Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Καραγεώργου Ζαχαρία Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού Και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου:

Transcript

1 Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Καραγεώργου Ζαχαρία Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού Και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Έλεγχος τάσης σε μικροπαραγωγές (χαρακτηριστική στατισμού Q-V ελεγκτή) με δυνατότητα τροφοδοσίας από ευρύ φάσμα ΣΡ πηγών τάσης Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Βοβός Νικόλαος Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 18/02/2016

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καραγεώργος Ζαχαρίας 2016 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Καραγεώργο Ζαχαρία, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Έλεγχος τάσης σε μικροπαραγωγές (χαρακτηριστική στατισμού Q-V ελεγκτή) με δυνατότητα τροφοδοσίας από ευρύ φάσμα ΣΡ πηγών τάσης» του κ. Καραγεώργου Ζαχαρία, Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στις και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Βοβός Νικόλαος, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Βοβός Παναγής, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, / /2016 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Βοβός Νικόλαος Καθηγητής Βοβός Νικόλαος

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Θα ήθελα από τα βάθη της καρδιάς μου να ευχαριστήσω όλους όσους με στήριξαν, με βοήθησαν και με ανέχτηκαν στις πιο δύσκολες στιγμές μου. Στη μητέρα μου

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία έγινε μια προσπάθεια διερεύνησης του θέματος της ρύθμισης της τάσης εξόδου διεσπαρμένων μικροπαραγωγών, στα πλαίσια συμμετοχής τους σε ένα Μικροδίκτυο. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 παρουσιάζεται μια μικρή ιστορική αναδρομή της πορείας των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 έχουμε τον ορισμό της Διεσπαρμένης Παραγωγής, παρουσιάζονται διάφορες μορφές της, καθώς επίσης και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της Διεσπαρμένης Παραγωγής. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 δίνεται ο ορισμός του Μικροδικτύου, παραθέτονται οι 2 τύποι Μικροδικτύων (AC και DC), όπως και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του καθενός από αυτά. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 παρουσιάζονται διαφορετικοί τρόποι ρύθμισης της τάσεως, από τους πλέουν συμβατικούς, μέχρι και τους πιο σύγχρονους. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 παραθέτονται οι βασικοί τύποι Ηλεκτρονικών Μετατροπέων Ισχύος, οι οποίοι, μεταξύ άλλων, συμβάλλουν στη ρύθμιση της τάσης εξόδου των μικροπαραγωγών. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 προτείνεται ένα σχήμα ελέγχου των μικροπαραγωγών, τόσο της εξαγόμενης τάσης, όσο και της συχνότητας. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 παρουσιάζονται οι προβληματισμοί για την επίδραση των μικροπαραγωγών στην αξιοπιστία και την ποιότητα της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος, καθώς και το πως οι μικροπαραγωγές μπορούν να συμβάλλουν θετικά στην αύξησή τους. Τέλος, παρουσιάζονται η ανακεφαλαίωση της Διατριβής, η συνεισφορά της, καθώς επίσης και οι προοπτικές συνέχισής της.

6 ABSTRACT This Τhesis was an attempt to investigate the issue of regulating the output voltage of dispersed small producers, in the context of participation in a Microgrid. In Chapter 1 a brief history of Power Systems is presented. In Chapter 2 we have the definition of Distributed Generation, various forms of which are presented, as well as the advantages and disadvantages of the Distributed Generation. In Chapter 3 we give the definition of Microgrid, the two types of which (AC and DC) are presented, as well as the advantages and disadvantages of each. In Chapter 4 different ways of voltage regulation are presented, from conventional ones, up to the most modern of them. In Chapter 5 we list the main types of Power Electronics, which, among other things, help to regulate the output voltage of small producers. In Chapter 6 a control scheme of small producers is presented, so for the output voltage, as for the frequency too. In Chapter 7 we present the concerns about the effect of small producers in the reliability and quality of electric power and how small producers can positively contribute to the increase of them. Finally, the summary of this Thesis, its contribution, as well as the prospects of its continuation are presented.

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΝΤΟΜΕΥΣΕΙΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΤΩΝ ΣΗΕ...14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Ορισμός Εμφάνιση της διεσπαρμένης παραγωγής Σύνδεση τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής στο δίκτυο Τεχνολογίες των διεσπαρμένων πηγών Πλεονεκτήματα που προσφέρει η εγκατάσταση DER Μειονεκτήματα που προσφέρει η εγκατάσταση DER Παράγοντες για την επιλογή κατάλληλης διεσπαρμένης πηγής...31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Εισαγωγή-ορισμός Πλεονεκτήματα μικροδικτύων Μειονεκτήματα μικροδικτύων Προσδιορισμός AC μικροδικτύου Προσδιορισμός DC μικροδικτύου Κύριος λόγος εμφάνισης των Dc Μικροδικτύων AC εναντίον DC μικροδίκτυα DC Μικροδίκτυα Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Dc Μικροδικτύων Μειονεκτήματα DC μικροδικτύων Έλεγχος στα DC μικροδίκτυα...51

8 3.9.1 Ιεραρχικός έλεγχος στα DC Μικροδίκτυα...53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΑΣΗΣ Εισαγωγή Συμβατικές μέθοδοι ρύθμισης τάσης Λήψεις αλλαγής τάσεων Μετασχηματιστών Ισχύος Ρυθμιστές Τάσης Σύγχρονοι Πυκνωτές Στατοί Πυκνωτές Σύγχρονες μέθοδοι ρύθμισης τάσης STATCOM, SVC Μέσα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας Περικοπή ενεργού ισχύος της ΔΠ Έλεγχος της αέργου ισχύος των αντιστροφέων της ΔΠ Τοπικός και Συντονισμένος έλεγχος τάσης Αποκεντρωμένος Έλεγχος Τάσης Droop Control Q-V ( και P-f )...74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση μετατροπέων Μετατροπείς μίας βαθμίδας Μετατροπείς δύο βαθμίδων Μετατροπείς πολλαπλών βαθμίδων Σύστημα Ελέγχου του Μετατροπέα DC-DC και DC-AC Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Ισχύος Boost Μετατροπέας (Ανύψωσης Τάσης)...86

9 5.4.2 DC-AC Inverter (Aντιστροφέας ΣΤ-ΕΤ)...89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΣΧΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ Εισαγωγή Ανάγκες Διαχείρησης του Μικροδικτύου Ανάγκες Προστασίας του Μικροδικτύου Έλεγχος Μικροπαραγωγών μέσω των Microsource Controllers (MCς) Έλεγχος Πραγματικής και Αέγου Ισχύος Εφαρμογή των χαρακτηριστικών στατισμού στον έλεγχο VSI Επίδραση των παραμέτρων της γραμμής στον ελεγκτή VSI με χαρακτηριστικές στατισμού Βελτίωση της ευστάθειας με χρήση της φανταστικής σύνθετης αντίστασης Κατανομή φορτίου μέσω P-f ελέγχου και δευτερογενής έλεγχος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 - ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ Εισαγωγή Φορτία με αυξημένες απαιτήσεις σε Ποιότητας Ισχύος Τεχνολογίες Βελτίωσης της Ποιότητας Ισχύος Επίδραση της ενσωμάτωσης ΔΠ στην Αξιοπιστία και την Ποιότητα Ισχύος ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ, ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ, ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΣΥΝΕΧΙΣΗΣ ΤΗΣ...122

10 ΣΥΝΤΟΜΕΥΣΕΙΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ Α/Γ Ανεμογεννήτρια ΑΠΕ Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ΔΠ ΔΣΔ ΕΔΔ ΕΡ Διεσπαρμένη Παραγωγή Διαχειριστής Συστήματος Διανομής Ενεργά Δίκτυα Διανομής Εναλλασσόμενο Ρεύμα Μ/Σ Μετασχηματιστής ΜΤ ΣΗΕ Μέση Τάση Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας ΣΜΗΕ Συστήματα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας ΣΡ ΤΠΕ ΥΤ Συνεχές Ρεύμα Τεχνολογία Πληροφορικής και Επικοινωνιών Υψηλή Τάση Φ/Β Φωτοβολταϊκά ΧΤ AI Χαμηλή Τάση Artificial Intelligence AMI Advanced Metering Infrastructures AMR Automatic Meter Reading AND Active Distribution Network BBS Bricks-Buses-Software CAD Computer Aided Design CAN Control Area Network CC CCS Central Controller Central Controller System CHP Combined Heat and Power

11 CIS Customer Information System CMD Converter Manufacturing Data CP CPP DCS Custom Power Critical Peak Pricing Distributed Control System DER Distributed Energy Resource DG Distributed or Dispersed Generation DMS Distibution Management Systems DNO Distribution Network Operator DR Demand Response DRAM Dynamic Random Access Memory DSE Distribution State Estimation DVR Dynamic Voltage Restorer EMI Electromagnetic Interference EMM Energy Manager Module EPRI Electric Power Research Institute EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory FACTS Flexible AC Transmission System FDS Flexible Distribution System HAN Home Area Network HMI Human Machine Interface ICT IEA Information and Communication Technology International Energy Agency IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor IPM Integrated Power Modules ISO MC Independent System Operator Microsource Controller

12 MCP Market Cleaning Price MOVs Metal Oxide Varistors MPPT Maximum Power Point Tracking NEC National Electrical Code (of USA) NGC National Grid Company OMS Outage Management System PCB PCC Printed Circuit Board Point of Common Coupling PCM Protection Co-ordination Module PID PLC Proportional-Integral-Derivative Programmable Logic Controller PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator PQ pu RTP Power Quality Per Unit Real-Time Practicing RTU Remote Terminal Unit SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SIL Surge Impedance Loading SMES Superconducting Magnetic Energy Storage SSTS Solid-State Transfer Switch STATCOM Static Synchronous Compensator SVC Static Var Compensator TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor TOU Time of Use TSR Tip Speed Ratio TSSC Thyristor Switched Series Capacitor TVSS Transient Voltage Surge Suppressors

13 UPS Uninterruptible Power Supply VLSI Very Large Scale Integration VSI Voltage Source Inverter

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΤΩΝ ΣΗΕ Όσο και αν φαίνεται παράξενο οι δράσεις αναβάθμισης των Συστημάτων Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΜΗΕ) άρχισαν το 1954 με την υποθαλάσσια διασύνδεση Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) του νησιού Gotland και τη χρήση μετατροπέων Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ΕΡ)/ΣΡ με βαλβίδες υδραργύρου. Παρόμοια και μεγαλύτερου μεγέθους έργα ακολούθησαν, όπως η διασύνδεση της Σαρδηνίας (1967), η μεγάλης απόστασης διασύνδεση του Ειρηνικού (Pacific Intertie 1970) και η διασύνδεση Nelson River (1973), που αξιοποιούσαν τα πλεονεκτήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με ΣΡ σε μεγάλες επίγειες αποστάσεις ή υποθαλάσσιες διασυνδέσεις. Η επόμενη σημαντική εξέλιξη έγινε το 1972, με την αντικατάσταση των βαλβίδων υδραργύρου με βαλβίδες θυρίστορ, στην ασύγχρονη διασύνδεση (Back to Back) μεταξύ Quebec και New Brunswick. Στα επόμενα περίπου 25 χρόνια κυριάρχησαν οι μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (line commutated) με βαλβίδες θυρίστορ. Παράλληλα είχαμε μία θεαματική ανάπτυξη των διακοπτικών στοιχείων ισχύος στερεάς κατάστασης, τόσο στην αύξηση δυνατοτήτων χειρισμού μεγαλύτερων ισχύων, όσο και στον έλεγχο του χρόνου σβέσης τους και μάλιστα με έλεγχο τάσης. Η ευρεία αξιοποίησή τους μείωσε το κόστος τους και αναπτύχθηκε πλήθος ελεγκτών με στόχο τον έλεγχο ροής άεργου και πραγματικής ισχύος στα ΣΜΗΕ. Με τη χρήση αυτών των ελεγκτών αυξήθηκε η μεταφορική ικανότητα των ΣΜΗΕ και η ενσωμάτωσή τους σε αυτά οδήγησε, περί το 1986, στα εξελιγμένα ΣΜΗΕ, που ονομάστηκαν Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς ΕΡ (Flexible AC Transmission System (FACTS)). Η τεχνολογία που αξιοποιούν βασίζεται στη χρήση αξιόπιστων, μεγάλης ταχύτητας διακοπτών ισχύος στερεάς κατάστασης, προχωρημένης θεωρίας ελέγχου, σύγχρονους επεξεργαστές και οπτικές ίνες για αποστολή και λήψη σημάτων σε επίπεδο υψηλών τάσεων. Τη δεκαετία του 1980 και εντατικότερα την τελευταία εικοσαετία ευρεία εφαρμογή των ηλεκτρονικών ισχύος έχουμε στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ).

15 Τα φωτοβολταϊκά συστήματα και τα κύτταρα καυσίμου απαιτούν μετατροπή από ΣΡ σε ΕΡ. Στις ανεμογεννήτριες για καλύτερη εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού απαιτείται η λειτουργία σε μεταβλητές στροφές, όπως και στους μικρούς υδροστρόβιλους. Σε αυτές τις εφαρμογές χρησιμοποιούνται μετατροπείς για τη μετατροπή της μεταβαλλόμενης συχνότητας ΕΡ στη συχνότητα του δικτύου. Αυτή η χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος αναβάθμισε τεχνολογικά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ και μαζί με τις κρατικές επιχορηγήσεις ώθησαν στη ραγδαία ανάπτυξη αυτών των πηγών και ενισχύθηκε η τάση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο με σύνδεση στο δίκτυο διανομής. Αυτή ορίζεται ως κατανεμημένοι ή Διεσπαρμένοι Παραγωγή (ΔΠ) (Distributed or Dispersed Generation (DG)) και μετέτρεψε το παθητικό και μίας κατεύθυνσης ισχύος δίκτυο διανομής σε ενεργητικό και διπλής κατεύθυνσης ισχύος δίκτυο. Στα ενεργά δίκτυα διανομής απαιτείται η ενσωμάτωση ευέλικτων και ευφυών συστημάτων ελέγχου, καθώς και της τεχνολογίας των δικτύων του μέλλοντος (μικροδίκτυα (micro grids) ή έξυπνα δίκτυα (smart grids)) για να καρπωθούμε ποιοτική ηλεκτρική ενέργεια από τις ανανεώσιμες πηγές. Για να γίνει δυνατή η εμπορική εκμετάλλευση της ΔΠ και μικροδίκτυων χρειάζεται η λύση προβλημάτων στους ακόλουθους τομείς και όχι μόνο: i) ενεργός έλεγχος εκτεταμένων περιοχών, ii) προσαρμοστική προστασία και έλεγχος, iii) συσκευές διαχείρισης δικτύων, iv) προσομοίωση δικτύων σε πραγματικό χρόνο, v) εξελιγμένοι αισθητήρες και μετρήσεις, vi) κατανεμημένες επικοινωνίες, vii) ευφυείς μέθοδοι εξαγωγής γνώσης, viii) μοντέρνα σχεδίαση συστημάτων μεταφοράς και διανομής. Περί το 1991 καθιερώθηκε η ιδέα εφαρμογής αντίστοιχων ηλεκτρονικών ελεγκτών στα συστήματα διανομής, με σκοπό την αύξηση της αξιοπιστίας τους και τη βελτίωση της ποιότητας της τροφοδοτούμενης ισχύος.

16 Χρησιμοποιήθηκε ο όρος Ισχύς Καταναλωτών ή Ποιότητα Ισχύος (Custom Power (CP) or Power Quality (PQ)) για να περιγράψει την αυξημένης αξίας ισχύ, που θα παρέχουν οι ηλεκτρικές εταιρείες στους καταναλωτές τους στο μέλλον, δηλαδή ισχύ με λιγότερες διακοπές και διακυμάνσεις. Το 2000 εισήχθη από το συγγραφέα αυτού του βιβλίου η έννοια του Ευέλικτου Συστήματος Διανομής (Flexible Distribution System (FDS)) για να περιγράψει τα συστήματα διανομής, που χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικούς ελεγκτές καθιστούν τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας πιο αξιόπιστη, περισσότερο ελέγξιμη και πιο αποδοτική. Η διευρυμένη αυτή έννοια περιλαμβάνει τα γνωστά μας συστήματα διανομής με ενσωματωμένους ελεγκτές ηλεκτρονικών ισχύος ή διασυνδέσεις ΣΡ με μετατροπείς πηγής τάσης και συστήματα διανομής που χρησιμοποιούν μόνο ΣΡ. Οι λόγοι που επέβαλαν αυτή την εξέλιξη είναι: α) Τα νέα αυτοματοποιημένα συστήματα παραγωγής και επεξεργασίας της πληροφορίας στις βιομηχανίες (π.χ. ηλεκτρονικά ισχύος για τον έλεγχο στροφών, ρομπότ, αυτόματες γραμμές παραγωγής, προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές, ηλεκτρονικοί υπολογιστές κ.λ.π.) είναι πολύ ευαίσθητα στις πολύ μικρής χρονικής διάρκειας (μικρότερης του 1 sec) διακοπές παροχής ισχύος, διακυμάνσεις της τάσης ή της συχνότητας, ενώ οι ίδιες διαταραχές δεν επηρέαζαν σοβαρά την παραγωγική διαδικασία των λιγότερο αυτοματοποιημένων βιομηχανιών του παρελθόντος με τους ηλεκτρομηχανικούς αυτοματισμούς. β) Η ανάγκη για: i) Εκτεταμένη αξιοποίηση των διαθέσιμων τοπικών πηγών ενέργειας, μεταξύ των οποίων και οι ανανεώσιμες, αξιοποιούμενες από ανεμογεννήτριες, ηλιακά κάτοπτρα και κύτταρα και μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς. ii) Η σύνδεση φορτίων απομακρυσμένων από δίκτυα μεταφοράς, που όμως δεν είναι αρκετά μεγάλα για να δικαιολογήσουν οικονομικά την κατασκευή συνηθισμένων γραμμών μεταφοράς και διανομής. iii) Η τροφοδοσία μικρών νησιώτικων φορτίων. iv) Η τροφοδοσία μικρών αγροτικών φορτίων από μικρές απομεμακρυσμένες γεννήτριες.

17 γ) Η πρόκληση από την εξελισσόμενη απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και τη νέα εποχή των αναβαθμισμένων υπηρεσιών. Τέλος, καθοριστική είναι η συνεισφορά των ηλεκτρονικών ισχύος στην ανάπτυξη των συσκευών αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Πρόκειται για συσκευές που αναπτύχθηκαν την τελευταία δεκαετία, με αποθηκευτική ικανότητα μερικών δεκάδων MJ, που μπορούν για μερικές εκατοντάδες ms να τροφοδοτήσουν φορτία ισχύος μερικών MW και αξιοποιούνται στα FACTS και τα FDS. Από την ενέργεια αυτών των συσκευών τροφοδοτούνται ευαίσθητα ηλεκτρικά φορτία κατά τη διάρκεια βραχυχρόνιων (μερικών εκατοντάδων ms) διακοπών της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος, αλλά και για την εξάλειψη ποικίλων διαταραχών τάσης. Η αποθήκευση της ενέργειας γίνεται σε σύγχρονες μπαταρίες, υπερπυκνωτές (super capacitors), υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)) και σφονδύλους με υπεραγώγιμη έδραση.

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 2.1 Ορισμός Oι αυξανόμενες απαιτήσεις στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και οι επιπτώσεις των ελλείψεων αυτής της μορφής ενέργειας, τα ποιοτικά προβλήματα ισχύος και η εκτίναξη των τιμών της, έχουν στρέψει πολλούς πελάτες στην αναζήτηση άλλων πηγών υψηλής ποιότητας και αξιόπιστης ηλεκτρικής ενέργειας.η διεσπαρμένη παραγωγή (στα αγγλικά γνωστή με ως Distributed Energy Resource-DER), δηλαδή μικρής κλίμακας πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που βρίσκεται κοντά στο σημείο όπου χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια (πχ ένα σπίτι ή επιχείρηση), παρέχει μια εναλλακτική λύση ή μια ενίσχυση του κεντρικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Η διεσπαρμένη παραγωγή είναι μια γρηγορότερη, λιγότερο ακριβή επιλογή στην κατασκευή των μεγάλων, κεντρικών εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας και των υψηλής τάσεων γραμμών μετάδοσης. Προσφέρει στους καταναλωτές τη δυνατότητα για το χαμηλότερο κόστος, την υψηλότερη αξιοπιστία υπηρεσιών, την ποιότητα υψηλής δύναμης, την αυξανόμενη ενεργειακή αποδοτικότητα και την ενεργειακή ανεξαρτησία. Η χρήση των ανανεώσιμων διανεμημένων τεχνολογιών ενεργειακής παραγωγής και της «πράσινης ισχύος», όπως ο αέρας, η ηλιακή ενέργεια, η γεωθερμία, η βιομάζα, ή η υδροηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να παρέχει ένα σημαντικό περιβαλλοντικό όφελος. Η διεσπαρμένη παραγωγή ορίζεται ως η παραγωγή ενέργειας μικρής κλίμακας, με τιμές που κατά κανόνα κυμαίνονται από 1kW μέχρι 100MW και είναι μία σχετικά καινούρια τάση στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, όταν αναφερόμαστε στη διεσπαρμένη παραγωγή εννοούμε ότι μονάδες παραγωγής ενέργειας έχουν εγκατασταθεί κοντά στο σημείο κατανάλωσης (φορτίο).

19 Σχήμα 2.1 Τύποι Διεσπαρμένης Παραγωγής (DER) και Τεχνολογίες 2.2 Εμφάνιση της διεσπαρμένης παραγωγής Η ιδέα της διεσπαρμένης παραγωγής δεν εμφανίστηκε τώρα. Στις αρχές της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η διεσπαρμένη παραγωγή ήταν ο κανόνας και όχι η εξαίρεση. Οι πρώτες εγκαταστάσεις παραγωγής ισχύος είχαν τη δυνατότητα να παρέχουν ενέργεια μόνο σε καταναλωτές στην γειτονική τους περιοχή. Αρχικά, τα πρώτα δίκτυα ήταν βασισμένα σε DC τάση και έτσι η παροχή της τάσης ήταν περιορισμένη, όπως περιορισμένη ήταν και η απόσταση ανάμεσα στον παραγωγό και τον καταναλωτή. Η ζήτηση ενέργειας που υπήρχε ορισμένες φορές καλυπτόταν με τη χρήση τοπικών μέσων αποθήκευσης, όπως μπαταρίες, που μπορούσαν να συνδεθούν κατευθείαν στο δίκτυο DC. Μάλιστα αυτή η μέθοδος αποθήκευσης ενέργειας είναι και κάτι άλλο, εκτός από τη διεσπαρμένη παραγωγή, το οποίο επανέρχεται στο προσκήνιο.

20 Στη συνέχεια, η ανάπτυξή και η εξέλιξη της τεχνολογίας, όπως η εμφάνιση των AC δικτύων, επέτρεψε τη μετάδοση της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγαλύτερες αποστάσεις και η εφαρμογή οικονομιών κλίμακας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησαν σε μία μεγάλη αύξηση της ισχύος εξόδου, στις μονάδες παραγωγής. Όλα αυτά είχαν σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερες ανέσεις και μικρότερα κόστη, ενώ κατασκευάστηκαν μεγάλα ηλεκτρικά συστήματα, αποτελούμενα από τεράστια δίκτυα μεταφοράς και διανομής αλλά και πολύ μεγάλες εγκαταστάσεις. Η ασφάλεια της παροχής γινόταν όλο και μεγαλύτερη καθώς ενδεχόμενη αποτυχία ενός σταθμού παραγωγής, ισοσταθμιζόταν από τις υπόλοιπες εγκαταστάσεις του δικτύου. Την τελευταία δεκαετία, οι τεχνολογικές καινοτομίες και μαζί και με το μεταβαλλόμενο και ρυθμιστικό οικονομικό περιβάλλον, είχαν σαν αποτέλεσμα να ανανεωθεί το ενδιαφέρον για τη διεσπαρμένη παραγωγή. Συνοπτικά οι λόγοι Ανάπτυξης Διεσπαρμένης Παραγωγής είναι οι ακόλουθοι: Αυξημένη ανάπτυξη στις τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής Μεγάλοι περιορισμοί στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς Αυξημένες απαιτήσεις των καταναλωτών για αξιόπιστη ενέργεια Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και ανησυχίες για τις παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές και Μείωση των εκπομπών αερίων στο διάστημα κατά 5.2% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 (όπως προβλέπεται μέσω του πρωτόκολλου του Κιότο) Επίσης, όπως αναφέρθηκε, τα τελευταία χρόνια έχει δημιουργηθεί πολύ μεγάλο ενδιαφέρον γύρω από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι περισσότερες ανανεώσιμες πηγές, όπως θα δούμε και παρακάτω αποτελούν γενικά και συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής, αν και

21 υπάρχουν εξαιρέσεις, όπως είναι τα υδροηλεκτρικά μεγάλης κλίμακας και τα παράκτια αιολικά πάρκα. Εκτός όμως από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στη διεσπαρμένη παραγωγή εντάσσονται και άλλες τεχνολογίες, που η λειτουργία τους βασίζεται και στη χρήση ορυκτών καυσίμων. 2.3 Σύνδεση τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής στο δίκτυο Τις τελευταίες δύο δεκαετίες αρκετές εφαρμογές διεσπαρμένης παραγωγής συνδέθηκαν στο ελληνικό δίκτυο διανομής, κυρίως στο δίκτυο μέσης τάσης (15 ή 20kV), όπως επίσης και στο δίκτυο χαμηλής τάσης (230/400V). Η πλειοψηφία αυτών των εγκαταστάσεων είναι αιολικά πάρκα ή ανεξάρτητες ανεμογεννήτριες και μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί. Υπάρχουν επίσης μερικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας από βιοκαύσιμα, καθώς επίσης και μικρές φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Η λειτουργία ενός ηλεκτρικού δικτύου ελέγχεται από συσκευές προστασίας και ρύθμισης της τάσης, που έχουν σκοπό την παροχή, προς τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, αποδεκτής ποιότητας, ελαχιστοποιώντας τον αριθμό των σφαλμάτων και προσφέροντας υψηλό επίπεδο ασφάλειας. Η σύνδεση στο δίκτυο μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής πρέπει να συμβαδίζει με αυτές τις γενικές αρχές, ώστε αφενός μεν να μην προκαλούνται ενοχλήσεις στους λοιπούς καταναλωτές και αφετέρου να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ του δικτύου διανομής και των εγκαταστάσεων των παραγωγών. Ο στόχος είναι η διασφάλιση της ομαλής συνεργασίας των εγκαταστάσεων με το δίκτυο, η ασφάλεια προσώπων και εγκαταστάσεων και η εξασφάλιση αποδεκτής ποιότητας ισχύος. Η ποιότητα ισχύος αφορά ένα μεγάλο αριθμό ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων και διαταραχών που εμφανίζονται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αν

22 και αποτελεί καινούριο όρο, η ποιότητα ισχύος καλύπτει φαινόμενα ήδη γνωστά τα οποία όμως αποκτούν διαφορετική και μεγαλύτερη σημασία στα μοντέρνα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Η αύξηση των ευαίσθητων σε διαταραχές φορτίων αλλά και των φορτίων που δημιουργούν διαταραχές (εκπομπές) και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις για αξιοπιστία, καθιστούν την ποιότητα ισχύος σημαντική παράμετρο της λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος με μεγάλη οικονομική σημασία. Βασικά κριτήρια και προϋποθέσεις που εξετάζονται προκειμένου να επιτραπεί η σύνδεση νέων εγκαταστάσεων παραγωγής είναι τα ακόλουθα: Επάρκεια του δικτύου Συμβολή στη στάθμη βραχυκύκλωσης Αργές μεταβολές της τάσης (μόνιμης κατάστασης) Ταχείες μεταβολές της τάσης Εκπομπές flicker 2.4 Τεχνολογίες των διεσπαρμένων πηγών Οι τεχνολογίες DER αποτελούνται κυρίως από τα συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας που, όπως αναφέρθηκε τοποθετούνται στο ή κοντά στο σημείο χρήσης. Η κατανεμημένη ενέργεια περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών, που περιλαμβάνει κυψέλες καυσίμου, μικροστρόβιλους, εμβολοφόρους κινητήρες, καθώς και άλλες τεχνολογίες διαχείρισης της ενέργειας. Επίσης διαθέτει διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και συσκευές επικοινωνίας και ελέγχου για την αποδοτική λειτουργία των ανεξάρτητων μονάδων παραγωγής και του μικροδικτύου. Το πρωτογενές καύσιμο για πολλά συστήματα κατανεμημένης παραγωγής είναι το φυσικό αέριο, αλλά και το υδρογόνο μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στο μέλλον. Τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, ενέργεια από βιομάζα, και ανεμογεννήτριες, είναι επίσης δημοφιλής.

23 Εδώ θα αναλυθούν πληροφορίες σχετικά με τις τεχνολογίες DER που διατίθενται στο εμπόριο, καθώς και εκείνες που ακόμη αναπτύσσονται: Μικροτουρμπίνες Οι μικροτουρμπίνες είναι μικρές τουρμπίνες που παράγουν ισχύ μεταξύ 25 και 500 kw. Αυτές προήλθαν από τεχνολογίες που υπήρχαν σε μεγάλα φορτηγά ή στις τουρμπίνες των αεροσκαφών. Σχήμα 2.2 Μικροτουρμπίνες 30kW Τουρμπίνες εσωτερικής καύσης Οι παραδοσιακές τουρμπίνες παράγουν ισχύ μεταξύ 500 kw και 25 MW για DER, και μέχρι 250 MW για κεντρική παραγωγή ισχύος. Το καύσιμο που χρησιμοποιούν είναι φυσικό αέριο, πετρέλαιο ή ένας συνδυασμός καυσίμων. Οι σύγχρονες τουρμπίνες έχουν αποδόσεις που κυμαίνονται από 20 έως 45% στο πλήρες φορτίο.

24 Μηχανές εσωτερικής καύσης Μια μηχανή εσωτερικής καύσης μετατρέπει την ενέργεια που περιέχεται σε κάποιο καύσιμο σε μηχανική ενέργεια. Αυτή η μηχανική ενέργεια χρησιμοποιείται για την περιστροφή ενός άξονα μέσα στη μηχανή. Μια γεννήτρια συνδέεται με τη μηχανή εσωτερικής καύσης για τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι διαθέσιμες από μικρά μεγέθη (5kW για εφεδρική γεννήτρια σε κατοικίες) μέχρι μεγάλες γεννήτριες (7 MW). Οι μηχανές εσωτερικής καύσης χρησιμοποιούν διαθέσιμα καύσιμα όπως βενζίνη, φυσικό αέριο και πετρέλαιο. Μηχανές Stirling Οι μηχανές Stirling έχουν κατηγοριοποιηθεί ως μηχανές εξωτερικής καύσης. Είναι σφραγισμένα συστήματα με ένα αδρανές αέριο που θέτει σε λειτουργία τη μηχανή, συνήθως ήλιο ή υδρογόνο. Συνήθως είναι διαθέσιμες σε μικρά μεγέθη (1-25 kw) και προς το παρόν παράγονται σε μικρές ποσότητες για εξειδικευμένες εφαρμογές στη διαστημική και τη θαλάσσια βιομηχανία. Σχήμα 2.3 Μηχανή Stirling 25kW

25 Κυψέλες καυσίμου Τα συστήματα ισχύος με κυψέλες καυσίμου είναι αθόρυβα, καθαρά και αποδοτικά τοπικά συστήματα παραγωγής που χρησιμοποιούν μια ηλεκτροχημική διεργασία όχι καύση για τη μετατροπή του καυσίμου σε ηλεκτρισμό. Εκτός από την παροχής ενέργειας, μπορούν να προσφέρουν μια πηγή θερμικής ενέργειας για τη θέρμανση του χώρου και του νερού ή για ψύξη απορρόφησης. Σε κάποιες έρευνες έχει αποδειχθεί ότι οι κυψέλες καυσίμου μειώνουν το κόστος για τις υπηρεσίες ηλεκτρισμού 20 με 40%. Σχήμα 2.4 Κυψέλη καυσίμων Αποθήκευση ενέργειας / Συστήματα UPS Οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας δεν παράγουν καθαρή ενέργεια, αλλά μπορούν να προμηθεύουν ηλεκτρική ενέργεια για μικρά χρονικά διαστήματα. Χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση πτώσεων τάσης, flicker και έντονης κυμάτωσης που συμβαίνουν όταν η εταιρία παροχής ή οι πελάτες αλλάζουν προμηθευτές ή φορτία.

26 Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως Συστήματα Αδιάλειπτου Τροφοδοσίας (UPS). Με τέτοια μορφή, οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας θεωρούνται τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής. Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα φωτοβολταϊκά κελιά (PV), ή αλλιώς ηλιακά κελιά, μετατρέπουν απευθείας το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Συγκεντρώνονται σε επίπεδα πάνελ τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν σε ταράτσες ή άλλες ηλιόλουστες περιοχές. Παράγουν ηλεκτρισμό χωρίς να έχουν κινούμενα μέρη, λειτουργούν αθόρυβα και χωρίς εκπομπές. Σχήμα 2.5 Τυπική φωτοβολταϊκή εγκατάσταση Αιολικά συστήματα Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν τον άνεμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μια τουρμπίνα με πτερωτές τοποθετείται στην κορυφή ενός ψηλού πύργου. Ο πύργος είναι ψηλός ούτως ώστε να εκμεταλλευόμαστε τη μεγαλύτερη ταχύτητα του ανέμου, απαλλαγμένη από τις αναταράξεις που προέρχονται από τη μεσολάβηση εμποδίων όπως

27 δέντρα, λόφοι και κτίρια. Όπως περιστρέφεται η τουρμπίνα με τον άνεμο, μια γεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Μια ανεμογεννήτρια μπορεί να ποικίλλει σε μέγεθος από λίγα kw σε οικιακές εφαρμογές έως και πάνω από 5 MW. Σχήμα 2.6 Τυπική εγκατάσταση αιολικής παραγωγής ενέργειας Υβριδικά συστήματα Παραγωγοί και κατασκευαστές τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής αναζητούν τρόπους να συνδυάσουν τεχνολογίες για να βελτιώσουν τις επιδόσεις και την απόδοση του εξοπλισμού αυτού του είδος παραγωγής. Κάποια παραδείγματα υβριδικών συστημάτων είναι : Μηχανή Stirling συνδυασμένη με ηλιακά κελιά. Κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου συνδυασμένη με μια τουρμπίνα αερίου ή μικροτουρμπίνα.

28 Ανεμογεννήτριες με μπαταρία αποθήκευσης και εφεδρικές γεννήτριες πετρελαίου. 2.5 Πλεονεκτήματα που προσφέρει η εγκατάσταση DER Όσον αφορά το περιβάλλον της ελεύθερης αγοράς, η προσαρμοστικότητα της Διεσπαρμένης παραγωγής επιτρέπει στους μετέχοντες σε αυτήν, να ανταποκρίνονται στις συνεχώς μεταβλητές καταστάσεις, κυρίως λόγω του μικρού μέγεθος της, συγκριτικά με τις μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις παραγωγής. Αναλυτικά, τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η Διεσπαρμένη παραγωγή, είναι: Καλύπτει μία ευρεία γκάμα τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένου πολλών ανανεώσιμων τεχνολογιών που παρέχουν ισχύ μικρής κλίμακας, σε τοποθεσία κοντά στους χρήστες. Όλες αυτές οι τεχνολογίες δημιουργούν νέες ευκαιρίες στην αγορά και αυξημένο βιομηχανικό ανταγωνισμό. Οδηγεί σε ελαχιστοποίηση των απωλειών μεταφοράς, κοντά στην τοποθεσία στην οποία χρησιμοποιείται, όπως επίσης και του κόστους μεταφοράς, που αποτελεί ένα σημαντικό μέρος (πάνω από το 30%) του συνολικού κόστους του ηλεκτρισμού. Βοηθά επίσης στην αποσυμφόρηση των ήδη υπαρχόντων δικτύων. Επιπλέον, επιτρέπει τη χρήση της θερμικής ενέργειας σε εφαρμογές συμπαραγωγής, αυξάνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του συστήματος. Παρέχει εναλλακτικές λύσεις για αξιόπιστη και οικονομική παροχή ενέργειας σε νοικοκυριά και επιχειρήσεις, όσο αυξάνεται η ζήτηση για περισσότερη και καλύτερης ποιότητας ηλεκτρική ισχύ. Μπορεί να εξασφαλίσει στους πελάτες ότι η παροχή είναι συνεχόμενη και αξιόπιστη, αποκαθιστώντας την ηλεκτρική ενέργεια σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, σε περιπτώσεις διακοπής της ρευματοδότησης. Παρέχει πολλά πλεονεκτήματα στους καταναλωτές θερμικών φορτίων, μέσω των εφαρμογών συμπαραγωγής, καθώς επίσης και σε

29 εκείνους που έχουν πρόσβαση σε φτηνά καύσιμα, όπως για παράδειγμα στο φυσικό αέριο. Επιπρόσθετα, προσφέρει πλεονεκτήματα στους καταναλωτές που ευνοούνται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής που ζούνε και μπορούν να αξιοποιήσουν τις ανανεώσιμες πηγές. Βοηθάει στη μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων και στις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου, αλλά και σε επιβλαβείς εκπομπές όπως τα οξείδια του θείου και του αζώτου (SO x, NO x ), με την εκτεταμένη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συνεισφέροντας έτσι με ουσιαστικό τρόπο στην προστασία του περιβάλλοντος. Μπορούν να βρεθούν πιο εύκολα τοποθεσίες για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και άλλες διεσπαρμένες πηγές από ότι για ένα μεγάλο, κεντρικό εργοστάσιο παραγωγής ισχύος και μάλιστα οι μονάδες αυτές είναι πιο εύκολο και κυρίως πιο γρήγορο να συνδεθούν στο δίκτυο. Η έκθεση και το ρίσκο του κεφαλαίου μειώνονται, και αποφεύγονται οι περιττές δαπάνες. Μπορεί να επιφέρει μείωση στις εισαγωγές ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς αυξάνεται η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών, αλλά και άλλων μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. 2.6 Μειονεκτήματα που προσφέρει η εγκατάσταση DER Η εισαγωγή των διεσπαρμένων μονάδων παραγωγής ενέργειας, σε ευρεία κλίμακα, παρόλα αυτά είναι πιθανό να οδηγήσει σε αστάθεια του ενεργειακού προφίλ. Η αμφίδρομη ροή ισχύος και η σύνθετη διαχείριση ενέργειας, που απαιτεί η διεσπαρμένη παραγωγή, μπορούν να εμφανίσουν προβλήματα και να οδηγήσουν σε έντονη διακύμανση της τάσης. Επιπρόσθετα, τα πιθανά βραχυκυκλώματα και υπερφορτίσεις στο δίκτυο προέρχονται, πλέον, από πολλαπλές πηγές, κάθε μία από τις οποίες δεν μπορεί να εντοπίσει, ανεξάρτητη, τα εκάστοτε σφάλματα του δικτύου. Συνοπτικά, τα μειονεκτήματα της Διασπαρμένης παραγωγής, είναι:

30 Το υψηλό κόστος κεφαλαίου ανά kw εγκατεστημένης ισχύος, συγκριτικά με τα μεγάλα κεντρικά εργοστάσια παραγωγής. Επιπλέον, διαφορές υπάρχουν και στα κόστη κεφαλαίου για διαφορετικές τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής που μπορούν να ποικίλλουν από 1000 /kw έως /kw, στις τουρμπίνες καύσης και τις κυψέλες καυσίμου αντίστοιχα. Η αυξανόμενη συμμετοχή της διεσπαρμένης παραγωγής στην εγκατεστημένη παραγωγή θα επιφέρει μικρότερη επιλογή μεταξύ των βασικών καυσίμων. Κάτι το οποίο θα μπορούσε να μειώσει τη διαφοροποίηση των πρωταρχικών αποθεμάτων ενέργειας. Δεδομένου ότι οι περισσότερες τεχνολογίες διεσπαρμένης παραγωγής βασίζονται πρωταρχικά στο αέριο, αναμένεται έντονα αυξημένη ζήτηση και εξάρτηση από αυτό. Το κόστος για την πρωταρχική παροχή καυσίμου στη διεσπαρμένη παραγωγή, προβλέπεται να είναι αρκετά μεγαλύτερο από ότι για την κεντρική παραγωγή. Πολλές φορές δεν μπορεί να υπάρξει ακριβής πρόβλεψη για την ικανότητα παραγωγής συγκεκριμένων εγκαταστάσεων παραγωγής, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με τα αιολικά πάρκα. Πρέπει να γίνεται μετεωρολογική πρόβλεψη, που δεν μπορεί όμως να προβλέψει ακριβώς την ποσότητα ισχύος που θα είναι δυνατό να παραχθεί. Σε μικρά χρονικά διαστήματα μπορούν να υπάρχουν μεγάλες αποκλίσεις στη δυνατότητα παραγωγής ή ακόμα και απώλεια της παραγωγής εξαιτίας της φύσης ορισμένων πηγών όπως είναι για παράδειγμα ο άνεμος. Έτσι υπάρχει συγκεκριμένο ποσοστό της ζήτησης που μπορεί να καλυφθεί από ανανεώσιμες πηγές, η διείσδυση είναι δηλαδή περιορισμένη και πρέπει να υπάρχει πάντα εφεδρεία συμβατικών μονάδων παραγωγής. Αυτό το πρόβλημα αφορά κυρίως τα αυτόνομα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Καθώς η ισχύς εξόδου των πηγών διεσπαρμένης παραγωγής εμφανίζει αρκετές δυσκολίες, ως προς την πρόβλεψη της, προκύπτουν επιζήμιες και δυσμενείς συνέπειες στους μετέχοντας σε αυτήν. Ο μεγάλος αριθμός μονάδων παραγωγής μπορεί να προκαλέσει, εκτός από τη συνήθη ροή φορτίου από τη μέση τάση στη χαμηλή, επιπλέον ροή φορτίου, από την χαμηλή τάση στο δίκτυο μέσης τάσης.

31 Αυτή η αμφίδρομη ροή φορτίου, απαιτεί διαφορετικά μέσα προστασίας και στα δύο επίπεδα τάσης. Επιπλέον, η σημαντική προσαρμοστικότητα που προσφέρουν οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, προϋποθέτει καλύτερη ανάλυση και μεγαλύτερη προσοχή, όσον αφορά τη διαχείριση και λειτουργία του δικτύου. 2.7 Παράγοντες για την επιλογή κατάλληλης διεσπαρμένης πηγής Για να επιλεγεί μια τεχνολογία για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, θα πρέπει να εξεταστούν κάποιοι σημαντικοί παράγοντες, όπως η εμπορική ετοιμότητα, τα οικονομικά, η διαθεσιμότητα, και οι περιβαλλοντικές εκτιμήσεις. Παρακάτω παρέχονται κάποιες πληροφορίες στην επιλογή αυτών των τεχνολογιών. Εφεδρική ισχύς Για να αποκτηθεί το πιο οικονομικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας DER όταν το κεντρικό δίκτυο είναι εκτός λειτουργίας, πρέπει πρώτα να υπολογιστεί πόσο συχνά το DER θα πρέπει να ξεκινήσει και πόσες ώρες το χρόνο θα πρέπει να λειτουργήσει. Για τις εφεδρικές εφαρμογές ισχύος (εφαρμογές ισχύος σε κατάσταση αναμονής), τα καύσιμα και τα κόστη συντήρησης είναι χαμηλά επειδή οι διακοπές λειτουργίας συνήθως συμβαίνουν μόνο λίγες ώρες ανά έτος, και κατά συνέπεια τα κόστη κεφαλαίου θα πρέπει να είναι χαμηλά. Οι κινητήρες πετρελαίου είναι πιθανό να είναι η φθηνότερη επιλογή, αλλά μπορούν να παρουσιάσουν περιβαλλοντικές προκλήσεις. Οι μηχανές φυσικού αερίου και διπλών-καυσίμων μπορεί να είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα. Επιπλέον, οι μικροτουρμπίνες μπορεί να είναι μια καλή επιλογή για τις μικρές εφαρμογές (λιγότερο από 100 KW) και οι στρόβιλοι καύσης μπορεί να είναι καλοί για τις μεγαλύτερες εφαρμογές, όπου το φυσικό αέριο είναι διαθέσιμο και οι εκπομπές είναι πρόβλημα. Τα συστήματα UPS είναι καλά ταιριασμένα στις εφαρμογές όπου οι διακοπές λειτουργίας διαρκούν λιγότερο από περίπου 15 λεπτά.

32 Οι μπαταρίες μπορούν να χειριστούν τις εφαρμογές μερικών KW για τις διακοπές λειτουργίας περίπου 1 έως 2 ωρών εκτός αν χρησιμοποιηθεί συστοιχία μπαταριών που παρέχει μεγαλύτερη αυτονομία. Οι υβριδικές τεχνολογίες, που συνδυάζουν τις τεχνολογίες παραγωγής και αποθήκευσης για τις συγκεκριμένες εφαρμογές, έχουν πολλά οφέλη και μπορούν να είναι καλύτερες εάν χρειάζεται πλεονασμός καυσίμων, καθώς παρέχουν ένα ευρύ φάσμα στη διάρκεια των διακοπών λειτουργίας, ή ακόμα περισσότερο έχουν τις πολλαπλάσιες εφαρμογές. Χαμηλού Κόστους Ενέργεια Αν το καύσιμο χαμηλού κόστους είναι διαθέσιμο, ή της ηλεκτρικής ενέργειας τα ποσοστά είναι υψηλά σε κάποια περιοχή, ή και τα δύο, μπορεί κάποιος να μειώσει το λογαριασμό ρεύματος με την παραγωγή ενός μέρους ή του σύνολο της ισχύος του. Οι κινητήρες πετρελαίου, δύο καυσίμων και φυσικού αερίου, είναι λιγότερο δαπανηροί για την αγορά, αλλά οι εκπομπές και το κόστος συντήρησης θα πρέπει να εξετάζεται όταν ο αριθμός των ωρών λειτουργίας είναι υψηλή. Οι τουρμπίνες καύσης προτιμώνται για μεγαλύτερες εφαρμογές καθώς έχουν χαμηλότερο κόστος συντήρησης και πολύ χαμηλότερες εκπομπές από τις παλινδρομικές μηχανές. Οι Μικροστρόβιλοι, οι οποίοι έχουν σχετικά χαμηλότερη αποτελεσματικότητα και υψηλότερο κόστος κεφαλαίου, ίσως δεν είναι τόσο οικονομικά αποδοτικοί. Τα Φωτοβολταϊκά, αν και έχουν υψηλό κόστος, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, ειδικά αν το τοπικό δίκτυο έχει δημιουργήσει τους καθαρούς κανόνες δοσολογίας. Οι ανεμογεννήτριες είναι λιγότερο ακριβές από τις συστοιχίες φωτοβολταϊκών, αλλά δεν μπορούν να είναι επιλέξιμες για το σύστημα με καθαρούς κανόνες δοσολογίας. Ωστόσο, σε περιοχές με υψηλές μέσες ταχύτητες ανέμου, οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προσφέρουν μια σημαντική ποσότητα ενέργειας. Τα Υβριδικά συστήματαόπως τα φωτοβολταϊκά ή αιολικά με μπαταρίες, είναι πιο ακριβά, αλλά λειτουργούν πέρα από μια ευρύτερη σειρά των κοστών καυσίμων και των εφαρμογών από τις ενιαίες τεχνολογίες. Επιπλέον, με τη χρήση της θερμότητας που δημιουργείται από ορισμένες τεχνολογίες DER για την παραγωγή τόσο θερμότητας όσο και ηλεκτρικής ενέργειας στο χώρο μπορεί να μειωθεί το συνολικό κόστος της ενέργειας.

33 Αυτόνομα συστήματα Μια πηγή μπορεί να λειτουργεί εικοσιτέσσερις ώρες το εικοσιτετράωρο και συνεχώς να ταιριάζει την παραγωγής με τη ζήτηση. Επομένως, απαιτείται υψηλή απόδοση για την ελαχιστοποίηση του κόστους των καυσίμων και των εκπομπών. Τα κόστη συντήρησης είναι επίσης ένας σοβαρός παράγοντας, και η αξιοπιστία ένας ακόμα ύψιστης σημασίας. Οι μηχανές και οι στρόβιλοι καύσης είναι συχνά οι πρώτες επιλογές από την άποψη του κόστους κεφαλαίου. Οι μηχανές και οι μικροτουρμπίνες προτιμώνται συνήθως για τις μικρότερες εφαρμογές, ενώ οι στρόβιλοι καύσης για τις μεγαλύτερες. Οι κυψέλες καυσίμου είναι ακριβότεροι στο να εγκατασταθούν αλλά και πιο επιθυμητοί από μια περιβαλλοντική άποψη. Το φωτοβολταϊκά, οι ανεμοστρόβιλοι, και τα υβριδικά συστήματα είναι ωφέλιμα σε περιοχές χωρίς επαρκείς προμήθειες ορυκτών καυσίμων ή όπου η περιβαλλοντική αδειοδότηση είναι δύσκολη, καθώς και σε εφαρμογές εκτός δικτύου όπου οι επεκτάσεις του δικτύου είναι πολύ ακριβές. Ιδιαίτερα στις απομακρυσμένες, εκτός δικτύου, το κόστος λειτουργίας και συντήρησης των καύσιμων του κινητήρα είναι σημαντικό. Το κόστος για τη μεταφορά και αποθήκευση καυσίμων, σε συνδυασμό με το δυναμικό για εκχύσεις καυσίμων και μεταγενέστερη εκκαθάριση, μπορεί να κάνει τα υβριδικά συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας πολύ πιο αποδοτικά από ότι τα ορυκτά ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη. Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ) Μόνο οι τεχνολογίες ισχύος που παράγουν υπερβολικά μεγάλη ποσότητα θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές ΣΗΘ. Τέτοιες είναι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι στρόβιλοι, οι κυψέλες καυσίμου, οι μικροστρόβιλοι, οι τουρμπίνες καύσης και η γεννήτρια καπνού. Πρόσθετος εξοπλισμός πρέπει να εγκατασταθεί για να συλλάβει τη θερμότητα και να χρησιμοποιηθεί στη δευτεροβάθμια διαδικασία. Κινητήρες και στρόβιλοι (συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων μικροτουρμπίνων) έχουν χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές συμπαραγωγής. Κάθε τεχνολογία DER που μπορεί να παράγει την απορριπτόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια εφαρμογή ΣΗΘ με μεγαλύτερη συνολική αποδοτικότητα του συστήματος (λόγω της υψηλότερης αποδοτικότητας της χρησιμοποίησης των καυσίμων) και ίσως καλύτερη οικονομία.

34 Αιχμή φορτίου Τα συστήματα DER μπορεί να παράγουν ενέργεια κατά την περίοδο που η αγορά ενέργειας από δίκτυο θα είναι ακριβή. Αυτά περιλαμβάνουν τις ώρες αιχμής της ζήτησης, όταν ο χρόνος χρήσης επηρεάζεται, και τις ώρες όταν δίκτυο είναι περιορισμένης παραγωγικής ικανότητας. Τα δίκτυα συχνά αξιολογούν τις χρεώσεις και τις επιβαρύνσεις της ζήτησης με βάση την υψηλότερη μέγιστη χρήση, για τους εμπορικούς πελάτες. Με χρήση των DER για όριο αιχμής θα αποφύγουμε τις δαπάνες αυτές. Το σύστημα μπορεί να τρέξει από 200 έως 2000 ώρες ανά έτος, έτσι θα πρέπει να εξετάσει την εξισορρόπηση μεταξύ εξόδων εγκατάστασης και απόδοσης, ώστε να επιλεχθεί η κατάλληλη τεχνολογία DER. Οι μηχανές και τα υβριδικά συστήματα είναι πιθανό να είναι προτιμότερο για μικρές εφαρμογές σε μικρότερους χρόνους εκτέλεσης, και οι τουρμπίνες για μεγαλύτερες εφαρμογές σε μεγαλύτερους χρόνους εκτέλεσης. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να παρέχουν αιχμή σε εγκαταστάσεις όπου η μεγαλύτερη απαίτηση για ενέργεια συμβαίνει όταν το ηλιακό δυναμικό είναι στο υψηλότερο σημείο της ένταση του, όπως για το κλιματισμό σε εμπορικά κτίρια. Ποιότητα ρεύματος Κάθε τεχνολογία DER με κινητήρια μηχανή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει ειδική, υψηλής ποιότητας ισχύος σε ευαίσθητα ή κρίσιμα φορτία ώστε να αποβάλει το χρόνο διακοπής. Για μικρές εφαρμογές και σύντομες διακοπές ρεύματος, ένα UPS είναι πιθανό να είναι η πιο οικονομική επιλογή. Για διακυμάνσεις τάσης, θόρυβο, αλλά και άλλες τυχαίες ανωμαλίες P-Q, οι προτιμημένες τεχνολογίες περιλαμβάνουν τις μπαταρίες και τους σφονδύλους. Μπορούν να βρίσκονται σε μία συνεχή λειτουργία, φιλτράροντας τις ανεπιθύμητες ιδιότητες του σήματος ισχύος. Προσθέτοντας υψηλότερη ποιότητα και ηλεκτρονικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να βελτιωθεί η ποιότητα ισχύος της κάθε τεχνολογίας.

35 Σχήμα 2.7 Πίνακας επιλογής τεχνολογίας DER για τις διάφορες εφαρμογές

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 3.1 Εισαγωγή-ορισμός Στον ορισμό του μικροδικτύου δεν υπάρχει καθολικά αποδεκτό ελάχιστο ή μέγιστο μέγεθος. Τα μικροδίκτυα ορίζονται από τη λειτουργία τους, όχι από το μέγεθός τους. Αν και η αρχιτεκτονική και το μέγεθος ενός μικροδικτύου μπορεί να ποικίλει ευρέως, συνήθως θεωρείται ότι είναι ένα μικρό μέρος ενός μέσου δικτύου διανομής χαμηλής τάσης ή ένα μέρος που τροφοδοτείται από τοπικές πηγές. Μπορεί να λειτουργήσει είτε σε λειτουργία συνδεδεμένος στο δίκτυο ή σε islanded λειτουργία, δηλαδή να μην έχει κανένα σημείο σύνδεσης με το κυρίως δίκτυο είτε επειδή έχει επιλεγεί να λειτουργεί αυτόνομα για να παρέχει στις καταναλώσεις του αξιόπιστη και υψηλής ποιότητας ισχύ είτε γιατί έχει οδηγηθεί σε αυτόνομη λειτουργία από κάποια διαταραχή του δικτύου (αποσύνδεση), διακοπή από το κεντρικό πλέγμα ή οικονομικοί λόγοι. Το μέγεθος ενός μικροδικτύου εξαρτάται βασικά από την μέγιστη ισχύ που απαιτείται από τα φορτία, τα οποία θα καθορίζουν την ελάχιστη ισχύ αιχμής που πρέπει να παρέχονται από τα συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης, καθώς και το ποσό της διαθέσιμης παραγωγής ή και αποθηκευμένης ενέργειας που θα παρέχει την απαιτούμενη αυτονομία στο μικροδίκτυο. Μικροδίκτυο, ένα τοπικό δίκτυο ενέργειας, που προσφέρει η ενοποίηση των κατανεμημένων ενεργειακών πόρων (DER) με τοπικά ελαστικά φορτία, τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν παράλληλα με το δίκτυο ή σε islanded λειτουργία παρέχοντας υψηλή αξιοπιστία και αντοχή ακόμα και σε διαταραχές του δικτύου. Αυτό το ολοκληρωμένο ευέλικτο σύστημα διανομής καλύπτει την ανάγκη για εφαρμογή σε

37 απομακρυσμένες περιοχές, με τους αντίστοιχους περιορισμούς σε ότι έχει να κάνει με την πρόσβαση σε παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 3.1 Δομή ενός μικροδικτύου Τα Μικροδίκτυα περιλαμβάνουν διεσπαρμένες μικροπηγές (DERS) αποτελούμενες από συστήματα φωτοβολταϊκών, ανεμογεννήτριες, κυψέλες καυσίμων, μικροτουρμπίνες, γεννήτριες πετρελαίου και μπαταρίες για να σχηματίσουν ένα ολόκληρο σύστημα που είναι μεγαλύτερο από τα μέρη τους. Έτσι ένα μικροδίκτυο μπορεί να εγκατασταθεί εκεί όπου υπάρχει μία από τις παραπάνω φυσικές πηγές ενέργειας και μπορεί να καλύπτει τις καταναλώσεις της περιοχής όπου εγκαθίσταται.

38 Ωστόσο, ανεξάρτητα από το μέγεθός τους, πλήρως διασυνδεδεμένα συστήματα με κατανεμημένη παραγωγή ενέργειας που δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε islanded λειτουργία δεν είναι μικροδίκτυα, αλλά αντi 'αυτού μπορεί να οριστούν ως ενεργά δίκτυα διανομής. Ένα ενεργό δίκτυο διανομής μπορεί να οριστεί ως ένα ηλεκτρικό δίκτυο διανομής με τα συστήματα για τον έλεγχο ενός συνδυασμού DERS, που αποτελούνται από γεννήτριες και μονάδες αποθήκευσης. Ωστόσο, τα ενεργά δίκτυα διανομής δεν έχουν την ικανότητα νησιδοποίησης και μπορεί ως εκ τούτου να είναι πολύ μεγαλύτερα σε μέγεθος από μια αντίστοιχη ονομαστική ισχύ μικροδικτύου. Η ποικιλία των ορισμών αποδεικνύει ότι τα μικροδίκτυα έχουν διαφορετικές λειτουργίες και με τη σειρά τους ένα πλήθος χαρακτηριστικών. Ωστόσο, η βασική ιδέα είναι να συγκεντρώσει και να ενσωματώσει τις διεσπαρμένες μικροπηγές (γνωστές επίσης ως πηγές κατανεμημένης παραγωγής ενέργειας και κατανεμημένης αποθήκευση) και τα φορτία, ιδανικά κοντά στον τελικό χρήστη, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η ισχύς του στην κατανάλωση και να του παρέχει την ακόλουθη λειτουργικότητα και τις συνθήκες λειτουργίας: παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη της ζήτησης ηλεκτρικής κατανάλωσης του καταναλωτή, διαχείριση της ενέργειας από την πλευρά της προσφοράς και της ζήτησης, έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι βασικές απαιτήσεις της λειτουργίας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, όπως η ισορροπία ισχύος, η ποιότητα της τάσης, η ευελιξία και η ηλεκτρική ασφάλεια, "Peer to peer" ομότιμη συμμετοχή και διάθεση των πόρων. Δεν υπάρχουν μονάδες, όπως ένας κεντρικός ελεγκτής ή μια κεντρική μονάδα αποθήκευσης που να έχουν κρίσιμο ρόλο στη λειτουργία του μικροδικτύου. Δηλαδή το μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργεί και ανεξάρτητα από τις μονάδες που είναι συνδεδεμένο. "Plug and play" λειτουργικότητα σε δύο επίπεδα: 1. ευέλικτο σύστημα, όπου οι συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν ομαλά και

39 2. να είναι σε θέση να εισέλθουν σε islanded λειτουργία μετά την αποσύνδεση από το κεντρικό δίκτυο σε ένα κεντρικό σημείο, όπου πλέον αρκετή ισχύς παράγεται για τη μείωση των διακοπών και μετέπειτα να είναι σε θέση να επανασυνδεθούν και να συγχρονιστούν με το κύριο δίκτυο. Σχήμα 3.2 Δείγμα μικροπηγής-δυνατότητα κυριότητας σε δίκτυο 3.2 Πλεονεκτήματα μικροδικτύων Τα μικροδίκτυα έχουν αρκετά πλεονεκτήματα, συνοπτικά αυτά είναι : Η συνολική απόδοση της ενέργειας αυξάνεται με τις εφαρμογές συμπαραγωγής, (ΣΗΘ) που αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των μικροδικτύων. Έτσι, ενώ πριν είχαμε μεγάλη κεντρική παραγωγή ισχύος και τοπική παραγωγή θερμότητας, με την δημιουργία των μικροδικτύων τόσο η παραγωγή ισχύος όσο και θερμότητας γίνεται τοπικά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η

40 κατανάλωση της ενέργειας που βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα να μειώνεται κατά το 1/3. Ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας Αυξημένη αξιοπιστία και προσαρμοστικότητα του συστήματος ενέργειας Υψηλή μείωση των απωλειών από μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, αφού η παραγωγή γίνεται τοπικά Οφέλη για το δίκτυο, όπως δυνατότητα τοπικής παραγωγής, ελέγχου τάσης και συχνότητας Σε περιόδους αιχμής φορτίου αποτρέπει την κατάρρευση μειώνοντας το φορτίο του δικτύου Το μικροδίκτυο μπορεί να ενεργήσει για να μετριάσει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας για τους χρήστες της, δημιουργώντας το σύνολο ή μέρος του ζητούμενου φορτίου Το μικροδίκτυο συντελεί σε σημαντική μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα Τα μικροδίκτυα ενισχύουν την χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(απε) Οι επιπτώσεις από την χρήση μεγάλων γεωγραφικών εκτάσεων (για εγκαταστάσεις κτλ) αποφεύγονται 3.3 Μειονεκτήματα μικροδικτύων Τα μικροδίκτυα παρουσιάζουν και αυτά με τη σειρά τους ένα σύνολο μειονεκτημάτων τα οποία σε καμία περίπτωση δεν επισκιάζουν τα πλεονεκτήματα τους. Συγκεκριμένα αυτά είναι: Η τάση, η συχνότητα και η ισχύς της ποιότητας είναι τρεις κύριες παράμετροι που πρέπει να εξεταστούν και να ελέγχονται σε αποδεκτά επίπεδα, ενώ παράλληλα διατηρείται το ισοζύγιο ενέργειας και ισχύος

41 Η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να αποθηκεύεται σε συστοιχίες μπαταριών, με αποτέλεσμα να απαιτείται αρκετός χώρος αλλά και συντήρηση Ο επανασυγχρονισμός με το κεντρικό δίκτυο παρουσιάζει ορισμένες φορές δυσκολία Η τοποθέτηση αξιόπιστων διατάξεων προστασίας αποτελεί μια εκ των σημαντικότερων προκλήσεων σε ότι αφορά την λειτουργία ενός μικροδικτύου Θέματα όπως η αναμονή φορτίου και η ακριβής μέτρηση της ενέργειας (παραγόμενης και λαμβανόμενης από το δίκτυο) ίσως σταθούν εμπόδια στην ανάπτυξη των μικροδικτύων αρχικά Πρότυπα διασύνδεσης πρέπει να αναπτυχθούν για να εξασφαλιστεί η συνοχή. (Ωστόσο το IEEE P1547, ένα πρότυπο που προτείνεται από το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών καταλήγει στην πλήρωση αυτού του κενού) 3.4 Προσδιορισμός AC μικροδικτύου Όλες οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με εναλλασσόμενη AC ισχύ είναι άμεσα συνδεδεμένες με το ζυγό εναλλασσόμενης τάσης (AC bus link) και με το κύριο σύστημα μετατροπής ισχύος για τη σταθερή σύζευξη τους. Παραδείγματα τέτοιων μονάδων που παράγουν στην έξοδο τους AC ισχύ είναι οι ανεμογεννήτριες, το βιοαέριο και οι στρόβιλοι. Αυτά συνήθως συνδέονται άμεσα ή μπορεί να χρειαστούν AC/DC/AC μετατροπείς ισχύος για να επιτρέπουν τη σταθερή σύζευξη τους με τα δίκτυα χαμηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην περίπτωση αυτή, το δίκτυο χαμηλής τάσης AC μπορεί να διασυνδεθεί με το κεντρικό σύστημα μέσω ενός μετασχηματιστή. Επιπλέον, τα φορτία AC συνδέονται απευθείας, ενώ τα φορτία DC έχουν ανάγκη τους μετατροπείς ρεύματος AC/DC για να συνδεθούν με τα δίκτυα AC. Από την άλλη πλευρά, οι μονάδες παραγωγής που παράγουν έξοδο συνεχούς ρεύματος (π.χ. οι ηλιακές φωτοβολταϊκές συστοιχίες, οι κυψέλες καυσίμου και οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (μπαταριές)) μπορούν

42 να συνδεθούν με τη γραμμή των δικτύων AC χρησιμοποιώντας DC/AC μετατροπείς. Το σχήμα δείχνει την τυπική διαμόρφωση των μονάδων παραγωγής με την έξοδο ΑC ισχύος (π.χ. ανεμογεννήτριες) και αυτά με την DC έξοδο ισχύος (π.χ. συστήματα ΦΒ και κυψέλες καυσίμου) συνδεδεμένο με το δίκτυο χαμηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος. Σχήμα 3.3 Τυπική διαμόρφωση μονάδων παραγωγής με δίκτυο χαμηλής εναλλασσόμενης τάσης 3.5 Προσδιορισμός DC μικροδικτύου Η λειτουργία των σημερινών καταναλωτικών εξοπλισμών και της μελλοντικής διανεμημένης ανανεώσιμης ενέργειας χρειάζονται για να μελετηθούν διάφορα εναλλακτικά συστήματα παραγωγής ενέργειας. Με την έννοια του έξυπνου δικτύου, τα DC δίκτυα χαμηλής τάσης, όπως αυτά

43 που χρησιμοποιούνται για τη βιομηχανική τροφοδοσία και τα εμπορικά κτίρια αυξάνονται καθημερινά. Στο μέλλον, το σύστημα διανομής DC θα γίνει ένας εναλλακτικός τρόπος για να τροφοδοτεί όλες τις ηλεκτρικές συσκευές που συνδέονται με ένα σύστημα ζυγών συνεχούς τάσης και βέλτιστα να ελέγχεται από ένα σύστημα ενεργειακής διαχείρισης. Ως παράδειγμα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν μια εξαιρετικά αρθρωτική δομή με πολλές πιθανές διαθέσιμες διαμορφώσεις στις οποίες μπορεί να συνδεθεί ο μετατροπέας του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Οι διαμορφώσεις που προκύπτουν ορίζονται ως κεντρικός μετατροπέας ή αντιστροφέας σειράς. Με αυτόν τον τρόπο, οι μονάδες παραγωγής DC και οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας παράγουν το συνεχές ρεύμα που εύκολα μπορεί να συνδεθεί με το DC ζυγό (DC bus link). Μια συσκευή μπορεί επίσης να φορτιστεί και να εκφορτιστεί από το δίκτυο και τα φορτία που είναι συνδεδεμένα. Στην περίπτωση αυτή, οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος χρειάζονται ένα μετατροπέα ρεύματος AC/DC για τη σύνδεση τους με το δίκτυο χαμηλής τάσης συνεχούς ρεύματος. Το σχήμα απεικονίζει το δίκτυο DC με τις μονάδες παραγωγής συνδεδεμένες με αυτό μέσω της κοινής γραμμής DC. Για το σκοπό αυτό, οι μονάδες παραγωγής AC (πχ ανεμογεννήτριες) για τη σύνδεση τους με το δίκτυο DC χρειάζονται μετατροπείς, ενώ οι μονάδες παραγωγής DC συνδέονται άμεσα:

44 Σχήμα 3.4 Τυπική διαμόρφωση μονάδων παραγωγής για σύνδεση με δίκτυο συνεχής τάσης 3.6 Κύριος λόγος εμφάνισης των Dc Μικροδικτύων Τα Σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας σχεδιάστηκαν για να μετακινούν από τον κεντρικό σταθμό εναλλασσόμενο ρεύμα (AC), μέσω των γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης και των γραμμών διανομής τάσεως, προς τα νοικοκυριά και τις επιχειρήσεις που χρησιμοποιούν στην πλειοψηφία στα φώτα πυρακτώσεως, εναλλασσόμενου ρεύματος και σε άλλο εξοπλισμό AC. Όμως ο σημερινός καταναλωτικός εξοπλισμός και η μελλοντική διανομή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας απαιτεί την επανεξέταση αυτού του μοντέλου. Ηλεκτρονικές συσκευές (όπως υπολογιστές, λαμπτήρες φθορισμού, συστήματα μετάδοσης μεταβλητής ταχύτητας και πολλά άλλα οικιακά και επιχειρηματικά συστήματα, συσκευές και εξοπλισμός) χρειάζονται συνεχές ρεύμα (DC). Ωστόσο, όλες αυτές οι συσκευές συνεχούς ρεύματος όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω απαιτούν τη

45 μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος του κτιρίου σε συνεχές, μια μετατροπή δηλαδή που χρησιμοποιεί αναποτελεσματικούς ανορθωτές. Επιπλέον, η κατανεμημένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (όπως το φωτοβολταϊκό πάνελ) παράγει συνεχές ρεύμα, αλλά θα πρέπει να μετατραπεί σε AC ώστε να συνδεθεί με το ηλεκτρικό σύστημα του κτιρίου και αργότερα να μετατραπεί σε DC για τελικές χρήσεις. Αυτές οι μετατροπές AC-DC ( ή DCAC-DC στην περίπτωση του φωτοβολταϊκού) οδηγεί σε σημαντικές απώλειες ενέργειας. Γι αυτό και μια πιθανή λύση είναι ένα μικροδίκτυο DC, το οποίο είναι ένα δίκτυο συνεχούς ρεύματος στο εσωτερικό ενός κτιρίου που ελαχιστοποιεί ή εξαλείφει εντελώς αυτές τις απώλειες μετατροπών. Στο σύστημα του μικροδικτύου DC, το εναλλασσόμενο ρεύμα (ΑC) μετατρέπεται σε συνεχές κατά την είσοδό του στο DC δίκτυο χρησιμοποιώντας ένα ανορθωτή υψηλής απόδοσης, το οποίο στη συνέχεια διανέμεται στο DC εξοπλισμό που εξυπηρετείται από το δίκτυο συνεχούς ρεύματος. Κατά μέσο όρο, το σύστημα αυτό μειώνει τις AC σε DC απώλειες μετατροπής από μια μέση απώλεια περίπου 32% στο 10%. Επιπλέον, μια στέγη με φωτοβολταϊκά (PV) και άλλες κατανεμημένες πηγές ενέργειας DC μπορούν να τροφοδοτήσουν άμεσα σε DC εξοπλισμούς, μέσω του μικροδικτύου DC, χωρίς την απώλεια ενέργειας της διπλής μετατροπής (DCAC-DC ή ΑC-DC), η οποία θα χρειαζόταν εάν η DC παραγωγή τροφοδοτούνταν από ένα AC σύστημα [10]. Αυτή η εργασία περιγράφει τη λειτουργία του DC μικροδικτύου γι αυτό και θα γίνει εκτενέστερη παρουσίαση του DC μικροδικτύου. 3.7 AC εναντίον DC μικροδίκτυα Κοιτάζοντας πίσω από έναν αιώνα στο αγώνα για την κυριαρχία στο χώρο της ηλεκτρικής ενέργειας, έγινε μεγάλη μάχη μεταξύ AC και DC για το ποια μορφή ρεύματος από τις δύο θα επικρατήσει στην πρώτη θέση. Τέσσερα μόνο είναι τα σημαντικά σημεία που πρέπει να επισημανθούν:

46 Η παραγωγή ενέργειας για πελάτες χονδρικής σε μεγάλες εγκαταστάσεις ήταν φθηνότερη από ότι σε πολλούς μικρούς κατανεμημένους σταθμούς το εναλλασσόμενο ρεύμα θα μπορούσε να διανύσει μεγάλες αποστάσεις με μικρές απώλειες, σε αντίθεση με το συνεχές Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως που αποτελούσαν την πλειοψηφία του φορτίου λειτουργούσαν με AC ρεύμα Οι ημιαγωγοί δεν είχαν ακόμη εφευρεθεί Αυτά τα γεγονότα, όπως αναφέρεται στο [10], οδήγησαν στο θρίαμβο της Westinghouse (εταιρεία πυρηνικής ενέργειας των ΗΠΑ) πάνω στον Edison με πολλούς τρόπους. Ωστόσο, είναι επίσης ένας από τους λόγους για τον οποίο πρέπει να ξαναμελετηθούν ορισμένα από τα επιχειρήματα του Edison για την καλύτερη εξυπηρέτηση του φορτίου σήμερα. Οι κατευθυντήριες αρχές των Smart Grid υπενθυμίζουν, ότι η εξίσωση ισχύος πρέπει να αναλαμβάνει την προστασία του περιβάλλοντος περισσότερο, και να έχει μια αυξανόμενη ανάγκη για κατανεμημένη παραγωγή DC, όπως είναι η φωτοβολταϊκή και η DC αποθήκευση. Εν τω μεταξύ, οι ηλεκτρονικές συσκευές αποτελούν το ταχύτερα αναπτυσσόμενο τμήμα του φορτίου. H δυναμική των LED ως πηγή φωτός για τις κοινές εφαρμογές φωτισμού που χρειάζεται DC ρεύμα θα κυριαρχήσει στην αγορά φωτισμού. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ επίσης έχουν καθοριστεί για τη διανομή σε DC φωτισμό. Αυτή η ενέργεια, όπως στο παράδειγμα φωτισμού, φέρνει στους χρήστες και στους παραγωγούς βασικά οφέλη που το μοντέλο AC δεν προσφέρει, αποφεύγοντας απώλειες μεταφοράς και διανομής και απώλειες μετατροπής στο κτίριο. Όλα αυτά οδηγούν σε μια καλή

47 αξιολόγηση για την εξοικονόμηση ενέργειας που προσφέρουν τα DC μικροδίκτυα. Σε περίπτωση που η εξοικονόμηση προέρχεται από τη βελτιωμένη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος μόνο 70% ή 75% απόδοση θεωρείται ως μέσο εύρος για τροφοδοτικά εναλλασσόμενου ρεύματος και 90% χρησιμοποιείται για το μετατροπέα υψηλής απόδοσης που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα μικροδίκτυο DC. Οι μετατροπείς αυτοί διατίθενται σήμερα στην αγορά. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τους τομείς αυτούς, τα σχετικά φορτία, καθώς και τις δυνατότητες εξοικονόμησης: Σχήμα 3.5 Πίνακας φορτίων και εξοικονόμησης ενέργειας Όλα αυτά οδηγούν στα παρακάτω συμπεράσματα:

48 Ικανότητα εξοικονόμησης παραγωγής (MW) Αυτά τα μεγάλα δυνητικά οφέλη από την αποδοτικότητα θα έχουν άμεσο θετικό αντίκτυπο στην παραγωγή και την ικανότητα σχεδιασμού προς όφελος όλων των ενδιαφερόμενων φορέων στο δίκτυο. Χρησιμοποιώντας σύγχρονα δεδομένα από το 2006 για την ανάλυση του φορτίου, φαίνεται πώς ένα μικρότερο φορτίο θα αποφέρει μεγάλα οφέλη. Για παράδειγμα, εξοικονομώντας 337 TWh της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι διαχειριστές των δικτύων θα μπορούσαν να έχουν τη δυνατότητα να κλείσουν ή να μην κατασκευάσουν περίπου 75 GW σταθμούς παραγωγής. Μεταφορά και διανομή Το κύριο πλεονέκτημα του εναλλασσομένου ρεύματος είναι η αποτελεσματικότητα του ως προς τη διαχείριση και μεταφορά ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Η μείωση των φορτίων κατά την τελική χρήση και η διευκόλυνση της τοπικής παραγωγής οδηγεί σε μείωση των φορτίων για τα συστήματα μεταφοράς και διανομής. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να χρησιμοποιείται στο μέγιστο το εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου για να υπάρχει μέγιστο όφελος, όπως γίνεται και με τα DC μικροδίκτυα που μειώνουν τα φορτία κατά την τελική χρήση και να διευκολύνουν την επί τόπου παραγωγή. Άλλα συστήματα συνεχούς μεταφοράς υψηλής τάσης είναι έξω από το πεδίο εφαρμογής της παρούσας ανάλυσης. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί, ωστόσο, ότι οι βραχυπρόθεσμες γραμμές υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος λειτουργούν μεταξύ των μεγάλων εδαφικών υπηρεσιών του δικτύου, έτσι ώστε τα μεγάλα δίκτυα του εναλλασσόμενου ρεύματος να είναι συγχρονισμένα και να μπορούν να παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους, χωρίς απαραίτητα την ανάγκη να ταιριάζουν με τη φάση των γειτονικών τους. Αυτή η απομονωμένη περιοχή είναι σημαντική όταν ένα μεγάλο τμήμα του δικτύου βγαίνει εκτός λειτουργίας. Με τις DC συνδέσεις στις γειτονικές περιοχές του δικτύου, η on-line επιστροφή είναι ευκολότερη όταν η επανερχόμενη γεννήτρια δεν

49 πρέπει να συγχρονιστεί με μια ακριβή φάση ενός συνδεδεμένου συστήματος. Τα DC μικροδίκτυα είναι πιο αποτελεσματικά, καθώς παράγουν λιγότερη θερμότητα στο εσωτερικό του κτιρίου και αυτό το ηλεκτρικό όφελος απόδοσης μπορεί να εξηγηθεί λόγου του ότι αποφεύγεται ένα σημαντικό φορτίο ψύξης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι πολλαπλές πηγές ρεύματος στα DC μικροδίκτυα μπορούν να λειτουργήσουν πιο ομαλά. Δεν χρειάζεται να ταιριάζει η φάση όπως απαιτείται στα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος και η αποτελεσματικότητα που παρατηρείται οφείλεται σε μπαταρίες, μικρές ανεμογεννήτριες, κυψέλες καυσίμου και γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. Αυτό έχει μεγάλες δυνατότητες με την έννοια ότι θα μπορούσε να ανταποκριθεί κοντά σε πραγματικό χρόνο για την αυξημένη ζήτηση φορτίου, παρέχοντας μεγαλύτερη χωρητικότητα της μπαταρίας. Επιπλέον συνδυάζοντας πολλαπλές μικροπηγές ρεύματος υπάρχει η πιθανότητα πολλά διαφορετικά καύσιμα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο εργοτάξιο, πράγμα που αυξάνει την εγγενή ασφάλεια του συστήματος. 3.8 DC Μικροδίκτυα Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Dc Μικροδικτύων Το κύριο πλεονέκτημα ενός DC μικροδικτύου είναι ότι παρέχει μια καλύτερη συμμόρφωση της διεσπαρμένης παραγωγής (DER) και των φορτίων. Για παράδειγμα, η ηλιακή φωτοβολταϊκή ενέργεια και η αποθήκευση των μπαταριών θα χρησιμοποιήσουν μόνο μια μετατροπή DC-DC στα DC μικροδίκτυα γεγονός που παρέχει μια απλούστερη και οικονομικά αποδοτικότερη δομή με ένα πολύ πιο εύκολο έλεγχο στρατηγικής.

50 Το DC μικροδίκτυο διευκολύνει επίσης τη συμμετοχή των περιστρεφόμενων μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος με μεταβλητή συχνότητα. Η εφαρμογή της μεταβλητής συχνότητας σε συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος θα απαιτούσε μετατροπή AC-DC-AC για να δεσμεύσει τέτοιες παραγωγικές μονάδες με συχνότητα στα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος. Επιπλέον, αυτές οι λιγότερες AC-DC-AC μετατροπές οδηγούν στη μείωση των απωλειών μετατροπής της ενέργειας και στη μείωση των απαιτούμενων συστημάτων ψύξης και αερισμού σε εφαρμογή με έντονη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, όπως τα κέντρα δεδομένων. Μικρότερες απώλειες καλωδίων έχουμε στα DC μικροδίκτυα, οι οποίες οφείλονται στην απουσία των επιπτώσεων στο δέρμα καθώς και στην απουσία άεργου ισχύος σε αγωγούς, που προσφέρουν μια πιο οικονομική παροχή ισχύος από εκείνο στα AC μικροδίκτυα. Οι στρατηγικές ελέγχου που εφαρμόζονται σε DC μικροδίκτυα είναι λιγότερο πολύπλοκες από εκείνες στα AC μικροδίκτυα. Τα AC μικροδίκτυα χρησιμοποιούν ενεργό (P-f) και άεργο (Q-V) καμπύλες ελέγχου, ενώ τα DC μικροδίκτυα έχουν μόνο P-V καμπύλες ελέγχου και αμβλύνουν την ανάγκη για την αντιστάθμιση άεργου ισχύος και τη μείωση κυκλοφορούντων άεργων ρευμάτων. Οι απλουστευμένες στρατηγικές ελέγχου συμβάλουν στην αύξηση της ανθεκτικότητας του DC μικροδικτύου. Επιπλέον, η εξάλειψη της γωνίας φάσης της συχνότητας και της τάσης διευκολύνει τον επανασυγχρονισμό του DC μικροδικτύου με το κεντρικό δίκτυο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η προσαρμογή της συχνότητας του μικροδικτύου με την αντίστοιχη γωνία φάσης δεν είναι πλέον ένα κρίσιμο ζήτημα επανασυγχρονισμού για τα μικροδίκτυα. Τέλος, υψηλότερη ποιότητα ισχύος προσφέρεται από τα DC μικροδίκτυα καθώς η άεργος ισχύς και οι αρμονικές δεν παίζουν ρόλο στα συστήματα συνεχούς ρεύματος.

51 3.8.2 Μειονεκτήματα DC μικροδικτύων Τα DC μικροδίκτυα παρουσιάζουν επίσης μια σειρά από περιορισμούς και προκλήσεις. Από την πλευρά της λειτουργίας τους, η χρήση της διαφοράς τάσης ως κινητήρια δύναμη για τη ροή ισχύος μπορεί να επηρεάσει το προφίλ της τάσης στα DC μικροδίκτυα, ειδικά όταν τα μικροδίκτυα ελέγχονται με την Bus sigling μεθόδο (DBS). Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο προγραμματισμός της παραγωγής και κατανομής του φορτίου των DERS καθορίζεται με βάση μόνο των τελικών συνεχών τάσεων. Από άποψη προστασίας οι DC διακόπτες είναι πιο ογκώδης και πιο ακριβοί από αυτούς στα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τέλος πολλές στρατηγικές προστασίας πρέπει να εφαρμοστούν στο DC μικροδίκτυο καθώς ο περιορισμός του ρεύματος σφάλματος του μετατροπέα σε συνδυασμό με τα DERS αμφισβητούν την παραδοσιακή μέθοδος προστασίας έναντι του ρεύματος. 3.9 Έλεγχος στα DC μικροδίκτυα Στο υποκεφάλαιο αυτό θα αναλυθεί η συνήθης στρατηγική ελέγχου των DC μικροδικτύων, μιας και είναι ταχέως αναπτυσσόμενα. Η στρατηγική ελέγχου των DC μικροδικτύων γίνεται συνήθως για : (i) Την προσέγγιση ελέγχου ομαλής εκκίνησης των πηγών (ii) Τον εξωτερικό κοινό ελεγκτή για να αποκαταστήσει την απόκλιση τάσης στο εσωτερικό του συστήματος DC (iii) Τη ρύθμιση της ροής του ρεύματος ισχύος από και προς μια εξωτερική συνεχή πηγή που μπορεί να είναι ένα μέσο συνεχές σύστημα τάσης ή ένας μετατροπέας ισχύος DC/AC, που συνδέεται με το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος.

52 Οι αλγόριθμοι για το συνεχές ρεύμα του μικροδικτύου είναι επίσης απαραίτητοι για να εξασφαλίσουν μια ομαλή μετάβαση μεταξύ των διασυνδεδεμένων και islanding τρόπων λειτουργίας. Εν τω μεταξύ, η κατανομή ισχύος μεταξύ των μονάδων της διεσπαρμένης παραγωγής και του islanded συστήματος μπορεί να διαφέρει από κεντρικό σε αποκεντρωμένο σύστημα ελέγχου. Σε αντίθεση με τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος, τα συστήματα DC είναι πολύ απλούστερα κατά την έννοια ότι δεν έχουν άεργο ισχύ, και η μόνη ποσότητα τάσης που είναι διαθέσιμη για τον έλεγχο είναι το πλάτος του (V). Σε αυτήν την περίπτωση, η ενεργός ισχύς δεν εξαρτάται πλέον από τη συχνότητα του συστήματος, αλλά μόνο από τη διαφορά τάσεως. Η ενεργός κατανομή της ισχύος μεταξύ των μονάδων Γενικής Διεύθυνσης μέσα στο μικροδίκτυο συνεχούς ρεύματος μπορεί να ληφθεί μέσω των χαρακτηριστικών καμπυλών,όπως φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.6 Droop καμπύλη για τον έλεγχο του DC Μικροδικτύου Ιεραρχικός έλεγχος στα DC Μικροδίκτυα

53 Στην ιεραρχική αρχιτεκτονική ελέγχου, οι λειτουργίες ελέγχου διαμοιράζονται στα διάφορα επίπεδα της ιεραρχίας. Γενικά, υπάρχουν τρία επίπεδα ιεραρχίας ελέγχου. O πρωτογενής έλεγχος είναι μια τοπική στρατηγική ελέγχου που επιτρέπει σε κάθε μονάδα διεσπαρμένης παραγωγής να λειτουργεί αυτόνομα. Ο δευτερογενής και ο τριτογενής έλεγχος, από την άλλη, υποστηρίζουν τη λειτουργία του μικροδικτύου, ώστε να αντιμετωπίζονται πολλαπλοί στόχοι. Συγκεκριμένα, ο δευτερογενής έλεγχος είναι υπεύθυνος για την εξασφάλιση της ισορροπίας μέσα στο μικροδίκτυο, ενώ ο τριτογενής ασχολείται με την οικονομική βελτιστοποίηση του συστήματος, βασισμένος στην ενέργεια των τιμών και των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας. Επομένως, μια κατάλληλη ιεραρχική αρχιτεκτονική ελέγχου κάνει το σύστημα πιο ευέλικτο και επεκτάσιμο, ώστε περισσότερη κατανεμημένη πηγή ενέργειας να μπορεί να ενσωματωθεί, χωρίς να αλλάζει ο τοπικός ιεραρχικός έλεγχος του συστήματος. Σχήμα 3.7 Διάγραμμα αρχιτεκτονικής ελέγχου μικροδκτύου το οποίο αποτελείται το από τοπικούς και κεντρικούς ελεγκτές και συστήματα επικοινωνιών Πιο αναλυτικά για κάθε επίπεδο:

54 Πρωτογενής έλεγχος Στα μικροδίκτυα, ο πρωτογενής έλεγχος προσφέρει ένα τοπικό έλεγχο σε πραγματικό χρόνο το οποίο έχει σχεδιαστεί κυρίως για την κατανομή του φορτίου μεταξύ των παράλληλα συνδεδεμένων πηγών χωρίς να χρειάζεται μεταξύ τους κάποια επικοινωνία. Τα DC μικροδίκτυα ασχολούνται μόνο με την καμπύλη V-Ι. Η καμπύλη V-Ι φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.8 Καμπύλη V-I και βήματα ελέγχων. Και η σχέση που την εκφράζει είναι :,όπου το R (μια εικονική αντίσταση) Η τιμή του R στις παράλληλα συνδεδεμένες πηγές (DERS) καθορίζει την αναλογία της κατανομής του φορτίου κατά την κανονική λειτουργία του μικροδικτύου. Σε περίπτωση μιας διαταραχής, π.χ. αλλαγές μεγάλων φορτίων ο πρωταρχικός έλεγχος θα προσαρμόσει το ρεύμα εξόδου των πηγών, ώστε να ανταποκριθεί γρήγορα σ αυτές τις απότομες αλλαγές. Υπάρχουν δύο ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν κατά την εφαρμογή αυτού του επιπέδου ελέγχου.

55 Το πρώτο ζήτημα αφορά τις καμπύλες στατισμού. Ο απλούστερος έλεγχος με τις καμπύλες στατισμού υλοποιείται μέσω μιας σταθερής τιμής R με την οποία οι πηγές θα μοιραστούν αναλογικά τις μεταβολές του φορτίου. Όμως, οι μη γραμμικές καμπύλες droop προσφέρουν πιο προηγμένο έλεγχο των πηγών. Στο παρακάτω σχήμα, για παράδειγμα, θα αυξηθεί η κλίση στα δύο άκρα της καμπύλης droop και αυτό θα επιβάλει περιορισμό ισχύος στις μικρότερες πηγές. Σχήμα 3.9 Μη γραμμική καμπύλη Επιπλέον, οι μη γραμμικές καμπύλες προσφέρουν σήματα ελέγχου που βασίζονται στην κατάσταση της σταθερής φόρτισης (SOC) των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας για την εξισορρόπηση του ρεύματος και της ενέργειας τους. Για παράδειγμα, εάν το R διαιρείται με SΟC, όπως δείχνει ο τύπος παρακάτω, η μπαταρία (που είναι συσκευή αποθήκευσης ενέργειας) θα ανταποκριθεί γρηγορότερα σε υψηλό SΟC (δηλαδή, πλήρης φόρτιση) και πιο αργά σε χαμηλό SΟC, και το ρεύμα εξόδου του θα περιοριστεί όταν το SΟC πλησιάζει το μηδέν:

56 Το δεύτερο θέμα με τον πρωτογενή έλεγχο είναι ότι η καμπύλη V-I στα DC μικροδίκτυα μπορεί να έχει λάθη διαμοιρασμού της ισχύος που είναι ανάλογες με εκείνες του εναλλασσόμενου μικροδικτύου. Σε ένα DC μικροδίκτυο, τα μεγέθη κομβικών τάσεων ποικίλουν ως συνάρτηση των τοπικών χαρακτηριστικών του δικτύου. Αυτή η διαφορά τάσης θα επηρεάσει την ακρίβεια της κατανομής ισχύος, όπως απεικονίζεται στο σχήμα. Σχήμα 3.10 Σφάλματα ρεύματος Εδώ, τα σφάλματα ρεύματος (δηλαδή, και ) εισάγονται ως ένα σφάλμα τάσης στους ακροδέκτες των DER. Το σφάλμα ισχύος μπορεί να είναι αμελητέο σε μικροδίκτυα με καλώδιο χαμηλής αντίστασης ή όταν οι πηγές συγκεντρώνονται σε μια μικρή περιοχή εντός του μικροδικτύου. Ωστόσο, τα μεγαλύτερα μικροδίκτυα με ευρέως διανεμημένες πηγές μπορούν να εισάγουν μεγαλύτερα σφάλματα. Οι περισσότερες από τις μεθόδους διόρθωσης σε αυτές τις περιπτώσεις βασίζονται στο χαμηλό εύρος ζώνης επικοινωνίας των καναλιών στα οποία τα ρεύματα εξόδου και οι τάσεις στην πλευρά DC των μετατροπέων μεταφέρονται σε άλλους μετατροπείς ώστε οι πηγές να ρυθμίσουν τα ρεύματα εξόδου τους για έναν πιο ακριβή καταμερισμό ισχύος.

57 Δευτερογενή επίπεδο ελέγχου Ο δευτερογενής έλεγχος είναι υπεύθυνος να εξαλείψει τις αποκλίσεις της τάσης που δημιουργούνται από τον προηγούμενο έλεγχο όταν υπάρχουν πολλές πηγές, ώστε να υπάρχει ισορροπία στο σύστημα. Συγκεκριμένα μόλις εντοπιστεί μία απόκλιση της τάσης, ο δευτερεύον έλεγχος δημιουργεί ένα σήμα αντιστάθμισης τάσης στην άνοδο της καμπύλης droop για να αποκαταστήσει την ονομαστική τάση (βλέπε σχήμα 3.8). Ο έλεγχος μπορεί να είναι κεντρικός, όπου ρόλος του είναι η ανίχνευση τάσης και η μετάδοση μέσω επικοινωνίας των δεδομένων στο μικροδίκτυο, ή αποκεντρωμένος, όπου κάθε πηγή έχει το δικό της τοπικό δευτερεύοντα ελεγκτή, ο οποίος μπορεί να παράγει ένα κατάλληλο σήμα ελέγχου για τον πρωτογενή επίπεδο ελέγχου με τη χρησιμοποίηση των μετρήσεων από τις άλλες μονάδες της διεσπαρμένης παραγωγής, ώστε να ρυθμίσει την απόκλιση τάσης. Τριτογενή επίπεδο ελέγχου Ο τριτογενής έλεγχος προσφέρει ένα κεντρικό επίπεδο ελέγχου καθώς είναι υπεύθυνος για τη βέλτιστη και την οικονομική λειτουργία ολόκληρου του μικροδικτύου. Ο κεντρικός ελεγκτής είναι το πιο σημαντικό στοιχείο στο μικροδίκτυο το οποίο είναι υπεύθυνο για αυτόν τον έλεγχο. Αυτός λαμβάνει δεδομένα από την παραγωγή και το φορτίο μέσω του εποπτικού ελέγχου. Ο κύριος ελεγκτής καθορίζει, επίσης την ωριαία βέλτιστη λύση σε διάφορες καταστάσεις και απρόβλεπτα γεγονότα και στέλνει σήματα ελέγχου για τις επί τόπου παραγωγές, την αποθήκευση, την υπεράσπιση των ανθρωπίνων δικαιωμάτων και τους ελεγκτές του κτιρίου. Στη διασυνδεδεμένη λειτουργία ο κύριος ελεγκτής μπορεί να στείλει εντολές φόρτισης και αποφόρτισης της μπαταρίας, καθώς και να ελέγχει την ανταλλαγή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ του μικροδικτύου και του κεντρικού δικτύου για τη μείωση του κόστους λειτουργίας.

58 Σχήμα 3.11 Διάγραμμα των τριών επιπέδων ελέγχου ενός μικροδικτύου Επίσης στην παραπάνω εικόνα φαίνεται ότι ο τριτογενής έλεγχος παρέχει ακόμα και τον έλεγχο της ροής ισχύος με την αλλαγή της τάσης αναφοράς στο εσωτερικό του μικροδικτύου. Ο αντισταθμιστής ανιχνεύει το σφάλμα μεταξύ της αναφοράς και το ρεύμα ρέει προς το DC μικροδίκτυο για τον έλεγχο της ροής ισχύος μέσα από το διακόπτη.

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΑΣΗΣ 4.1 Εισαγωγή Ιστορικά, η ρύθμιση της τάσης στα δίκτυα διανομής αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που καλείται να επιλύσει ο διαχειριστής του συστήματος. Οι διακυμάνσεις στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας των καταναλωτών κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου προκαλούν αντίστοιχες διακυμάνσεις και στις τάσεις των ζυγών των δικτύων διανομής. Κατά τις ώρες υψηλής ζήτησης φορτίου οι τάσεις βυθίζονται, ενώ αντίθετα τις ώρες μικρής ζήτησης (κυρίως τις βραδινές ώρες) παρατηρείται ανύψωση των τάσων. Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου έχουν αναπτυχθεί στο παρελθόν διάφορες συμβατικές μέθοδοι ρύθμισης τάσης, όπως οι λήψεις των μετασχηματιστών ισχύος, οι ρυθμιστές τάσης, οι σύγχρονοι πυκνωτές και οι στατοί πυκνωτές, οι οποίες θα παρουσιαστούν πιο αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο. Ωστόσο, η θεώρηση για τη συμπεριφορά του δικτύου που περιγράφηκε προηγουμένως προϋποθέτει ότι το δίκτυο είναι παθητικό (συμβατικό), δηλαδή ότι η ροή ισχύος είναι πάντα μιας κατεύθυνσης, από τους κεντρικούς σταθμούς παραγωγής προς τα φορτία, μέσω του δικτύου μεταφοράς. Τα τελευταία χρόνια, με τη μεγάλης κλίμακας διείσδυση της Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΔΠ) στα δίκτυα διανομής, υπάρχουν περιπτώσεις όπου η ροή ισχύος αντιστρέφεται, εξαιτίας της μεγάλης παραγωγής ισχύος της ΔΠ που βρίσκεται σε κοντινές αποστάσεις από τους καταναλωτές. Έτσι, αν η παραγωγή ισχύος της ΔΠ είναι αρκετή ώστε να καλύψει τη ζήτηση των καταναλωτών, τυχόν περίσσεια παραγώμενη ισχύς «αναγκάζεται» να ρεύσει αντίθετα, από τα δίκτα διανομής προς το δίκτυο μεταφοράς και κατ επέκταση προς τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής. Το φαινόμενο αυτό άλλαξε τα δεδομένα που ίσχυαν σχετικά με τη ρύθμιση τάσης στα δίκτυα διανομής, καθώς πλέον οι διακυμάνσεις της τάσης δεν

60 εξαρτώνται μόνο από τις μεταβολές της ζήτησης των φορτίων, αλλά και από την παραγώμενη ισχύ των μονάδων ΔΠ, η οποία αποτελεί στοχαστικό φαινόμενο όταν προέρχεται από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Επίσης, η δυνατότητα διπλής κατεύθυνσης της ροής ισχύος στο δίκτυο δυσχεραίνει την κατάσταση, αφού μπορεί να παρουσιάζεται τόσο βύθιση όσο και ανύψωση των τάσεων οποιαδήποτε χρονική στιγμή, καθιστώντας απρόβλεπτη τη συμπεριφορά του κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου. Συνεπώς, τα συμβατικά μέσα ρύθμισης τάσης που υπάρχουν εγκατεστημένα στα δίκτυα διανομής δεν επαρκούν για την αποτελεσματική αντιμετώπιση του προβλήματος. Ήταν απαραίτητο λοιπόν να αναπτυχθούν σύγχρονες μέθοδοι ρύθμισης τάσης, που θα λαμβάνουν υπόψιν τους την ύπαρξη της ΔΠ στα δίκτυα διανομής, και μάλιστα θα αξιοποιούν τις δυνατότητες των ηλεκτρονικών ισχύος που υπάρχουν στις μονάδες της για να επιτύχουν τον επιθυμητό έλεγχο των τάσεων. Το πιο πρόσφατο ζήτημα έρευνας και μελέτης σχετικά τη ρύθμιση τάσης αφορά την ανάπτυξη συστημάτων που να ελέγχουν κεντρικά τη λειτουργία όλων των μονάδων ρύθμισης τάσης που υπάρχουν εγκατεστημένα στο δίκτυο. Η τεχνική αυτή ονομάζεται Συντονισμένος Έλεγχος Τάσης (Coordinated Voltage Control) και είναι το επόμενο βήμα μετά τον Τοπικό Έλεγχο Τάσης (Local Voltage Control), στον οποίο κάθε μονάδα ρύθμισης τάσης λειτουργεί αυτόνομα μέσα στο δίκτυο, χωρίς συνεργασία με τις υπόλοιπες. 4.2 Συμβατικές μέθοδοι ρύθμισης τάσης Όπως αναφέραμε και στην εισαγωγή, για τη διατήρηση των τάσεων εντός των επιτρεπτών ορίων κατά τη διάρκεια μιας ημέρας στα συμβατικά (παθητικά) δίκτυα διανομής, χρησιμοποιείται ένα εύρος μεθόδων ρύθμισης τάσης. Αυτές περιλαμβάνουν την εγκατάσταση ειδικού εξοπλισμού σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου, εκεί όπου επιθυμούμε να πραγματοποιηθεί η ρύθμιση. Οι κυριότερες εξ αυτών είναι:

61 Λήψεις αλλαγής τάσεων Μετασχηματιστών Ισχύος Ρυθμιστές Tάσης Σύγχρονοι Πυκνωτές Στατοί Πυκνωτές Λήψεις αλλαγής τάσεων Μετασχηματιστών Ισχύος Ο κύριος προορισμός ενός μετασχηματιστή ισχύος είναι ο μετασχηματιστός της ενέργειας μεταξύ διαφόρων επιπέδων τάσεως. Εν τούτοις, κάθε μετασχηματιστής, ή αυτομετασχηματιστής, είναι εφοδιασμένος με λήψεις για την αλλαγή της σχέσεως μετασχηματισμού, εκτελώντας κατ αυτό τον τρόπο και το δευτερεύον καθήκον του για έλεγχο της τάσεως. Στους μικρούς μετασχηματιστές διανομής (εν γένει στους Μ/Σ ΜΤ/ΧΤ) η αλλαγή αυτή των λήψεων μπορεί να γίνει μόνο με τον μετασχηματιστή εκτός τάσεως (αποσυνδεδεμένο). Στους μεγαλύτερους όμως μετασχηματιστές και αυτομετασχηματιστές του δικτύου (ΥΥΤ/ΥΤ και ΥΤ/ΜΤ) ο έλεγχος αυτός γίνεται κατά κανόνα με αλλαγή της τάσεως υπό φορτίο (Σύστημα Αλλαγής Τάσεως Υπό Φορτίο ΣΑΤΥΦ). Κατ αυτό τον τρόπο μπορεί να διατηρηθεί μια κατά προσέγγιση σταθερή τάση στους σπουδαιότερους ή και όλους τους ζυγούς των υποσταθμών διασύνδεσης ή υποβιβασμού του δικτύου. Η περιοχή μεταβολής της τάσεως στους μικρούς μετασχηματιστές διανομής είναι συνήθως ±5%, ενώ στους μεγαλύτερους, οι οποίοι διαθέτουν ΣΑΤΥΦ, είναι της τάξης του ±10%, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις φτάνει μέχρικαι ±15% εκατέρωθεν της ονομαστικής τάσεως. Τα βήματα αλλαγής των λήψεων είναι συνήθως 2,5% ή 1,25%. Το ΣΑΤΥΦ λειτουργεί με ηλεκτροκινητήρες και ο χειρισμός του γίενται εξ αποστάσεως και πολλές φορές αυτόματα. Στην τελευταία περίπτωση το σύστημα παίρνει εντολές από έναν κατάλληλο ηλεκτρονόμο τάσεως, οπότε ο έλεγχος της τάσης του δευτερεύοντος γίνεται με σύστημα κλειστού βρόχου. Ο ηλεκτρονόμος τάσεως συγκρίνει την τάση εξόδου του μετασχηματιστή με μια προκαθορισμένη τιμή αναφοράς και αν

62 διαπιστώσει διαφορά δίνει εντολή ανύψωσης ή μείωσης της τάσεως στο σύστημα αλλαγής λήψης Ρυθμιστές Τάσης Λήψεις αλλαγής της σχέσεως μετασχηματισμού υπάρχουν, όπως είπαμε, σε κάθε μετασχηματιστή ισχύος. Εκτός αυτών όμως, υπάρχουν και ειδικοί μετασχηματιστές για τη ρύθμιση των τάσεων, οι οποίοι ονομάζονται Ρυθμιστές Τάσεις. Ο κύριος σκοπός των Ρυθμιστών Τάσης δεν είναι ο μετασχηματισμός μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας (γι αυτό και η ισχύς τους είναι σχετικά μικρή), αλλά η αλλαγή του επιπέδου της τάσεως στο σημείο του δικτύου στο οποίο είναι εγκατεστημένοι. Αντίθετα με τους μετασχηματιστές ισχύος, οι οποίοι βρίσκονται σε προκαθορισμένα σημεία του δικτύου όπως είναι οι υποσταθμοί υποβιβασμού ή διανομής, οι ρυθμιστές τάσεις εγκαθίστανται σε όποιο σημείο κριθεί σκόπιμο να υπάρξει ρύθμιση της τάσης. Ο ονομαστικός λόγος μετασχηματισμού των ρυθμιστών τάσης είναι 1:1, καθώς όπως αναφέραμε δεν έχουν ως σκοπό των μετασχηματισμό της ενέργειας. Με τη χρήση ενός συστήματος αλλαγής(συνηθέστερο πλήθος λήψεων είναι 16 ή 32), παρόμοιο με αυτό των μετασχηματιστών ισχύος, ο λόγος αυτός μπορεί να μεταβληθεί μέχρι ένα όριο της τάξης του ±10% συνήθως, με το κατάλληλο βήμα αλλαγής λήψεων. Οι ρυθμιστές τάσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για τη ρύθμιση του μέτρου της τάσης, όσο και για τη ρύθμιση της φασικής γωνίας της Σύγχρονοι Πυκνωτές Το μεγαλύτερο ποσοστό των φορτίων τα οποία τροφοδοτούνται από ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι επαγωγικού χαρακτήρα, απαιτούν δηλαδή τη χορήγηση αέργου ισχύος από το σύστημα. Η ροή αέργου ισχύος από τους σταθμούς παραγωγής προς τα φορτία προκαλεί πρόσθετες απώλειες ενεργού ισχύος στις γραμμές και τον εξοπλισμό (λόγω του αυξημένου ρεύματος), και κατά συνέπεια μεγαλύτερη πτώση τάσης σε

63 αυτές. Αντίθετα, τις νυχτερινές ώρες όπου η ζήτηση ισχύος είναι χαμηλή, ενδέχεται να παρατηρηθεί ανύψωση των τάσεων του δικτύου λόγω της κυκλοφορίας περίσσειας ποσότητας αέργου ισχύος. Διαπιστώθηκε λοιπόν, ότι ένας τρόπος ρύθμισης της τάσης είναι η εγκατάσταση, σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου, κατάλληλου εξοπλισμού που να λειτουργεί ως πηγή ή καταβόθρα αέργου ισχύος. Έτσι, θα μειώνεται η κυκλοφορία αέργου ισχύος στο δίκτυο και οι τάσεις θα διατηρούνται πιο κοντά στην ονομαστική τιμή τους. Ένα μέσο που επιτυγχάνει αυτή τη λειτουργία είναι ο σύγχρονος πυκνωτής. Ο σύγχρονος πυκνωτής είναι ουσιαστικά μια κανονική σύγχρονη μηχανή, με τη διαφορά ότι δεν έχει κινητήρια μηχανή ή φορτίο συνδεδεμένο σε αυτήν και συνήθως δεν έχει άξονα ικανό να μεταφέρει ζεύγος, συνεπώς όταν συνδέεται στο δίκτυο λειτουργεί μόνο εν κενώ. Υπό τις συνθήκες αυτές απορροφάμόνο όση ενεργό ισχύ χρειάζεται για την τροφοδότηση των απωλειών του, οι οποίες συνήθως είναι αμελητέες. Φυσικά, όσον αφορά την άεργο ισχύ, συμπεριφέρεται σαν κανονική σύγχρονη μηχανή. Όταν ο σύγχρονος πυκνωτής συνδέεται στο δίκτυο έχει τη δυνατότητα είτε να αποδώσει άεργο ισχύ όταν υπερδιεγείρεται, είτε να απορροφήσει άεργο ισχύ όταν υποδιεγείρεται. Μεταξύ των δύο αυτών καταστάσεων υπάρχει μια τιμή της διεγέρσεως για την οποία δεν απορροφά ούτε αποδίδει αέργο ισχύ. Στη κατάσταση αυτή το ρεύμα του σύγχρονου πυκνωτή είναι ελάχιστο, αποτελούμενο μόνο από το μικρό ρεύμα των απωλειών. Αυτό σημαίνει ότι ο σύγχρονος πυκνωτής είναι μια ευέλικτη αέργου ισχύος, καθώς μπορεί η ροή της αέργου ισχύος του να μεταβάλλεται εύκολα και συνεχώς κατά μέτρο και πολικότητα, μεταβάλλοντας απλώς τη διέγερση του. Τα χαρακτηριστικά αυτά κάνουν το σύγχρονο πυκνωτή εξαιρετικά κατάλληλο σαν πηγή αέργου ισχύος, δεδομένου ότι μια γραμμή μεταφοράς απαιτεί παροχή αέργου ισχύος στο άκρο αφίξεως σε περιόδους μεγάλων φορτίων για να διατηρήσει την τάση της, ενω για τον ίδιο λόγο σε περιόδους ελαφρού φορτίου απαιτεί απορρόφηση αέργου ισχύος.

64 4.2.4 Στατοί Πυκνωτές Οι στατοί πυκνωτές είναι συστοιχίες κανονικών πυκνωτών κατάλληλης ποιότητας, οι οποίες συνδέονται εν παραλλήλω σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου για να λειτουργήσουν ως πηγές αέργου ισχύος. Το βασικό μειονέκτημα τους σε σχέση με τους σύγχρονους πυκνωτές είναι ότι δεν έχουν τη δυνατότητα απορρόφησης αέργου ισχύος, αλλά μόνο παραγωγής, και η παραγωγή αυτή γίνεται μόνο σε βήματα (διακριτά, και όχι σε συνεχές φάσμα όπως στους σύγχρονους). Επίσης, έχουν την τάση να αποδίδουν μικρότερη άεργο ισχύ σε περιόδους βύθισης της τάσης, το οποίο σημαίνει ότι είναι λιγότερο αποτελεσματικοί στη ρύθμιση της τάσης. Άλλα μειονεκτήματα είναι ότι δεν έχουν τη δυνατότητα υπερφόρτισης και ότι η ζεύξη και η αποσύζευξη τους από το δίκτυο συνοδεύεται πολλές φορές από μεγάλα κρουστικά ρεύματα και υπερτάσεις αντίστοιχα. Ωστόσο, οι στατοί πυκνωτές έχουν και αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους σύγχρονους ως μέσα ρύθμισης της τάσης. Αρχικά, είναι φθηνότεροι και παρουσιάζουν πολύ μικρότερες απώλειες. Επίσης, έχουν καλύτερη απόκριση σε περιπτώσεις σφαλμάτων, καθώς βοηθούν στην επίτευξη της ευστάθειας του συστήματος. Επιπροσθέτως, έχουν το πλεονέκτημα της έυκολης μετακίνησης τους από μια θέση του δικτύου σε μια άλλη, όπως επίσης και της έυκολης άυξησης της εγκατεστημένης ισχύος τους με την προσθήκη περισσότερων πυκνωτών. Ιδιαίτερα σημαντικό είναι το γεγονός ότι οι στατοί πυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν οικονομικά σε μικρές μονάδες και στις θέσεις ακριβώς που απαιτείται η παροχή αέργου ισχύος στα δικτυα μέσης και χαμηλής τάσης. 4.3 Σύγχρονες μέθοδοι ρύθμισης τάσης

65 Με την έντονη διείσδυση των μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής (ΔΠ) στα δίκτυα διανομής διαπιστώθηκε ότι τα παραπάνω συμβατικά μέσα ρύθμισης της τάσης δεν ήταν πια αποτελεσματικά. Χρειάστηκε να αναπτυχθούν νέες σύγχρονες μέθοδοι για την αντιμετώπιση των διακυμάνσεων της τάσης, χρησιμοποιώντας κατά κύριο λόγο πολύπλοκα συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος. Τα κυριότερα εξ αυτών είναι: STATCOM, SVC Μέσα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας Περικοπή ενεργού ισχύος της ΔΠ Έλεγχος της αέργου ισχύος των αντιστροφέων της ΔΠ STATCOM, SVC Ο STATCOM (Static Compensator) είναι μια συσκευή ρύθμισης αποτελούμενη από ηλεκτρονικά ισχύος (κυριότερο είναι τα IGBTs) η οποία μπορεί να λειτουργήσει ως πηγή ή ως καταβόθρα αέργου ισχύος. Συνήθως το STATCOM χρησιμοποιείται σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας που παρουσιάζουν χαμηλό συντελεστή ισχύος ή «φτωχή» ρύθμιση τάσης. Ενδέχεται να χρησιμοποιηθεί επίσης και για βελτίωση της ευστάθειας της τάσης. Το STATCOM λειτουργεί με τη λογική μετατροπέα τάσης-πηγής (Voltage-Source Converter VSC), με μια πηγή τάσης πίσω από μια επαγωγική αντίδραση. Η πηγή τάσης είναι ένας DC πυκνωτής, με συνέπεια το STATCOM να έχει πολύ μικρή δυνατότητα παραγωγής ενεργού ισχύος. Ωστόσο, αυτή μπορεί να αυξηθεί αν τοποθετηθεί παράλληλα στον πυκνωτή μια κατάλληλη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας. Η άεργος ισχύς στους ακροδέκτες του STATCOM εξαρτάται από το πλάτος της τάσης της πηγής. Για παράδειγμα, αν η τάση των ακροδεκτών είναι μεγαλύτερη από την AC τάση στο σημείο διασύνδεσης, το STATCOM παράγει αέργο ισχύ, ενώ αντίθετα αν είναι μικρότερη τότε απορροφά άεργο ισχύ. Μια παρόμοια, αλλά απλούστερη, διάταξη που χρησιμοποιείται είναι το Static Var Compensator (SVC). Αποτελείται κι αυτή από ηλεκτρονικά ισχύος, με τα συνηθέστερα να είναι τα θυρίστορ.

66 Τα STATCOM παρουσιάζουν καλύτερα χαρακτηριστικά από τα SVC. Ο χρόνος απόκρισης των STATCOM είναι μικρότερος από των SVC, όπως και η δημιουργία αρμονικών συνιστωσών, κυρίως λόγω της μεγαλύτερης διακοπτικής συχνότητας των IGBT σε σχέση με τα θυρίστορ. Τα STATCOM επίσης προσφέρουν καλύτερη υποστήριξη αέργου ισχύος όταν η τάσεις είναι χαμηλές, καθώς η άεργος ισχύς τους μειώνεται γραμμικά με την τάση, αντίθετα με τα SVC όπου η άεργος ισχύος είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης. Ωστόσο, τα STATCOM παρουσιάζουν μεγαλύτερες απώλειες και είναι ακριβότερα από τα SVC, με αποτέλεσμα τα τελευταία να χρησιμοποιούνται ακόμη εκτενώς Μέσα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας Μια έξυπνη λύση για την αντιμετώπιση των φαινομένων ανύψωσης και βύθισης τάσης που παρουσιάζονται στα σύγχρονα ενεργά δίκτυα διανομής είναι η εγκατάσταση μονάδων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι πιο δημοφιλείς μονάδες που χρησιμοποιούνται είναι οι συστοιχίες μπαταριών και τα flywheels (στρεφόμενες μηχανές που αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια ως κινητική ενέργεια). Χρησιμοποιώντας τέτοια μέσα έχουμε τη δυνατότητα να αποθηκεύουμε τυχόν περίσσεια παραγώμενη ισχύ από τις μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, έτσι ώστε να μην «αναγκάζεται» αυτή να ρέει αντίστροφα μέσα στο δίκτυο προκαλώντας ανύψωση των τάσεων. Αντίστοιχα, αν κάποια περίοδο της ημέρας παρουσιαστεί έλλειψη ισχύος στο δίκτυο και οι τάσεις βυθιστούν, τα μέσα αποθήκευσης μπορούν να δράσουν ως πηγές ισχύος τροφοδοτώντας τα φορτία και βοηθώντας στη ρύθμιση της τάσης. Για τη σύνδεση των μονάδων αποθήκευσης με το δίκτυο χρησιμοποιούνται αντιστροφείς διπλής κατεύθυνσης (και άλλα απαραίτητα ηλεκτρονικά ισχύος), οι οποίοι ελέγχουν τη ροή της ισχύος από και προς το δίκτυο. Οι αντιστροφείς λαμβάνουν τις αποφάσεις για αποθήκευση ή απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο (αποθήκευση όταν υπάρχει πλεόνασμα ισχύος, παραγωγή όταν υπάρχει έλλειμμα).

67 Η λογική της χρησιμοποιήσης αποθηκευτικών μονάδων ως μέσα ρύθμισης τάσης είναι αρκετά αξιόλογη και αποτελεσματική. Ωστόσο, οι αποθηκευτικές διατάξεις είναι αρκετά ακριβές, με χαμηλή σχέση κόστουςαπόδοσης, γι αυτό και η χρησιμοποίηση τους παραμένει περιορισμένη Περικοπή ενεργού ισχύος της ΔΠ Στην τεχνική αυτή αξιοποιούνται οι δυνατότητες λειτουργίας των ηλεκτρονικών ισχύος (κυρίως των αντιστροφέων), που βρίσκονται εγκατεστημένοι στην έξοδο των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, για την αντιμετώπιση του φαινομένου ανύψωσης τάσης που προκαλείται από την έντονη διείσδυση της ΔΠ στα δίκτυα διανομής. Η λογική της Περικοπής Ενεργού Ισχύος (Active Power Curtailment APC) βασίζεται στη μέτρηση και τον έλεγχο της τάσης στο σημείο κοινής σύνδεσης του αντιστροφέα με το δίκτυο. Όσο αυτή παραμένει εντός κάποιων επιλεγμένων επιθυμητών ορίων, τότε η παραγωγή ενεργού ισχύος της αντίστοιχης μονάδας ΔΠ αποδίδεται ολόκληρη στο δίκτυο. Σε περίπτωση όμως που η μετρούμενη τάση ξεπεράσει την επιτρεπτή τιμή, τότε ο αντιστροφέας αποφασίζει να «κόψει» μια ποσότητα από την παραγώμενη ενεργό ισχύ της μονάδας. Σε ακραίες περιπτώσεις ανύψωσης τάσης, μπορεί να χρειαστεί να απομονώσει πλήρως τη μονάδα από το δίκτυο, εκμηδενίζοντας την αποδιδόμενη ενεργό ισχύ της. Ο τρόπος υπολογισμού της απαραίτητης ποσότητας ενεργού ισχύος που πρέπει να περικοπεί από τον αντιστροφέα μπορεί να γίνει με τη χρήση μιας απλής γραμμικής συνάρτησης, αλλά μπορεί, αν κριθεί απαραίτητο, να αναπτυχθεί ένας πιο πολύπλοκος αλγόριθμος. Η επιλογή εξαρτάται από τις ιδιαιτερότητες της εγκατάστασης. Ένα απλό παράδειγμα χρησιμοποίησης μιας γραμμικής σχέσης για τον υπολογισμό παρουσιάζεται στη συνέχεια:

68 όπου: P MMPT είναι η παραγώμενη ενεργός ισχύς της μονάδας, Pinv είναι η αποδιδόμενη ισχύς, V η μετρούμενη τάση στο σημείο κοινής σύνδεσης, Vlimit το όριο της τάσης πάνω από το οποίο πρέπει να γίνει περικοπή ενεργού ισχύος, Vcri η κρίσιμη τιμή τάσης στην οποία πρέπει να απομονωθεί πλήρως η μονάδα ΔΠ και k η κλίση της γραμμικής σχέσης. Το βασικότερο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου, το οποίο είναι και ο λόγος που δεν εφαρμόζεται συχνά, είναι ότι η περικοπή ενεργού ισχύος μεταφράζεται ευθέως σε μείωση του κέρδους. Οι παραγωγοί ισχύος που χρησιμοποιούν μονάδες ΔΠ προτιμούν να καταφύγουν σε άλλες μεθόδους ρύθμισης τάσης, ακόμα κι αν δεν είναι εξίσου αποτελεσματικές, με σκοπό να αποφύγουν την μείωση του οικονομικού οφέλους τους Έλεγχος της αέργου ισχύος των αντιστροφέων της ΔΠ Η τελευταία σύγχρονη μέθοδος ρύθμισης τάσης που θα παρουσιαστεί είναι και εκείνη που εφαρμόζεται ευρύτερα. Αξιοποιεί και αυτή τους αντιστροφείς των μονάδων ΔΠ αλλά για τον έλεγχο της αέργου ισχύος σε αυτήν την περίπτωση, αντίθετα με την τεχνική APC που ελέγχει την ενεργό ισχύ, όπως περιγράψαμε παραπάνω. Η λογική της βασίζεται σε αυτήν των σύγχρονων πυκνωτών, ότι δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί ρύθμιση της τάσης μεταβάλλοντας την παραγωγή και την απορρόφηση αέργου ισχύος σε επιλεγμένα σημεία του δικτύου. Η διαφορά της μεθόδου αυτής είναι ότι τα σημεία είναι προκαθορισμένα, είναι οι κόμβοι κοινής σύνδεσης των μονάδων ΔΠ με το δίκτυο, και ότι δεν χρειάζεται πρόσθετος εξοπλισμός πέρα από αντιστροφείς που να έχουν τη δυνατότητα ελέγχου της ροής αέργου ισχύος τους.

69 Ο έλεγχος της αέργου ισχύος γίνεται με τη μεταβολή του συντελεστή ισχύος λειτουργίας του αντιστροφέα, γι αυτό και η μέθοδος αυτή ονομάζεται συχνά Έλεγχος Συντελεστή Ισχύος (Power Factor Control PFC). Δουλεύοντας με επαγωγικό ΣΙ, ο αντιστροφέας έχει τη δυνατότητα να απορροφήσει άεργο ισχύ, ενώ δουλεύοντας με χωρητικό ΣΙ μπορεί να αποδώσει άεργο ισχύ στο δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό συνεισφέρει στη ρύθμιση των τάσεων, απορροφώντας άεργο όταν παρατηρείται ανύψωση της τάσης και παράγωντας άεργο όταν παρατηρείται βύθιση της. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος εφαρμογής της μεθόδου PFC είναι με τη μέτρηση της τάσης στο σημείο κοινής σύνδεσης της μονάδας ΔΠ με το δίκτυο και τη χρησιμοποίηση κατάλληλα επιλεγμένων καμπυλών αέργου ισχύος-τάσης Q(V) που υπολογίζουν την απαραίτητη ποσότητα αέργου ισχύος που πρέπει να απορροφηθεί ή να παραχθεί από τον αντιστροφέα. Η τυπική μορφή που έχουν οι καμπύλες Q(V) παρουσιάζεται στην εικόνα 4.1. Από τη μορφή της καμπύλης παρατηρούμε ότι υπάρχει ένα διάστημα «νεκρής ζώνης» (deadband) γύρω από την ονομαστική τιμή της τάσης στο οποίο δεν κρίνεται απαραίτητο να υπάρξει ροή αέργου ισχύος από τον αντιστροφέα. Όταν η μετρούμενη τάση αυξηθεί και βγει εκτός του deadband, τότε ο αντιστροφέας αρχίζει να απορροφά αέργο ισχύ (αρνητικές τιμές) ώστε να επιτευχθεί μείωση της. Όταν η τάση φτάσει σε ένα κρίσιμο όριο, τότε ο αντιστροφέας απορροφά την μέγιστη δυνατή άεργο ισχύ και δεν μπορεί να αυξήσει αυτήν την ποσότητα περαιτέρω (κορεσμός). Η μέγιστη δυνατή άεργος ισχύς εξαρτάται από την παραγώμενη ενεργό ισχύ της μονάδας και τον ελάχιστο επιτρεπτό συντελεστή ισχύος του αντιστροφέα σύμφωνα με τη σχέση:. Αντίστοιχη συμπεριφορά παρατηρούμε και για τάσεις μικρότερες της ονομαστικής, όπου ο αντιστροφέας καλείται να αποδώσει άεργο ισχύ στο δίκτυο (θετικές τιμές) για να αυξηθεί η τάση.

70 1, 5 1 0, 5 0-0, 5 0, 9 0, , 05 1, , 5 Τάση σημείου κοινής σύνδεσης (α.μ.) Εικόνα 4.1 Τυπική καμπύλη Q(V) 4.4 Τοπικός και Συντονισμένος έλεγχος τάσης Η ανάπτυξη των μεθόδων ρύθμισης τάσης (συμβατικών και σύγχρονων) που παρουσιάστηκαν στις προηγούμενες παραγράφους έγινε αρχικώς με το σκεπτικό αυτόνομης λειτουργίας της κάθε μιας. Σύμφωνα με αυτή τη λογική, κάθε μονάδα ρύθμισης τάσης είναι υπεύθυνη να μετρά και να ελέγχει την τάση μόνο στο σημείο κοινής σύνδεσης της με το δίκτυο διανομής, χωρίς επικοινωνία ή συνεργασία με τυχόν άλλες εγκατεστημένες μονάδες ρύθμισης τάσης σε άλλα σημεία του δικτύου. Η λογική αυτή ονομάζεται Τοπικός (ή Αποκεντρωμένος) Έλεγχος Τάσης [Local (or Decentralized) Voltage Control LVC]. Ο έλεγχος χαρακτηρίζεται ως Τοπικός ακριβώς επειδή πραγματοποιείται ξεχωριστά και απομονωμένα σε κάθε σημείο που υπάρχει μονάδα ρύθμισης τάσης. Τα τελευταία χρόνια ωστόσο έχει αρχίσει να δίνεται μεγάλη έμφαση στην έρευνα και την ανάπτυξη μιας πιο σύγχρονης λογικής για τη λειτουργία των μέσων ρύθμισης τάσης. Η νέα αυτή λογική βασίζεται στον ταυτόχρονο έλεγχο όλων των μέσων ρύθμισης τάσης ενός δικτύου διανομής από ένα κεντρικό σημείο, συνήθως σε κάποιον υποσταθμό, και ονομάζεται

71 Συντονισμένος (ή Κεντρικός) Έλεγχος Τάσης [Coordinated (or Centralized) Voltage Control CVC). Για τη λειτουργία του Συντονισμένου Ελέγχου Τάσης είναι απαραίτητη η ύπαρξη δικτύου επικοινωνίας μεταξύ του κεντρικού ελεγκτή και των διάσπαρτων μέσων ρύθμισης τάσης του δικτύου διανομής (αντιστροφείς, πυκνωτές, μετασχηματιστές κλπ). Μέσω του δικτύου επικοινωνίας, ο κεντρικός ελεγκτής μπορεί να παρακολουθεί τις τάσεις και τις ροές ισχύος σε επιλεγμένα κρίσιμα σημεία του δικτύου διανομής και να υπολογίζει το βέλτιστο τρόπο με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί η επιθυμητή ρύθμιση τάσης, αξιοποιώντας τις δυνατότητες των μονάδων ρύθμισης τάσης που υπάρχουν στο δίκτυο. Χρησιμοποιώντας και πάλι το δίκτυο επικοινωνίας, στέλνει τις κατάλληλες εντολές στις διάφορες μονάδες (αλλαγή λήψης μετασχηματιστή, παραγωγή ή απορρόφηση συγκεκριμένης ποσότητας αέργου ισχύος από αντιστροφέα, ζεύξη ή αποσύζευξη στατών πυκνωτών, κλπ) ώστε επιτευχθεί η βέλτιστη αυτή ρύθμιση. Ωστόσο, ο Συντονισμένος Έλεγχος Τάσης παρουσιάζει και αρκετά σημαντικά μειονεκτήματα, γι αυτό και η εφαρμογή του παραμένει περιορισμένη προς το παρών. Στον πίνακα που ακολουθεί θα αναλυθούν οι κυριότερες διαφορές μεταξύ Τοπικού και Συντονισμένου ελέγχου, δίνοντας έμφαση στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της κάθε μιας:

72 Τοπικός Έλεγχος Τάσης Μικρό αρχικό κόστος εγκατάστασης Δεν χρειάζεται δίκτυο επικοινωνίας Σφάλμα σε μια μονάδα ρύθμισης τάσης δεν επηρεάζει όλο το σύστημα Συντονισμένος Έλεγχος Τάσης Μεγάλο αρχικό κόστος εγκατάστασης Απαιτείται δίκτυο επικοινωνίας Σφάλμα σε οποιοδήποτε τμήμα του συστήματος ελέγχου τάσης δημιουργεί πρόβλημα στη λειτουργία όλου του συστήματος Δεν απαιτούνται πολύπλοκα κυκλώματα ελέγχου Οποιαδήποτε αλλαγή στη λειτουργία των ρυθμιστών πρέπει να πραγματοποιηθεί ξεχωριστά σε κάθε μονάδα Μη βέλτιστη ρύθμιση τάσης: αυξημένες απώλειες στις γραμμές, κυκλοφορία περιττής αέργου ισχύος, φθορά μετασχηματιστών λόγω συχνών αλλαγών λήψης και άλλα Συνεχείς αλληλεπιδράσεις (πιθανώς αρνητικές) μεταξύ των διαφόρων μονάδων ρύθμισης τάσης, καθώς δεν συνεργάζονται αλλά δρουν αυτόνομα Απαιτείται η ανάπτυξη εξελιγμένου κεντρικού ελεγκτή Εύκολη παραμετροποίηση και εφαρμογή αλλαγών της λειτουργίας του συστήματος μέσω του κεντρικού ελεγκτή Επίτευξη βέλτιστης ρύθμισης τάσης, ελαχιστοποιώντας τις αρνητικές παραμέτρους, μέσω του κεντρικού ελεγκτή Ελεγχόμενη και συντονισμένη συνεργασία μεταξύ των μονάδων ρύθμισης τάσης για την επίτευξη του βέλτιστου αποτελέσματος Πίνακας 4.1 Σύγκριση Τοπικού και Συντονισμένου Ελέγχου Τάσης (πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα)

73 4.5 Αποκεντρωμένος Έλεγχος Τάσης Αποκεντρωμένοι έλεγχοι έχουν παρόμοια περιγραφή με τους συγκεντρωτικούς ελέγχους. Στους αποκεντρωμένους ελέγχους, η κύρια ευθύνη δίνεται στους MCs οι οποίοι συναγωνίζονται για να μεγιστοποιήσουν την παραγωγή τους ώστε να ικανοποιήσουν τη ζήτηση και πιθανόν να παρέχουν τη μέγιστη δυνατή εξαγωγή προς το δίκτυο λαμβάνοντας υπόψη τις τρέχουσες τιμές της αγοράς. Ο αποκεντρωμένος έλεγχος στοχεύει στο να μεγιστοποιήσει την αυτονομία των μικροπηγών και των φορτίων. Αρκετές έξυπνες μέθοδοι, βασιζόμενοι σε peer-to peer αλγορίθμους, όπως είναι οι αλγόριθμοι πολλών πρακτόρων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αποκεντρωμένους ελέγχους. Ο αποκεντρωμένος έλεγχος χρησιμοποιείται καλύτερα για μικροδίκτυα με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Οι μικροπηγές μπορούν να έχουν διαφορετικούς ιδιοκτήτες όπου σε κάθε περίπτωση αρκετές αποφάσεις θα πρέπει να παίρνονται τοπικά. Μικροδίκτυα που λειτουργούν σε ένα περιβάλλον αγοράς, απαιτούν η δράση των ελεγκτών κάθε μονάδας που συμμετέχει στην αγορά θα έπρεπε να έχει ένα συγκεκριμένο βαθμό νοημοσύνης. Τοπικές μικροπηγές μπορεί να έχουν διαφορετικά καθήκοντα πέρα από το να παρέχουν ισχύ στα τοπικά διεσπαρμένα δίκτυα, όπως να παράγουν θερμότητα για τοπικές εγκαταστάσεις, να κρατούν την τάση τοπικά σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο ή να παρέχουν ένα εφεδρικό σύστημα για τοπικά κρίσιμα φορτία σε περίπτωση ενός καίριου σφάλματος.

74 4.6 Droop Control Q-V ( και P-f ) O βασικότερος τρόπος για την σύνδεση των επιμέρους παραγωγών μέσα στο μικροδίκτυο, είναι με χρήση των χαρακτηριστικών P-f και Q-V. Με αυτή τη μεθοδολογία ενεργοποιείται μια ανώτερη αρχιτεκτονική δομή, δίνοντας τη δυνατότητα για εκτεταμένα διεσπαρμένα συστήματα και αποφεύγοντας τα μεγάλα έξοδα επικοινωνίας. Με την ανάπτυξη ενός αλγόριθμου ελέγχου που λέγεται selfsync, έχει αποδειχθεί η χρησιμότητα των droops στους inverters. Βασιζόμενοι στη χρήση των συμβατικών droops (υπάρχουν και θετικές droops αν πρόκειται για μικρή γραμμή όπου κυρίαρχο ρόλο παίζει η αντίσταση και όχι η επαγωγή), αυτός ο έλεγχος μπορεί να εξαχθεί με χρήση πηγών τάσης σε σειρά με μια επαγωγή. Μια πηγή τάσης σε σειρά συνδεδεμένη με μια επαγωγή αντιπροσωπεύει μια γραμμή υψηλής τάσης σε ένα ισχυρό δίκτυο ή μια σύγχρονη μηχανή ως γεννήτρια. Εδώ η άεργος ισχύς σχετίζεται με την τάση ενώ η ενεργός με την διαφορά φάσης ή κατ επέκταση με τη συχνότητα. Σε εκτεταμένα συστήματα που χρησιμοποιούν inverters, η ανάγκη για επικοινωνία και έξτρα καλωδιώσεις μπορεί να ξεπεραστεί εάν οι inverters ορίζουν από μόνοι τους τη στιγμιαία ενεργό και άεργο ισχύ. Οι χαρακτηριστικές P-f και Q-V είναι παρόμοιες με αυτές του κανονικού δικτύου, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα ( Εικόνα 4.2). Ένας κεντρικός έλεγχος παρέχει απλά τις παραμέτρους για κάθε στοιχείο, τα οποία είναι η συχνότητα αναφοράς, η τάση αναφοράς, οι κλίσεις των droops και κάποιες βασικές εντολές.

75 Εικόνα 4.2: Συμβατικές κλίσεις P-f και Q-V Με αυτόν τον τρόπο αντικαθίσταται ο ακριβός έλεγχος που γίνεται στα συστήματα με ζυγούς, χρησιμοποιώντας την τάση και τη συχνότητα του δικτύου για το συντονισμό των στοιχείων. Μια τέτοια προσέγγιση οδηγεί στα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Απλή επέκταση του συστήματος. Μεγαλύτερη απλοποίηση, καθώς το σύστημα δεν βασίζεται στο ευάλωτο σύστημα ζυγών. Για βελτιστοποίηση, ένα απλό σύστημα με ζυγούς είναι επαρκές. Απλός κεντρικός έλεγχος. Πιο πολύπλοκες ενέργειες ελέγχου στα στοιχεία. Μεγαλύτερη απλοποίηση στα δίκτυα μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας παράλληλους VSI. Αυτή η προσέγγιση αποφεύγει τη λειτουργία σε master/slave. Στην ουσία, όλοι οι VSI σχηματίζουν το δίκτυο. Οι αντιστροφείς είναι συνδεδεμένοι μέσω επαγωγών που προέρχονται από τα φίλτρα εξομάλυνσης καθώς και από τα πηνία απόζευξης (Εικόνα 4.3):

76 Εικόνα 4.3: Επαγωγικά συζευγμένες πηγές τάσης και διανυσματικό διάγραμμα Η ενεργός και η άεργος ισχύς δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: Η διαφορά φάσης δ ανάμεσα στις δύο πηγές τάσης προκαλούν μεταφορά ενεργού ισχύος. Η μεταφορά άεργου ισχύος οφείλεται στη διαφορά τάσης U inv -U grid. Υποθέτοντας στάνταρ τιμές για την επαγωγή L οδηγεί σε ευαίσθητα συστήματα, όπου μικρές αποκλίσεις στη φάση και το πλάτος μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλα ρεύματα στους αντιστροφείς. Αυτή η ευαισθησία είναι ο λόγος που οι VSI με στάνταρ τιμές για τάση και συχνότητα δε μπορούν να λειτουργήσουν παράλληλα. Υπάρχει πάντα μια διαφορά τάσης που οφείλεται στην ανοχή των αισθητήρων, στα σήματα αναφοράς, στη θερμοκρασία στη γήρανση καθώς και στους κρυστάλλους που δεν είναι ίσοι. Τα σφάλματα συχνότητας των κρυστάλλων, μαζεύονται με την πάροδο του χρόνου και μπορεί να οδηγήσουν σε καταστροφικές διαφορές στις γωνίες.

77 Ο πιο προφανής τρόπος για να ενσωματωθούν οι διαφορές στη συχνότητα, είναι η χρήση χαρακτηριστικών P-f. Αλλά σε ένα πραγματικό σύστημα δεν είναι εύκολο να μετρηθεί με ακρίβεια η στιγμιαία συχνότητα, ενώ είναι εύκολο να μετρηθεί η στιγμιαία πραγματική ισχύς. Έχει προταθεί ένας έλεγχος με τη συχνότητα να είναι συνάρτηση της πραγματικής ισχύος: η ισχύς εξόδου του VSI μετριέται και αυτή η ποσότητα χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει τη συχνότητα εξόδου.

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ 5.1 Εισαγωγή Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μια μορφή σε μια άλλη και για το σκοπό αυτό περιλαμβάνουν ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος. Με τις διατάξεις αυτές μπορούμε να ελέγξουμε και να ρυθμίσουμε τη ροη ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ διαφορετικών συστημάτων. Η λειτουργιά τους επιτυγχάνεται με συνδυασμένα κυκλώματα που περιλαμβάνουν ελεγχόμενα η μη ελεγχόμενα ημιαγωγιμα διακοπτικα στοιχεία. Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναφέρουμε τις κατηγορίες μετατροπέων ισχύος και θα αναλύσουμε τις δυο πιο συχνά απαντούμενες κατηγορίες στα μικροδίκτυα, τον ανυψωτή τάσης Boost( DC-DC) και τον μετατροπέα τάσης Inverter (DC-AC). 5.2 Κατηγοριοποίηση μετατροπέων Η μονάδα που μετατρέπει την συνεχή τάση του/των Φ/Β πλαισίων σε μονοφασική εναλλασσόμενη έτσι ώστε να είναι εφικτή η διασύνδεση του Φ/Β συστήματος και του ηλεκτρικού δικτύου χαμηλής τάσης των αστικών περιοχών, είναι ένας ελεγχόμενος ηλεκτρονικός μετατροπέας. Η επιλογή της κατάλληλης τοπολογίας μετατροπέα, επηρεάζει την αποδοτικότητα του όλου συστήματος αλλά και το συνολικό του κόστος. Ανάλογα με τον αριθμό των βαθμίδων από τις οποίες απαρτίζεται ο αντιστροφέας μπορεί να γίνει η εξής κατηγοριοποίηση: Μετατροπείς μίας βαθμίδας

79 Σε αυτές τις διατάξεις ο μετατροπέας είναι ένας κλασσικός αντιστροφέας που μετατρέπει την συνεχή τάση του Φ/Β πλαισίου σε εναλλασσόμενη. Ο παραπάνω μετατροπέας μπορεί να είναι ένας αντιστροφέας είτε μισής (half-bridge), είτε πλήρους (full-bridge) γέφυρας, του οποίου η τάση κατά κανόνα φιλτράρεται και στην συνέχεια ανυψώνεται με μετασχηματιστή σιδήρου, ώστε να επιτευχθεί η σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Η χρήση Μ/Σ σιδήρου έχεις ως αποτέλεσμα την αύξηση του όγκου και του βάρους του μετατροπέα με άμεση συνέπεια να οδηγούμαστε σε περιορισμό της πυκνότητας ισχύος. Επιπλέον από τη στιγμή που οι απώλειες σιδήρου του μετασχηματιστή εξαρτώνται αποκλειστικά από την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης (η οποία είναι σταθερή και ίση με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου) ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα μειώνεται σημαντικά για συνθήκες μειωμένης ηλιακής ακτινοβολίας. Για την εξάλειψη αυτών των προβλημάτων έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία μετατροπείς μιας βαθμίδας οι οποίοι χρησιμοποιώντας είτε υψίσυχνο Μ/Σ είτε λύσεις χωρίς Μ/Σ (συνεπώς και χωρίς γαλβανική απομόνωση) επιτυγχάνουν μεγάλη πυκνότητα ισχύος. Ο έλεγχός των μετατροπέων αυτής της κατηγορίας είναι σχετικά πολύπλοκος μιας και μόνο ένας ελεγκτής αναλαμβάνει τόσο τον έλεγχο του μετατροπέα όσο και τους ελέγχους ανίχνευσης του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (M.P.P.T. έλεγχος) και ανίχνευσης του φαινομένου νησίδας. Από την άλλη πλευρά ο μικρός αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων που απαιτούνται για την κατασκευή τους, μειώνει το κόστος τους και αυξάνει την αξιοπιστία τους. Ένα επιπλέον σημείο που χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή είναι η έντονη κυμάτωση που παρουσιάζουν οι μετατροπείς αυτής της κατηγορίας. Για την ορθότερη εφαρμογή ενός M.P.P.T. ελέγχου σε ένα Φ/Β σύστημα θα πρέπει η κυμάτωση του ρεύματος εισόδου να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Η ουσιαστική μείωση της κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου απαιτεί την χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας αυξάνοντας έτσι το κόστος και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του όλου συστήματος.

80 Το πρόβλημα αυτό μπορεί να περιοριστεί με χρήση ενεργών φίλτρων που αναλαμβάνουν εξολοκλήρου να απαλείψουν την αρμονική των 100Hz του ανορθωμένου ημιτονικού ρεύματος Μετατροπείς δύο βαθμίδων Εδώ ο μετατροπέας αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (boost, buck-boost, forward, push-pull), οποίος ανυψώνει την τάση σε σταθερή πρακτικά τιμή, ώστε στην επόμενη βαθμίδα, δηλαδή στον αντιστροφέα, να επιτευχθεί, με την βοήθεια ενός κατωδιαβατού φίλτρου, η ημιτονοειδής μορφή του ρεύματος προκειμένου να υλοποιηθεί η διασύνδεση με το δίκτυο. Αυτό υλοποιείται ελέγχοντας τον αντιστροφέα με παλμούς PWM. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα ο μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε συνεχή να δίνει στην έξοδό του ανορθωμένο ημιτονικό ρεύμα και έπειτα ο αντιστροφέας, που οδηγείται από τετραγωνικούς παλμούς, να χρησιμοποιείται προκειμένου να δημιουργηθεί η εναλλασσόμενη συνιστώσα. Σε αντίθεση με τους κλασικούς μετατροπείς μιας βαθμίδας, στην κατηγορία αυτή η χρήση υψίσυχνου πηνίου ή μετασχηματιστή αντί του Μ/Σ σιδήρου, έχει ως άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου και του βάρους της διάταξης. Δυστυχώς όμως, η ενέργεια που παράγεται από την φωτοβολταϊκή γεννήτρια μετασχηματίζεται δύο φορές (τόσο στο στάδιο ανύψωσης της τάσης, όσο και στο στάδιο προσαρμογής της παραγόμενης ενέργειας στις προδιαγραφές του ηλεκτρικού δικτύου). Επιπρόσθετα η ύπαρξη επιπλέον ημιαγωγικών στοιχείων αυξάνει τόσο τις διακοπτικές όσο και τις απώλειες αγωγής με άμεσο αποτέλεσμα τη μείωση του βαθμού απόδοσης. Τέλος, ο συνολικός έλεγχος του μετατροπέα κατανέμεται σε δύο ελεγκτές διευκολύνοντας κατά αυτόν το τρόπο το σχεδιασμό του κυκλώματος ελέγχου. Βέβαια η συνεργασία διαφορετικών βρόχων ελέγχου απαιτεί και γρήγορη απόκριση αυτών σε μεταβατικές καταστάσεις, αυξάνοντας έτσι το κόστος. Βέβαια στους μετατροπείς δύο βαθμίδων η εξάλειψη της κυμάτωση του ρεύματος εισόδου επιτυγχάνεται με χρήση πυκνωτών μικρότερης χωρητικότητας, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του όλου συστήματος ενώ παράλληλα μειώνεται το κόστος αυτού.

81 5.2.3 Μετατροπείς πολλαπλών βαθμίδων Στην τελευταία κατηγορία χρησιμοποιείται μεγάλο πλήθος εν σειρά συνδεδεμένων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή και ένας αντιστροφέα για την σύνδεση του Φ/Β συστήματος στο δίκτυο. Η χρήση πολλών βαθμίδων μετατροπής έχει όμως ορισμένα αρνητικά αποτελέσματα όπως το μεγάλο κόστος κατασκευής, το μικρό βαθμό απόδοσης λόγω των απωλειών στις ενδιάμεσες βαθμίδες και την επισφαλή απόκριση του όλου συστήματος σε μεταβατικές καταστάσεις λόγω των ανεξάρτητων βρόχων ελέγχου του κάθε μετατροπέα. Πλεονεκτήματα των μετατροπέων αυτών είναι η εξαφάνιση της χαμηλόσυχνης ταλάντωσης του ρεύματος εισόδου του μετατροπέα με αποτέλεσμα την επίτευξη βέλτιστης ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Στο σχήμα παρακάτω παρουσιάζονται σχεδιαγράμματα των παραπάνω κατηγοριών. Σχημα5.1: Γενικευμένη κυκλωματική αναπαράσταση τοπολογιών μετατροπέων για Φ/Β πλαίσια Ε.Ρ. (α) μιας βαθμίδας με ή χωρίς τη χρησιμοποίηση μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης, (β) δύο βαθμίδων, (γ) πολλαπλών βαθμίδων

82 5.3 Σύστημα Ελέγχου του Μετατροπέα Μολονότι η τάση και το ρεύμα που μπορεί να δώσει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι συνεχή μεγέθη, σε αντίθεση με τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές, που διατηρούν περίπου σταθερή τάση στην περιοχή της κανονικής τους λειτουργίας, η τάση των φωτογεννητριών μεταβάλλεται μη γραμμικά συναρτήσει της εντάσεως που παρέχουν στο εξωτερικό κύκλωμα, στην περίπτωση που η ακτινοβολία ή η θερμοκρασία περιβάλλοντος μεταβληθεί. Εξαιτίας λοιπόν αυτής της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν οι φωτογεννήτριες, απαιτείται δραστικός έλεγχος των μετατροπέων ώστε στις εκάστοτε συνθήκες ακτινοβολίας να αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο η μέγιστη δυνατή ηλεκτρική ισχύς. Ο έλεγχος αυτός είναι γνωστός ως ανίχνευση του σημείου λειτουργίας μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (διεθνή ορολογία M.P.P.T.). Για την άρτια λειτουργία ενός διασυνδεδεμένου με το δίκτυο Φ/Β συστήματος θα πρέπει το κύκλωμα ελέγχου του μετατροπέα να μπορεί να αντεπεξέρχεται σε μεταβατικές καταστάσεις, όπως αυτή του φαινομένου «νησίδας» (islanding). Το φαινόμενο αυτό λαμβάνει χώρα στην περίπτωση μιας ενδεχόμενης διακοπής του ηλεκτρικού δικτύου και μπορεί να επιφέρει καταστροφικά αποτελέσματα τόσο στον ίδιο τον μετατροπέα όσο και στους συντηρητές του ηλεκτρικού δικτύου. Για τον έλεγχο των αντιστροφέων που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν παρουσιασθεί πολλές τεχνικές παλμοδότησης στη διεθνή βιβλιογραφία. Όλες όμως μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, όπως φαίνεται και στο σχήμα. Σε αυτές που αναγκάζουν τον μετατροπέα να συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος και σε αυτές που τον οδηγούν να συμπεριφερθεί ως πηγή τάσης. Όταν ένας αντιστροφέας συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος, κύριο ζητούμενο είναι να εξασφαλιστεί στην έξοδο του, ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, συχνότητας 50 Hz και συμφασικό με την τάση του δικτύου.

83 Αντίθετα στη δεύτερη κατηγορία, επιδιώκεται η επίτευξη ημιτονοειδούς μορφής τάσης στην έξοδο του μετατροπέα, συχνότητας 50Ηz. Επίσης, η τάση στην έξοδο του μετατροπέα θα πρέπει να προπορεύεται της βασική αρμονική του εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δικτύου προκειμένου να έχουμε μεταφορά ενεργού ισχύος προς το τελευταίο. Ο λόγος για τον οποίο οι τεχνικές παλμοδότησης της πρώτης κατηγορίας απολαμβάνουν μεγαλύτερης απήχησης από ότι της δεύτερης είναι ότι στην περίπτωση δημιουργίας βραχυκυκλώματος, ο έλεγχος ρεύματος περιορίζει τη μέγιστη τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης, ενώ αντίθετα στις περιπτώσεις που εφαρμόζεται έλεγχος τάσης η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης λαμβάνει ανεξέλεγκτα μεγάλη τιμή. Σχήμα 5.2 : Ποσοστό έλεγχου σε ρεύμα και τάση 5.4 DC-DC και DC-AC Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Ισχύος Λέγοντας μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (Μετατροπείς Σ.Τ.-Σ.Τ. - DC-DC Converters) εννοούµε κάποιες διατάξεις οι οποίες περιέχουν πάντα έναν τουλάχιστον ελεγχόµενο ηµιαγωγικό διακόπτη και μετατρέπουν τη συνεχή τάση εισόδου τους σε συνεχή τάση διαφορετικής τιµής και ενίοτε και πολικότητας στην έξοδό τους. Αυτοί οι μετατροπείς συνήθως αποκαλούνται και µε τον όρο τροφοδοτικά,

84 αφού η πιο συνήθης εφαρμογή τους είναι στην τροφοδοσία αναλογικών και ψηφιακών συστηµάτων. Άλλες εφαρμογές αυτών των μετατροπέων είναι στη φόρτιση συσσωρευτών, στον έλεγχο µηχανών συνεχούς ρεύµατος, στα συστήµατα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος κ.α. Οι τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί, µέχρι σήµερα, για την κατασκευή και τον έλεγχο των τροφοδοτικών ισχύος, χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες : 1 Στην τεχνική των γραµµικών τροφοδοτικών. Η τεχνική αυτή συνίσταται στο ότι το ηµιαγωγικό στοιχείο του μετατροπέα λειτουργεί στην ενεργό (δηλαδή, στη γραµµική) περιοχή, επομένως, συμπεριφέρεται σαν ρυθμιζόμενη αντίσταση και η πτώση τάσεως που εμφανίζει στα άκρα του καθορίζει την τιµή της τάσης στην έξοδο του µετατροπέα. 2 Στην τεχνική των διακοπτικών τροφοδοτικών. Η τεχνική των διακοπτικών τροφοδοτικών συνίσταται στο ότι το ηµιαγωγικό στοιχείο του μετατροπέα λειτουργεί ως διακόπτης, δηλαδή λειτουργεί είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής, και το ποσοστό του χρόνου αγωγής του στη διάρκεια µιας περιόδου λειτουργίας καθορίζει την τιµή της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Τα περισσότερα τροφοδοτικά είναι σχεδιασμένα για να ικανοποιούν όλες ή μερικές από τις παρακάτω απαιτήσεις : Σταθεροποιημένη έξοδο. Η τάση εξόδου πρέπει να παραμένει σταθερή ως προς τις μεταβολές της τάσης εισόδου και του φορτίου στην έξοδο, μέσα σε ορισμένα όρια. Απομόνωση. Η έξοδος πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένη από την είσοδο. Πολλαπλές έξοδοι. Πρέπει να υπάρχουν πολλαπλές έξοδοι (θετικές και αρνητικές), οι οποίες πρέπει να διαφέρουν ως προς τις

85 προδιαγραφές τάσης και ρεύματος. Αυτές οι έξοδοι πρέπει να είναι απομονωμένες μεταξύ τους. Εκτός από τις παραπάνω απαιτήσεις, κοινή επιδίωξη σήμερα σ' αυτά τα κυκλώματα είναι η μείωση του όγκου και του βάρους τους, καθώς και η αύξηση της απόδοσής τους. Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν τα γραμμικά τροφοδοτικά. Η εξέλιξη, όμως, της τεχνολογίας των ημιαγωγών και ουσιαστικά η εμφάνιση των MOSFET ισχύος (στις αρχές της δεκαετίας του '80), είναι οι κύριοι παράγοντες που συνέβαλαν στην ευρεία χρήση των διακοπτικών τροφοδοτικών, που παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα γραμμικά τροφοδοτικά. Σημειώνουμε ότι, στη παγκόσμια αγορά των τροφοδοτικών τα παλμοτροφοδοτικά (δηλαδή, τα διακοπτικά τροφοδοτικά) κατέχουν το 70-80% της αγοράς. Σε αντίθεση με τα γραμμικά τροφοδοτικά, στα διακοπτικά τροφοδοτικά ο έλεγχος της τάσης εξόδου επιτυγχάνεται με τη χρήση μετατροπέων Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή Τάση (DC-DC Converters).Οι διακοπτικοί μετατροπείς Συνεχούς Τάσης σε Συνεχή Τάση (DC-DC Converters) είναι οι εξής: a) Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (BUCK). b) Μετατροπέας ανύψωσης τάσης (BOOST). c) Μεικτός (υποβιβασμού-ανύψωσης τάσης) μετατροπέας (BUCKBOOST) d) Μετατροπέας του CUK. e) Μετατροπέας με πλήρη γέφυρα. Από αυτούς τους πέντε μετατροπείς DC-DC, μόνο οι μετατροπείς υποβιβασμού και ανύψωσης της τάσης είναι οι βασικές τοπολογίες. Τόσο ο μικτός όσο και ο μετατροπέας του CUK είναι συνδυασμοί των δυο βασικών τοπολογιών. Ο μετατροπέας με πλήρη γέφυρα προκύπτει από το μετατροπέα υποβιβασμού τάσης. Τα κυκλώματα αυτά χρησιμοποιούν ένα τουλάχιστον ημιαγωγικό διακόπτη, ο οποίος

86 βρίσκεται πάντα είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής. Για τον έλεγχο αυτών των μετατροπέων χρησιμοποιούνται κυρίως δύο τεχνικές ελέγχου: 1) Η τεχνική της Διαμόρφωσης του Εύρους των Παλμών (Pulse Width Modulation Ρ.W.Μ.). 2) Η τεχνική της Διαμόρφωσης της Συχνότητας των Παλμών ( Pulse Frequency Modulation - P.F.M.). Η τεχνική της Διαμόρφωσης του Εύρους των Παλμών συνίσταται στο να διατηρούμε σταθερή τη συχνότητα έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων (δηλαδή τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα) και να μεταβάλλουμε το χρόνο αγωγής (επομένως και το χρόνο αποκοπής) των ημιαγωγικών στοιχείων. Παρατηρούμε λοιπόν ότι, με διακοπή του ρεύματος ισχύος, εξαιτίας της λειτουργίας του ημιαγωγικού διακόπτη, λαμβάνουμε ως αποτέλεσμα ένα παλμικό ρεύμα και μία παλμική τάση, η οποία στη συνέχεια εξομαλύνεται με σκοπό να πάρουμε την επιθυμητή τιμή της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Η τεχνική της "Διαμόρφωσης της Συχνότητας των Παλμών συνίσταται στο να διατηρούμε σταθερό το χρόνο αγωγής ή αποκοπής του ημιαγωγικού στοιχείου (εξαρτάται από είδος του μετατροπέα, ποιος από τους δύο χρόνους θα πρέπει να παραμένει σταθερός) και να μεταβάλλουμε τον χρόνο αποκοπής ή αγωγής (ανάλογα), άρα και τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα για να πάρουμε την επιθυμητή έξοδο Boost Μετατροπέας (Ανύψωσης Τάσης) Ο Βoost μετατροπέας επιτυγχάνει ανύψωση τάσης εξόδου σε σχέση με την εφαρμοζόμενη τάση στην είσοδο. O μετατροπέας Β είναι ένας

87 DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης. Ο μετατροπέας πρέπει να διατηρεί την τάση εξόδου του σταθερή σε μία τιμή τέτοια ώστε η επόμενη βαθμίδα (αντιστροφέας DC-AC) να μπορεί να δίνει AC τάση 230 Vrms, 50Hz δουλεύοντας στην γραμμική περιοχή διαμόρφωσης. Στο παρακάτω σχήμα δίνουμε το σχήμα του απλού Boost(step-up) : Σχήμα5.3: Boost μετατροπέας (DC-DC) Για την ανάλυση της λειτουργιάς του, στην μόνιμη κατάσταση, θεωρούμε τα ημιαγωγιμα στοιχεία ιδανικά (δλδ. μηδενικοί χρόνοι έναυσης και σβέσης, μηδενικές απώλειες αγωγής, μηδενική πτώση τάσης κτλ.). Επίσης το πηνίο εξομάλυνσης και ο πυκνωτής εξόδου θεωρείται ότι έχουν σχετικά μεγάλες τιμές επαγωγής και χωρητικότητας, αντίστοιχα. Τέλος, θεωρούμε πως χρησιμοποιείται η PWM τεχνική για τον διακόπτη (ημιαγώγιμα στοιχείο) η οποία έχει κβάντο χρόνου (duty cycle) Τ και λόγο κατάτμησης (duty ratio) συμβολίζουμε το χρόνο αγωγής.

88 Σχήμα 5.4 : α) λειτουργικό διάγραμμα για την παραγωγή παλμών ελέγχου σύμφωνα με την τεχνική της PWM β) σήματα συγκριτή. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, απομονώνοντας έτσι το στάδιο εξόδου (πυκνωτή και φορτίο). Η είσοδος τροφοδοτεί το πηνίο, το οποίο αποθηκεύει ενέργεια. Όταν ο διακόπτης ανοίξει, η έξοδος αρχίζει να τροφοδοτείται με ενέργεια από το πηνίο (το οποίο αρχίζει να εκφορτίζεται ) άλλα και την είσοδο. Σε αυτό το σημείο, διακρίνουμε δυο καταστάσεις λειτουργίας του μετατροπέα ανάλογα με το αν το ρεύμα του πηνίου προλαβαίνει να μηδενιστεί η όχι, πριν ο διακόπτης ξανακλείσει. Η κατάσταση για τη οποία το ρεύμα του πηνίου δε μηδενίζεται ποτέ, ονομάζεται συνεχής αγωγή ενώ η κατάσταση κατά την οποία παρατηρείται μηδενισμός του i L ονομάζεται ασυνεχής αγωγή.

89 Σχήμα5.5: Kύκλωμα μετατροπέα Boost με κλειστό και ανοιχτό διακόπτη DC-AC Inverter (Aντιστροφέας ΣΤ-ΕΤ) Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα διασυνδεδεμένο με το δίκτυο για να μπορεί να διοχετεύει την ισχύ του σε αυτό, είναι απαραίτητο να μπορεί να μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του σε εναλλασσόμενη με χαρακτηριστικά ίδια με αυτά του δικτύου, ώστε να μη δημιουργεί πρόβλημα στη λειτουργία του δικτύου και στη ποιότητα ισχύος που αυτό παρέχει. Την μετατροπή αυτή επιτυγχάνουμε μέσω του αντιστροφέα (Inverter) ή DC-AC Converter. Το μειονέκτημα των περισσότερων αντιστροφέων είναι ότι έχουν πολύ μικρή απόδοση ή δεν λειτουργούν καθόλου όταν η ισχύς εισόδου τους είναι πολύ μικρότερη της ονομαστικής ισχύος τους (της τάξης του 10%). Για ισχύεις πάνω από 5KW συνηθίζεται η χρήση τριφασικών αντιστροφέων. Τα χαρακτηριστικά που θέλουμε να επιτύχουμε στην έξοδο του αντιστροφέα είναι ημιτονοειδής ισχύς εξόδου σταθερού πλάτους, σταθερής συχνότητας και χωρίς απώλειες. Συνήθως για τη μετατροπή αυτή χρησιμοποιούμε ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος σαν διακόπτες όπως τρανζίστορ ή θυρίστορ. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούμε έχουν την ιδιότητα να άγουν ή όχι ανάλογα με το αν τους δίνεται παλμός έναυσης από κάποιο ανεξάρτητο λογικό κύκλωμα ενώ η σβέση τους μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με παλμούς (τρανζίστορ) είτε κάτω από ειδικές συνθήκες όπου το ρεύμα που διαρρέει το διακόπτη μηδενίζεται για κάποιο χρονικό διάστημα (θυρίστορ).

90 Τα στοιχεία αυτά ανοιγοκλείνουν ανά ομάδες και για χρόνο μιας ημιπεριόδου, με μια συχνότητα ίση με την διπλάσια της συχνότητας του δικτύου (f=50ηz) ή περίοδο Τ=1/2f=0.01 sec. Σχήμα5.6: Τριφασικός αντιστροφέας γέφυρας(visio) Όπως βλέπουμε ο αντιστροφέας αυτός αποτελείται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία S 1 έως S 6 (μπορεί να ανήκουν σε έναν από τους τύπους που αναφέρθηκαν στην εισαγωγή) και έξι διόδους ελεύθερης διέλευσης D 1 έως D 6 που συνδέονται αντιπαράλληλα με αυτά. Η είσοδός του τροφοδοτείται από μια συνεχή τάση που μπορεί να προέρχεται είτε από μια πηγή συνεχούς τάσης V dc (π.χ. φωτοβολταϊκές συστοιχίες, μπαταρίες κτλ.) είτε από κάποια ανορθωτική διάταξη. Παράλληλα με την πηγή συνεχούς τάσης στην είσοδο παρατηρούμε ότι υπάρχει ένας χωρητικό στοιχείο (πυκνωτής). Σε πολλές περιπτώσεις και έτσι όπως είναι πιο συνηθισμένο υπάρχει ένας χωρητικός καταμεριστής που αποτελείται από δύο όμοιους πυκνωτές και στα άκρα του καθενός υπάρχει τάση ίση με το μισό της τάσης εισόδου(v dc /2) ενώ στην δική μας περίπτωση ο αντιστροφέας έχει στα άκρα του πυκνωτή V dc. Στόχος του χωρητικού καταμεριστή είναι η δημιουργία ενός κόμβου αναφοράς που είναι χρήσιμο για τη μέτρηση των τάσεων εξόδου του αντιστροφέα (σημειώνεται πως η ύπαρξη του κόμβου αυτή δεν είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του αντιστροφέα και έτσι ο καταμεριστής μπορεί να παραλειφθεί όπως στο σχήμα παραπάνω).

91 Ουσιαστικά το κύκλωμα του αντιστροφέα αποτελείται από τρείς κλάδους (ημιγέφυρες) με δύο ημιαγωγικά στοιχεία ο καθένας και μέσω του κατάλληλου χειρισμού αυτών (αγωγή και σβέση των ημιαγωγικών διακοπτών) επιτυγχάνουμε την επιθυμητή τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες που μπορεί να υλοποιηθεί ένας αντιστροφέας. Η απλή τοπολογία παρουσιάζει υψηλό βαθμό απόδοσης αλλά η κυματομορφή και η σταθεροποίηση της τάσης εξόδου δεν είναι αποδεκτή για τις περισσότερες εφαρμογές. Τα μειονεκτήματα αυτά μπορούν να εξαλειφθούν εν μέρει με τη βοήθεια φίλτρων τα οποία όμως έχουν μεγάλο όγκο και κόστος. Ένας αντιστροφέας πρέπει να εκτελεί τρεις λειτουργίες που είναι α) αντιστροφή, β) ρύθμιση της τάσης και γ) διαμόρφωση της κυματομορφής. Εδώ έχουμε τρία ημίτονα αναφοράς ένα για κάθε φάση μετατοπισμένα κατά 120 μοίρες μεταξύ τους, όπως στο παρακάτω σχήμα, όπου επίσης φαίνεται το τριγωνικό σήμα, οι φασικές τάσεις και η πολική τάση Vab που προκύπτουν με την ημιτονοειδή PWM μέθοδο:

92 Σχήμα 5.7: (α) Ημίτονα αναφοράς και τριγωνικά σήματα, (β) φασικές και πολική τάση τριφασικού αντιστροφέα

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΣΧΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ 6.1 Εισαγωγή Τα μικροδίκτυα απαιτούν εκτεταμένο έλεγχο για να επιτύχουν ασφάλεια του συστήματος, βέλτιστη λειτουργία, μειωμένες εκπομπές ρύπων και ομαλή μετάβαση από τη συνδεδεμένη με το δίκτυο κατάσταση λειτουργίας στην αποσυνδεδεμένη, χωρίς παραβίαση των προδιαγραφών και των απαιτήσεων του ρυθμιστή του συστήματος. Αυτός ο έλεγχος παρέχεται από τον κεντρικό ελεγκτή (Central Controller (CC)) και τους εξειδικευμένους ελεγκτές των μικροπαραγωγών και των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας (Microsource Controller (MC)). Όπως δηλώνει και το όνομά τους, οι MCs διεξάγουν τον τοπικό έλεγχο των λειτουργιών των μικροπαραγωγών. Ο CC εκτελεί το συνολικό έλεγχο της λειτουργίας του μικροδίκτυου και της προστασίας μέσω των MC. Η κύρια λειτουργία του CC είναι να διατηρεί την αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος μέσω του ελέγχου ισχύος-συχνότητας (P-f control), του ελέγχου της τάσης (Q-V control) και του συντονισμού της προστασίας. Επίσης εκτελεί τον προγραμματισμό οικονομικής λειτουργίας των μικροπαραγωγών και βοηθάει στη διατήρηση της εισαγόμενης ισχύος από το κύριο δίκτυο εντός των συμφωνηθέντων τιμών. Έτσι, ο CC όχι μόνο συντονίζει το σύστημα προστασίας για ολόκληρο το μικροδίκτυο, αλλά παρέχει και τα σημεία λειτουργίας τάσης και ισχύος για τους MC, ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των καταναλωτών. Επομένως, ο CC εξασφαλίζει την ενεργειακή βελτιστοποίηση του μικροδίκτυου και διατηρεί την ονομαστική συχνότητα και το προφίλ της τάσης για τα ηλεκτρικά φορτία. Αυτός ο ελεγκτής είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί αυτόματα, αλλά να δέχεται και παρέμβαση από τον χειριστή όταν κρίνεται απαραίτητο. Παρακολουθεί συνεχώς τη λειτουργία των MC μέσω δύο εφαρμογών, της εφαρμογής διαχείρισης ενέργειας (Energy

94 Manager Module (EMM)) και της εφαρμογής συντονισμού της προστασίας (Protection Coordination Module (PCM)). 6.2 Ανάγκες Διαχείρησης του Μικροδικτύου Οι ανάγκες διαχείρισης του μικροδίκτυου καλύπτονται κυρίως από το EMM υποστηριζόμενο από το PCM και μεμονωμένους MCs. Ο EMM διεξάγει έλεγχο της παραγωγής των μικροπαραγωγών, έλεγχο των οικιακών διεργασιών (όπως κλιματισμό), βελτιστοποίηση θέρμανσης και ψύξης του νερού και έλεγχο της διαδικασίας αποθήκευσης ενέργειας, διατηρώντας την ποιότητα ισχύος και παρέχοντας βοηθητικές τοπικές υπηρεσίες. Σε πρώτο στάδιο, ο EMM πραγματοποιεί τους βασικούς ελέγχους και σταδιακά μπορεί να επεκταθεί σε πιο σύνθετους ελέγχους αξιοποιώντας τις ευφυείς ηλεκτρονικές συσκευές και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας ethernet. Η διαχείριση του μικροδίκτυου μέσω του ΕΜΜ πρέπει να εστιάζει στις παρακάτω περιοχές: i)έλεγχος της παραγωγής των μικροπαραγωγών. ii)έλεγχος οικιακών διαδικασιών. iii)αποθήκευση ενέργειας. iv)ρύθμιση και μετατόπιση φορτίου (load shifting). v)βοηθητικές υπηρεσίες. Οι ευφυείς ΕΜΜs του μέλλοντος θα πρέπει να έχουν μεγάλη ισχύ επεξεργασίας πληροφορίας, ευφυείς διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και επαρκή επικοινωνιακά δίκτυα για επικοινωνία με το γειτονικό εξοπλισμό. Αυτοί οι ΕΜΜs πρέπει επίσης να ενσωματώνουν αλγόριθμους ελέγχου που βασίζονται σε τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης (Artificial Intelligence (AI)).

95 Ακόμα, θα πρέπει να περιλαμβάνουν λειτουργίες απομακρυσμένης παρακολούθησης και ελέγχου, ώστε ο εξουσιοδοτημένος χειριστής να λαμβάνει τις απαραίτητες πληροφορίες για τις παραμέτρους ή τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος. Επίσης, θα πρέπει να παρέχουν λειτουργία χειροκίνητης παρέμβασης. Οι χειριστές θα έπρεπε να μπορούν να προγραμματίσουν τη βασική λειτουργία και τα σημεία αναφοράς για τις διάφορες διαδικασίες και να εισάγουν τους δικούς τους αλγόριθμους και μοντέλα, ανάλογα με τις απαιτήσεις των καταναλωτών, προσπερνώντας τις λειτουργίες του αυτόματου ελέγχου. Οι εξελιγμένες ΕΜΜs πρέπει να είναι ικανές για διαχείριση πληροφοριών, παρέχοντας οδηγίες λειτουργίας και σημεία αναφοράς στο χειριστή του συστήματος και λαμβάνοντας αυτόνομα αποφάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του συνολικού συστήματος. Επίσης πρέπει να παρακολουθούν την υποβάθμιση του εξοπλισμού και να ανακαλύπτουν λειτουργικά προβλήματα. Επιπρόσθετα, αυτοί οι ΕΜΜs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για: Παροχή μίας γενικής εποπτείας της διαδικασίας των συστημάτων ελέγχου. Εστίαση στην κατανάλωση ενέργειας. Ανάλυση των ευκαιριών εξοικονόμησης ενέργειας, ανάλογα με την ώρα της ημέρας, τις συνθήκες της διαδικασίας και τις καιρικές συνθήκες. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της κατανάλωσης ενέργειας των ηλεκτρικών φορτίων μιας περιοχής και να αξιοποιήσουν αυτά τα δεδομένα για την αξιολόγηση της απόδοσης του θερμικού εξοπλισμού υπό πλήρες και μερικό φορτίο. Από οικονομική άποψη, μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν για να βελτιστοποιήσουν αυτόματα την αξιοποίηση των μικροπαραγωγών και των συστημάτων αποθήκευσης, αξιοποιώντας τιμές αγοράς σε πραγματικό χρόνο για την ηλεκτρική ενέργεια και τα καύσιμα.

96 6.3 Ανάγκες Προστασίας του Μικροδικτύου Για ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία του αυτόνομου μικροδίκτυου, πρέπει να εξασφαλίζονται τα εξής: Το αυτόνομο μικροδίκτυο να έχει κατάλληλη γείωση. Οι συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στο μικροδίκτυο πρέπει να συμμορφώνονται με τις συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στη διασυνδεδεμένη λειτουργία. Πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος εντοπισμού σφάλματος που να μην εξαρτάται από το μεγάλο λόγο μεταξύ ρεύματος βραχυκυκλώματος και μέγιστου ρεύματος φορτίου, για να αντιμετωπίζεται το μικρό ρεύμα βραχυκυκλώματος στην αυτόνομη λειτουργία. Τεχνικές αντι-νησιδοποίησης πρέπει να εξετάζονται και αν χρειάζεται να τροποποιούνται, για να αποφεύγεται αστάθεια ή απώλεια του μικροδίκτυου από ευαίσθητες ρυθμίσεις (αντινησιδοποίηση). Οποιαδήποτε στρατηγική απόρριψης φορτίων που καθορίζεται από το δίκτυο στο μικροδικτύο, πρέπει να είναι προσεκτικά συντονισμένη. Ο σχεδιασμός ενός αξιόπιστου τρόπου προστασίας μικροπαραγωγών θα πρέπει να εξετάσει τα ακόλουθα θέματα, χρησιμοποιώντας εκτεταμένες δυναμικές προσομοιώσεις: 1) Καθορισμός αποδεκτών ανοχών προστασίας τάσης και συχνότητας για αυτόνομη λειτουργία του μικροδίκτυου. 2) Αξιολόγηση για το αν υπάρχει ανάγκη για αντι-νησιδοποιητική προστασία των ΔΠ και αν υπάρχει αυτή η προστασία, πώς μπορεί να απενεργοποιηθεί ή να παρακαμφθεί κατά την αυτόνομη λειτουργία.

97 3) Εξέταση αν οι εφαρμοζόμενες τεχνικές αντι-νησιδοποίησης μπορούν να οδηγήσουν σε αστάθεια τάσης και/ή συχνότητας, αν χρησιμοποιηθούν σε ένα αυτόνομο μικροδίκτυο. 4) Αξιολόγηση των αναγκών για τεχνικές απόρριψης φορτίων κατά τη μείωση της συχνότητας με σκοπό τη βελτίωση της αξιοπιστίας του μικροδίκτυου και συντονισμός τους με τα αντίστοιχα συστήματα του δικτύου. 6.4 Έλεγχος Μικροπαραγωγών μέσω των Microsource Controllers (MCς) Οι μικροπαραγωγές και οι συσκευές αποθήκευσης σε ένα μικροδίκτυο έχουν ενσωματωμένους MC για την ομαλή και ευέλικτη λειτουργία των συσκευών αυτών, ώστε να καλύπτουν τις απαιτήσεις των καταναλωτών και του δικτύου. Οι MC μπορούν να λειτουργήσουν με ή χωρίς παρέμβαση από τον CC και η λειτουργία τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος των συσκευών αποθήκευσης και των μικροπαραγωγών. Οι MC εξασφαλίζουν ότι: Νέες μικροπαραγωγές μπορούν να προστεθούν στο σύστημα χωρίς μεταβολές στην υπάρχουσα ρύθμιση του μικροδίκτυου. Το μικροδίκτυο μπορεί να συνδέεται/αποσυνδέεται από το δίκτυο με γρήγορο και ομαλό τρόπο. Η παραγωγή πραγματικής και άεργης ισχύος μπορεί να ελεγχθεί ξεχωριστά. Οι βυθίσεις τάσης και οι μη κανονικές καταστάσεις του συστήματος μπορούν να διορθωθούν. Τα σφάλματα μπορούν να αντιμετωπιστούν χωρίς την απώλεια της ευστάθειας. Τα βασικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού ενός MC είναι:

98 i)δεν πρέπει να υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των μικροπαραγωγών χωρίς την παρέμβαση του CC. Κάθε MC αποκρίνεται αποτελεσματικά στις μεταβολές του συστήματος χωρίς να χρειάζεται δεδομένα από τους άλλους MCs. ii)ο MC μπορεί να προσπερνά τις οδηγίες του CC εφόσον αυτές κρίνονται μη αποδεκτές για τη μικροπαραγωγή που ελέγχει ο MC. Οι ενσωματωμένες λειτουργίες ελέγχου του MC είναι: 1) Έλεγχος πραγματικής και άεργης ισχύος. 2) Έλεγχος τάσης. 3) Απαιτήσεις αποθήκευσης για γρήγορη ικανοποίηση του φορτίου. 4) Μοίρασμα φορτίου στις μικροπαραγωγές μέσω P-f ελέγχου. Οι ενσωματωμένες λειτουργίες θα πρέπει να εξασφαλίζουν ότι οι μικροπαραγωγές αναλαμβάνουν γρήγορα το μέρος του φορτίου που τους αναλογεί, όταν το μικροδίκτυο αποσυνδέεται από το κύριο δίκτυο. Οι MC πρέπει να διασφαλίζουν την απρόσκοπτη μεταγωγή από την διασυνδεδεμένη στην απομονωμένη κατάσταση λειτουργίας και αντίστροφα με την ελάχιστη διαταραχή και στα δύο συστήματα. 6.5 Έλεγχος Πραγματικής και Αέγου Ισχύος Οι μικροπαραγωγές μπορεί να είναι: Πηγές ΣΡ, όπως Φ/Β συστήματα, κυψέλες καυσίμου και μπαταρίες. Πηγές ΕΡ, όπως ανεμογεννήτριες και μικροστρόβιλοι. Για την πρώτη κατηγορία, η ΣΡ ισχύς μετατρέπεται σε ΕΡ ισχύ επιθυμητής συχνότητας, ενώ για τη δεύτερη κατηγορίας η ισχύς ΕΡ σε όχι τυπική συχνότητα ανορθώνεται αρχικά σε ΣΡ και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ΕΡ ισχύ επιθυμητής συχνότητας.

99 Η μετατροπή ΣΡ/ΕΡ και στις δύο περιπτώσεις πραγματοποιείται μέσω ενός αντιστροφέα πηγής τάσης (Voltage Source Inverter (VSI)). Κατά μία μέθοδο, για τον έλεγχο της ισχύος VSI χρησιμοποιούνται ελεγκτές στατισμού (droops) για την πραγματική ισχύ/συχνότητα και την άεργο ισχύ/τάση, Σχ. 6.1: f u f u 0 0 Δ f - 1 % Δ u - 4 % P P (α) N (β) Q Q Σχ. 6.1 Χαρακτηριστικές στατισμού (α) Συχνότητας. (β) Τάσης. Ενδεικτικές τιμές της κλίσης αυτών των χαρακτηριστικών είναι (0.5-2) Hz/puKVA και ( ) puv/pukvar, για το στατισμό της συχνότητας και της τάσης αντίστοιχα. Αυτοί οι έλεγχοι δρουν παρόμοια με αυτούς που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των συμβατικών στρεφόμενων γεννητριών στα μεγάλα ΣΗΕ και δεν απαιτούν συστήματα επικοινωνιών και/ή επιπλέον καλωδιώσεις. Ο κεντρικός έλεγχος παρέχει απλά τις βασικές παραμέτρους λειτουργίας για κάθε VSI, όπως συχνότητα αναφοράς f 0, τάση αναφοράς εξόδου u 0, κλίση στατισμού, κ.λ.π. Για τον έλεγχο των VSIs χρησιμοποιούνται οι τοπικές μεταβλητές του δικτύου τάση και συχνότητα. Οι VSIs συνδέουν τις μικροπαραγωγές στο δίκτυο μέσω των φίλτρων τους και των συνθέτων αντιστάσεων του δικτύου. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διαδικασίας ελέγχου είναι: i)εύκολη επέκταση του συστήματος. ii)αύξηση της διαθεσιμότητας του συστήματος και αποφυγή της εξάρτησης από τα συστήματα επικοινωνιών. iii)βελτιστοποίηση βασισμένη σε ένα σύστημα με ένα απλό ζυγό.

100 iv)απλοποιημένος κεντρικός έλεγχος με περισσότερες σύνθετες λειτουργίες ελέγχου να ανατίθενται στις συνιστώσες. Δύο VSIs συνδεδεμένοι παράλληλα φαίνονται στο Σχ. 6.2: V 1 L 1 L 2 V 2 V 1 δ V 2 (α) (β) Σχ. 6.2 VSIs συζευγμένοι μέσω επαγωγών: (α) Ισοδύναμο κύκλωμα. (β) Διάγραμμα παραστατικών μιγάδων. Οι επαγωγές σύζευξης L 1 και L 2 οφείλονται στα φίλτρα τους και την καλωδίωση σύνδεσής τους, ενώ στην έξοδό τους θεωρούμε μόνο την τάση στη θεμελιώδη συχνότητα (rms τιμή). Η πραγματική Ρ και άεργος Q ισχύς που μεταφέρονται μεταξύ των VSIs δίνονται από τις εξισώσεις: Η ροή πραγματικής ισχύος εξαρτάται από τη διαφορά των φασικών γωνιών των δύο τάσεων, ενώ η ροή της αέργου ισχύος εξαρτάται από τη διαφορά του μέτρου των δύο τάσεων. Τα μικροδίκτυα με μεγάλο αριθμό μικροπαραγωγών μπορεί να πάσχουν από τα μεγάλα άεργα κυκλικά ρεύματα ανάμεσα στις μικροπαραγωγές.

101 Στο κύριο δίκτυο τα ρεύματα αυτά περιορίζονται από τη μεγάλη εμπέδηση μεταξύ των γεννητριών, ωστόσο στην περίπτωση του μικροδίκτυου η εμπέδηση μεταξύ των μικροπαραγωγών είναι μικρή και μικρές διακυμάνσεις του μέτρου και της φασικής γωνίας των τάσεων μπορούν να δημιουργήσουν ρεύματα μεγαλύτερα των ονομαστικών ρευμάτων στις μικροπαραγωγές. Λόγω αυτής της ευαισθησίας ο έλεγχος των VSIs με σταθερή συχνότητα και τάση αποτυγχάνει. Υπάρχει πάντα μία μικρή διαφορά στα μέτρα των τάσεων λόγω ανακριβειών των αισθητήρων, των αναφορών, των επιδράσεων της θερμοκρασίας και της γήρανσης (περίπου 15%). Επίσης για τον υπολογισμό της διαφοράς των γωνιών των τάσεων χρησιμοποιείται το ολοκλήρωμα του σφάλματος της συχνότητας στο χρόνο και οι κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται για την αναφορά του χρόνου δεν είναι ταυτοτικοί. Λόγω των προαναφερθέντων προβλημάτων η παράλληλη λειτουργία των VSIs απαιτεί ακριβή έλεγχο με σύνθετους αλγορίθμους. Για την εξισορρόπηση της παραγωγής με τη ζήτηση στα μικροδίκτυα χρειάζεται μία ακριβής κατανομή της πραγματικής παραγωγής στις μικροπαραγωγές. Με τη χρήση ελεγκτών στατισμού υπάρχουν δύο δυνατότητες: P(f) και f(p), δηλαδή να μετρούμαι τη συχνότητα και να ορίζουμε την πραγματική ισχύ ή αντίστροφα. Παρόμοια δυνατότητα ισχύει και για έλεγχο V(Q) ή Q(V). 6.6 Εφαρμογή των χαρακτηριστικών στατισμού στον έλεγχο VSI Είναι δυνατή η απευθείας εφαρμογή των χαρακτηριστικών στατισμού στον έλεγχο VSI, κατά αναλογία με τον τρόπο εφαρμογής τους στις σύγχρονες στρεφόμενες γεννήτριες. Όμως σε μικροδίκτυα με μεγάλο αριθμό μικροπαραγωγών συνδεδεμένων μέσω VSIs δεν είναι εύκολή η ακριβής και συνεχόμενη μέτρηση της στιγμιαίας συχνότητας, ώστε μέσω της χαρακτηριστικής στατισμού να καθορίζεται η απαιτούμενη πραγματική ισχύς του VSI. Είναι ευκολότερη η μέτρηση της πραγματικής ισχύος και ο καθορισμός της συχνότητας του VSI από την καμπύλη

102 στατισμού. Επίσης, επειδή όπως αναφέρθηκε ο έλεγχος σταθερής τάσης δημιουργεί λειτουργικά προβλήματα και πιθανές απαιτήσεις άεργου ισχύος εκτός των δυνατοτήτων των VSIs, είναι πρακτικότερη η μέτρηση της άεργης ισχύος και ο καθορισμός της τάσης εξόδου του VSI από την καμπύλη στατισμού. Για αρνητική κλίση Κ των χαρακτηριστικών στατισμού και pu τιμές των μεταβλητών, οι υπολογισμοί γίνονται από τις εξισώσεις:,όπου Δ είναι η μεταβολή της μεταβλητής από την τιμή αναφορά της. u u u i i i a b c a b c P Q P Q P o _ ΔΡ Q _ o Q K K f u Δ f u f o u f Δδ u u Αναζήτηση ισχύος Αποσύ - ζευξη Χαρακτηριστικές στατισμού Επιθυμητή τάση Σχ. 6.3 Στρατηγική ελέγχου βασισμένη στη μέτρηση ισχύων. Στο Σχ. 3.3 δείχνεται το παραστατικό διάγραμμα του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου. Από τις στιγμιαίες τιμές της ΕΡ τριφασικής τάσης και ρεύματος στο ορθογώνιο «αναζήτηση ισχύος» υπολογίζονται οι τιμές της πραγματικής, Ρ και άεργου, Q ισχύος. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται μίας πρώτης τάξης καθυστέρηση, στο ορθογώνιο «αποσύζευξη», για να επιτύχουμε αποσύζευξη των δύο βρόχων ελέγχου. Αυτή η καθυστέρηση μπορεί να εισαχθεί και μέσω των φίλτρων μέτρησης των ισχύων. Επίσης αυτή η καθυστέρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό του χρόνου μέσα στον οποίο

103 αλλάζουν η συχνότητα και η τάση του VSI σε σχέση με τις αλλαγές των ισχύων. Στη συνέχεια έχουμε την εφαρμογή των ελέγχων στατισμού, στο ορθογώνιο «χαρακτηριστικές στατισμού», όπου η πραγματική ισχύς προσδιορίζει τη συχνότητα και η άεργος ισχύς προσδιορίζει το μέτρο της τάσης. Επίσης, για τη βελτίωση της ευστάθειας του συστήματος εισάγεται μία διόρθωση της φασικής γωνίας της τάσης, από το χρονικό ολοκλήρωμα της διακύμανσης της συχνότητας. Έτσι στο τελικό ορθογώνιο «επιθυμητή τάση» προσδιορίζεται η επιθυμητή τάση εξόδου του VSI. 6.7 Επίδραση των παραμέτρων της γραμμής στον ελεγκτή VSI με χαρακτηριστικές στατισμού Στον Πίνακα 6.1 δίνονται τυπικές τιμές για τις παραμέτρους γραμμών, R, X και ονομαστικά ρεύματα, για γραμμές ΥΤ, ΜΤ και ΧΤ. Από τον πίνακα αυτόν προκύπτει ότι ο επαγωγικός χαρακτήρας (δηλαδή μεγάλος λόγος επαγωγικής προς ωμική αντίσταση) των γραμμών ισχύει μόνο για τις γραμμές ΥΤ. Τύπος γραμμών R (Ω/Km) Χ (Ω/Km) Χ/R ΧΤ ΜΤ ΥΤ Πίνακας 6.1 Τυπικές παράμετροι γραμμών Η υπόθεση αυτή δεν ισχύει για γραμμές ΜΤ, ενώ για γραμμές ΧΤ ισχύει ακριβώς το αντίθετο, δηλαδή επικρατεί ο ωμικός χαρακτήρας των

104 γραμμών. Συνεπώς, η υπόθεση για επαγωγική σύζευξη πηγών τάσης (VSIs), που κάναμε στην προηγούμενη παράγραφο για τον έλεγχο των VSIs με τις χαρακτηριστικές στατισμού, ισχύει μόνο για γραμμές ΥΤ. R line V grid V VSI V grid δ V VSI (α) (β) Σχ. 6.4 VSI συζευγμένος ωμικά: (α) Ισοδύναμο κύκλωμα. (β) Διάγραμμα παραστατικών μιγάδων. Για γραμμές ΧΤ, δεχόμενοι το ισοδύναμο κύκλωμα του Σχ. 6.4, όπου ένας VSI συνδέεται στο δίκτυο (grid) μέσω αντίστασης, ισχύουν οι εξισώσεις: Όπως φαίνεται από τις παραπάνω εξισώσεις, στα δίκτυα διανομής (ΧΤ) η φασική διαφορά των τάσεων καθορίζει τη ροή άεργου ισχύος, ενώ η διαφορά των μέτρων των τάσεων καθορίζει τη ροή ενεργού ισχύος. Το πιθανό συμπέρασμα από την προηγούμενη παρατήρηση είναι ότι για γραμμή ΧΤ καταλληλότερες χαρακτηριστικές στατισμού είναι οι πραγματικής ισχύος/τάσης και άεργου ισχύος/συχνότητας, που θα ονομάζονται στη συνέχεια «χαρακτηριστικές αντίστροφου στατισμού»,

105 σε αντιδιαστολή με τις χρησιμοποιηθείσες «χαρακτηριστικές συμβατικού στατισμού». Όμως η χρήση της πραγματικής ισχύος για τον έλεγχο της τάσης θα είχε σημαντικές οικονομικές επιπτώσεις, γιατί θα άλλαζε τελείως την έννοια της οικονομικής κατανομής φορτίου στις παραγωγές. Επίσης θα χανόταν η συμβατότητα των στρεφόμενων γεννητριών στη ΧΤ με τις αντίστοιχες γεννήτριες του κύριου δικτύου. Ο σκοπός του ελέγχου άεργου ισχύος/τάσης είναι να περιορίζει τις ροές άεργου ισχύος στο δίκτυο ΧΤ. Η διατήρηση της τάσης εντός προδιαγραφών επιτυγχάνεται με κατάλληλη χωροταξική διευθέτηση των γραμμών ΧΤ και στην ουσία με τη λήψη μέτρων που αυξάνουν την επαγωγή των γραμμών, π.χ. με προσθήκη επαγωγών (chokes). Στον Πίνακα 6.2 συνοψίζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση του συμβατικού ή αντίστροφου στατισμού στα δίκτυα ΧΤ: Συμβατικός στατισμός Αντίστροφος στατισμός Συμβατότητα με δίκτυα ΥΤ ΝΑΙ ΟΧΙ Συμβατότητα με στρεφόμενες γεννήτριες ΝΑΙ ΟΧΙ Απευθείας έλεγχος τάσης ΟΧΙ ΝΑΙ Κατανομή πραγματικής ισχύος ΝΑΙ ΟΧΙ Πίνακας 6.2 Σύγκριση συμβατικού και αντίστροφου στατισμού σε δίκτυα ΧΤ Από τον πίνακα αυτόν προκύπτει ότι το μόνο πλεονέκτημα από τη χρήση του αντίστροφου στατισμού είναι ο απευθείας έλεγχος της τάσης. Όμως αν ελέγχονταν με αυτόν τον τρόπο η τάση, δεν θα ήταν

106 δυνατή η κατανομή της πραγματικής ισχύος στις μικροπαραγωγές. Κάθε φορτίο θα τροφοδοτούνταν από την πλησιέστερη μικροπαραγωγή. Επειδή αυτό γενικά δεν είναι δυνατόν, οι διακυμάνσεις της τάσης θα παρέμεναν κατά μήκος του δικτύου. Με το συμβατικό στατισμό επιτυγχάνουμε συμβατότητα με το κύριο δίκτυο και συμβατότητα μεταξύ των στρεφόμενων γεννητριών, ενώ έχουμε και επιτυχή κατανομή της πραγματικής ισχύος στις μικροπαραγωγές. Αλλά και οι διακυμάνσεις της τάσης κατά μήκος του δικτύου καθορίζονται από τη χωροταξική διευθέτηση των γραμμών, που σήμερα είναι τυποποιημένη. Αποδεικνύεται ότι με το συμβατικό στατισμό έχουμε ευσταθή λειτουργία και μπορεί να εφαρμοσθεί και στα δίκτυα ΧΤ, παρόλο που σε αυτά η άεργη ισχύς εξαρτάται κυρίως από τη φασική γωνία των τάσεων και έχουμε ισχυρή σύζευξη μεταξύ των δύο βρόχων ελέγχου. Φυσικά οι δύο βρόγχοι ελέγχου πρέπει να συνεργάζονται και η ευστάθειά τους εξαρτάται από την κλίση των χαρακτηριστικών στατισμού. Στην πράξη όμως για να έχουμε αποτελεσματική λειτουργία πρέπει κάπως να τροποποιήσουμε τη συμπεριφορά των VSIs και να οδηγηθούμε σε απόκριση του συστήματος με VSIs συζευγμένους επαγωγικά. Με άλλα λόγια πρέπει να αντιμετωπίσουμε την εξάρτηση της αποτελεσματικότητας του ελέγχου των VSIs από τη σύνθετη αντίσταση (impedance) της γραμμής. Για να γίνει αυτό, η μέθοδος της «φανταστικής σύνθετης αντίστασης» (fictitious impedance method) προτείνει την εισαγωγή μίας πλασματικής (φανταστικής) σύνθετης αντίστασης στην έξοδο ελέγχου των VSIs, όπως περιγράφεται στη συνέχεια. 6.8 Βελτίωση της ευστάθειας με χρήση της φανταστικής σύνθετης αντίστασης Με τη μέθοδο αυτή προστίθεται μία πτώση τάσης στην επιθυμητή τάση του VSI, που δημιουργείται από το σύστημα ελέγχου του Σχ. 6.3 και η νέα τάση είναι η επιθυμητή τάση του VSI. Η πτώση τάσης δημιουργείται από την εφαρμογή των ρευμάτων του VSI στη φανταστική σύνθετη

107 αντίσταση. Οι τιμές της φανταστικής σύνθετης αντίστασης εξαρτώνται από τις χαρακτηριστικές παραμέτρους του δικτύου και την επιθυμητή λειτουργική απόκριση του VSI. Με τη ρύθμιση αυτών των τιμών έχουμε ένα ευέλικτο τρόπο προσαρμογής του VSI στο δίκτυο και ουσιαστικά επιτυγχάνουμε την αποσύζευξη των βρόχων ελέγχου P/f και Q/V. Η φανταστική σύνθετη αντίσταση είναι μία πρόσθετη μεταβλητή ελέγχου, που το μέτρο και η γωνία της μπορούν να πάρουν οποιεσδήποτε επιθυμητές τιμές, χωρίς να συμβάλουν στις απώλειες του VSI, αφού η φανταστική σύνθετη αντίσταση εισάγεται μόνο για την εξυπηρέτηση του ελέγχου (στην ψηφιακή πραγματοποίηση του ελέγχου είναι ένας μιγαδικός πολλαπλασιαστής). Ενδεικτικές τιμές αυτής της αντίστασης είναι Ω (ένα μικρό μέρος αυτής είναι ωμικό), για ονομαστική ισχύ VSI 10 KW. Ένα γενικό διάγραμμα του προτεινόμενου ελέγχου δείχνεται στο Σχ Για να αποφύγουμε τις αρμονικές και τις ασυμμετρίες των ρευμάτων και των τάσεων, τα ρεύματα φιλτράρονται και χρησιμοποιείται μόνο η θετική ακολουθία τους, ενώ για τις τάσεις χρησιμοποιούνται οι επιθυμητές τιμές τάσεις που δημιουργεί το σύστημα ελέγχου. Ακολουθεί η περιγραφή του Σχ. 6.5 με περισσότερες λεπτομέρειες: Σχ. 6.5 Γενικό διάγραμμα ελέγχου με χρήση φανταστικής σύνθετης αντίστασης