Διαμόρφωση ηλεκτρικού συστήματος και ελέγχου των ανεμογεννητριών

Transcript

1 Διαμόρφωση ηλεκτρικού συστήματος και ελέγχου των ανεμογεννητριών Σταύρος Αθ. Παπαθανασίου Καθηγητής ΕΜΠ

2 Ενεργειακή μετατροπή

3 Α/Γ Οριζόντιου Άξονα Τυπικά μεγέθη εμπορικών Α/Γ Ισχύς: kw Διάμετρος δρομέα: m Δρομείς 3 πτερυγίων Ύψος: m Εύρος ταχυτήτων ανέμου: 3-30 m/s Ονομαστική ταχύτητα ανέμου: m/s Ονομαστική ταχύτητα δρομέα: rpm Εύρος ταχυτήτων δρομέα: 4-35 rpm Κόστος: ~ 1000 ευρώ/kw Αξονικό σύστημα Α/Γ οριζόντιου άξονα Με κιβώτιο ταχυτήτων Χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων

4 Α/Γ Κατακόρυφου Άξονα Θεωρητικά πλεονεκτήματα: Γεννήτρια, κιβώτιο ταχυτήτων κλπ. τοποθετούνται στο έδαφος Δεν απαιτείται πύργος Δεν απαιτείται σύστημα προσανατολισμού (yaw mechanism) Eole C Α/Γ τύπου Darrieus Ισχύς 4.2 ΜW Διάμετρος δρομέα 100 m Εγκαταστάθηκε στο Québec του Canada (μέσα δεκαετιας 90) Σήμερα εκτός λειτουργίας Πρακτικά μειονεκτήματα: Κάτω μέρος του δρομέα πολύ κοντά στο έδαφος Χαμηλές ταχύτητες ανέμου Μέτρια συνολική απόδοση Ο δρομέας δεν αναπτύσσει ροπή εκκίνησης Σχετικά μεγάλη επιφάνεια λόγω των καλωδίων στήριξης Δυσκολία μηχανικής συντήρησης (π.χ. αλλαγή των εδράνων στήριξης απαιτεί διάλυση όλης της μηχανής) Μεγάλες ταλαντώσεις της αεροδυναμικής ισχύος

5 Εγκατάσταση Α/Γ Πηγή: European Wind Energy Association (EWEA)

6 Θόρυβος Εκπομπές θορύβου τυπικής Α/Γ 300 kw Ενδεικτική εξάρτηση από ταχύτητα ανέμου και ταχύτητα περιστροφής

7 Κατασκευαστική Διαμόρφωση Enercon E-48, 800 kw

8 Κατασκευαστική Διαμόρφωση Vestas V-52, 850 kw

9 Κατασκευαστική Διαμόρφωση Tacke TW 600 kw

10 Βασικά υποσυστήματα Α/Γ Αεροδυναμικό (δρομέας) Μηχανικό (σύστημα μετάδοσης κίνησης) Ηλεκτρικό (γεννήτρια, μετατροπείς ισχύος) Διατάξεις αντιστάθμισης και φίλτρα Διατάξεις ζεύξης και προστασίας (διακόπτης ισχύος, ηλεκτρονόμοι προστασίας, σύστημα ομαλής εκκίνησης-soft starter κλπ.) Μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης Συστήματα ελέγχου Συνολικό σύστημα εποπτείας (supervision & management) Επιμέρους συστήματα ελέγχου - Κλίσης πτερυγίων (pitch control) - Μετατροπέων ισχύος & γεννήτριας - Περιστροφής της ατράκτου (yaw control) Αεροδυναμικό υποσύστημα (δρομέας) Μηχανικό υποσύστημα Ηλεκτρικό υποσύστημα Μετατροπείς Διατάξεις ξέυξης και προστασίας Soft-starter Δίκτυο μέσης τάσης G Γεννήτρια Συστήματα ελέχγου συνιστωσών Διατάξεις αντιστάθμισης και φίλτρα Mετασχηματιστής ΜΤ/ΧΤ Προς σύστημα yaw Έλεγχος βήματος πτερυγίων (pitch) Έλεγχος μετατροπέων και γεννήτριας Έλεγχος περιστροφής ατράκτου (yaw) Σύστημα εποπτείας και ελέχγου της Α/Γ Έλεγχος ορίων ισχύος & άλλων προστασιών Επιθυμητά επίπεδα ισχύος λειτουργίας Συνθήκες ζεύξης και απόζευξης κ.ά.

11 Βασικά υποσυστήματα Α/Γ Αεροδυναμικό (δρομέας) Μηχανικό (σύστημα μετάδοσης κίνησης) Ηλεκτρικό (γεννήτρια, μετατροπείς ισχύος) Διατάξεις αντιστάθμισης και φίλτρα Διατάξεις ζεύξης και προστασίας (διακόπτης ισχύος, ηλεκτρονόμοι προστασίας, σύστημα ομαλής εκκίνησης-soft starter κλπ.) Μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης Συστήματα ελέγχου Συνολικό σύστημα εποπτείας (supervision & management) Επιμέρους συστήματα ελέγχου - Κλίσης πτερυγίων (pitch control) - Μετατροπέων ισχύος & γεννήτριας - Περιστροφής της ατράκτου (yaw control) Αεροδυναμικό υποσύστημα (δρομέας) Μηχανικό υποσύστημα Ηλεκτρικό υποσύστημα Μετατροπείς Διατάξεις ξέυξης και προστασίας Soft-starter Δίκτυο μέσης τάσης G Γεννήτρια Συστήματα ελέχγου συνιστωσών Διατάξεις αντιστάθμισης και φίλτρα Mετασχηματιστής ΜΤ/ΧΤ Προς σύστημα yaw Έλεγχος βήματος πτερυγίων (pitch) Έλεγχος μετατροπέων και γεννήτριας Έλεγχος περιστροφής ατράκτου (yaw) Σύστημα εποπτείας και ελέχγου της Α/Γ Έλεγχος ορίων ισχύος & άλλων προστασιών Επιθυμητά επίπεδα ισχύος λειτουργίας Συνθήκες ζεύξης και απόζευξης κ.ά.

12 Χαρακτηριστικά του ανέμου Óôéãìéáßá ôá ýôçôá V ( t) V v( t) w w ÌÝóç ôá ýôçôá Ôõñâþäçò óõíéóôþóá Μέση ταχύτητα Συνήθως μέση ωριαία τιμή Καθορίζει την ενεργειακή απόδοση Ακολουθεί κατανομή Weibull Κατανομή Weibull μέσης ταχύτητας ανέμου Μέση τιμή Τυρβώδης συνιστώσα Ταχείες διακυμάνσεις του ανέμου Επηρεάζει την ποιότητα ισχύος και τα κοπωτικά φορτία Περιγράφεται από φάσμα τύπου von Karman: 2 v ó Sv( f) f 4n~ ( n~ ) x n~ f L V v w Φασματική Πυκνότητα Sv(f) V w 10 m/s V w 6 m/s V w 15 m/s Συχνότητα f (Hz) z 0 = 0.05 m z = 20 m ÄéáóðïñÜ ôýñâçòó v Vw ln( z z ) 0 ÄéáìÞêçò êëßìáêá ôýñâçò x L v z 25 z Σύνθεση χρονοσειρών ανέμου N 1 2 v i i i vt ( ) 2 [ S ( f) Äf ] cos( 2ð ft ö ) i 1 (Μέθοδος Shinozuka)

13 Κλίμακα Beaufort

14 Βασική αεροδυναμική δρομέα Ισχύς δρομέα: P 1 C Av 2 3 A p w Πυκνότητα αέρα Επιφάνεια δρομέα (πr 2 ) Ταχύτητα ανέμου Αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος: Αεροδυναμικός συντελεστής C p (λ,β) C p = C p (λ,β) (Όριο Betz:C p < 0.59) R R v w ο λόγος της ταχύτητας του ακροπτερυγίου προς την ταχύτητα του ανέμου β: η γωνία του πτερυγίου ως προς την ταχύτητα του ανέμου Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου, λ Χαρακτηριστικές ισχύος-στροφών Τυπική καμπύλη ισχύος Αεροδυναμική ισχύς Καμπύλη Êáì ðýëç μέγιστης ì Ýãéóôçò áðüäï óçò απόδοσης Í s Ταχύτητα δρομέα 12 m/sec Ταχύτητα περιστροφής Ονομαστική ισχύς Ταχύτητα ένταξης Ονομαστική ταχύτητα Ταχύτητα αποσύνδεσης Α/Γ τύπου stall Α/Γ τύπου pitch

15 Αρμονικές αεροδυναμικής ροπής Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος (wind shear) Φαινόμενο σκίασης πύργου (tower shadow) V V w wh z z h Εκθέτης α: á 2è Αεροδυναμική ροπή δρομέα R Vw ( ä ) Vwh sin ä z V(ä) h á ÄV sh 0 3ð/2-è 3ð/2 3ð/2+è ä (rad) Αρμονικές 3nP αεροδυναμικής ροπής δρομέα Taero Tgen

16 Αεροδυναμικός έλεγχος (stall control) Αεροδυναμικός συντελεστής πτερυγίου τύπου stall Αεροδυναμικός συντελεστής Cp λ Καμπύλες ισχύος-ταχύτητας περιστροφής δρομέα Α/Γ 140 kw τύπου stall Αεροδυναμική Ισχύς (kw) Ονομαστική ισχύς Ονομαστική ταχύτητα Ταχύτητα δρομέα (rpm) Υπέρ: Απλότητα, χαμηλό κόστος, αξιοπιστία, έλλειψη συντήρησης Κατά: Υψηλότερα φορτία σε δρομέα και δομικό σύστημα Ελλιπής κατανόηση του δυναμικού φαινομένου stall Αδυναμία ρύθμισης της ισχύος εξόδου Καμπύλη ισχύος μπορεί να μεταβάλλεται με τον χρόνο

17 Έλεγχος βήματος πτερυγίων (pitch control) Τυπικό διάγραμμα ρύθμισης Απλουστευμένο διάγραμμα βαθμίδων του συστήματος ελέγχου Ελεγκτής στροφών Σύστημα εποπτείας και ελέγχου Ελεγκτής ισχύος Μηχανισμός pitch Μήκος πτερυγίου Αεροδυναμική δρομέα Σύστημα μετ/σης κίνησης Ηλεκτρικό σύστημα (γεννήτρια) Δίκτυο Υπέρ: Καλύτερη απόδοση σε χαμηλό άνεμο Δυνατότητα περιορισμού της ισχύος (χωρίς διακοπή της λειτουργίας) Χαμηλότερα φορτία σε πτερύγια και δομικό σύστημα Α/Γ Κατά: Πολυπλοκότητα και ανάγκη συντήρησης Διακυμάνσεις ισχύος σε υψηλό άνεμο Κόπωση πτερυγίων λόγω αδρανειακής φόρτισης

18 Μεταβλητότητα της αεροδυναμικής ισχύος Χρονοσειρά ανέμου 5 min (τυρβώδης συνιστώσα: 17%) Τύρβη: γρήγορες διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου Μεταβλητότητα αεροδυναμικής ισχύος λόγω τύρβης Rotor power (kw) Αρμονικές αεροδυναμικής ροπής δρομέα Μεταβολή με ύψος (wind shear) Σκίαση πύργου (tower shadow) Αρμονικές 3nP της αεροδυναμικής ροπής + = 2è

19 Μηχανικό σύστημα (drive train) Ισοδύναμο 3 μαζών Ισοδύναμο 6 μαζών

20 Α/Γ σταθερών στροφών Βασικό σχήμα Δρομέας rpm Κιβώτιο ταχυτήτων 1:25-1:50 Γεννήτρια rpm G Δίκτυο 50 Hz Σύγχρονη ταχύτητα Συχνότητα στάτη = συχνότητα δικτύου N s fs p 2 Ζεύγη πόλων της γεννήτριας Χαρακτηριστική ροπής-στροφών της γεννήτριας Σημείο λειτουργίας Σ.Γ. Σημείο λειτουργίας Α.Γ. Ταχύτητα περιστροφής κανονικής λειτουργίας πρακτικά σταθερή, ανεξαρτήτως κινητήριας ροπής Συνδυασμός με τις καμπύλες αεροδυναμικής ροπήςστροφών του δρομέα Ταχύτητα περιστροφής πρακτικά σταθερή, ανεξαρτήτως ταχύτητας ανέμου

21 Α/Γ σταθερών στροφών Επιλογή τύπου γεννήτριας Ασύγχρονη γεννήτρια Σύγχρονη γεννήτρια Επιλέγεται πάντοτε ασύγχρονη γεννήτρια (κυρίως τύπου κλωβού) Πλεονεκτήματα: Κόστος, βάρος, απλότητα, αξιοπιστία, ανάγκες συντήρησης Δυναμικά χαρακτηριστικά Καλύτερη ποιότητα ισχύος Μειωμένες μηχανικές καταπονήσεις Βασικό μειονέκτημα: Αδυναμία ρύθμισης του συντελεστή ισχύος (κατανάλωση αέργου ισχύος) Εγκατάσταση πυκνωτών αντιστάθμισης (συντελεστής ισχύος > 0.95 επαγ.) Γεννήτρια επαγωγής G 0.4 ή 0.69 kv M/Σ ΜΤ/ΧΤ 15 ή 20 kv Δίκτυο ΜΤ Πυκνωτές αντιστάθμισης Α/Γ Συνήθη χαρακτηριστικά γεννήτριας επαγωγής: Ονομαστική ολίσθηση ~1% 4 ή 6 πόλοι (N s =1500 ή 1000 rpm)

22 Α/Γ σταθερών στροφών Χρήση διπλής γεννήτριας Δευτερεύουσα (μικρή) γεννήτρια: Ανεξάρτητο τύλιγμα στάτη (σπανιότερα δεύτερη γεννήτρια) Περισσότεροι πόλοι χαμηλότερη ταχύτητα περιστροφής Ισχύς ~ 25% της ονομαστικής της Α/Γ Εντός κατά τη ζεύξη και στις χαμηλές ταχύτητες ανέμου Συνήθως: Κύριο τύλιγμα: 4 πόλοι Δευτερεύον τύλιγμα: 6 πόλοι Σκοπιμότητα: Καλύτερη αεροδυναμική απόδοση, μικρότερες απώλειες και υψηλότερος συντελεστής ισχύος στις χαμηλές ταχύτητες ανέμου Καλύτερα χαρακτηριστικά ζεύξης

23 Α/Γ σταθερών στροφών Δακτυλιοφόρος μηχανή επαγωγής Τομή δακτυλιοφόρου μηχανής επαγωγής Μείωση κλίσης της χαρακτηριστικής Τ-ω με προσθήκη εξωτερικών αντιστάσεων Δακτύλιοι δρομέα Τυλιγμένος δρομέας R Επίπτωση στη λειτουργία της Α/Γ Ονομαστική ολίσθηση 2% (χωρίς αντιστάσεις) Ονομαστική ολίσθηση 8% (με αντιστάσεις) Διακυμάνσεις ισχύος: ~20% της P n Διακυμάνσεις ισχύος: ~5% της P n

24 Α/Γ σταθερών στροφών Δυναμικός έλεγχος ολίσθησης Βραχυκυκλωμένος δρομέας Προσθήκη εξωτερικών αντιστάσεων Έλεγχος ολίσθησης Αεροδυναμική ροπή, Ολίσθηση, s (%) Ισχύς εξόδου, P/P n Τ/Τ n Χρόνος, t (s)

25 Α/Γ σταθερών στροφών Δυναμικός έλεγχος ολίσθησης Σύστημα Optislip της Vestas Σύστημα ελέγχου Opti-Slip & Opti-Pitch

26 Διάταξη ομαλής εκκίνησης (Soft-starter) 3Φ ρυθμιστής AC τάσης (triacs) G Διάταξη ομαλής εκκίνησης Δίκτυο Διακόπτης παράκαμψης Διαδικασία ζεύξης Γεννήτρια εκτός τάσης Δρομέας επιταχύνεται σε ταχύτητα % της ονομαστικής Σταδιακή επιβολή τάσης (διάρκεια λίγων sec) Σύνδεση του πυκνωτή Περιορισμός ρεύματος σε 2-4 φορές το ονομαστικό της γεννήτριας Κυματομορφές AC ρυθμιστή

27 Ζεύξη με διάταξη ομαλής εκκίνησης Μετρήσεις σε ασθενές δίκτυο (νησιού) Μετρήσεις ρεύματος, τάσης και ισχύος Μετρήσεις αρμονικής παραμόρφωσης V 5 /V n (%) 5η αρμονική ρεύματος 5η αρμονική τάσης Ι 5 /Ι n (%)

28 Ζεύξη με διάταξη ομαλής εκκίνησης Τυπικά παλμογραφήματα Α/Γ 225 kw, σταθερών στροφών, έλεγχος pitch Ένταξη με μικρή γεννήτρια (50 kw) Ισχύς βραχυκυκλώσεως δικτύου ~ 9 MVA Τάση δικτύου (α.μ.) Ρε υμα Α/Γ (α.μ.) Έναρξη τροφοδότησης Σύνδεση 1ου πυκνωτή Σύνδεση 2ου πυκνωτή

29 Προστασία Απόζευξης MV feeder HV/MV Substation 59N U 81O LEGEND Undervoltage 50 Instantaneous overcurrent - phase 50N Instantaneous overcurrent - Zero seq. 51 Time delay overcurrent - phase 51N Time delay overcurrent - Zero seq. 52 Interconnection CB 59 Overvoltage 59N Overvoltage - Zero seq. 81U/O Under/Overfrequency N 51N G Relay Settings Type A Settings Type B Threshold Delay Threshold Delay U n 0.3 s 0.80 U n 1.2 s U n 0.3 s 1.15 U n 1.2 s 81U 49.5 Hz 0.3 s 47.5 Hz 1.2 s 81O 50.5 Hz 0.3 s 51.5 Hz 1.2 s

30 Α/Γ μεταβλητών στροφών Γεννήτριες και μετατροπείς ισχύος Τύποι γεννητριών EP Γεννήτρια επαγωγής Κλωβού Τυλιγμένου δρομέα Σύγχρονη γεννήτρια Με τύλιγμα πεδίου Μονίμων μαγνητών Τύποι μετατροπέων ΕΡ/ΣΡ Ανορθωτής διόδων Μετατροπέας γέφυρας με thyristors Μετατροπέας πηγής τάσης (PWM)

31 Α/Γ μεταβλητών στροφών Σημαντικότεροι τύποι μετατροπέων ισχύος Μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (line-commutated) 3Φ ανορθωτής γέφυρας με διόδους Q ac P ac Μη ελεγχόμενος Λειτουργία 1 τεταρτημορίου Ενεργός ισχύς: AC DC Άεργος ισχύς: Aπορρόφηση (μικρή) Μεγάλη αρμονική παραμόρφωση 3Φ ανορθωτής/αντιστροφέας γέφυρας με thyristors Q ac P ac Eλεγχόμενη DC τάση Δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος Λειτουργία 2 τεταρτημορίων Ενεργός ισχύς: AC DC & DC AC Άεργος ισχύς: Απορρόφηση (μεγάλη) Μεγάλη αρμονική παραμόρφωση Κοινό χαρακτηριστικό: Η λειτουργία τους προϋποθέτει την ύπαρξη εναλλασσόμενης τάσης (π.χ. δίκτυο ή σύγχρονη γεννήτρια)

32 Α/Γ μεταβλητών στροφών Σημαντικότεροι τύποι μετατροπέων ισχύος Αυτομεταγόμενοι μετατροπείς (self- commutated) 3Φ μετατροπέας πηγής τάσης Q ac P ac Λειτουργία 4 τεταρτημορίων Ενεργός ισχύς: AC DC & DC AC Άεργος ισχύς: Παραγωγή & απορρόφηση Πηγή εναλασσόμενης τάσης ελεγχόμενου μέτρου και συχνότητας Με κατάλληλο έλεγχο, πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος ελεγχόμενου μέτρου και συχνότητας Πάντοτε ελέγχεται με χρήση τεχνικών PWM Χαμηλό αρμονικό περιεχόμενο και σε υψηλές συχνότητες Πολύ καλά δυναμικά χαρακτηριστικά Διακοπτικά στοιχεία: IGBTs για τις ισχείς των Α/Γ (έως λίγα MW)

33 Α/Γ μεταβλητών στροφών Συστήματα μετατροπέα ισχύος εξόδου Μετατροπέας πηγής τάσης PWM V Inv I V Grid X f Δίκτυο Αρχή ελέγχου: φ I δ ω Inv V Inv ω Grid Χ f I V Grid Ροή ενεργού ισχύος: Μέσω γωνίας ισχύος δ και άρα συχνότητας μετατροπέα, ω Inv Ροή αέργου ισχύος: Μέσω μέτρου τάσης του μετατροπέα, V Inv Έλεγχος V Inv & ω Inv (βαθμωτός έλεγχος) ή Aπ ευθείας έλεγχος του ρεύματος (διανυσματικός έλεγχος) Βασικά χαρακτηριστικά/δυνατότητες: Συντελεστής ισχύος ρυθμιζόμενος σε επαγωγικές & χωρητικές τιμές Χαμηλή αρμονική παραμόρφωση (μικρά φίλτρα) Πολύ καλά δυναμικά χαρακτηριστικά Δυνατότητα ελέγχου τάσης και συχνότητας (π.χ. αυτόνομα συστήματα)

34 Α/Γ μεταβλητών στροφών Χρησιμοποιούμενες διαμορφώσεις Ασύγχρονη γεννήτρια Σύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα διέγερσης Σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών Ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα

35 Τυποποίηση Α/Γ βάσει διαμόρφωσης του ηλεκτρικού μέρους Τύπος I: Α/Γ με ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού Τύπος II: Α/Γ με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα Τύπος III: Α/Γ με μετατροπείς κλασματικής ισχύος (ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης) Τύπος IV: Α/Γ με μετατροπείς πλήρους ισχύος (σύγχρονη ή ασύγχρονη γεννήτρια) Πηγή: European Wind Energy Association (EWEA)

36 Α/Γ μεταβλητών στροφών Τύπου IV Ασύγχρονη γεννήτρια με δρομέα κλωβού (υψηλές στροφές) Υλοποίηση με μετατροπείς PWM Βασικά χαρακτηριστικά: Υψηλή ταχύτητα περιστροφής γεννήτριας (έως 2000 ΣΑΛ) Ηλεκτρική ροπή ελέγχεται με διανυσματικό έλεγχο ή με άμεσο έλεγχο ροπής Ρεύμα μαγνητίσεως γεννήτριας παρέχεται από τον μετατροπέα Εξαιρετικά δυναμικά χαρακτηριστικά (αλλά όχι απολύτως αναγκαία) Ροπή γεννήτριας δεν διαθέτει αρμονικές χαμηλής τάξης Πλεονεκτήματα μηχανής επαγωγής κλωβού (απλότητα, κόστος, αξιοπιστία κλπ.) - Σχετικά σύνθετος μετατροπέας

37 Α/Γ μεταβλητών στροφών Τύπου IV Πολυ-πολική σύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα ή μονίμων μαγνητών Σύγχρονη γεννήτρια με ενσωματωμένο κιβώτιο ταχυτήτων (μεσαίες στροφές έως 450 ΣΑΛ) Σύγχρονη γεννήτρια χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων (χαμηλές στροφές έως 30 ΣΑΛ)

38 Α/Γ μεταβλητών στροφών Τύπου IV Υλοποίηση με ανορθωτή και DC/DC μετατροπέα Βασικά χαρακτηριστικά: Δυνατότητα κατάργησης του κιβωτίου ταχυτήτων Τάση μεταγωγής του ανορθωτή από τη σύγχρονη γεννήτρια Εξαιρετικά απλός μετατροπέας, αλλά όχι και γεννήτρια Ροπή γεννήτριας διαθέτει αρμονικές χαμηλής τάξης Μετατροπέας DC/DC (τύπου boost) αναγκαίος: Για προσαρμογή της DC τάσης του ανορθωτή (μεταβαλλόμενη) στην DC τάση του πυκνωτή (σταθερή) Για έλεγχο του DCρεύματος Έλεγχος ροπής με έλεγχο του DC ρεύματος (ρεύμα γεννήτριας ~DC ρεύματος)

39 Α/Γ μεταβλητών στροφών Τύπου IV Υλοποίηση με μετατροπείς PWM Βασικά χαρακτηριστικά: Δυνατότητα κατάργησης του κιβωτίου ταχυτήτων Πιο σύνθετος μετατροπέας Ροπή γεννήτριας δεν διαθέτει αρμονικές χαμηλής τάξης Έλεγχος ρεύματος γεννήτριας με διανυσματικό έλεγχο προσανατολισμένου πεδίου: Για έλεγχο στροφών μέσω ελέγχου της ηλεκτρικής ροπής Βέλτιστη ρύθμιση μαγνητικής ροής (προστασία μεανγητών, ελαχιστοποίηση απωλειών πυρήνα)

40 Α/Γ μεταβλητών στροφών Τύπου ΙΙΙ Ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα (δακτυλιοφόρος) Υλοποίηση με μετατροπείς PWM P s Ισχύς εξόδου = Ισχύς στάτη + Ισχύς δρομέα P r P s 1 1 s P mech P r s 1 s P mech Βασικό πλεονέκτημα: Μειωμένο μέγεθος γεννήτριας και μετατροπέων

41 Έλεγχος ταχύτητας δρομέα Αεροδυναμική ισχύς Χαρακτηριστική Êáì ðýëç ì ελέγχου Ýãéóôç ò áðüäï óçò m/sec Í s Ταχύτητα δρομέα Λειτουργία σταθερών στροφών Χαρακτηριστική ελέγχου Απλουστευμένη δομή ελέγχου ταχύτητας r P e T ref v w r, ref r, ref v w T ref r r, ref r, ref P e P e

42 Α/Γ μεταβλητών στροφών Έλεγχος σύγχρονης γεννήτριας Voltage source converter Diode rectifier Chopper PM SG Έλεγχος ρεύματος με ελεγκτές υστέρησης i dc i dc * i dc *=f(t*,ω r ) T ref Έλεγχος ρεύματος με κυματομορφή PWM αναφοράς i dc u* i dc * i dc *=f(t*,ω r ) T*

43 Α/Γ μεταβλητών στροφών Έλεγχος σύγχρονης γεννήτριας με μετατροπείς πηγής τάσης

44 Α/Γ μεταβλητών στροφών Έλεγχος δακτυλιοφόρου γεννήτριας με μετατροπείς πηγής τάσης Έλεγχος ρεύματος μετατροπέα πλευράς γεννήτριας

45 Α/Γ μεταβλητών στροφών Έλεγχος δακτυλιοφόρου γεννήτριας με μετατροπείς πηγής τάσης Έλεγχος ρεύματος μετατροπέα πλευράς δικτύου

46 Ζεύξη Α/Γ μεταβλητών στροφών A/Γ τύπου IV Ενεργός ισχύς εξόδου Φαινομένη ισχύς εξόδου Άεργος ισχύς εξόδου

47 Α/Γ μεταβλητών στροφών Συγκριτικά πλεονεκτήματα Α/Γ με ασύγχρονη γεννήτρια και μετατροπείς πηγής τάσης Χαμηλός άνεμος Σταθερές στροφές Μεταβλητές στροφές Υψηλός άνεμος Σταθερές στροφές Μεταβλητές στροφές

48 Α/Γ σταθερών στροφών Κανονική λειτουργία Υψηλός άνεμος A/Γ 225 kw με έλεγχο pitch Ταχύτητα ανέμου Ισχύς εξόδου kw m/s Γωνία pitch πτερυγίων deg Χρόνος (s)

49 Α/Γ μεταβλητών στροφών Μετρήσεις κανονικής λειτουργίας A/Γ με πολυ-πολική σύγχρονη γεννήτρια Ταχύτητα ανέμου Ταχύτητα δρομέα Ισχύς εξόδου

50 Α/Γ μεταβλητών στροφών Μετρήσεις κανονικής λειτουργίας A/Γ τύπου IV Ενεργός ισχύς εξόδου Φαινομένη ισχύς εξόδου Άεργος ισχύς εξόδου

51 Α/Γ μεταβλητών στροφών Δυνατότητα ρύθμισης ισχύος εξόδου A/Γ τύπου IV Ισχύς εξόδου Ταχύτητα ανέμου Ταχύτητα δρομέα

52 Α/Γ μεταβλητών στροφών Μέτρηση αρμονικών εξόδου A/Γ τύπου IV Πλάτος αρμονικών, Ι h /I n (%) Αρμονική τάξη

53 Κριτήρια σχεδίασης ηλεκτρικού μέρους & ελέγχου Κόστος Αξιοπιστία και ανάγκες συντήρησης Περιορισμός βάρους και διαστάσεων Ασφαλής λειτουργία (αποφυγή μηχανικών και ηλεκτρικών υπερφορτίσεων) Μείωση των μηχανικών καταπονήσεων Μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης Εξασφάλιση καλής ποιότητας ισχύος και «φιλικών» προς το δίκτυο λειτουργικών χαρακτηριστικών Απαιτήσεις σε σχέση με το δίκτυο Χαμηλή συμβολή στη στάθμη βραχυκυκλώσεως του δικτύου Απαιτήσεις ποιότητας ισχύος: Μικρά ρεύματα ζεύξης και λοιπών χειρισμών Μειωμένη μεταβλητότητα ισχύος (αργές μεταβολές τάσης και flicker) Χαμηλή αρμονική παραμόρφωση Απαιτήσεις Κωδίκων (επικουρικές υπηρεσίες): Διευρυμένα όρια τάσης και συχνότητας κανονικής λειτουργίας Δυνατότητα ελέγχου αέργου ισχύος εξόδου έλεγχος ΣΙ και τάσης Δυνατότητα ελέγχου ενεργού ισχύος εξόδου Παροχή εφεδρειών και απόκριση συχνότητας Αδιάλειπτη λειτουργία υπό χαμηλή τάση Δυναμική στήριξη της τάσης δικτύου σε διαταραχές

54 Τεχνικές απαιτήσεις κωδίκων συστήματος Έλεγχος ενεργού ισχύος Απαίτηση κώδικα ENTSO-E για μείωση ενεργού ισχύος σε υπερ-συχνότητα Τυπικές τιμές κατωφλίου: Hz Τυπικές τιμές στατισμού: 2-12% Απαίτηση Ιρλανδικού κώδικα για ρύθμιση της εγχεόμενης ενεργού ισχύος συναρτήσει της συχνότητας του δικτύου Wind farm power station's active power output (% of available active power) A B C Τήρηση εφεδρείας ισχύος σε ονομαστική συχνότητα E D f (Hz)

55 Τεχνικές απαιτήσεις κωδίκων συστήματος Αδιάλειπτη λειτουργία υπό χαμηλή τάση (FRT) Απαίτηση FRT κώδικα ENSTO-E για μονάδες παραγωγής 1-50 MW Δεν επιτρέπεται η αποσύνδεση Επιτρέπεται η προσωρινή αποσύνδεση

56 Τεχνικές απαιτήσεις κωδίκων συστήματος Αδιάλειπτη λειτουργία υπό χαμηλή τάση (FRT) Απαίτηση Γερμανικού κώδικα για υποστήριξη της τάσης μέσω έγχυσης αέργου ρεύματος