ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 i ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μπλόχερ Κλέμενς του Ζίγκφριντ Αριθμός Μητρώου: 6323 ΘΕΜΑ «Ανάλυση Λειτουργίας και Προστασία για Αιολικά Συστήματα» Επιβλέπων Καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνιος ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Πάτρα, Ιούλιος 2012

2 ii

3 iii ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάλυση Λειτουργίας και Προστασία για Αιολικά Συστήματα» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μπλόχερ Κλέμενς του Ζίγκφριντ Αριθμός Μητρώου: 6323 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / 2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4 iv

5 v Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: ΘΕΜΑ: «Ανάλυση Λειτουργίας και Προστασία για Αιολικά Συστήματα» Φοιτητής: Μπλόχερ Κλέμενς Επιβλέπων: Καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνιος

6 vi ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου τον κ. Α. Θ. Αλεξανδρίδη για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα καθώς και για την καθοδήγησή του στο θέμα της διπλωματικής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διδακτορικό φοιτητή του Τμήματος κ. Μ. Μπουρδούλη για την βοήθεια που μου παρείχε καθ όλη την διάρκεια της ενασχόλησής μου με τη διπλωματική εργασία. Περίληψη: Η αυξανόμενη ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια στον 21 ο αιώνα καθώς και η δραματική μείωση των αποθεμάτων ορυκτού πλούτου στον πλανήτη, οδηγούν στην διαρκώς αυξανόμενη χρήση των λεγόμενων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μεταξύ αυτών και η αιολική ενέργεια. Τα αιολικά συστήματα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα στην εποχή μας, και η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (Σ.Μ.Μ.Μ.), σύστημα το οποίο μοντελοποιείται στο περιβάλλον του Matlab/Simulink και παρουσιάζονται αποτελέσματά της μοντελοποίησης για δλυο περιπτώσεις, μία χωρίς προστασία του συστήματος και μία με προστασία. Στο κεφάλαιο 1 αναφέρονται τα διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα, γίνεται εκτενής αναφορά στην αιολική ενέργεια που μας ενδιαφέρει περισσότερο και παρατίθενται πίνακες για την ενεργειακή κατάσταση στην Ελλάδα και την Ευρώπη. Στο κεφάλαιο 2 δίνεται η μαθηματική περιγραφή της αιολικής ενέργειας μέσω εξισώσεων και περιγράφονται οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών. Κατόπιν παρουσιάζεται η διασύνδεση των αιολικών πάρκων στο δίκτυο και αναφέρονται τα είδη αιολικών πάρκων που υπάρχουν σήμερα. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη που χρησιμοποιείται στο μοντέλο της παρούσης διπλωματικής μαζί με το πλήρες μαθηματικό μοντέλο της. Εν συνεχεία θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d- q δύο κάθετων αξόνων, μέσω μετασχηματισμού Park που διευκολύνει τον έλεγχο και απλουστεύει τις εξισώσεις μας. Επίσης αναλύεται μία μέθοδος ελέγχου της ΣΜΜΜ που στηρίζεται σε γραμμικό PI έλεγχο.αναφέρεται ο τρόπος εξαγωγής των κερδών και παρουσιάζονται οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του μοντέλου της ΣΜΜΜ στο περιβάλλον Matlab/Simulink.

7 vii Στο κεφάλαιο 4 αναφέρεται η ικανήτητα που πρέπει να έχει ένα σύστημα ώστε να λειτουργεί χωρίς προβλήματα στο δίκτυο (fault ride through) και αναλύεται ένας τρόπος προστασίας του παρόντος αιολικού συστήματος που χρησιμοποιήσαμε και κατα τη προσομοίωση του μοντέλου της ΣΜΜΜ. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο παρόν μοντέλο που υλοποιήθηκε, παρατίθενται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων αυτών. Abstract Τhe increasing electrical power needs in the 21 st sentury and the dramaticaly decreasing mineral sources on the planet lead people to take advantage of the renewable power sources, one of which is the wind energy. Wind systems are highly used today, and the current diploma thesis discusses a wind system which uses a synchronous machine with permanent magnet (SMPM), and using the program Matlab/Simulink we produce some results for this system with and without a protection system for it. In Chapter 1 the different renewable energy sources which are used today are mentioned, the wind energy is fully described and some statistics are presented which show the energy status in Greece and Europe nowadays. In Chapter 2 the wind energy mathematical equations are presented and the main types of wind turbines are described. Then the way of their connection to the grid is mentioned and the wind parks which exist today are refered. In Chapter 3 the SMPG which is used in the simulation is presented with its complete mathematical equation system. Furthermore the Park transformation which makes the system control easier is presented. A linear control method with PI controllers is used. The choice of the system gains is shown. The Chapter 4 entails information for the ride through ability a wind system must have when it is connected to the grid for its safe operation, and a way of protection for the wind system which was used during the simulation is analyzed. In Chapter 5 the model parameters are described, the results of the simulation are presented and some comments on these results are made.

8 viii Contents ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Αιολική ενέργεια Πλεονεκτήματα Εκμετάλλευσης Αιολικής Ενέργειας Μειονεκτήματα Εκμετάλλευσης Αιολικής Ενέργειας Διείσδυση Αιολικής Ενέργειας Υπόλοιπες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ηλιακή Ενέργεια Ενέργεια από Υδατοπτώσεις Ενέργεια από Βιομάζα Γεωθερμική Ενέργεια Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Είδη Αιολικών Πάρκων Χερσαία Αιολικά Πάρκα (onshore) Αιολικά Πάρκα κοντά στην ακτή Παράκτια Αιολικά Πάρκα (offshore) Λειτουργία Αιολικών Πάρκων ΚΕΦΑΛΑΙΟ Θεωρητική Προσέγγιση Ανέμου Η αιολική ενέργεια και το τεχνικά αξιοποιήσιμο αιολικό δυναμικό Ενεργειακά χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας Δομή ανεμογεννήτριας Τύποι ανεμογεννητριών ΚΕΦΑΛΑΙΟ

9 ix 3.1. Ο Μετασχηματισμός Park Οι Εξισώσεις του RL Φίλτρου στη Πλευρά του Δικτύου στο a b c και στο d q Σύστημα Ο Έλεγχος της Σύγχρονης Μηχανής με Μόνιμο Μαγνήτη Έλεγχος Προσανατολισμένος στο Πεδίο (field oriented control) ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ανοχή σε βυθίσεις τάσης και απόκριση κατά τη διάρκεια και μετά την εκκαθάριση σφαλμάτων στο δίκτυο (Low Voltage Ride Through) Διατάξεις προστασίας Προστασία συστημάτων μεγάλου μεγέθους Προστασία συστημάτων μικρής κλίμακας ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τα Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Συστήματος της Προσομοίωσης Τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 x

11 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1-Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μία στροφή κυρίως των οικονομικά αναπτυγμένων χωρών προς την επένδυση κεφαλαίων στην έρευνα και αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η διαρκώς αυξανόμενη ρύπανση του περιβάλλοντος, η αύξηση της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου, οι ανθυγιεινές συνθήκες ζωής στα μεγάλα αστικά κέντρα αλλά και η αναπόφευκτη εξάντληση των ορυκτών καυσίμων σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση λόγω της ταχύτατης αύξησης του παγκόσμιου πληθυσμού, οδηγούν προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Είναι πλέον αποδεκτό πως για να καλυφθούν οι σύγχρονες ενεργειακές ανάγκες πρέπει να διασφαλισθεί μια πολυμορφία στην ενεργειακή παραγωγή. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να ξεφύγει από τα καθιερωμένα στάνταρ και τους κλασικούς τρόπους και να στραφεί σε νέες μεθόδους που θα είναι περισσότερο φιλικοί προς το περιβάλλον και θα εξασφαλίζουν χαμηλό κόστος παραγωγής. Η πιο ενδεδειγμένη λύση του προβλήματος αυτού και που αντικαθιστά τις παραδοσιακές πρωτογενείς πηγές όπως το πετρέλαιο, το μαζούτ και το λιγνίτη είναι οι ΑΠΕ, οι οποίες αναπληρώνονται μέσω των φυσικών κύκλων και άρα είναι ανεξάντλητες. Ο ήλιος, ο άνεμος, η γεωθερμία, τα ποτάμια, οι οργανικές ύλες, όπως το ξύλο και ακόμη τα απορρίμματα οικιακής και γεωργικής προέλευσης, είναι πηγές ενέργειας, που η προσφορά τους δεν εξαντλείται ποτέ, η αξιοποίησή τους δεν επιβαρύνει το περιβάλλον και βρίσκονται σε κάθε περιοχή του πλανήτη. Οι ΑΠΕ αποτελούν εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση ανεξαρτητοποίησης και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Σαν πηγές ενέργειας είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας. Όπως αναφέρθηκε, σε εθνικό επίπεδο οι ΑΠΕ συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτητοποίησης και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού. Σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, λόγω της ευελιξίας τους, οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος,ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομών, μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις και καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής. Επίσης η εγκατάσταση και λειτουργία συστημάτων αξιοποίησης ΑΠΕ δημιουργεί νέες θέσεις εργασίας και

12 2 αποφέρει σημαντικά κέρδη στις τοπικές κοινότητες. Έτσι ενισχύονται οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένες περιοχές και προσελκύουν νέες επενδύσεις που μπορούν να συμβάλλουν περεταίρω στη τοπική ανάπτυξη. Τέλος η συνεργασία τους με συμβατικούς σταθμούς παραγωγής συμβάλει στην εξοικονόμηση των ορυκτών πόρων, ώστε αυτοί να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις ανάγκης. Παρόλα αυτά οι ΑΠΕ παρουσιάζουν χαμηλό συντελεστή απόδοσης, το οποίο συνεπάγεται την απαίτηση για μεγάλο σύνολο εγκαταστάσεων και άρα ένα μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Εξαιτίας του γεγονότος αυτού χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. Σε αυτό συμβάλει επίσης και η μεταβλητότητά τους όσον αφορά παραγόμενη ισχύ, όπως για παράδειγμα στα αιολικά πάρκα. Έτσι προς το παρόν οι μονάδες αυτές δεν μπορούν να διεισδύσουν σε μεγάλα ποσοστά στο δίκτυο διανομής. Τέλος η αναπτυσσόμενη τεχνολογία για την αξιοποίηση των ΑΠΕ είναι εξαιρετικά ακριβή σε σχέση με τις συμβατικές πηγές, κάτι που την καθιστά προνόμιο μόνο των ανεπτυγμένων χωρών και απαγορευμένο καρπό για χώρες υπανάπτυκτες. 1.2 Αιολική ενέργεια Γενικά αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές, όπως συνηθίζονται να λέγονται

13 3 οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αιολική ενέργεια αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής. Το «καύσιμο» είναι άφθονο, αποκεντρωμένο και δωρεάν. Δεν εκλύονται αέρια θερμοκηπίου και άλλοι ρύποι, και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές σε σύγκριση με τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα. Επίσης, τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής από την ανάπτυξη της αιολικής βιομηχανίας είναι αξιοσημείωτα. Η σημερινή τεχνολογία βασίζεται σε ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα 2 ή 3 πτερυγίων, με αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ kW. Όταν εντοπιστεί μια ανεμώδης περιοχή και εφόσον βέβαια έχουν προηγηθεί οι απαραίτητες μετρήσεις και μελέτες για την αξιοποίηση του αιολικού της δυναμικού τοποθετούνται μερικές δεκάδες ανεμογεννήτριες, οι οποίες απαρτίζουν ένα «αιολικό πάρκο». Η αιολική ενέργεια αποτελεί την πιο δημοφιλή μορφή εναλλακτικής ενέργειας, τουλάχιστον στην Ευρώπη όπως φαίνεται και από το σχήμα 1.1 που δείχνει τη νέα εγκατεστημένη αιολική ισχύ στην ευρωπαϊκή ένωση την χρονιά ΣΧΗΜΑ 1.1: Καταμερισμός ισχύος στην Ε.Ε. το 2008 Στην Ελλάδα οι επικρατούσες συνθήκες στο Αιγαίο, στο Κρητικό και στο Καρπάθιο πέλαγος, στις ανατολικές ακτές της κεντρικής και νότιας Χώρας, στη Β. Κρήτη και στα Δωδεκάνησα καθ όλη τη διάρκεια του έτους ευνοούν την εμφάνιση ανέμων σημαντικής εντάσεως, ικανής να διατηρεί σε λειτουργία ανεμογεννήτριες για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Έτσι, ευνοείται η εγκατάσταση αιολικών πάρκων που συνήθως συνδέονται σε δίκτυα μέσης και υψηλής τάσης ανάλογα με την εγκατεστημένη ισχύ τους. Παρόμοιες συνθήκες ισχύουν και στο εσωτερικό της χώρας και ιδιαίτερα στις ορεινές περιοχές. Οι συνθήκες στις περιοχές αυτές είναι αρκετά

14 4 ευνοϊκές διότι υπάρχει συνεχής πνοή καλής ποιότητας ανέμου, ελάχιστες μέρες άπνοιας και απουσία τυφώνων. Παρακάτω παρουσιάζεται ο αιολικός χάρτης της Ελλάδος. και υπό τις σημερινές τεχνολογικές συνθήκες και περιορισμούς χωροθέτησης των αιολικών πάρκων, η χώρα μας διαθέτει τεχνικά εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό της τάξης των MW, ενώ υπερβαίνει τα MW αν ληφθούν υπ όψην και οι offshore δυνατότητες. Όμως η πλήρης εκμετάλλευση του δυναμικού αυτού είναι σήμερα δύσκολη λόγω της έλλειψης διασύνδεσης στο σύστημα των νησιών του Αιγαίου (που είναι οι πλέον αποδοτικές περιοχές, με την ταχύτητα του ανέμου να πλησιάζει τα 9 m/s) και του αποκλεισμού ορισμένων περιοχών λόγω διεθνών συνθηκών (Ramsar, Natura κ.τ.λ). Επίσης η έντονη εποχικότητα, που αποτελεί το κύριο χαρακτηριστικό της αιολικής περιορίζει την διαθεσιμότητα και αυξάνει το κόστος ανά kwh. Σχήμα 1.2: Αιολικός Χάρτης Ελλάδος

15 Πλεονεκτήματα Εκμετάλλευσης Αιολικής Ενέργειας Απορρέοντας από τον άνεμο, η αιολική ενέργεια είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια δεν μολύνει την ατμόσφαιρα όπως τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού τα οποία στηρίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων, όπως άνθρακα ή φυσικό αέριο. Οι ανεμογεννήτριες δεν εκλύουν χημικές ουσίες στο περιβάλλον οι οποίες προκαλούν όξινη βροχή και προκαλούν αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Στις Ηνωμένες Πολιτείες η αιολική ενέργεια είναι οικιακή πηγή ενέργειας, καθώς αφθονεί η διαθέσιμη πηγή, ο άνεμος. Η τεχνολογία που αναπτύσσεται περί την αιολική ενέργεια είναι μια από τις πιο οικονομικές που υπάρχουν σήμερα στον χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Κοστίζει ανάμεσα σε 4 και 6 cents ανά κιλοβατώρα. Η τιμή εξαρτάται από την ύπαρξη/παροχή ανέμου και από τη χρηματοδότηση ή μη του εκάστοτε προγράμματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να στηθούν σε αγροκτήματα ή ράντσα, έτσι ωφελώντας την οικονομία των αγροτικών περιοχών, όπου βρίσκονται οι περισσότερες από τις καλύτερες τοποθεσίες από την άποψη του ανέμου. Οι αγρότες μπορούν να συνεχίσουν να εργάζονται στη γη, καθώς οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν μόνον ένα μικρό μέρος της γης. Οι ιδιοκτήτες των εγκαταστάσεων για την παραγωγή αιολικής ενέργειας πληρώνουν ενοίκιο στους αγρότες για τη χρήση της γης Μειονεκτήματα Εκμετάλλευσης Αιολικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια πρέπει να συναγωνιστεί τις συμβατικές πηγές ενέργειας σε επίπεδο κόστους. Ανάλογα με το πόσο ενεργητική, ως προς τον άνεμο, είναι μια τοποθεσία, το αιολικό πάρκο μπορεί ή δεν μπορεί να είναι ανταγωνιστικό ως προς το κόστος. Παρότι το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί δραματικά τα τελευταία 10 χρόνια, η τεχνολογία απαιτεί μια αρχική επένδυση υψηλότερη από εκείνη των γεννητριών που λειτουργούν με καύση ορυκτών. Η ισχυρότερη πρόκληση στη χρησιμοποίηση του ανέμου ως πηγή ενέργειας είναι ότι ο άνεμος είναι περιοδικά διακοπτόμενος και δεν φυσά πάντα όταν ο ηλεκτρισμός απαιτείται. Η αιολική ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί εκτός αν χρησιμοποιηθούν μπαταρίες. Τα κατάλληλα σημεία για αιολικά πάρκα συχνά βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές, μακριά από τις πόλεις όπου χρειάζεται ο ηλεκτρισμός. Η ανάπτυξη της εκμετάλλευσης του ανέμου ως φυσικού πόρου μπορεί ίσως να συναγωνιστεί άλλες χρήσεις της γης και αυτές οι εναλλακτικές χρήσεις ίσως χαίρουν μεγαλύτερης εκτιμήσεως απ ότι η παραγωγή ηλεκτρισμού. Αν και τα αιολικά πάρκα έχουν σχετικά μικρή επίπτωση στο περιβάλλον σε σύγκριση με άλλες συμβατικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, υπάρχει ένας προβληματισμός για τον θόρυβο

16 6 που παράγεται από τις λεπίδες του ηλεκτρικού κινητήρα (ρότορα), για την αισθητική (οπτική) επίπτωση και για τα πουλιά που μερικές φορές έχουν σκοτωθεί καθώς πετούσαν προς τους ηλεκτρικούς κινητήρες. Τα περισσότερα από αυτά τα προβλήματα έχουν επιλυθεί ή έχουν σε σημαντικό βαθμό μειωθεί μέσω της τεχνολογικής ανάπτυξης και εμπειρίας. 1.3 Διείσδυση Αιολικής Ενέργειας Όσον αφορά το μέλλον, η όλο και αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με τη συνεχόμενη ανάπτυξη των δικτύων μεταφοράς και διανομής και τη διασύνδεση των νησιών,θα δώσει τη δυνατότητα περαιτέρω διείσδυσης των ΑΠΕ στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το ερώτημα που τίθεται είναι αν υπάρχουν όρια διείσδυσης των ΑΠΕ και από τι καθορίζονται αυτά. Ένα σύγχρονο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας οφείλει να παρέχει στους καταναλωτές του ηλεκτρική ισχύ αποδεκτής ποιότητας. Η «ποιότητα» ισχύος που παρέχεται χαρακτηρίζεται ως «αποδεκτή» όταν τηρούνται τα χαρακτηριστικά της τάσης που ορίζουν οι εθνικοί και διεθνείς κανονισμοί. Με βάση αυτές τις γενικές αρχές πρέπει να γίνεται η σύνδεση μονάδων παραγωγής στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε αφενός μεν να μην προκαλούνται ενοχλήσεις στους λοιπούς καταναλωτές και αφετέρου να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ του δικτύου διανομής και των εγκαταστάσεων των παραγωγών. Στη περίπτωση αιολικών πάρκων που συνδέονται σε ασθενή και μη διασυνδεμένα ηλεκτρικά συστήματα υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί διείσδυσης. Οι περιορισμοί αυτοί σχετίζονται με τα τεχνικά ελάχιστα των συμβατικών μονάδων παραγωγής αλλά και περιορισμούς που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος. Στα μη διασυνδεδεμένα νησιά, που τροφοδοτούνται στη πλειονότητα από πετρελαϊκές μονάδες υπάρχουν κάποιοι τεχνικοί περιορισμοί που πηγάζουν από την λειτουργία των ίδιων των μονάδων. Οι μονάδες αυτές δεν μπορούν να υποφορτιστούν κάτω από ένα όριο ισχύος που τίθεται από τους κατασκευαστές τους για λόγους οικονομικούς αλλά και ορθής λειτουργίας. Τα όρια ελάχιστης παραγωγής των συμβατικών μονάδων σε συνδυασμό με την εκάστοτε ζήτηση δημιουργούν κάποια όρια μέγιστης διείσδυσης αιολική ισχύος, τα οποία ονομάζονται τεχνικά ελάχιστα των μονάδων παραγωγής. Ένα χαρακτηριστικό των ανεμογεννητριών είναι η διακύμανση της ισχύος εξόδου τους. Η διακύμανση αυτή οφείλεται κατά ένα μεγάλο μέρος στη τυχαιότητα της ταχύτητας του ανέμου και κατά ένα μικρό μέρος στη μικρή βύθιση που παρατηρείται στην αεροδυναμική ροπή κάθε φορά που το πτερύγιο περνά από το πύργο. Η μικρή αυτή βύθιση αποτελεί αιτία εισαγωγής flicker στην ισχύ εξόδου. Σε αυτόνομα συστήματα όταν οι μεταβολές αυτές είναι μεγάλες, δεδομένου ότι το φορτίο παραμένει σταθερό, παρατηρείται διακύμανση στη συχνότητας των αυτόνομων συστημάτων, η οποία οφείλει να ρυθμίζεται από τους ρυθμιστές στροφών του σταθμού. Ακόμα και σε διασυνδεδεμένα συστήματα, μεγάλες αποκλίσεις συχνότητας εξαιτίας απώλειας της αιολικής παραγωγής, ειδικά όταν καλύπτει σημαντικό μερίδιο της ζήτησης του συστήματος, μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε

17 7 κίνδυνο ευστάθειας του συστήματος. Το φαινόμενο αυτό είναι σύνηθες όταν παρουσιαστεί ένα σφάλμα στο δίκτυο αλλά και όταν παρουσιάζονται μεγάλες ταχύτητες ανέμου που υπερβαίνουν την ταχύτητα αποσύνδεσης των ανεμογεννητριών. Για τους λόγους αυτούς εκτός από τους τεχνικούς περιορισμούς διείσδυσης αιολικής παραγωγής, υπάρχουν και οι δυναμικοί περιορισμοί που εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος. Είναι φανερό λοιπόν ότι η διείσδυση της αιολικής ενέργειας ιδιαίτερα σε μη διασυνδεδεμένα και ασθενή δίκτυα είναι περιορισμένη από τεχνικούς και δυναμικούς περιορισμούς. Οι περιορισμοί αυτοί θέτουν κάποια όρια μέγιστης διείσδυσης αιολικής παραγωγής. Στη περίπτωση των τεχνικών περιορισμών, τα όρια καθορίζονται συνάρτηση της παραγωγής των συμβατικών σταθμών παραγωγής αλλά και της εκάστοτε ζήτησης. Όσον αφορά όμως τους δυναμικούς περιορισμούς, γίνονται προσπάθειες αύξησης των ορίων τους βελτιώνοντας τη τεχνολογία των ανεμογεννητριών και τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν σε περιπτώσεις σφαλμάτων του δικτύου.προς αυτή τη κατεύθυνση η σχεδίαση των Α/Γ γίνεται με τρόπο ώστε να είναι περισσότερο ευέλικτες ως προς την λειτουργία τους, ιδιαίτερα σε διαταραχές, παρέχοντας αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικής ισχύος κατά τη διάρκεια σφαλμάτων και όσο είναι δυνατό να αποφεύγεται η αποσύνδεση τους. Συγκεκριμένα η σχεδίαση των Α/Γ θα πρέπει να εξασφαλίζει ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας σε σφάλματα δικτύου αλλά και βυθίσεις τάσης, ικανότητα ρύθμισης και υποστήριξης τάσης σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, συμμετοχή όσο το δυνατό στη ρύθμιση συχνότητας, κρατώντας κάποια εφεδρεία στη παραγωγή και τέλος πρόβλεψη της ταχύτητας του ανέμου. Η Ελλάδα είναι από τις πιο προικισμένες χώρες στον κόσμο από την άποψη του αιολικού δυναμικού. Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε την συνολική εγκατεστημένη αιολική ενέργεια στην ελλάδα ανά έτος. Σχήμα 1.3: Εγκατεστημένη Αιολική Ενέργεια Στην Ελλάδα σε ΜW Ανά Έτος

18 8 Παγκοσμίως η εγκατεστημένη ισχύς σε αιολικά συστήματα το 2010 ανήλθε σε 198 GW, σημειώνοντας μια αύξηση 22.5% σε σχέση με το Η εγκατεστημένη αυτή ισχύς μπορεί να παράγει σε μία κανονική αιολική χρονιά 430 TWh ενέργειας, δηλαδή περίπου το 2.5% της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Στην Κίνα βρίσκονται εγκατεστημένα 44.7 GW, ενώ 40.1 GW βρίσκονται στις ΗΠΑ. Έτσι, η Κίνα τώρα έχει την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ σε αιολικά συστήματα στο κόσμο. Στο σχήμα 1.4 φαίνεται η αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης αιολικής ισχύος από το 1996 έως το Σχήμα 1.4: Η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς σε (GW) κατά τα έτη Τα πρωτεία στην εγκατεστημένη αιολική ισχύ είχαν οι ΗΠΑ τις περιόδους και και η Γερμανία την περίοδο Σύμφωνα με στοιχεία του GWEC (Global Wind Energy Council), οι επενδύσεις σε αιολικά συστήματα παγκοσμίως άγγιξαν τα 25 δισ. το έτος 2007, ενώ ο ρυθμός ανάπτυξης την ίδια χρονιά ήταν 37%, ακλουθώντας το 32% του Ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως τα προηγούμενα πέντε χρόνια ήταν 27.6%. Οι εκτιμήσεις για το 2013 λένε πως οι ρυθμοί αυτοί θα πέσουν στο 15.6%, λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Επίσης, προβλέπονται ότι περισσότερα από 200 GW νέας εγκατεστημένης ισχύος θα έχουν συνδεθεί με το δίκτυο μέχρι το τέλος του Σήμερα, 5,600 MW εγκατεστημένης ισχύος βρίσκονται υπό κατασκευή στις ΗΠΑ (διπλάσια από όσα κατασκευάζονταν τον ίδιο καιρό πέρυσι). Ακόμα, το 35% όλων των νέων ενεργειακών εγκαταστάσεων στις ΗΠΑ από το 2005 και μετά είναι αιολικές και είναι περισσότερες από τις αντίστοιχες νέες εγκαταστάσεις άνθρακα και φυσικού αερίου μαζί.

19 9 Στην Ευρώπη βρίσκονται εγκατεστημένα 84,324 MW και εμφανίζουν ένα μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 23% τα τελευταία 10 χρόνια. Μόνον η Ευρώπη είχε το 2009, το 48% της παγκόσμιας εγκατεστημένης αιολικής ισχύος. Σήμερα,το 21% της ηλεκτρικής ενέργειας της Δανίας, το 18% της Πορτογαλίας, το 16% της Ισπανίας και το 9% της Γερμανίας παράγεται από αιολική ενέργεια. Οι επενδύσεις που έγιναν σε χερσαία αιολικά πάρκα στην Ευρώπη το 2009 άγγιξαν τα δισ., ενώ σε υπεράκτια αιολικά πάρκα άγγιξαν τα 1.75 δισ.. Το 2010 οι επενδύσεις σε χερσαία αιολικά πάρκα ήταν δισ., ενώ σε υπεράκτια ήταν 2.65 δισ.. Οι προβλέψεις για τις επενδύσεις το 2020 μιλούν για δισ. σε χερσαία και δισ. σε υπεράκτια αιολικά πάρκα. Στο σχήμα 1.5 βλέπουμε την εγκατεστημένη αιολική ισχύ των κρατών μελών της Ε.Ε. τα έτη 2009 και 2010 καθώς και την συνολική εγκατεστημένη ισχύ της Ε.Ε. στο τέλος του Σχήμα 1.5: Συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ε.Ε. το 2010.

20 10 Στον Ευρωπαϊκό αιολικό χάρτη εξέχοντα ρόλο έχει η Γερμανία (27,214 MW) και η Ισπανία (20,676 MW), ενώ ακολουθούν η Ιταλία (5797 MW), η Γαλλία (5660 MW) και το Ηνωμένο Βασίλειο (5204 MW). Στο σχήμα 1.6 βλέπουμε τον αιολικό χάρτη της Ευρώπης για το Σχήμα 1.6: Ενίσχυση (με πράσινο χρώμα), απόσυρση (με κόκκινο χρώμα) και τελική εγκατάσταση (με μπλε χρώμα) αιολικής ισχύος στην Ευρώπη το 2010.

21 11 Στόχοι της Ε.Ε. για την αιολική ενέργεια μέχρι το 2020, σύμφωνα με τον EWEA αποτελούν: 230 GW εγκατεστημένης ισχύος εκ των οποίων 190 GW χερσαία και 40 GW υπεράκτια. Κάλυψη του % της Ευρωπαϊκής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Ετήσιες εγκαταστάσεις 24.8 GW και ετήσιες επενδύσεις της τάξης των 26.6 δισ.. Το 22.9% της ολικής ηλεκτρικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη να προέρχεται από αιολική ενέργεια. Παραγωγή 581 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, ισοδύναμη με κατανάλωση 131 εκατ. μέσων Ευρωπαϊκών νοικοκυριών. Αποφυγή Mt CO2 ετησίως. Εξοικονόμηση κόστους καυσίμου 23.9 δισ. (υποθέτοντας κόστος πετρελαίου, όπως το προβλέπει ο IEA, ίσο με 97.4 $ το βαρέλι). Εξοικονόμηση 8.5 δισ. ετησίως, κόστος μόλυνσης σε CO2 (υποθέτοντας κόστος 25 /t εκπεμπόμενου CO2). Στο σχήμα 1.7β φαίνεται το ποσοστό συμμετοχής της κάθε μορφής ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στην Ε.Ε. του Σχήμα 1.7α Σύγκριση της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας 2000 με 2011.

22 12 Σχήμα 1.7β: Το ποσοστό συμμετοχής των διαφόρων ΑΠΕ στον ενεργειακό χάρτη της Ε.Ε. για το Από τα σχήματα 1.7α και 1.7β βλέπουμε τη ολοένα και αυξανόμενη προτίμηση στην αιολική ενέργεια όσο περνάνε τα χρόνια, ενώ στο σχήμα 1.8 που ακολουθεί βλέπουμε τον Ευρωπαϊκό ενεργειακό χάρτη ΑΠΕ όπως εκτιμάται ότι θα έχει διαμορφωθεί μέχρι το έτος Εδώ το δίκτυο είναι ικανό να λειτουργεί 100% με ΑΠΕ, έχοντας εγκατεστημένες τις αναγκαίες διασυνδέσεις και πλήρη ολοκλήρωση της αγοράς ενεργείας. Η αιολική ενέργεια προβλέπεται να καλύπτει το 50% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης. Κυρίαρχο ρόλο στην αιολική ενέργεια θα έχει η Βόρεια Θάλασσα, η Βαλτική Θάλασσα, η Ιβηρική Χερσόνησος, η Νότια Γαλλία και η Κεντρική Ιταλία. Οι μεταβαλλόμενες ΑΠΕ θα αντισταθμίζονται από παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας στην Σκανδιναβία, στις Άλπεις και στην Ιβηρική Χερσόνησο. Τα φωτοβολταϊκά και η ηλιακή θερμική ενέργεια θα έχουν ένα καθοριστικό ρόλο στην αγορά ενέργειας της Νότιας Ευρώπης. Ενώ, η βιομάζα θα έχει καθοριστικό ρόλο στις αγορές ενέργειας της Κεντρικής και της Ανατολικής Ευρώπης.

23 13 Σχήμα 1.8: Ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης το έτος Συμπερασματικά, καταλήγουμε ότι παρά τα όποια προβλήματα υπάρχουν, όπως το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης, την σχετικά ακριβή τιμή της παραγόμενης kwh καθώς και την όχι πλήρως ολοκληρωμένη και εξελιγμένη τεχνολογία του αντικειμένου, τα αιολικά συστήματα αποτελούν μια σταθερή, οικονομικά εφικτή και περιβαλλοντικά φιλική λύση. Όπως δείχνουν τα πράγματα η αιολική ενέργεια ήδη διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην πατρίδα, μας το αιολικό δυναμικό είναι αρκετά υψηλό, έτσι οι επενδύσεις θα πρέπει συναντήσουν πρόσφορο έδαφος.

24 Υπόλοιπες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ηλιακή Ενέργεια Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Τέτοιες είναι το φως, η φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα, η θερμική ενέργεια και οι διάφορες ακτινοβολίες (ενέργεια ακτινοβολίας) Χρησιμοποιείται περισσότερο για θερμικές εφαρμογές ενώ η χρήση της τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος. Η εκμετάλλευση της χωρίζεται στις εξής τρεις κατηγορίες: 1. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα, 2. Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα 3. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό. Κάποια από τα πλεοντεκτήματα που μας προσφέρει η ηλιακή ενέργεια είναι τα εξής: Είναι διαθέσιμη για πάντα και προσφέρεται δωρεάν, είναι απόλυτα φιλική

25 15 προς το περιβάλλον δηλαδή η εκμετάλλευση της δεν είναι ρυπογόνα, η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια γίνεται με μηδενική ρύπανση, αθόρυβα και αξιόπιστα. Επίσης υπάρχουν πολλοί τρόποι αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας είτε παθητικά για αράδειγμα ο σχεδιασμός κτιρίων, είτε ενεργητικά μέσω των ηλιακών θερμοσιφώνων και τέλος μέσω των φωτοβολταϊκών Ενέργεια από Υδατοπτώσεις Είναι η μια διαδεδομένη μορφή ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο. Η υδραυλική ενέργεια που αποτελεί κλάδο των υδατοπτώσεων συμβάλλει στην αντιμετώπιση της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας στο 6% και στο 19% στην παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η μετατροπή ενέργειας των υδατοπτώσεων με τη χρήση υδραυλικών τουρμπίνων παράγει την υδροηλεκτρική ενέργεια ταξινομείται σε μεγάλης και μικρής κλίμακας. Η μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική ενέργεια δεν επιφέρει τόσο μεγάλες επιπτώσεις στο περιβάλλον όσο η μεγάλης κλίμακα. Οι μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικές μονάδες απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τα μικρής κλίμακας συστήματα τοποθετούνται δίπλα σε ποτάμια και κανάλια και έχουν λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι υδατοπτώσεις (υδραυλική ενέργεια) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε νερόμυλους, υδροτριβεία, πριονιστήρια, κλωστοϋφαντουργεία και το σημαντικότερο για παραγωγή ρεύματος για κάλυψη προσωπικών αναγκών ή για πώληση σε άλλους καταναλωτές. Πλεονεκτήματα της είναι η μεγάλη απόδοση 80-85% σε σχέση με τις παραδοσιακές πηγές που έχουν 30-35% απόδοση. Οι

26 16 υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι δυνατό να τεθούν σε λειτουργία αμέσως μόλις ζητηθεί επιπλέον ηλεκτρική ενέργεια, σε αντίθεση με τους θερμικούς σταθμούς (γαιανθράκων, πετρελαίου), που απαιτούν χρόνο προετοιμασίας. Είναι μία "καθαρή" και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, Μέσω των υδροταμιευτήρων δίνεται η δυνατότητα να ικανοποιηθούν και άλλες ανάγκες, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, δημιουργία υγρότοπων, αναψυχή, αθλητισμός Ενέργεια από Βιομάζα Η βιομάζα χρησιμοποιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως αποβλήτων της βιομηχανίας, ξύλου, αστικά απόβλητα, τροφίμων και ζωοτροφών της βιομηχανίας) με σκοπό να αποδεσμεύσει την ενέργεια που δεσμεύτηκε από το φυτό κατά την φωτοσύνθεση. Η βιομάζα είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που ανανεώνεται συνεχώς λόγω της φωτοσύνθεσης. Κατά την καύση της βιομάζας η δεσμευμένη ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική. Τα ανόργανα στοιχεία που περιέχονται στην τέφρα εμπλουτίζουν το έδαφος με θρεπτικά στοιχεία. Η βιομάζα μπορεί να διαχωριστεί σε δυο μέρη: το πρώτο μέρος είναι η παραδοσιακή που περιορίζεται σε μικρή κλίμακα και περιλαμβάνει τα καυσόξυλα, το κάρβουνο για οικιακή χρήση, την ήρα του ρυζιού άλλα φυτικά υπολείμματα επίσης και την κοπρια των ζώων. Το δεύτερο μέρος είναι η σύγχρονη βιομάζα που «απευθύνεται» σε μεγάλης κλίμακας χρήσεις και η χρησιμοποίηση της έχει ως σκοπό την υποκατάσταση των συμβατικών πηγών ενέργειας. Περιλαμβάνει ξερά κλαδιά από το δάσος, γεωργικά υπολείμματα, αστικά απόβλητα, το βιοαέριο και βιοκαύσιμα από ενεργειακές καλλιέργειες όπως είναι τα έλαια από τα φυτά ή και φυτά που περιέχουν άμυλο και σάκχαρο.μέθοδοι επεξεργασίας της βιομάζας είναι η καύση που ως

27 17 προϊόν της έχει την παραγωγή θερμότητας, η πυρόλυση η οποία είναι μια θερμική διαδικασία( βαθμούς Κελσίου) όπου γίνεται η αποικοδόμηση της βιομάζας με απουσία του οξυγόνου. Στην πυρόλυση παράγονται το βιοέλαιο 70% το βιοαέριο 15% και ο ξυλάνθρακας 15%. Υπάρχει επίσης και η διαδικασία της αριοποίησης της βιομάζας όπου γίνεται η θερμική της αποικοδόμηση στους βαθμούς Κελσίου κατά την απουσία οξυγόνου. Τα παραγόμενα προϊόντα είναι το βιοαέριο, η πίσσα και ο ξυλάνθρακας. Όσον αφορά τα υγρά βιοκαύσιμα που προέρχονται από την επεξεργασία της βιομάζας είναι το βιοντίζελ και η βιοαιθανόλη. Το βιοντίζελ παράγεται από φυτικά έλαια κυρίως με μετεστερεοποίηση. Η βιοαιθανόλη παράγεται κυρίως από την ζύμωση των αμυλούχων και σακχαρούχων συστατικών. Τα πλεονεκτήματα τα οποία χαρακτηρίζουν την βιομάζα ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας είναι η θετική συνεισφορά σχετικά με το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή εφόσον με την εκμετάλλευση της δεν παράγονται ρυπογόνα αέρια, η προστασία έναντι της διάβρωσης του εδάφους, οι χαμηλές εισροές σε λιπάσματα, η μείωση της χρήσης των φυτοφαρμάκων και η εκμετάλλευση εδαφών χαμηλής γονιμότητας. Τα τρία τελευταία συνδυάζονται εφόσον εάν για παράδειγμα θέλουμε την παραγωγή κάποιων φυτών τα οποία προορίζονται για βιομάζα τηρούν τα τρία παραπάνω Γεωθερμική Ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα που περιέχεται στο εσωτερικό της γης η οποία προκαλεί διάφορα γεωλογικά φαινόμενα σε παγκόσμια κλίμακα. Η θερμότητα αυτή παράγεται από την ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης. Η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας μπορεί να γίνει άμεσα

28 18 χρησιμοποιώντας το ζεστό νερό για την θέρμανση κτιρίων. Συγκεκριμένα το ζεστό νερό που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της γης οδηγείται μέσω σωλήνων στα κτίρια και τις επιχειρήσεις για παροχή θερμότητας. Επίσης η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείτε για παραγωγή ηλεκτρισμού. Πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση γεωθερμικής ενέργειας είναι η χαμηλή παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα που έχει ως αποτέλεσμα την «αποφυγή» στην συνεισφορά της στην δημιουργία όξινης βροχής καθώς και στην αλλαγή του κλίματος. Τα σημερινά γεωθερμικά πεδία παράγουν μόνο το 1/6 CO2 σε σύγκριση με τις γεννήτριες ηλεκτρισμού και δεν παράγονται καθόλου νιτρικά (NOx) και θειικά (Sox) αέρια. Επίσης η εκμετάλλευση της απαιτεί τη χρήση μιας μικρής έκτασης γης χωρίς να επιβαρύνει το περιβάλλον με την εκμετάλλευση περιοχών που θα υποβάθμιζαν την ποιότητα του περιβάλλοντος Ενέργεια από Παλίρροιες Ακόμα ένα είδος ανανεώσιμης πηγής ενέργειας είναι η ενέργεια από τις παλίρροιες των ωκεανών. Σε αυτήν την περίπτωση εκμεταλλευόμαστε την βαρύτητα της σελήνης και του ήλιου που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Χρησιμοποιώντας ειδικές κατασκευές γίνεται παραγωγή ηλεκτρισμού. Τα

29 19 πλεονεκτήματα είναι ότι για την παραγωγή ενέργειας δεν χρησιμοποιούνται συμβατικές μορφές ενέργειας αρά δεν επιβαρύνεται το περιβάλλον με εκπομπή αερίων που συνεισφέρουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και επίσης θεωρείται μια πολύ αξιόπιστη πηγή ενέργειας λόγω της προβλεψιμότητας της σε σύγκριση για παράδειγμα με την ηλιακή και αιολική που εξαρτώνται από την εποχή και τις καιρικές συνθήκες Ενέργεια από Κύματα Η ενέργεια από κύματα αναφέρεται στην ενέργεια των κυμάτων στην επιφάνεια του ωκεανού. Είναι αποδεδειγμένο ότι υπάρχουν μεγάλα ενεργειακά ρεύματα στην ανοικτή θάλασσα. Με την εκμετάλλευση τους έχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για εκμετάλλευση των κυμάτων. Η ενέργεια των κυμάτων ανοικτής θάλασσας διατίθεται με την μορφή εναλλασσόμενων ανοδικών και καθοδικών κινήσεων του νερού. Από τα κύματα κοντά στην ακτή εκμεταλλευόμαστε την προωστική δύναμη του μετώπου του κύματος για την κίνηση στροβιλοκινητήρων νερού ή αέρα. Κύματα που σπάζουν στην ακτή χρησιμοποιούνται για την πλήρωση φραγμάτων για να παραχθεί στη συνέχεια υδροηλεκτρική ενέργεια. Όλες οι μέθοδοι είναι φιλικές προς το περιβάλλον δεν συντείνουν στην παραγωγή ενέργειας για την εκπλήρωση των αναγκών μας αλλά ταυτόχρονα δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον.

30 Είδη Αιολικών Πάρκων Γενικά αιολικό πάρκο ονομάζεται μια ομάδα ανεμογεννητριών εγκατεστημένες στην ίδια τοποθεσία. Κάθε ανεμογεννήτρια είναι συνδεδεμένη σε ένα εσωτερικό δίκτυο χαμηλής ή μέσης τάσης, το οποίο συνδέεται με το διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή ανύψωσης της τάσης. Υπάρχουν τρία βασικά είδη αιολικών πάρκων τα χερσαία (onshore),τα πάρκα που βρίσκονται κοντά στην ακτή (nearshore) και τα παράκτια (offshore) Χερσαία Αιολικά Πάρκα (onshore) Χερσαία αιολικά πάρκα, ονομάζονται αυτά που κατασκευάζονται στις κορυφογραμμές περιοχών με μεγάλο σχετικά υψόμετρο τουλάχιστον τρία χιλιόμετρα προς το εσωτερικό από την πλησιέστερη ακτογραμμή. Αυτό συμβαίνει για την εκμετάλλευση της λεγόμενης τοπογραφικής επιτάχυνσης, την επιτάχυνση δηλαδή του ανέμου καθώς διασχίζει μια κορυφογραμμή. Η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου οδηγεί και σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην ακριβή τοποθέτηση των ανεμογεννητριών, η οποία γίνεται μετά από αναλυτική παρακολούθηση των τοπικών ανέμων για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα πριν την εγκατάσταση. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι η περιοχή στην οποία εγκαθίσταται το αιολικό πάρκο, αλλοιώνεται μόνο οπτικά και παραμένει αξιοποιήσιμη για γεωργία η κτηνοτροφία.

31 Αιολικά Πάρκα κοντά στην ακτή Είναι τα πάρκα που βρίσκονται στην ξηρά εντός της ζώνης των τριών χιλιομέτρων από την ακτογραμμή ή στην θάλασσα εντός της ζώνης των δέκα χιλιομέτρων από την ακτογραμμή. Αυτές οι τοποθεσίες είναι αποδοτικές για εγκατάσταση λόγω του ανέμου που δημιουργείται από την θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ θάλασσας και ξηράς καθημερινά Παράκτια Αιολικά Πάρκα (offshore) Είναι εγκατεστημένα σε θαλάσσιες περιοχές πέραν των δέκα χιλιομέτρων από την ακτή. Ακριβώς επειδή η επιφάνεια του νερού είναι ομαλότερη αυτής του εδάφους, η ταχύτητα του ανέμου είναι υψηλότερη από την ξηρά, έτσι ο συντελεστής Χρησιμοποίησης ή συντελεστής Εκμετάλλευσης (Capacity Factor) είναι υψηλότερος των άλλων δυο τύπων αιολικών πάρκων. Γενικά έχουν μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, οι πύργοι είναι ψηλότεροι των χερσαίων. Η μεταφορά της ενέργειας γίνεται με υποθαλάσσιο καλώδιο, σε περιπτώσεις μεγάλων αποστάσεων από την ακτή χρησιμοποιείται μεταφορά με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης (HVDC) για ελαχιστοποίηση των απωλειών κατά την μεταφορά.

32 Λειτουργία Αιολικών Πάρκων Το ενδιαφέρον για τη χρήση offshore (παράκτιων) αιολικών πάρκων αυξάνεται σημαντικά διεθνώς. Ο λόγος είναι πως η ταχύτητα του ανέμου κοντά στην ακτή είναι υψηλότερη από ότι onshore (χερσαία πάρκα), κάτι που σημαίνει πολύ υψηλότερη παραγωγή ισχύος. Ένα 10% αύξηση στην ταχύτητα του ανέμου αντιστοιχεί σε 30 % αύξηση στην παραγωγή ισχύος. Εντούτοις, το κόστος εγκατάστασης είναι πολύ μεγαλύτερο για offshore σε σχέση με onshore αιολικά πάρκα. Το εσωτερικό ηλεκτρικό σύστημα ενός offshore αιολικού πάρκου και η σύνδεσή του με το κύριο σύστημα ισχύος θέτει νέες προκλήσεις. Στο onshore, η συνηθισμένη λύση είναι ένα a.c. δίκτυο μέσα στο αιολικό πάρκο, το οποίο συλλέγει την παραγωγή ισχύος από κάθε ανεμογεννήτρια. Το επίπεδο της τάσης μέσα σε ένα αιολικό πάρκο είναι συχνά το ίδιο με το μέσο επίπεδο της τάσης στο σημείο διανομής του δικτύου. Όπως οι περισσότερες γεννήτριες σε αιολικά συστήματα λειτουργεί σε ένα επίπεδο τάσης των 690V. Μετασχηματιστές οι οποίοι έχουν εγκατασταθεί απευθείας ή κοντά στη βάση κάθε ανεμογεννήτριας χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν το επίπεδο τάσης της γεννήτριας στο επίπεδο τάσης του δικτύου του αιολικού πάρκου. Το υψηλότερο επίπεδο τάσης που χρησιμοποιείται σε ένα onshore αιολικό πάρκο κινείται συνήθως μεταξύ 33 και 36kV. Εντούτοις, τα offshore αιολικά πάρκα τείνουν να γίνουν μεγαλύτερα και η απόσταση ανάμεσα στις ανεμογεννήτριες είναι συνήθως μεγαλύτερη από ότι σε onshore αιολικά πάρκα.

33 23 Για μεγάλα offshore αιολικά πάρκα με a.c. δίκτυο, υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι χρήσιμα για την ελαχιστοποίηση των απωλειών ισχύος, αλλά από την άλλη μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερους μετασχηματιστές και υψηλότερα κόστη μετασχηματιστών. Οι μετασχηματιστές τοποθετούνται στην άτρακτο, τον πύργο ή σε ένα κιβώτιο μετά την ανεμογεννήτρια. Για αυτό το λόγο το μέγεθος του μετασχηματιστή μπορεί να είναι πρόβλημα. Σήμερα, μια τάση συλλογής των 36kV θεωρείται κλασική επιλογ. Μικρότερα offshore αιολικά πάρκα επιλέγονται για συγκριτικά χαμηλά επίπεδα τάσης. Ο λόγος είναι ότι η μείωση των απωλειών φόρτισης δεν είναι επαρκής για να δικαιολογηθεί το κόστος του απαιτούμενου εξοπλισμού για υψηλότερα επίπεδα τάσης. Το ίδιο εφαρμόζεται σε μικρότερα offshore αιολικά πάρκα που σχεδιάζονται τελευταία. Ο σχεδιασμός δικτύου ενός offshore αιολικού πάρκου δεν αντιστοιχεί απαραίτητα στο πιο ενεργειακά αποδοτικό δίκτυο (δηλ. με τις χαμηλότερες απώλειες). Ο λόγος είναι ότι οι offshore σταθμοί μετασχηματισμού είναι πιο σύνθετοι και περιλαμβάνουν μεγάλες δομές υποστήριξης. Έτσι, οι offshore σταθμοί μετασχηματισμού είναι πολύ ακριβοί ενώ δεν είναι εξακριβωμένη ακόμα η αξιοπιστία τους. Για τη μεταφορά στην ακτή, χρησιμοποιούνται είτε HVAC (υψηλής τάσης εναλλασσόμενο ρεύμα) είτε HVDC (υψηλής τάσης συνεχές ρεύμα) συνδέσεις. Για HVDC υπάρχουν δυο τεχνικές : ο LCC (line commutated converter) βασισμένος στην HVDC τεχνολογία και ο VSC (voltage source converter) βασισμένος στο HVDC. Όλα τα offshore αιολικά πάρκα που λειτουργούν τελευταία έχουν αποδεχτεί την a.c. επιλογή, καθώς και όλα όσα προγραμματίζεται να εγκατασταθούν στο άμεσο μέλλον θα χρησιμοποιούν επίσης την a.c. λύση. Αυτό γίνεται εξαιτίας του συγκριτικά μικρού μεγέθους και / ή της μικρής απόστασης ανάμεσα στην ακτή και τα υπαρκτά αιολικά πάρκα. Καθώς το μέγεθος των μελλοντικών αιολικών πάρκων και η απόσταση από την ακτή φαίνεται να αυξάνονται, αυτό μπορεί να αλλάξει.

34 24

35 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΑΝΕΜΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩN 2.1 Θεωρητική Προσέγγιση Ανέμου Η χαμηλότερη περιοχή της ατμόσφαιρας, στην οποία βρίσκονται και οι περισσότερες κατασκευές, ονομάζεται ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα. Εκεί, η κίνηση του ανέμου επιβραδύνεται από δυνάμεις τριβής και μεγάλα εμπόδια στην επιφάνεια της γης καθώς και από φαινόμενα που οφείλονται στο στροβιλισμό. Ο στροβιλισμός, ο οποίος μπορεί να είναι μηχανικής ή και θερμικής προέλευσης, προκαλεί απότομες μεταβολές στην ταχύτητα του ανέμου σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων και πλατών, γνωστές ως ριπές. Από μετρήσεις της ταχύτητας του ανέμου σε διάφορα ύψη από το έδαφος, διαπιστώνουμε ότι: - η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται συναρτήσει του ύψους από το έδαφος - στην περιοχή υπάρχουν διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου, δηλαδή στροβιλισμός - ο στροβιλισμός διαδίδεται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων Προκειμένου να διαχωριστούν οι μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου που οφείλονται στο στροβιλισμό από τις πιο αργές, που οφείλονται σε μακρομετεωρολογικά φαινόμενα, χρησιμοποιείται το μέγεθος της μέσης τιμής της ταχύτητας του ανέμου, V, που δίνεται από την εξίσωση 2.1 : v(t) : η στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου Τ : το χρονικό διάστημα στο οποίο γίνεται η ολοκλήρωση ώστε να υπολογιστεί η μέση τιμή Η ενεργειακή φασματική κατανομή της ταχύτητας του ανέμου έχει δύο περιοχές. Η περιοχή χαμηλών συχνοτήτων του φάσματος αντιστοιχεί στα μακρομετεωρολογικά φαινόμενα. Σε αυτήν περιλαμβάνονται οι μεταβολές του

36 26 ανέμου που οφείλονται σε αλλαγές του καιρού από μέρα σε μέρα έως εβδομάδα (συνοπτικές μεταβολές) και οι μεταβολές του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημέρας που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές ανάμεσα στη στεριά και τη θάλασσα (ημερήσιες μεταβολές). Η πλευρά των υψηλών συχνοτήτων αντιστοιχεί στα μικρομετεωρολογικά φαινόμενα και οι μεταβολές οφείλονται στο στροβιλισμό. Ο στροβιλισμός παίζει σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό και στην απόδοση των ανεμογεννητριών, καθώς και στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος στο τροφοδοτούμενο δίκτυο. 2.2 Η αιολική ενέργεια και το τεχνικά αξιοποιήσιμο αιολικό δυναμικό Ο υπολογισμός του τεχνικά αξιοποιήσιμου αιολικού δυναμικού είναι μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία ακόμα και αν ληφθεί υπόψη μόνο η διαθεσιμότητα του ανέμου και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιούμε. Η μέση μηνιαία ή ετήσια ταχύτητα ανέμου και ο βαθμός απόδοσης των ανεμογεννητριών δεν αρκούν για τον υπολογισμό. Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε ακριβώς την μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου κατά την διάρκεια του έτους. Πολλές φορές η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει του χρόνου παριστάνεται με την βοήθεια της κατανομής Weibull (σχήμα 2.1). Η συνάρτηση Weibull δίνεται από την εξίσωση 2.2 : Όπου: p(v) η συχνότητα εμφάνισης της ταχύτητας του ανέμουv C παράμετρος κλίμακας ή χαρακτηριστική ταχύτητα του ανέμου k παράμετρος μορφής Στο συγκεκριμένο σχήμα δεχόμαστε μια μέση ταχύτητα ανέμου 7m/sec ενώ επειδή χρησιμοποιείται παράμετρος μορφής 2 (μια συνηθισμένη τιμή για την Β.Δ. Ευρώπη), συμπίπτει με την κατανομή Rayleigh. Για τα νησιά του Αιγαίου η παράμετρος μορφής κυμαίνεται από 1,4 ως 2, ενώ σε ορισμένα νησιά παίρνει μικρότερες τιμές όπως 1,22 (Ηράκλειο). Όσο μικρότερη είναι η τιμή της παραμέτρου τόσο η κατανομή γίνεται πιο ομοιόμορφη και οι ταχύτητες κοντά στην μέση είναι συχνότερες. Για να σχηματιστεί η καμπύλη του σχήματος 2.1 απαιτείται πειραματικός προσδιορισμός της συχνότητας των ταχυτήτων του ανέμου και γνώση της μορφολογίας της περιοχής έτσι ώστε οι ταχύτητες να αναχθούν από το ύψος των μετεωρολογικών μετρήσεων στο ύψος του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Αυτή η αναγωγή γίνεται με την βοήθεια της σχέσης 2.3 :

37 27 όπου a παράμετρος που αυξάνεται όσο πιο έντονη γίνεται η μορφολογία και η τραχύτητα του εδάφους. Γενικά είναι προτιμότερο για το προσδιορισμό της ταχύτητας του ανέμου να χρησιμοποιηθούν πίνακες του ευρωπαϊκού αιολικού άτλαντα που εκφράζουν την ταχύτητα του ανέμου συναρτήσει του ύψους και της τραχύτητας του εδάφους για τις περιοχές που μας ενδιαφέρουν. Η ισχύς του ανέμου ορισμένης ταχύτητας είναι: - p είναι η πυκνότητα του αέρα - Α είναι η επιφάνεια από όπου διέρχεται ο άνεμος - u είναι η ταχύτητα του ανέμου

38 28 Σχήμα 2.1: Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας Ταχυτήτων Ανέμου Από το σχήμα 2.1 φαίνεται ότι οι υψηλές ταχύτητες του ανέμου σπανίζουν, αλλά η συνεισφορά τους στην παραγόμενη ενέργεια είναι πολύ μεγάλη (σχέση 2.4). Για τον υπολογισμό της αιολικής ισχύος δεν λαμβάνουμε υπόψη την μέση ταχύτητα αλλά πολλαπλασιάζουμε κάθε πιθανότητα μιας ορισμένης ταχύτητας ανέμου (από την Weibull) με την ισχύ που παράγεται σε αυτή την ταχύτητα. Έτσι σχηματίζεται η θεωρητική κατανομή της αιολικής ισχύος για κάθε ταχύτητα (σχήμα 2.2,γκρι καμπύλη). Μια ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να παραλάβει όλη αυτή την ισχύ γιατί τότε ο αέρας που θα περνούσε πίσω από την έλικα της ανεμογεννήτριας δεν θα απομακρύνονταν διότι θα είχε μηδενική κινητική ενέργεια στην έξοδο. Έτσι, δεν θα παραλάμβανε καθόλου ενέργεια επειδή ο στάσιμος αέρας στην έξοδο δεν θα επέτρεπε να εισαχθεί νέος. Στην αντίθετη περίπτωση θα διέρχονταν ο αέρας χωρίς καμία αντίσταση και δεν θα παράγονταν έργο. Έχει αποδειχτεί ότι μια ιδανική ανεμογεννήτρια θα πρέπει να μειώσει την αρχική ταχύτητα του αέρα κατά τα 2/3 της. Επιπλέον σύμφωνα με τον νόμο του Albert Betz (1919): Η μέγιστη μηχανική ισχύς που μπορεί να παραχθεί από αιολική είναί ίση με 59,3% αυτής. Όπως αναφέραμε, αν πολλαπλασιαστεί η ισχύς ανέμου για κάθε ταχύτητα (σχέση 2.4) με την αντίστοιχη πιθανότητα εμφάνισης αυτής της ταχύτητας (σχήμα 2.1) τότε προκύπτει η γκρι καμπύλη του σχήματος 2.2. Ετσι κάτω από την γκρι καμπύλη φαίνεται η θεωρητική ισχύς ανά m2 ροής αέρα (δεχόμενοι μια μέση ταχύτητα 7m/s και παράμετρο μορφής της Weibull 2). Η περιοχή κάτω από την μπλε καμπύλη αποτελεί το 59,3% της θεωρητικής, ενώ η κόκκινη περιοχή εκφράζει την πραγματική ηλεκτρική ισχύ που παράγεται από την ανεμογεννήτρια.

39 29 Σχήμα 2.2: Συνάρτηση Πυκνότητας Ισχύος Ανέμου Συγκρίνοντας την μορφή των σχημάτων 2.1 και 2.2 συμπεραίνουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτρια κατά την διάρκεια ενός έτος παραλαμβάνεται σε ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της μέσης (γι αυτό άλλωστε δεν μπορούμε να υπολογίσουμε το αιολικό δυναμικό από την μέση ταχύτητα). Για να γίνει ο προσδιορισμός της κόκκινης περιοχής πρέπει να λάβουμε υπόψη την καμπύλη ισχύος (power curve) της ανεμογεννήτριας. Η καμπύλη αυτή καθορίζει την απόδοση της ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου και είναι διαφορετική για κάθε ανεμογεννήτρια. Μια τυπική καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας 600 kw δανικής κατασκευής φαίνεται στο σχήμα 2.3.

40 30 Σχήμα 2.3: Καμπύλη Ισχύος Ανεμογεννήτριας Για τον προσδιορισμό της μέσης ετήσιας ισχύς (σύμφωνα με την μέθοδο Cliff) πρέπει να πολλαπλασιαστούν οι αντίστοιχες τιμές των σχημάτων 2.1 και 2.3 που ισχύουν για κάθε ταχύτητα ανέμου και να αθροιστούν τα γινόμενα. Δηλαδή με το πολλαπλασιασμό της πιθανότητας εμφάνισης μιας ταχύτητας ανέμου (σχήμα 2.1) με την ισχύ που αποδίδει η ανεμογεννήτρια σε αυτή την ταχύτητα (σχήμα 2.3) προσδιορίζεται η συνεισφορά της κάθε ταχύτητας του ανέμου στην μέση ετήσια ισχύ της ανεμογεννήτριας. Στην συνέχεια το άθροισμα αυτών των γινομένων (μέση ετήσια ισχύς) πολλαπλασιάζεται με την διαθεσιμότητα της ανεμογεννήτριας και με τις 8760 ώρες του έτους. Η διαθεσιμότητα των σύγχρονων ανεμογεννητριών είναι τουλάχιστον 98%. Επιπλέον πρέπει να λάβουμε υπόψη την μέση θερμοκρασία της περιοχής που εξετάζουμε, διότι κάθε καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας έχει υπολογιστεί για 15ΊC. Μια αύξηση της θερμοκρασίας θα οδηγούσε σε μείωση της πυκνότητας του αέρα άρα και της ισχύος της ανεμογεννήτριας διότι τότε μετατοπίζεται η καμπύλη 3 προς τα κάτω σύμφωνα με τη σχέση ισχύος της ανεμογεννήτριας : - Cf: ένας συντελεστής άνωσης (χαρακτηριστικός για κάθε ανεμογεννήτρια) - p: η πυκνότητα του αέρα

41 31 - Α: η επιφάνεια από όπου διέρχεται ο άνεμος - u: η ταχύτητα του ανέμου Ο συντελεστής άνωσης ή συντελεστής αεροδυναμικής απόδοσης Cf εκφράζει το ποσοστό της ενέργειας που έχει ο άνεμος λίγο πριν τον ανεμοκινητήρα, το οποίο μετατρέπεται σε μηχανικό έργο στο δρομέα. Δίνεται από τη σχέση : όπου a συντελεστής που ισούται με : V 1, V 0 : οι ταχύτητες του ανέμου αρκετά πριν και κοντά στο δρομέα Παραγώγιση του Cf ως προς a δίνει τη μέγιστη τιμή του η οποία είναι : Αυτό είναι το όριο του Betz που αναφέρθηκε παραπάνω. Ο συντελεστής Cf είναι συνάρτηση της γεωμετρίας των πτερυγίων και του λόγου ταχύτητας προς την ταχύτητα του αέρα, λ. που ορίζεται από την εξίσωση : Όπου: ω R V γωνιακή ταχύτητα των πτερυγίων ακτίνα των πτερυγίων μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου στο ύψος του άξονα του δρομέα Από την σχέση 3 ή το σχήμα 2.3 φαίνεται ότι είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε με μεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα του ανέμου στην περιοχή εγκατάστασης των ανεμογεννητριών. Επιπλέον είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η

42 32 μέση ετήσια παραγόμενη ενέργεια μιας ανεμογεννήτριας συναρτήσει της μέσης ταχύτητας του ανέμου για διάφορες τιμές της παραμέτρου μορφής. Η καμπύλη αυτή εξάγεται με βάση την μέθοδο Cliff και συνήθως δίνεται μαζί με τα υπόλοιπα τεχνικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας. 2.3 Ενεργειακά χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας Για να προσδιοριστεί ο βαθμός απόδοσης μιας ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου, πρέπει να διαιρεθεί κάθε ισχύς της αντίστοιχης καμπύλης 2.3 με την θεωρητική ισχύ του ανέμου σε αυτή την ταχύτητα (σχέση 2.4). Έτσι προκύπτει ο βαθμός απόδοσης του σχήματος 2.4. Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος μιας ανεμογεννήτριας που εξαρτάται από την κατανομήτης ταχύτητας του ανέμου κατά την διάρκεια του έτους, τον τόπο εγκατάστασής της και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της είναι ο συντελεστής εκμετάλλευσής της. Ο συντελεστής αυτός εκφράζει το λόγο της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας προς αυτήν που θα παράγονταν αν η ανεμογεννήτρια λειτουργούσε στην ονομαστική ισχύ της συνεχώς κατά την διάρκεια του έτους. Ο συντελεστής εκμετάλλευσης εκφράζει πόσο αξιοποιείται η ανεμογεννήτρια στον τόπο εγκατάστασής της. Σχήμα 2.4: Βαθμός Απόδοσης Ανεμογεννήτριας

43 33 Είναι προφανές ότι κάθε ανεμογεννήτρια μπορεί να είναι βελτιστοποιημένη ώστε να αποδίδει καλύτερα σε ένα εύρος ταχυτήτων. Μεταβάλλοντας μεγέθη όπως το ύψος της ή την γωνία και τη γεωμετρία των πτερυγίων ή το μέγεθος των πτερυγίων ή το μέγεθος της γεννήτριας μεταβάλλεται η ενεργειακή συμπεριφορά της. Αλλάζοντας τα δύο τελευταία μεγέθη μεταβάλλεται η καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας, ενώ το ύψος της επηρεάζει μόνο την ταχύτητα του ανέμου. Γενικά οι ανεμογεννήτριες πρέπει να έχουν τον μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης στις ταχύτητες ανέμου που παράγεται η περισσότερη ενέργεια ετησίως (δηλ. Στο εύρος των συχνότερων υψηλών ταχυτήτων). Για δεδομένο μέγεθος έλικα, όσο πιο μεγάλη είναι η γεννήτρια και όσο μεγαλύτερες οι ταχύτητες του ανέμου (αυτό επιτυγχάνεται αυξάνοντας το ύψος του ρότορα), τόσο πιο πολύ ενέργεια θα παράγεται, όμως συγχρόνως δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε μικρές και μέσες ταχύτητες. Αντίθετα για την ίδια έλικα, όσο μικρότερη είναι η γεννήτρια τόσο καλύτερα θα αποδίδει σε αδύναμους ανέμους αλλά δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε μεγάλες ταχύτητες. Οι μικρές ανεμογεννήτριες παράγουν μικρά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας, όμως δεν απαιτούν ισχυρό δίκτυο, παράγουν σχετικά πιο σταθερή ισχύ (διότι αποδίδουν καλύτερα σε μικρότερες ταχύτητες), απαιτούν μικρότερο κόστος θεμελίωσης και είναι αισθητικά πιο αποδεκτές από τους κατοίκους. Τέλος τα αιολικά πάρκα είναι προφανώς πιο αξιόπιστα όταν έχουν πολλές μικρές ανεμογεννήτριες. Με βάση τα παραπάνω φαίνεται ότι μια μεγάλη ανεμογεννήτρια δεν είναι πάντα η καλύτερη λύση λόγω της οικονομίας κλίμακας, αλλά εξαρτάται από την ταχύτητα των ανέμων και τις ανάγκες μας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος πρέπει να αναφερθεί ότι οι ανεμογεννήτριες παραλαμβάνουν περίπου μέσα σε 2-3 μήνες λειτουργίας όλη την ενέργεια που απαιτήθηκε για να κατασκευαστούν, ενώ οι παραθαλάσσιες ανεμογεννήτριες απαιτούν ακόμα λιγότερο χρόνο. 2.4 Δομή ανεμογεννήτριας Στις μέρες μας, ένας τύπος (με βάση τη θέση του άξονα) Α/Γ έχει κυριαρχήσει.είναι ο τύπος του οριζόντιου άξονα.περιλαμβάνει συνήθως 3 πτερύγια και αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: Δρομέα (ρότορας) : είναι το μέρος αυτό με το οποίο μεταφέρεται η μηχανική ισχύς, ώστε να γίνει ηλεκτρική μέσω της επαγωγής μέσα στη γεννήτρια. Μερικές φορές χρησιμοποιείται σύστημα γραναζιών για να επιτευχθεί η επιθυμητή συχνότητα περιστροφής. Γεννήτρια : Ο μηχανισμός αυτός παράγει την ηλεκτρική ενέργεια όταν η ταχύτητας του ανέμου υπερβεί το κατώφλι για την έναρξη παραγωγής ισχύος.

44 34 Κατευθυντήριο σύστημα : Το σύστημα αυτό είναι είτε ένα ουριαίο πτερύγιο είτε για μεγάλες Α/Γ,ένας μηχανισμός με γρανάζια και κινητήρα, ώστε η Α/Γ να εκμεταλλευτεί όσο γίνεται καλύτερα τον άνεμο, στην κατεύθυνση που αυτός κινείται. Σύστημα προστασίας : Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι συνήθως εξοπλισμένες με μηχανισμούς για να αποτρέψουν κάποια ζημία στους υπερβολικά δυνατούς ανέμους. Οι μεγάλες μπορούν και έχουν σύνθετες ρυθμίσεις για να διακόψουν την παραγωγή με τις ταχύτητες υψηλού αέρα. Τα μικρότερα συστήματα αλλάζουν τον προσανατολισμό των πτερυγίων ή και των λεπίδων, έτσι ώστε μειώνουν την ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων τους, ή χρησιμοποιούν μηχανικά δισκόφρενα. Πύργος : Ο σχεδιασμός των πύργων είναι ιδιαίτερα κρίσιμος, καθώς πρέπει να είναι ψιλός, γερός, να επιτρέπει την πρόσβαση στην ανεμογεννήτρια για τη συντήρησή της, και όμως να μην επιβαρύνει το κόστος του συστήματος. Στις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα στην άτρακτο υπάρχει και το σύστημα προσανατολισμού τους, ανάλογα με τη διεύθυνση του ανέμου.

45 Σχήμα 2.5: Βασική Δομή Ανεμογεννήτριας 35

46 36 Σχήμα 2.6 : Τομή Ανεμογεννήτριας Παρακάτω αναφέρονται τα κυριότερα στοιχεία που απαρτίζουν την ανεμογεννήτρια κάνοντας μια τομή σε αυτήν όπως βλέπουμε και στο ανωτέρω σχήμα. Ο δρομέας είναι ίσως το πιο βασικό ζήτημα στη σχεδίαση του όλου του συστήματος. Αποτελείται από την πλήμνη και τα πτερύγια. Το πτερύγιο έχει αεροδυναμικό σχήμα και μπορεί να είναι ενιαίο η να διαθέτει ακροπτερύγιο. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (αριθμός πτερυγίων, κατανομή πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από την βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να είναι ασύγχρονη η σύγχρονη γεννήτρια. Γενικά προτιμούνται οι ασύγχρονες γεννήτριες λόγω της απλότητάς της κατασκευής τους, αν και οι σύγχρονες έχουν καλύτερη συμπεριφορά σε αδύνατα δίκτυα.

47 37 Ανεμομετρητής (Anemometer): Μετρά την ταχύτητα του ανέμου και μεταφέρει δεδομένα για την ταχύτητα του ανέμου στον ελεγκτή. Φρένο (Brake): Ένας δίσκος φρένου, ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί κατά τρόπο μηχανικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό, ώστε να σταματά ο ρότορας (ηλεκτρικός κινητήρας) σε περιπτώσεις επείγουσας ανάγκης. Κιβώτιο Ταχυτήτων (Gear box): Τα γρανάζια συνδέουν τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνουν τις ταχύτητες περιστροφής από περίπου 30 έως 60 περιστροφές το λεπτό (rpm = περιστροφή ανά λεπτό) σε 1000 έως 1800 περιστροφές το λεπτό, που είναι η ταχύτητα περιστροφής που οι περισσότερες ανεμογεννήτριες απαιτούν ώστε παραγάγουν ηλεκτρισμό. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ακριβό (και βαρύ) εξάρτημα της ανεμογεννήτριας και οι μηχανικοί ερευνούν προς την κατεύθυνση ανεμογεννητριών «άμεσης ώθησης» ( direct-drive ) οι οποίες λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής και δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων. Άξονας υψηλής ταχύτητας (High-speed shaft): Θέτει τη γεννήτρια σε κίνηση. Άξονας χαμηλής ταχύτητας (Low-speed shaft): Ο ρότορας (rotor, ηλεκτρικός κινητήρας) στρέφει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας σε περίπου 30 έως 60 περιστροφές το λεπτό. Ατρακτίδιο (Nacelle) : Το ατρακτίδιο βρίσκεται στην κορυφή του πύργου και περιέχει το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και το φρένο. Μερικά ατρακτίδια είναι τόσο μεγάλα, ώστε ακόμη και ένα ελικόπτερο μπορεί να προσγειωθεί πάνω τους. Στροφή Πτερυγίων (Pitch): Οι λεπίδες στρέφονται, ή στρίβουν γύρω από τον άξονά τους, ανεξάρτητα από τον άνεμο, ώστε να ελέγχουν την ταχύτητα του ρότορα (ηλεκτρικού κινητήρα) και να εμποδίζουν τον ρότορα από το να στρίβει σε ανέμους οι οποίοι είναι υπερβολικά ισχυροί ή υπερβολικά ασθενείς για να παραγάγουν ηλεκτρισμό. Ανεμοδείκτης (Wind vane): Μετρά την κατεύθυνση του ανέμου και επικοινωνεί με το yaw drive για να προσανατολίσει την ανεμογεννήτρια σωστά, όσον αφορά στον άνεμο. Οδηγός για την Αποφυγή Εκτροπής (Yaw drive): Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω, "upwind", είναι στραμμένες προς τον άνεμο. Οι ανεμογεννήτριες που είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα κάτω, "downwind", δεν χρειάζονται yaw drive, διότι ο άνεμος φυσά και κινεί τον ρότορα προς τα κάτω. Κινητήρας του Οδηγού για την Αποφυγή Εκτροπής (Yaw motor): Δίνει ενέργεια στο yaw drive.

48 38 Το σύστημα προσανατολισμού είναι ένας σερβοκινητήρας ο ποιός ελέγχεται από τον ανεμοδείκτη του ανεμογράφου και αναγκάζει τον δρομέα να παρακολουθεί την κατεύθυνση του ανέμου και να παραμένει κάθετος σε αυτήν. Ο πύργος στις ανεμογεννήτριες στηρίζει τη νασέλλα και το δρομέα. Μπορεί να είναι τύπου δικτυώματος, σωληνωτός και σπανιότερα από σκυρόδεμα. Η θεμελίωση γίνεται με οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω στο οποίο τοποθετείται με βίδες ο πύργος. Ο πύργος έχει σχήμα κώνου που εξυπηρετεί την αύξηση της αντοχής και στην εξοικονόμηση υλικών με τη διάμετρο να αυξάνεται όσο πλησιάζουμε τη βάση. Μεγάλης σημασίας είναι η γείωση που πρέπει να έχει τη μεταλλική κατασκευή της ανεμογεννήτριας. 2.5 Τύποι ανεμογεννητριών Υπάρχουν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών αναφορικά με την διαμόρφωση του ηλεκτρικού μέρους τους κάθε ένας με διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαφορετικά πλεονεκτήματα λειτουργίας. Οι κύριοι τύποι διακρίνονται σε : 1. Σταθερών στροφών, με ασύγχρονη γεννήτρια κλωβού, απ ευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο (σχήμα 1.4 α). 2. Περιορισμένης λειτουργίας μεταβλητών στροφών, με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα μεταβλητής αντίστασης, απ ευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο (σχήμα 1.4.β). 3. Μεταβλητών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης (σχήμα 1.4 γ). 4. Μεταβλητών στροφών με σύγχρονη γεννήτρια με τύλιγμα διεγέρσεως ή μόνιμο μαγνήτη (σχήμα 1.4.δ).

49 39 Σχήμα 2.7: Επικρατέστερες διαμορφώσεις ηλεκτρικού μέρους Ανεμογεννητριών : (α)α/γ σταθερών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού, (β) Α/Γ σταθερών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα, (γ) Α/Γ μεταβλητών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα διπλής τροφοδότησης, (δ) Α/Γ μεταβλητών στροφών με σύγχρονη γεννήτρια και μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη. Η ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών, σχήμα 2.1.α, έχει ως βασικό πλεονέκτημα το μικρό κόστος, το μικρό βάρος και γενικά την απλότητα στην κατασκευή. Η μείωση του κόστους οφείλεται αφενός στην έλλειψη μετατροπέα και αφετέρου στην ίδια τη γεννήτρια που χρησιμοποιεί η οποία είναι μια συνηθισμένη ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού. Η απουσία μετατροπέα δίνει αξιοπιστία στη κατασκευή ενώ παράλληλα οι ανάγκες συντήρησης είναι μειωμένες. Βασικό μειονέκτημα των ανεμογεννητριών σταθερών στροφών είναι το γεγονός ότι δεν υπάρχει δυνατότητα ρύθμισης των στροφών της ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Αυτό έχει ως συνέπεια οποιαδήποτε μεταβολή στην ταχύτητα του ανέμου να μεταφράζεται σε αντίστοιχη μεταβολή της μηχανικής ροπής στον άξονα με συνέπεια τη παρουσία έντονων μηχανικών καταπονήσεων που φθείρουν το σύστημα. Ένα άλλο

50 40 σημαντικό μειονέκτημα της Α/Γ σταθερών στροφών είναι ότι λόγω της έλλειψης ηλεκτρονικών ισχύος δεν μπορεί να συμβάλει στην ρύθμιση της αέργου ισχύος που ανταλλάσει με το δίκτυο με συνέπεια να είναι απαραίτητη η σύνδεση πυκνωτών στην έξοδο ώστε να κάνουν αντιστάθμιση της αέργου ισχύος που απορροφούν. Αυτό έχει συνέπεια την αδυναμία λειτουργίας κάτω από τις νέες συνθήκες που επιβάλουν οι νέοι κανονισμοί λειτουργίας των αιολικών πάρκων που συνδέονται στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Όσον αφορά την ισχύ εξόδου, παρουσιάζει έντονη διακύμανση με αποτέλεσμα εκπομπές flicker τάσης, που περιορίζουν την σύνδεση μεγάλης ποσότητας ισχύος σε ασθενή δίκτυα. Λόγω αυτών των ατελειών η χρήση τους τα τελευταία χρόνια έχει εγκαταλειφθεί με εξαίρεση κάποιες ειδικές περιπτώσεις. Πολλές φορές χρησιμοποιείται ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα παρέχοντας τη δυνατότητα μεταβάλλοντας την αντίσταση του δρομέα, να ελέγχουμε την ηλεκτρική ροπή, δυναμικός έλεγχος της γεννήτριας, σχήμα 2.1.β. Με τον τρόπο αυτό ελέγχουμε την γεννήτρια δίνοντας τη δυνατότητα αλλάγης των στροφών της κατά την διάρκεια ριπών ανέμου. Αυτό, αφενός μεν μας περιορίζει σε κάποιο βαθμό τις μηχανικές καταπονήσεις, αφετέρου βελτιώνει την ποιότητα ισχύος που παίρνουμε στην έξοδο. Πέρα από τις Α/Γ σταθερών στροφών οι πιο συνήθεις και πλέον συχνά εφαρμόσιμες στην κατασκευή αιολικών πάρκων είναι οι Α/Γ μεταβλητών στροφών, σχήμα 2.1.γ-δ. Οι Α/Γ μεταβλητών στροφών παρουσιάζουν αυξημένη ενεργειακή απόδοση με μέγιστη αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας. Αυτό οφείλεται στην μεταβολή της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Εξαιτίας αυτού υπάρχει μειωμένη μηχανική καταπόνηση τόσο στα πτερύγια όσο και στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, απαλειφή του κιβωτίου ταχυτήτων, μείωση του ακουστικού θορύβου και προσαρμογή της ανεμογεννήτριας στις τοπικές ανεμολογικές συνθήκες. Ένα άλλο χαρακτηριστικό πλεονέκτημα των Α/Γ μεταβλητών στροφών είναι το γεγονός ότι μπορούν να παρέχουν στο δίκτυο καλύτερης ποιότητας ηλεκτρική ισχύ. Επίσης υπάρχει δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή ισχύος ανάλογα με τις απαιτήσεις του δικτύου. Αυτό πραγματοποιείται ελέγχοντας κατάλληλα τον μετατροπέα ώστε ανάλογα με τα επίπεδα της τάσης του δικτύου, να γίνεται κατάλληλη έγχυση αέργου ισχύος. Αυτή η λειτουργία είναι συναφής με εκείνη των συμβατικών σταθμών και εναρμονίζεται πλήρως με τα νέα πρότυπα που αναφέρονται στη ποιότητα ισχύος. Μια συνήθης διαμόρφωση ηλεκτρικού μέρους ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών είναι εκείνη με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα και διπλή τροφοδότηση με μετατροπέα συνδεδεμένο στο δρομέα, σχήμα 2.1.γ. Στη περίπτωση αυτής της ηλεκτρικής διαμόρφωσης, υπάρχει δυνατότητα ελέγχου των στροφών ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συχνότητα των ρευμάτων που κυκλοφορούν στο δρομέα. Ο τύπος αυτός έχει όλα τα παραπάνω πλεονεκτήματα ανεμογεννήτριας μεταβλητών

51 41 στροφών. Επιπλέον αποτελείται από μια συνηθισμένη γεννήτρια και ένα μικρό και σχετικά φθηνό μετατροπέα. Βασικό μειονέκτημα της διπλής τροφοδότησης είναι το γεγονός ότι ο στάτης της ασύγχρονης γεννήτριας είναι άμεσα συνδεδεμένος στο δίκτυο, έτσι σε οποιαδήποτε βύθιση τάσης είναι εκτεθειμένος στη δυναμική συμπεριφορά του δικτύου. Αυτό δεν ισχύει στη διαμόρφωση του σχήματος 2.1.γ, όπου υπάρχει απομόνωση της συχνότητας του δικτύου και των μεγεθών του στάτη μέσω του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Η Α/Γ μεταβλητών στροφών με σύγχρονη γεννήτρια και μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ, σχήμα 2.1.δ, είναι κατάλληλη για σύνδεση στο δίκτυο δεδομένου ότι οι ραγδαίες μεταβολές της ταχύτητας περιστροφής είτε εξαιτίας του ανέμου είτε από κάποια διαταραχή στο δίκτυο, μπορούν εύκολα να εξομαλυνθούν από το δρομέα της και οποιαδήποτε μεγάλο ρεύμα που ίσως θα προκληθεί αποσβένεται από το μαγνητικό κύκλωμα του πυρήνα χωρίς τον κίνδυνο απομαγνητισμού, ειδικά σε σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη. Επίσης δεν διαθέτει κιβώτιο ταχυτήτων, επιτυγχάνοντας έτσι μείωση του κόστους και του βάρους, βελτίωση της αξιοπιστίας και ελάττωση του θορύβου. Μειονέκτημα της διαμόρφωσης του σχήματος 2.1.δ είναι η μεγάλη και βαριά γεννήτρια που χρησιμοποιεί. Επίσης από το μετατροπέα της μεταφέρεται το 100% της παραγόμενης ισχύος σε αντίθεση με την ασύγχρονη διπλής τροφοδότησης που μόνο το 1/3 περίπου της παραγόμενης ισχύος περνάει από το μετατροπέα. Το γεγονός ότι όλη η ισχύς μεταφέρεται από το μετατροπέα περιορίζει κάπως την λειτουργία του συστήματος ιδιαίτερα σε μη φυσιολογικές καταστάσεις λειτουργίας και συγκεκριμένα την ικανότητα αδιάλειπτης παροχής ισχύος.

52 42

53 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ (Σ.Μ.Μ.Μ.) H σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη είναι μια σύγχρονη μηχανή, η οποία μαγνητίζεται από μόνιμους μαγνήτες. Σε αντίθεση με μια κλασική σύγχρονη μηχανή δεν χρησιμοποιεί εξωτερική dc διέγερση. Οι μόνιμοι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι πάνω στον ρότορα. Κατά αυτόν τον τρόπο, οι ηλεκτρικές απώλειες της μηχανής μειώνονται και έτσι βελτιώνεται η θερμική συμπεριφορά της. Επίσης, η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων, όπως δακτυλίων ολισθήσεως και ψηκτρών κάνει την μηχανή ελαφρότερη, με υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος, πράγμα που σημαίνει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Για αυτούς τους λόγους, η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη αποτελεί μια αξιοπρόσεκτη λύση για αιολικά συστήματα. Βέβαια, υπάρχουν και ορισμένα μειονεκτήματα, όπως η απομαγνήτιση των υλικών στις υψηλές θερμοκρασίες, η δυσκολία στην κατεργασία των υλικών αυτών και το υψηλό κόστος τους. Οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη χωρίζονται στις εξής κατηγορίες, ανάλογα με την μορφή του δρομέα τους, σε: Επιφανειακού μαγνήτη (surface magnet): Οι μόνιμοι μαγνήτες είναι στην επιφάνεια του ρότορα. Οι μαγνήτες μπορούν να θεωρηθούν σαν να υπήρχε στη θέση τους αέρας μιας και η διαπερατότητα των μαγνητών είναι κοντά στην μονάδα. Λόγω του ίδιου πάχους των μαγνητών το έκτυπο των πόλων δεν υφίσταται. Αυτό έχει ως συνέπεια την ισότητα των αυτεπαγωγών στο d και q άξονα. Εσωτερικού μαγνήτη (interior magnet): Οι μόνιμοι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι στο εσωτερικό του ρότορα. Σ αυτήν την κατασκευή το έκτυπο των πόλων γίνεται αντιληπτό, διότι το διάκενο αέρος του d άξονα γίνεται μεγαλύτερο από το διάκενο του q άξονα. Έτσι, η αυτεπαγωγή του d άξονα έχει διαφορετική τιμή από την αυτεπαγωγή του q άξονα. Λόγω της απουσίας του έκτυπου των πόλων οι μηχανές επιφανειακού μαγνήτη γίνονται πιο εύχρηστες στο σχεδιασμό και στην λειτουργία. Έτσι, κερδίζουν

54 44 διαρκώς έδαφος στις εφαρμογές των ανεμογεννητριών. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στους μόνιμους μαγνήτες έχουν τελειοποιηθεί και σήμερα οι περισσότεροι μόνιμοι μαγνήτες είναι νεοδυμίου σιδήρου βορίου (NdFeB) και σαμαρίου κοβαλτίου (SmCo). Τα υλικά αυτά είναι πολύ ευαίσθητα στη θερμοκρασία και γι αυτό απαιτείται πολύ καλή ψύξη του ρότορα. Η πυκνότητα της ροής ενός μόνιμου μαγνήτη τύπου νεοδυμίου σιδήρου βορίου μειώνεται κατά 10 12% για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά Ο Μετασχηματισμός Park Ο μετασχηματισμός Park είναι ένας διανυσματικός μετασχηματισμός που μετατρέπει ένα στρεφόμενο διάνυσμα από το τριφασικό σύστημα a b c σ ένα σύστημα συνιστωσών d-q-0, που είναι η συνιστώσα ευθέος άξονα, η συνιστώσα κάθετου άξονα και η μηδενικής ακολουθίας αντίστοιχα. Επειδή βρισκόμαστε στην μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση η συνιστώσα μηδενικής ακολουθίας είναι μηδέν και έτσι έχουμε ένα σύστημα δύο αξόνων κάθετων μεταξύ τους, to d-q.το σύστημα αυτό των καθέτων αξόνων έχει τον κάθετο άξονα q μπροστά από τον ευθύ άξονα d κατά 90 ο και περιστρέφεται με γωνιακή συχνότητα ωs. Η μήτρα του μετασχηματισμού δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Ο αντίστροφος μετασχηματισμός μετατρέπει ένα διάνυσμα από το d q σύστημα στο a b c και δίνεται από την παρακάτω σχέση:

55 45 Πλεονέκτημα του μετασχηματισμού είναι πως στη μόνιμη κατάσταση μετατρέπει όλα τα εναλλασσόμενα μεγέθη σε συνεχή. Αυτό έχει ως συνέπεια την ανεξαρτησία των αυτεπαγωγών από την θέση του ρότορα στις ασύγχρονες μηχανές και επιπλέον υπό κατάλληλες προϋποθέσεις μετατρέπει το σύστημα των εξισώσεων της μηχανής από μη γραμμικό σε γραμμικό και από συζευγμένο σε ανεξάρτητο. Καθοριστικό ρόλο στις προϋποθέσεις αυτές έχει ο προσανατολισμός του πλαισίου αναφοράς. Για να πετύχουμε τον κατάλληλο προσανατολισμό μπορούμε να ξαναγράψουμε την μήτρα μετασχηματισμού του Park συμπεριλαμβάνοντας μια αρχική φάση. Αυτή συμβολίζει την γωνία που σχηματίζει ο άξονας d του πλαισίου με τον άξονα αναφοράς και συνεπώς μπορεί να λάβει τιμή ίδια με την γωνία που σχηματίζει οποιοδήποτε άλλο διάνυσμα με τον άξονα αναφοράς. Έτσι, το σύστημα αναφοράς μπορεί να προσανατολιστεί στο διάνυσμα αυτό. Η ακόλουθη σχέση δίνει την τροποποιημένη μήτρα μετασχηματισμού: όπου φs η αρχική φάση του μετασχηματισμού και δίνεται από την παρακάτω σχέση:

56 46 όπου xα, xβ η α και η β συνιστώσα του διανύσματος x Το διάνυσμα x στο οποίο θέλουμε να προσανατολίσουμε το στρεφόμενο πλαίσιο d q έχει δύο συνιστώσες στο στατό πλαίσιο αναφοράς α β. Ο στατός μετασχηματισμός Park είναι ένας ενδιάμεσος μετασχηματισμός ο οποίος επιτελείται συνήθως στη πράξη. Εδώ το πλαίσιο αναφοράς δεν είναι το d q αλλά το α β και δεν είναι περιστρεφόμενο αλλά σταθερό. Αυτή η ενδιάμεση μετατροπή διευκολύνει τους υπολογισμούς και μας βοηθά στο να πετύχουμε τον επιθυμητό προσανατολισμό του στρεφόμενου πλαισίου κάνοντας χρήση της γωνίας φs που περιγράφηκε παραπάνω. Ο στατός μετασχηματισμός Park προκύπτει από τη σχέση (3.2) για ωs ίσον με μηδέν και δίνεται παρακάτω: Τέλος, να αναφερθούμε λίγο στο μετασχηματισμό της παραγώγου ενός διανύσματος διότι αυτός θα μας χρειαστεί στο μετασχηματισμό των διαφορικών εξισώσεων του συστήματος. Ο μετασχηματισμός Park μεταφέρει κάποιο σύνολο μεταβλητών από το τριφασικό σύστημα το σύστημα κάθετων αξόνων d-q-0 σύμφωνα με τη εξής σχέση: Παραγωγίζοντας την σχέση (3.7) που εξάγαμε προκύπτει ότι: Αναλύοντας την παραπάνω σχέση προκύπτει η (3.9) :

57 47 Και με πράξεις προκύπτει: Μια δημοφιλής τεχνική ελέγχου των ηλεκτρικών μηχανών που στηρίζεται στο μετασχηματισμό Park είναι ο διανυσματικός έλεγχος (vector control). Ο διανυσματικός έλεγχος με κατάλληλο προσανατολισμό του πλαισίου αναφοράς πετυχαίνει γραμμικό, αποσυζευγμένο έλεγχο και ανεξάρτητη ρύθμιση πραγματικής και αέργου ισχύος της μηχανής. Έτσι, ρυθμίζοντας κατάλληλα το ρεύμα ενός άξονα, συνήθως του q άξονα, μπορούμε να ρυθμίσουμε την ενεργό ισχύ, ενώ ρυθμίζοντας το ρεύμα του άλλου άξονα, συνήθως του d, την άεργο. Στην συνέχεια ακολουθούν οι εξισώσεις της σύγχρονης μηχανής με μόνιμο μαγνήτη στο a b c σύστημα: όπου v as, v bs, v cs η στιγμιαία τιμή της τάσεως του στάτη στην φάση a, b και c αντίστοιχα, ias, ibs, ics η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του στάτη στην φάση a, b και c, λas, λbs, λcs η στιγμιαία τιμή της ροής του στάτη στην φάση a,b και c, Rs η αντίσταση των τυλιγμάτων του στάτη. Στην συνέχεια ακολουθούν οι εξισώσεις της σύγχρονης μηχανής με

58 48 μόνιμο μαγνήτη μετασχηματισμένες στο σύστημα d q: όπου Ids, Iqs το ρεύμα d και q άξονα του στάτη, Vds, Vqs η τάση d και q άξονα του στάτη, Rs η αντίσταση των τυλιγμάτων του στάτη ωs η γωνιακή συχνότητα του μετασχηματισμού, λds, λqs η ροή d και q άξονα του στάτη που προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις: όπου Lds, Lqs οι αυτεπαγωγές d και q άξονα του στάτη λdm, λqm η ροή d και q άξονα του μόνιμου μαγνήτη. Στο σχήμα 3.1 φαίνεται το διάνυσμα της τάσης του στάτη της μηχανής στο a b c και στο d q σύστημα. Σχήμα 3.1 Το διάνυσμα της τάσης του στάτη στο a b c και στο d q σύστημα. Εάν προσανατολίσουμε το d άξονα του πλαισίου αναφοράς με τη ροή του μόνιμου μαγνήτη τότε θα προκύψει:

59 49 Και: Επειδή η ροή του μόνιμου μαγνήτη είναι σταθερή ισχύει: Επειδή το πλαίσιο είναι τώρα προσανατολισμένο στην ροή του μόνιμου μαγνήτη στρέφεται με την γωνιακή ταχύτητα του διανύσματος της ροής του μόνιμου μαγνήτη. Η ροή του μόνιμου μαγνήτη στρέφεται με την ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα της μηχανής, που είναι η γωνιακή ταχύτητα του ρότορα πολλαπλασιασμένη επί τα ζεύγη των πόλων της μηχανής. Άρα ισχύει: και Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω σχέσεις (3.15) (3.18) οι εξισώσεις (3.12) της μηχανής ξαναγράφονται ως εξής: ή σε αναλυτική μορφή

60 50 Λαμβάνοντας υπόψη και τη σχέση (3.19) οι εξισώσεις (3.21) και (3.22) γίνονται: όπου p τα ζεύγη των πόλων της μηχανής. Για το μηχανικό κομμάτι της μηχανής ισχύει ο δεύτερος νόμος του Newton που δίνεται από την σχέση: όπου J η ροπή αδράνειας του συστήματος μηχανή ανεμογεννήτρια Te η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής, Tm η μηχανική ροπή στον άξονα της μηχανής, b η σταθερά τριβής, ω r η γωνιακή ταχύτητα του ρότορα. Να σημειωθεί ότι στην ροπή αδράνειας της μηχανής προσθέτουμε και την αδράνεια του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Επειδή, στη σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη απουσιάζει το κιβώτιο ταχυτήτων η ροπή αδράνειας του ρότορα της ανεμογεννήτριας προστίθεται αυτούσια χωρίς κανένα μετασχηματισμό. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή Te της μηχανής δίνεται από την σχέση:

61 51 Λαμβάνοντας υπόψη τις σχέσεις (3.13), (3.14) και τις σχέσεις (3.15), (3.16) η εξίσωση (3.26) γράφεται ως εξής: Τέλος, η ενεργός και η άεργος ισχύς της μηχανής δίνονται από τις σχέσεις: 3.2 Οι Εξισώσεις του RL Φίλτρου στη Πλευρά του Δικτύου στο a b c και στο d q Σύστημα Από τη πλευρά του δικτύου στο σημείο σύνδεσης του μετατροπέα με το δίκτυο, υπάρχει ένα RL φίλτρο. Το φίλτρο αυτό χρησιμοποιείται για να μειώνει τις αρμονικές που φτάνουν στο δίκτυο από τον μετατροπέα και να επιτρέπει τον έλεγχο της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Οι εξισώσεις που περιγράφουν την συμπεριφορά του φίλτρου στο a b c σύστημα είναι: όπου uaf, ubf, ucf η στιγμιαία τιμή της τάσεως του δικτύου στη φάση a, b και c αντίστοιχα, iaf, ibf, icf η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του φίλτρου στη φάση a, b και c αντίστοιχα, Rf η αντίσταση του φίλτρου,

62 52 Lf η αυτεπαγωγή του φίλτρου, vaf, vbf, vcf η στιγμιαία τιμή της τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα στη φάση a, b και c αντίστοιχα Ενώ οι εξισώσεις που περιγράφουν την συμπεριφορά του φίλτρου στο d q σύστημα είναι: όπου Udf, Uqf η τάση του δικτύου στο d και q άξονα αντίστοιχα, Idf, Iqf το ρεύμα του φίλτρου στο d και q άξονα αντίστοιχα, Vdf,Vqf η τάση στην έξοδο του μετατροπέα στο d και q άξονα ωs η κυκλική συχνότητα του μετασχηματισμού. Εάν προσανατολίσουμε τον άξονα q του πλαισίου αναφοράς με το διάνυσμα της τάσης του δικτύου, τότε θα προκύψει: Επειδή, το πλαίσιο προσανατολίζεται στην τάση του δικτύου, θα στρέφεται με την γωνιακή ταχύτητα της τάσεως του δικτύου. Άρα ισχύει: Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω σχέσεις (3.32) και (3.33) οι εξισώσεις (3.31) του φίλτρου στο σύστημα αναφοράς μπορούν να γραφτούν ως εξής: Επειδή, το πλαίσιο προσανατολίζεται στην τάση του δικτύου, θα στρέφεται με την γωνιακή ταχύτητα της τάσεως του δικτύου. Άρα ισχύει:

63 53 Η ενεργός και άεργος ισχύς του δικτύου δίνεται από τις ακόλουθες σχέσεις: Ενώ, η ενεργός και άεργος ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου δίνεται από τις σχέσεις: ΛΟΓΟΙ ΚΑΤΑΤΜΗΣΗΣ Θεωρώντας ιδανικούς μετατροπείς και εφαρμόζοντας την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας στον μετατροπέα της πλευράς του δικτύου προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις: όπου Pf η ενεργός ισχύς που φτάνει στο δίκτυο Pdc η ενεργός ισχύς που περνά από τη μηχανή στο δίκτυο διαμέσου της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος,

64 54 Ps η ενεργός ισχύς του στάτη της μηχανής, Pc η ισχύς tων πυκνωτών C 1 και C 2. Από την 3.40 καταλήγουμε στην εξής: όπου C 1 και C 2 η χωρητικότητα των πυκνωτων και Vdc1 και Vdc2 oi dc τάσεις των πυκνωτών στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Ορίζουμε ένα ακόμα μέγεθος, τον λόγο κατάτμησης σε μετατροπέα στον d και q άξονα αντίστοιχα ως εξής: Τέλος, μπορούμε να ξαναγράψουμε την εξίσωση (3.41) αξιοποιώντας τις εξισώσεις (3.42) και (3.43) του παραπάνω ορισμού ως εξής: όπου mds, mqs ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα στον d και q άξονα αντίστοιχα στην πλευρά της μηχανής, mdf, mqf ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα στον d και q άξονα αντίστοιχα στην πλευρά του δικτύου.

65 Ο Έλεγχος της Σύγχρονης Μηχανής με Μόνιμο Μαγνήτη Την σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη την ελέγχουμε εφαρμόζοντας την τεχνική του διανυσματικού ελέγχου για τα ρεύματα των μετατροπέων στην πλευρά της μηχανής και στην πλευρά του δικτύου αντίστοιχα. Για τον έλεγχο του μετατροπέα στη πλευρά της μηχανής θα χρησιμοποιήσουμε όπως είδαμε τον προσανατολισμό στη ροή του μόνιμου μαγνήτη, αυτή η τεχνική ονομάζεται έλεγχος προσανατολισμένος στο πεδίο (field oriented control) Έλεγχος Προσανατολισμένος στο Πεδίο (field oriented control) Ο έλεγχος προσανατολισμένος στο πεδίο είναι μία από τις πιο συνηθισμένες τεχνικές για τον έλεγχο της ροπής μιας μηχανής με μόνιμο μαγνήτη, όπου ο προσανατολισμός γίνεται στη ροή του μόνιμου μαγνήτη. Χρησιμοποιούνται για τον σκοπό αυτό δύο ελεγκτές ρεύματος για να πετύχουμε την στρατηγική αυτή κλειστού βρόχου για τον έλεγχο της ροπής και ένας ελεγκτής για τον έλεγχο της ταχύτητας. Χρησιμοποιούνται απλοί PI ελεγκτές (Proportional Integrator) γιατί προςφέρουν σχεδόν μηδενικό σφάλμα στην μόνιμη κατάσταση. Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε την τεχνική του ελέγχου προσανατολισμένου στο πεδίο.

66 56 Σχήμα 3.2 : Έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο. Για τον απλούστερο έλεγχο της ΣΜΜΜ θα πρέπει να πραγματοποιήσουμε κάποια απλοποίηση σχετικά με την παραγόμενη ροπή. Υπάρχουν ορισμένες στρατηγικές ελέγχου που παρατίθενται παρακάτω για τον σκοπό αυτό: Συνεχής έλεγχος γωνίας ροπής : Στην συγκεκριμένη στρατηγική η συνιστώσα d του ρεύματος διατηρείται στο μηδέν και το ρεύμα του στάτη ευθυγραμμίζεται με τον άξονα q έτσι ώστε η γωνία ροπής να είναι 90 μοίρες, που είναι και μια απλη στρατηγική. Έλεγχος με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος : Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτηματα αυτής της τεχνικής είναι πως μεταξύ της τάσης και του ρεύματος δεν υπαρχει διαφορά φάσης και η φαινομένη ισχύς της μηχανικής ελαχιστοποιείται. Έλεγχος με σταθερή ροή στάτη : Σε αυτήν την τεχνική ελέγχου το πλάτος της ροής του στάτη διατηρείται σταθερό με αποτέλεσμα την ελαχιστοποιήηση της παραγόμενης ηλεκτρομαγητικής ροπής.

67 57 Ο Έλεγχος από την Πλευρά της Μηχανής Πραγματοποιούμε έλεγχο γωνίας ροπής. Αρχικά πρέπει να απαλείψουμε τις μη γραμμικές σχέσεις που διέπουν τις διαφορικές εξισώσεις των ρευμάτων της μηχανής. Θέτουμε: Και η εξισωση (3.23): γίνεται: που είναι γραμμική και ανεξάρτητη από το ρεύμα του q άξονα και συνεπώς θα μπορεί να ελεγχθεί με PI έλεγχο. Για τον άξονα q θέτουμε: και η εξίσωση (3.24) : γίνεται: Τότε, ο έλεγχος του ρεύματος του q άξονα μπορεί να γίνει ανεξάρτητα από το ρεύμα του d άξονα και συνεπώς θα μπορεί και αυτό να υλοποιηθεί με PI έλεγχο.

68 58 Από τις εξισώσεις 3.46 και 3.48 περιγράφονται δύο αποσυνδεδεμένα, πρώτης τάξεως, γραμμικά συστήματα. Με χρήση μετασχηματισμου Laplace προκύπτει η συνάρτηση μεταφοράς των εξισώσεων 3.46 και 3.48 θα είναι: Ο έλεγχος γίνεται στην τάση του μετατροπέα ισχύος από την πλευρά της μηχανής και όχι απευθείας στο ρεύμα. Διαιρούμε τις αξόλουθες : εξισώσεις με την τάση V dc1 και λαμβάνουμε τις εξής σχέσεις: Ουσιαστικά πραγματοποιούμε έλεγχο των λόγων κατάτμησης των μετατροπέων και όχι άμεσο έλεγχο των τάσεων των μετατροπέων. Εάν λάβουμε υπόψη τους παραπάνω μετασχηματισμούς παρατηρούμε ότι το σύστημα που προκύπτει συμπεριφέρεται σαν να ήταν γραμμικό και ανεξάρτητο. Μπορεί συνεπώς να ελεγχθεί με PI έλεγχο. Στο σχήμα 3.3 που ακολουθεί φαίνεται το πλήρες δομικό διάγραμμα του ελέγχου που εφαρμόζουμε για τα ρεύματα στη πλευρά της μηχανής.

69 59 Σχήμα 3.3 : Η δομή του αποσυζευγμένου γραμμικού ελέγχου σταθερής ροπής ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΞΟΝΑ d Για το ρεύμα στον άξονα d κάνουμε συνεχή έλεγχο γωνίας ροπής μέσω ενός PI ελεγκτή, θεωρώντας την αναφορά του ρεύματος του άξονα d μηδενική, δηλαδή I ds ref = 0. Με πλήρως αποσυζευγμένες, πρώτης τάξης και γραμμικές εξισώσεις τις :

70 60 Χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο ελεγκτή ρεύματος: όπου k ids και k pds είναι τα ορισμένα κέρδη του PI ελεγκτή μας. Είναι προφανές πως με το ρεύμα αναφοράς στον άξονα d ορισμένο στο μηδέν, το ρεύμα στον άξονα d θα γίνεται 0 καθώς ο χρόνος τείνει στο άπειρο. ΈΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΞΟΝΑ q Για τον ελεγκτή του άξονα q θα χρησιμοποιήσουμε δυο PI ελεγκτές, έναν εξωτερικό PI ελεγκτή για την δημιουργία του ρεύματος αναφοράς στον άξονα q και έναν εσωτερικό ελεγκτή ρεύματος. Ο εξωτερικός χρησιμοποιείται για έλεγχο της ταχύτητας και έτσι η ταχύτητα αναφοράς ω ref συγκρίνεται με την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα ω r και το σφάλμα περνά από από τον εξωτερικό PI ελεγκτή ref του οποίου η έξοδος είναι το ρεύμα αναφοράς I qs για τον εσωτερικό PI ελεγκτή. Χρησιμοποιείται ο εξής εξωτερικός PI ελεγκτής ρεύματος: με κέρδη k iqs, k pqs. Το ρεύμα αναφοράς του άξονα q δίνεται: Με k pw και k iw τα κέρδη του εξωτερικού PI ελεγκτή, επιλεγμένα έτσι ώστε ο εξωτερικός βρόχος να είναι πιο αργός από τον εσωτερικό.

71 61 Η ταχύτητα αναφοράς δίνεται ως: όπου λopt ο βέλτιστος λόγος της ταχύτητας ακροπτερυγίου, v η ταχύτητα του ανέμου, R η ακτίνα των πτερυγίων. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Ο στόχος μας με τον έλεγχο απο την πλευρά του δικτύου είναι να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος σε αυτό. Θα πρέπει αρχικά να εξαλείψουμε ορισμένες μη γραμμικές σχέσεις που διέπουν τις εξισώσεις των ρευμάτων στην πλευρά του δικτύου. Θεωρώντας πως η τάση του δικτύου U dqf έχει ευθυγραμμιστεί με τον άξονα q του στρεφόμενου πλαισίου αναφοράς d-q έχουμε τις εξής διαφορικές εξισώσεις: Επειδή από τις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει ένα σύστημα με μη γραμμικές σχέσεις θα πρέπει μέσω της τεχνικής του μετασχηματισμού της εισόδου να τις άρουμε ώστε να πετύχουμε γραμμκό και ανεξάρτητο έλεγχο των ρευμάτων του d και q άξονα αντίστοιχα. Αντικαθιστούμε στις διαφορικές εξισώσεις τις κάτοθι εξισώσεις: και Πλέον οι νέες είσοδοι ελέγχου είναι οι u df, u qf. και οι αρχικές σχέσεις γίνονται:

72 62 Οι ανωτέρω εξισώσεις αποτελούν συστήματα πλήρως αποσυζευγμένα, είναι πρώτης τάξης και είναι γραμμικές. Με χρήση μετασχηματισμού Laplace προκύπτει η συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος. Ο έλεγχος γίνεται στην τάση των μετατροπέων ισχύος από την πλευρά του δικτύου και όχι στο ρεύμα απευθείας. διαιρώ τις: με την V dc2 και σύμφωνα με τον ορισμό της σχέσης της κατάτμησης θα προκύπτει: Με τον τρόπο αυτό, προσπαθούμε να ελέγξουμε τους παλμούς στον μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου, ώστε να μπορέσουμε να ρυθμίσουμε κατάλληλα τις τάσεις. Μέσω των τάσεων ρυθμίζουμε και τα ρεύματα στον d και q άξονα. Κατάλληλη ρύθμιση των ρευμάτων αυτών επιφέρει και την ανάλογη ρύθμιση στην ενεργό και άεργο ισχύ του δικτύου αντίστοιχα. Η ρύθμιση των παλμών γίνεται με την μέθοδο διαμόρφωσης διάρκειας παλμών. Η μέθοδος αυτή ρυθμίζει τη διάρκεια των παλμών που παλμοδοτούν τα IGBT στοιχεία της γέφυρας του μετατροπέα. Κάθε παλμοσειρά χαρακτηρίζεται από τον λόγο κατάτμησης. Άρα ρυθμίζοντας κατάλληλα το λόγο αυτό μπορούμε να ρυθμίσουμε την τάση στην έξοδο του μετατροπέα σε πλάτος, φάση και συχνότητα.

73 63 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΑΞΟΝΑ d Μέσω του ρεύματος του άξονα d μπορούμε να ελέγξουμε την άεργο ισχύ από την πλευρά του δικτύου. Η U dqf έχει ευθυγραμμιστεί με τον άξονα q του στρεφόμενου πλαισίου αναφοράς d-q και ισχύει ως εκ τούτου: U dqf = U df +j U qf (3.72) U dqf = 0 + j U qf (3.73) P = 1.5 U qf Ι qf (3.74) Q = 1.5 U qf Ι df (3.75) Επομένως η άεργος ισχύς εξαρτάται μόνο από το ρεύμα Ι df και έτσι για να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος αρκέι να μηδενίσουμε το ρεύμα στον άξονα d. Σε αυτήν την περίπτωση δεν μας χρειάζεται ένας εξωτερικός ελεγκτής PI για την ρύθμιση του ρεύματος στον άξονα d και έχουμε πιο απλή δομή στον έλεγχο. Θεωρούμε το ρεύμα αναφοράς στον άξονα d μηδενικό και αφού έχουμε πλέον πλήρως αποσυζευγμένες εξισώσεις, πρώτης τάξης και γραμμικές χρησιμοποιούμε τον παρακάτω PI ελεγκτή ρεύματος: Όπου k idf, k pdf τα κέρδη του PI ελεγκτή. Με το ρεύμα αναφοράς στον άξονα d μηδενικό θα είναι I df = 0 και άρα Q=0 όσο ο χρόνος πάει στο άπειρο.

74 64 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΑΞΟΝΑ q Για τον έλεγχο του ρεύματος του άξονα q από την πλευρά του δικτύου αποτελείται από δύο PI ελεγκτές μέσω των οποίων γίνεται έλεγχος της τάσης διασύνδεσης V dc2. Από τον εξωτερικό PI ελεγκτή που δημιουργεί το ρεύμα αναφοράς στον άξονα q και έναν εσωτερικό PI ελεγκτή ρεύματος. Στον εξωτερικό που ελέγχεται η τάση διασύνδεσης η τάση αναφοράς V ref dc2 συγκρίνεται με την τάση V dc2 και το σφάλμα περνά από τον εξωτερικό PI ελεγκτή στον εσωτερικό PI που έχει ως έξοδο το ρεύμα αναφοράς του άξονα q. Χρησιμοποιείται ο εξής ελεγκτής ρεύματος PI: Όπου k pqf, k iqf είναι τα κέρδη του εξωτερικού PI ελεγκτή, και είναι επιλεγμένα έτσι ώστε να είναι πιο αργός ο εξωτερικός από τον εσωτερικό βρόχο.

75 65 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΚΕΡΔΩΝ ΤΩΝ PI ΕΛΕΓΚΤΩΝ Ρυθμίζουμε τα κέρδη των ελεγκτών ρεύματος στους εσωτερικούς βρόχους στην πλευρά της μηχανής και στην πλευρά του δικτύου. Από τις εξισώσεις: που προκύπτουν μετά τον μετασχηματισμό εισόδου και μέσω των εξισώσεων των εσωτερικών PI ελεγκτών: οδηγούμαστε στις εξής εξισώσεις:

76 66 Με χρήση μετασχηματισμού Laplace στις παραπάνω δύο εξισώσεις θα βρούμε την συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου. Για την εξίσωση (3.85) είναι: η οποία οδηγεί στην παρακάτω συνάρτηση μεταφοράς: Δηλαδή οδηγούμαστε σε μία συνάρτηση μεταφοράς της μορφής: Όμοια και η εξίσωση (3.86) οδηγεί στην παραπάνω μορφή συνάρτησης μεταφοράς με διαφορετικά κέρδη k iqs αντί για k ids και k pqs αντί για k pds. Όσον αφορά την πλευρά του δικτύου από τις εξισώσεις : που προκύπτουν μετά τον μετασχηματισμό της εισόδου, και μέσω των σχέσεων: των εσωτερικών PI ελεγκτών προκύπτει:

77 67 που καταλήγουν στην μορφή: Με χρήση μετασχηματισμού Laplace στις δύο παραπάνω εξισώσεις βλέπουμε πως η συνάρτηση μεταφοράς είναι ίδια με πριν δηλαδή :. Άρα και στην πλευρά του δικτύου και στην πλευρά της μηχανής έχουμε την ίδια συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου. Συνεπώς για τον υπολογισμό των κερδών των εσωτερικών ελεγκτών PI θα ειναι ίδια η ανάλυση και στις δύο πλευρές. Θέλουμε όπως έχει προαναφερθεί οι εξωτερικοί βρόχοι να είναι πιο αργοί από τους εσωτερικούς, άρα βρίσκοντας αρχικά τα κέρδη για τους εσωτερικούς βρόχους υπολογίζουμε με δοκιμές και τα κέρδη των εξωτερικών βρόχων.

78 68 Ο ΚΛΑΣΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ (conventional control) Όπως είδαμε παραπάνω η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου δίνεται απο την εξίσωση : Κάνοντας πράξεις μπορούμε να οδηγηθούμε στο εξής αποτέλεσμα: δηλαδή: Θέτουμε: και η τελευταία σχέση μετατρέπεται ως εξής:

79 69 Άρα: Βλέπουμε ότι το σύστημα κλειστού βρόχου για την πλευρά της μηχανής και του δικτύου είναι μία συνάρτηση πρώτης τάξης με μια χρονική σταθερά τ i. Στον κλασικό έλεγχο τα κέρδη των εσωτερικών PI ελεγκτών δίνονται ως εξής: Για την πλευρά της μηχανής θα είναι : Για την πλευρά του δικτύου θα είναι:

80 Το Σύστημα της Προσομοίωσης Στην προσομοίωση που πραγματοποιήσαμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink κατασκευάσαμε ένα μοντέλο για την σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη που στηρίχτηκε στις παραπάνω εξισώσεις. Τις εξισώσεις αυτές παραθέτουμε στη συνέχεια υπό μορφή διανύσματος κατάστασης όπως ακριβώς χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο που κατασκευάσαμε. Στο σχήμα 3.4 που ακολουθεί βλέπουμε το σχηματικό διάγραμμα του μοντέλου που προσομοιώσαμε. Σχήμα 3.4: Το σχηματικό διάγραμμα του συστήματος της προσομοίωσης. Από την πλευρά της γεννήτριας συνδέουμε έναν τριφασικό μη ελεγχόμενο ανορθωτή AC/DC σε συνδυασμό με έναν DC/DC μετατροπέα ανύψωσης. Ο μετατροπέας αυτός αποτελεί το μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής (MSC- Machine Side Converter). Βασική λειτουργία του μετατροπέα αυτού είναι ο έλεγχος του ρεύματος που διοχετεύεται στο στάτη της γεννήτριας για ρύθμιση της ηλεκτρικής ροπής. Στην ουσία ρυθμίζει τον αριθμό στροφών της γεννήτριας ώστε να επιτυγχάνεται ΜΡΡΤ (Maximum Power Point Tracking). Μετά τον μετατροπέα DC/DC ακολουθεί ο μετατροπέας DC/AC στην πλευρά του δικτύου (GSC-Grid Side Converter). Ο μετατροπέας φροντίζει την βέλτιστη μεταγωγή ισχύος από τον DC/DC μετατροπέα προς το δίκτυο, διατηρώντας την τάση του dc-πυκνωτή σταθερή. Παράλληλα, ελέγχει την ανταλλαγή αέργου ισχύος με το δίκτυο είτε διατηρώντας μια συγκεκριμένη τιμή παραγόμενης ή καταναλισκόμενης αέργου ισχύος, είτε κάνοντας έλεγχο της τάσης του ζυγού που συνδέεται η Α/Γ. Επίσης για την σύνδεση του inverter (GSC) με το δίκτυο, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός φίλτρου (Low Pass Filter) προκειμένου να ελαττωθούν οι αρμονικές συνιστώσες υψηλής συχνότητας που προέρχονται από τη διαδικασία PWM που εκτελούν τα διακοπτικά στοιχεία του inverter. Χρησιμοποιώντας τις βασικές εξισώσεις που περιεγράφησαν παραπάνω για το βασικό μοντέλο ΣΜΜΜ, πραγματοποιούμε κάποιες αλλαγές λόγω του ότι στο

81 σύστημά μας χρησιμοποιήσαμε 2 πυκνωτές C 1 και C 2. Αρχικά θα έχουμε λόγους κατάτμησης για την πλευρά της μηχανής και για τη πλευρά του δικτύου. Οι λόγοι κατάτμησης στην πλευρά της μηχανής θα παρθούν από τις εξισώσεις 3.50 και 3.56 με την διαφορά πως στον παρονομαστή θα υπάρχει η τάση του πυκνωτή C 1 V dc1, ενώ στην πλευρά του δικτύου θα είναι σύμφωνα με τους τύπους 3.94 και με τον παρονομαστή να είναι η τάση V dc2. Ξαναγράφουμε τους λόγους κατάτμησης για το σύστημά μας: 71

82 72 Στη συνέχεια παραθέτουμε συγκεντρωμένες τις εξισώσεις του συστήματος: Εάν ορίσουμε το παρακάτω διάνυσμα κατάστασης:

83 73 Τότε θα ισχύει: Εάν ορίσουμε ακόμα το διάνυσμα εισόδων του συστήματος όπως παρακάτω: Τότε, θα έχουμε μια πλήρη περιγραφή του συστήματος στο χώρο κατάστασης. Όμως, όπως γίνεται αντιληπτό από τις εξισώσεις (3.108) έως (3.115) το σύστημα είναι μη γραμμικό και συνεπώς δεν μπορεί να γραφτεί στη μορφή των γραμμικών συστημάτωνπου φαίνεται ακολούθως: Όμως, για να έχουμε μια καλύτερη εποπτική παράσταση του συστήματος στο χώρο κατάστασης θα επιχειρήσουμε να γράψουμε τις παραπάνω εξισώσεις σε μορφή πινάκων όπως παρακάτω, όπου έχουμε χρησιμοποιήσει έντονα γράμματα για να δείξουμε τις μη γραμμικότητες.

84 74 (3.127) Όπως παρατηρούμε από τις παραπάνω εξισώσεις οι μη γραμμικότητες συνίστανται σε γινόμενα μεταξύ καταστάσεων, αλλά και σε γινόμενα μεταξύ εισόδων και καταστάσεων. Αξίζει να παρατηρήσουμε ότι όλο το μοντέλο στηρίζεται αποκλειστικά σε εξισώσεις που βρίσκονται στο d q σύγχρονα στρεφόμενο σύστημα αναφοράς και δεν λαμβάνεται καθόλου υπόψη το τριφασικό a b c σύστημα.

85 75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4.1 Ανοχή σε βυθίσεις τάσης και απόκριση κατά τη διάρκεια και μετά την εκκαθάριση σφαλμάτων στο δίκτυο (Low Voltage Ride Through) Μια απο τις νέες απαιτήσεις σύνδεσης που έχει να κάνει με αιολικά συστήματα είναι η γρήγορη αποκατάσταση σε περίπτωση σφάλματος που αναφέρεται στην διεθνή βιβλιογραφία ως fault ride through (FRT) ή low voltage ride through (LVRT) capability. Στο παρελθόν οι ανεμογεννήτριες δεν επιτρεπόταν να παραμένουν συνδεδεμένες στο δίκτυο όταν η τάση στο σημείο σύνδεσης έπεφτε κάτω απ το 85%, οδηγώντας στην αποσύνδεσή τους ακόμα και αν το σφάλμα γινόταν αρκετά μακριά απο το αιολικό πάρκο. Αυτός είναι και ο λόγος, που σε δίκτυα με σημαντική διείσδυση αιολικής ενέργειας η πτώση τάσης και η συνεπαγόμενη αποσύνδεση απ το δίκτυο δημιουργούσε πρόβλημα ευστάθειας. Κατά την εκδήλωση βραχυκυκλώματος σε κάποιο σημείο του δικτύου, εμφανίζεται μείωση της τάσης στις εσφαλμένες φάσεις. Λόγω της χαμηλής σύνθετης αντίστασης του δικτύου μεταφοράς, η πτώση τάσης γίνεται αισθητή σε μεγάλο εύρος περιοχών γύρω απ το σφάλμα, μέχρι την εκκαθάρισή του (εάν είναι παροδικό) ή με το άνοιγμα των διακοπτών προστασίας (εάν είναι μόνιμο). Κατά τη διάρκεια των βυθίσεων τάσης, οι γεννήτριες επαγωγής τείνουν να αυξήσουν τη ζήτηση αέργου ισχύος, προκαλώντας έτσι περαιτέρω αύξηση της πτώσης τάσης, με αποτέλεσμα να είναι πιο δύσκολη η επαναφορά της στα κανονικά επίπεδα μετά την εκκαθάριση του σφάλματος. Επιπλέον, η αποσύνδεση των Α/Π κατά τη διάρκεια σφαλμάτων οδηγεί σε έλλειμμα ενεργού ισχύος και πτώση της συχνότητας του συστήματος ή σφαλμάτων που συνοδεύονται από βυθίσεις τάσεις αποτελεί κατά συνέπεια αναγκαία λύση, προκειμένου να αποφευχθούν σημαντικές απώλειες παραγόμενης ισχύος. Η δυνατότητα αυτή θα πρέπει να συνοδεύεται από γρήγορη αποκατάσταση της παραγωγής ενεργού και αέργου ισχύος στα επίπεδα προ του σφάλματος. Στην πλειοψηφία τους, οι κώδικες διαχείρισης του συστήματος κάνουν ειδική αναφορά στις απαιτήσεις ανοχής των Α/Π σε βυθίσεις τάσης κατά τη διάρκεια ή και μετά την εκκαθάριση σφαλμάτων στο δίκτυο. Οι απαιτήσεις αυτές μπορεί να αναφέρονται τόσο στο χρονικό διάστημα που το Α/Π πρέπει να παραμένει συνδεδεμένο υπό τάση αρκετά χαμηλότερη από την ονομαστική όσο και στο ρυθμό μεταβολής της παραγόμενης ενεργού ισχύος (πληροφορία που δεν παρέχεται ωστόσο από όλους τους κώδικες). Οι ανωτέρω προδιαγραφές περιγράφονται με τον όρο Low Voltage Ride Through (LVRT) ή Fault Ride Through (FRT). Πρέπει να σημειωθεί ότι σε

86 76 περιπτώσεις δικτύων στα οποία η αιολική ισχύς εγχύεται μέσω μικρών, απομονωμένων Α/Γ με ασύγχρονες γεννήτριες, ενδέχεται να είναι προτιμότερη η αποσύνδεση των Α/Γ κατά τη διάρκεια των βυθίσεων τάσης, έτσι ώστε να μειωθεί η ζήτηση αέργου ισχύος και να αυξηθεί η τάση του συστήματος. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την ανάγκη να ληφθεί υπόψη το πλήθος και η τοπολογία των αιολικών πάρκων σε ένα σύστημα μεταφοράς, και τα ιδιαίτερα τεχνικά τους χαρακτηριστικά, σε συνδυασμό με τα χαρακτηριστικά του συστήματος, πριν την εξαγωγή μίας κοινής απαίτησης για LVRT που να το διέπει. 4.2 Διατάξεις προστασίας Στο παρόν κεφάλαιο θα πραγματευτούμε τις διάφορες διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται για τον converter της ΣΜΜΜ που στόχο έχουν να αυξήσουν την fault ride through capability του συστήματος. Το μοντέλο που μελετάται αποτελείται από έναν ανορθωτή, έναν dc/dc boost converter (ανυψωτής τάσης) και έναν VSI (εναλλάκτη πηγής τάσης) συνδεδεμένο στο δίκτυο. Μία διάταξη προστασίας με μία αντίσταση στον ανορθωτή (rectifier-boost damping resistor) και μία δεύτερη αντίσταση στον inverter (inverter dc-link voltage damping resistor) προτείνονται σαν κύριες μορφές προστασίας. Μετά την ανάλυση της κατάστασης σφάλματος, η αντίσταση προστασίας μετράται για πρακτικό σκοπό. Λόγω των διακυμάνσεων που παρατηρούνται στο δίκτυο η πλευρά του ρότορα προστατεύεται από το δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα (converter). Για τον λόγο αυτό οι κώδικες κανονισμών σήμερα λαμβάνουν σοβαρά υπόψην τους τις απαιτήσεις FRT. Υπάρχουν δύο επιλογές: η μία είναι η συνέχιση της τροφοδοσίας χωρίς διακοπή κάποιου τμήματος του συστήμτος και η άλλη είναι η ταχύτατη επαναφορά της κανονικής λειτουργίας μετά την εκκαθάριση σφάλματος. Η τοπολογία με ΣΜΜΜ μπορεί να χωρισθεί σε δύο κατηγορίες. Α) άμεση σύνδεση με δύο back-to-back converters, B) σύνδεση με ανορθωτή, με έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης (dc/dc boost converter) και έναν μετατροπέα πηγής τάσης. Η πρώτη διάταξη θεωρείται η πιο κατάλληλη τεχνολογικά, όμως είναι πιο ακριβή και πιο πολύπλοκη. Η δεύτερη που χρησιμοποιείται συνήθως σε αιολικά συστήματα μικρού μεγέθους και έχει απλή τοπολογία και έλεγχο, και το πιο σημαντικό, είναι πιο φθηνή. Στην περίπτωσή μας θα δούμε την δεύτερη και φθηνότερη τοπολογία. Στην τοπολογία χρησιμοποιείται ένα είδος εξωτερικής αντίστασης ισχύος, η οποία συνδέεται στις περιελίξεις του ρότορα και περιορίζει την επιτάχυνσή του κατά το σφάλμα. Αυτή η αντίσταση ονομάζεται αντίσταση πέδησης (braking resistor). Ο

87 77 σκοπός της είναι επίσης η εξισορρόπηση της ενεργού ισχύος και η βελτίωση της σταθερότητας του συστήματος κατά την διάρκεια του σφάλματος. 4.3 ΣΜΜΜ τοπολογίες ηλεκτρονικών ισχύος Οι βασικές τοπολογίες που μελετώνται φαίνονται στα παρακάτω σχήματα: Σχήμα 4.1 : Τοπολογία συστήματος μεγάλου μεγέθους ΣΜΜΜ Σχήμα 4.2 : Τοπολογία συστήματος μικρού μεγέθους ΣΜΜΜ Αυτά τα δύο συστήματα έχουν ΣΜΜΜ πολλαπλών πόλων και μετατροπείς ισχύος που δυνδέουν το σύστημα στο δίκτυο. Ο μετατροπέας παρέχει βελτιωμένη απόδοση όμως παράγει περισσότερες απώλειες κατά την μετατροπή της ισχύος. Ένας τριφασικός ανορθωτής και ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης (dc/dc boost converter) χρησιμοποιούνται παρέχοντας μια απλή διάταξη. Ο ανορθωτής

88 78 μετατρέπει την ac ισχύ σε dc με έναν ακοντρολάριστο τρόπο, για αυτό, ο έλεγχος της ισχύος πρέπει να γίνει από τον μετατροπέα πηγής τάσης (VSC) που συνδέεται στο δίκτυο. Όταν η ταχύτητα του ρότορα μεταβάλλεται, η dc τάση μετά τον ανορθωτή θα αλλάξει. Ένας ανυψωτής τάσης χρησιμοποιείται για να παρέχει μία dc τάση στον μετατροπέα. Ο έλεγχος της ροπής και της ταχύτητας γίνεται ελέχοντας το ρεύμα πηνίου στον ανυψωτή τάσης. Είναι φθηνότερο και η γεννήτρια να αποσυνδέεται από το δίκτυο μέσω ενός dc-link που παρέχει ο pwm μετατροπέας. Ο σκοπός του VSI στη πλευρά του δικτύου είναι η σύνδεση στο δίκτυο με μια σταθερή dc τάση και ρύθμιση της άεργου ισχύος μέσω συγκεκριμένων τεχνικών. Ο μετατροπέας πηγής ρεύματος είναι ευάλωτος σε σφάλματα ανοικτοκυκλώματος και ο μετατροπέας πηγής τάσης είναι ευάλωτος σε σφάλματα βραχυκυκλώματος. Το σύστημα προστασίας σχεδιάζεται με σκοπό να αντιμετωπίζει τέτοια προβλήματα. Η κύρια προστασία είναι η σύνδεση λοιπόν μιάς αντίστασης (dc-link damping resistor) για την μείωση του dc υπερρεύματος μέσω μείωσης της ισχύος. Επειδή δεν υπάρχει επαγωγικό υπερρεύμα στον ρότορα για να περιορθεί κατά την διάρκεια των συνθηκών σφάλματος, ο βασικός σκοπός είναι η προστασία του συστήματος μέσω μεταφοράς ενέργειας από το dσημείο σύνδεσης. Μία λύση είναι η χρήση ενός επιπλέον dc/dc ανυψωτή τάσης. Υπάρχουν δύο τρόποι, είτε με μία αντίσταση για μείωση της πλεονάζουσας ενέργειας, είτε αποθηκεύοντας την επιπρόσθετη αυτή ενέργεια σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Παρακάτω θα αναλυθούν οι μέθοδοι προστασίας συστημάτων κατά την διάρκεια σφαλμάτων. Τα σφάλματα μπορεί να οφείλονται σε υπερεπιτάχυνση του ρότορα και σε υπερτάσεις/υπερρεύματα σε ημιαγώγιμες συσκευές. Παρακάτω θα αναλυθούν οι μέθοδοι προστασίας συστημάτων κατά την διάρκεια σφαλμάτων για διάφορες μορφές αιολικών συστημάτων. 4.4 Προστασία συστημάτων μεγάλου μεγέθους Για συστήματα μεγάλου μεγέθους που βασίζονται σε μετατροπείς πηγής-τάσης, οι σοβαρές επιπτώσεις των σφαλμάτων είναι: α) το υπερρεύμα στο dc καλώδιο λόγω αποφόρτισης του πυκνωτή, β) η αδιαβίβαστη ενέργεια που προκαλεί υπερεπιτάχυνση στην ανεμογεννήτρια. Μία αντίσταση (damping resistor) χρησιμοποιείται για να αντιμετωπιστεί η περιττή ενέργεια κατά την μεταφορά ενέργειας. Η περιττή ενέργεια μπορεί να «σκορπιστεί» με διάφορες μορφές αντιστάσεων (dump-load resistors).οι εξής περιπτώσεις προτείνονται:

89 79 1) DC-Chopper (κατατμητής πέδησης) Ένα DC CB χρησιμοποιείται για την ταχύτατη διακοπή του dc υπερρεύματος λόγω της αποφόρτισης του πυκνωτή. 2) DC Series Dynamic Resistor (εν σειρά δυναμική dc αντίσταση) Αυτό μπορεί να λειτουργήσει σαν περιοριστής υπερρεύματος στο dc καλώδιο ή στο dc κύκλωμα για να περιορισθεί το απότομο dc υπερρεύμα. Ένας ταχύς ημιαγώγιμος διακόπτης χρησιμοποιείται για να παρακαμφθεί ή να «απασχοληθεί» η αντίσταση κατά την διάρκεια της κανονικής λειτουργίας και κατάσταση σφάλματος. 3) AC Series Dynamic Resistor (εν σειρά δυναμική ac αντίσταση) Για όλο το αιολικό πάρκο, μία εξωτερική αντίσταση ισχύος που συνδέεται στις περιελίξεις του στάτη και χρησιμοποιείται για μείωση της επιτάχυνσης του ρότορα κατά την διάρκεια σφάλματος και ονομάζεται αντίσταση πέδησης (braking resistor). Ο στόχος της είναι η βελτίωση της σταθερότητας της γεννήτριας κατά το σφάλμα. 4) AC Damping Load (φορτίο απόσβεσης ac) Ένα τριφασικό AC damping load (φορτίο απόσβεσης) συνδέεται στον ακροδέκτη της γεννήτριας για να βοηθήσει στην αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας από την ανεμογεννήτρια. 5) Wind Turbine Pitch Control Το pitch control χρησιμοποιείται ευρέως σε αιολικά πάρκα μεγάλης κλίμακας για να αντιμετωπίσει της υπερεπιτάχυνση του ρότορα. Εάν η ανάκαμψη της ενέργειας δεν πρέπει να είναι άμεση, οι έλικες της ανεμογεννήτριας μπορούν να τοποθετηθούν έτσι ώστε να μειωθεί η αεροδυναμική ροπή. Η μηχανική αντίσταση χρησιμοποιείται συνήθως για να κρατά σταθερή την τουρμπίνα και θα χρησιμοποιηθεί κατόπιν σαν backup του pitch-controller.

90 Προστασία συστημάτων μικρής κλίμακας Για συστήματα μικρής κλίμακας, συνήθως δεν υπάρχει pitch control σε κάθε έλικα της τουρμπίνας. Για αυτό δεν περιλαμβάνεται στην παρακάτω διάταξη. Η AC series dynamic resistor (εν σειρά δυναμική ac αντίσταση) επίσης δεν περιλαμβάνεται στην διάταξη. 1) «Σκόρπισμα ενέργειας ή αποθήκευση ενέργειας» Οι διατάξεις προστασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικά σημεία του συστήματος. Κάθε dc-link στο σύστημα γεννήτριας μπορεί να θεωρηθεί σαν σημείο εξισορρόπησης ενέργειας. Οι επιλογές προστασίας για συστήματα μικρής κλίμακας φαίνονται στο ανωτέρω σχήμα. Τα διακεκομμένα τετράγωνα είναι οι κύριες θέσεις προστασίας που μπορούν να αντικατασταθούν και από άλλες συσκευές προστασίας όπως για παραάδειγμα συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Το επόμενο σχήμα δείχνει ένα σύστημα με προστασία αντιστροφέα πηγής τάσης. Η περισσευόμενη ενέργεια μπορεί να διασκορπιστεί μέσω των δύο αντιστάσεων απόσβεσης, με ισχύς P DR1 και P DR2, εξαρτώμενη από την θέση του σφάλματος. Τα σήματα μεταγωγής για τους δύο διακόπτες S DR1 και S DR2 εξαρτώνται από τον εντοπισμό του σημείου των dc υπερτάσεων. Η εν σειρά συνδεδεμένη αντίσταση R SDR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπερρεύματα στο πηνίο και προστασία του διακόπτη S.

91 81 2) Διάταξη Προστασίας Μετατροπέα για Σφάλμα Ανοικτοκυκλώματος (Converter Protection Sheme for Open-Circuit Fault) H αντίσταση από την πλευρά του δικτύου βασικά αντιμετωπίζει τα σφάλματα δικτύου, στα οποία η ενέργεια δεν μπορεί να μεταφερθεί μέσω του inverter με αποτέλεσμα να προκαλεί dc υπέρταση. Επίσης οι άλλες δύο αντιστάσεις που είναι τοποθετημένες στο σύστημα της γεννήτριας αντιμετωπίζουν κυρίως τα εσωτερικά σφάλματα του αιολικού πάρκου που έχουν ως αποτέλεσμα την αποσύνδεσή του από το δίκτυο και τα dc καλώδια. Η ροή της ενέργειας για τις δύο μορφές προστασίας αναλύεται παρακάτω. Μετά την αποσύνδεση από το δίκτυο, η ενέργεια που πρέπει να διασκορπιστεί είναι η Prec, και αυτή που είναι ήδη αποθηκευμένη στο πηνίο, P L. Για την ισχύ Prec, η προστασία είναι επίσης σημαντική για να αναχαιτίσει την υπερεπιτάχυνση του ρότορα. Η απότομη αλλαγή της πραγματικής ισχύος από την γεννήτρια σχετίζεται με την ηλεκτρική ροπή της εξόδου της γεννήτριας. Ενώ τα σχετικά αργά μηχανικά δυναμικά του ρότορα έχει ως αποτέλεσμα η μηχανική ροπή να μην μπορεί να εξισορροπηθεί με την μειωμένη ηλεκτρική ροπή που συνεπάγεται την υπερεπιτάχυνση του ρότορα. Η ισχύς P L σχετίζεται κυρίως με το υπερρεύμα του IGBT διακόπτη S. Εάν η αντίσταση R DR1 είναι ενεργή, θα υπάρχουν δύο μονοπάτια ενεργειας όπως φαίνεται στο σχήμα παρακάτω. Για τον λόγο αυτό απαιτείται ένας διακόπτης S DR1. Παρότι θεωρητικά αυτή η προστασία θα λειτουργήσει με τον ίδιο τρόπο με σύνδεση παράλληλα στον inverter dc-link capacitor, η κύρια διαφορά είναι ότι ένας μικρός πυκνωτής C f είναι μόνο για εξομάλυνση της κυμάτωσης της τάσης του ανορθωτή αντί για αποθήκευση ενέργειας όπως στην περίπτωση του πυκνωτή C.