήματος, είναι γνωστοί ως όροι σταυρού (cross terms). Αυτοί οι όροι εμφανίζονται, επειδή το πλαίσιο αναφοράς στρέφεται υπό διαφορετική ταχύτητα, από τα τερματικά του ρότορα. Παρόλο που αυτοί οι όροι είναι σταθεροί, υπό μόνιμο καθεστώς και δεν επηρεάζουν την λειτουργία των βρόχων ελέγχου, συχνά εκτιμούνται και αντισταθμίζονται από τον έλεγχο, για να μειώσουν αισθητά τις αρνητικές του επιδράσεις, σε μεταβατικά στάδια (Σχήμα 3.22).

103 Νιάρου Θεώνη Ι. 103 Σχήμα 3.21 Εγκατάσταση του βρόχου ελέγχου ρεύματος Σχήμα 3.22 Βρόχος ελέγχου ρεύματος, με αντιστάθμισης τροφοδοσίας προς τα εμπρός, των όρων σταυρού Αντισταθμίζοντας τους όρους σταυρού, ο βρόχος ελέγχου απλοποιείται σημαντικά. Και οι δύο άξονες είναι πλέον πανομοιότυποι και η εγκατάστασή τους έχει τώρα μειωθεί σε πρώτης τάξης συνάρτηση μεταφοράς συν, τελικά, μία συνάρτηση μεταφοράς φίλτρου αισθητήρα ρεύματος (Σχήμα 3.23). Σχήμα 3.23 Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος ελέγχου ρεύματος

104 Νιάρου Θεώνη Ι Προσανατολισμοί πλαισίων αναφοράς Η βάση του διανυσματικού ελέγχου είναι να αναφέρει τα ρεύματα ρότορα σε ένα σύγχρονο πλαίσιο αναφοράς, προσανατολισμένο έτσι ώστε ο d-άξονάς του να είναι ευθυγραμμισμένος με τη ροή στάτη. Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, στην σταθερή κατάσταση, αυτό είναι σχεδόν ισοδύναμο με την ευθυγράμμιση του q-άξονα με την τάση στάτη, επειδή η ροή έχει στραφεί 90 ο σε σχέση με τον στάτη. Έτσι, υπάρχουν δύο επιλογές, για να ευθυγραμμιστεί ο άξονας : να εκτιμήσουμε τη ροή και να ευθυγραμμίσουμε τον d-άξονα σε αυτή, ή να ευθυγραμμίσουμε τον q-άξονα με την τάση και να καθυστερήσουμε κατά 90 ο τον d-άξονα. Η πρώτη επιλογή λέγεται προσανατολισμός ροής και η δεύτερη επιλογή λέγεται προσανατολισμός τάσης (επίσης γνωστή και ως προσανατολισμός ροής δικτύου) Προσανατολισμός ροής Ο προσανατολισμός ροής ήταν η πρώτη και παραμένει η κλασσική επιλογή για τον έλεγχο της DFIM. Κάνει εκτίμηση της ροής της μηχανής και ευθυγράμμιση του d-άξονα του πλαισίου αναφοράς σε αυτό. Αρχικά, χρησιμοποιούταν ο προσανατολισμός ροής αέρα-διακένου. Πρόσφατα, υιοθετήθηκε ο προσανατολισμός ροής στάτη. Η τρέχουσα βιβλιογραφία βασίζεται κυρίως στην τελευταία αυτή επιλογή και επίσης, στις πρώτες προτάσεις χρήσης της DFIM για την παραγωγή αιολικής ισχύος Προσανατολισμός τάσης δικτύου Αυτή η επιλογή μετράει τις τάσεις στάτη και ευθυγραμμίζει τον q-άξονα με το χωρικό διάνυσμα τάσης. Ο d-άξονας θα στραφεί 90 ο από αυτόν. Ένας κλειδωμένος βρόχος φάσης (PLL) προστίθεται συνήθως, για να επιτύχει την θεμελιώδη γωνία και να μειώσει τις επιρροές των αρμονικών τάσης. Λέγεται επίσης και προσανατολισμός ροής δικτύου Σύγκριση των προσανατολισμών Και οι δύο επιλογές είναι αρκετά παρόμοιες, εάν η τάση του στάτη και η αντίστοιχη ροή του είναι σταθερές, που σημαίνει ότι στρέφονται συγχρονισμένα, με σταθερό πλάτος. Υπό αυτές τις συνθήκες, η ροή μετατοπίζεται 90 ο από την τάση δικτύου. Εάν η αντίσταση στάτη είναι μηδενική, το σφάλμα ευθυγράμμισης θα είναι ακριβώς 90 ο, κάνοντας και τα δύο πλαίσια αναφοράς να συμπίπτουν. Στην πράξη, η πτώση τάσης που οφείλεται στην αντίσταση στάτη, είναι πολύ μικρή, σε σύγκριση με την ολική τάση της μηχανής, ιδίως για τις μηχανές υψηλής ισχύος, επειδή οι πρόσφατες μηχανές έχουν την τάση να είναι πιο επαγωγικές και λιγότερο αντιστατικές, με την ανύψωση της ισχύος και της τάσης (Σχήμα 3.24). Πράγματι, είναι δύσκολο να αποφασίσουμε ποια επιλογή είναι η καλύτερη. Σχετικά με την βασική έκφραση του διανυσματικού ελέγχου (εξισώσεις (3.61) και (3.63)), η εξίσωση (3.61) είναι μαθηματικά ακριβής για τον προσανατολισμό ροής και με τη σειρά της, η εξίσωση (3.63) είναι ακριβής για τον

105 Νιάρου Θεώνη Ι. 105 προσανατολισμό τάσης. Σε κάθε περίπτωση, δεν υπάρχει καμία διαφορά μεταξύ των δύο τεχνικών αναφοράς, υπό μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Ωστόσο, εμφανίζονται διαφορές κατά τη διάρκεια μεταβατικών σταδίων. Υπό αυτές τις συνθήκες, πιθανότατα ως αποτέλεσμα των ξαφνικών αλλαγών στην τάση του στάτη, η φασική μετατόπιση μεταξύ της ροής και της τάσης μπορεί να μην είναι η ίδια, όπως κατά την μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στην πραγματικότητα, το πλάτος ροής και ακόμη και η ταχύτητα περιστροφής διαφέρουν σημαντικά, κατά τη διάρκεια μίας βύθισης τάσης. Παρόλα αυτά, τέτοιες εξαιρετικές περιπτώσεις δεν έχουν απαραίτητα διαφορές μεταξύ των δύο τεχνικών προσανατολισμού. Για παράδειγμα, διαφορές μπορεί να εμφανιστούν ακόμη και κατά τη διάρκεια σταθερών περιπτώσεων, όπου η τάση δικτύου είναι απόλυτα σταθερή. Εάν ο διανυσματικός έλεγχος εφαρμοστεί σε ένα πλαίσιο αναφοράς προσανατολισμού ροής, ο έλεγχος μπορεί να γίνει ασταθής, ανάλογα τη συνιστώσα d-άξονα του ρεύματος. Βάσει βιβλιογραφίας, μπορεί να αποδειχθεί ότι ο προσανατολισμός τάσης είναι πάντα σταθερός, ενώ ο προσανατολισμός ροής μπορεί να αποσταθεροποιήσει έναν διανυσματικό έλεγχο. Σχήμα 3.24 Προσανατολισμός πλαισίου αναφοράς Πλήρες σύστημα ελέγχου Σε προηγούμενες παραγράφους παρουσιάστηκαν τα διάφορα μέρη ενός κλασσικού διανυσματικού ελέγχου για μία DFIM : Παραγωγή των αναφορών : υπολογισμοί ρεύματος αναφοράς από την επιθυμητή ενεργή και άεργο ισχύ του στάτη Βρόχοι ελέγχου ρεύματος Μετασχηματισμοί πλαισίου αναφοράς. Το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.25) δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα μπλοκ των διασυνδέσεων μεταξύ όλων αυτών των μερών. Η πλήρης δομή ελέγχου πρέπει, επίσης, να περιλαμβάνει συμπληρωματικά θέματα, όπως η εκκίνηση (start-up) της μηχανής. Το σχήμα 3.25 απεικονίζει έναν έλεγχο, όπου το πλαίσιο αναφοράς προσανατολίζεται χρησιμοποιώντας την τάση δικτύου, αντί για την ροή στάτη. Αυτή η επιλογή έγινε, προκειμένου να προλάβουμε

106 Νιάρου Θεώνη Ι. 106 προβλήματα σταθερότητας, τα οποία θα συζητηθούν στη επόμενο κεφάλαιο. Η γωνία που χρησιμοποιείται στους μετασχηματισμούς επιτυγχάνεται, έτσι, από τις μετρήσεις της τάσης του δικτύου, χρησιμοποιώντας έναν βρόχο κλειδωμένης φάσης. Σχήμα 3.25 Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος διανυσματικού ελέγχου Όπως είδαμε, ο διανυσματικός έλεγχος στηρίζεται στην υπόθεση ότι η τάση του δικτύου είναι σταθερή και η ροή του στάτη είναι ένα χωρικό διάνυσμα, που στρέφεται με σταθερή ταχύτητα 90 ο πριν την τάση. Αυτή η υπόθεση είναι σωστή στην σταθερή κατάσταση (steady state), αλλά όχι στην περίπτωση βύθισης τάσης. Κατά τη διάρκεια μία μεταβατικής τάσης, μία φυσική ροή (αρνητική, όπως στην περίπτωση ανισορροπιών) εμφανίζεται στο στάτη, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τον προβληματισμό του πλαισίου αναφοράς. Επιπρόσθετα, αυτή η ροή επάγει μεγάλες τάσεις στα τερματικά του δρομέα, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει τον κορεσμό του μετατροπέα πλευράς δρομέα. Η επιλογή, επομένως, του προσανατολισμού του πλαισίου αναφοράς είναι πολύ σημαντική, για τον διανυσματικό έλεγχο υπό βυθίσεις τάσεων.

107 Νιάρου Θεώνη Ι. 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΔΙΠΛΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΞΗΣ : ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ 4.1 Εισαγωγή Η αστάθεια (unbalance), γνωστή και ως βύθιση τάσης (voltage dip or sag) είναι μία απότομη μείωση (μεταξύ 10% και 90%) της τάσης σε ένα σημείο του ηλεκτρικού συστήματος και μία ξαφνική αλλαγή του δυναμικού φορτίου. Οι αιτίες που προκαλούν μία βύθιση τάσης, μπορεί να είναι : βραχυκυκλώματα κάπου μέσα στο δίκτυο, διακοπτικές λειτουργίες που συνδέονται με μία προσωρινή διακοπή της τροφοδοσίας, ροή βαρέων ρευμάτων που προκαλούνται από την εκκίνηση μεγάλων φορτίων κινητήρα, ή μεγάλα ρεύματα που προέρχονται από πτώσεις κεραυνών (arc furnaces) ή από κορεσμό μετασχηματιστή (transformer saturation). Οι βυθίσεις τάσεων από σφάλματα βραχυκυκλωμάτων προκαλούν την πλειοψηφία των ανισορροπιών εξοπλισμού (equipment trip) και κατά συνέπεια, έχουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Τα σφάλματα είναι : είτε συμμετρικά (τριφασικά ή σφάλματα τριών φάσεων με γη) ή μη-συμμετρικά (μονοφασικά ή διφασικά ή σφάλματα δύο φάσεων με γη). Ανάλογα τον τύπο του σφάλματος, τα μεγέθη των βυθίσεων τάσης της κάθε φάσης μπορεί να είναι ίσα (συμμετρικό σφάλμα) ή άνισα (μη-συμμετρικά σφάλματα). Το μέγεθος μίας βύθισης τάσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο του συστήματος εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του σφάλματος, την απόσταση από το σφάλμα, την διαμόρφωση του συστήματος (system configuration) και την σύνθετη αντίσταση του σφάλματος (fault impedance) [16]. 4.2 Προέλευση των βυθίσεων τάσης Οι βυθίσεις τάσης προκαλούνται, κατά κύριο λόγο, από υπερεντάσεις σύντομης διάρκειας που διέρχονται στο σύστημα ισχύος. Οι κύριες συνεισφορές σε υπερεντάσεις είναι : σφάλματα του συστήματος ισχύος, εκκίνηση κινητήρα και ενεργοποίηση μετασχηματιστή. Τα σφάλματα του συστήματος ισχύος είναι ο πιο συνήθης λόγος των βυθίσεων τάσης, ιδίως τα μονοφασικά βραχυκυκλώματα. Στην περίπτωση ενός βραχυκυκλώματος, για μία μεγάλη περιοχή του παρακείμενου δικτύου, η τάση στην εσφαλμένη φάση πέφτει σε μία τιμή μεταξύ 0 και 1 p.u., ανάλογα τη σύνθετη αντίσταση Z (impedance) μεταξύ του σημείου του σφάλματος και του σημείου της μέτρησης.

108 Νιάρου Θεώνη Ι. 108 Οι βυθίσεις τάσης οφείλονται σε σφάλματα πάνω στο δίκτυο κοινής ωφέλειας ή εντός του αιολικού πάρκου. Ένα σφάλμα στο δίκτυο υποδεικνύει είτε μία συνθήκη βραχυκυκλώματος, είτε μία συνθήκη ακανόνιστου ανοιχτού κυκλώματος. Η φύση των βυθίσεων τάσης μπορεί να επηρεαστεί από τη συμμετρία ενός σφάλματος δικτύου. Δύο τύποι βυθίσεων τάσης εντοπίζονται : η ασύμμετρη και συμμετρική βύθιση. Το δίκτυο παροχής είναι αρκετά πολύπλοκο. Η έκταση μία βύθισης τάσης σε μία τοποθεσία, εξαιτίας ενός σφάλματος σε ένα άλλο σημείο του δικτύου, εξαρτάται από την τοπολογία του δικτύου και τις σχετικές σύνθετες αντιστάσεις πηγής του σφάλματος, του φορτίου και των γεννητριών, στο κοινό τους σημείο ζεύξης. Η πτώση στην τάση είναι μία συνάρτηση των χαρακτηριστικών του ρεύματος σφάλματος και της θέσης του σφάλματος, σε σχέση με το σημείο μέτρησης. Η διάρκεια της βύθισης είναι μία συνάρτηση των χαρακτηριστικών του συστήματος προστασίας και του χρόνου αποκατάστασης των συνδεδεμένων φορτίων. 4.3 Ορισμός των βυθίσεων τάσης Οι βυθίσεις τάσης (voltage dips or sags) είναι σύντομες ελαττώσεις της τάσης, που διαρκούν τυπικά από έναν κύκλο σε ένα περίπου δευτερόλεπτο, ή από δεκάδες έως εκατοντάδες msec (μεγαλύτερες περίοδοι χαμηλής ή υψηλής τάσης αναφέρονται ως «υπόταση» ή «υπέρταση», αντίστοιχα). Οι βυθίσεις τάσης είναι η πιο κλασσική διατάραξη ισχύος. Σε μία τυπική βιομηχανική τοποθεσία, δεν είναι ασύνηθες να δει κανείς μερικές βυθίσεις ανά έτος στην είσοδο λειτουργίας και πιο μακριά, στα τερματικά του εξοπλισμού. Η συχνότητα είναι ακόμη μεγαλύτερη στο εσωτερικό της τοποθεσίας ή σε αναπτυσσόμενες χώρες, που δεν έχουν πετύχει τα ίδια επίπεδα ποιότητας ισχύος, όπως οι πιο πολλές αναπτυγμένες χώρες. Οι βυθίσεις γενικά δεν διαταράσσουν τον φωτισμό πυρακτώσεως ή φθορισμού, τους κινητήρες ή τους θερμαντήρες (heaters). Ωστόσο, ορισμένοι ηλεκτρονικοί εξοπλισμοί στερούνται επαρκούς εσωτερικής αποθήκευσης ενέργειας και έτσι, δεν μπορούν να οδηγηθούν (ride through) μέσω των βυθίσεων στην παρεχόμενη τάση. Ο εξοπλισμός μπορεί να είναι σε θέση να οδηγηθεί μέσω πολύ σύντομων, βαθέων βυθίσεων, ή μπορεί να είναι σε θέση να οδηγηθεί μέσω μεγαλύτερων, αλλά πιο επιφανειακών βυθίσεων. Κανονικά, η τάση του δικτύου αυξομειώνεται γύρω από την ονομαστική τιμή της με διακυμάνσεις μέσα στο μέγιστο εύρος των +10% της τιμής αυτής. Μία βύθιση είναι η σύντομη πτώση στην τάση από μία ή περισσότερες φάσεις, που ακολουθείται από μία γρήγορη αποκατάσταση της ονομαστικής της τιμής, μετά από ένα σύντομο χρονικό διάστημα μεταξύ μισής περιόδου (10msec στα 50Hz) και 1min. Προκειμένου να θεωρηθεί η πτώση τάσης ως μία βύθιση, η τιμή της τάσης πρέπει να είναι μεταξύ 1% και 90% της ονομαστικής τιμής της. Μία πτώση κάτω από 1%, συνήθως, λέγεται : μικρή διακοπή (short interruption). Πάνω από 90% θεωρείται ότι η τάση βρίσκεται μέσα στο κανονικό εύρος λειτουργίας. Σε τριφασικά δίκτυα, οι βυθίσεις μπορεί να χωριστούν σε δύο ευρείες κατηγορίες : Τριφασικές βυθίσεις, όταν οι τάσεις των τριών φάσεων πέσουν στην ίδια αναλογία.

109 Νιάρου Θεώνη Ι. 109 Ασύμμετρες βυθίσεις, όπου δεν είναι ίσες όλες οι βυθίσεις των τριών φάσεων και η τάση είναι ασύμμετρη : για παράδειγμα, -Μονοφασικές βυθίσεις, που επηρεάζουν μόνο μία φάση. -Διφασικές βυθίσεις, που περιλαμβάνουν δύο φάσεις. Οι βυθίσεις τάσης, συνήθως, χαρακτηρίζονται από το βάθος και τη διάρκεια, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.1). Το βάθος μετράει την πτώση τάσης με σχετικούς όρους. Μετριέται στο βαθύτερο σημείο της κοιλάδας. Η τάση μετριέται συνήθως από την τιμή rms, για κάθε μισή περίοδο. Έτσι, η μικρότερη διάρκεια για μία βύθιση τάσης ορίζεται για μισή περίοδο. Η διάρκεια ορίζεται ως το μήκος του χρόνου, όπου η τάση είναι μικρότερη από 90% της ονομαστικής τιμής. Σχήμα 4.1 Παράμετροι μίας βύθισης 4.4 Ταξινόμηση των βυθίσεων τάσης Από τη βιβλιογραφία, η μέθοδος ταξινόμησης ABC διακρίνει επτά τύπους βύθισης (A-G), αναλύοντας τους πιθανούς τύπους βραχυκυκλωμάτων και τη διάδοση της βύθισης μέσω των μετασχηματιστών. Η μέθοδος ταξινόμησης ABC εισήχθηκε, για να περιγράψει τη διάδοση βυθίσεων τάσης μέσα από τους μετασχηματιστές. Αυτή η μέθοδος είναι η πιο παλιά και η πιο διαδεδομένη στη χρήση, πιθανότατα λόγω της απλότητάς της. Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας 4.1) συνοψίζει αυτές τις κατηγορίες βύθισης, ως συνάρτηση του τύπου σφάλματος, της τοποθεσίας και της σύνδεσης των οργάνων μέτρησης στο AC δίκτυο.

110 Νιάρου Θεώνη Ι. 110 Ο αμέσως επόμενος πίνακας (Πίνακας 4.2) δείχνει τους φάσορες τάσης για διαφορετικές κατηγορίες βύθισης, όπου οι σύνθετες αντιστάσεις της θετικής, αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας θεωρούνται ότι είναι ίσες. Εάν το πλάτος του βάθους καθορίζεται από την μεταβλητή p, οι τάσεις σφάλματος καθορίζονται από τις εξισώσεις για κάθε τύπο σφάλματος. Πίνακας 4.1 Κατηγορίες βύθισης διαφόρων σφαλμάτων, μετρημένων σε διαφορετικές τοποθεσίες

111 Πίνακας 4.2 Τύποι βυθίσεων τάσης Νιάρου Θεώνη Ι. 111

112 Νιάρου Θεώνη Ι Ανάλυση της DFIM υπό βυθίσεις τάσεων Εισαγωγή Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της DFIM είναι ότι παρέχει μεταβλητή ταχύτητα, χρησιμοποιώντας έναν μικρό και οικονομικό μετατροπέα ισχύος. Αυτές οι μηχανές ελέγχονται από έναν μετατροπέα συνδεδεμένο στον δρομέα, όπου η ισχύς είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα, περίπου ίσο με την ολίσθηση, της ισχύος του στάτη. Αυτό το χαρακτηριστικό κάνει την DFIM κατάλληλη ιδιαίτερα για εφαρμογές, όπου η ολίσθηση είναι στενά περιορισμένη, όπως στις ανεμογεννήτριες. Παρόλα αυτά, καθώς αυξήθηκε η διείσδυση της αιολικής ενέργειας και μεγάλωσε ο αριθμός των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούσαν την DFIM, το κύριο μειονέκτημα της DFIM γινόταν όλο και πιο σχετικό : η υπερβολική του ευαισθησία στις διαταραχές του ηλεκτρικού δικτύου. Η πτώση ενός ή περισσοτέρων φασικών τάσεων μπορεί να γίνει ιδιαίτερα καταστροφική για τον ηλεκτρονικό μετατροπέα. Μία βύθιση τάσης προκαλεί υπερεντάσεις και υπερτάσεις στα τυλίγματα του δρομέα, γεγονός το οποίο μπορεί να προκαλέσει ζημία στον μετατροπέα που είναι συνδεδεμένος στα τερματικά τους, εάν δεν παρθούν αντίμετρα. Ακολουθεί μία θεωρητική ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς της επαγωγικής μηχανής, κατά τη διάρκεια διαταραχών δικτύου. Όπως θα αποδειχθεί στη συνέχεια, οι βυθίσεις τάσης και γενικά, οποιαδήποτε διατάραξη της τάσης δικτύου προκαλούν αξιοσημείωτη αύξηση της προκαλούμενης ηλεκτρομαγνητικής δύναμης δρομέα (emf). Τέτοια υπέρταση επηρεάζει αρνητικά τους βρόχους ρύθμισης της μηχανής και στην περίπτωση σοβαρών βυθίσεων τάσης- μπορεί να εξαναγκάσει τον μετατροπέα δρομέα σε κορεσμό και έτσι, να χάσει τον έλεγχο της μηχανής. Αρχικά, θα αναλύσουμε την κανονική λειτουργία (normal operation) της μηχανής, δηλαδή, τη λειτουργία με τις τάσεις του στάτη σταθερές σε πλάτος, συχνότητα και φάση. Ύστερα, θα συμπεράνουμε την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται σε ένα τριφασικό βύθισμα τάσης. Στη συνέχεια, θα αναλύσουμε τα ασύμμετρα βυθίσματα τάσης, κατά τη διάρκεια των οποίων το βύθισμα τάσης δεν είναι το ίδιο και στις τρεις φάσεις Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στο ρότορα Από πλευράς του μετατροπέα δρομέα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι μία από τις πιο σημαντικές μεταβλητές, αφού λειτουργεί ως μία διατάραξη στους βρόχους ελέγχου και δεδομένης της υπόθεσης, μπορεί να προκαλέσει κορεσμό στον μετατροπέα. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στα τυλίγματα δρομέα ποικίλλει σημαντικά, υπό διαταραχές στο δίκτυο. Αυτός είναι ο λόγος της προβληματικής συμπεριφοράς των DFIMs υπό διαταράξεις. Θα δώσουμε, στη συνέχεια, μία γενική έκφραση για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στο δρομέα. Στην πορεία, η έκφραση αυτή θα ρυθμιστεί για την περίπτωση τριφασικών και ασύμμετρων βυθίσεων τάσης.

113 Νιάρου Θεώνη Ι. 113 Ξαναγράφουμε την έκφραση της τάσης δρομέα (3.10) : (4.1) Η ροή του δρομέα είναι παρόμοια με τη ροή στάτη, που επιβάλλεται από το δίκτυο, όταν ο στάτης είναι συνδεδεμένος απευθείας με το δίκτυο. Μία ελάχιστη διαφορά μεταξύ ροής του δρομέα και ροής στάτη μπορεί να εμφανισθεί, εξαιτίας αυτεπαγωγών διαρροής. Ξαναγράφουμε τις εξισώσεις ροών (3.11) και (3.12), αντίστοιχα : (4.2) (4.3) Η σχέση μεταξύ των δύο ροών προκύπτει ως εξής : (4.4) Όπου : είναι ο συντελεστής διαρροής. Συνδυάζοντας τους δύο τύπους (4.1) και (4.4), προκύπτει η εξής έκφραση : (4.5) Έτσι, η τάση του δρομέα μπορεί να διαιρεθεί σε δύο όρους. Ο πρώτος όρος αντιστοιχεί στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη emf, που επάγεται από τη ροή του στάτη στον δρομέα. Είναι η τάση στα άκρα του ανοιχτοκυκλωμένου δρομέα (όπου i r =0). Οπότε, η έκφρασή του είναι : Ή εάν οι μεταβλητές εκφράζονται στο πλαίσιο αναφοράς του στάτη, έχουμε : (4.6) (4.7) Ο δεύτερος όρος εμφανίζεται, μόνο εάν υπάρχει ρεύμα στο δρομέα. Οφείλεται στην πτώση τάσης, τόσο στην αντίσταση δρομέα R r, όσο και στην μεταβατική αυτεπαγωγή δρομέα σl r.

114 Νιάρου Θεώνη Ι Κανονική λειτουργία Κατά την κανονική λειτουργία, το ηλεκτρικό δίκτυο είναι μία πηγή τριών τάσεων σε ισορροπία, με σταθερό πλάτος και συχνότητα. Δηλαδή, οι τρεις φάσεις έχουν την ίδια τάση και μετατοπίζονται κατά 120 ο : Έτσι, το χωρικό διάνυσμα της τάσης του στάτη είναι ένα περιστρεφόμενο διάνυσμα σταθερού πλάτους, που περιστρέφεται στη σύγχρονη ταχύτητα ω s : (4.8) Όπου : είναι ο φάσορας της τάσης δικτύου, σε rms. Από την στιγμή που η πτώση τάσης στην αντίσταση στάτη R s είναι σημαντικά μικρότερη από την πτώση τάσης του στάτη (περίπου 1% σε μία πολύmw μηχανή), αυτή η τάση μπορεί να αμεληθεί. Κάνοντάς το αυτό, ο φάσορας της ροής στάτη βρίσκεται από τη σχέση : (4.9) Επομένως, σε σταθερή κατάσταση, το χωρικό διάνυσμα της ροής στάτη είναι ένα περιστρεφόμενο διάνυσμα σταθερού πλάτους, ανάλογο με την τάση δικτύου και τη σύγχρονη ταχύτητα : (4.10) Από πλευράς τυλιγμάτων ρότορα, η περιστρεφόμενη ταχύτητα της ροής στάτη είναι η διαφορά μεταξύ της σύγχρονης ταχύτητας και της ηλεκτρικής ταχύτητας ρότορα, δηλαδή η συχνότητα ολίσθησης, ω r. Εάν, για παράδειγμα, η μηχανή λειτουργεί στη σύγχρονη συχνότητα, τα τυλίγματα ρότορα θα δουν μία σταθερή ροή και καμία ηλεκτρομαγνητική δύναμη δεν θα επαχθεί στα τυλίγματα αυτά. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση, η ροή κατά μήκος του ρότορα είναι μεταβλητή, εάν αυτή εκφραστεί σε ένα πλαίσιο αναφοράς ρότορα : (4.11) Αυτή η μεταβλητή ροή, λοιπόν, θα επάγει μία ηλεκτρομαγνητική δύναμη ανάλογη της συχνότητας ολίσθησης : (4.12)

115 Νιάρου Θεώνη Ι. 115 Το πλάτος αυτής της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης μπορεί να εκφραστεί ως μία συνάρτηση της τάσης στάτη : (4.13) Εφόσον η μηχανή λειτουργεί τυπικά με ολισθήσεις πάνω από 25%, αυτή η τάση είναι σχετικά χαμηλή. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η τάση αναφέρεται στην πλευρά του στάτη. Σε πραγματικά τυλίγματα, η τάση πολλαπλασιάζεται με τον λόγο σπειρών στάτη/ρότορα, u. Για χαμηλής τάσης μηχανές (μέχρι και 2-3 MW) αυτός ο λόγος συνήθως επιλέγεται, έτσι ώστε να επιτευχθεί μία τάση στο ρότορα όμοια της τάσης του στάτη, προκειμένου να αποφευχθεί η τοποθέτηση ενός μετασχηματιστή στον μετατροπέα back-toback, που συνδέεται με το ρότορα Τριφασικές βυθίσεις τάσης Μία βύθιση τάσης είναι μία ξαφνική πτώση σε μία ή περισσότερες φασικές τάσεις. Ένα τέτοιο βύθισμα λέγεται τριφασικό, συμμετρικό ή ισορροπημένο βύθισμα, εάν η πτώση είναι η ίδια και στις τρεις φάσεις. Αυτό το σφάλμα θα μπορούσε να προκληθεί, για παράδειγμα, από ορμώμενα ρεύματα κατά την εκκίνηση του κινητήρα ή από ένα κοντινό βραχυκύκλωμα μεταξύ των τριών φάσεων και της γης. Παρόλο που η ανάλυση μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιονδήποτε τύπο βυθίσματος τάσης, προς το παρόν θα εξετάσουμε την περίπτωση ενός απότομου βυθίσματος τάσης, δηλαδή την χρονική στιγμή t=0 πέφτει η τάση, από την αρχική της τιμή,, στην τελική της τιμή,. (4.14) Προφανώς, μία τόσο απότομη τάση αποτελεί μοναχά μία μαθηματική άσκηση, καθώς δεν είναι δυνατή στα πραγματικά συστήματα. Στα πραγματικά συστήματα, η τάση πέφτει με ένα συγκεκριμένο παράγωγο, που εξαρτάται από το δίκτυο και τα χαρακτηριστικά του σφάλματος που έχει προκαλέσει την πτώση τάσης. Θεωρούμε, επομένως, την πιθανότητα ενός στιγμιαίου βυθίσματος τάσης, επειδή : Είναι το χειρότερο σενάριο. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση, οι τάσεις που επάγονται στον ρότορα είναι χαμηλότερες. Οι ισχύοντες κωδικοί ρύθμισης, συνήθως, καθιερώνουν μία πάροδο χρόνου του 1ms, για να πέσει η τάση. Μία τέτοια απότομη βύθιση τάσης μπορεί να θεωρηθεί στιγμιαία, μιας και οι διαφορές στην επαγόμενη τάση ρότορα μεταξύ των δύο τύπων βύθισης είναι χαμηλότερες από 1%. Προς ανάλυση αυτής της υπόθεσης, πρώτα θα εξετάσουμε την περίπτωση που ο ρότορας είναι ανοιχτοκυκλωμένος και ύστερα, η ανάλυση θα συμπεριλαμβάνει την επιρροή του ρεύματος ρότορα, επίσης.

116 Νιάρου Θεώνη Ι Ολική βύθιση τάσης, ανοιχτοκυκλωμένος ρότορας Μιλάμε για ολική βύθιση τάσης, όταν η τάση κατά τη βύθιση είναι μηδέν, γεγονός που μπορεί να οφείλεται σε ένα βραχυκύκλωμα ακριβώς απέναντι από τα τερματικά της μηχανής. Λέγεται συνήθως ότι, όταν ο στάτης δεν έχει τάση, η μηχανή απομαγνητίζεται, δηλαδή δεν υπάρχει ροή και επομένως, δεν επάγεται ηλεκτρομαγνητική δύναμη στα τυλίγματα του ρότορα. Στην πραγματικότητα, είναι αλήθεια ότι, στην σταθερή κατάσταση, η ροή είναι ανάλογη της τάσης στάτη και επομένως, εάν η βύθιση είναι αρκετά μεγάλη, η μηχανή θα απομαγνητιστεί τελείως. Παρόλα αυτά, η ροή δεν μπορεί να γίνει ασυνεχής, αφού είναι μία μεταβλητή κατάστασης. Αντιθέτως, η ροή εξελίσσεται από την αρχική προσφαλματική τιμή της στο μηδέν, καταλήγοντας σε μία μεταβλητή ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που επάγεται στα άκρα του ρότορα. Η εξέλιξη της ροής του στάτη μπορεί να υπολογιστεί μαθηματικά από την δυναμική έκφραση του στάτη, εξίσωση (3.9), την οποία ξαναγράφουμε εδώ : (4.15) Με τον ρότορα ανοιχτοκυκλωμένο, αυτή η έκφραση μπορεί να γραφτεί ως εξής : (4.16) Στην περίπτωση της ολικής βύθισης τάσης, v s =0, η λύση της έκφρασης (4.16) είναι : (4.17) Όπου : είναι η αρχική τιμή της ροής (για t=0) τ s = L s / R s : είναι η χρονική σταθερά του στάτη. Η τιμή του μπορεί να υπολογιστεί, θεωρώντας την ροή μόλις πριν και μετά την εμφάνιση της βύθισης: (4.18) Καθώς η ροή πρέπει να είναι συνεχής και οι δύο εκφράσεις πρέπει να έχουν την ίδια τιμή, για t=0. Άρα, έχουμε : (4.19) Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της ροής, κατά τη διάρκεια της βύθισης, είναι ότι δεν περιστρέφεται : είναι σταθερή με το στάτη. Δηλαδή, η ροή, η οποία περιστρεφόταν στη συχνότητα δικτύου πριν από τη

117 Νιάρου Θεώνη Ι. 117 βύθιση, παγώνει κατά τη διάρκεια της βύθισης. Το πλάτος της φθίνει εκθετικά, από την αρχική της τιμή στο μηδέν, με τη χρονική σταθερά του στάτη. Σε πολυmw μηχανές, αυτή η χρονική σταθερά ποικίλλει μεταξύ 0.8 και 1.5s, πολύ μεγαλύτερη από τη μέση διάρκεια της βύθισης τάσης. Από την έκφραση της ροής στάτη, εξίσωση (4.18) και λαμβάνοντας υπόψη ότι δεν υπάρχει ρεύμα στο ρότορα, το ρεύμα στάτη πριν και κατά τη διάρκεια της βύθισης θα είναι : (4.20) Παρόμοια με τη ροή στάτη, το χωρικό διάνυσμα των ρευμάτων σταματά να περιστρέφεται κατά τη διάρκεια της βύθισης, γεγονός που μαρτυρά την κυκλοφορία DC ρευμάτων στο στάτη της μηχανής. Παρόλο που είναι DC, αυτά τα ρεύματα δεν είναι σταθερά, αφού φθίνουν εκθετικά με την ίδια δυναμική με της ροής. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.2), το αρχικό πλάτος του ρεύματος της κάθε φάσης αντιστοιχεί στην στιγμιαία του τιμή, τη στιγμή που εμφανίζεται η βύθιση τάσης. Να σημειωθεί ότι αυτή η γραφική παράσταση προέκυψε από μία μηχανή μικρού μεγέθους, εργαστηριακή, του οποίου η χρονική σταθερά είναι περίπου 100ms. Τα ρεύματα εξαφανίζονται σε περίπου 400ms. Μία μεγαλύτερη μηχανή, όπως αυτές που τοποθετούνται στις ανεμογεννήτριες, συνήθως έχει πολύ λιγότερη αντίσταση και η χρονική της σταθερά είναι, επομένως, αρκετά μεγαλύτερη. Η φθίνουσα της ροής και των ρευμάτων για αυτές τις μηχανές μπορεί να διαρκέσει για μερικά δευτερόλεπτα. Σχήμα 4.2 Ρεύματα στάτη κατά τη διάρκεια μίας ολικής βύθισης τάσης Κατά τη διάρκεια μίας ολικής βύθισης τάσης, υπάρχει ροή μέσα στη μηχανή, ακόμα κι αν δεν υπάρχει τάση στο δίκτυο. Αυτή η μεταβατική ροή επάγει μία ηλεκτρομαγνητική δύναμη στα τυλίγματα του

118 Νιάρου Θεώνη Ι. 118 ρότορα, με τον ίδιο τρόπο όπως μία ροή σταθερής κατάστασης κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Ωστόσο, οι δύο περιπτώσεις είναι αρκετά διαφορετικές μεταξύ τους : η ροή σταθερής κατάστασης περιστρέφεται σύγχρονα σε μία ταχύτητα πολύ όμοια με την ταχύτητα ρότορα- ενώ η μεταβατική ροή κατά τη διάρκεια της βύθισης είναι στατική και δεν περιστρέφεται. Έτσι, όσον αφορά τα τυλίγματα ρότορα, η ροή σταθερής κατάστασης περιστρέφεται πολύ αργά, στη συχνότητα ολίσθησης. Αντιθέτως, η μεταβατική ροή φαίνεται από τον ρότορα σαν να περιστρέφεται πολύ πιο γρήγορα, στην ταχύτητα ρότορα, αλλά από την αντίθετη έννοια. Επομένως, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται από την μεταβατική ροή, θα είναι πολύ πιο μεγάλη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται από την σταθερή κατάσταση, κατά την κανονική λειτουργία. Το ακόλουθο σχήμα (Σχήμα 4.3) δείχνει τις τάσεις στα άκρα του ρότορα της μηχανής, που λειτουργεί με μία ολίσθηση s = -20%. Πριν τη βύθιση, οι τάσεις ρότορα αντιστοιχούν στην κανονική λειτουργία με s = Η μέγιστη τιμή τους είναι περίπου 80V. Όταν εμφανίζεται η πλήρης βύθιση, η φυσική ροή επάγει μία τάση, της οποίας το πλάτος φθίνει εκθετικά, όμοια με την ροή στάτη (ή ρεύμα). Το μέγιστο πλάτος πετυχαίνεται στην αρχή της βύθισης, όπου η ροή είναι μέγιστη και είναι ίση με 380V, μία τιμή ακόμη μεγαλύτερη από την μέγιστη τάση δικτύου. Εκτός από το πλάτος, η συχνότητα της τάσης ποικίλλει σημαντικά πριν και κατά τη διάρκεια της βύθισης. Κατά την κανονική λειτουργία, η συχνότητα είναι ίση με την συχνότητα ολίσθησης, που είναι ω r =sω s. Καθώς η συχνότητα δικτύου ήταν 50Hz, το αποτέλεσμα είναι -10Hz. Κατά τη διάρκεια της βύθισης, αντιθέτως, η ροή φαίνεται από τα τυλίγματα ρότορα σαν να περιστρέφονται στα -60Hz και έτσι, αυτή είναι η συχνότητα της τάσης που επάγεται στο ρότορα. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται από την μεταβατική ροή, μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την έκφραση (4.6), εάν η ροή στάτη αναφέρεται στο πλαίσιο αναφοράς του ρότορα. Σχήμα 4.3 Ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται, κατά τη διάρκεια μίας ολικής βύθισης τάσης

119 Νιάρου Θεώνη Ι. 119 Από την εξίσωση (4.17) έχουμε : (4.21) Αντικαθιστώντας αυτή την ροή στην εξίσωση (4.6) έχουμε : (4.22) Είναι ενδιαφέρον να σημειώσουμε ότι η επαγόμενη ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι ανάλογη της μεταβατικής ροής και έτσι, η επαγόμενη τάση φθίνει ομοίως : εκθετικά με την χρονική σταθερά του στάτη. Η τελευταία έκφραση, επίσης, δείχνει ότι το χωρικό διάνυσμα περιστρέφεται με ταχύτητα -ω m και έτσι, όπως φαίνεται και στο προηγούμενο σχήμα 4.3, οι τάσεις στα άκρα του στάτη είναι αρνητικής ακολουθίας και η συχνότητά του είναι η ίδια με την ηλεκτρική ταχύτητα ρότορα. Η μέγιστη τάση επάγεται στην αρχή της βύθισης. Η τιμή της μπορεί να υπολογιστεί από τις εξισώσεις (4.22) και (4.19), αγνοώντας τον όρο : (4.23) Αυτή η έκφραση δείχνει καθαρά ότι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται, κατά τη διάρκεια της βύθισης, είναι ανάλογη του παράγοντα (1-s), εν αντιθέσει με την επαγόμενη ηλεκτρομαγνητική δύναμη, κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, που είναι ανάλογη του s, όπως ακριβώς φαίνεται και στην εξίσωση (4.12). Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ολίσθηση σε αυτές τις μηχανές συνήθως ποικίλλει μεταξύ και 0.25, μπορεί να προκύψει ότι, στην περίπτωση μίας βύθισης τάσης, το πλάτος της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης που επάγεται στην αρχή μίας ολικής βύθισης μπορεί να είναι 3 με 5 φορές μεγαλύτερο από ότι κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Αυτή η ασυνήθιστη υπέρταση του ρότορα επηρεάζει σημαντικά τη λειτουργία του μετατροπέα ρότορα, συνήθως προκαλώντας κορεσμό στον μετατροπέα και καταλήγοντας επομένως, στην απώλεια ελέγχου του ρεύματος Μερική βύθιση τάσης, ανοιχτοκυκλωμένος ρότορας Γενικά, τα σφάλματα δικτύου είναι μερικές βυθίσεις τάσης, δηλαδή η τάση στάτη πέφτει κάτω από την ονομαστική του τάση, αλλά παραμένει πάνω από το μηδέν. Αυτές οι βυθίσεις χαρακτηρίζονται από μία σχετική πτώση ή βάθος. Μία ολική βύθιση τάσης είναι τότε μία βύθιση τάσης με βάθος ίσο με το 1 ή αλλιώς 100%. Θα αναλύσουμε εδώ την επιρροή του βάθους της βύθισης τάσης στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στα τυλίγματα ρότορα. Η γεννήτρια θεωρείται ότι δουλεύει υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, όταν σε μία δεδομένη στιγμή t=0, συμβαίνει μία βύθιση τάσης βάθους p : (4.24)

120 Νιάρου Θεώνη Ι. 120 Το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.4) δείχνει, για παράδειγμα, την εξέλιξη του δικτύου ή των τάσεων στάτη, κατά τη διάρκεια μίας 50% μερικής βύθισης τάσης. Σε σταθερή κατάσταση, η ροή είναι ανάλογη της τάσης στάτη, οπότε η ροή θα έχει την ίδια πτώση με την τάση : (4.25) Παρόλα αυτά και ακριβώς όπως έγινε κατά τη διάρκεια ολικών βυθίσεων τάσης, η ροή δεν αλλάζει στιγμιαία, επειδή είναι μεταβλητή κατάστασης και επομένως, είναι συνεχής. Αντί αυτού, η ροή αλλάζει σταδιακά, από μία σταθερή τιμή σε μία άλλη. Η εξέλιξή της περιγράφεται από την εξίσωση (4.16). (4.26) Όπως με μία οποιαδήποτε συνήθη διαφορική εξίσωση, αυτή η έκφραση χωρίζεται σε δύο όρους : την ομογενή και την μερική λύση. o Η ομογενής λύση είναι η παροδική ή φυσική απόκριση της εξίσωσης. Εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες της ολικής λύσης. o Η μερική λύση είναι η απόκριση σταθερής κατάστασης. Αυτή η λύση είναι ανάλογη της εισόδου της εξίσωσης, δηλαδή της τάσης στάτη. Σχήμα 4.4 Φασικές τάσεις δικτύου στην περίπτωση μιας 50% βύθισης τάσης

121 Νιάρου Θεώνη Ι. 121 Από εδώ και στο εξής, αυτοί οι όροι θα αναφέρονται ως φυσική ροή, ψ sn και εξαναγκασμένη ροή, ψ sf. Τα χαρακτηριστικά τους είναι πολύ διαφορετικά : Το πλάτος της εξαναγκασμένης ροής είναι σταθερό και ανάλογο της τάσης δικτύου, όπως αναφέρθηκε πιο πριν στην εξίσωση (4.9) : (4.27) Αυτή η ροή είναι ένα χωρικό διάνυσμα που περιστρέφεται στη συχνότητα του δικτύου. Η φυσική ροή είναι μία παροδική ροή, που προκαλείται από την αλλαγή της τάσης. Η αρχική της τιμή είναι και φθίνει σταδιακά : (4.28) Αυτή η ροή δεν εξαρτάται από την τάση στάτη, αλλά από τις αρχικές συνθήκες της μηχανής. Μπορεί να υπάρχει, ακόμα κι αν δεν υπάρχει τάση στα άκρα του στάτη. Κατά την κανονική λειτουργία, η τάση του δικτύου είναι συνήθως σταθερή σε πλάτος και συχνότητα και επομένως, υπάρχει μόνο μία εξαναγκασμένη ροή στον στάτη. Απεναντίας, κατά τη διάρκεια μίας ολικής βύθισης τάσης, η τάση στάτη είναι μηδενική και έτσι, η μοναδική ροή που υπάρχει στον στάτη είναι η φυσική ροή. Κατά την μερική βύθιση τάσης τόσο η φυσική ροή, όσο και η εξαναγκασμένη ροή υπάρχουν στη μηχανή, οπότε η ολική ροή είναι το άθροισμά τους : (4.29) Η αρχική ροή πετυχαίνεται από την αρχική συνθήκη (για t=0), υποθέτοντας ότι η ροή στάτη πρέπει να είναι ίδια αμέσως πριν και μετά την εμφάνιση της βύθισης. (4.30) Προκειμένου να αποφευχθούν οι ασυνέχειες και οι δύο εκφράσεις πρέπει να είναι ίσες, για t=0. Έτσι, (4.31) Το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.5) δείχνει το χωρικό διάνυσμα της ροής στάτη, ακριβώς πριν και μετά την εμφάνιση του σφάλματος. Πριν το σφάλμα, η ροή περιστρεφόταν στην συχνότητα του δικτύου. Μετά το σφάλμα, η ροή σπάει σε δύο μέρη : ένα που περιστρέφεται στη συχνότητα του δικτύου (εξαναγκασμένη ροή) και ένα άλλο στατικό με τον στάτη (φυσική ροή). Η ολική ροή, που προκύπτει από την πρόσθεση των δύο ροών, είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που υπήρχε πριν το σφάλμα.

122 Νιάρου Θεώνη Ι. 122 Σχήμα 4.5 Αποσύνθεση της ροής στην αρχή της βύθισης Κατά τη διάρκεια του σφάλματος, η εξαναγκασμένη ροή εξακολουθεί να περιστρέφεται. Εν τω μεταξύ, η φυσική ροή παραμένει σταθερή, όπως φαίνεται από το ακόλουθο σχήμα (Σχήμα 4.6). Αυτή η ροή δημιουργείται από ένα ρεύμα στάτη, που αποτελείται από δύο μέρη : μία AC συνιστώσα, για την εξαναγκασμένη ροή και μία DC φθίνουσα συνιστώσα, για την φυσική ροή : (4.32) Καθένα από τα δύο μέρη της ροής επάγει μία ακόλουθη συνιστώσα στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που επάγεται στον ρότορα, : (4.33) Σχήμα 4.6 Εξέλιξη της ροής κατά τη διάρκεια της βύθισης τάσης Η πρώτη συνιστώσα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης επάγεται από την εξαναγκασμένη ροή. Μπορεί να υπολογιστεί, εισάγοντας την εξαναγκασμένη ροή, εξίσωση (4.27), στην εξίσωση (4.7). Αφού η ροή αυτή είναι σύγχρονη, η τάση αυτή είναι ίδια με την τάση που επάγεται κατά τη διάρκεια κανονικών λειτουργιών, δηλαδή μία τάση AC ανάλογη της τάσης στάτη και της ολίσθησης : (4.34) Αυτή η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι σχετικά μικρή και σε κάθε περίπτωση, μικρότερη από την τάση ομαλής λειτουργίας, αφού η τάση στάτη έχει μειωθεί.

123 Νιάρου Θεώνη Ι. 123 Η δεύτερη συνιστώσα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης επάγεται από την φυσική ροή. Μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση (4.22) και αγνοώντας τον όρο : (4.35) Τέλος, η ολική ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται στον ρότορα, προκύπτει από την πρόσθεση των δύο συνιστωσών. Εκφράζοντας την τάση αυτή ως μία συνάρτηση του βάθους της βύθισης, έχουμε : (4.36) Οι δύο όροι της προηγούμενης εξίσωσης είναι διαφορετικοί ως προς τη φύση τους. Ο πρώτος όρος παράγεται από την νέα τάση δικτύου και το πλάτος του είναι μικρό, αφού είναι ανάλογο της ολίσθησης. Η συχνότητά του είναι η διαφορά μεταξύ της σύγχρονης συχνότητας και της συχνότητας του ρότορα. Επομένως, συνήθως πετυχαίνει μερικά Hz. Ο δεύτερος όρος είναι μία μεταβατική τάση, που προκαλείται από την φυσική ροή. Το πλάτος του μπορεί να είναι σημαντικό, αφού είναι ανάλογο του βάθους της βύθισης και η συχνότητά του είναι η ηλεκτρική ταχύτητα ρότορα, ω m. Το επόμενο σχήμα (Σχήμα 4.7) δείχνει την τάση σε έναν ανοιχτοκυκλωμένο ρότορα, για μία μηχανή που λειτουργεί στο 20% της ολίσθησης, κατά τη διάρκεια μίας 80% βύθισης. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται πριν το σφάλμα, είναι ημιτονοειδής με μία συχνότητα ίση με 10%, που αντιστοιχεί στην συχνότητα ολίσθησης της μηχανής. Το πλάτος, που αναφέρεται στην πλευρά του στάτη, είναι 0.8 p.u., που είναι το γινόμενο της τάσης στάτη και της ολίσθησης. Κατά τη διάρκεια της βύθισης, υψηλές τάσεις επάγονται στον ρότορα, που οφείλονται κυρίως στην φυσική ροή. Πετυχαίνεται το μέγιστο, κατά τις πρώτες στιγμές της βύθισης, όταν η φυσική ροή είναι η υψηλότερη. Τα σχήματα των τάσεων μπορεί να προκύψουν αρκετά περίεργα, αφού προκύπτουν από την πρόσθεση δύο ημιτόνων διαφορετικής συχνότητας. Στην αρχή της βύθισης, μόνο ένα ημίτονο των 40Hz μπορεί να διακριθεί. Σχετίζεται με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που επάγεται από την φυσική ροή, η οποία διαφαίνεται, καθώς περιστρέφεται σε αυτή την συχνότητα (την ταχύτητα περιστροφής) από τα τυλίγματα του ρότορα. Όπως και στην περίπτωση της ολικής βύθισης τάσης, η ακολουθία της φάσης αντιστρέφεται.

124 Νιάρου Θεώνη Ι. 124 Σχήμα 4.7 Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται κατά τη διάρκεια μίας 80% βύθισης τάσης Κατά την βύθιση, καθώς φθίνει η φυσική ροή, τα 40Hz ημίτονα εξαφανίζονται. Τότε, διαφαίνεται ο άλλος όρος : ένα ημίτονο 10Hz, του οποίου η ακολουθία των φάσεων είναι θετική. Αυτό αντιστοιχεί στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που επάγεται από την εξαναγκασμένη ροή. Το σχήμα του είναι παρόμοιο με την προσφαλματική τάση, αλλά το πλάτος του είναι τώρα πέντε φορές χαμηλότερο, αφού αυτή η τάση είναι ανάλογη της νέας τάσης του δικτύου Ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων Συνήθως, τα σφάλματα που προκαλούν βυθίσεις τάσεων δεν επηρεάζουν τις τρεις φάσεις με τον ίδιο τρόπο. Το πιο κοινό σφάλμα στα ηλεκτρικά δίκτυα, για παράδειγμα, είναι ένα βραχυκύκλωμα μονοφασικό με γη. Τα βραχυκυκλώματα ανάμεσα σε δύο φάσεις μπορεί, επίσης, να είναι συχνά. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η παραμένουσα τάση δεν είναι η ίδια στις τρεις φάσεις και/ή οι μετατοπίσεις φάσεων ανάμεσα στις τρεις τάσεις δεν είναι πλέον 120 ο. Τότε, το σύστημα λέγεται ότι είναι ανισόρροπο ή ασύμμετρο. Για την ιστορία, το αποτέλεσμα των ασύμμετρων σφαλμάτων στα συστήματα ισχύος μελετήθηκε μέσω της μεθόδου συμμετρικών συνιστωσών, η οποία αναπτύχθηκε το 1918 από τον Charles Legeyt Fortescue Βασικές αρχές της μεθόδου συμμετρικών συνιστωσών Σε ένα ισορροπημένο σύστημα (Σχήμα 4.8), οι τάσεις των τριών φάσεων έχουν το ίδιο πλάτος και οι κυματομορφές τους είναι 120 ο (ή 2π/3 rad) αντισταθμισμένα με τον χρόνο :

125 Νιάρου Θεώνη Ι. 125 Σχήμα 4.8 Ισορροπημένο σύστημα Χρησιμοποιώντας τη σημειογραφία του φάσορα, οι φάσορες είναι τρεις μιγαδικοί αριθμοί, ίδιου μέτρου (modulus), αλλά με γωνίες (arguments) μετατοπισμένες 120 ο : Όπου : α είναι ένα μοναδιαίο διάνυσμα σε γωνία 120 ο. Αποδεικνύεται εύκολα ότι : α 2 = α * = ο, α 3 = 1 και (1+α+α 2 ) = 0. Ένα μη ισορροπημένο σύστημα χαρακτηρίζεται από τους φάσορές του, που έχουν διαφορετικά μέτρα και/ή από τις διαφορές μεταξύ των γωνιών τους, που είναι διαφορετικές από 120 ο. Σύμφωνα με τη θεωρία συμμετρικών συνιστωσών, οποιοδήποτε μη ισορροπημένο τριφασικό σύστημα μπορεί να διαχωριστεί σε τρία σετ από ισορροπημένα τριφασικά συστήματα. Οπότε, οποιοσδήποτε φάσορας (τάση, ρεύμα, ροή, κλπ.) μπορεί να αναλυθεί ως το άθροισμα τριών φασόρων ενός ισορροπημένου συστήματος. Αυτά τα τρία ισορροπημένα συστήματα ονομάζονται : o Η θετική ακολουθία : Συνήθως συμβολίζεται με τον υπο-δείκτη 1, όπου οι φάσεις ακολουθούν τη σειρά της κανονικής ακολουθίας, δηλαδή φάση α->φάση b->φάση c. Είναι το σύνηθες τριφασικό σύστημα ισορροπίας, που εμφανίζεται σε ένα ανόθευτο δίκτυο (Σχήμα 4.9).

126 Νιάρου Θεώνη Ι. 126 o o Η αρνητική ακολουθία : Συνήθως συμβολίζεται με τον υπο-δείκτη 2, όπου η ακολουθία των φασόρων έχει την αντίθετη κατεύθυνση από την θετική ακολουθία : φάση α->φάση c->φάση b. Αυτή η ακολουθία, λοιπόν, προκαλεί τον κινητήρα να γυρίσει προς την αντίθετη κατεύθυνση (Σχήμα 4.10). Η μηδενική ακολουθία : Συνήθως συμβολίζεται με τον υπο-δείκτη 0, όπου όλοι οι φάσορες βρίσκονται στην ίδια φάση. Όντας οι φάσορες ίδιοι σε μέτρο και γωνία, οι τάσεις των τριών φάσεων είναι ίδιες σε κάθε χρονική στιγμή (Σχήμα 4.11). Σχήμα 4.9 Θετική ακολουθία Σχήμα 4.10 Αρνητική ακολουθία Σε ένα σύνηθες ισορροπημένο σύστημα μόνο η θετική ακολουθία είναι παρούσα. Εάν ένα αντίστροφο σύστημα φτιάχνεται, αλλάζοντας δύο από τις φάσεις, μόνο η αρνητική ακολουθία θα είναι παρούσα. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση και οι τρεις ακολουθίες εμφανίζονται στο σύστημα. Τότε, η τάση στη μία φάση είναι το άθροισμα της ίδιας φασικής τάσης σε κάθε μία από τις τρεις ακολουθίες.

127 Νιάρου Θεώνη Ι. 127 Για παράδειγμα, ένα βραχυκύκλωμα φάσης με γη, στην φάση α, προκαλεί μία μονοφασική βύθιση τάσης, όπου οι φάσεις b και c παραμένουν λίγο-πολύ αμετάβλητες, ενώ η φάση α πέφτει. Σύμφωνα με την μέθοδο συμμετρικών συνιστωσών αυτό το ασύμμετρο σύστημα μπορεί να αναλυθεί στις ακολουθίες που αναπαρίστανται στα σχήματα 4.9, 4.10 και 4.11, έτσι ώστε το άθροισμα των τριών συνιστωσών να είναι ίσο με τις αρχικές τάσεις, που αναπαρίστανται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.12). Σχήμα 4.11 Μηδενική ακολουθία Σχήμα 4.12 Προσθήκη των τριών ακολουθιών για ένα μονοφασικό βύθισμα τάσης Οι τρεις ακολουθίες μπορούν να υπολογιστούν από τους φάσορες των τριών φάσεων του αρχικού συστήματος :

128 Νιάρου Θεώνη Ι. 128 (4.37) Όπου,, : είναι οι φάσορες των φάσεων α, b και c.,, : είναι οι φάσορες της φάσης α της θετικής, αρνητικής και μηδενικής ακολουθίας, αντίστοιχα. Συχνά ο δείκτης α παραλείπεται Συμμετρικές συνιστώσες εφαρμοζόμενες στην DFIM Σε μία ηλεκτρική μηχανή, με συμμετρικά τυλίγματα μετατοπισμένα 120 ο, μία θετική ακολουθία των τάσεων συνεπάγεται μία στατική ροή, σταθερού πλάτους και στρεφόμενη στην συχνότητα δικτύου. Στη μηχανή που αναπαρίσταται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.13), η ροή γυρίζει αριστερόστροφα. Μία αρνητική ακολουθία, επίσης, συνεπάγεται μία ροή με σταθερό πλάτος, αλλά σε μία τέτοια περίπτωση, η ροή γυρίζει προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή δεξιόστροφα, στη μηχανή της παρακάτω εικόνας. Τέλος, η μηδενική ακολουθία μπορεί μόνο να δημιουργήσει μία ροή διαρροής (leakage flux), εάν η μηχανή έχει γειωμένο τον ουδέτερό του. Στην μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων, ωστόσο, ο ουδέτερος είναι απομονωμένος (isolated) και η τάση μηδενικής ακολουθίας δεν έχει καμία επιρροή πάνω στη συμπεριφορά της μηχανής. Σχήμα 4.13 Τυπική διαμόρφωση των τυλιγμάτων σε μία τριφασική μηχανή Αγνοώντας την μηδενική ακολουθία, η τάση δικτύου μπορεί να αναλυθεί ως το άθροισμα της θετικής και αρνητικής τάσης. Χρησιμοποιώντας την σημειογραφία του χωρικού διανύσματος, έχουμε : (4.38) Εάν η μηχανή δεν είναι κορεσμένη, μπορεί να θεωρηθεί ως ένα γραμμικό σύστημα. Η ροή σταθερής κατάστασης θα είναι, τότε, το άθροισμα δύο όρων, ένας που προέρχεται από την θετική συνιστώσα της

129 Νιάρου Θεώνη Ι. 129 τάσης στάτη, ψ s1 και ενός ακόμη που προέρχεται από την αρνητική συνιστώσα, ψ s2. Αγνοώντας την αντίσταση στάτη, μπορούν να γραφούν ως εξής : (4.39) Επιπρόσθετα και ακριβώς όπως σε μία τριφασική βύθιση, μία φυσική ροή μπορεί να ρέει στην αρχή της βύθισης, έτσι ώστε η ολική ροή στάτη να είναι συνεχής. Η ολική ροή είναι, τότε, το άθροισμα των τριών ροών : (4.40) Οι θετικές και αρνητικές ροές είναι οι ροές σταθερής κατάστασης, μία συνάρτηση της τάσης δικτύου. Η φυσική ροή, εν αντιθέσει, είναι μία μεταβατική ροή, ανεξάρτητη από την τάση δικτύου. Η αρχική της τιμή εγγυάται καμία ασυνέχεια στην ολική ροή. Σε τριφασικές βυθίσεις τάσεων, αυτή η αρχική φυσική ροή είναι μία συνάρτηση βάθους, ενώ στις ασύμμετρες βυθίσεις, εξαρτάται επίσης από τον τύπο του σφάλματος (μονοφασικό, διφασικό, κλπ.) και από την χρονική στιγμή της εμφάνισης. Κάθε ροή επάγει μία ηλεκτρομαγνητική δύναμη στον ρότορα, σύμφωνα με το πλάτος της και την σχετική ταχύτητά της, σε σχέση με τα τυλίγματα ρότορα. Η ολική ανοιχτοκυκλωμένη τάση ρότορα είναι, τότε, το άθροισμα των εξής τριών όρων : (4.41) Οι πρώτοι δύο όροι μπορούν να υπολογιστούν, αντικαθιστώντας στην εξίσωση (4.7) τις ροές που προκύπτουν από τις εξισώσεις (4.39). Έτσι, εκφράζοντάς τους στο πλαίσιο αναφοράς του ρότορα, έχουμε: (4.42) Η πρώτη τάση είναι μικρή, αφού είναι ανάλογη της ολίσθησης. Η συχνότητά της είναι ίση με τη συχνότητα ολίσθησης, που είναι μερικά Hz. Η δεύτερη τάση, ωστόσο, πολλαπλασιάζεται με έναν παράγοντα πλησίον του 2 και έτσι, το πλάτος της θα ήταν σημαντικό, εάν ο ασύμμετρος λόγος της βύθισης είναι μεγάλος. Δεδομένου ότι η ολίσθηση είναι συνήθως μικρή, η συχνότητά της είναι σχεδόν διπλάσια της συχνότητας δικτύου. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που επάγεται από την φυσική ροή είναι ακριβώς η ίδια, όπως και στις τριφασικές βυθίσεις, εξίσωση (4.35), με μόνη διαφορά ότι η αρχική τιμή αυτής της ροής εξαρτάται κι από άλλους παράγοντες, εκτός από το βάθος της βύθισης :

130 Νιάρου Θεώνη Ι. 130 (4.43) Από τη στιγμή που η φυσική ροή καθορίζεται με τον στάτη, η συχνότητα αυτής της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι ίση με την ταχύτητα ρότορα, δηλαδή περίπου η συχνότητα δικτύου. Στη συνέχεια, θα χρησιμοποιήσουμε την μέθοδο συμμετρικών συνιστωσών, για να αναλύσουμε τις ειδικές περιπτώσεις της μονοφασικής και διφασικής βύθισης. Η μέθοδος, επίσης, επιλύει οποιονδήποτε άλλο τύπο βύθισης τάσης Μονοφασική βύθιση Το πιο συχνό σφάλμα δικτύου είναι ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ μίας γραμμής και του εδάφους. Ας θεωρήσουμε, για παράδειγμα, ότι ένα βραχυκύκλωμα στη φάση α προκαλεί την τάση αυτής της φάσης να πέσει. Υποθέτοντας ότι τα δίκτυα θετικής και αρνητικής ακολουθίας έχουν ίσες σύνθετες αντιστάσεις, οι τάσεις των φάσεων b και c θα παραμείνουν ίδιες. Οι φάσορες των φασικών τάσεων μπορούν να γραφούν ως εξής : (4.44) Όπου ο όρος εμφανίζεται, επειδή οι φάσορες εκφράζονται σε τιμές rms. Οι θετικές, αρνητικές και μηδενικές συνιστώσες γίνονται : (4.45) Όπως αιτιολογήθηκε προηγουμένως, η μηδενική τάση δεν επηρεάζει την συμπεριφορά της μηχανής. Οι άλλες δύο τάσεις προκαλούν μία θετική και αρνητική ροή του στάτη. Αυτές οι δύο ροές μπορούν να υπολογιστούν, εισάγοντας τις τάσεις της τελευταίας έκφρασης στην εξίσωση (4.39). Η φυσική ροή μπορεί να προκύψει από τις αρχικές συνθήκες, λαμβάνοντας υπόψη ότι η ολική ροή πρέπει είναι συνεχής : (4.46) Χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση, μπορούμε να επιτύχουμε την αρχική φυσική ροή : (4.47)

131 Νιάρου Θεώνη Ι. 131 Σε αντίθεση με την περίπτωση ενός συμμετρικού σφάλματος, το πλάτος της φυσικής ροής εξαρτάται από τον συγχρονισμό του σφάλματος. Αυτό συμβαίνει επειδή η εξίσωση (4.47) είναι μία αφαίρεση μιγαδικών αριθμών και επομένως, τα αποτελέσματα εξαρτώνται από την φάση των θετικών και αρνητικών ροών στην χρονική στιγμή. Μιας και η κατεύθυνση περιστροφής είναι διαφορετική για τις δύο ροές, η μετατόπιση φάσης μεταξύ τους αλλάζει με τον χρόνο. Έτσι, το αποτέλεσμα της εξίσωσης (4.47) είναι διαφορετικό, αφού εξαρτάται από το πότε ξεκινάει η βύθιση. Εάν η βύθιση ξεκινάει την χρονική στιγμή t 0 = 0, η φυσική ροή είναι μηδέν, επειδή αυτή τη στιγμή, οι θετικές και αρνητικές ροές ευθυγραμμίζονται και το άθροισμά τους είναι ίσο με τη ροή πριν το σφάλμα (Σχήμα 4.14) : (4.48) Μιας και δεν υπάρχει φυσική ροή, δεν υπάρχει μεταβατική και η στατική ροή παραμένει στην σταθερή κατάσταση. Σχήμα 4.14 Χωρικά διανύσματα της ροής στάτη, για μία 80% μονοφασική βύθιση, που ξεκινά στο t 0 =0 Το επόμενο σχήμα (Σχήμα 4.15) δείχνει τις τάσεις σε μία από τις φάσεις ρότορα, όταν η γεννήτρια λειτουργεί στην υπερσύγχρονη ταχύτητα (s = -20%) για την ίδια βύθιση, δηλαδή για μία 80% μονοφασική βύθιση, που ξεκινά στο t 0 =0.

132 Νιάρου Θεώνη Ι. 132 Σχήμα 4.15 Τάση κατά μήκος της φάσης ρότορα α, για μία 80% μονοφασική βύθιση, που ξεκινά στο t 0 =0 Εάν η βύθιση ξεκινάει στο t 0 = T/4 (όπου : T είναι η περίοδος δικτύου), συμβαίνει η χειρότερη περίπτωση. Σε αυτή την περίπτωση, η αρχική τιμή της φυσικής ροής είναι η μεγαλύτερη, αφού οι θετικές και αρνητικές ροές είναι στην αρχή της βύθισης αντίθετες και αθροίζονται, όπως φαίνεται στο σχήμα (Σχήμα 4.16). Καθώς η ολική ροή πρέπει να είναι η ίδια ακριβώς πριν και μετά την αρχή του σφάλματος, η αρχική τιμή της φυσικής ροής πρέπει να είναι ίση με : (4.49) Σχήμα 4.16 Χωρικά διανύσματα χώρου της ροής στάτη, για μία 80% μονοφασική βύθιση, που ξεκινά στο t 0 =T/4

133 Νιάρου Θεώνη Ι. 133 Η τάση από μία φάση ρότορα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.17). Όπως φαίνεται, η κυματομορφή μοιάζει πολύ με αυτή που αντιστοιχεί σε μία βύθιση στο t 0 =0 (Σχήμα 4.15), εκτός από την παρουσία της μεταβατικής, που οφείλεται στον όρο που επάγεται από την φυσική ροή. Σχήμα 4.17 Τάση στην φάση α του ρότορα, για μία 80% μονοφασική βύθιση, ξεκινώντας από το t 0 =T/ Διφασική βύθιση Προκειμένου να αναλύσουμε τα διφασικά σφάλματα, θεωρούμε ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ των φάσεων b και c. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης μεταξύ των δύο αυτών φάσεων κάνει τις τάσεις τους να πλησιάσουν στην τιμή. Στην ακραία περίπτωση, για παράδειγμα, ενός ολικού βραχυκυκλώματος, οι δύο τάσεις είναι ίσες και οι φάσορές τους αναπαρίστανται, όπως στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.18), στην περίπτωση p=1. Η σύνθετη τάση, σε αυτή την περίπτωση, είναι μηδέν και το βάθος θα θεωρηθεί ίσο με 1, όπως συνήθως συμβαίνει στα δίκτυα. Σχήμα 4.18 Φάσορες των τάσεων ρότορα, για μία διφασική βύθιση, σε διαφορετικά βάθη

134 Νιάρου Θεώνη Ι. 134 Στην γενική περίπτωση, ο φάσορας τάσης της φάσης b κινείται προς τα επάνω, ενώ ο φάσορας τάσης της φάσης c κινείται προς τα κάτω. Η τάση της φάσης α παραμένει η ίδια, εάν υποτεθεί ότι τα δίκτυα θετικής και αρνητικής ακολουθίας έχουν ίση σύνθετη αντίσταση. Από το σχήμα 4.18, οι φάσορες των τριών τάσεων δίνονται από τις σχέσεις : (4.50) Τα διφασικά σφάλματα προκαλούν μία μεγαλύτερη αρνητική ακολουθία στην τάση, από ότι τα μονοφασικά σφάλματα για το ίδιο βάθος. Ωστόσο, δεν προέρχονται από μία μηδενική ακολουθία : (4.51) Αυτές οι τάσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να υπολογιστούν οι διαφορετικές συνιστώσες των ροών στάτη και τάσεων ρότορα, με χρήση των εξισώσεων (4.39) και (4.42), αντίστοιχα. Όπως και στις μονοφασικές βυθίσεις, μία πρόσθετη φυσική ροή θα μπορούσε να προκύψει, γεγονός που εξαρτάται από τον συγχρονισμό του σφάλματος. Εάν η βύθιση ξεκινάει την χρονική στιγμή t 0 =0, προκύπτει η μεγαλύτερη φυσική ροή στον στάτη της μηχανής, μιας και οι θετικές και αρνητικές ροές αντικρούονται (Σχήμα 4.19). Η αρχική της τιμή θα είναι: (4.52) Η ανισορροπία σε ένα διφασικό σφάλμα είναι μεγαλύτερη από ότι ενός μονοφασικού σφάλματος, για το ίδιο βάθος. Η μεγαλύτερη ασυμμετρία προκαλεί μία υψηλότερη τάση από ότι στην περίπτωση ενός μονοφασικού σφάλματος (Σχήμα 4.20). Σχήμα 4.19 Χωρικά διανύσματα της ροής στάτη, για μία 80% διφασική βύθιση, ξεκινώντας από t 0 =0

135 Νιάρου Θεώνη Ι. 135 Σχήμα 4.20 Τάση ρότορα για μία 80% διφασική βύθιση, ξεκινώντας από t 0 =0 Εάν η βύθιση ξεκινάει τη χρονική στιγμή t 0 =T/4, η πρόσθεση των θετικών και αρνητικών ροών είναι ίση με την προσφαλματική ροή και συμπερασματικά, η φυσική ροή είναι μηδέν (Σχήμα 4.21). Σε αυτή την περίπτωση, η ροή στάτη είναι σε σταθερή κατάσταση από την αρχή. Για το ίδιο βάθος βύθισης, η τάση ρότορα είναι μικρότερη, αφού καμία τάση δεν επάγεται από την φυσική ροή (Σχήμα 4.22). Σχήμα 4.21 Χωρικά διανύσματα της ροής στάτη, για μία 80% διφασική βύθιση, ξεκινώντας στο t 0 =T/4

136 Σχήμα 4.22 Τάση ρότορα για μία 80% διφασική βύθιση, ξεκινώντας στο t 0 =T/4 Νιάρου Θεώνη Ι. 136

137 Νιάρου Θεώνη Ι. 137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 o ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1 Εισαγωγή Η προσομοίωση σε υπολογιστή είναι ένα πολύτιμο εργαλείο, ως προς διάφορα πλαίσια. Μας εξυπηρετεί στη διερεύνηση πλήθους ιδιοτήτων στο σχεδιασμό, την φάση κατασκευής, καθώς επίσης και στην φάση εφαρμογής. Για τις ανεμογεννήτριες, ο χρόνος και το κόστος ανάπτυξης μπορούν να μειωθούν αισθητά και τα πρωτότυπα ανεμογεννητριών μπορούν να δοκιμαστούν, χωρίς να εκτίθενται τα φυσικά πρωτότυπα αυτών σε καταστροφικές δοκιμές πλήρους κλίμακας, για παράδειγμα. Έτσι, οι υπολογιστικές προσομοιώσεις είναι ένας πολύ αποδοτικός τρόπος, για να εκτελούμε διεξοδικές έρευνες, προτού ένα πρωτότυπο εκτεθεί σε πραγματικές, πλήρους κλίμακας δοκιμές. Ωστόσο, η ποιότητα μίας υπολογιστικής προσομοίωσης μπορεί μόνο να είναι τόσο καλή, όσο η ποιότητα των οικοδομημένων μοντέλων (build-in models) και των εφαρμοσμένων δεδομένων (applied data). Επομένως, θα πρέπει το μοντέλο και η ποιότητα των δεδομένων να είναι επαρκώς υψηλή για το εν λόγω πρόβλημα, διαφορετικά τα αποτελέσματα μπορεί να είναι ανεπαρκή και αναξιόπιστα. Όλα εξαρτώνται από τον στόχο της έρευνάς μας [12]. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έρευνα διαφόρων φαινομένων. Εμείς θα ασχοληθούμε με τη μελέτη μεταβατικών καταστάσεων του παρακάτω μοντέλου, με τη βοήθεια του λογισμικού προσομοίωσης MATLAB/Simulink. 5.2 Δεδομένα προσομοίωσης Για το σκοπό της προσομοίωσης χρησιμοποιούμε ένα αιολικό πάρκο των 9MW, που αποτελείται από 6*1.5ΜW ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες σε ένα σύστημα διανομής 25kV και εξάγει ισχύ σε ένα δίκτυο 120kV, μέσω μίας γραμμής μεταφοράς (feeder) 30km, των 25kV. Μία εγκατάσταση (plant) 2300V, 2MVA που αποτελείται από ένα φορτίο κινητήρα (motor load) (1.68MW επαγωγικός κινητήρας σε 0.93PF συντελεστή ισχύος) και από ένα φορτίο αντίστασης 200kW, συνδέεται με την ίδια γραμμή μεταφοράς στο ζυγό (bus) B25. Ένα φορτίο αντίστασης 500kW είναι, επίσης, συνδεδεμένο στο ζυγό Β575 του αιολικού πάρκου. Το μονοφασικό διάγραμμα του συστήματος αυτού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.1) :

138 Νιάρου Θεώνη Ι. 138 Σχήμα 5.1 Το μονοφασικό διάγραμμα του αιολικού πάρκου συνδεδεμένο με το σύστημα διανομής Τόσο η ανεμογεννήτρια, όσο και το φορτίο κινητήρα, έχουν ένα σύστημα προστασίας που παρακολουθεί την τάση, το ρεύμα και την ταχύτητα μηχανής. Παρακολουθείται, επίσης, η τάση της DC σύνδεσης της διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν μία διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια (DFIG), που αποτελείται από μία επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και έναν AC/DC/AC IGBT-βασισμένο PWM μετατροπέα. Το τύλιγμα στάτη συνδέεται απευθείας στο δίκτυο των 60Hz, ενώ ο ρότορας τροφοδοτείται σε μεταβλητή συχνότητα, μέσω του AC/DC/AC μετατροπέα. Η τεχνολογία DFIG επιτρέπει την εξαγωγή μέγιστης ενέργειας από τον άνεμο, για χαμηλές ταχύτητες ανέμου, μέσω βελτιστοποίησης της ταχύτητας τουρμπίνας, ενώ ελαχιστοποιεί τις μηχανικές καταπονήσεις (mechanical stresses) επί της τουρμπίνας, κατά τη διάρκεια ριπών του ανέμου. Η βέλτιστη ταχύτητα τουρμπίνας που παράγει μέγιστη μηχανική ενέργεια για μία δοσμένη ταχύτητα ανέμου, είναι ανάλογη της αιολικής ταχύτητας. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της τεχνολογίας DFIG είναι η ικανότητα των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος να παράγουν ή να απορροφούν άεργο ισχύ, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη εγκατάστασης συστοιχιών πυκνωτών (capasitor banks), όπως ακριβώς συμβαίνει στην περίπτωση των επαγωγικών γεννητριών βραχυκυκλωμένου κλωβού. Στη συνέχεια παραθέτουμε το τριφασικό διάγραμμα του αιολικού πάρκου που μελετάμε (Σχήμα 5.2), καθώς και το τριφασικό διάγραμμα της εγκατάστασης 2MVA, μαζί με το σύστημα προστασίας της (Σχήμα 5.3).

139 Σχήμα 5.2 Το τριφασικό διάγραμμα του αιολικού πάρκου Νιάρου Θεώνη Ι. 139

140 Νιάρου Θεώνη Ι. 140 Σχήμα 5.3 Το τριφασικό διάγραμμα της εγκατάστασης 2MVA, μαζί με το σύστημα προστασίας της Στο σύστημα που μελετάμε, για ταχύτητες ανέμου χαμηλότερες από 10m/s ο ρότορας στρέφεται με υποσύγχρονη ταχύτητα, ενώ για υψηλότερες ταχύτητες ανέμου στρέφεται με υπερσύγχρονη ταχύτητα. Η μηχανική ισχύς της τουρμπίνας, ως συνάρτηση της ταχύτητας τουρμπίνας, εμφανίζεται για ταχύτητες ανέμου που κυμαίνονται από 5m/s έως 16.2m/s. Τα χαρακτηριστικά αυτά επιτυγχάνονται με τις παραμέτρους, έτσι όπως αυτές καθορίζονται από το μενού των δεδομένων τουρμπίνας και τις χαρακτηριστικές ισχύος της τουρμπίνας (Σχήμα 5.4). Η διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια ελέγχεται, προκειμένου να ακολουθεί την κόκκινη καμπύλη ABCD του σχήματος. Η βελτιστοποίηση της ταχύτητας της τουρμπίνας επιτυγχάνεται ανάμεσα στα σημεία B και C πάνω στην καμπύλη αυτή.

141 Νιάρου Θεώνη Ι. 141 Σχήμα 5.4 Δεδομένα τουρμπίνας και χαρακτηριστικές ισχύος της τουρμπίνας Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιούμε, είναι ένα διανυσματικό μοντέλο (phasor model), που επιτρέπει μελέτες τύπου μεταβατικής ευστάθειας με μεγάλους χρόνους προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα στη δική μας περίπτωση, ο χρόνος προσομοίωσης είναι t=50sec για το σύστημα που μελετάμε. Στο σημείο αυτό να σημειωθεί ότι για την προσομοίωσή μας, παριστάνουμε τις έξι ανεμογεννήτριες του αιολικού πάρκου σε μία, η οποία περιέχει τις εξής τρεις παραμέτρους εξαπλασιασμένες : Η ονομαστική (nominal) μηχανική ισχύς εξόδου της ανεμογεννήτριας είναι : 6*1.5MW (βλέπε μενού δεδομένων τουρμπίνας) Η ονομαστική (rated) ισχύς γεννήτριας είναι : 6*1.5/0.9 MVA (6*1.5MW σε 0.9PF) (βλέπε μενού δεδομένων γεννήτριας) Η ονομαστική (nominal) χωρητικότητα της DC σύνδεσης είναι : 6*10000 μf (βλέπε μενού δεδομένων των μετατροπέων) Από το μενού των παραμέτρων ελέγχου παρατηρούμε ότι υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας : i) η ρύθμιση τάσης και ii) η ρύθμιση αέργου ισχύος. Στην περίπτωση της ρύθμισης τάσης, η τερματική τάση θα ελεγχθεί σε μία τιμή, που επιβάλλεται από την τάση αναφοράς (V ref =1 pu) και την πτώση τάσης (X s =0.02pu). Στη συνέχεια, ακολουθούν τέσσερις πίνακες με δεδομένα για την γεννήτρια, τους μετατροπείς (πλευράς δικτύου και πλευράς ροτόρα) και τις παραμέτρους ελέγχου (Σχήμα 5.5).

142 Νιάρου Θεώνη Ι. 142 Σχήμα 5.5 Δεδομένα για την γεννήτρια, τους μετατροπείς και τις παραμέτρους ελέγχου Ακολουθεί το σύστημα προστασίας της ανεμογεννήτριας, μαζί με τις παραμέτρους του (Σχήμα 5.6) :

143 Νιάρου Θεώνη Ι. 143 Σχήμα 5.6 Το σύστημα προστασίας της ανεμογεννήτριας, μαζί με τις παραμέτρους του Για κάθε μία από τις έξι ανεμογεννήτριες, με διπλά τροφοδοτούμενη επαγωγική γεννήτρια, έχουμε το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.7). Ο μετατροπέας AC/DC/AC διαιρείται σε δύο συνιστώσες : τον μετατροπέα πλευράς ρότορα (C rotor ) και τον μετατροπέα πλευράς δικτύου (C grid ). Οι C rotor και C grid είναι μετατροπείς πηγής τάσης, που χρησιμοποιούν εξαναγκασμένης μεταγωγής (forced-commutated) ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος (IGBTs), προκειμένου να συνθέσουν μία τάση AC από μία πηγή τάσης DC. Ένας πυκνωτής συνδεδεμένος από την πλευρά DC συμπεριφέρεται ως την πηγή τάσης DC. Ένα πηνίο ζεύξης L χρησιμοποιείται, για να συνδέσει τον C grid με το δίκτυο. Το τριφασικό τύλιγμα ρότορα συνδέεται με τον C rotor μέσω δακτυλίων ολίσθησης (slip rings) και ψηκτρών (brushes) και το τριφασικό τύλιγμα στάτη συνδέεται απευθείας με το δίκτυο. Η ισχύς που δεσμεύεται από την ανεμογεννήτρια, μετατρέπεται σε ηλεκτρική ισχύ από την επαγωγική γεννήτρια και μεταδίδεται στο δίκτυο μέσω των τυλιγμάτων του στάτη και του ρότορα. Το σύστημα ελέγχου παράγει την εντολή γωνίας βήματος και τα σήματα της εντολής τάσης V r και V gc, για τον C rotor και τον C grid αντίστοιχα, για να ελέγξει την ισχύ της τουρμπίνας, την τάση της DC-σύνδεσης και την άεργο ισχύ ή την τάση στα τερματικά του δικτύου [17]. Η μηχανική ισχύς και η ηλεκτρική ισχύς εξόδου του στάτη υπολογίζονται ως εξής : Όπου P m : είναι η μηχανική ισχύς, που δεσμεύεται από την τουρμπίνα και μεταδίδεται στο ρότορα P s : η ηλεκτρική ισχύς εξόδου του στάτη T m : η μηχανική ροπή, που εφαρμόζεται στο ρότορα T em : η ηλεκτρομαγνητική ροπή, που εφαρμόζεται στο ρότορα από τη γεννήτρια (5.1) (5.2)

144 Νιάρου Θεώνη Ι. 144 ω r : η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα ω s : η ταχύτητα περιστροφής της μαγνητικής ροής στο κενό αέρος της γεννήτριας, που λέγεται σύγχρονη ταχύτητα. Είναι ανάλογη της συχνότητας της τάσης δικτύου και του αριθμού των πόλων γεννήτριας. Σχήμα 5.7 Η ανεμογεννήτρια διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής Για να έχουμε μία εικόνα της ροής ισχύος (Σχήμα 5.8) : Σχήμα 5.8 Ροή ισχύος στην ανεμογεννήτρια διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής Να πούμε, στο σημείο αυτό, ότι γενικά η απόλυτη τιμή της ολίσθησης είναι πολύ μικρότερη του 1. Η μηχανική ροπή T m είναι θετική για παραγωγή ισχύος και η σύγχρονη ταχύτητα ω s είναι θετική και σταθερή για μία σταθερής συχνότητας τάση δικτύου. Ο μετατροπέας C grid χρησιμοποιείται για να παράγει ή να απορροφά την ισχύ P gc (η ηλεκτρική ισχύς εξόδου του C grid ), προκειμένου να διατηρήσει την τάση DC σταθερή. Και οι δύο μετατροπείς C rotor και C grid έχουν την ικανότητα να παράγουν ή να απορροφούν άεργο ισχύ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να ελέγξουν την άεργο ισχύ ή την τάση στα τερματικά του δικτύου.

145 Νιάρου Θεώνη Ι. 145 Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα C rotor Ο μετατροπέας πλευράς ρότορα χρησιμοποιείται, για να ελέγξει την ισχύ εξόδου της ανεμογεννήτριας και την τάση (ή την άεργο ισχύ) που μετριέται στα άκρα του δικτύου. Έλεγχος ισχύος Η ισχύς ελέγχεται, προκειμένου να ακολουθεί μία προκαθορισμένη χαρακτηριστική ισχύος-ταχύτητας, που λέγεται : χαρακτηριστική παρακολούθησης (tracking characteristic). Όπως φαίνεται από το σχήμα 5.4, μία τέτοια χαρακτηριστική είναι η καμπύλη ABCD, που υπερέχει των χαρακτηριστικών μηχανικής ισχύος της τουρμπίνας, που λαμβάνονται σε διαφορετικές ταχύτητες ανέμου. Η πραγματική ταχύτητα της τουρμπίνας ω r μετριέται και η αντίστοιχη μηχανική ισχύς της χαρακτηριστικής παρακολούθησης χρησιμοποιείται ως η ισχύς αναφοράς για τον βρόχο ελέγχου ισχύος. Η χαρακτηριστική παρακολούθησης ορίζεται από τέσσερα σημεία : A, B, C και D. Από την μηδενική ταχύτητα έως την ταχύτητα στο σημείο A η ισχύς αναφοράς είναι μηδέν. Μεταξύ του σημείου A και του σημείου B η χαρακτηριστική παρακολούθησης είναι μία ευθεία γραμμή και η ταχύτητα του σημείου B πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του σημείου A. Μεταξύ του σημείου B και του σημείου C η χαρακτηριστική παρακολούθησης είναι ο γεωμετρικός τόπος της μέγιστης ισχύος της τουρμπίνας (μέγιστα όρια των καμπυλών της ισχύος τουρμπίνας έναντι της ταχύτητας τουρμπίνας). Η χαρακτηριστική παρακολούθησης είναι μία ευθεία γραμμή από το σημείο C μέχρι το σημείο D. Η ισχύς στο σημείο D είναι 1pu και η ταχύτητα του σημείου D πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα στο σημείο C. Πέραν του σημείου D η ισχύς αναφοράς είναι μία σταθερά ίση με 1pu. Ο γενικός βρόχος ελέγχου ισχύος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.9). Η πραγματική ηλεκτρική ισχύς εξόδου, που μετριέται στα άκρα του δικτύου της ανεμογεννήτριας, προστίθεται στις ολικές απώλειες ισχύος (μηχανικές και ηλεκτρικές) και συγκρίνεται με την ισχύ αναφοράς, που λαμβάνεται από την χαρακτηριστική παρακολούθησης. Ένας PI (proportional-integral) ρυθμιστής χρησιμοποιείται, για να μειωθεί το σφάλμα ισχύος στο μηδέν. Η έξοδος αυτού του ρυθμιστή είναι το ρεύμα αναφοράς του ρότορα I qr_ref, που πρέπει να εγχέεται μέσα στο ρότορα από τον μετατροπέα C rotor. Αυτή είναι η συνιστώσα του ρεύματος, που παράγει την ηλεκτρομαγνητική ροπή T em. Η πραγματική συνιστώσα I qr του ρεύματος θετικής ακολουθίας συγκρίνεται με το I qr_ref και το σφάλμα μειώνεται στο μηδέν από έναν ρυθμιστή ρεύματος (PI). Η έξοδος αυτού του ελεγκτή ρεύματος είναι η τάση V qr που παράγεται από τον C rotor. Ο ρυθμιστής ρεύματος είναι βοηθούμενος από όρους τροφοδοτούμενους προς τα εμπρός (feed forward), οι οποίοι προβλέπουν την τάση V qr.

146 Νιάρου Θεώνη Ι. 146 Σχήμα 5.9 Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα από πλευράς ρότορα Έλεγχος τάσης και έλεγχος αέργου ισχύος Η τάση ή η άεργος ισχύς στα τερματικά του δικτύου ελέγχεται από το άεργο ρεύμα, που ρέει στον μετατροπέα C rotor. Ο γενικός βρόχος ελέγχου φαίνεται στο παραπάνω σχήμα 5.9 και λέγεται : σύστημα ελέγχου του μετατροπέα πλευράς ρότορα. *Όταν η ανεμογεννήτρια λειτουργεί με ρύθμιση τάσης (voltage regulation mode), εφαρμόζει την ακόλουθη χαρακτηριστική V-I (Σχήμα 5.10). Όσο το άεργο ρεύμα παραμένει εντός των μέγιστων τιμών ρεύματος (-I max, I max ), που επιβάλλονται από την αξιολόγηση (rating) του μετατροπέα, η τάση ρυθμίζεται στην τάση αναφοράς V ref. Ωστόσο, μία πτώση τάσης (voltage droop) χρησιμοποιείται κανονικά (συνήθως μεταξύ 1% και 4% στη μέγιστη άεργο ισχύ εξόδου) και η V-I χαρακτηριστική έχει την κλίση (slope), όπως υποδεικνύεται από το σχήμα Στη ρύθμιση τάσης, η χαρακτηριστική V-I περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση : (5.3) Όπου V : είναι η τάση θετικής ακολουθίας (σε pu) I : το άεργο ρεύμα (σε pu/p nom ) (I>0 σημαίνει ένα επαγωγικό ρεύμα) X s : αντίδραση κλίσης ή πτώσης (σε pu/p nom ) P nom : τριφασική ονομαστική ισχύς του μετατροπέα

147 Νιάρου Θεώνη Ι. 147 Σχήμα 5.10 Χαρακτηριστική V-I της ανεμογεννήτριας *Όταν η ανεμογεννήτρια λειτουργεί με ρύθμιση αέργου ισχύος (var regulation mode), η άεργος ισχύς στα τερματικά του δικτύου διατηρείται σταθερή μέσω ενός ρυθμιστή αέργου ισχύος. Η έξοδος του ρυθμιστή τάσης ή του ρυθμιστή αέργου ισχύος είναι το ρεύμα αναφοράς του d-άξονα I dr_ref που πρέπει να εγχέεται στο ρότορα από τον μετατροπέα C rotor. Ο ίδιος ρυθμιστής ρεύματος -όσον αφορά στον έλεγχο ισχύος- χρησιμοποιείται, για να ρυθμίσει την πραγματική συνιστώσα I dr του ρεύματος θετικής ακολουθίας στην τιμή αναφοράς του. Η έξοδος του ρυθμιστή αυτού είναι η τάση του d-άξονα V dr, που παράγεται από τον C rotor. Ο ρυθμιστής ρεύματος είναι βοηθούμενος από όρους τροφοδοτούμενους προς τα εμπρός (feed forward), οι οποίοι προβλέπουν την τάση V dr. Οι τάσεις V dr και V qr είναι αντίστοιχα ο d-άξονας και ο q-άξονας της τάσης V r. Να σημειωθεί, στο σημείο αυτό, ότι : Α) Για το σύστημα ελέγχου και τις μετρήσεις του C rotor, ο d-άξονας του d-q περιστρεφόμενου πλαισίου αναφοράς είναι κλειδωμένος πάνω στην αμοιβαία ροή (mutual flux) της γεννήτριας, από έναν PLL (Phase-Locked Loop), ο οποίος θεωρείται ότι είναι ιδανικός σε αυτό το φασικό μοντέλο (phasor model). Β) Το μέγεθος του ρεύματος αναφοράς του ρότορα I r_ref είναι ίσο με. Η μέγιστη τιμή αυτού του ρεύματος περιορίζεται στο 1pu. Όταν τα ρεύματα I dr_ref και I qr_ref είναι τέτοια, ώστε το μέγεθος να είναι υψηλότερο του 1pu, η συνιστώσα I qr_ref μειώνεται, προκειμένου να επαναφέρει το μέγεθος στο 1pu. Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα C grid Ο μετατροπέας C grid χρησιμοποιείται, προκειμένου να ρυθμίσει την τάση της χωρητικότητας της DCσύνδεσης. Επιπλέον, αυτό το μοντέλο επιτρέπει την χρήση του μετατροπέα C grid, για να παράγει ή να απορροφά άεργο ισχύ. Το σύστημα ελέγχου, που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.11), αποτελείται από : Συστήματα μετρήσεων, που μετράνε τις συνιστώσες d και q των ρευμάτων AC θετικής ακολουθίας, οι οποίες πρόκειται να μετρηθούν, όπως επίσης και την DC τάση V dc.

148 Νιάρου Θεώνη Ι. 148 Έναν εξωτερικό βρόχο ρύθμισης, που αποτελείται από έναν ρυθμιστή τάσης DC. Η έξοδος του ρυθμιστή τάσης DC είναι το ρεύμα αναφοράς I dgc_ref για τον ρυθμιστή ρεύματος (I dgc =ρεύμα σε φάση με την τάση δικτύου, το οποίο ελέγχει την ροή αέργου ισχύος). Έναν εσωτερικό βρόχο ρύθμισης του ρεύματος, που αποτελείται από έναν ρυθμιστή ρεύματος. Ο ρυθμιστής ρεύματος ελέγχει το μέγεθος και τη φάση της τάσης που παράγεται από τον μετατροπέα C grid (V gc ), από το ρεύμα I dgc_ref που παράγεται από τον ρυθμιστή της τάσης DC και καθορισμένου του ρεύματος αναφοράς I q_ref. Ο ρυθμιστής ρεύματος είναι βοηθούμενος από όρους τροφοδοτούμενους προς τα εμπρός (feed forward), οι οποίοι προβλέπουν την τάση εξόδου του μετατροπέα C grid. Το μέγεθος του ρεύματος αναφοράς του μετατροπέα πλευράς δικτύου I gc_ref είναι ίσο με. Η μέγιστη τιμή αυτού του ρεύματος είναι περιορισμένη σε μία τιμή, που καθορίζεται από την μέγιστη ισχύ του μετατροπέα, στην ονομαστική τάση. Όταν τα ρεύματα I dgc_ref και I q_ref είναι τέτοια, ώστε το μέγεθος να είναι υψηλότερο από αυτή τη μέγιστη τιμή, η συνιστώσα I q_ref μειώνεται, προκειμένου να επαναφέρει το μέγεθος στην μέγιστη τιμή του. Σχήμα 5.11 Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα πλευράς δικτύου Σύστημα ελέγχου της γωνίας βήματος Η γωνία βήματος (pitch angle) διατηρείται σταθερή στις 0 o, μέχρις ότου η ταχύτητα φτάσει την ταχύτητα στο σημείο D της χαρακτηριστικής παρακολούθησης. Πέραν του σημείου D, η γωνία βήματος είναι ανάλογη της απόκλισης ταχύτητας (speed deviation) από την ταχύτητα στο σημείο D. Το σύστημα ελέγχου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.12) : Σχήμα 5.12 Σύστημα ελέγχου του βήματος

149 Νιάρου Θεώνη Ι. 149 Να πούμε, τέλος, ότι το φασικό μοντέλο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (σχήμα 5.7) είναι ίδιο με την ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, με τα δύο παρακάτω σημεία διαφοροποίησης : Α) Μόνο η θετική ακολουθία λαμβάνεται υπόψη, η αρνητική ακολουθία έχει εξαλειφθεί. Β) Έχει προστεθεί μία είσοδος trip. Όταν αυτή η είσοδος είναι high, η επαγωγική γεννήτρια αποσυνδέεται από το δίκτυο και από τον μετατροπέα C rotor. 5.3 Προσομοίωση-Αποτελέσματα-Συμπεράσματα Αρχικά, θα μελετήσουμε τις τέσσερις περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων, κατά σειρά συχνότητας στην εμφάνιση, που είναι : το μονοφασικό προς γη, το διφασικό, το διφασικό προς γη και τέλος, το συμμετρικό τριφασικό βραχυκύκλωμα. Οι τρεις πρώτοι τύποι σφαλμάτων οδηγούν σε έντονα ασύμμετρες καταστάσεις λειτουργίας. Να πούμε στο σημείο αυτό ότι τα συχνότερα βραχυκυκλώματα είναι τα μονοφασικά και τα σπανιότερα τα τριφασικά, που όμως είναι και τα πιο σοβαρά. Ωστόσο, οφείλουμε πάντα να μελετάμε την περίπτωση τριφασικού βραχυκυκλώματος στη χειρότερη θέση [18]. Στο σημείο αυτό να πούμε πως η προσομοίωση ξεκινάει πάντα τη χρονική στιγμή t=0sec και τη χρονική στιγμή t=5sec γίνεται η οποιαδήποτε διαταραχή, κάθε φορά. Ο συνολικός χρόνος προσομοίωσης είναι 50sec. Θα θεωρήσουμε πως, κατά τη διάρκεια των βραχυκυκλωμάτων, η ταχύτητα του ανέμου παραμένει σταθερή στα 8m/s. Επίσης, για κάθε τύπο βραχυκυκλώματος θα έχουμε δύο μετρήσεις: μία με ρύθμιση τάσης και μία με ρύθμιση αέργου ισχύος. Προκειμένου να έχουμε μία ολοκληρωμένη εικόνα της αντίδρασης ολόκληρου του αιολικού πάρκου στην εκάστοτε διαταραχή, παραθέτουμε κάθε φορά όλες τις γραφικές. Στην ουσία, ωστόσο, μας ενδιαφέρουν οι τελευταίες 8 γραφικές παραστάσεις, από την πλευρά των Α/Γ. Συγκεκριμένα, μας ενδιαφέρουν τα εξής μεγέθη συναρτήσει του χρόνου t (σε sec) : V 1_B575 : Η τάση θετικής ακολουθίας στο ζυγό των 575 V (σε pu) I 1_B575 : Το ρεύμα θετικής ακολουθίας στο ζυγό των 575 V (σε pu) P G : Η παραγόμενη ενεργός ισχύς (σε MW) Q G : Η παραγόμενη άεργος ισχύς (σε MVar) V dc : Η συνεχής τάση (σε V) Ταχύτητα τουρμπίνας (σε pu) Ταχύτητα ανέμου (σε m/sec) Γωνία βήματος/κλίσης των πτερυγίων (deg) Τέλος, σχετικά με την εφαρμογή βραχυκυκλωμάτων στο αιολικό πάρκο, ισχύει το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.13). Στις περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει σφάλμα με γείωση (όπως στο διφασικό βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο φάσεων και μόνο), η αντίσταση γείωσης αυτόματα παίρνει την τιμή : R g =10 6 Ω.

150 Νιάρου Θεώνη Ι. 150 Σχήμα 5.13 Παράμετροι για τις περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων (1) Μονοφασικό βραχυκύκλωμα προς γη (φάση a) : Θα παρατηρήσουμε την επιρροή ενός μονοφασικού σφάλματος με γη, που συμβαίνει πάνω στη γραμμή μεταφοράς των 25kV. Τη χρονική στιγμή t=5s εφαρμόζεται ένα σφάλμα εννέα κύκλων (χρόνος μετάβασης 9/60=0.15s) της φάσης Α με τη γη, επί του ζυγού Β25. i) Όταν έχουμε ρύθμιση τάσης στην ανεμογεννήτρια, η θετικής ακολουθίας τάση στα τερματικά της ανεμογεννήτριας (V 1_B575 ) πέφτει στα 0.8pu κατά τη διάρκεια του σφάλματος, που είναι πάνω από το κατώφλι προστασίας χαμηλής τάσης (0.75pu για t>0.1s). Το αιολικό πάρκο παραμένει, επομένως, σε λειτουργία. Η ταχύτητα της τουρμπίνας παραμένει σταθερή στα 0.8pu και η γωνία βήματος είναι 0 o καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης.

151 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 151

152 Νιάρου Θεώνη Ι. 152 Πλευρά Α/Γ ii) Στην περίπτωση που χρησιμοποιήσουμε τη ρύθμιση αέργου ισχύος με Q ref =0, η τάση πέφτει κάτω από 0.7pu και τότε η προστασία χαμηλής τάσης αποσυνδέει (t trip_wt =5.115s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)) το αιολικό πάρκο. Μπορούμε εύκολα να παρατηρήσουμε πως εδώ η ταχύτητα της τουρμπίνας αυξάνεται. Τη χρονική στιγμή t=40s η γωνία βήματος (pitch angle) αρχίζει να αυξάνεται, προκειμένου να περιορίσει την ταχύτητα.

153 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 153

154 Νιάρου Θεώνη Ι. 154 Πλευρά Α/Γ (2) Διφασικό βραχυκύκλωμα (φάσεις b,c) : Πραγματοποιούμε διφασικό σφάλμα πάνω στη γραμμή μεταφοράς των 25kV. Τη χρονική στιγμή t=5s εφαρμόζεται το σφάλμα εννέα κύκλων (χρόνος μετάβασης 0.15s) μεταξύ των φάσεων B και C, επί του ζυγού Β25. i) Όταν έχουμε ρύθμιση τάσης στην ανεμογεννήτρια, προκύπτουν οι παρακάτω γραφικές παραστάσεις. Διαπιστώνουμε πως βγαίνουν εκτός λειτουργίας τόσο το φορτίο κινητήρα, όσο και η Α/Γ : t trip_wt =5.112s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence) t trip_plant =5.205s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

155 Νιάρου Θεώνη Ι. 155 Πλευρά Δικτύου Η ταχύτητα τουρμπίνας, από τη στιγμή που η Α/Γ αποσυνδέεται, από την 0.8pu αρχική της τιμή, αρχίζει να αυξάνεται, έως τη στιγμή των 40s, όπου αποκτά την τιμή 1.21pu, οπότε και το (Σ) ελέγχου γωνίας βήματος το βλέπει και έτσι, αρχίζει να αυξάνεται η γωνία βήματος, προκειμένου να μειώσει την ταχύτητα.

156 Νιάρου Θεώνη Ι. 156 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος, έχουμε τις εξής γραφικές παραστάσεις : t trip_wt =5.11s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence) t trip_plant =5.205s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

157 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 157

158 Νιάρου Θεώνη Ι. 158 Πλευρά Α/Γ (3) Διφασικό βραχυκύκλωμα (φάσεις b,c) προς γη : Συνεχίζουμε τη σειρά των μετρήσεων με ένα διφασικό βραχυκύκλωμα με γη, επί της γραμμής μεταφοράς των 25kV. Η ταχύτητα ανέμου διατηρείται σταθερά στα 8m/s. Τη χρονική στιγμή t=5s εφαρμόζεται το σφάλμα εννέα κύκλων (χρόνος μετάβασης 0.15s) των φάσεων B και C με τη γη, επί του ζυγού πάλι Β25. i) Για τη ρύθμιση τάσης της ανεμογεννήτριας, έχουμε : t trip_wt =5.108s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence) t trip_plant =5.203s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

159 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 159

160 Νιάρου Θεώνη Ι. 160 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση της αέργου ισχύος στην ανεμογεννήτρια, έχουμε τις παρακάτω γραφικές : t trip_wt =5.108s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence) t trip_plant =5.203s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

161 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 161

162 Νιάρου Θεώνη Ι. 162 Πλευρά Α/Γ (4) Τριφασικό βραχυκύκλωμα (φάσεις a,b,c προς γη) : Στη συνέχεια, πραγματοποιούμε τριφασικό σφάλμα πάνω στη γραμμή μεταφοράς των 25kV. Τη χρονική στιγμή t=5s εφαρμόζεται το σφάλμα εννέα κύκλων (χρόνος μετάβασης 0.15s) των φάσεων Α, B και C με τη γη, επί του ζυγού πάλι Β25. Διατηρούμε σταθερά την ταχύτητα ανέμου στα 8m/s. i) Με ρύθμιση τάσης για την ανεμογεννήτρια, προκύπτουν οι εξής γραφικές παραστάσεις : t trip_wt =5.01s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.202s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

163 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 163

164 Νιάρου Θεώνη Ι. 164 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση της αέργου ισχύος, προκύπτουν οι παρακάτω γραφικές : t trip_wt =5.011s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.202s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

165 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 165

166 Νιάρου Θεώνη Ι. 166 Πλευρά Α/Γ (5) Βύθιση τάσης στο σύστημα των 120kV : Εν συνεχεία, μελετάμε την επιρροή μίας βύθισης τάσης, όπως αυτή προκύπτει από ένα μακρινό σφάλμα στο σύστημα των 120kV. Συγκεκριμένα, τη χρονική στιγμή t=5s πραγματοποιείται μία πτώση τάσης 0.15pu που διαρκεί 0.5s (Σχήμα 5.14). Όπως και με όλες τις προηγούμενες μετρήσεις, διατηρούμε και εδώ την ταχύτητα του ανέμου σταθερά στα 8m/s.

167 Νιάρου Θεώνη Ι. 167 Σχήμα 5.14 Παράμετροι της πηγής τάσης του συστήματος των 120kV i) Με ρύθμιση τάσης για την ανεμογεννήτρια έχουμε τις παρακάτω γραφικές : Παρατηρούμε ότι η εγκατάσταση (plant) δεν απενεργοποιείται/αποσυνδέεται (trip), εν αντιθέσει με τη ρύθμιση αέργου ισχύος, την οποία θα μελετήσουμε αμέσως μετά. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι η στήριξη τάσης, που προσφέρεται από την άεργο ισχύ 5MVar που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες κατά τη διάρκεια της βύθισης τάσης, κρατάει την τάση της εγκατάστασης πάνω από το κατώφλι προστασίας των 0.9pu. Η τάση της εγκατάστασης κατά τη βύθιση τάσης εδώ είναι 0.93pu.

168 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 168

169 Νιάρου Θεώνη Ι. 169 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος στην ανεμογεννήτρια, θα έχουμε τα εξής : Εδώ έχουμε Q ref =0. Παρατηρούμε την τάση και το ρεύμα της εγκατάστασης, όπως επίσης και την ταχύτητα κινητήρα. Βλέπουμε ότι το αιολικό πάρκο παράγει 1.87MW. Τη χρονική στιγμή t=5s η τάση πέφτει κάτω από 0.9pu και στη συνέχεια, τη χρονική στιγμή t trip_plant =5.222s το σύστημα προστασίας απενεργοποιεί/αποσυνδέει την εγκατάσταση, επειδή εντοπίζεται μία χαμηλή τάση (undervoltage) που διαρκεί περισσότερο από 0.2s (ξεπερνώντας τις ρυθμίσεις προστασίας για το υποσύστημα της εγκατάστασης). Το ρεύμα της εγκατάστασης πέφτει στο μηδέν και η ταχύτητα του κινητήρα μειώνεται σταδιακά, ενώ το αιολικό πάρκο συνεχίζει να παράγει σε ένα επίπεδο ισχύος των 1.87MW.

170 Νιάρου Θεώνη Ι. 170 Πλευρά Δικτύου Αφού έχει αποσυνδεθεί η εγκατάσταση, εξάγονται στο δίκτυο 1.25MW (P_B25, που μετριέται στο ζυγό Β25) ισχύος.

171 Νιάρου Θεώνη Ι. 171 Πλευρά Α/Γ Και για να είμαστε πιο ακριβείς, παραθέτουμε τον πίνακα παραμέτρων για την προστασία της εγκατάστασης και του κινητήρα (Σχήμα 5.15).

172 Νιάρου Θεώνη Ι. 172 Σχήμα 5.15 Πίνακας παραμέτρων για την προστασία της εγκατάστασης και του κινητήρα Συνεχίζουμε τις μετρήσεις μας, αλλάζοντας τη θέση των βραχυκυκλωμάτων (4 είδη), ώστε να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με εκείνα των (1) έως και (4) περιπτώσεων. Συγκεκριμένα, προκαλούμε σφάλματα μετά το πέρας της γραμμής μεταφοράς 10km και κοντά στον μετασχηματιστή 25kV/575V (Σχήμα 5.16). Στις επόμενες μετρήσεις διατηρούμε την ταχύτητα ανέμου σταθερή στα 8m/s και η προσομοίωσή μας κρατάει t=50s συνολικά, ακριβώς όπως και σε όλες τις προηγούμενες μετρήσεις. Σχήμα 5.16 Αλλαγή της θέσης των βραχυκυκλωμάτων, για τις μετρήσεις (6) έως και (9) (6) Μονοφασικό σφάλμα (φάσης a) με γη : Τη χρονική στιγμή t=5s πραγματοποιείται μονοφασικό βραχυκύκλωμα (φάσης a) με τη γη, με χρόνο μετάβασης t=0.15s. i) Με ρύθμιση τάσης για την ανεμογεννήτρια, θα έχουμε : t trip_wt =5.111s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

173 Νιάρου Θεώνη Ι. 173 Ισχύει ότι η τάση αναφοράς του δικτύου είναι : V ref =1pu. Πλευρά Δικτύου

174 Νιάρου Θεώνη Ι. 174 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση της αέργου ισχύος στην ανεμογεννήτρια έχουμε : Ισχύει εδώ ότι η παραγόμενη άεργος ισχύς αναφοράς είναι : Q ref =0pu. t trip_wt =5.111s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

175 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 175

176 Νιάρου Θεώνη Ι. 176 Πλευρά Α/Γ (7) Διφασικό βραχυκύκλωμα (μεταξύ των φάσεων b και c) : i) Με ρύθμιση τάσης για την ανεμογεννήτρια : t trip_wt =5.112s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

177 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 177

178 Νιάρου Θεώνη Ι. 178 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος για την ανεμογεννήτρια έχουμε : t trip_wt =5.11s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

179 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 179

180 Νιάρου Θεώνη Ι. 180 Πλευρά Α/Γ (8) Διφασικό βραχυκύκλωμα (φάσεων b και c) με τη γη : i) Με ρύθμιση της τάσης θα έχουμε : t trip_wt =5.011s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.203s >> trip status : AC Undervoltage (positive sequence)

181 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 181

182 Νιάρου Θεώνη Ι. 182 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος στην ανεμογεννήτρια : t trip_wt =5.012s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.203s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

183 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 183

184 Νιάρου Θεώνη Ι. 184 Πλευρά Α/Γ (9) Τριφασικό βραχυκύκλωμα (φάσεων a,b και c) με τη γη : i) Με ρύθμιση της τάσης θα έχουμε : t trip_wt =5.009s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.202s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

185 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 185

186 Νιάρου Θεώνη Ι. 186 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση της αέργου ισχύος θα έχουμε τα εξής : t trip_wt =5.008s >> trip status : DC Overvoltage t trip_plant =5.202s >> trip status : AC Undervoltage (positive-sequence)

187 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 187

188 Νιάρου Θεώνη Ι. 188 Πλευρά Α/Γ Στη συνέχεια θα μελετήσουμε τη συμπεριφορά της ανεμογεννήτριας σε ξαφνικές ή απότομες αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου, σε αύξηση ή μείωση αυτής. Διατηρούμε το συνολικό χρόνο προσομοίωσης σταθερό στα t=50s, όπως και στις προηγούμενες μετρήσεις. (10) Ριπή ανέμου από 8m/s σε 14m/s : Αρχικά, η ταχύτητα του ανέμου είναι 8m/s και ύστερα, τη χρονική στιγμή t=5s, η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται ξαφνικά σε 14m/s. Θεωρούμε ότι η ταχύτητα ανέμου είναι μία συνάρτηση ράμπας (f(t)=t).

189 Νιάρου Θεώνη Ι. 189 i) Με ρύθμιση τάσης θα έχουμε τα εξής : Παρατηρούμε ότι τη χρονική στιγμή t=5s, η παραγόμενη ενεργός ισχύς αρχίζει να αυξάνεται ομαλά (μαζί με την ταχύτητα τουρμπίνας), για να φτάσει την ονομαστική της τιμή (rated value) των 9MW σε περίπου 15s. Κατά τη διάρκεια του χρόνου αυτού, η ταχύτητα τουρμπίνας αυξάνεται από 0.8pu σε 1.21pu. Αρχικά, η γωνία βήματος (pitch angle) των πτερυγίων της τουρμπίνας είναι 0 ο και το σημείο λειτουργίας της τουρμπίνας ακολουθεί την κόκκινη καμπύλη (Σχήμα 5.4) της χαρακτηριστικής ισχύος της τουρμπίνας, μέχρι το σημείο D. Ύστερα, η γωνία βήματος αυξάνεται από 0deg σε 0.76deg, προκειμένου να περιορίσει την μηχανική ισχύ. Η άεργος ισχύς ελέγχεται, προκειμένου να διατηρήσει μία τάση 1pu. Στην ονομαστική (nominal) ισχύ, η ανεμογεννήτρια απορροφά 0.68MVar (ή αλλιώς, παράγει Q= -0.68MVar), ώστε να ελέγξει την τάση στο 1pu.

190 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 190

191 Νιάρου Θεώνη Ι. 191 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος θα έχουμε τα εξής : Θέτουμε εδώ Q ref =0pu και παρατηρούμε ότι η τάση αυξάνεται σε 1.021pu, όταν η ανεμογεννήτρια παράγει την ονομαστική της ισχύ (nominal power) με συντελεστή ισχύος (power factor) ίσο με τη μονάδα.

192 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 192

193 Νιάρου Θεώνη Ι. 193 Πλευρά Α/Γ (11) Ξαφνική μείωση της ταχύτητας ανέμου από 14m/s σε 8m/s : Προκειμένου να κάνουμε μία σύγκριση επί ίσους όρους, κάνουμε ακριβώς το αντίστροφο από την περίπτωση της (10) μέτρησης. Δηλαδή, έχουμε αρχική τιμή ταχύτητας ανέμου τα 14m/s και τη χρονική στιγμή t=5s αυτή μειώνεται ξαφνικά σε 8m/s, βάσει της συνάρτησης ράμπας. Θεωρούμε πάλι συνολικό χρόνο προσομοίωσης t=50s. i) Με ρύθμιση της τάσης έχουμε :

194 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 194

195 Νιάρου Θεώνη Ι. 195 Πλευρά Α/Γ ii) Με ρύθμιση αέργου ισχύος έχουμε τα εξής :

196 Πλευρά Δικτύου Νιάρου Θεώνη Ι. 196

197 Νιάρου Θεώνη Ι. 197 Πλευρά Α/Γ (12) Απότομες αυξήσεις στην ταχύτητα ανέμου : από 4m/s έως 12m/s : Στις προηγούμενες δύο περιπτώσεις (10), (11) είχαμε ομαλές αλλαγές στην ταχύτητα ανέμου, βάσει της συνάρτησης ράμπας. Στην περίπτωση αυτή, όμως, όπως και στην επόμενη (13), θα δοκιμάσουμε τις απότομες αλλαγές ταχύτητας, με καθαρά βηματική συνάρτηση. Έτσι, θεωρούμε ότι τη χρονική στιγμή t=0s όπου ξεκινάει η προσομοίωση, έχουμε αρχικά 4m/s ταχύτητα ανέμου. Στα 5s η ταχύτητα ανέμου γίνεται 5m/s, στα 8s γίνεται 6m/s, στα 12s γίνεται ξαφνικά 7m/s, στα 15s γίνεται 8m/s, στα 17s γίνεται 10m/s και τέλος, στα 19s γίνεται ξαφνικά η ταχύτητα ανέμου ίση με 12m/s (Σχήμα 5.17). Διατηρούμε το συνολικό χρόνο προσομοίωσης στα 50s. Επίσης, βάσει της χαρακτηριστικής ισχύος της τουρμπίνας (Σχήμα 5.4) γνωρίζουμε ότι η μηχανική ισχύς της τουρμπίνας συναρτήσει της ταχύτητας τουρμπίνας