ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΘΕΟΔΩΡΟΥ Δ. ΔΙΑΓΟΥΠΗ Α.Μ.: 5622 ΜΕΛΕΤΗ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο Πάτρα, Οκτώβριος 2009

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΜΕΛΕΤΗ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΔΙΑΓΟΥΠΗ ΤΟΥ ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ (Α.Μ. 5622) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 16/10/2009 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /20 (γραμματείας) ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Θεόδωρος Διαγούπης του Διονυσίου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη διερεύνηση της λειτουργίας του υποσυστήματος παραγωγής της εναλλασσόμενης τάσης ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Το αιολικό σύστημα συγκροτείται από μία σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη συχνότητας 50Hz για τη σύνδεση με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης, ένας μετατροπέας για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης τύπου Boost, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET ελεγχόμενος με τη μέθοδο SPWM και τέλος ένας μονοφασικός μετασχηματιστής. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση στον υπολογιστή καθώς και η κατασκευή της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή του μονοφασικού αντιστροφέα. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η μελέτη και διαστασιολόγηση όλων των επιμέρους τμημάτων του αιολικού συστήματος, έτσι ώστε να αποφανθούμε αν στο υπό μελέτη αιολικό σύστημα χρειάζεται η τοποθέτηση ενός μετασχηματιστή ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, προκειμένου να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο τάσης του δικτύου (230V). Έπειτα πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα χρησιμοποιώντας το λογισμικό προσομοίωσης του Matlab, το Simulink. Η προσομοίωση γενικά παρέχει τη δυνατότητα εξοικονόμησης χρόνου, εφόσον είναι συνήθως ευκολότερη η μελέτη της επίδρασης μιας παραμέτρου στη συμπεριφορά του συστήματος σε σύγκριση με την πραγματοποίηση της ίδιας μελέτης στο εργαστήριο.

6 Ως πρώτο βήμα της διαδικασίας προσομοίωσης μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν οι δυο πιο διαδεδομένες διαμορφώσεις που μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα μονοφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας, δηλαδή η διπολική και η μονοπολική διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM) και επιλέχθηκε η δεύτερη διότι παρουσίαζε τα περισσότερα πλεονεκτήματα. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε και προσομοιώθηκε ο κλειστός βρόχος ελέγχου του ρεύματος προκειμένου το υπό μελέτη αιολικό σύστημα να παρέχει μόνο ενεργό ισχύ στο δίκτυο. Τέλος πραγματοποιήθηκε η συνολική προσομοίωση της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, η οποία περιλαμβάνει: τον μονοφασικό αντιστροφέα, τον κλειστό βρόχο ελέγχου του ρεύματος, τον χρησιμοποιούμενο μετασχηματιστή ισχύος, ένα ωμικό φορτίο καθώς και το δίκτυο χαμηλής τάσης. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης κρίθηκε απαραίτητη η κατασκευή πειραματικής διάταξης. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν: α) το κύκλωμα ισχύος του αντιστροφέα και όλα τα απαραίτητα περιφερειακά για τη λειτουργία του, β) ένα L-C φίλτρο, για την απορρόφηση των ανωτέρων αρμονικών της τάσης εξόδου του αντιστροφέα γ) το κύκλωμα παλμοδότησης του αντιστροφέα, δ) η πλακέτα του μικροελεγκτή. Το επόμενο βήμα ήταν η ανάπτυξη των προγραμμάτων παλμοδότησης για το μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο dspic30f4011 της Microchip. Αρχικά κατασκευάστηκε ένα απλό πρόγραμμα παλμοδότησης για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας της διάταξης και κατόπιν το πρόγραμμα που χρησιμοποιήσαμε για την υλοποίηση της επιλεγείσας διαμόρφωσης του μονοφασικού αντιστροφέα. Τέλος έγιναν οι μετρήσεις στο εργαστήριο, έχοντας ένα ωμικό φορτίο στο οποίο μεταβάλλαμε την αντίσταση και ως εκ τούτου τις τιμές της παρεχόμενης ισχύος.

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Εμμανουήλ Τατάκη. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο χρησιμοποιεί την μικρού μεγέθους εγκατεστημένη ανεμογεννήτρια του εργαστηρίου και συνδέεται στο δίκτυο χαμηλής τάσης μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος ως εξής: αρχικά η εναλλασσόμενη τριφασική τάση στην έξοδο της γεννήτριας ανορθώνεται με τη βοήθεια μιας μη ελεγχόμενης τριφασικής γέφυρας ανόρθωσης με διόδους. Στη συνέχεια, η συνεχής αυτή τάση ανυψώνεται και σταθεροποιείται στα 120V με τη χρήση ενός ανυψωτή τάσης, ενώ τέλος χρησιμοποιείται ένας μονοφασικός αντιστροφέας με MOSFET έχοντας στην έξοδό του ένα μετασχηματιστή ισχύος (1:4), για τη σύνδεση του συστήματος με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Βασικός στόχος της εργασίας είναι η προσομοίωση στον υπολογιστή καθώς και η κατασκευή της τελευταίας βαθμίδας σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή ο μονοφασικός αντιστροφέας. Το σύστημα το οποίο θα προσομοιωθεί και μέρος του θα κατασκευασθεί, παρά το γεγονός ότι η ισχύς του δεν θα ξεπερνά το 1KW, μπορεί να αποτελέσει ένα εργαστηριακό πρωτότυπο, για τη μελέτη της συμπεριφοράς παρόμοιων συστημάτων μεγάλης ισχύος. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια γενική αναφορά για την αιολική ενέργεια. Συγκεκριμένα αναλύεται η αιολική ενέργεια σαν ανανεώσιμη πηγή και δίνονται καποια στοιχεία για τη διεσπαρμένη παραγωγή. Κλείνοντας παρατίθενται κάποιες προβέψεις για την εγκατεστημένη ισχύ από αιολικά συστήματα. Στο κεφάλαιο 2 αρχικά θα γίνει μία γενική αναφορά πάνω στις αρχές λειτουργίας των ανεμοκινητήριων συστημάτων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Αυτές είναι η λειτουργία σταθερών στροφών-σταθερής συχνότητας και η λειτουργία μεταβλητών στροφώνσταθερής συχνότητας. Ακολούθως, αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δύο αυτών μεθόδων και παρουσιάζονται διάφορες τοπολογίες που έχουν προταθεί για την ανάπτυξη αιολικών συστημάτων, ενώ τέλος θα παρουσιαστεί και διαστασιολογηθεί αναλυτικά το αιολικό σύστημα που επιλέγεται να μελετηθεί. 1

8 Στο κεφάλαιο 3 θα γίνει η θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του μονοφασικού αντιστροφέα καθώς και η ανάλυση της μεθόδου SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation). Έπειτα παρουσιάζονται και συγκρίνονται οι δυο βασικές διαμορφώσεις SPWM μέσω προσομοιώσεων στο Simulink του Matlab. Αυτές είναι η διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου και η διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. Στο κεφάλαιο 4 θα προσομοιωθεί το σύστημα σύνδεσης με το δίκτυο, δηλαδή ο μονοφασικός αντιστροφέας, ο κλειστός βρόχος ελέγχου του ρεύματος, ο χρησιμοποιούμενος μετασχηματιστής ισχύος, ένα ωμικό φορτίο καθώς και το δίκτυο χαμηλής τάσης. Τέλος παρουσιάζεται η σχεδίαση και ανάλυση του βρόχου ελέγχου του ρεύματος στο πεδίο του Laplace. Στο κεφάλαιο 5 θα περιγραφεί η κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα, όπου θα παρουσιαστεί η διαδικασία επιλογής των στοιχείων του, το κύκλωμα ισχύος και επίσης και όλα τα απαραίτητα περιφερειακά για τη λειτουργία του. Ακόμα θα περιγραφεί η διαδικασία κατασκευής του κυκλώματος παλμοδότησης καθώς και του L-C φίλτρου, που έχει ως σκοπό την απορρόφηση των ανωτέρων αρμονικών της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Στο κεφάλαιο 6 θα γίνει μια εκτενής ανάλυση του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήσαμε (dspic30f4011) καθώς και του λογισμικού MPLAB IDE. Τέλος θα παρουσιαστεί η μονάδα παραγωγής παλμών PWM του συγκεκριμένου μικροελεγκτή και θα δοθεί το διάγραμμα ροής του προγράμματος. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η διαδικασία του πειράματος, καθώς και τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Τατάκη για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση που μου προσέφερε καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους υποψήφιους διδάκτορες του εργαστηρίου και κυρίως τον κ. Αναστάσιο Νανάκο, που οι γνώσεις και οι συμβουλές που παρείχαν βοήθησαν ουσιαστικά στην επίλυση των δυσκολιών και των προβλημάτων που παρουσιάστηκαν. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την κατανόηση, την υπομονή και τη συμπαράσταση σε όλα τα χρόνια των σπουδών μου. 2

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Αιολική Ενέργεια 1.1. Γενικά Η αιολική ενέργεια σαν ανανεώσιμη πηγή Σύνδεση των ανεμογεννητριών στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Διεσπαρμένη παραγωγή Προβλέψεις για την εγκατεστημένη ισχύ από αιολικά συστήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική 2.1. Παραγωγή ενέργειας από τον άνεμο Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας Εναλλακτικές τοπολογίες για τη λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας Προτεινόμενο σύστημα μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας για τη σύνδεση ανεμογεννήτριας με το δίκτυο Περιγραφή υποσυστημάτων του προτεινόμενου αιολικού συστήματος Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών Ανορθωτική γέφυρα Ανυψωτής τάσης Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας Μονοφασικός μετασχηματιστής ισχύος Καθορισμός μεγεθών των υποσυστημάτων του προτεινόμενου αιολικού συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Θεωρητική ανάλυση κυκλώματος μονοφασικού αντιστροφέα 3.1. Εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος Εισαγωγή στους αντιστροφείς Μονοφασικοί αντιστροφείς Ανάλυση της μεθόδου SPWM Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προσομοίωση συστήματος σύνδεσης με το δίκτυο 4.1. Προσομοίωση σύνδεσης μονοφασικού αντιστροφέα με το δίκτυο (χωρίς Μ/Σ)

10 4.2. Προσομοίωση σύνδεσης μονοφασικού αντιστροφέα με το δίκτυο (με Μ/Σ) Συμπεριφορά του συστήματος σε μεταβολή της αναφοράς του ρεύματος Σχεδίαση και ανάλυση του βρόχου ελέγχου του ρεύματος στο πεδίο του Laplace ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Κατασκευή του αντιστροφέα 5.1. Γενικά Κατασκευή του κυκλώματος του μονοφασικού αντιστροφέα Κατασκευή του κυκλώματος παλμοδότησης των Mosfet Κατασκευή των τροφοδοτικών συνεχούς τάσης Συστήματα απαγωγής της θερμότητας Κατασκευή πηνίου για LC φίλτρο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ανάλυση μικροελεγκτή 6.1. Γενικά Ανάλυση του dspic30f4011 και του λογισμικού MPLAB IDE Μονάδα παραγωγής παλμών PWM Διαδικασία ανάπτυξης του προγράμματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Πειραματικά αποτελέσματα 7.1 Πειραματική διάταξη Πειραματικά αποτελέσματα για τετραγωνικούς παλμούς Πειραματικά αποτελέσματα για μονοπολική SPWM ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Η χρησιμοποίηση του ανέμου ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας βασίζεται στη μετατροπή της ενέργειας που υπάρχει στις κινούμενες μάζες του αέρα σε μηχανική. Η μηχανική αυτή ενέργεια αποδίδεται μέσω ενός περιστρεφόμενου άξονα σε μια ηλεκτρογεννήτρια μέσω της οποίας μετατρέπεται τελικά σε ηλεκτρισμό. Υπολογίζεται ότι στο 25% της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1 m/s σε ύψος 10 m [1]. Υποθέτοντας ότι, ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο επιφάνειας μπορούν να εγκατασταθούν κατά μέσο όρο ανεμογεννήτριες ισχύος περίπου 1-3 MW καθώς και το γεγονός ότι ανά MW εγκατεστημένης ισχύος παράγονται περίπου MWh/έτος, σε συνθήκες μέτριου αιολικού δυναμικού συνεπάγεται ότι η συνολική ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται σε TWh, για εγκατεστημένη ισχύ GW. Συγκριτικά, αξίζει να αναφερθεί ότι η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά το έτος 1987 ήταν περίπου TWh παγκοσμίως [1]. Συνεπώς, είναι φανερό ότι το παγκόσμιο αιολικό δυναμικό είναι πολύ σημαντικό και μπορεί να αποτελέσει μια πολύ σημαντική πηγή παραγωγής «καθαρής» ενέργειας, δηλαδή ενέργειας που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον. Η ατμόσφαιρα της γης είναι μια γιγάντια μηχανή που τροφοδοτείται από τον ήλιο. Το ποσό της θερμότητας που απορροφά η ατμόσφαιρα μεταβάλλεται με το χώρο και τον χρόνο. Η δημιουργία των ανέμων είναι αποτέλεσμα της ανομοιόμορφης θέρμανσης της ατμόσφαιρας και οφείλεται στη μετακίνηση τεράστιων αερίων μαζών ώστε να γίνει ανακατανομή της θερμότητας που απορροφάται [2]. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ανέμου είναι η διεύθυνση και η ένταση, η μέτρηση των οποίων γίνεται με ανεμόμετρα και ανεμογράφους και δίνει τους ανεμολογικούς πίνακες και χάρτες, που πρέπει να προέρχονται από μια σειρά συνεχών μετρήσεων.

12 1.2 Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΑΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΠΗΓΗ Μια τεχνολογία για την παραγωγή ηλεκτρισμού είναι η χρήση ανεμογεννητριών (Α/Γ) που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρισμό. Ο άνεμος είναι μια ανεξάντλητη πρωτογενής πηγή ενέργειας ενώ οι αρνητικές περιβαλλοντικές επιδράσεις που απορρέουν από τη χρήση ανεμογεννητριών είναι περιορισμένες. Αν και επηρεάζουν το περιβάλλον οπτικά και επιφέρουν κάποιο θόρυβο, οι συνέπειες αυτών είναι μικρές και τα οικοσυστήματα φαίνεται να επηρεάζονται σε πολύ μικρό βαθμό. Επιπλέον, από τη στιγμή που αφαιρούνται, ο θόρυβος και η οπτική τους επιβάρυνση εξαφανίζονται άμεσα και δεν προκύπτουν μόνιμες περιβαλλοντικές αλλοιώσεις. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας είναι τα εξής [3]: είναι άφθονη και διάσπαρτη, είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, βοηθά στην απεξάρτηση από ακριβά εισαγόμενα καύσιμα, η τεχνολογία εκμετάλλευσης είναι εμπορικά ώριμη, προσφέρεται για περιφερειακή ανάπτυξη, προσφέρεται για αποκέντρωση του ενεργειακού μοντέλου παραγωγής, δεν την έχουν λίγα «τυχερά» κράτη, αλλά όλοι ανεξαιρέτως, ενισχύει το ηλεκτρικό δίκτυο λόγω της διασποράς στην ανάπτυξη της, ενισχύει την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, δίνει ενέργεια χωρίς καύσιμο. Τέλος, πολλά από τα στοιχεία της ανεμογεννήτριας μπορούν να ανακυκλωθούν. Το βασικό περιβαλλοντικό πρόβλημα που συνδέεται με την αιολική ενέργεια είναι τα πτερύγια της έλικας, τα οποία προς στιγμήν δεν μπορούν να ανακυκλωθούν αλλά χρησιμοποιούνται σε εσωτερικές εφαρμογές, όπως πεζοδρόμια δρόμων, μετά την αποσύνδεση και αποσυναρμολόγηση της ανεμογεννήτριας. 6

13 Όταν συγκρίνεται με άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά, η αιολική ενέργεια είναι μια σχετικά φθηνή πηγή ενέργειας. Για το λόγο αυτό, η προώθηση από πολλές κυβερνήσεις των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας οδήγησε σε μεγάλη αύξηση την παραγωγή από αιολική ενέργεια. Παραδείγματα τέτοιων χωρών είναι η Γερμανία, η Δανία και η Ισπανία. Το σχήμα 1.1 δείχνει την αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος από αιολική ενέργεια κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαεπτά χρόνων, στην Ευρώπη. Όπως εύκολα διακρίνουμε, η εγκατεστημένη ισχύς παρουσιάζει μια σχεδόν εκθετική αύξηση. Ο βασικός λόγος για την παρατηρούμενη αυτή ανοδική πορεία της αιολικής ενέργειας είναι όπως προαναφέραμε το σχετικά χαμηλό κόστος παραγωγής σε σύγκριση με τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Σχήμα 1.1 Εγκατεστημένη ισχύς από αιολική ενέργεια στην Ευρώπη [4]. Ενδιαφέρον παρουσιάζει και το σχήμα 1.2 που παρουσιάζει το μερίδιο της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος από αιολική ενέργεια στην Ευρώπη που κατείχε το κάθε ευρωπαϊκό κράτος στο τέλος του έτους Αξίζει να σημειωθεί ότι η Ελλάδα κατείχε μόλις το 1.5% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη. 7

14 Σχήμα 1.2 Ποσοστό που κατείχε η κάθε ευρωπαϊκή χώρα της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος από αιολική ενέργεια στην Ευρώπη κατά το έτος 2007 [4]. 1.3 ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αν και υπάρχουν αυτόνοµα συστήµατα Α/Γ που χρησιµοποιούν συστήµατα αποθήκευσης της παραγόµενης ενέργειας, για παράδειγμα µπαταρίες, η πλειοψηφία των Α/Γ είναι συνδεδεµένες στο δίκτυο. Η τάση λειτουργίας της γεννήτριας είναι γενικά χαµηλότερη από την τάση του δικτύου στο οποίο συνδέεται, γεγονός που δηµιουργεί την ανάγκη ύπαρξης μετασχηματιστή ανύψωσης. Επιπλέον, κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη διακόπτη για την αποσύνδεση της Α/Γ σε περίπτωση βραχυκυκλώµατος για την αποφυγή της λεγόµενης νησιδοποίησης, κατάσταση κατά την οποία ένα µικρό τµήµα του δικτύου λειτουργεί µε τοπική ισορροπία µεταξύ παραγωγής και φορτίου, αλλά χωρίς σύνδεση στο κύριο σύστηµα. Η κατάσταση αυτή λειτουργίας είναι ανεπιθύµητη καθώς προκύπτουν τάσεις και συχνότητες έξω από τα επιτρεπτά όρια καθώς και κίνδυνος για το τεχνικό προσωπικό που αναλαµβάνει την επισκευή του σφάλµατος στη νησιδοποιηµένη περιοχή [5]. 8

15 Όταν οι Α/Γ είναι οργανωµένες σε µεγάλα αιολικά πάρκα (Α/Π), προκύπτουν καινούργιες δυνατότητες γιατί είναι εφικτός ο ολοκληρωµένος σχεδιασµός τριών βασικών υποσυστηµάτων του Α/Π: των Α/Γ, της εσωτερικής δοµής στο αιολικό πάρκο και της σύνδεσης στο δίκτυο. Επιπλέον, επειδή τα µεγάλα Α/Π παράγουν µεγαλύτερες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, συνδέονται σε υψηλότερα επίπεδα τάσης απ ότι οι µεµονωµένες Α/Γ. Όµως επειδή τα δίκτυα υψηλής τάσης είναι λιγότερο πυκνά από τα δίκτυα χαμηλής τάσης, συχνά πρέπει να καλυφθεί µεγάλη απόσταση µέχρι το σηµείο σύνδεσης στο δίκτυο. Σαν αποτέλεσµα των παραπάνω, σε περίπτωση µεγάλων Α/Π, µια σύνδεση συνεχούς ρεύµατος για τη σύνδεση του πάρκου στο δίκτυο µπορεί να είναι πιο συµφέρουσα [5]. Οι απώλειες στις συµβατικές εναλλασσοµένου ρεύµατος συνδέσεις, και κατά συνέπεια το λειτουργικό κόστος, αυξάνονται πιο πολύ µε το µήκος απ ότι στην περίπτωση των συνδέσεων συνεχούς ρεύματος. Επιπλέον πάνω από ένα όριο απόστασης, η χρήση σύνδεσης συνεχούς ρεύµατος παρά την αρχικά µεγαλύτερη επένδυση είναι προτιµητέα λόγω του χαµηλού λειτουργικού κόστους. Το τελευταίο οφείλεται στους µετατροπείς ισχύος που χρησιµοποιούνται μιας και τα καλώδια από µόνα τους είναι φθηνότερα σε εφαρμογές συνεχούς ρεύματος απ ότι σε εναλλασσόμενου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απαιτούνται δύο αντί για τρία καλώδια και γιατί οι ανάγκες σε µόνωση είναι µικρότερες για την ίδια ονοµαστική τιμή τάσης. Επίσης, το άεργο ρεύµα σε ένα µεγάλου µήκους καλώδιο εναλλασσόμενου ρεύματος φαίνεται να θέτει τεχνικό όριο στο µήκος των συνδέσεων εναλλασσόμενου ρεύματος. 1.4 ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Από την αρχή της δεκαετίας του '90, οι καινούργιοι πολιτικοί και τεχνικοί προσανατολισµοί έχουν προκαλέσει αλλαγές στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Το πρωτόκολλο του Κιότο επιβάλλει τη µείωση του φαινοµένου του θερµοκηπίου, την απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας και την διασπαρµένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η άρση του ελέγχου της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας δίνει την ευκαιρία να συνδεθούν όλο και περισσότερες διεσπαρµένες γεννήτριες στα δίκτυα διανοµής. Η διασπαρµένη παραγωγή ενέργειας έχει διάφορες επιπτώσεις στη λειτουργία των συστηµάτων ισχύος. Τα ηλεκτρικά δίκτυα σχεδιάστηκαν για να µεταφέρουν την ενέργεια µε µονοκατευθυντική ροή από τις συγκεντρωµένες εγκαταστάσεις 9

16 παραγωγής στους πελάτες µέσω των δικτύων µεταφοράς και διανοµής. Η παραγωγή ενέργειας από διεσπαρµένες πηγές µπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση της ροής της ισχύος στα δίκτυα διανοµής επηρεάζοντας ολόκληρη τη λειτουργία του συστήµατος [6]. Κατά τη διάρκεια των προηγούµενων ετών έως και σήµερα έχει δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στις επιδράσεις από την επικείµενη διασπαρµένη παραγωγή ενέργειας. Μεταξύ αυτών των επιδράσεων, µπορούν να αναφερθούν [6]: Αλλαγές στο επίπεδο της τάσης των δικτύων Ποιότητα της παραγόµενης ισχύος Μεταβολή των ρευµάτων από σφάλµατα του δικτύου αλλαγή του επιπέδου βραχυκύκλωσης. Τροποποίηση των προστασιών του δικτύου Αύξηση της «ρύπανσης» του δικτύου από τις παραγόµενες αρµονικές από τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος. Επιπτώσεις στην ευστάθεια του συστήµατος Από τα προηγούµενα είναι προφανές ότι η διεσπαρµένη παραγωγή επηρεάζει την λειτουργία των συστηµάτων διανοµής µε διάφορους τρόπους. Μια από τις κυριότερες επιπτώσεις είναι οι προκαλούµενες µεταβολές της τάσης. Συνεπώς είναι ανάγκη να καθιερωθούν κάποια όρια για την διακύµανση της τάσης, όπως π.χ. γίνεται στο πρότυπο ΕΝ [6]. Για τον χαρακτηρισµό της ποιότητας της ισχύος λαµβάνονται υπόψη κυρίως δυο παράγοντες: Οι µεταβατικές διακυµάνσεις της τάσης Η έγχυση αρµονικών στο δίκτυο Ένα σηµαντικό ζήτηµα για την ποιότητα ισχύος είναι οι βυθίσεις της τάσης που ορίζονται ως µειώσεις της τάσης (από 10% έως και το 90% της ονοµαστικής τιµής) σε χρονικά διαστήµατα µεταξύ µισού κύκλου µέχρι και αρκετών λεπτών ανάλογα µε τα εξεταζόµενα πρότυπα. Ως ευαίσθητος ορίζεται ο εξοπλισµός που δεν µπορεί να λειτουργήσει σε αυτές τις συνθήκες. Εάν κατά την ζεύξη / απόζευξη των γεννητριών επιτρέπεται η ανταλλαγή µεγάλων ρευµάτων µε το δίκτυο τότε µπορεί να εµφανιστούν µεταβατικές διαταραχές στην τάση του δικτύου. Τα προβλήµατα αυτά µπορούν να περιοριστούν µε την χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και σωστό συγχρονισµό των σύγχρονων γεννητριών κατά την ζεύξη τους µε το σύστηµα. Ένα επίσης σηµαντικό ζήτηµα είναι ο σχεδιασµός των συστηµάτων προστασίας. Σε αυτόν τον τοµέα υπάρχουν ακόµα διάφορα αµφισβητούµενα σηµεία, όπως π.χ. το 10

17 φαινόμενο της νησιδοποίησης, όπως αυτό περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα. Εντούτοις, όλοι συµφωνούν ότι η διεσπαρµένη παραγωγή επηρεάζει σηµαντικά την ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας. Η διεσπαρµένη παραγωγή από ανανεώσιµες πηγές στα δίκτυα διανοµής µέσης και χαµηλής τάσης αποτελεί έως τώρα ένα µικρό µέρος της συνολικής εγκατεστη µένης ισχύος. Εάν οι στόχοι που έχουν τεθεί σχετικά µε την διείσδυση των ανανεώσιµων πηγών επιτευχθούν, η αυτόµατη αποσύνδεση µεγάλου αριθµού διεσπαρµένων γεννητριών λόγω σφαλµάτων στο δίκτυο θα µείωνε τα αναµενόµενα οφέλη. Μερικές από τις σχετικές επιπτώσεις στη λειτουργία του συστήµατος λόγω της ύπαρξης διεσπαρµένων γεννητριών στο δίκτυο είναι οι ακόλουθες [6]: Η συνεισφορά στο ρεύµα βραχυκύκλωσης από τις διεσπαρµένες γεννήτριες θα µπορούσε να προκαλέσει την αποσύνδεση υγιών γραµµών στις οποίες συνδέονται διεσπαρµένες γεννήτριες λόγω της γρήγορης αντίδρασης των υπέργειων γραµµών µέσης τάσης σε σφάλµατα του δικτύου. Σε µερικές περιπτώσεις όπου οι διεσπαρµένες γεννήτριες παραµένουν συνδεµένες σε µια ελαττωµατική γραµµή, θα µπορούσαν να διατηρήσουν τη γραµµή διεγερµένη και να αποτρέψουν την αυτό-απόσβεση σφαλµάτων µε την µορφή τόξου. Αφ' ετέρου, µπορεί όµως να γίνει αυτόµατη επανάζευξη της γραµµής όταν οι γεννήτριες έχουν χάσει το συγχρονισµό τους µε το δίκτυο, µε ενδεχόµενες καταστρεπτικές συνέπειες για τις γεννήτριες. Η τροφοδοσία γραµµών αποσυνδεδεµένων από το δίκτυο λόγω σφαλµάτων µέσης και χαµηλής τάσης από διεσπαρµένες γεννήτριες, µπορεί να προκαλέσει πιθανή ζηµιά στους καταναλωτές λόγω των µεγάλων αποκλίσεων της τάσης και της συχνότητας από τις ονοµαστικές τιµές τους. Τα ηλεκτρικά δίκτυα και ειδικά τα δίκτυα διανοµής µε διεσπαρµένη παραγωγή αποτελούν ένα πολύ σηµαντικό τοµέα εφαρµογής για τα ηλεκτρονικά ισχύος. Οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος µπορούν να χρησιµοποιηθούν προκειµένου να ελεγχθεί η ροή ισχύος µεταξύ δύο διαφορετικών τµηµάτων του δικτύου ή µεταξύ του δικτύου και οποιουδήποτε άλλου είδους συνδεδεµένου συστήµατος. Ανάλογα µε την εφαρµογή, η ροή ισχύος µπορεί να είναι µονόδροµη ή αµφίδροµη και ο έλεγχος µπορεί να είναι συνεχής ή διακριτός. Η κυριότερη λειτουργία τους είναι να προσαρµόζουν την τάση του δικτύου στις απαιτήσεις του φορτίου και παράλληλα να βελτιστοποιούν την λειτουργία του. Tα 11

18 τελευταία έτη οι εφαρµογές των ηλεκτρονικών ισχύος έχουν επεκταθεί σε νέες περιοχές, καθώς τα σύγχρονα δίκτυα διανοµής αντιµετωπίζουν νέες προκλήσεις λόγω των τεχνολογικών εξελίξεων και των ρυθµιστικών αλλαγών. Σε αυτό το πλαίσιο οι κύριες αναδυόµενες εφαρµογές των ηλεκτρονικών ισχύος στα δίκτυα διανοµής είναι η σύνδεση διεσπαρµένων πηγών και η βελτίωση της ποιότητας της παραγόµενης ισχύος. Αφ' ενός, µπορούν να λειτουργήσουν ως αντισταθµιστικές συσκευές των οποίων η ενέργεια προστίθεται στην ενέργεια του δικτύου προκειµένου να διορθωθούν οι διαταραχές τάσης π.χ. βυθίσεις τάσης ή για να αποτρέψουν την έγχυση αρµονικών στο ρεύµα του δικτύου π.χ. ενεργά φίλτρα, αφ ' ετέρου, µπορούν να λειτουργήσουν ως συµπληρωµατικά συστήµατα όταν ανιχνεύεται µια διαταραχή, π.χ.εφαρµογές UPS, SSTS. Όσον αφορά την διεσπαρµένη παραγωγή, η κύρια εφαρµογή των ηλεκτρονικών ισχύος είναι η σύνδεση του δικτύου και του συστήµατος παραγωγής. Από την πλευρά του δικτύου διανοµής µια διανεµηµένη γεννήτρια είναι ένα φορτίο που εγχέει ισχύ στο δίκτυο αντί να απορροφά. Κατά συνέπεια η κύρια λειτουργία τους είναι να προσαρµόζουν την παραγόµενη ισχύ στις απαιτήσεις του δικτύου. Επιπλέον µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας των γεννητριών και για την διαχείριση του ποσού της ισχύος που αποθηκεύεται ή εγχέεται στο δίκτυο. Με την χρήση συσκευών αποθήκευσης είναι δυνατή η αύξηση της συνολικής απόδοσης ενός συστήµατος µε εξυπηρέτηση των αιχµών ζήτησης, την µείωση των απαιτούµενης εφεδρείας και την διευκόλυνση της σύνδεσης µε το δίκτυο. Εκτός των προηγουµένων η αύξηση της διεσπαρµένης παραγωγής στα δίκτυα διανοµής αλλάζει και την ιεραρχική δοµή των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας καθιστώντας αναγκαίο έναν αναλυτικό και προσεκτικό σχεδιασµό της ανάπτυξης τους. Στα µελλοντικά δίκτυα διανοµής θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η δυνατότητα τµηµάτων του δικτύου να λειτουργούν αυτόνοµα ή τροφοδοτούµενα από το δίκτυο (Microgrids) [6]. ραµατικές αλλαγές επιβάλλονται επίσης στα συστήµατα διαχείρισης της ενέργειας και εποπτείας του συστήµατος µε αποτέλεσµα να απαιτούνται εξελιγµένα συστήµατα καταγραφής και επιτήρησης της κατάστασης των δικτύων, π.χ. απαιτείται η απεικόνιση ανά ώρα ή και µισή ώρα, της κατανάλωσης για πολλές περιοχές του δικτύου. 12

19 1.5 ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥ ΑΠΟ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η EWEA (European Wind Energy Association) το 2008 δημοσίευσε τρία σενάρια συντηρητικό (low), μέτριο (reference) και αισιόδοξο (high) πρόβλεψης έως το 2030 της συνολικής εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη [4], τα οποία και απεικονίζονται στο σχήμα 1.3. Είναι φανερό ότι σημαντικό μερίδιο της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος θα κατέχουν τα παράκτια (offshore) αιολικά πάρκα. Σύμφωνα με το μέτριο σενάριο κατά το 2020 θα έχουμε συνολική αιολική ισχύ 180 GW και 300 GW κατά το έτος Τουναντίον, σύμφωνα με το αισιόδοξο σενάριο στην Ευρωπαϊκή Ένωση κατά το 2030 θα υπάρχει συνολική εγκατεστημένη ισχύ 350 GW (συμπεριλαμβανομένης και αυτής που προέρχεται από offshore εφαρμογές) ενώ σύμφωνα με το συντηρητικό σενάριο θα υπάρχουν 200 GW. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι τα 56.5 GW εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη το έτος 2007 παρήγαγαν 119 TWh ηλεκτρισμού, αρκετού για να καλύψει το 3.7% της συνολικής ευρωπαϊκής ζήτησης. Σχήμα 1.3 Σενάρια πρόβλεψης της εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη [4]. 13

20 Η έκρηξη αυτή της χρήσης της αιολικής ενέργειας και η ευρύτατη διάδοσή της μας κέντρισε το ενδιαφέρον διερεύνησης ενός μικρού αιολικού συστήματος σύμφωνου με τις αρχές της διεσπαρμένης παραγωγής. Επίσης σημαντικό ρόλο προς αυτή την κατεύθυνση κατείχε η αναζήτηση τρόπων σύνδεσης της μικρής ισχύος εγκατεστημένης Α/Γ του εργαστηρίου, με το δίκτυο χαμηλής τάσης. 14

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 2.1 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες διαφοροποιείται σημαντικά από τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής. Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να αναφέρουμε τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται το block διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος καθώς και η ροή ενέργειας σε αυτό: Σχήμα 2.1 Διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα [7]. Η κινητική ενέργεια των αερίων μαζών μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με την βοήθεια μιας αεροδυναμικής διάταξης, του ανεμοκινητήρα (Α/Κ). Μεταξύ του ανεμοκινητήρα και της γεννήτριας, η οποία μετατρέπει το μηχανικό έργο σε ηλεκτρική ενέργεια, παρεμβάλλεται ένα μηχανικό σύστημα προσαρμογής. Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στην έξοδο της γεννήτριας, τροφοδοτείται στο δίκτυο, μέσω της χρησιμοποιούμενης συσκευής συνδέσεώς της με αυτό. Οι μεγάλες διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο, οδηγούν σε ασυμφωνία μεταξύ ζήτησης και παραγωγής ενέργειας. Λύση στο πρόβλημα αυτό μπορεί να δοθεί με την χρήση συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Η αποθηκευμένη ενέργεια καλύπτει το ενεργειακό έλλειμμα, όταν η ισχύς της ανεμογεννήτριας πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο [7]. 15

22 Ο άνεμος, από μετεωρολογικής άποψης, είναι αέριες μάζες σε κίνηση. Ο αέρας έχει μάζα m η οποία όταν αποκτήσει ταχύτητα u w, ο προκύπτων άνεμος έχει κινητική ενέργεια: 2 Ε wind =(1/2)mu w (2.1) Αν ρ η πυκνότητα του αέρα που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, u w η ταχύτητα του ανέμου και Α η επιφάνεια που διαπερνά κάθετα ο άνεμος, τότε m=ραu w (2.2) θα είναι η μάζα αέρα που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη συγκεκριμένη επιφάνεια. Συνεπώς, σύμφωνα με τη σχέση 2.1 η κινητική ενέργεια που περνά από την επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή η ισχύς θα είναι: P wind =1/2 ραu w u 2 w =0.5ρu 3 w Α=0.5ρu 3 w πr 2 (2.3) όπου, R η ακτίνα των πτερυγίων Αυτή είναι η ολική ισχύς που διαθέτει ο άνεμος όταν διαπερνά τα πτερύγια ενός ανεμοκινητήρα (Α/Κ). Η μηχανική ισχύς που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα (P WM ) είναι μόνο ένα κλάσμα αυτής της ισχύος, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε η κίνηση των πτερυγίων του Α/Κ προκαλεί εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο τα παρακάμπτει χωρίς να τα διαπεράσει [2]. Τα μεγέθη P wind και P WM συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός συντελεστή C p που ονομάζεται αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος και αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος για κάθε Α/Κ: P 3 2 WM Cp Pwind 0.5ρCpu wπr (2.4) Ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος C p προκύπτει βάσει μετρήσεων και υπολογισμών και εκφράζει την αεροδυναμική απόδοση του ανεμοκινητήρα. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να λάβει είναι C p,max =16/27=59% και καλείται όριο του Βetz [2]. Το όριο αυτό είναι κατά κάποιο τρόπο ο μέγιστος βαθμός απόδοσης ενός συστήματος με ιδανική έλικα. O συντελεστής C p εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του Α/Κ και στην απλούστερη περίπτωση είναι μία συνάρτηση του λόγου ακροπτερυγίου λ και της κλίσης β των πτερυγίων: C p (λ,β). Ο λόγος ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) λ ορίζεται από τη σχέση: λ ταχύτητα ακροπτερυγίου ταχύτητα ανέμου Ω u WM (2.5) όπου, Ω WM η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα. w R 16

23 Στο σχήμα 2.2 δίνεται μια τυπική καμπύλη του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος C p (λ) θεωρώντας την κλίση των πτερυγίων σταθερή. Όπως φαίνεται από το σχήμα μόνο για μία τιμή του λόγου λ ο αεροδυναμικός συντελεστής απόδοσης αποκτά τη μέγιστη τιμή του, η οποία είναι βέβαια μικρότερη από το όριο του Betz. Σχήμα 2.2 Συντελεστής αεροδυναμικής απόδοσης συναρτήσει του λόγου λ [7]. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον αλλά και δυσκολία παρουσιάζει η μελέτη και σχεδίαση της ένταξης ανεμογεννητριών σε αυτόνομα δίκτυα απομακρυσμένων περιοχών, που τροφοδοτούνται από γεννήτριες οδηγούμενες από ντηζελοκινητήρες, μικρούς ατμοστρόβιλους ή αεροστρόβιλους. Η τροφοδοσία σημαντικών ποσών ισχύος από ανεμογεννήτριες σε τέτοια δίκτυα έχει μεγάλη οικονομική σημασία, αλλά ταυτόχρονα μπορεί να προκαλέσει σημαντικές διακυμάνσεις της τάσης και της συχνότητας. Με δεδομένη την μικρή αδράνεια αλλά και την μικρή αντοχή σε βραχυκύκλωμα που παρουσιάζουν αυτά τα συστήματα, ο μόνος τρόπος περιορισμού των διακυμάνσεων τάσεως και συχνότητας είναι μέσω των συστημάτων ελέγχου του δικτύου ή με προσθήκη διατάξεων αποθήκευσης ενέργειας [7]. Στα αιολικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην ισχύ που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα, οι οποίες μεταφέρονται μέσω του μηχανικού συστήματος μετάδοσης στην έξοδο της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν να εμφανίζονται έντονες μηχανικές και ηλεκτρικές καταπονήσεις, αφετέρου δε να έχουμε μεγάλες ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της ανεμογεννήτριας. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος, ενώ είναι δυνατό να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ανεμογεννήτρια. Στη δυναμική αυτών των φαινομένων συμμετέχουν εξίσου ο ανεμοκινητήρας, το μηχανικό σύστημα 17

24 μετάδοσης της ισχύος, η γεννήτρια, τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που μπορεί να υπάρχουν και το ηλεκτρικό δίκτυο [7]. Με τη βοήθεια του σχήματος 2.2 θα περιγραφούν στη συνέχεια οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι οποίες είναι [7-9]: Μέθοδος σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας (ΣΣΣΣ) Μέθοδος μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας (ΜΣΣΣ) Οι πρώτες ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν λειτουργούσαν σύμφωνα με τη μέθοδο σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι το σύστημα μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας προσφέρει περισσότερα πλεονεκτήματα και για το λόγο αυτό καθιερώθηκε. Στη συνέχεια θα αναλυθούν οι δύο μέθοδοι λειτουργίας και θα γίνουν σαφή τα πλεονεκτήματα της λειτουργίας των μεταβλητών στροφών συγκριτικά με τις σταθερές στροφές. 2.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Στη λειτουργία σταθερών στροφών ο δρομέας του ανεμοκινητήριου συστήματος στρέφεται με σχεδόν σταθερή ταχύτητα, ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου. Η σύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο γίνεται απευθείας, με τη χρήση ενός μετασχηματιστή προσαρμογής της τάσης εξόδου της Α/Γ στην τάση του δικτύου με το οποίο αυτή συνδέεται. Ένα σχηματικό διάγραμμα της λειτουργίας αυτής φαίνεται στο σχήμα 2.3: Σχήμα 2.3 Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας [7]. Η γεννήτρια του αιολικού συστήματος μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε ασύγχρονη. Στην περίπτωση σύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σταθερές και εξαρτώνται από τη συχνότητα του δικτύου, ενώ στην περίπτωση χρησιμοποίησης 18

25 ασύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σχεδόν σταθερές, αφού εξαιτίας της ολίσθησης μεταβάλλονται σε ένα μικρό εύρος τιμών. Τα συστήματα ΣΣΣΣ παρουσιάζουν προβλήματα που οφείλονται στην απευθείας σύνδεσή τους με το δίκτυο. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια, η μανδάλωση της ταχύτητας σε μία συγκεκριμένη τιμή έχει ως αποτέλεσμα απότομες μεταβολές της ισχύος του ανέμου να μεταφέρονται απ ευθείας στο δίκτυο. Επιπλέον, εάν η μεταβαλλόμενη αεροδυναμική ροπή περιέχει αρμονικές συνιστώσες, που βρίσκονται κοντά στις συχνότητες συντονισμού του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της ισχύος, θα εμφανιστούν έντονες ταλαντώσεις σ αυτό αλλά και στην ισχύ εξόδου της γεννήτριας. Από την άλλη, η χρησιμοποίηση ασύγχρονης γεννήτριας η οποία επιτρέπει τη μεταβολή της γωνιακής ταχύτητας σε ένα περιορισμένο εύρος έχει σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της ισχύος στην έξοδό της. Το μειονέκτημά της είναι ότι σε αντίθεση με την σύγχρονη γεννήτρια απορροφά άεργο ισχύ, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποκλειστική τροφοδότηση δικτύων [8]. Το μεγαλύτερο όμως μειονέκτημα της λειτουργία ΣΣΣΣ είναι άλλο. Στη λειτουργία με σταθερές στροφές, έχοντας δηλαδή Ω WM =ct, ο λόγος ακροπτερυγίου, όπως προκύπτει από τη σχέση 2.5, θα είναι αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας του ανέμου. Αυτό σημαίνει πως μόνο για μία ταχύτητα ανέμου ο λόγος λ θα παίρνει τη βέλτιστη τιμή λ opt για την οποία C p =C p,max (σχήμα 2.2). Η λειτουργία, λοιπόν, ΣΣΣΣ συνεπάγεται υποεκμετάλλευση του ανεμοκινητήρα για τις περισσότερες ταχύτητες ανέμου, γεγονός που οδηγεί σε δραστική μείωση του συντελεστή απόδοσης τέτοιων συστημάτων. Συμπερασματικά, το σύστημα σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας παρουσιάζει το πλεονέκτημα της εξαιρετικής απλότητας, αξιοπιστίας και των μηδενικών αναγκών συντήρησης, γεγονός που συνέβαλε στην καθιέρωσή του σε μια εποχή όπου η αξιοπιστία ήταν το βασικότερο από τα προς επίλυση προβλήματα των ανεμογεννητριών. Ταυτόχρονα, όμως, το σχήμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια σειρά από καθοριστικά μειονεκτήματα: αυξημένη μεταβλητότητα της ροπής και της ισχύος εξόδου, ταλαντώσεις του μηχανικού συστήματος και λειτουργία του συστήματος σε υποβέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος [7]. 19

26 2.3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Λύση σε πολλά από τα παραπάνω προβλήματα μπορεί να δώσει η λειτουργία ΜΣΣΣ, όπου η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταβάλλεται κατά ελεγχόμενο τρόπο, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Για το σκοπό αυτό και τη σύνδεση της ηλεκτρικής γεννήτριας στο δίκτυο σταθερής συχνότητας έχουν προταθεί παλαιότερα διάφορες μέθοδοι με χρήση υδραυλικών συστημάτων ή κιβωτίων ταχυτήτων μεταβαλλόμενου λόγου, αλλά ο πλέον κατάλληλος τρόπος, για λόγους απωλειών, αξιοπιστίας και αναγκών συντήρησης, είναι με τη χρήση μετατροπέα συχνότητας. Με τον τρόπο αυτό η ταχύτητα περιστροφής αποδεσμεύεται από τη σταθερή συχνότητα του δικτύου και είναι δυνατή η μεταβολή της εντός ευρέων ορίων [7]. Στο σχήμα 2.4 δίνεται το διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Σχήμα 2.4 Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας [7]. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.4, στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας τριφασικός ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη της ανεμογεννήτριας σε συνεχή. Η σύνδεση στο δίκτυο γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τα συνεχή ηλεκτρικά μεγέθη σε εναλλασσόμενα, συχνότητας ίδιας με αυτήν του δικτύου. Οι μετατροπείς αυτοί μπορούν να αποτελούνται είτε από θυρίστορ, είτε από ημιαγωγικά στοιχεία ελεγχόμενης έναυσης και σβέσης, όπως θυρίστορ με σβέση από την πύλη (GTO) ή τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT). Αυτός ο τρόπος σύνδεσης αποσκοπεί κυρίως στην μεγιστοποίηση της ισχύος που απομαστεύεται από τον άνεμο, μεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνιακή ταχύτητα της ανεμογεννήτριας, μέσω του ηλεκτρονικού ελέγχου της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ [8]. Ο βασικός λόγος που οδήγησε στην εισαγωγή της λειτουργίας μεταβλητών στοφών ήταν η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος, η οποία όπως δείχθηκε προηγουμένως, είναι μειωμένη στη λειτουργία σταθερών στροφών. Ως συμπλήρωση του βασικού σχήματος 2.2 δίδεται παρακάτω, στο σχήμα 2.5, η τυπική μορφή των καμπυλών της αεροδυναμικής ισχύος του δρομέα της 20

27 ανεμογεννήτριας P WM συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής του Ω WM, με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου u w. Όπως φαίνεται από το σχήμα 2.5, όταν η ταχύτητα του δρομέα είναι σταθερή, π.χ. N S, μόνο για μία ταχύτητα ανέμου (12m/s) η ισχύς που απομαστεύεται από τον άνεμο είναι η μέγιστη δυνατή. Για όλες τις υπόλοιπες ταχύτητες του ανέμου η ισχύς που παίρνουμε από τον άνεμο είναι εμφανώς μικρότερη της μέγιστης δυνατής. Σχήμα 2.5 Καμπύλες αεροδυναμικής ισχύος στροφών του δρομέα, με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου και βέλτιστη καμπύλη λειτουργίας [7]. Στη λειτουργία μεταβλητών στροφών στόχος είναι η αλλαγή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται πάντοτε στην κορυφή των αντίστοιχων καμπυλών, ή διαφορετικά να βρίσκεται πάνω στην καμπύλη μέγιστης απόδοσης. Το βασικότερο ίσως πλεονέκτημα της λειτουργίας μεταβλητών στροφών είναι η εξομάλυνση της μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών, η απόσβεση των συντονισμών του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης και ο περιορισμός των μέγιστων φορτίων (αιχμών της ροπής, π.χ. για ριπές του ανέμου). Άμεση συνέπεια αυτών είναι ο περιορισμός των καταπονήσεων και άρα η αύξηση της αναμενόμενης διάρκειας ζωής των μηχανικών συνιστωσών του συστήματος και η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους τους, με θετική επίπτωση στο βάρος και το κόστος της κατασκευής. Επιτρέποντας στις στροφές της ανεμογεννήτριας να μεταβάλλονται, διακυμάνσεις της ισχύος από την πλευρά του ανέμου δεν εμφανίζονται κατευθείαν στην γεννήτρια, αφού τα στρεφόμενα μέρη του συστήματος λειτουργούν τώρα ως σφόνδυλος, ο οποίος αποθηκεύει ή δίνει ενέργεια, σε μια αύξηση ή μείωση της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, ως τελικό αποτέλεσμα, εκτός από τη μεγαλύτερη απομάστευση ισχύος 21

28 από τον άνεμο, έχουμε καλύτερη ποιότητα ισχύος που προσδίδεται στο δίκτυο. Επίσης, ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ισχύος, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατός ο έλεγχος και της αέργου ισχύος εξόδου, με λειτουργία της ανεμογεννήτριας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα είναι τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω λειτουργίας σε μειωμένες στροφές. Η χρήση των μετατροπέων ισχύος παρέχει ακόμα τη δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης σχεδόν μέχρι μηδενικής ταχύτητας (ανάλογα με το είδος των μετατροπέων) μειώνοντας τη φθορά των μηχανικών συστημάτων πέδησης, ενώ επίσης ο έλεγχος των υπερφορτίσεων της μηχανής είναι πολύ πιο αποτελεσματικός, αφού ελέγχεται άμεσα το ρεύμα και η ροπή της γεννήτριας. Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας σε μειωμένη ταχύτητα έχει ως αποτέλεσμα και τη μείωση των απωλειών ισχύος του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, η οποία όμως αντισταθμίζεται από τις απώλειες των μετατροπέων ισχύος, σε ποσοστό που εξαρτάται από το είδος των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων. Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι ότι η λειτουργία με μεταβλητό αριθμό στροφών παρέχει τη δυνατότητα μείωσης της ισχύος εξόδου σε ώρες χαμηλού φορτίου. Αυτή η δυνατότητα είναι σημαντική, γιατί έτσι αποφεύγεται η αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας από το δίκτυο [8]. Συμπερασματικά, η λειτουργία μεταβλητών στροφών με τη χρήση κατάλληλων μετατροπέων ισχύος περιορίζει τον μηελεγχόμενο χαρακτήρα της ανεμογεννήτριας ως πηγής ισχύος και καθιστά ευκολότερη την ενσωμάτωσή της στα υπάρχοντα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Πέραν των πολλών πλεονεκτημάτων των ανεμογεννητριών με λειτουργία μεταβλητών στροφών υπάρχουν και αρκετά μειονεκτήματα. Το πρώτο μειονέκτημα σχετίζεται με την αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος λόγω του μετατροπέα συχνότητας. Ταυτόχρονα, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη διαμόρφωση του ηλεκτρικού μέρους, ενδεχομένως να χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια ή μηχανή επαγωγής δακτυλιοφόρου δρομέα, αντί για την απλή γεννήτρια κλωβού, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους, του βάρους και των αναγκών συντήρησης. Εξαιτίας της ύπαρξης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος υπάρχουν διακοπτικά φαινόμενα, τα οποία οδηγούν σε αύξηση των ανώτερων αρμονικών που εγχέονται στο δίκτυο. Συνεπώς είναι απαραίτητη η εγκατάσταση ογκωδών φίλτρων για τον περιορισμό των ανώτερων αρμονικών. Με τη χρήση μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο PWM σε διακοπτικές συχνότητες της τάξης των ΚHz, τα προβλήματα των 22

29 αρμονικών περιορίζονται σημαντικά, αφού μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνότητες απαιτώντας έτσι μικρότερα φίλτρα [10]. Τα πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητών στροφών οδήγησαν στην καθιέρωσή τους. Για τους μετατροπείς με χρήση ηλεκτρονικών ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα εναλλακτικά σχήματα, ανάλογα με τον τύπο της χρησιμοποιούμενης γεννήτριας Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες διατάξεις. 2.4 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗ- ΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Η αξιολόγηση των εναλλακτικών διαμορφώσεων του ηλεκτρικού μέρους μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών και η επιλογή του βέλτιστου σχήματος εξαρτάται από πολλούς και συχνά αντικρουόμενους παράγοντες, όπως είναι η δυναμική συμπεριφορά, το κόστος, η απλότητα, οι αρμονικές και ο συντελεστής ισχύος [7]. Η δυναμική συμπεριφορά των εναλλακτικών τοπολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεί και τον πρωταρχικό παράγοντα επιλογής του καταλληλότερου σχήματος. Παρ όλα αυτά, για λόγους πληρότητας της ανάλυσης, στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται και σχολιάζονται συνοπτικά και οι άλλοι παράγοντες που υπεισέρχονται και συνεκτιμώνται για την επιλογή του τελικού σχήματος. Όσον αφορά το κόστος, αυτό σχετίζεται κατά κύριο λόγο με την επιλογή της γεννήτριας. Δηλαδή σχήματα που περιλαμβάνουν ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν πλεονέκτημα όσο αφορά το κόστος συγκριτικά με σχήματα που περιλαμβάνουν σύγχρονη μηχανή ή ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, καθ όσον οι μηχανές αυτές είναι σημαντικά ακριβότερες και επιπλέον παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες συντήρησης λόγω των δακτυλίων του δρομέα. Από την άλλη πλευρά η χρήση σύγχρονων μηχανών παρότι αυξάνει το κόστος της κατασκευής έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής άεργου ισχύος, προϋπόθεση απαραίτητη σε πολλές εφαρμογές. Παλαιότερα, στην επιλογή του κατάλληλου σχήματος έπρεπε να ληφθεί σοβαρά υπόψη και το κόστος της διάταξης με τα ηλεκτρονικά ισχύος κάτι που δεν ισχύει πλέον σήμερα λόγω της μείωσης του κόστους τους από την εκτεταμένη εφαρμογή τους. Στο σχήμα 2.6 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα ενός αιολικού συστήματος ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια [8]. Για τη σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο χρησι- 23

30 μοποιείται μία διάταξη εναλλασσόμενου/συνεχούς/εναλλασσόμενου (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) που αποτελείται από έναν ανορθωτή διόδων και έναν αντιστροφέα με θυρίστορ. Σχήμα 2.6 Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και διάταξη ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη. Ο ανορθωτής διόδων μετατρέπει τη μεταβαλλόμενου πλάτους και μεταβαλλόμενης συχνότητας τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας σε συνεχή. Η συνεχής τάση από την πλευρά του αντιστροφέα ρυθμίζεται μέσω της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Μεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνία εναύσεως ελέγχεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο και έτσι μπορούμε να ρυθμίζουμε την ροή ισχύος από την γεννήτρια στο δίκτυο. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ανεμοκινητήρων ισχύος μέχρι 250 kw [8]. Οι πυκνωτές στους ακροδέκτες της ασύγχρονης γεννήτριας τροφοδοτούν την άεργο ισχύ που απαιτείται για την διέγερσή της. Κύρια πλεονεκτήματα της διάταξης είναι βέβαια το χαμηλό κόστος λόγω της χρήσης ασύγχρονης γεννήτριας, καθώς και η απλότητα και αξιοπιστία του συστήματος μετατροπής εξαιτίας της χρήσης ανορθωτικής γέφυρας διόδων και αντιστροφέα με θυρίστορ. Όμως, η επιλογή ανορθωτή διόδων δεν μας δίνει την δυνατότητα ελέγχου της τάσης στη πλευρά συνεχούς ρεύματος. Η τάση αυτή αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι στροφές της γεννήτριας. Για το λόγο αυτό έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι περιορισμού της, με κατάλληλη διαμόρφωση της παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα [7]. Από την πλευρά του δικτύου, απαιτούνται μεγάλα και δαπανηρά φίλτρα έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές ρεύματος που δημιουργούνται από τον αντιστροφέα με θυρίστορ. Στο σχήμα 2.7 εικονίζεται μια από τις βασικές διατάξεις των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης, η οποία έχει βρει εφαρμογή και σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών λόγω των πολύ καλών λειτουργικών και δυναμικών της χαρακτηριστικών. Πρόκειται για μια ασύγχρονη γεννήτρια με δύο ηλεκτρονικούς μετατροπείς αποτελούμενους από τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) στον στάτη [8]. 24

31 Σχήμα 2.7 Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια και μετατροπείς με IGBT. Όπως φαίνεται και στο σχήμα χρησιμοποιούνται δύο όμοιοι μετατροπείς πηγής τάσης, τόσο στην πλευρά της γεννήτριας, όσο και στην έξοδο του συστήματος προς το δίκτυο, οι οποίοι παλμοδοτούνται με την τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Για τη μεταφορά ενέργειας στο δίκτυο ο πρώτος μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής ενώ ο δεύτερος ως αντιστροφέας Ο μετατροπέας από την πλευρά της γεννήτριας ρυθμίζει την τάση εισόδου του αντιστροφέα ενώ ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου ελέγχει το συντελεστή ισχύος και άρα την ροή πραγματικής ισχύος προς αυτό. Τα μειονεκτήματα αυτού του ηλεκτρικού σχήματος είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα λόγω των δύο ελεγχόμενων μετατροπέων καθώς και η χρησιμοποίηση περισσότερων ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος (12 IGBT). Από την άλλη πλευρά υπάρχει πλεονέκτημα από τη χρήση της ασύγχρονης γεννήτριας λόγω του μικρότερου κόστους της αλλά και η δυνατότητα ροής ισχύος και προς τις δυο κατευθύνσεις. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση τεχνικών PWM εκτός από τον αποτελεσματικό έλεγχο της τάσης εξόδου, εξασφαλίζει την πολύ σημαντική μείωση του αρμονικού περιεχομένου των παραγόμενων ρευμάτων, οι οποίες μετατοπίζονται σε υψηλές συχνότητες επιτρέποντας την χρήση μικρότερων και οικονομικότερων φίλτρων [7,8]. Σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών έχει προταθεί και διερευνηθεί σε σημαντικό βαθμό η διάταξη ασύγχρονης μηχανής με δακτυλιοφόρο δρομέα και σύστημα μετατροπέων συνδεδεμένων στους ακροδέκτες του. Στην απλούστερη περίπτωση η διάταξη των μετατροπέων περιλαμβάνει μη ελεγχόμενο ανορθωτή στους ακροδέκτες του δρομέα και αντιστροφέα στην έξοδο, όπως φαίνεται στο σχήμα

32 Σχήμα 2.8 Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο δρομέα. Η ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα σε σχέση με τη βραχυκυκλωμένου δρομέα είναι ακριβότερη και έχει μεγαλύτερες απαιτήσεις συντήρησης. Από την άλλη πλευρά, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς είναι στον δρομέα διαχειρίζονται μόνο ένα τμήμα της συνολικής ισχύος εξόδου, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της ονομαστικής ισχύος των μετατροπέων και άρα και του κόστους τους. Αυτό είναι και το βασικό πλεονέκτημα της διάταξης αυτής που σε συνδυασμό με την απλότητα και την αξιοπιστία των μετατροπέων την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρμογές ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος (της τάξεως των MW). Τέλος, είναι δυνατές και άλλες παραλλαγές της διάταξης οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν ελεγχόμενο ανορθωτή με θυρίστορ αντί για τον ανορθωτή διόδων ή σύστημα διπλών μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο PWM. H τελευταία υλοποίηση μάλιστα είναι και η καλύτερη καθώς απαλείφει και τα προβλήματα των αρμονικών, διατηρώντας το πλεονέκτημα του μειωμένου μεγέθους των μετατροπέων [7,8]. Οι διάφορες διατάξεις που παρουσιάστηκαν μέχρι τώρα χρησιμοποιούν όλες ασύγχρονη γεννήτρια είτε κλωβού, είτε δακτυλιοφόρου δρομέα. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν κάποια ηλεκτρικά σχήματα με σύγχρονη γεννήτρια η οποία δεν χρειάζεται πυκνωτές αυτοδιέγερσης στα άκρα της αφού η ίδια μπορεί να παράγει άεργο ισχύ. Στο σχήμα 2.9 διακρίνεται η απλούστερη δυνατή διαμόρφωση με σύγχρονη γεννήτρια και με χρήση μη ελεγχόμενου ανορθωτή και συμβατικού αντιστροφέα με θυρίστορ. 26