Διπλωματική Εργασία των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ & ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Δημήτριου Λαγού Αριθμός Μητρώου: Χρήστου Ανδροβιτσανέα Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος με συνδεδεμένους μετατροπείς σε μικροδίκτυο» Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Νικόλαος Α. Βοβός Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, 12/6/2018

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Χρήστος Ανδροβιτσανέας, Δημήτρης Λαγός 2018 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Δημήτριο Λαγό και Χρήστο Ανδροβιτσανέα, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οποιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος με συνδεδεμένους μετατροπείς σε μικροδίκτυο» των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Δημήτριου Λαγού του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου: Χρήστου Ανδροβιτσανέα του Ιωάννου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 12/06/2018 Ο Επιβλέπων Καθηγητής Νικόλαος Α. Βοβός Η Διευθύντρια του Τομέα Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος με συνδεδεμένους μετατροπείς σε μικροδίκτυο» Φοιτητές: Δημήτριου Λαγού Χρήστου Ανδροβιτσανέα Επιβλέπων: Νικόλαος Α. Βοβός 4

5 Περίληψη Μελέτη της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί ο ακριβής έλεγχος της ενεργού ισχύος στην έξοδο μιας μικροπηγής, καθώς και ο έλεγχος της άεργου ισχύος για την στήριξη της τάσης. Σκοπός της μελέτης αυτής είναι η ομαλή ένταξη του μικροδικτύου στο δίκτυο χωρίς επιπλέον καλώδια επικοινωνίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη περιγραφή των μορφών των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, των βασικών εννοιών για την λειτουργία των μικροδικτύων και η σημασία του ελέγχου για την ανάπτυξή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή της βασικής μεθόδου ελέγχου στατισμού μέσω των χαρακτηριστικών του βρόχου ελέγχου P f για την ενεργό και του βρόχου ελέγχου Q - V για την άεργο ισχύ. Στη συνέχεια περιγράφεται ο τρόπος που γίνεται ο έλεγχος των μικροπηγών του μέσω ΜΠΤ (Μετατροπέων Πηγής Τάσης). Τέλος αναλύεται η σύζευξη που υπάρχει μεταξύ των δύο βρόγχων ελέγχου και τα προβλήματα που παρουσιάζονται. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή βελτιωτικών μεθόδων ελέγχου, πάνω στον έλεγχο στατισμού. Έτσι γίνεται επίλυση των προβλημάτων που παρουσιάζει όταν εφαρμόζεται μόνος του και αναλύονται τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και οι ιδιαιτερότητες των βελτιωτικών μεθόδων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά το μοντέλο και η λειτουργία του μετατροπέα, καθώς και το μοντέλο το οποίο αναπτύξαμε στο Simulink/Matlab με σκοπό την εξομοίωση του πραγματικού συστήματος του εργαστηρίου αλλά και των επιμέρους υποσυστημάτων αυτού. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αποκρίσεων των μεθόδων ελέγχου από τις εξομοιώσεις, για διαφορετικές παραμέτρους και γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων και σύγκριση μεταξύ τους. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από την παρούσα εργασία, καθώς και η συνεισφορά και οι προοπτικές συνέχισής της. Λέξεις κλειδιά: Μικροδίκτυα, Μετατροπέας Πηγής Τάσης, Έλεγχος στατισμού, Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 5

6 Abstract The study of this diploma thesis consists of the precise control of active power flow at the exit of a microsource unit, as well as the control of reactive power flow in order to support the voltage. The purpose of this study is to smoothly integrate the microgrids into the grid without additional communication lines. At the first chapter is given a brief description of the forms of Renewable Energy Sources, the basic concepts for the operation of microgrids and the importance of control for their development. In the second chapter, a detailed description of the droop control method has been done, through the droop characteristics P - f for the active and Q - V for reactive power control. Subsequently, is described how active and reactive power control is performed by using VSI (Voltage Source Inverters). Finally is analyzed the coupling between the two control loops and the problems that presented. In the third chapter other improved control methods are described. In this way problems which exist by operating droop control only, are solved and finally advantages, disadvantages and peculiarities of these methods are analyzed. In the fourth chapter the exact model of the VSI and the model developed in Simulink / Matlab in order to simulate the actual system of the laboratory and its individual subsystems is presented. In the fifth chapter the simulations results of the control methods, for different system s parameters are analyzed and compares to each other. Finally, the conclusions being extracted from the present dissertation, its contribution and the prospects for its future continuation are presented. Key words: Microgrids, Voltage Source Inverter, Droop control, Renewable Energy Sources 6

7 Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον Καθηγητή Νικόλαο Α. Βοβό για την ευκαιρία που μας έδωσε ώστε να ασχοληθούμε με το συγκεκριμένο ενδιαφέρον θέμα καθώς και για τη γνώση που μας παρείχε πάνω στον τομέα των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον Λέκτορα Παναγή Βοβό για τη βοήθεια και τη στήριξή του καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας εργασίας. 7

8 Αφιερώνεται στις οικογένειες μας και τους φίλους μας. 8

9 Περιεχόμενα ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ... 3 Περίληψη Κατανεμημένη παραγωγή και Μικροδίκτυα Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Μικροδίκτυα Η σημασία ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος για την ανάπτυξη των μικροδικτύων Συμπεράσματα Έλεγχος Στατισμού σε Μικροδίκτυο (Droop Control) Εισαγωγή Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος μικροδικτύου Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας Έλεγχος άεργου ισχύος-τάσης Έλεγχος ισχύος μέσω του Μετατροπέα Πηγής Τάσης Εφαρμογή Μεθόδου ελέγχου Στατισμού Έλεγχος συχνότητας και τάσης του ΜΠΤ Εφαρμογή των χαρακτηριστικών στατισμού Προβλήματα ελέγχου στατισμού σύζευξη βρόχων P, Q Συμπεράσματα Βελτιωμένες μέθοδοι ελέγχου ισχύος σε δίκτυα διανομής Εισαγωγή Μέθοδος εικονικής σύνθετης αντίστασης Μέθοδος Περιστροφής Σύγκριση των μεθόδων ελέγχου Συμπεράσματα

10 4 Μοντέλο Προσομοίωσης Εισαγωγή Μετατροπέας Πηγής Τάσης Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή Αντιστροφείς Παλμοδότηση ΜΠΤ Ταύτιση τάσης ΜΠΤ με το κεντρικό δίκτυο Σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο Μέτρηση ισχύος Βρόχος ελέγχου στατισμού ενεργού ισχύος Βρόχος ελέγχου στατισμού άεργου ισχύος Ρύθμιση Κλίσης Στατισμού Εικονική περιστροφή ισχύος Εικονική σύνθετη αντίσταση Συμπεράσματα Αποτελέσματα Εξομοιώσεων Εισαγωγή Απόκριση ισχύος ελέγχου στατισμού Απόκριση ισχύος με την μέθοδο της εικονικής αντίστασης Απόκριση ισχύος με την μέθοδο της περιστροφής Απόκριση μεθόδων ελέγχου σε μεταβολές της απαιτούμενης ενεργού και άεργου ισχύος Συμπεράσματα Συμπεράσματα της Διπλωματικής Εργασίας Ανακεφαλαίωση Τεχνικά συμπεράσματα

11 6.3 Προσωπικά συμπεράσματα Μελλοντικές επεκτάσεις...95 Βιβλιογραφία

12 1 Κατανεμημένη παραγωγή και Μικροδίκτυα 1.1 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ο ολοένα αυξανόμενος ρυθμός ζήτησης ενέργειας, τα τελευταία 100 χρόνια, έχει ως αποτέλεσμα την αναζήτηση μη συμβατικών πηγών. Αυτό, σε συνδυασμό με τη μόλυνση του περιβάλλοντος από τη χρήση ορυκτών καυσίμων, έχει οδηγήσει στη χρήση πηγών ενέργειας που δεν προέρχονται από τέτοια καύσιμα, αλλά από διεργασίες που γίνονται στη φύση. Αυτές οι πηγές ονομάζονται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) ή πράσινη ενέργεια ή αλλιώς ήπιες μορφές ενέργειας. Τα πιο διαδεδομένα είδη ΑΠΕ είναι: Αιολική ενέργεια: Η ενέργεια των ανέμων είναι από τις πρώτες μορφές ΑΠΕ που χρησιμοποιήθηκαν σε εφαρμογές, όπως οι ανεμόμυλοι. Σήμερα την εκμεταλλευόμαστε μέσω των ανεμογεννητριών, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ηλιακή ενέργεια: Είναι το σύνολο της ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο. Αυτή αποτελείται από τη θερμότητα, τη φωτεινή ενέργεια και την ενέργεια από ακτινοβολίες. Έτσι η εκμετάλλευσή της γίνεται μέσω παθητικών ηλιακών συστημάτων, ενεργητικών ηλιακών συστημάτων και φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τα δύο πρώτα συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα του ήλιου ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα, λειτουργούν βάσει του φωτοβολταϊκού φαινομένου, εκμεταλλευόμενα την φωτεινή ακτινοβολία. Υδραυλική ενέργεια: Είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού, και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια επιτόπου (π.χ. νερόμυλοι), είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική ή άλλες, που την αποθηκεύουν, ώστε τελικά να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις. Ενέργεια από βιομάζα: Χρησιμοποιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως αποβλήτων της βιομηχανίας ξύλου, τροφίμων και ζωοτροφών και της βιομηχανίας ζάχαρης) με σκοπό την αποδέσμευση της ενέργειας που δεσμεύτηκε από το φυτό με τη φωτοσύνθεση. Ακόμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αστικά απόβλητα και απορρίμματα. Μπορεί να δώσει βιοαιθανόλη και βιοαέριο, που είναι καύσιμα πιο φιλικά προς το περιβάλλον από τα παραδοσιακά. Είναι μια πηγή ενέργειας με πολλές δυνατότητες και εφαρμογές, που θα χρησιμοποιηθεί πλατιά στο μέλλον. Γεωθερμία: Είναι η ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης από βάθη εκατοντάδων μέχρι και μερικά χιλιόμετρα. Η θερμότητα αυτή παράγεται από παράγεται από τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης και είναι εκμεταλλεύσιμη εκεί όπου η θερμότητα αυτή 12

13 ανεβαίνει με φυσικό τρόπο στην επιφάνεια, π.χ. στους θερμοπίδακες ή στις πηγές ζεστού νερού. Ενέργεια από τη θάλασσα: Έχει τρεις υποκατηγορίες. Την ενέργεια από παλίρροιες, την ενέργεια από κύματα και την ενέργεια από τους ωκεανούς. Η πρώτη εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Η δεύτερη εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Η τελευταία εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων.[7],[8] Από τη χρήση ΑΠΕ απορρέουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως είναι προφανές. Αρχικά, είναι ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους άλλους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους (κυρίως ορυκτά καύσιμα), οι οποίοι με το πέρασμα του χρόνου εξαντλούνται. Λόγω της ανεξαρτησίας τους και της απουσίας ρύπων, είναι φιλικές προς τον άνθρωπο και προς το περιβάλλον και η αξιοποίηση τους είναι γενικά αποδεκτή από όλους. Επιπροσθέτως, η ευελιξία των ΑΠΕ ως προς το μέγεθος παρέχει και ευελιξία ως προς την τοποθέτηση, αφού οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης τους μπορούν να σχεδιαστούν και να τοποθετηθούν γρήγορα, για κάλυψη αναγκών των χρηστών σε μικρή ή μεγάλη κλίμακα εφαρμογών. Έτσι, υπάρχει δυνατότητα να τοποθετούνται διάσπαρτα γεωγραφικά, σχεδόν ανεξάρτητα από το μέγεθος της παραγωγής ώστε να συμβάλλουν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος και στη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο συμβάλουν στην ενίσχυση της αυτάρκειας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο. Εκτός από το κέρδος των απωλειών, οι ΑΠΕ προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών και συμβάλουν στη βελτίωση της οικονομικής απόδοσης του συστήματος τροφοδοσίας, αφού έχουν αρκετά χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα 13

14 των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Τέλος, επενδύοντας στις ΑΠΕ δημιουργούνται νέες θέσεις εργασίας σε τοπικό κυρίως επίπεδο. Εκτός όμως από πλεονεκτήματα, η χρήση Α.Π.Ε. έχει και κάποια μειονεκτήματα. Αρχικά, το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος ώστε να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί. Παρόλα αυτά, το πρόβλημα της αποθήκευσης μπορεί να λυθεί με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στους συσσωρευτές, όπως υπερπυκνωτές. Επίσης, λόγω των χαμηλών συντελεστών απόδοσης και των διακυμάνσεων στη διαθεσιμότητα τους, οι Α.Π.Ε. έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για μεγάλη παραγωγή απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις, εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών και γενικά δαπανηρές μέθοδοι αποθήκευσης. Κοστοβόρα επίσης είναι η επένδυση ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος και σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων παραμένει ακόμη υψηλή. Τέλος, λόγω της διακύμανσης των καιρικών φαινομένων, διακύμανση έχουμε και στην ισχύ και τάση εξόδου των συστημάτων πχ. ανεμογεννητριών, Φ/Β συστημάτων. Για το λόγω αυτό, απαραίτητη κρίνεται η χρήση μετατροπέων με μεγάλο φάσμα τάσης εισόδου. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η καλή λειτουργία και σύνδεση με το δίκτυο. 1.2 Μικροδίκτυα Τη συνεχώς αυξανόμενη εκμετάλλευση των ΑΠΕ, μπορεί να ενισχύσει ή χρήση τους ως πηγές σε μικροδίκτυα (micro grids). Tο κάθε ένα αποτελεί μια τοπική ομάδα, μικρής κλίμακας, πηγών ενέργειας και φορτίων, με σαφή όρια. Τροφοδοτούνται συνήθως από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, όπως ηλιακή, αιολική και fuel cells, των οποίων οι έξοδοι οδηγούνται μέσα από μετατροπείς τάσης για να μπορέσουν να γίνουν εκμεταλλεύσιμες από το κεντρικό δίκτυο. Μέσω του ελέγχου των μετατροπέων, μπορούμε να ελέγχουμε το κάθε μικροδίκτυο, έτσι ώστε να λειτουργεί αυτόνομα από το κεντρικό δίκτυο ή όχι, ανταλλάσσοντας ισχύ με αυτό. 14

15 Το ερώτημα που εύλογα δημιουργείται είναι: γιατί αναπτύχθηκαν τα μικροδίκτυα; Τα μικροδίκτυα βοηθούν κυρίως στην αύξηση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ, αλλά αποφέρουν και άλλα οφέλη. Αρχικά, η ένταξη μικροδικτύων στο κεντρικό δίκτυο μπορεί να αυξήσει την ποιότητα, την αξιοπιστία και ασφάλεια της τροφοδοσίας προς τους καταναλωτές, αφού μπορούν άμεσα να τροφοδοτήσουν φορτία σε περιπτώσεις μη καλής λειτουργίας του κεντρικού δικτύου. Επίσης, υπάρχει εξοικονόμηση λόγω της μείωσης της μεταφοράς ισχύος από τις μεγάλες και απόμακρες παραγωγές. Υπάρχουν όμως και μακροπρόθεσμα οφέλη, όπως η πλήρης απελευθέρωση της αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Μελλοντικά το παρόν δίκτυο θα μπορούσε να εξελιχθεί ώστε πολλοί καταναλωτές να γίνουν και διαχειριστές στις δικές τους μονάδες παραγωγής. Η δομή ενός μικροδίκτυου, φαίνεται στο Σχήμα 1.1 και περιλαμβάνει τις μονάδες παραγωγής, μία μονάδα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και τους κατάλληλους μετατροπείς τάσης. Οι μονάδες παραγωγής, όπως αναφέρθηκε, είναι μονάδες ΑΠΕ πχ. Φ/Β σύστημα, ανεμογεννήτρια κλπ. Η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας (πχ. μπαταρία λιθίου) χρησιμεύει για τις περιπτώσεις που υπάρχει πλεόνασμα παραγόμενης ενέργειας, την οποία αποθηκεύει, για να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρχει έλλειμμα. Οι μετατροπείς τάσεις, μετασχηματίζουν κατάλληλα την τάση, ώστε να μπορεί να γίνει εκμεταλλεύσιμη από το δημόσιο δίκτυο. Αφού, οι περισσότερες ΑΠΕ παράγουν DC τάση, οι μετατροπείς είναι DC σε AC πχ. μετατροπέας Ανύψωσης-Υποβιβασμού που τροφοδοτεί έναν αντιστροφέα τάσης. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η τεράστια ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος την τελευταία εικοσαετία, ήταν κομβικής σημασίας για τη δημιουργία μικροδικτύων. 15

16 Σχήμα 1.1 Δομή μικροδικτύου Όλα τα παραπάνω απαιτούν ανάπτυξη εφαρμογών σε επικοινωνιακά και πληροφοριακά συστήματα, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος και η επικοινωνία των μικροδικτύων, με το κεντρικό δίκτυο, αλλά και μεταξύ τους. Γι' αυτό το λόγο υπάρχουν ελεγκτές, όπως ο ΚΕ (Κεντρικός Ελεγκτής), ο οποίος έχει την εποπτεία όλων των μικροπηγών που μπορούν να συνδεθούν στο μικροδίκτυο. Σκοπός του είναι να αποφασίζει ποιες μικροπαραγωγές είναι αναγκαίο να συνδεθούν στο δίκτυο και ποιο θα είναι το σημείο λειτουργίας τους όσων αφορά τις ισχύς που στέλνουν προς το δίκτυο. Τα κριτήριά του κυρίως έχουν να κάνουν με την οικονομική λειτουργία του δικτύου. Επίσης ο ΚΕ είναι υπεύθυνος για το συντονισμό των συστημάτων προστασίας δικτύου και μικροδικτύων. Εκτός όμως από τον ΚΕ, κάθε μικροπαραγωγή είναι εξοπλισμένη με έναν ΕΜ (Ελεγκτή Μικροπηγής). Αυτός ο ελεγκτής είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο των μικροπαραγωγών ανεξάρτητα από τον ΚΕ και μπορεί να αποφασίζει για τη λειτουργία της μικροπαραγωγής (απομονωμένη ή όχι) οποιαδήποτε στιγμή. Για παράδειγμα, σε μία διαταραχή του δικτύου μπορεί να αποσυνδέσει τη μικροπαραγωγή και όταν η διαταραχή εξαλειφθεί, να την επανασυνδέσει. Επίσης, είναι υπεύθυνος για την οικονομική λειτουργία του μικροδικτύου τοπικά. Δηλαδή, συντονίζει κατάλληλα τη μονάδα παραγωγής, αποθήκευσης και καθορίζει την ισχύ που μπορεί να παρέχει στο κεντρικό δίκτυο, ανάλογα με την παραγόμενη ισχύ, το φορτίο του μικροδικτύου και το σημείο μέγιστης ισχύος της μικροπαραγωγής. Εκτός απ' την προσθήκη πληροφοριακών και τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, το καινούριο δίκτυο αλλάζει και ως προς τη φύση των παραγωγών. Οι 16

17 μικροπαραγωγές είναι συνήθως ΑΠΕ και ισχύος το πολύ 100KW. Επίσης, η τάση εξόδου τους είναι στο επίπεδο τάσης διανομής και η εγκατάστασή τους γίνεται κοντά στους καταναλωτές, γεγονός που μηδενίζει τις απώλειες μεταφοράς. Έτσι, το κεντρικό δίκτυο γίνεται πιο οικονομικό και ευέλικτο, αφού εξοπλίζεται με μικροπαραγωγές, ελεγκτές και συστήματα επικοινωνιών. Αυτή η αναβάθμιση του δικτύου με την προσθήκη μικροδικτύων προσφέρει επομένως σημαντικά πλεονεκτήματα. Αρχικά έχουμε αύξηση της αξιοπιστίας της παροχής, λόγω μείωσης των επιπτώσεων από διακοπές ή και μείωσης της διάρκειάς τους. Αυτό συμβαίνει γιατί πλέον το κεντρικό δίκτυο τροφοδοτείται και από ανεξάρτητες μικροπηγές, εκτός από τις κεντρικές παραγωγές, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν σημαντικό κομμάτι του. Σε κανονική λειτουργία δικτύου, οι μικροπηγές βοηθούν στην αύξηση ποιότητας της παροχής, αφού μπορούν να παρέχουν άεργο ισχύ και έτσι να εμποδίζουν τις βυθίσεις τάσης. Επιπρόσθετα, μειώνονται κατά πολύ οι απώλειες λόγο μεταφοράς, αφού οι μικροπαραγωγές εγκαθιστούνται κοντά στους καταναλωτές. Το πλεονέκτημα αυτό μπορεί να ενταθεί κάνοντας και καλύτερη κατανομή καταναλωτών ανά παραγωγή με χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Ακόμη, αφού οι μικροπαραγωγές είναι ΑΠΕ, η παραγωγή ενέργειας είναι πολύ πιο φιλική και φθηνή σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Τα περιβαλλοντικά οφέλη είναι προφανή. Από οικονομικής πλευράς, μειώνεται η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας και γίνονται βήματα προς την πλήρη απελευθέρωση της αγοράς αφού συμμετέχουν όλο και περισσότεροι παραγωγοί σε αυτή. Εκτός όμως από πλεονεκτήματα, η ένταξη μικροδικτύων στο δίκτυο έχει και κάποια στοιχεία που χρειάζονται προσοχή. Τα υψηλά κόστη εγκατάστασης μικροπαραγωγών ΑΠΕ είναι ένας ανασταλτικός παράγοντας, οπότε η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών θα μπορούσε να μειώσει τα κόστη υλικών, κατασκευής και εγκατάστασης. Λόγω της έλλειψης εμπειρίας σε μικροδίκτυα σε επίπεδο ελέγχου και προστασίας, αναγκαία είναι περεταίρω έρευνα και προσομοιώσεις για την πρόβλεψη όσο δυνατόν περισσότερων καταστάσεων. Τέλος, λόγω της μεγάλης μεταβλητότητας των καιρικών συνθηκών, και συνεπώς της ισχύος και τάσης εισόδου, θα υπάρχει μεταβλητότητα και στην τάση εξόδου που αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους μετατροπείς τάσης. 17

18 1.3 Η σημασία ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος για την ανάπτυξη των μικροδικτύων Το κομμάτι του ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος προς το δίκτυο, που φάνηκε παραπάνω πόσο αναγκαίο είναι, πραγματεύεται αυτή η διπλωματική και θα αναλυθεί στα επόμενα κεφάλαια. Σημαντικό είναι να κατανοήσουμε το πώς η τάση μετασχηματίζεται ώστε να μπορεί να γίνει εκμεταλλεύσιμη από το δίκτυο. Όπως αναφέρθηκε, η τάση εξόδου των παραγωγών από ΑΠΕ είναι συνεχής και μεταβαλλόμενη. Θα πρέπει, λοιπόν, να τη μετασχηματίσουμε σε εναλλασσόμενη, ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Αφού η τάση των παραγωγών είναι μεταβαλλόμενη και μεγάλου εύρους, πρέπει να επιλέξουμε και ένα μετατροπέα που μπορεί να έχει μεγάλο εύρος τάσης εισόδου. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής, επιλέγουμε έναν μετατροπέα Ανύψωσης-Υποβιβασμού μετατροπέα αφού μπορεί να έχει είσοδο από λίγα Volts έως μερικές εκατοντάδες. Έχουμε, λοιπόν τη δυνατότητα να επιτυγχάνουμε την επιθυμητή τάση εξόδου, είτε η τάση εισόδου είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη. Αυτό που έχουμε τώρα είναι μία τάση με το επιθυμητό πλάτος, αλλά παραμένει συνεχής. Για το λόγο αυτό, χρειαζόμαστε έναν αντιστροφέα εν παραλλήλω με τον μετατροπέα Ανύψωσης- Υποβιβασμού. Έτσι φτιάχνουμε μία εναλλασσόμενη τάση με επιθυμητό πλάτος συχνότητα κα φάση. Σκοπός μας είναι λοιπόν ένας καλός έλεγχος των μικροπηγών του μικροδικτύου που θα επιτρέψει την ευκολότερη διείσδυση τους σε αυτό και την καλύτερη λειτουργία του μικροδικτύου. Αυτό θα επιτευχθεί μέσω του όσο περισσότερο αποσυζευγμένου ελέγχου της ροής ενεργού και άεργου ισχύος. Θα πρέπει λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε τα τρία μεγέθη που αναφέρθηκαν παραπάνω (μέτρο, συχνότητα, φάση) και με τις κατάλληλες μεθόδους ελέγχου να πετύχουμε όσο μεγαλύτερη αποσύζευξη γίνεται. 1.4 Συμπεράσματα Παραπάνω λοιπόν αναφέρθηκαν τα είδη καθώς και τα πλεονεκτήματα εισαγωγής των ΑΠΕ στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω των μικροδικτύων. Επίσης, αποκτήθηκε μία βασική ιδέα γύρω από τη λειτουργία των μικροδικτύων και το πως αυτά μπορούν να ενταχθούν ομαλά στο κεντρικό δίκτυο. Το κλειδί για την ομαλή αυτή ένταξη, φάνηκε πως είναι ο σωστός έλεγχος της παρεχόμενης ισχύος 18

19 από ΑΠΕ στα μικροδίκτυα καθώς και στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως δείχθηκε αυτό μπορεί να γίνει μόνο μέσω του ακριβούς ελέγχου της τάσης στους Μετατροπέα Πηγής Τάσης (ΜΠΤ) των μικροδικτύων, οπότε σειρά έχει η εύρεση κατάλληλων μεθόδων για την επίτευξη του στόχου αυτού. 19

20 2 Έλεγχος Στατισμού σε Μικροδίκτυο (Droop Control) 2.1 Εισαγωγή Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, το μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργεί είτε απομονωμένο είτε διασυνδεδεμένο με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτροδότησης. Κι όπως είναι προφανές,από τον μεγάλο ρόλο που θα παίξει το μικροδίκτυο στην κάλυψη της ηλεκτρικής ισχύος από ΑΠΕ τα επόμενα χρόνια, είναι επιτακτική η ανάγκη για έρευνα και βελτίωση του ελέγχου αυτού. Στην περίπτωση της διασυνδεδεμένης λειτουργίας, απαιτείται έλεγχος του αντιστροφέα, ώστε το μικροδίκτυο να είναι ικανό να ρυθμίζει την ενεργό κι άεργο ισχύ εξόδου, να διασφαλίζει υψηλό επίπεδο ποιότητας ισχύος και να μπορεί να ανταπεξέλθει σε πιθανές διαταραχές του δικτύου. Στην περίπτωση της αυτόνομης λειτουργίας, ο έλεγχος του αντιστροφέα έχει στόχο τη τροδοφότηση του φορτίου με τιμές τάσης και συχνότητας προκαθορισμένες από ειδική στρατηγική ελέγχου.[4] Τα μικροδίκτυα απαιτούν εκτεταμένο έλεγχο για να επιτύχουν ασφάλεια του συστήματος, βέλτιστη λειτουργία, μειωμένες εκπομπές ρύπων και ομαλή μετάβαση από τη συνδεδεμένη με το δίκτυο κατάσταση λειτουργίας στην αποσυνδεδεμένη, χωρίς παραβίαση των προδιαγραφών και των απαιτήσεων του ρυθμιστή του συστήματος. Αυτός ο έλεγχος παρέχεται από τον κεντρικό ελεγκτή (ΚΕ) και τους εξειδικευμένους ελεγκτές των μικροπαραγωγών και των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας (Ελεγκτές Μικροπηγής (ΕΜ)).[4] Οι ΕΜ διεξάγουν τον τοπικό έλεγχο των λειτουργιών των μικροπαραγωγών, ενώ ο ΚΕ εκτελεί το συνολικό έλεγχο της λειτουργίας του μικροδίκτυου και της προστασίας μέσω των ΕΜ. Έτσι ο ΚΕ όχι μόνο συντονίζει το σύστημα προστασίας για ολόκληρο το μικροδίκτυο αλλά παρέχει και τα σημεία λειτουργίας τάσης και ισχύος για τους ΕΜ, ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των καταναλωτών. Επομένως, ο ΚΕ εξασφαλίζει την ενεργειακή βελτιστοποίηση του μικροδικτύου και διατηρεί την ονομαστική συχνότητα και το προφίλ της τάσης για τα ηλεκτρικά φορτία.[1] 20

21 Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουμε τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους ελέγχου της τάσης και της συχνότητας εξόδου των μετατροπέων των μικροπηγών καθώς και τα προβλήματα που παρουσιάζουν σε διάφορες διασυνδέσεις με το δίκτυο. 2.2 Έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος μικροδικτύου Η βασική αρχή που επιτρέπει σε μια κλασική σύγχρονη μηχανή να αλλάζει την ισχύ εξόδου της ανάλογα με τη ζήτηση, χωρίς επικοινωνία με το υπόλοιπο δίκτυο είναι η τάση και η συχνότητα στα άκρα της μηχανής. Όταν δύο σημεία στο δίκτυο λειτουργούν σε διαφορετικές συχνότητες, υπάρχει μια αύξηση ροής ενεργού ισχύος από το σημείο με την μεγαλύτερη συχνότητα προς το σημείο με την χαμηλότερη συχνότητα λειτουργίας. Καθώς συμβαίνει αυτό, οι δύο συχνότητες τείνουν να ισορροπήσουν προς μία κοινή μέση τιμή ώστε να επιτευχθεί η νέα μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Αυτή η συσχέτιση μεταξύ της ενεργούς ισχύος και της συχνότητας στις σύγχρονες γεννήτριες πρέπει να εφαρμοστεί και στον έλεγχο των μετατροπέων του μικροδικτύου.[5] Ο έλεγχος της τάσης του μικροδικτύου διασφαλίζει ότι δεν θα υπάρξουν μεγάλα κυκλοφορούντα άεργα ρεύματα μεταξύ των πηγών. Χωρίς τοπικό έλεγχο τάσης, τα συστήματα που επηρεάζονται άμεσα από τις μεταβολές των μικροπηγών, μπορεί να εμφανίσουν ταλαντώσεις άεργης ισχύος και τάσης. Αυτά τα προβλήματα είναι όμοια με αυτά των μεγάλων σύγχρονων γεννητριών, όμως στα μεγάλα συστήματα μεταφοράς η επαγωγική αντίσταση της γραμμής που τα συνδέει με τη σύγχρονη γεννήτρια είναι συνήθως επαρκής για να εμποδίσει την κυκλοφορία άεργων ρευμάτων. Στα μικροδίκτυα που κατά κύριο λόγο είναι ακτινικά, το πρόβλημα αυτό των άεργων ρευμάτων είναι μεγαλύτερο και πρέπει να αντιμετωπιστεί, καθώς μικρά σφάλματα στην ονομαστική τάση λειτουργίας μπορεί να δημιουργήσουν άεργα ρεύματα, που υπερβαίνουν τα μέγιστα ρεύματα που μπορούν να αντέξουν οι μικροπηγές, οπότε το δίκτυο καταρρέει.[5] Έλεγχος πραγματικής ισχύος-συχνότητας Σε ένα ηλεκτρικό σύστημα με όλες τις γεννήτριες συγχρονισμένες και συνδεδεμένες σε αυτό καθώς και χωρίς κάποια μέθοδο αποθήκευσης της ενέργειας, θα πρέπει ο ρυθμός παραγωγής της ενέργειας να είναι ίσως με την 21

22 κατανάλωση (φορτία και απώλειες στις γραμμές μεταφοράς). Αν δεν υπάρχει ισορροπία, η διαφορά της ενέργειας προστίθεται ή αφαιρείται από την κινητική ενέργεια των στρεφόμενων δρομέων των γεννητριών. Λόγω της σχέσης που συνδέει την κινητική ενέργεια και την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας, κάθε διαταραχή στην ισορροπία της ισχύος συνεπάγεται μεταβολή της ταχύτητας και κατά συνέπεια της συχνότητας της τάσης που παράγει η γεννήτρια. Αν η παραγόμενη ισχύς είναι περισσότερη από αυτή που καταναλώνεται στα φορτία και στις γραμμές τότε η ταχύτητα περιστροφής και συνεπώς η συχνότητα θα αυξηθεί, αφού το πλεόνασμα θα μετατραπεί σε αύξηση της κινητικής ενέργειας της γεννήτριας. Αν η παραγόμενη ισχύς είναι μικρότερη από αυτή που καταναλώνεται στα φορτία και στις γραμμές τότε η ταχύτητα περιστροφής και συνεπώς η συχνότητα θα μειωθεί, αφού το έλλειμμα ισχύος θα καλυφθεί μέσω μείωσης της κινητικής ενέργειας της γεννήτριας. Όμως η συχνότητα λειτουργίας του συστήματος πρέπει να βρίσκεται μέσα σε πολύ στενά όρια για να υπάρχει ευστάθεια, που δεν ξεπερνούν το ±0.1% της ονομαστικής συχνότητας λειτουργίας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται ότι η παραγόμενη ισχύς θα πρέπει συνεχώς να ρυθμίζεται ώστε να είναι ίση με την καταναλισκόμενη, λαμβάνοντας υπόψη ότι το φορτίο μεταβάλλεται συνεχώς. Σε αυτό το σημείο επεμβαίνει ο έλεγχος P-f και επαναφέρει τη συχνότητα στην ονομαστική της τιμή. Σε περίπτωση μεταβολής του φορτίου ή της παραγωγής και άρα της συχνότητας f, o πρωτεύων έλεγχος συχνότητας (primary frequency control) επαναφέρει αρχικά τη συχνότητα κοντά στην ονομαστική τιμή. Με την επίδραση του στατισμού του ρυθμιστή στροφών κάθε γεννήτρια αναλαμβάνει τη μεταβολή του φορτίου που της αναλογεί, με βάση την ονομαστική δυνατότητα παραγωγής ισχύος που έχει και τη θέση της στο σύστημα. Ο δευτερεύων έλεγχος συχνότητας (secondary frequency control) αναλαμβάνει την ακριβή ρύθμιση της συχνότητας και με ολοκληρωτικό έλεγχο εξαλείφει τυχόν παραμένον σφάλμα του πρωτεύοντος ελέγχου, επαναφέροντας τη συχνότητα στην ονομαστική της τιμή. Ο δευτερεύων έλεγχος είναι πιο αργός από τον πρωτεύοντα και λαμβάνει χώρα αφού έχει τελειώσει ο πρωτεύων. Σε περίπτωση διασυνδεδεμένων περιοχών ελέγχου ο δευτερεύων έλεγχος αναλαμβάνει να επαναφέρει τη ροή της ενεργού ισχύος των διασυνδετικών 22

23 γραμμών στις συμφωνημένες τιμές, έπειτα από κάθε αλλαγή του φορτίου ή της παραγωγής. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά τον πρωτεύοντα έλεγχο όταν υπάρχει μια μεταβολή στο φορτίο μιας περιοχής ελέγχου συμμετέχουν στην κάλυψή του και οι γειτονικές περιοχές. Με τον όρο περιοχή ελέγχου καλούμε κάθε τμήμα του συστήματος στο οποίο όλες οι γεννήτριες λειτουργούν με την ίδια συχνότητα f και υφίστανται τις ίδιες μεταβολές της συχνότητας Δf, δηλαδή ταλαντεύονται σαν ένα ενιαίο σώμα. Τέλος η οικονομική κατανομή του φορτίου μεταξύ των γεννητριών αποτελεί τον τριτεύοντα έλεγχο συχνότητας (tertiary frequency control). Η βελτιστοποίηση της κατανομής φορτίου ανάμεσα στις μονάδες παραγωγής πραγματοποιείται μέσω εντολών που παρέχονται από ένα κέντρο ελέγχου. Το κέντρο λαμβάνει δεδομένα από τις μονάδες ανά τακτά χρονικά διαστήματα και παίρνει τις κατάλληλες αποφάσεις. Αυτός ο βρόχος ελέγχου είναι πιο αργός από τους δύο που αναλύθηκαν προηγουμένως.[10] Έλεγχος άεργου ισχύος-τάσης Σε ένα ηλεκτρικό σύστημα εκτός από τον έλεγχο της συχνότητας είναι απαραίτητος και ο έλεγχος της τάσης για μια σειρά από λόγους. Οι πιο σημαντικοί είναι: Οι απώλειες των συστημάτων μειώνονται με την ελαχιστοποίηση της συνολικής ροής άεργου ισχύος. Ο σημερινός τρόπος ανάπτυξης των ΣΗΕ δημιουργεί προβλήματα ευστάθειας και ελέγχου της τάσης, των οποίων η αντιμετώπιση απαιτεί σύγχρονες μεθόδους ελέγχου της άεργου ισχύος. Ο έλεγχος της άεργου ισχύος είναι ένα βασικό εργαλείο για την εξασφάλιση της ποιότητας τροφοδοσίας. Η ανάπτυξη και η αυξανόμενη χρησιμοποίηση μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με συνεχές ρεύμα δημιούργησε απαιτήσεις ελέγχου της άεργου ισχύος στους μετατροπείς. Ο έλεγχος άεργου ισχύος συνδέεται με τις αρμονικές, που παράγονται από συγκεκριμένα φορτία, αλλά και τους ελεγχόμενους στατικούς αντισταθμιστές. 23

24 Η φιλοσοφία σχεδιασμού του συστήματος ελέγχου της τάσης γεννητριών διαφέρει από αυτή του ελέγχου της συχνότητας για τους εξής λόγους: Η παραγωγή άεργου ισχύος δεν συνεπάγεται κόστος καυσίμου, όπως στην περίπτωση της παραγωγής πραγματικής ισχύος. Δεν υπάρχει πρακτικός λόγος να ελέγχουμε το μέτρο της τάσης με την ίδια ακρίβεια, όπως τη συχνότητα. Επίσης, σφάλμα τάσης στην μόνιμη κατάσταση είναι αποδεκτό. Συνεπώς εξαλείφεται η ανάγκη για ολοκληρωτικό έλεγχο. Κατά τη διάρκεια της ημέρας έχουμε υπερφόρτιση του συστήματος και ανάγκη για παραγωγή άεργου ισχύος, ενώ κατά τη διάρκεια της νύκτας, λόγω υποφόρτισης του δικτύου, έχουμε πρόβλημα κατανάλωσης της άεργου ισχύος, που παράγεται από τις γραμμές. Κάθε συσκευή που συνδέεται σε ένα σύστημα είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί υπό κάποια συγκεκριμένη ονομαστική τάση και τυχόν απόκλιση από αυτήν την τιμή έχει ως συνέπεια τη μείωση της απόδοσης και του χρόνου ζωής της. Συνεπώς, ο έλεγχος της τάσης είναι σοβαρό πρόβλημα για κάθε ΣΗΕ, αλλά δεν υπάρχει ανάγκη για μεγάλη ακρίβεια στη ρύθμιση και ένα μικρό μόνιμο σφάλμα είναι ανεκτό. Επίσης, η εξάρτηση των φορτίων από την τάση είναι μεγαλύτερη της εξάρτησή τους από τη συχνότητα, όμως αποκλίσεις της τάσης από την ονομαστική τιμή σε διάφορες θέσεις του δικτύου δεν είναι τόσο κρίσιμες όσο οι αποκλίσεις της συχνότητας στη λειτουργία όλου του συστήματος. Τα ΣΗΕ σχηματίζονται κυρίως από επαγωγικές και χωρητικές αντιδράσεις, οι οποίες ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν κάθε στιγμή εναλλάσσονται στον πρωτεύοντα ρόλο δημιουργώντας επαγωγικό ή χωρητικό συντελεστή ισχύος. Έτσι η τάση κάθε ζυγού εξαρτάται άμεσα από την έγχυση άεργου ισχύος στον ζυγό αυτό. Συνεπώς, ο έλεγχος της τάσης κάθε ζυγού επιτυγχάνεται με παραγωγή ή απορρόφηση άεργου ισχύος σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου χρησιμοποιώντας τις διεγέρσεις των σύγχρονων μηχανών, πυκνωτές ή πηνία, ηλεκτρονικούς αντισταθμιστές άεργου ισχύος και μετασχηματιστές με δυνατότητα αλλαγής τάσης. Μεταξύ των ελέγχων P-f και Q-V υπάρχει αμοιβαία εξάρτηση, η οποία είναι παρούσα σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό ανάλογα με τις συνθήκες που 24

25 επικρατούν στο σύστημα. Οι λόγοι για τους οποίους παρατηρείται σημαντική σύζευξη των δύο βρόχων ελέγχου κατά τη διάρκεια μεγάλων μεταβολών είναι οι εξής: Καθώς μεταβάλλεται το μέτρο της τάσης του ζυγού, μεταβάλλεται και το πραγματικό φορτίο του ζυγού, λόγω της εξάρτησής του από την τάση. Καθώς μεταβάλλεται το μέτρο της τάσης του ζυγού, μεταβάλλονται και οι συντελεστές χρονισμού των γραμμών που συνδέονται στο ζυγό και ως συνέπεια μεταβάλλεται η πραγματική ισχύς που μεταφέρουν. Αντίθετα μικρή μεταβολή της τάσης σε κάποιο σημείο του δικτύου προκαλεί μικρή μεταβολή της παραγόμενης ισχύος και έτσι η μεταβολή της συχνότητας επιδρά ελάχιστα στην άεργο ισχύ. Η αλληλεξάρτηση των δύο βρόχων ελέγχου παραμένει σε χαμηλά επίπεδα για τους εξής λόγους: Οι διαφορές των φασικών γωνιών μεταξύ των ζυγών διατηρούνται σε χαμηλές τιμές, οπότε η επίδραση της φασικής γωνίας στην άεργο ισχύ παραμένει μικρή. Η αυτόματη ρύθμιση τάσης είναι αρκετά ταχύτερη από την αυτόματη ρύθμιση των στροφών της μηχανής, λόγω των μηχανικών σταθερών αδράνειας που παρουσιάζει ο βρόχος P-f. Έτσι υποθέτουμε ότι η μεταβατική περίοδος του βρόχου Q-V έχει ήδη περάσει πριν αρχίσει την δράση του ο βρόχος P-f.[10] Έλεγχος ισχύος μέσω του Μετατροπέα Πηγής Τάσης Οι μικροπαραγωγές ενός μικροδικτύου, όπως αναλύθηκε στο κεφάλαιο 1, μπορεί να είναι: Πηγές ΣΡ, όπως Φ/Β συστήματα, κυψέλες καυσίμου και μπαταρίες. Πηγές ΕP, όπως ανεμογεννήτριες και μικροστρόβιλοι. Για τις πηγές συνεχούς ρεύματος η ισχύς ΣP μετατρέπεται απευθείας σε ΕΡ ισχύ επιθυμητής συχνότητας, ενώ για τις πηγές εναλλασσόμενου ρεύματος η ισχύς ΕΡ σε όχι τυπική συχνότητα ανορθώνεται αρχικά σε ΣΡ και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ΕΡ ισχύ επιθυμητής συχνότητας. Η μετατροπή ΣΡ/ΕΡ και στις δύο περιπτώσεις πραγματοποιείται μέσω ενός Μετατροπέα Πηγής Τάσης (ΜΠΤ).[1] 25

26 Για τον έλεγχο των ΜΠΤ τα καλώδια και τα συστήματα επικοινωνίας μπορούν να παραλειφθούν, εφόσον οι μετατροπείς οι ίδιοι μπορούσαν να ελέγχουν την στιγμιαία ενεργό και άεργο ισχύ εξόδου τους. Για αυτή την ανάγκη ελέγχου των μετατροπέων έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται ελεγκτές στατισμού (droop) για την πραγματική ισχύ/συχνότητα και την άεργο ισχύ/τάση. Αυτοί οι έλεγχοι δρουν παρόμοια με αυτούς που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των συμβατικών στρεφόμενων μηχανών στα μεγάλα ΣΗΕ όπως αναλύθηκε πιο πάνω.[1] α) β) Σχήμα 2.1 Χαρακτηριστικές στατισμού α) Συχνότητας β) Τάσης [5] Στο Σχ. 2.1 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές του ελέγχου droop με ενδεικτικές τιμές κλίσης (0.5-2) Hz/puKVA και ( ) puv/pukvar, για τον στατισμό της συχνότητας και της τάσης αντίστοιχα.[1] Ο κεντρικός έλεγχος παρέχει τις βασικές παραμέτρους λειτουργίας για κάθε ΜΠΤ, όπως συχνότητα αναφοράς f0, τάση αναφοράς εξόδου u0, κλίση στατισμού, κ.λ.π. Για τον έλεγχο των ΜΠΤ χρησιμοποιούνται οι τοπικές μεταβλητές του δικτύου τάση και συχνότητα, ενώ οι ΜΠΤ συνδέουν τις μικροπαραγωγές στο δίκτυο μέσω των φίλτρων τους (συνήθως) και των σύνθετων αντιστάσεων του δικτύου, όπως φαίνεται παρακάτω.[1] 26

27 α) β) Σχήμα 2.2 ΜΠΤ συνδεδεμένοι μέσω επαγωγών: α) Ισοδύναμο κύκλωμα β) Διάγραμμα παραστατικών μιγάδων [1] Στο Σχ. 2.2 (α) φαίνονται δύο ΜΠΤ συνδεδεμένοι παράλληλα, όπου οι επαγωγές σύζευξης L1 και L2 οφείλονται στα φίλτρα τους και την καλωδίωση σύνδεσης τους. Στο Σχ. 2.2 (β) φαίνονται τα μέτρα των τάσεων εξόδου των ΜΠΤ και η διαφορά φάσης δ μεταξύ αυτών, που όπως θα αναλυθεί πιο κάτω είναι η αιτία για την μεταφορά ισχύος από το ένα στο άλλο.[1] Οι εξισώσεις πραγματικής P ισχύος και άεργης Q ισχύος που μεταφέρονται μεταξύ των ΜΠΤ δίνονται από τις εξισώσεις: P = V 1 V 2 sinδ (2.1) ω(l1+l2) Q = V 1 2 ω(l 1 +L 2 ) V 1 V 2 ω(l 1 +L 2 ) cosδ (2.2) όπου P: ενεργός ισχύς U1, U2: άεργος ισχύς δ: διαφορά φάσης τάσης μεταξύ των πηγών τάσεων ω: κυκλική συχνότητα του δικτύου L1, L2: επαγωγική αντίσταση σύνδεσης Από τις παραπάνω εξισώσεις γίνεται γνωστό ότι η ενεργός αλλά και η άεργος ισχύς, επηρεάζονται από τις μεταβολές της τάσης και της γωνίας δ, όμως αυτό που επικρατεί είναι ότι η διαφορά φάσης δ μεταξύ των δύο πηγών τάσεων 27

28 προκαλεί ροή ενεργού ισχύος P, ενώ ροή άεργου ισχύος Q προκύπτει λόγω της διαφοράς των μέτρων των τάσεων V1 - V2. [2] Η γωνία δ δημιουργείται ελέγχοντας τη κυκλική συχνότητα δυναμικά ώστε να υπάρχει ροή ενεργού ισχύος όπως φαίνεται παραστατικά στην καμπύλη του Σ.χ. 2.3: Σχήμα 2.3 Γράφημα δημιουργίας φασικής γωνίας [2] Η σχέση μεταξύ δύο γωνιακών συχνοτήτων δύο διασυνδεδεμένων εναλλασσόμενων πηγών τάσης δίνεται από τη σχέση δ = (ω 1 ω 2 )dt (2.3) Το σφάλμα γωνιακής συχνότητας μεταξύ δύο εναλλασσόμενων πηγών τάσης δημιουργεί φασική γωνία μεταξύ τους. Έτσι με τη χρήση ελεγκτών στατισμού, που θα αναλύσουμε παρακάτω, υπάρχουν δύο δυνατότητες: P(f) και f(p), δηλαδή να μετρούμε τη συχνότητα και να ορίζουμε την πραγματική ισχύ ή αντίστροφα. Παρόμοια δυνατότητα ισχύει και για V(Q) ή Q(V).[1] 28

29 2.3 Εφαρμογή Μεθόδου ελέγχου Στατισμού Έλεγχος συχνότητας και τάσης του ΜΠΤ Στον έλεγχο των μετατροπέων πηγών τάσης (ΜΠΤ) πρέπει να εξεταστούν τρία προβλήματα: Πρώτον στους ΜΠΤ που χρησιμοποιείται ο έλεγχος στατισμού, η επιθυμητή συχνότητα μεταβάλλεται ανάλογα με την ενεργό ισχύ εξόδου. Συνεπώς οι συμβατικές τεχνικές ελέγχου συχνότητας φορτίου είναι ακατάλληλες, δεδομένου ότι η λειτουργία τους βασίζεται σε προκαθορισμένη σταθερή τιμή συχνότητας. Δεύτερων για την αποφυγή κυκλοφορούντος ρεύματος και μεγάλης θερμικής καταπόνησης, όλες οι μικροπηγές πρέπει να συμμετέχουν στην μεταφορά ενεργού ισχύος. Επομένως ο συμβατικός έλεγχος δεν είναι κατάλληλος, αφού καθώς δεν υπάρχει σύνδεσμος επικοινωνίας η έξοδος ενεργού ισχύος κάθε μικροπηγής είναι άγνωστη. Τρίτον, όταν τα φορτία του μικροδικτύου αυξάνονται, η ισχύ εξόδου των ΜΠΤ αυξάνεται ταχέως. Ωστόσο η κύρια πηγή του κάθε ΜΠΤ δεν μπορεί να ανταποκριθεί σε αυτή την γρήγορη μεταβολή της ισχύος με αποτέλεσμα να προκαλείται πτώση τάσης στους ΜΠΤ και ως συνέπεια την μη σωστή λειτουργία τους. Για αυτό των λόγο παρακάτω αναλύεται η μέθοδος ελέγχου στατισμού για την εξάλειψη αυτών των προβλημάτων. Ο απευθείας έλεγχος των χαρακτηριστικών στατισμού όπως κατά αναλογία εφαρμόζεται και στις σύγχρονες μηχανές, είναι η μέτρηση της συχνότητας του συστήματος και ο έλεγχος της ενεργού ισχύος. Η μέτρηση τη συχνότητας του συστήματος γίνεται με την τεχνική βρόχου κλειδωμένης φάσης (Phase-locked loop (PLL)) η οποία λειτουργεί βασιζόμενη στην τερματική τάση. Η συχνότητα του συστήματος συγκρίνεται με μία τιμή αναφοράς (τυπικά 50Hz στην ονομαστική λειτουργία). Η απόκλιση της συχνότητας φιλτράρετε μέσω ενός χαμηλοπερατού φίλτρου και πολλαπλασιάζεται με ένα σταθερό κέρδος ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος στατισμού. Το διάγραμμα ελέγχου της συχνότητας παρουσιάζεται παρακάτω. [6] 29

30 Σχήμα 2.4 Διάγραμμα ελέγχου για την ρύθμιση της συχνότητας του ΜΠΤ [5] Για κυρίως επαγωγικά δίκτυα, τα οποία είναι δίκτυα με μεγάλη αναλογία επαγωγικής προς ωμικής αντίστασης (X/R), η εξίσωση (2.2) εκφράζει το γεγονός ότι η διαφορά στην τάση προκαλεί ροή άεργου ισχύος ή αντίστροφα η ροή άεργου ισχύος επηρεάζει τις τερματικές τάσεις. Στο Σχ. 2.5 παρουσιάζεται το διάγραμμα της τεχνικής ελέγχου ρύθμισης της τάσης του ΜΠΤ. Το μέγεθος της τερματικής τάσης συγκρίνεται με μια προκαθορισμένη τιμή τάσης και το σφάλμα αυτό φιλτράρεται από ένα κατωδιαβατό φίλτρο ενώ συγχρόνως πολλαπλασιάζεται με ένα σταθερό κέρδος ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος στατισμού του VSC. Σχήμα 2.5 Διάγραμμα ελέγχου για την ρύθμιση της τάσης του ΜΠΤ [5] 30

31 2.3.2 Εφαρμογή των χαρακτηριστικών στατισμού H μέθοδος στατισμού βασίζετε σε δύο παραδοχές. Η ωμική αντίσταση της γραμμής συγκρινόμενη με την επαγωγική της αντίσταση θα μπορούσε να απαλειφθεί και η γωνία ισχύος είναι πολύ μικρή. Συνεπώς όπως αναφέρθηκε, η ενεργός ισχύς σχετίζεται με τις διαφορές της φασικής γωνίας ενώ η άεργος ισχύς από το μέγεθος της τάσης. Καθώς ο έλεγχος της συχνότητας μπορεί να ελέγξει δυναμικά τη φασική γωνία, η ενεργός και η άεργος ισχύς μπορούν να ελέγχονται από τη ρύθμιση της συχνότητας εξόδου της μικροπηγής και του μεγέθους της τάσης αντίστοιχα. Επομένως οι χαρακτηρισικές στατισμού της συχνότητας και της τάσης μπορούν να εκφραστούν με τις παρακάτω εξισώσεις: f = f 0 k f (P P 0 ) (2.4) V = V 0 k u (Q Q 0 ) (2.5) όπου f η συχνότητα του συστήματος f0 η ονομαστική συχνότητα kf ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για τη συχνότητα P η ενεργός ισχύς κάθε μονάδας P0 η ονομαστική ενεργός ισχύς κάθε μονάδας V η μετρούμενη τάση V0 η ονομαστική τάση Q η άεργος ισχύς κάθε μονάδας Q0 η ονομαστική άεργος ισχύς κάθε μονάδας ku ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για την τάση 31

32 Από τις εξ. 2.4 και 2.5 οι χαρακτηριστικές καμπύλες που είναι κατάλληλες για λειτουργία με τους μετατροπείς δείχνονται στο Σχ α) β) Σχήμα 2.6 Χαρακτηριστική στατισμού α) P - f β) Q V Όπου, fr είναι η ονομαστική συχνότητα (50Hz ή 60Hz). Εντούτοις, σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ελεγκτές στατισμού των μετατροπέων πρέπει να σχεδιάζονται κατάλληλα ώστε να λειτουργούν ορθά με τις χαρακτηριστικές στατισμού μιας παράλληλης πηγής. Παραδείγματος χάριν, όταν ένας μετατροπέας λειτουργεί παράλληλα με μια γεννήτρια η οποία γενικά έχει συχνότητα πλήρους φορτίου 50Hz ή 60Hz, ο ελεγκτής στατισμού του μετατροπέα πρέπει να έχει την ίδια διαμόρφωση για να εξασφαλίσει σταθερότητα και καλή ποιότητα ανταλλαγής ισχύος. Η παραπάνω χαρακτηριστική καμπύλη της συχνότητας μπορεί να ερμηνευθεί ακολούθως: Αν για παράδειγμα η συχνότητα πέσει από μια τιμή fr σε μια τιμή ffl τότε η ενεργός ισχύς θα αυξηθεί από P0 σε μία μεγαλύτερη τιμή P. Μια πτώση της συχνότητας προϋποθέτει μια αύξηση του φορτίου και ζήτηση μεγαλύτερου ποσού ενεργού ισχύος. Πολλαπλές παράλληλες μονάδες με τις ίδιες ή παρόμοιες χαρακτηριστικές στατισμού μπορούν να αποκριθούν ταυτόχρονα στην πτώση της συχνότητας, με την αύξηση της ισχύος τους, για την αποκατάσταση της. Η αύξηση της ενεργού ισχύος θα αλληλοεπιδράσει με την μείωση της συχνότητας κι έτσι οι μονάδες παραγωγής θα ισορροπήσουν στην ισχύ και τη συχνότητα κάποιου σημείου μόνιμης κατάστασης της χαρακτηριστικής στατισμού. Η 32

33 χαρακτηριστική στατισμού επιτρέπει σε πολλαπλές μονάδες να μοιράζονται το φορτίο χωρίς δίκτυο επικοινωνίας μεταξύ τους. Παρόμοια λογική εφαρμόζεται και στη χαρακτηριστική τάσης. Οι συντελεστές στατισμού συνήθως περιγράφονται ως ποσότητες %, υποδηλώνοντας το ποσοστό της μεταβολής της μετρούμενης ποσότητας που προκαλεί 100% μεταβολή στην ελεγχόμενη ποσότητα. Για παράδειγμα, συντελεστής στατισμού για τη συχνότητα 5% σημαίνει ότι για αλλαγή της συχνότητας 5% η ισχύς στην έξοδο της μονάδας θα πρέπει να μεταβληθεί κατά 100%. Αυτό σημαίνει πως για μείωση της συχνότητας 1% η μονάδα θα αυξήσει την ισχύ που παράγει κατά 20%. [3] Σε μικροδίκτυα με μεγάλο αριθμό μικροπαραγωγών συνδεδεμένων μέσω ΜΠΤ δεν είναι εύκολη η ακριβής και συνεχόμενη μέτρηση της στιγμιαίας συχνότητας της τάσης, ώστε μέσω της χαρακτηριστικής στατισμού να καθορίζεται η απαιτούμενη πραγματική ισχύ του ΜΠΤ. Είναι ευκολότερη η μέτρηση της πραγματικής ισχύος και ο καθορισμός της συχνότητας του ΜΠΤ από την καμπύλη στατισμού. Επίσης, επειδή όπως αναφέρθηκε ο έλεγχος σταθερής τάσης δημιουργεί λειτουργικά προβλήματα και πιθανές απαιτήσεις άεργου ισχύος εκτός των δυνατοτήτων των ΜΠΤ, είναι πρακτικότερη η μέτρηση της άεργης ισχύος και ο καθορισμός της τάσης εξόδου του ΜΠΤ από την καμπύλη στατισμού. [1] Σχήμα 2.7 Στρατηγική ελέγχου βασισμένη στη μέτρηση ισχύων [1] 33

34 Στο Σχ. 2.7 δείχνεται το διάγραμμα του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου. Στο πρώτο ορθογώνιο μπλοκ «Αναζήτηση ισχύος», υπολογίζεται η ενεργός P και η άεργος Q ισχύς από την μέτρηση της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα. Για την αποσύζευξη των δύο ελέγχων, στο μπλοκ «Αποσύζευξη» χρησιμοποιούμε ένα πρώτης τάξης φίλτρο, ένα για κάθε κανάλι ελέγχου, ώστε να προσθέσουμε μια καθυστέρηση στον έλεγχο των ισχύων, όπως συμπεριφέρεται και ο έλεγχος των ισχύων στην πραγματική μηχανή. Αυτή η καθυστέρηση μπορεί να επιτευχθεί και μέσω των φίλτρων μέτρησης των ισχύων, όπου χρησιμοποιούνται για την απαλοιφή των αρμονικών κατά τη μέτρηση. Επίσης αυτή η καθυστέρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό του χρόνου μέσα στον οποίο αλλάζουν η συχνότητα και η τάση του ΜΠΤ σε σχέση με τις αλλαγές των ισχύων. Έπειτα στο μπλοκ «Χαρακτηριστικές Στατισμού» εφαρμόζεται ο έλεγχος στατισμού, ώστε να καθορίσουμε το μέτρο της τάσης μέσω της άεργου ισχύος και την συχνότητα μέσω της ενεργού, κατά αντιστοιχία των χαρακτηριστικών καμπυλών (βλ. Σχ. 2.1). Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι για την ευστάθεια του συστήματος εισάγεται μία διόρθωση της φασικής γωνίας της τάσης, από το χρονικό ολοκλήρωμα της διακύμανσης της συχνότητας. Τέλος, στο μπλοκ «Επιθυμητή τάση» προσδιορίζεται η στιγμιαία επιθυμητή τάση εξόδου του ΜΠΤ, συναρτήσει των συχνοτήτων f και της γωνίας δ που υπολογίζονται στιγμιαία από τον έλεγχο ενεργού ισχύος και το μέτρο της τάσης που υπολογίζεται από τον έλεγχο άεργου ισχύος. 2.4 Προβλήματα ελέγχου στατισμού σύζευξη βρόχων P, Q Θα ήταν ευτυχές γεγονός αν μπορούσαμε να πούμε ότι ο έλεγχος στατισμού μπορεί να δουλέψει χωρίς προβλήματα για όλα τα συστήματα που μπορούν να υπάρξουν. Όμως ο έλεγχος δουλεύει ικανοποιητικά σε συγκεκριμένα συστήματα και κυρίως στα δίκτυα Υψηλής Τάσης (ΥΤ) τα οποία ;έχουν κυρίως επαγωγικά χαρακτηριστικά. Μάλιστα αν ο έλεγχος χρησιμοποιηθεί σε ένα σύστημα και δουλεύει καλά για το συγκεκριμένο σύστημα, τότε αν για κάποιο λόγω το σύστημα τροποποιηθεί ή ο ίδιος έλεγχος χρησιμοποιηθεί σε κάποιο άλλο σύστημα, δεν είναι βέβαιο ότι θα δουλεύει εξίσου καλά και με την ίδια απόκριση. Αυτό οφείλεται στις χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού στις οποίες θα πρέπει να αλλάζουν οι 34

35 παράμετροι κάθε φορά αφού διαφέρουν για κάθε σύστημα. Έτσι διακυβεύεται η ορθή λειτουργία του συστήματος του μικροδικτύου. Προηγουμένως αναφέρθηκε πως ο έλεγχος στατισμού και οι χαρακτηριστικές καμπύλες για να εφαρμοστούν πρέπει το δίκτυο διασύνδεσης των πηγών τάσης να είναι επαγωγική. Αυτό ισχύει μόνο για γραμμές ΥΤ όπως φαίνεται στον πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1 Τυπικές παράμετροι γραμμών [1] Από τις παρακάτω εξισώσεις που ισχύουν για την ροή ισχύος στα δίκτυα διανομής Χαμηλής Τάσης (ΧΤ) αποδεικνύεται ότι η φασική διαφορά των τάσεων δ καθορίζει τη ροή άεργου ισχύος, ενώ η διαφορά των μέτρων των τάσεων ( VΜΠΤ - Vgrid ) καθορίζει τη ροή πραγματικής ισχύος. P = V 1 2 V 1 V 2 R R cosδ (2.6) Q = V 1 V 2 sinδ (2.7) R Ο καθορισμός των ισχύων με αυτόν τον τρόπο κάνουν καταλληλότερη τη χρήση των χαρακτηριστικών πραγματικής ισχύος/τάσης και άεργου ισχύος/ συχνότητας, τις οποίες ονομάζουμε χαρακτηριστικές αντίστροφου στατισμού λόγω της αντιδιαστολής με τις προαναφερθείσες χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού. Όμως η χρήση της πραγματικής ισχύος για τον έλεγχο της τάσης θα είχε σημαντικές οικονομικές επιπτώσεις, γιατί θα άλλαζε τελείως την έννοια της οικονομικής κατανομής φορτίου στις παραγωγές. Επίσης θα χανόταν η συμβατότητα των στρεφόμενων γεννητριών στη XT με τις αντίστοιχες γεννήτριες του κύριου δικτύου.[1] 35

36 Ανάλογα για σύνδεση με γραμμή μεσαίου μήκους ή μέσης τάσης (ΜΤ), όπου δεν επικρατεί η πραγματική αντίσταση ή η επαγωγική εμπέδηση της γραμμής αλλά έχει μιγαδικό χαρακτήρα Ζ = R + jx = Ζ θ όπως στο Σχ. 2.8, οι εξισώσεις μεταφοράς ισχύος έχουν την παρακάτω γενική μορφή: (α) (β) Σχήμα 2.8 (α) Ροή ισχύος μέσω της γραμμής, (β) Διάγραμμα φάσης [14] P = R V 1 ( V 1 V 2 cos (δ)) Z 2 + Χ V 1 V 2 Z 2 sin( δ) (2.8) Q = X V 1 ( V 1 V 2 cos (δ)) Z 2 R V 1 V 2 Z 2 sin (δ) (2.9) Και κατά συνέπεια η χαρακτηριστικές στατισμού διαμορφώνονται αναλόγως: ω = ω ref k[ X Z (P P ref) R Z (Q Q ref) ] (2.10) V = V ref k[ R Z (P P ref) X Z (Q Q ref) ] (2.11) 36

37 Από τις εξισώσεις 2.8 και 2.9 προκύπτουν οι παρακάτω εξισώσεις: V 2 sin(δ) = XP RQ V 1 (2.12) V 1 V 2 cos(δ) = RP+XQ V 1 (2.13) Για γραμμές εναέριας μεταφοράς ισχύος με Χ >> R, όπου η ωμική αντίσταση R μπορεί να παραληφθεί και η γωνία δ μεταξύ της τάσης του μετατροπέα και της τάσης του δικτύου είναι μικρή, τότε το sinδ = δ και το cosδ = 1, οι εξισώσεις 2.12 και 2.13 γίνονται : δ XP V 1 V 2 V 1 V 2 XQ V 1 (2.14) (2.15) Από τις εξισώσεις 2.14 και 2.15 φαίνεται ότι η γωνία δ επηρεάζεται κατά κύριο λόγο από την ενεργό ισχύ, ενώ η διαφορά των τάσεων επηρεάζεται κυρίως από την άεργο ισχύ. Με άλλα λόγια, η γωνία μπορεί να ελεγχθεί με ρύθμιση της ενεργού ισχύος P, ενώ η τάση V1 του μετατροπέα μπορεί να ελεγχθεί μέσω της άεργου ισχύος Q. Ο έλεγχος της συχνότητας ελέγχει δυναμικά τη γωνία ισχύος και, συνεπώς, την πραγματική ροή ισχύος. Έτσι, προσαρμόζοντας την ενεργό ισχύ P και την άεργο ισχύ Q ανεξάρτητα, καθορίζεται η συχνότητα και η τάση της εξόδου του μετατροπέα.[14] Στις γραμμές χαμηλής τάσης, η αυτεπαγωγή της γραμμής είναι αμελητέα σε σύγκριση με την ωμική αντίσταση. Επομένως, η σύνθετη αντίσταση είναι σχεδόν ωμική. Ο τυπικός λόγος αντίστασης της γραμμής χαμηλής τάσης R / X είναι περίπου 7.7. Έτσι, και η προσέγγιση που χρησιμοποιείται στις εξ και 2.15 δεν είναι σωστή. Σε αυτή την περίπτωση, το R>> X και οι προσεγγιστικές εξισώσεις από τις εξ και 2.13 δίνονται ως εξής: 37

38 δ RQ V 1 V 2 V 1 V 2 RP V 1 (2.16) (2.17) Από αυτές τις εξισώσεις, μπορεί να γίνει κατανοητό ότι η διαφορά τάσης αντιστοιχεί στην ενεργό ισχύ και η γωνία ισχύος αντιστοιχεί στην άεργο ισχύ. Επομένως η συχνότητα μπορεί να ελεγχθεί μέσω της ροής άεργου ισχύος και η τάση μπορεί να ελεγχθεί μέσω της ροής ενεργού ισχύος. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, ο αντίστροφος έλεγχος στατισμού P-U/Q-f καθορίζεται από τις ακόλουθες εξισώσεις: ω = ω ref + k q P (2.18) U = U ref k P P (2.19) Το Σχ. 2.9 δείχνει τις χαρακτηριστικές καμπύλες του αντίστροφου ελέγχου στατισμού P-U/Q-f. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα στοιχεία της σύνθετης αντίστασης του συστήματος διανομής, ειδικά για τις γραμμές μέσης τάσης, δεν μπορεί να αγνοηθούν. Σε αυτή την κατάσταση, η ενεργός ισχύς δεν είναι απλώς μια κατά προσέγγιση συνάρτηση της γωνίας ισχύος (δ) γωνία (για γραμμές χαμηλής τάσης ΧΤ) ή της διαφοράς τάσης (για γραμμές υψηλής τάσης ΥΤ). Ομοίως, η άεργος ισχύς δεν εξαρτάται μόνο από τη διαφορά των τάσεων ή τη γωνία ισχύος. Συνεπώς υπάρχει μια εγκάρσια σύζευξη μεταξύ της ενεργού και της άεργου ισχύος του δικτύου και είναι αδύνατον να τα ελέγξουμε ξεχωριστά από την γωνία ισχύος δ και την διαφορά των μέτρων των τάσεων αντίστοιχα. 38

39 Σχήμα 2.9 P-U/Q-f χαρακτηριστικές καμπύλες αντίστροφου ελέγχου στατισμού. 2.5 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφηκε μια μέθοδος ελέγχου της ισχύος εξόδου των μικροπαραγωγών, ώστε να μπορούμε να παίρνουμε μια συγκεκριμένη τιμή ισχύος που ζητάμε από αυτές. Με αυτό τον τρόπο λύνουμε διάφορα προβλήματα ευστάθειας τους συστήματος και επιτρέπουμε την καλή διανομή ισχύος και κάλυψη του φορτίου τόσο σε διασυνδεδεμένη λειτουργία με το δίκτυο όσο και απομονωμένη λειτουργία των μικροπηγών. Ο συμβατικός έλεγχος στατισμού εφαρμόζεται όπως είδαμε στα επαγωγικά δίκτυα ενώ ο αντίστροφος έλεγχος στατισμού εφαρμόζεται στα ωμικά δίκτυα. Ενώ στα δίκτυα μέσης τάσης η σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου δυσχεραίνει τον κλασικό έλεγχο στατισμού των ΜΠΤ του μικροδικτύου. To μόνο πλεονέκτημα από τη χρήση του αντιστρόφου στατισμού είναι ο απευθείας έλεγχος της τάσης. Όμως αν ελέγχονταν με αυτόν τον τρόπο η τάση, δεν θα ήταν δυνατή η κατανομή της πραγματικής ισχύος στις μικροπαραγωγές. Κάθε φορτίο θα τροφοδοτούνταν από την πλησιέστερη μικροπαραγωγή. Επειδή αυτό γενικά δεν είναι δυνατόν, οι διακυμάνσεις της τάσης θα παρέμεναν κατά μήκος του δικτύου. Με το συμβατικό στατισμό επιτυγχάνουμε συμβατότητα με το κύριο δίκτυο και συμβατότητα μεταξύ των στρεφόμενων γεννητριών, ενώ έχουμε και επιτυχή κατανομή της πραγματικής ισχύος στις μικροπαραγωγές. Αλλά και οι διακυμάνσεις της τάσης κατά μήκος του δικτύου καθορίζονται από τη χωροταξική διευθέτηση των γραμμών, που σήμερα είναι τυποποιημένη. Από τις παραπάνω υποθέσεις γίνεται κατανοητό ότι ο αντίστροφος έλεγχος στατισμού μπορεί να 39

40 δουλέψει για καθαρά ωμικά δίκτυα, αλλά με πολλά προβλήματα σε ένα πραγματικό δίκτυο. Οπότε είναι ανάγκη για όλα τα ήδη διασύνδεσης του δικτύου με τις παραγωγές των μικροπηγών να χρησιμοποιηθεί ο συμβατικός έλεγχος στατισμού και αυτό γεννά την ανάγκη για βελτίωση του ελέγχου των ΜΠΤ των μικροπηγών. Τελικά αποδεικνύεται ότι παρόλο που ο έλεγχος στατισμού μπορεί να εφαρμοσθεί και στα δίκτυα χαμηλής τάσης, στα οποία έχουμε ισχυρή σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου, στην πράξη πρέπει κάπως να τροποποιήσουμε τη συμπεριφορά των ΜΠΤ και να οδηγηθούμε σε απόκριση συστήματος με επαγωγικά συζευγμένους ΜΠΤ. Έτσι για να αντιμετωπίσουμε την εξάρτηση της απολεσματικότητας του ελέγχου των ΜΠΤ από τη σύνθετη αντίσταση της γραμμής, θα πρέπει να τροποποιήσουμε τον έλεγχο με κάποιες μεθόδους που να αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο όπως είναι η μέθοδος της πλασματικής σύνθετης αντίστασης (virtual impedance) και η μέθοδος της εικονικής περιστροφής ισχύος. 40

41 3 Βελτιωμένες μέθοδοι ελέγχου ισχύος σε δίκτυα διανομής 3.1 Εισαγωγή Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, ο έλεγχος με τη χρήση χαρακτηριστικών στατισμού σε δίκτυα Χαμηλής Τάσης (ΧΤ) μπορεί να λειτουργεί, αλλά παρουσιάζει κάποια προβλήματα εάν συγκριθεί με την ικανοποιητική λειτουργία τους σε δίκτυα Υψηλής Τάσης (ΥΤ). Αυτά έχουν να κάνουν κυρίως με τη σύζευξη των βρόχων ελέγχου P-f και Q-V και με την ευστάθεια του ελέγχου. Επίσης, η χρήση του αντίστροφου στατισμού (P-V, Q-f) δεν παρέχει την επιθυμητή λειτουργία, αφού δεν συμβαδίζει με αυτήν των σύγχρονων γεννητριών. Η φύση των γραμμών μεταφοράς χαμηλής τάσης, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.1, είναι ισχυρά ωμική. Δεδομένου λοιπόν, ότι ο έλεγχός συμβατικού στατισμού λειτουργεί ιδανικά με επαγωγικές γραμμές μεταφοράς, θεωρητικά θα μπορούσαν να προστεθούν επαγωγές πολύ μεγαλύτερες από την αντίσταση των γραμμών εν σειρά με τις τελευταίες ώστε να αποκτήσουν επαγωγική φύση. Αυτό όμως θα αύξανε το μέγεθος, τις απώλειες και το κόστος της εκάστοτε κατασκευής. Για τον λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί βελτιωμένες μέθοδοι ελέγχου με σκοπό την αποσύζευξη (decoupling) των βρόγχων ελέγχου, τη βελτίωση της ευστάθειας, αλλά και τη μίμηση του ελέγχου των σύγχρονων γεννητριών στα δίκτυα ΥΤ. Τέτοιες μέθοδοι είναι η μέθοδος εικονικής σύνθετης αντίστασης (virtual impedance) και η μέθοδος της περιστροφής που θα αναλυθούν παρακάτω σε αυτό το Κεφάλαιο. 3.2 Μέθοδος εικονικής σύνθετης αντίστασης Ο εξαρχής σκοπός είναι να αλλάξει η συμπεριφορά της γραμμής μεταφοράς, από ωμική ή ωμική-επαγωγική σε ισχυρά επαγωγική και η συμπεριφορά του ΜΠΤ να γίνει παρόμοια με αυτήν μιας σύγχρονης γεννήτριας συνδεμένης σε δίκτυο ΥΤ. Με τη μέθοδο αυτή, προστίθεται στον κλασικό έλεγχό στατισμού μία ανατροφοδότηση με στόχο την εικονική ενσωμάτωση της επαγωγής μόνο σε επίπεδο ελέγχου. Συγκεκριμένα, στην επιθυμητή τάση εξόδου του Μετατροπέα Πηγής Τάσης (ΜΠΤ) αφαιρείται μία πτώση τάσης, Όπως φαίνεται και στο 41

42 Σχ.3.1. Η αφαιρούμενη πτώση τάσης έχει μέτρο ίσο με το γινόμενο του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα με το μέτρο μίας εικονικής αντίστασης που έχει επιλεγεί και φάση ίση με το άθροισμά των φάσεων ρεύματος και της εικονικής σύνθετης αντίστασης, γεγονός που δείχνεται παρακάτω. Η τάση εξόδου του ΜΠΤ τίθεται τώρα ίση με: Uo*=Uo ref -ZD(s)*Io (3.1) Όπου, η Uo ref είναι η τάση που υπολογίζεται μέσω του ελέγχου στατισμού και η ZD η εικονική σύνθετη αντίσταση. Σχήμα 3.1 Διάγραμμα ελέγχου με εικονική σύνθετη αντίσταση Μένει τώρα να γίνει ο υπολογισμός της φανταστικής σύνθετης αντίστασης. Όπως είδαμε στο κεφάλαιο 2, οι εξισώσεις 2.6 και 2.7 Δείχνουν ποια θα είναι η ροή ενεργού και άεργου ισχύος προς το κεντρικό δίκτυο αντίστοιχα. Παρατηρούμε λοιπόν ότι για ωμική-επαγωγική σύνδεση με το δίκτυο (γραμμές μεσαίου μήκους) έχουμε: P = R V 1 ( V 1 V 2 cos (δ)) Z + Χ V 1 V 2 Z sin( δ) (3.2) Q = X V 1 ( V 1 V 2 cos (δ)) Z R V 1 V 2 Z sin (δ) (3.3) 42

43 Όπου, V1 η τάση του δικτύου V2 η τάση εξόδου του ΜΠΤ Όπως φαίνεται στις παραπάνω εξισώσεις υπάρχουν και οι δύο μεταβλητές (V2, δ) οπότε και μεγάλη σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου στατισμού. Για επαγωγική μόνο σύνδεση (γραμμές μεγάλου μήκους) έχουμε: P = V 1 V 2 sinδ (3.4) X Q = V 1 2 V 1 V 2 X X cosδ (3.5) Για την Σχέση 3.4 μη σταθεροί όροι είναι μόνο οι V2, sinδ όπου αφού η γωνία δ είναι πολύ μικρή, το sinδ δέχεται μεγάλες μεταβολές ποσοστιαία, οπότε επηρεάζει περισσότερο το P. Για την 3.5 φαίνεται ότι ο όρος V 1 2 X δικτύου μεταβάλλεται ελάχιστα. Επίσης, στον όρο V 1 V 2 είναι σχεδόν σταθερός αφού η τάση του X cosδ μεταβάλλονται οι όροι V2 και cosδ, όμως ο όρος cosδ, που βρίσκεται κοντά στη μονάδα, μεταβάλλεται ελάχιστα. Επομένως η Q εξαρτάται πρωτίστως από τη μεταβολή της τάσης εξόδου του ΜΠΤ. Όταν η σύνδεση με το δίκτυο είναι ωμική (γραμμές μικρού μήκους): P = V 1 2 V 1 V 2 R R cosδ (3.6) Q = V 1 V 2 sinδ (3.7) R 43

44 Εδώ παρομοίως με παραπάνω, η κύρια μεταβλητή της P η V2, ενώ της Q η sinδ. Για αυτό το λόγo, όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2, η μέθοδος αντίστροφου στατισμού λειτουργεί στη X.T. Για λόγους όμως που επίσης αναφέρθηκαν, δεν μπορεί να εφαρμοστεί. Στην πραγματικότητα στη X.Τ. υπάρχουν σε χαμηλό βαθμό και ωμικές συνιστώσες εκτός από επαγωγικές. Παρόλα αυτά, οι Σχέσεις 3.6 και 3.7 αποτελούν μία καλή προσέγγιση για τα δίκτυα Χ.Τ.. Σκοπός είναι τώρα, μέσω της εικονικής αντίστασης να αντικατασταθεί η συμπεριφορά των εξισώσεων της 2 ης περίπτωσης, αντί της τρίτης. Δηλαδή, να μετατραπεί η συνολική σύνθετη αντίσταση, σε επαγωγή. Αν θεωρηθεί ότι η αντίσταση σύνδεσης δεν μεταβάλλεται, η εικονική αντίσταση τίθεται ίση με ZV=-RL+jωXL (3.8) Όπου, RL η τιμή της αντίστασης σύνδεσης και XL η επιθυμητή επαγωγή σύνδεσης Η συνολική συνθέτη αντίσταση τώρα είναι: ZT=ΖR+ZV= RL-RL+jωXL=jωXL (3.9) Όπου ZR η πραγματική τιμή της αντίστασης σύνδεσης μεταξύ δικτύου και ΜΠΤ Η τιμή της Σχέσης 3.8 προκύπτει με γνώμονα η τελική τιμή της ZT να είναι επαγωγική και προτείνεται στη [13]. Στην πραγματικότητα όμως, η ύπαρξη μικρού ωμικού τμήματος βοηθάει στην απόσβεση ταλαντώσεων μεγάλης συχνότητας, που εμφανίζονται όταν έχουμε επαγωγική σύζευξη των ΜΠΤ. [1] Χρησιμοποιώντας στην ανατροφοδότησή μας και την εικονική σύνθετη αντίσταση, επιτυγχάνεται συμπεριφορά παρόμοια με τις σύγχρονες γεννήτριες στους ΜΠΤ, συμβατή με τη συμπεριφορά δικτύων υψηλών τάσεων και καλύτερη 44

45 κατανομή πραγματικής ισχύος, χωρίς να αυξάνουμε τις απώλειες και το κόστος των μικροδικτύων, όπως θα γινόταν με την προσθήκη πραγματικών επαγωγών ή σύνθετων αντιστάσεων. Επιπλέον, η μέθοδος αυτή βοηθάει σημαντικά στην αποσύζευξη των βρόχων P/f και Q/V, αφού πλέον αναφορά για τον έλεγχο αποτελούν οι Σχέσεις 3.4 και 3.5 οι οποίες είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητες μεταξύ τους για εφαρμογές στο δίκτυο. Παρόλα όμως τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η μέθοδος αυτή, έχει και μειονεκτήματα. Ένα κομμάτι που χρίζει προσοχής είναι το άνω όριο στο μέτρο της φανταστικής αντίστασης. Πάνω από ένα όριο, η εικονική πτώση τάσης μεταβάλλει πολύ περισσότερο την έξοδο του ΜΠΤ σε σχέση με τον έλεγχο στατισμού και έτσι θα τον ακύρωνε. Επιπλέον, λόγω της ποικιλίας μεθόδων ελέγχου και της μορφολογίας του εκάστοτε δικτύου, η οποία δεν παραμένει σταθερή σε βάθος χρόνου, η ZV θα πρέπει να αλλάζει σε κάθε εφαρμογή αναλόγως με τις απαιτήσεις. Τέλος, με κάθε αλλαγή του δικτύου, αλλάζει ο λόγος X/R και ίσως χρειάζεται σε κάποιες περιπτώσεις να μετράται, ώστε να αλλάζει και η τιμή της φανταστικής σύνθετης αντίστασης αντίστοιχα. Εναλλακτικά με χρήση ασαφών ελεγκτών ή άλλων μεθόδων [13], θα μπορούσε να επαναϋπολογίζεται το μέτρο και τη φάση της σύνθετης αντίστασης σε τακτά χρονικά διαστήματα ή όποτε διαπιστώνεται αλλαγή των παραμέτρων του δικτύου, γεγονός που περιπλέκει αρκετά τον έλεγχο, αφού έτσι εισάγονται νέες παράμετροι. 3.3 Μέθοδος Περιστροφής Μια άλλη μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί για την εξάλειψη της σύζευξης μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου που εμφανίζεται στα δίκτυα χαμηλής τάσης, είναι η χρήση της ορθογωνικής γραμμικής περιστροφικής μήτρας μετασχηματισμού T. Με αυτή την μέθοδο μετασχηματίζουμε τις μετρούμενες ποσότητες της ενεργού P και άεργου ισχύος Q σε εικονικές ισχύς P και Q με τις οποίες πραγματοποιείται ο έλεγχος με τις συμβατικές καμπύλες στατισμού. Η μήτρα μετασχηματισμού Τ εξαρτάται από τις παραμέτρους των γραμμών που είναι συνδεδεμένες οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής. Αν η σύνθετη 45

46 αντίσταση της γραμμής είναι Ζ = R + jx η μήτρα μετασχηματισμού Τ γράφεται ως εξής: Τ = ( cos(φ) sin (φ) sin(φ) cos (φ) ) (3.10) Όπου φ = π θ = arctan( R / X ) και θ η γωνία της μιγαδικής αντίστασης της γραμμής Ζ = Ζ θ. Επομένως οι εικονικές ισχύες P και Q υπολογίζονται από τη σχέση: [ P Q ]= [T] [P Q ] [ Q ]= P sin (φ) [cos(φ) sin (φ) cos (φ) ] [P Q ]=[ Χ Ζ R Z R Z X Z ] [ P Q ] (3.11) Ελέγχοντας την εικονική ενεργό ισχύ P μέσω της συχνότητας f και την εικονική άεργο ισχύ Q μέσω της τάσης V, εξαλείφεται το πρόβλημα της σύζευξης των 2 βρόγχων ελέγχου που υπήρχε για την χρήση του ελέγχου στατισμού στα συστήματα χαμηλής τάσης. Εφαρμόζοντας αυτόν τον μετασχηματισμό στις εξ. 2.8 και 2.9 έχουμε: sin δ ZP V 1 V 2 V 1 V 2 ΖQ V 1 (3.12) (3.13) 46

47 Για μια μικρή γωνία ισχύος δ και διαφορά τάσης V1 V2, οι εξ και 3.13 δείχνουν ότι η γωνία ισχύος εξαρτάται μόνο από την ισχύ P, ενώ η διαφορά τάσης εξαρτάται μόνο από την ισχύ Q. Με άλλα λόγια, η γωνία δ μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας την ισχύ P, ενώ η τάση του μετατροπέα V1 μπορεί να ελεγχθεί μέσω της ισχύος Q. Όπως η συχνότητα του δικτύου επηρεάζεται μέσω της γωνίας ισχύος δ, ο ορισμός της ισχύος P και της ισχύος Q επιτρέπει την ανεξάρτητη επιρροή της συχνότητας και του πλάτους της τάσης του δικτύου. Αυτό απεικονίζεται γραφικά στο Σχ Η επίδραση των P,Q,P και Q πάνω στην τάση και την συχνότητα απεικονίζεται για διαφορετικές αναλογίες R/X. Για την εξαγωγή των P και Q αρκεί να γνωρίζουμε την αναλογία R/X. H γνώση των απόλυτων τιμών της σύνθετης αντίστασης της γραμμής δεν είναι απαραίτητη (φ = π θ = arctan( R / X )). Από το Σχ. 3.2 μπορεί να φανεί ότι για κυρίως επαγωγικές γραμμές P P και Q Q, ενώ για κυρίως ωμικές γραμμές P -Q και Q P. Ως εκ τούτου, η ρύθμιση συχνότητας και της τάσης μέσω του ελέγχου στατισμού γίνεται: ω ω ref = k p (P P ref ) = [k p X Z (P P ref) k P R Z (Q Q ref)] (3.14) V V ref = k q (Q Q ref ) = [k q R Z (P P ref) + k q X Z (Q Q ref)] (3.15) (α) (β) (γ) Σχήμα 3.2 Επιρροή των ισχύων P-Q πάνω στην τάση και την συχνότητα για γραμμές με διαφορετικό λόγω R/X: (α) R/X=0 (β) R/X =1 (γ) R/X = 47

48 Το Σχ. 3.3 δείχνει το μπλοκ διάγραμμα του εικονικού μετασχηματισμού των P Q ισχύων που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Αν και η μέθοδος του εικονικού μετασχηματισμού των ισχύων P Q μπορεί να επιτύχει απόζευξη μεταξύ του ελέγχου της ενεργού και της άεργου ισχύος, είναι λίγο δύσκολο να εφαρμοστεί. Για παράδειγμα στο μικροδίκτυο με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, χρησιμοποιώντας τον συμβατικό έλεγχο στατισμού (P-f/Q-U), μόνο ό έλεγχος της συχνότητας είναι επαρκής για την ρύθμιση της ενεργού ισχύος και το πλάτος της τάσης σταθεροποιείται ώστε να επιτευχθεί μηδενική ροή άεργου ισχύος Q=0. Ενώ στην μέθοδο με την εικονική μήτρα περιστροφής και οι δύο ισχύεις P και Q πρέπει να ελέγχονται ταυτόχρονα. Σχήμα 3.3 Διάγραμμα ελέγχου με Περιστροφή P-Q Παρόλο που η παραλλαγή αυτή του κλασσικού ελέγχου μέσω καμπυλών στατισμού για έλεγχο της ροής ισχύος είναι πολύ αποδοτική όταν το μικροδίκτυο είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο, το ίδιο δεν συμβαίνει σε απομονωμένη λειτουργία, δηλαδή την τροφοδότηση μόνο του τοπικού δικτύου από κοινού με κάποιον ή κάποιους άλλους μετατροπείς. Από τη στιγμή που οι μεταβλητές που ελέγχονται δεν είναι η ενεργός P και η άεργος ισχύς Q αλλά οι εικονικές τιμές τους, αυτή η μέθοδος ελέγχου δεν εγγυάται ότι γίνεται σωστός o καταμερισμός της ζήτησης ενεργού και άεργου ισχύ από τις μικροπηγές του μικροδικτύου. Αυτό οδηγεί και σε διάφορα άλλα προβλήματα που σχετίζονται με ενδεχόμενο υπέρβασης των ορίων παραγωγής των μονάδων και άλλα. Μερικά ακόμα προβλήματα που προκύπτουν είναι ότι σε περίπτωση σφαλμάτων μπορεί να 48

49 προκύψουν πολύ μεγάλα ρεύματα. Τέλος για να γίνει εφαρμογή της μήτρας μετασχηματισμού πρέπει να είναι από πριν γνωστά τα χαρακτηριστικά των γραμμών. Οποιαδήποτε αλλαγή σε αυτά κανονικά πρέπει να οδηγεί σε επαναρύθμιση του ελέγχου. Για να λυθούν ορισμένα προβλήματα που προκύπτουν από την μέθοδο εικονικής περιστροφής P Q, μια άλλη ορθογωνική μήτρα μετασχηματισμού μπορεί να οριστεί ως: [ ω sin(φ) cos (φ) [ Ε ]= cos (φ) sin (φ) ] [ω Ε ]=[ R Ζ X Z X Z R Z ] [ ω Ε ] (3.16) T ωε = ( sin(φ) cos (φ) cos(φ) sin (φ) ) (3.17) Σε αυτή την περίπτωση πρώτα υπολογίζονται το μέτρο της τάσης Ε και η γωνιακή ταχύτητα ω από τον συμβατικό έλεγχο στατισμού. Έπειτα, από την χρήση του παραπάνω μετασχηματισμού, καθορίζονται τα ω, Ε και χρησιμοποιούνται ως τιμές αναφοράς στον έλεγχό του μετατροπέα. Με την εικονική μήτρα μετασχηματισμού ω Ε, η ισχύς εξόδου του μικροδικτύου μπορεί να ελεγχθεί εντελώς αποζευγμένα. Το Σχ. 3.4 δείχνει το μπλοκ διάγραμμα αυτής της μεθόδου. Σχήμα 3.4 Διάγραμμα ελέγχου με Περιστροφή ω-e 49

50 3.4 Σύγκριση των μεθόδων ελέγχου Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, ο κύριος έλεγχος είναι το πρώτο επίπεδο του ιεραρχικού συστήματος ελέγχου του μικροδικτύου. Ο πρωτεύον έλεγχος είναι υπεύθυνος για την επίτευξη της ισορροπίας μεταξύ της παραγωγής και της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας, την σωστή κατανομή του φορτίου μεταξύ των μονάδων της διεσπαρμένης παραγωγής και την ρύθμιση και σταθεροποίηση της τάσης και της συχνότητας του μικροδικτύου. Στην εργασία αυτή εξετάσθηκαν λεπτομερώς οι βασικές μέθοδοι ελέγχου. Έτσι μπορεί να φανεί ότι κάθε μέθοδος έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Οι μέθοδοι που βασίζονται στην επικοινωνία, παρέχουν μια ακριβή ανταλλαγή ισχύος, γρήγορη μεταβατική απόκριση, υψηλή ποιότητα ισχύος και μείωση της κυκλοφορίας άεργου ισχύος μεταξύ των μετατροπέων. Ωστόσο, η εφαρμογή αυτών των μεθόδων χρειάζονται σύνδεση με μεγάλο εύρος ζώνης επικοινωνίας. Επιπλέον, λόγω της απαίτησης για γνώση του αριθμού των μετατροπέων στο μικροδίκτυο και την ανάγκη για μέτρηση του ρεύματος φορτίου, δεν είναι εύκολο να επεκταθεί το σύστημα. Οι απαιτούμενες διασυνδέσεις μειώνουν την αξιοπιστία του συστήματος και καταστούν το σύστημα μη κατανεμημένο. Οι μέθοδοι που βασίζονται στον έλεγχο στατισμού, βασίζονται στην τοπική μέτρηση των μεταβλητών του συστήματος, οι οποίοι παρέχουν μια πλήρως κατανεμημένη λειτουργία για τις μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής. Δεν εξαρτώνται από τα καλώδια για να εξασφαλίσουν την αξιόπιστη λειτουργία και έχουν επιθυμητά χαρακτηριστικά όπως η ευελιξία και η επεκτασιμότητα. Όμως οι μέθοδοι αυτοί έχουν κάποιους περιορισμούς όπως αργή μεταβατική απόκριση, απόκλιση στην συχνότητα και το εύρος τάσης καθώς και κυκλοφορία άεργου ρεύματος λόγω της σύνθετης αντίστασης της γραμμής. Μπορεί να φανεί επομένως ότι καθεμία από αυτές τις μεθόδους ελέγχου έχει τα δικά της χαρακτηριστικά, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, για αυτό το λόγω είναι δύσκολο να ξεπεραστούν όλα τα προβλήματα με μια μέθοδο ελέγχου σε όλες τις εφαρμογές. Ωστόσο η περεταίρω έρευνα αυτών των μεθόδων ελέγχου θα βοηθήσει στη βελτίωση του σχεδιασμού και την υλοποίηση της μελλοντικής αρχιτεκτονικής του μικροδικτύου.[15] 50

51 Στον Πίνακα 3.1 αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων ελέγχου που αναπτύχθηκαν στην παρούσα εργασία. Μέθοδος Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Μέθοδοι βασισμένοι στην επικοινωνία Ακριβής διαμοιρασμός ενέργειας Υψηλή ποιότητα Ισχύος Εξάλειψη κυκλοφορούντος ρεύματος Καλή μεταβατική απόκριση 1.Μεγάλο κόστος επένδυσης 2.Μειώνει την επεκτασιμότητα του συστήματος 3.Υπέρβαση τιμής ρεύματος στην μέθοδο του master-slave Συμβατικός έλεγχος στατισμού P-f/Q-V Απλή εφαρμογή 1. Κακή ρύθμιση τάσης 2. Αδυναμία χειρισμού μη γραμμικών φορτίων 3.Ανεπιθύμητη μεταβατική απόκριση 4.Ύπαρξη κυκλοφορούντος ρεύματος μεταξύ των μικροπηγών 5. Ανεπιθύμητη κυμάτωση στην ισχύ εξόδου Μέθοδος εικονικής αντίστασης Απόζευξη του ελέγχου πραγματικής και άεργης ισχύος Ικανότητα χειρισμού μη γραμμικών φορτίων (καλή αρμονική κατανομή μεταξύ των μονάδων) 1. Δεν υπάρχει εγγύηση για τη ρύθμιση της τάσης Αντίστροφος Έλεγχος στατισμού P-V/Q-f Απλή εφαρμογή 1. Κακή ρύθμιση τάσης 2. Αδυναμία χειρισμού μη γραμμικών φορτίων 3. Ανεπιθύμητη μεταβατική απόκριση 4. Ύπαρξη κυκλοφορούντος ρεύματος μεταξύ των μικροπηγών 51

52 5. Ανεπιθύμητη κυμάτωση στην ισχύ εξόδου Μέθοδος εικονικής περιστροφικής μήτρας Απλή εφαρμογή Απόζευξη του ελέγχου πραγματικής και άεργης ισχύος 1. Κακή ρύθμιση τάσης 2. Εξάρτηση από τις παραμέτρους της γραμμής 3. Ανεπιθύμητη μεταβατική απόκριση 4. Ανεπιθύμητη κυμάτωση στην ισχύ εξόδου Πίνακας 3.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διάφορων μεθόδων ελέγχου 3.5 Συμπεράσματα Παραπάνω λοιπόν, παρουσιάστηκαν βελτιωμένες μέθοδοι ελέγχου ροής ισχύος σε σχέση με τον απλό έλεγχο στατισμού. Αυτές είναι η μέθοδος σύνθετης αντίστασης και η μέθοδος της περιστροφής. Είναι ξεκάθαρο όμως, ότι αν και βελτιωμένες ως προς τα αποτελέσματα είναι σίγουρα πολυπλοκότερες, γεγονός που είναι απολύτως αναμενόμενο σε κάθε σχεδόν εφαρμογή. Στη συνέχεια θα αναλυθεί το μοντέλο που δημιουργήθηκε για την εξέταση του ελέγχου στατισμού αυτόνομα, αλλά και με την προσθήκη της εικονικής αντίστασης ή της περιστροφής σε περιβάλλον SIMULINK/Matlab. 52

53 4 Μοντέλο Προσομοίωσης 4.1 Εισαγωγή Σκοπός της διπλωματικής αυτής είναι η εύρεση ενός τρόπου ανταλλαγής ισχύος μεταξύ μιας πηγής ισχύος και ενός μικροδικτύου, με τα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Η χαμηλή πολυπλοκότητα είναι επιθυμητή επίσης, για λόγους αξιοπιστίας του συστήματός μας. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε η βιβλιοθήκη του λογισμικού MATLAB, Simulink, όπου και μοντελοποιήθηκε το σύστημα του εργαστηρίου. Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο, θα περιγραφεί το μοντέλο που δημιουργήθηκε. Ουσιαστικά, το μοντέλο θα έχει τη μορφή δυο ζυγών που ανταλλάσσουν ισχύ ώντας συνδεδεμένοι με μία σύνθετη αντίσταση. Ο ένας ζυγός είναι ο ζυγός Χ.Τ.(Χαμηλής Τάσης) του δικτύου, ο άλλος «ζυγός» ο Μετατροπέας Πηγής Τάσης (ΜΠΤ) και η σύνθετη αντίσταση αντιστοιχεί στη διασυνδετική γραμμή μεταξύ τους. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται μια απλοποιημένη μορφή του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε. Σχήμα 4.1 Σχηματική απεικόνιση μοντέλου Όπου, Vgrid, είναι η τάση του ζυγού του δικτύου χαμηλής τάσης. Ζ, η σύνθετη αντίσταση σύνδεσης (κυρίως ωμική στα δίκτυα ΧΤ) VVSI, η τάση εξόδου του ΜΠΤ S, ο διακόπτης σύνδεσης δικτύου με ΜΠΤ 53

54 VSI control, η διαμόρφωση του σήματος ελέγχου για τη διαμόρφωση τάσης του ΜΠΤ Παρακάτω φαίνεται πλήρες το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τους σκοπούς της προσομοίωσης, το οποίο θα αναλυθεί στη συνέχεια τμηματικά. Σχήμα 4.2 Μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση 4.2 Μετατροπέας Πηγής Τάσης Όπως αναφέρθηκε και στο 1 ο κεφάλαιο, η τάση εξόδου των μικροπηγών είναι συνεχής, οπότε για τη σύνδεση τους με το κεντρικό δίκτυο είναι απαραίτητος ο μετασχηματισμός της τάσης σε εναλλασσόμενη. Αυτό επιτυγχάνεται με έναν ΜΠΤ DC σε AC. Στην εφαρμογή μας χρησιμοποιείται ένας DC σε DC μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης (Buck-Boost) του οποίου η έξοδος συνδέεται παράλληλα με έναν Αντιστροφέα, ο οποίος είναι DC σε AC, όπως φαίνεται στο Σχ

55 Σχήμα 4.3 τοπολογία ΜΠΤ στην προσομοίωση μετατροπέας Ανύψωσης-Υποβιβασμού (αριστερά), Αντιστροφέας(δεξιά) Οι ακροδέκτες 1, 3 είναι η είσοδος ισχύος του ΜΠΤ και οι 2, 4 η έξοδός του. Οι ακροδέκτες a,b και c αφορούν την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και θα αναλυθούν αργότερα. Παρακάτω αναλύεται η λειτουργεία των μετατροπέων αυτών σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή Με τον όρο μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC-DC Converters) περιγράφονται οι διατάξεις ηλεκτρονικών μετατροπέων που περιέχουν τουλάχιστον ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο και μετατρέπουν τη συνεχή τάση στην είσοδό τους σε συνεχή τάση διαφορετικής τιμής στην έξοδο. Η χρήση των μετατροπέων αυτών είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στις εφαρμογές ΑΠΕ. Οι περισσότερες ΑΠΕ παράγουν συνεχή τάση σε τιμές ακατάλληλες για την τροφοδοσία των συγχρονισμένων με το δίκτυο αντιστροφέων. Έτσι χρησιμοποιούνται οι συγκεκριμένοι μετατροπείς για τη διαμόρφωση σε κατάλληλο επίπεδο της συνεχούς τάσης εξόδου των ΑΠΕ, ώστε να γίνει κατάλληλη για τάση εισόδου των αντιστροφέων. Παρακάτω αναλύονται οι βασικότεροι τύποι αυτής της κατηγορίας μετατροπέων, που ελέγχονται με τεχνική PWM. Οι τρεις βασικότερες τοπολογίες περιέχουν τρία στοιχεία (διακόπτη, πυκνωτή και δίοδο) στα οποία εναλλάσσεται η θέση ανάλογα 55

56 με το είδος του μετατροπέα. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς είναι στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (π.χ. θυρίστορ) και ως εκ τούτου να είναι υποχρεωτική η χρήση ενός εξωτερικού κυκλώματος σβέσης. Επίσης, χρησιμοποιούνται και στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση, όπως είναι διάφορα τρανζίστορ όπως BJT (Bipolar JunctionTransistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field- Effect Transistor), GTO θυρίστορ (Gate Turn-off Thyristor), IGBT (Insulated-gate Bipolar Transistor), IGCT (Intergrated gate-commuted Thyristor). Η ανάλυση της λειτουργίας τους γίνεται με τις κλασσικές μεθόδους κυκλωμάτων κάνοντας τις παρακάτω παραδοχές: Η ανάλυση γίνεται στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Οι ημιαγωγικοί διακόπτες είναι ιδανικοί, δηλαδή δεν έχουν απώλειες αγωγής, παρουσιάζουν μηδενικούς χρόνους έναυσης και σβέσης και μηδενική πτώση τάσης. Ο πυκνωτής στην έξοδο είναι πολύ μεγάλης χωρητικότητας και άρα η τάση εξόδου μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Γενικά διακρίνονται δύο κύριες περιοχές λειτουργίας αυτών των μετατροπέων ανάλογα με το ρεύμα του πηνίου εξομάλυνσης: Περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος (Continuous Conduction Mode- CCM). Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης δεν μηδενίζεται ποτέ. Περιοχή ασυνεχούς αγωγής ρεύματος (Discontinuous Conduction Mode- DCM). Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης παρουσιάζει διαστήματα μηδενισμού.[10] Μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης Ο μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης (step-down/up ή Buck- Boost DC Converter) παίρνει στην είσοδο μια συνεχή τάση συγκεκριμένης τιμής και παράγει στην έξοδο μια συνεχή τάση χαμηλότερης ή υψηλότερης τιμής, αντίστροφης πολικότητας από την τάση εισόδου. Χρησιμοποιείται κατά κόρον σε περιπτώσεις όπου δε γνωρίζουμε με βεβαιότητα το επίπεδο της τάσης που παράγουν οι ΑΠΕ. 56

57 Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τοπολογία του μετατροπέα. Σχήμα 4.4 Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα Ανύψωσης-Υποβιβασμού Ο μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης έχει τη δυνατότητα να αλλάζει τη λειτουργία του από ανύψωση σε υποβιβασμό τάσης και το αντίστροφο με αλλαγή του λόγου κατάτμησης D. Για D>0.5 λειτουργεί σαν Boost, ενώ για D<0.5 λειτουργεί σαν Buck. Όταν το ημιαγωγικό στοιχείο βρίσκεται σε αγωγή αποθηκεύεται ενέργεια στο πηνίο εξομάλυνσης Lf. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης πολώνεται ανάστροφα και δεν άγει, με αποτέλεσμα την απομόνωση της εξόδου από την είσοδο. Στην αγωγή η συμπεριφορά του μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού είναι παρόμοια με αυτή του μετατροπέα ανύψωσης. Το κυκλωματικό διάγραμμα σε αυτή την περίπτωση φαίνεται στο Σχ. 4.5 Όταν ο διακόπτης δεν άγει η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο εξομάλυνσης αποδίδεται στην έξοδο. Σε αυτό το χρονικό διάστημα η είσοδος είναι απομονωμένη από την έξοδο και δεν παρέχει ενέργεια. Δηλαδή όταν δεν άγει ο διακόπτης ο μετατροπέας ανύψωσης-υποβιβασμού έχει παρόμοια συμπεριφορά με τον μετατροπέα υποβιβασμού. Αξίζει να αναφερθεί ότι υπάρχει διαχωρισμός σε συνεχή και ασυνεχή λειτουργία, ανάλογα με το αν μηδενίζεται ή όχι το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης Lf. [10] Παρακάτω φαίνονται τα κυκλωματικά διαγράμματα για τις περιπτώσεις όπου αγωγής και μη αγωγής του διακοπτικού στοιχείου για το μετατροπέα Ανύψωσης- Υποβιβασμού τάσης. 57

58 Σχήμα 4.5 Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης άγει. Σχήμα 4.6 Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν ο διακόπτης δεν άγει, αλλά άγει το πηνίο (συνεχής λειτουργία). Σχήμα 4.7 Κυκλωματικό διάγραμμα μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού συνεχούς τάσης, όταν δεν άγει ο διακόπτης και το πηνίο (ασυνεχής λειτουργία). 58

59 Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση συνεχούς αγωγής είναι ανεξάρτητος του ρεύματος εξόδου και δίνεται από τη σχέση: D = Vo (Vο + Vi ) (4.1) Όπου, Vo: η τάση εξόδου του μετατροπέα. Vi: η τάση εισόδου του μετατροπέα. Ο λόγος κατάτμησης D σε περίπτωση ασυνεχούς αγωγής εξαρτάται από το ρεύμα εξόδου και δίνεται από τη σχέση: Vo Vi = D2 2 ( Io Vi Ts Lf ) (4.2) Όπου, Io: το ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. Ts: η διακοπτική περίοδος του μετατροπέα. Lf: η τιμή του πηνίου εξομάλυνσης του μετατροπέα.[10] Αντιστροφείς Αυτή η κατηγορία ηλεκτρονικών μετατροπέων μετατρέπει μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Οι αντιστροφείς χρησιμοποιούνται σε μια σειρά από εφαρμογές οι κύριες εκ των οποίων είναι: Συστήματα ΑΠΕ. Συστήματα ελέγχου στροφών ή ροπής ηλεκτρικών κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος (Adjustable Speed AC Drives). Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος (Power Factor Correction systems-pfc). 59

60 Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (Uninterruptible Power Supply- UPS). Ευέλικτα συστήματα μεταφοράς εναλλασσόμενου ρεύματος (Flexible AC Transmission Systems- FACTS). Ενεργά φίλτρα ισχύος (Active Power Filters-APF). Η είσοδος του αντιστροφέα είναι μια πηγή σταθερής τάσης, συνηθέστερα ΑΠΕ (φωτοβολταϊκές συστοιχίες, κυψέλες καυσίμου), ή μπαταρίες. Σε ορισμένες περιπτώσεις η απαραίτητη για τη λειτουργία του αντιστροφέα συνεχής τάση παρέχεται μέσω ανόρθωσης της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου. Η ανόρθωση αυτή πραγματοποιείται είτε με ελεγχόμενες γέφυρες ημιαγωγικών στοιχείων είτε με μη ελεγχόμενες ανορθωτικές γέφυρες διόδων. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές, στα FACTS και στα ενεργά φίλτρα ισχύος. Ο έλεγχος του πλάτους και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου του αντιστροφέα καθορίζεται από την έναυση και τη σβέση των ημιαγωγικών στοιχείων που τον αποτελούν, οι οποίες ρυθμίζονται μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα η συχνότητα της κυματομορφής εξόδου ρυθμίζεται από τη διακοπτική συχνότητα των ημιαγωγικών στοιχείων, δηλαδή από το ρυθμό με τον οποίο αυτά βρίσκονται σε αγωγή ή σε αποκοπή. Διακοπτική συχνότητα fs ορίζεται ως ο αριθμός των εναύσεων και σβέσεων των ημιαγωγικών στοιχείων στη μονάδα του χρόνου. Αντίστοιχα το πλάτος της βασικής αρμονικής της κυματομορφής εξόδου καθορίζεται είτε με ρύθμιση του χρόνου έναυσης και σβέσης των ημιαγωγών είτε με ρύθμιση της τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Η ρύθμιση του χρόνου αγωγής του αντιστροφέα γίνεται μέσω του λόγου κατάτμησης D (Duty Cycle) του αντιστροφέα. Ο λόγος κατάτμησης ισούται με το χρόνο κατά τον οποίο το ημιαγωγικό στοιχείο άγει προς το συνολικό χρόνο μιας περιόδου. Δηλαδή: D=ton/Ts (4.3) όπου: Ts=1/fs 60

61 με fs τη διακοπτική συχνότητα του αντιστροφέα. Η διακοπτική λειτουργία των ημιαγωγών του μετατροπέα προκαλεί ανώτερες αρμονικές στην κυματομορφή εξόδου οι οποίες πρέπει να εξαλειφθούν για να μην υπάρχει υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος της κυματομορφής εξόδου. Ο πλέον διαδεδομένος τρόπος εξάλειψης των ανώτερων αρμονικών είναι η χρήση παθητικών φίλτρων που όμως αυξάνουν το κόστος, το βάρος και τον όγκο του μετατροπέα. Έτσι προτιμάται η χρήση ενεργών φίλτρων για την καταπολέμηση του προβλήματος, αλλά και άλλες μέθοδοι που δημιουργούν κυματομορφές εξόδου με όσο το δυνατόν καλύτερο αρμονικό περιεχόμενο και αρμονικές σε μεγάλες συχνότητες. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους αντιστροφείς είναι ίδια με αυτά που αναφέρθηκαν και στους μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή. Λόγω της ευρείας χρήσης των αντιστροφέων πηγής τάσης και της χρησιμοποίησης ενός στην παρούσα εργασία θα γίνει μια εκτενέστερη παρουσίαση της κατηγορίας αυτής. Οι αντιστροφείς πηγής τάσης κατηγοριοποιούνται στις εξής γενικές κατηγορίες ανάλογα με τη χρήση τους: Αντιστροφείς τετραγωνικής κυματομορφής. Για να ελεγχθεί το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου μεταβάλλεται το πλάτος της συνεχούς τάσης εισόδου. Με αυτό τον τρόπο η χρήση του αντιστροφέα περιορίζεται στον έλεγχο της συχνότητας της τάσης στην έξοδο. Η εναλλασσόμενη τάση που προκύπτει στη έξοδο έχει τετραγωνική κυματομορφή, οδηγώντας στην ονομασία της συγκεκριμένης ομάδας αντιστροφέων. Αντιστροφείς με διαμόρφωση του εύρους των παλμών (PWM). Η συνεχής τάση εισόδου έχει σταθερό πλάτος. Ο αντιστροφέας έχει τη δυνατότητα να ελέγχει το πλάτος και τη συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου. Ο έλεγχος αυτός γίνεται μέσω της κατάλληλης παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από τη μέθοδο της διαμόρφωση του εύρους των παλμών, η οποία θα αναλυθεί λεπτομερώς στη συνέχεια. Κύριος στόχος των αντιστροφέων της συγκεκριμένης κατηγορίας είναι η βασική αρμονική της 61

62 εναλλασσόμενης τάσης εξόδου να είναι όσο το δυνατόν πιο ημιτονοειδής. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της μεθόδου PWM, με κύρια την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM). Μονοφασικοί αντιστροφείς με απαλοιφή τάσης. Η είσοδος είναι μια συνεχής τάση σταθερού πλάτους και στα διακοπτικά του στοιχεία δεν επιβάλλεται τεχνική διαμόρφωσης του εύρους των παλμών. Επειδή η εναλλασσόμενη τάση εξόδου είναι μονοφασική υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου τόσο της συχνότητας όσο και του πλάτους της με τη τεχνική της απαλοιφής της τάσης. Οι αντιστροφείς αυτοί δεν μπορούν να δημιουργήσουν τριφασική τάση εξόδου.[10] Παρακάτω θα αναλυθεί ο μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας και στη συνέχεια της πλήρους γέφυρας που χρησιμοποιείται και στην εφαρμογή μας Μονοφασικός Αντιστροφέας ημιγέφυρας Ο μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας αποτελείται από δύο ημιαγωγικά στοιχεία. Παράλληλα σε αυτά τοποθετούνται αντιπαράλληλες δίοδοι οι οποίες πολώνονται ορθά όταν τα στοιχεία δεν άγουν και ανάστροφα όταν άγουν. Έτσι κάθε ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει τη φορά του ρεύματος κατά τη μία κατεύθυνση όταν άγει, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει να ρέει κατά την αντίστροφη κατεύθυνση όταν το στοιχείο δεν άγει. Ένα τυπικό παράδειγμα αντιστροφέα ημιγέφυρας παρουσιάζεται στο Σχ. 4.8 Σχήμα 4.8 Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας 62

63 Κατά τη λειτουργία του συγκεκριμένου τύπου αντιστροφέα πραγματοποιείται εναλλάξ έναυση και σβέση των ημιαγωγικών διακοπτών για την παραγωγή μιας εναλλασσόμενης κυματομορφής τάσης τετραγωνικής μορφής στους ακροδέκτες εξόδου. Η μέγιστη τιμή της τάσης που εφαρμόζεται πάνω στο φορτίο έχει μέγιστη τιμή Vin/2 και ελάχιστη τιμή Vin/2. Η παρουσία των αντιπαράλληλων διόδων είναι απαραίτητη όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Αυτό συμβαίνει γιατί οι δίοδοι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος και άρα της ενέργειας από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα. Τα κύρια μειονεκτήματα των μονοφασικών αντιστροφέων ημιγέφυρας είναι τα εξής: Απαιτούνται δύο πυκνωτές για τη δημιουργία της μεσαίας λήψης. Το δυναμικό της μεσαίας λήψης δεν σταθεροποιείται. Το πλάτος της τάσης εξόδου έχει τη μισή τιμή από την τιμή της τάσης εισόδου. Δεν είναι εφικτό να δημιουργηθούν διαστήματα μηδενισμού της τάσης εξόδου για μη ωμικά φορτία. [10] Μονοφασικός Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Αποτελείται από δύο κλάδους, καθένας εκ των οποίων είναι αντιστροφέας ημιγέφυρας. Η χρήση του προτιμάται σε σύγκριση με τον αντίστοιχο αντιστροφέα ημιγέφυρας καθώς έχει διπλάσια μέγιστη τάση εξόδου, ενώ οι εντάσεις των ρευμάτων που διαρρέουν τους ημιαγωγούς είναι οι μισές. Το γεγονός αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Ένα τυπικό παράδειγμα αντιστροφέα πλήρους γέφυρας παρουσιάζεται στο Σχ

64 Σχήμα 4.9 Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Με τη χρήση αυτών των αντιστροφέων αποφεύγεται η μεσαία λήψη στη πλευρά συνεχούς τάσης, αλλά είναι αναγκαία περισσότερα διακοπτικά στοιχεία για τη λειτουργία του. Κατά τη λειτουργία του αντιστροφέα τα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία αναβοσβήνουν ανά διαγώνια ζεύγη. Όταν δηλαδή οι διακόπτες S1 και S4 βρίσκονται σε αγωγή οι διακόπτες S2 και S3 βρίσκονται σε αποκοπή και αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο στην εναλλασσόμενη πλευρά εμφανίζεται μια τετραγωνική τάση με μέγιστη τιμή Vdc και ελάχιστη τιμή Vdc. Ομοίως με προηγουμένως οι αντιπαράλληλες δίοδοι δίνουν ένα δρόμο επιστροφής του ρεύματος και άρα της ενέργειας από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο του αντιστροφέα και είναι απαραίτητες όταν το φορτίο είναι επαγωγικής φύσης. Για τη σωστή λειτουργία των αντιστροφέων αυτών είναι απαραίτητη η καθυστέρηση της έναυσης του στοιχείου που τίθεται σε αγωγή σε σχέση με αυτό που τίθεται σε αποκοπή. Αυτό συμβαίνει γιατί αν τα στοιχεία του ίδιου κλάδου βρίσκονται ταυτόχρονα σε αγωγή δημιουργείται βραχυκύκλωμα στον αντιστροφέα με σημαντικό κίνδυνο βλάβης του. Για να αποφευχθεί το γεγονός αυτό δημιουργείται μια χρονική ζώνη κατά την οποία κανένα στοιχείο του αντιστροφέα δεν έχει παλμό και άρα δεν άγει (dead band). Αυτό το κύκλωμα που καθυστερεί τους παλμούς έναυσης μπορεί να υλοποιηθεί με αναλογικά και ψηφιακά στοιχεία ή με μικροεπεξεργαστές. 64

65 Το αρμονικό περιεχόμενο της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου του αντιστροφέα περιέχει τη βασική αρμονική (στη θεμελιώδη συχνότητα) και ανώτερες αρμονικές σε περιττά πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. Το πλάτος της βασικής αρμονικής είναι: (V AB)1=4/π*Vdc (4.4) άρα η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής θα είναι: (VAB rms )1=4/( 2π)Vdc (4.5) Αντίστοιχα το πλάτος των ανώτερων αρμονικών θα είναι: (V AB)h=4Vdc /(h*π) (4.6) όπου h=3,5,7,9 [10] Παλμοδότηση ΜΠΤ Για να δημιουργηθεί η κατάλληλη έξοδος του ΜΠΤ, δηλαδή ένα ημίτονο ελεγχόμενο και με χαμηλό THD(Total Harmonic Distortion), απαραίτητο είναι να παλμοδοτηθεί κατάλληλα. Έτσι χρησιμοποιείται η παλμοδότηση του [11]. Πιο αναλυτικά, στον μετατροπέα Ανύψωσης-Υποβιβασμού, το μοναδικό ελεγχόμενο διακοπτικό του στοιχείο είναι ένα IGBT transistor. Σε αυτό το στοιχείο υλοποιείται η μέθοδος παλμοδότησης SPWM, όπου μάλιστα το ημίτονο είναι σε απόλυτη τιμή. Έτσι το duty cycle του, που υπολογίζεται συνεχώς, προκύπτει από τον τύπο 65

66 D=Vgrid/(Vgrid+VDC,in) (4.7) Όπου, Vgrid είναι το επιθυμητό ημίτονο εξόδου του ΜΠΤ VDC,in η τιμή της συνεχούς τάσης εισόδου του ΜΠΤ και συνέχεια συγκρίνεται με ένα υψίσυχνο τρίγωνο. Εάν το D είναι μεγαλύτερου της συνάρτησης του τριγώνου, τότε παράγεται παλμός, ενώ σε αντίθετη περίπτωση όχι, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.10 Λόγος κατάτμησης (πάνω-μπλε), Υψίσυχνο τρίγωνο (πάνω κόκκινο), Παλμοδότηση IGBT του μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού (κάτω) Αξίζει να σημειωθεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του τριγώνου (ftri), τόσο μεγαλύτερες είναι οι συχνότητες των ανώτερων αρμονικών. Προφανές λοιπόν είναι ότι όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητά του, τόσο ευκολότερα αποσβένονται οι αρμονικές. Όμως, στην προσομοίωση περιοριζόμαστε από τη δραματική αύξηση του χρόνου προσομοίωσης, με αύξηση της ftri και στον πραγματικό κόσμο από τους χρόνους έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων. Για αυτούς 66