ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Δ. ΓΡΥΠΑΙΟΥ Α.Μ.: 5950 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 322 Πάτρα, Νοέμβριος 2010 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ 26504 ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: +30.2610.996412 Τηλ: +30.2610.996415 Τηλ: +30.2610.996414 Fax: +30.2610.997362 E-mail e.c.tatakis@ece.upatras.gr
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Δ. ΓΡΥΠΑΙΟΥ Α.Μ.: 5950 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Επιβλέπων:Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο /2010 Πάτρα, Νοέμβριος 2010
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: " ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ " του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΓΡΥΠΑΙΟΥ του ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ (Α.Μ. 5950) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 15/11/2010 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2010 ΤΙΤΛΟΣ: "ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Γρυπαίος Παναγιώτης του Δημητρίου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αρχικά παραθέτουμε και συγκρίνουμε τις τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια βήμα προς βήμα θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Πιο συγκεκριμένα πέραν της ανάλυσης της ανεμογεννήτριας, παραθέτουμε στοιχεία για τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Κ.Περάκη, καθώς και μελετούμε τον μονοφασικό αντιστροφέα. Επιπρόσθετα, μελετούμε τη μέθοδο παλμοδότησης του μονοφασικού αντιστροφέα, που είναι γνωστή υπό τον όρο Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών (SPWM) τόσο με μονοπολική όσο και με διπολική τάση εξόδου. Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της αποτέλεσε η μελέτη και κατασκευή τμήματος του συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας 1kW με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε και προσομοιώθηκε ο μονοφασικός αντιστροφέας και οι μέθοδοι ελέγχου του καθώς και μονάδα ρύθμισης του ρεύματος εξόδου του και συγχρονισμού του με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα, θεωρήσαμε ακρογωνιαίο λίθο της παρούσας εργασίας την πραγμάτωση σε εργαστηριακό περιβάλλον του κυκλώματος του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας ισχύος 1kW. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 εξετάζεται σε γενικές γραμμές η φύση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ενώ παράλληλα παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Επιπρόσθετα, παρατίθεται μια διεξοδική και συγκριτική ανάλυση των ευρέως εφαρμοζόμενων τεχνολογιών και τοπολογιών Διασυνδεδεμένων Αιολικών Συστημάτων. Τέλος, παρουσιάζουμε μερικές εφαρμογές αιολικών συστημάτων που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στο κεφάλαιο 2 διενεργούμε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση των επιμέρους συστημάτων της υπό μελέτης διάταξης. Ξεκινώντας από το ανεμοκινητήριο σύστημα αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που διαθέτει το εργαστήριο και χρησιμοποιήθηκε. Εν συνεχεία προχωρούμε στη συνοπτική ανάλυση του μετατροπέα συνεχούς τάσης τύπου «Boost» και στη διεξοδική ανάλυση του μονοφασικού αντιστροφέα. Περιγράφουμε, επιπλέον, τις δυο σημαντικότερες μεθόδους Ημιτονοειδούς Διαμόρφωσης του Εύρους Παλμών (SPWM) για τον έλεγχο ενός μονοφασικού αντιστροφέα που είναι η μονοπολική και η διπολική τεχνική παλμοδότησης. Κλείνοντας το κεφάλαιο παρουσιάζουμε την θεωρητική ανάλυση του φίλτρου που θα χρησιμοποιηθεί καθώς και του μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύος και παραθέτουμε τη διαστασιολόγηση του συστήματος που μελετούμε. Στο κεφάλαιο 3 παραθέτουμε τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε για τη λειτουργία του αντιστροφέα χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες μεθόδους παλμοδότησης
Πρόλογος SPWM. Ακόμη, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αντιστροφέα με τη χρήση μετασχηματιστή στην έξοδό του και συνδεδεμένος με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο κεφάλαιο 4 αναλύουμε διεξοδικά τους τρόπους με τους οποίους σχεδιάζουμε το σύστημα ελέγχου των παλμών του αντιστροφέα. Αρχικά, μελετάμε τον αναλογικό ελεγκτή που θα παράγει το ημίτονο αναφοράς για την παραγωγή των παλμών με όλα τα μετρητικά του και στης συνέχεια την μονάδα του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήσαμε και που θα παράγει τους παλμούς τόσο με τη χρήση του αναλογικού ελεγκτή όσο και χωρίς αυτόν, αλλά με δικά του μετρητικά συστήματα. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τις πλακέτες που σχεδιάσαμε και μελετάμε τα στοιχεία που χρησιμοποιήσαμε για την κατασκευή της μονάδας του αντιστροφέα, της μονάδας του μικροελεγκτή, της μονάδας του αναλογικού ελεγκτή και των μετρητικών και τέλος της μονάδας τροφοδοσίας. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζουμε και αναλύουμε τα παλμογραφήματα που πήραμε από την πειραματική διάταξη που κατασκευάσαμε καθώς και τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε για την εύρεση της απόδοσης του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται η διαδικασία κατασκευής τυπωμένων κυκλωμάτων, ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, τα σχέδια των τυπωμένων πλακετών (PCB) καθώς και τας σχηματικά του αναλογικού ελεγκτή καθώς και τα φυλλάδια των κατασκευαστών των σημαντικότερων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο σημείο αυτό οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για τη συνολική αρωγή του κατά την περίοδο εκπόνησης της εν λόγω διπλωματικής εργασίας. Οι δεκάδες συναντήσεις και πολύωρες συζητήσεις μας, για όλα τα ανακύπτοντα ζητήματα, αποτέλεσαν στο παρελθόν και συνεχίζουν να αποτελούν για το παρόν και το μέλλον μια ιδανική πηγή έμπνευσης. Ευχαριστίες επίσης αρμόζουν στον Επίκουρο Καθηγητή Κωνσταντίνο Ευσταθίου για όλη τη πρακτική βοήθεια που απλόχερα μου παρείχε κατά τη διάρκεια εμφάνισης και αποχάλκωσης των πλακετών, στο συμφοιτητή μου Δημόπουλο Εμμανουήλ για την άψογη συνεργασία μας και στους Μεταπτυχιακούς φοιτητές του εργαστηρίου που με βοήθησαν χωρίς δισταγμό να αντιμετωπίσω τα διάφορα προβλήματα που παρουσιάστηκαν στο χώρο του εργαστηρίου. Τέλος οφείλω να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου για το σύνολο της πολύπλευρης στήριξης που μου παρείχαν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου.
Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΕ ΑΙΟΛΙΚΗ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 3 1.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ... 6 1.4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 10 1.5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ-ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 12 1.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 15 1.7 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ... 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ... 25 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ... 26 2.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ... 28 2.4 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΓΕΦΥΡΑΣ... 30 2.4.1 Ανάλυση μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας... 30 2.4.2 Διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου... 31 2.4.3 Διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου... 34 2.5 ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ... 36 2.6 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΣΤΗΣ... 37 2.7 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 3.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ... 43 3.1.1 Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με διπολική τάση εξόδου... 43 3.1.2 Προσομοίωση αντιστροφέα με SPWM με μονοπολική τάση εξόδου... 50 3.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ... 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ MOSFET 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗ ΤΩΝ MOSFET... 65 4.2 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΩΝ... 65
Πίνακας Περιεχομένων 4.2.1 Ρ - Ελεγκτής... 67 4.2.2 Ι Ελεγκτής... 68 4.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΕ ΤΟΝ ΕΛΕΓΚΤΗ dspic30f4011... 72 4.3.1 Το περιφερειακό Motor Control PWM... 73 4.3.2 Θύρες εισόδου - εξόδου... 79 4.3.3 Το περιφερειακό μετατροπής του Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (ADC).....80 4.3.4 Μετρητικά που χρησιμοποιήθηκαν για τον ψηφιακό έλεγχο... 82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ... 85 5.2 ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 85 5.2.1 Ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος... 85 5.2.2 Πυκνωτές στην είσοδο του αντιστροφέα... 87 5.3 ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΤΩΝ MOSFET... 87 5.3.1 Το ολοκληρωμένο HCPL-7611... 88 5.3.2 Το ολοκληρωμένο IR2113... 89 5.4 ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ... 91 5.5 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 92 5.6 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ... 96 5.6.1 Είσοδοι dspic30f4011... 97 5.6.2 Έξοδοι dspic30f4011... 98 5.7 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕΤΡΗΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ P.I. ΒΡΟΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ......101 5.7.1 Μετρητικά για τον ψηφιακό έλεγχο... 101 5.7.2 Αναλογικός P.I. ελεγκτής και μετρητικά του... 102 5.8 ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ... 106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ... 109 6.2 ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ... 110 6.2.1 Παλμοδότηση με SPWM με μονοπολική τάση εξόδου... 111 6.2.2 Παλμοδότηση με SPWM με διπολική τάση εξόδου... 115 6.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ... 121 6.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 126 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 129 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΤΥΠΩΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ... 131
Πίνακας Περιεχομένων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΚΩΔΙΚΕΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ... 137 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΣΧΕΔΙΑ ΠΛΑΚΕΤΩΝ... 141 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ... 153
Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η προσπάθεια του ανθρώπου για τη συνεχή άνοδο του βιοτικού του επιπέδου σε συνδυασμό με τη ραγδαία αύξηση του πληθυσμού της γης και την αλόγιστη σπατάλη και κακή χρήση των ενεργειακών αποθεμάτων του πλανήτη μας απειλούν να οδηγήσουν την ανθρωπότητα σε ένα μακρύ ενεργειακό χειμώνα. Σε μία προσπάθεια να συνειδητοποιήσουμε το μέγεθος της κατασπατάλησης των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων του πλανήτη μας αξίζει μόνο να σημειώσουμε ότι η ανθρωπότητα έχει δαπανήσει τα τελευταία εκατό χρόνια αποθέματα πρώτων υλών και πηγών ενέργειας, τα οποία αποταμιεύθηκαν κατά τη διάρκεια της μέχρι σήμερα ζωής του πλανήτη μας. Ένα χαρακτηριστικό αριθμητικό παράδειγμα, που αποδεικνύει την κατασπατάληση της ενέργειας που συντελείται από το σύγχρονο άνθρωπο, προκύπτει εάν αναλογιστούμε ότι, ενώ απαιτούνται κατά μέσο όρο 2500 Kcal ημερησίως για τη διατροφή ενός ενήλικα ανθρώπου, η κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας από το μέσο κάτοικο των ΗΠΑ υπερβαίνει τις 230.000 Kcal την ημέρα [17]. Σε αυτό το σημείο πρέπει να επισημάνουμε ότι αμέσως μετά τη δεύτερη ενεργειακή κρίση, στις αρχές της δεκαετίας του 1980, η διεθνής κοινότητα άρχισε να αναγνωρίζει το πεπερασμένο των παγκόσμιων αποθεμάτων των συμβατικών πηγών ενέργειας (κάρβουνο, πετρέλαιο, λιγνίτης, φυσικό αέριο, ουράνιο κ.α.) σε σύγκριση με την ανεξέλεγκτη αύξηση των ρυθμών κατανάλωσης ενέργειας, ιδιαίτερα στις ανεπτυγμένες χώρες του πλανήτη μας. Έτσι, ακολούθησαν σειρά από συναντήσεις και συνδιασκέψεις σε παγκόσμιο επίπεδο για την χάραξη κοινής στρατηγικής ώστε να περιορισθούν οι αλόγιστες χρήσεις φυσικών πόρων, καθώς και οι δυσμενείς επιπτώσεις από αυτές για το περιβάλλον. Η σημαντικότερη όλων ήταν η συνδιάσκεψη στο Κιότο, που οδήγησε στο «Πρωτόκολλο του Κιότο» το Δεκέμβρη του 1997 και υποχρέωνε τις χώρες που το υπέγραψαν να μειώσουν τις συνολικές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά 8% κάτω από τα επίπεδα του 1990 έως το έτος 2012. Τον Δεκέμβριο του 2008, έγινε ένα δεύτερο βήμα από την Ευρωπαϊκή Ένωση, καθώς τα κράτη μέλη της Ε.Ε. υιοθέτησαν μια σειρά από φιλόδοξους στόχους στα πλαίσια - 1 -
Κεφάλαιο 1 ο ενός πακέτου ουσιαστικών μέτρων για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής, που αναφέρεται ως τα τρία 20 ή «20-20-20» [17]. Σε αυτά περιλαμβάνεται μια δέσμευση για την περικοπή, έως το 2020, των συνολικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στην Ε.Ε. κατά 20% συγκριτικά με τα επίπεδα του 1990, την αύξηση του μεριδίου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην ενεργειακή κατανάλωση στο 20% σε ολόκληρη την Ε.Ε καθώς και την αύξηση κατά 20% της ενεργειακής αποδοτικότητας. Κάθε κράτος μέλος έχει χωριστό στόχο, που αντανακλά τη δυνατότητά του να παράγει ανανεώσιμη ενέργεια. Παρατηρούμε, λοιπόν, τον δυναμικό ρόλο που θα διαδραματίσουν οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) τα επόμενα χρόνια, τόσο σε παγκόσμια κλίμακα, όσο και στη χώρα μας. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων στην χώρα μας το Υπουργείο Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής ανακοίνωσε πρόσφατα την επιδιωκόμενη αναλογία εγκατεστημένης ισχύος ανά τεχνολογία ΑΠΕ και κατηγορία παραγωγού, με χρονικό ορίζοντα τα έτη 2014 και 2020, και παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.1 [16]. Πίνακας 1.1: Όρια εγκατεστημένης ισχύος(μw) ανά τεχνολογία ΑΠΕ και κατηγορία παραγωγού[16]. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε, το μεγαλύτερο μέρος της εγκατεστημένης ισχύος ορίστηκε να καλυφθεί από Αιολικά συστήματα τα, τόσο σε ηπειρωτικές όσο και σε υπεράκτιες τοποθεσίες. Να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο, ότι μέχρι τη στιγμή της συγγραφής της παρούσας διπλωματικής εργασίας η συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην χώρα μας από αιολικά συστήματα είναι 1185 MW [1], γεγονός που υποδηλώνει την ραγδαία - 2 -
Κεφάλαιο 1 ο ανάπτυξη που αναμένεται να υπάρξει τα επόμενα χρόνια σε αυτά. Προφανώς, έχει γίνει ευρέως γνωστό ότι η αιολική ενέργεια έχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων ήπιων μορφών ενέργειας, μερικά από τα οποία παραθέτουμε στην επόμενη ενότητα. 1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αν και δεν είναι δυνατόν να αγνοήσουμε τα μειονεκτήματα που συνοδεύουν την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας, είναι επίσης σημαντικό να ληφθούν υπόψιν και οι παρακάτω παράγοντες, ορισμένοι από τους οποίους ισχύουν ιδιαίτερα για τη χώρα μας, ώστε να διαμορφώσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα για τις δυνατότητες και τους περιορισμούς αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας [17]. Πιο συγκεκριμένα: i. Η αιολική ενέργεια αποτελεί ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι δεν εξαντλείται σε αντίθεση με το σύνολο των συμβατικών καυσίμων. ii. Η αιολική ενέργεια αποτελεί μια καθαρή μορφή ενέργειας, ήπια προς το περιβάλλον. Η χρήση της δεν επιβαρύνει τα οικοσυστήματα των περιοχών εγκατάστασης και παράλληλα αντικαθιστά ιδιαίτερα ρυπογόνες πηγές ενέργειας, όπως το κάρβουνο, το πετρέλαιο και η πυρηνική ενέργεια. Επιπλέον, ειδικά για τη χώρα μας ισχύουν και τα ακόλουθα στοιχεία: iii. Η χώρα μας και κυρίως τα νησιωτικά συμπλέγματα του Αιγαίου διαθέτουν πολύ υψηλό αιολικό δυναμικό και μάλιστα άριστης ποιότητας. iv. Η ισχυρή εξάρτηση της χώρας μας από εισαγόμενα καύσιμα (πετρέλαιο, άνθρακα, φυσικό αέριο), τα οποία οδηγούν αφενός σε συναλλαγματική αιμορραγία τη χώρα μας, αφετέρου σε εξάρτηση της από χώρες εκτός Ευρωπαϊκής Ένωσης. v. Η υψηλή σεισμικότητα της χώρας μας εγκυμονεί κινδύνους για θερμοηλεκτρικές και κυρίως τις πυρηνικές εγκαταστάσεις. vi. Η σημαντική διασπορά και ανομοιομορφία του κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας στα διάφορα τμήματα της χώρας μας έχεις ως αποτέλεσμα σε αρκετά νησιά το κόστος παραγωγής να είναι πολλαπλάσιο, ενίοτε και υπερδεκαπλάσιο του οριακού κόστους παραγωγής της Δ.Ε.Η. Υο γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι είναι δυνατή η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από την αιολική ενέργεια, τουλάχιστον στις περιοχές αυτές. vii. Η δυνατότητα αποκεντρωμένης ανάπτυξης μέσα από αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας, γεγονός που μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την οικονομική δραστηριότητα των τοπικών κοινωνιών. - 3 -
Κεφάλαιο 1 ο viii. Η αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που περιορίζει τις απώλειες και το κόστος μεταφοράς και συνεισφέρει στην υποστήριξη των τοπικών δικτύων με έγχυση ηλεκτρικής ισχύος πλησίον των περιοχών υψηλής κατανάλωσης. ix. Η δυνατότητα τόνωσης της ελληνικής κατασκευαστικής δραστηριότητας με προϊόντα υψηλής Εγχώριας Προστιθέμενης Αξίας (Ε.Π.Α.) και συγκριτικά χαμηλού επενδυτικού κόστους, όπως θα μπορούσε να αποτελέσει η απόφαση συμπαραγωγής ανεμογεννητριών στη χώρα μας, συνεισφέροντας ταυτόχρονα στη μείωση της ανεργίας. x. Η αξιόλογη εγχώρια ηλεκτρομηχανολογική εμπειρία, καθώς και το σημαντικό επιστημονικό-ερευνητικό ενδιαφέρον και δραστηριότητα στη γνωστική περιοχή της αιολικής ενέργειας. xi. Η δυνατότητα αξιοποίησης επενδυτικών προγραμμάτων, που χρηματοδοτούνται εν μέρει από ελληνικούς και κοινοτικούς φορείς, δεδομένων των υψηλών επιχορηγήσεων και του συγκριτικά χαμηλού συνολικού κόστους που συνοδεύουν παρόμοιες επενδύσεις σε τομείς αξιοποίησης ΑΠΕ. Επιπλέον, είναι δυνατή στην περίπτωση ίδρυσης αιολικών πάρκων η σταδιακή εγκατάσταση των μηχανών, με διαχρονική κατανομή του κόστους επένδυσης σύμφωνα με το σχεδιασμό του επενδυτή. Από την άλλη πλευρά υπάρχουν και κάποια σημαντικά μειονεκτήματα από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας που συνοψίζονται παρακάτω. Για παράδειγμα: i. Η χαμηλή ροή αξιοποιήσιμης κινητικής ενέργειας του ανέμου (W/m 2 ) κατατάσσει την αιολική ενέργεια στις «αραιές» μορφές ενέργειας. Τυπικές τιμές της ροής της αξιοποιούμενης αιολικής ισχύος κυμαίνονται μεταξύ 200 και 500 W/m 2. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη χρήση είτε μεγάλου αριθμού ανεμογεννητριών είτε μηχανών μεγάλων διαστάσεων, για την παραγωγή της επιθυμητής ποσότητας ενέργειας. ii. Η αδυναμία ακριβούς πρόβλεψης της ταχύτητας και της διεύθυνσης των ανέμων δε μας δίνει τη δυνατότητα να έχουμε την απαραίτητα αιολική ενέργεια τη στιγμή που τη χρειαζόμαστε. Το γεγονός αυτό μας υποχρεώνει να χρησιμοποιούμε τις αιολικές μηχανές κυρίως σαν εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό πάντοτε με κάποια άλλη πηγή ενέργειας. iii. Σε περιπτώσεις διασύνδεσης της αιολικής εγκατάστασης με το ηλεκτρικό δίκτυο η παραγόμενη ενέργεια δεν πληροί πάντοτε τις τεχνικές απαιτήσεις του δικτύου, με - 4 -
Κεφάλαιο 1 ο αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου, μηχανημάτων ρύθμισης τάσεως και συχνότητας, καθώς και ελέγχου της άεργης ισχύος. Η εξέλιξη της τεχνολογίας σήμερα έχει δώσει λύσεις στα περισσότερα από τα αναφερόμενα προβλήματα, ιδιαίτερα με την κατασκευή ανεμογεννητριών μεταβλητού βήματος και μεταβλητών στροφών. Παρ όλα αυτά υπάρχει κάποιο αυξημένο κόστος για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της παραγόμενης ενέργειας, το οποίο προστίθεται στο συνολικό κόστος της παραγόμενης kwh. Τέλος, ακόμα και σήμερα εξακολουθούν να μας απασχολούν οι διαδικασίες ζεύξης-απόζευξης αιολικών μηχανών στο ηλεκτρικό δίκτυο λόγω των μεταβατικών φαινομένων που αυτές προκαλούν. Λόγω των τελευταίων προβλημάτων απαγορεύεται η διασύνδεση, πέραν ενός ορίου αποδιδόμενης ισχύος, αιολικών μηχανών σε μικρά τοπικά ηλεκτρικά δίκτυα, τα οποία όμως αποτελούν και την πλειοψηφία των δικτύων του ελληνικού Αρχιπελάγους. iv. Αντίστοιχα, σε περιπτώσεις αυτόνομων μονάδων είναι απαραίτητη η ύπαρξη συστημάτων αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας, σε μία προσπάθεια να έχουμε συγχρονισμό της ζήτησης και της διαθέσιμης ενέργειας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται αυξημένο αρχικό κόστος και βέβαια επιπλέον απώλειες ενέργειας κατά τις φάσεις μετατροπής για την εξασφάλιση της ομαλής λειτουργίας. v. Ένα ακόμα μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι η περιορισμένη δυνατότητα αξιοποίησης του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού. Στην πραγματικότητα αξιοποιούμε μερικώς μόνο την κινητική ενέργεια του ανέμου, όπως θα δούμε σε επόμενη ενότητα. vi. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψιν ότι από το σύνολο της απορροφούμενης από μια ανεμογεννήτρια αιολικής ενέργειας μόνο ένα περιορισμένο μέρος της μετατρέπεται σε ωφέλιμη ενέργεια, λόγω των αεροδυναμικών και μηχανικών απωλειών και των αντίστοιχων περιορισμών. vii. Τέλος, θα πρέπει να επισημάνουμε το σχετικά υψηλό κόστος της αρχικής επένδυσης για την εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτρια, ειδικά μάλιστα για μεμονωμένες περιπτώσεις αιολικών μηχανών μικρού μεγέθους. Στο σημείο αυτό πρέπει να προσθέσουμε ότι η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας και ο ανταγωνισμός μεταξύ κατασκευαστών έχει τα τελευταία χρόνια συμπιέσει σημαντικά τις τιμές των ανεμογεννητριών, βελτιώνοντας ταυτόχρονα και την αξιοπιστία τους. - 5 -
Κεφάλαιο 1 ο Συνοψίζοντας τα ανωτέρω, πιστεύουμε ότι τα πλεονεκτήματα που απορρέουν από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας είναι ασυγκρίτως περισσότερα και σοβαρότερα από τα υπάρχοντα μειονεκτήματα. Για το λόγο αυτό η στρατηγική απόφαση να αξιοποιηθεί στη χώρα μας το υπάρχον αιολικό δυναμικό, καθώς και να αναπτυχθούν κατασκευαστικές μονάδες παραγωγής ανεμογεννητριών μπορεί κάλλιστα να οδηγήσει σε οικονομικά βιώσιμές αλλά και ελκυστικές επενδύσεις, μη λαμβάνοντας στους ισολογισμούς μας υπόψιν τα παράλληλα οφέλη, που αφορούν την προστασία του περιβάλλοντος και την οικονομική κρίση. 1.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο προκαλεί τους ανέμους. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την πίεση του. Με τη σειρά τους, οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα ολόγυρα. Σύμφωνα με τη μηχανική των ρευστών, ο αέρας κινείται από τις υψηλής πίεσης προς τις χαμηλής πίεσης περιοχές του πλανήτη. Σε παγκόσμια κλίμακα, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τροπικών και των πόλων προκαλεί τους αληγείς ανέμους, οι οποίοι δρουν ως γιγαντιαίος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους και της θάλασσας και μεταξύ των βουνών και των κοιλάδων δημιουργούν συχνά ισχυρές αύρες. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου επηρεάζονται επίσης από άλλους παράγοντες, όπως είναι η περιστροφή της γης, τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά και η τραχύτητα του εδάφους. Στόχος ενός αιολικού συστήματος είναι να εκμεταλλευτεί την κινητική ενέργεια του ανέμου. Η κινητική ενέργεια των αερίων μαζών μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με την βοήθεια μιας αεροδυναμικής διάταξης, του ανεμοκινητήρα (Α/Κ). Μεταξύ του ανεμοκινητήρα και της γεννήτριας, η οποία μετατρέπει το μηχανικό έργο σε ηλεκτρική ενέργεια, παρεμβάλλεται ένα μηχανικό σύστημα προσαρμογής. Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στην έξοδο της γεννήτριας, τροφοδοτείται στο δίκτυο, μέσω της χρησιμοποιούμενης συσκευής συνδέσεώς της με αυτό. Οι μεγάλες διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο, οδηγούν σε ασυμφωνία μεταξύ ζήτησης και παραγωγής ενέργειας. Λύση στο πρόβλημα αυτό μπορεί να δοθεί με την χρήση συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Η αποθηκευμένη ενέργεια καλύπτει το ενεργειακό έλλειμμα, όταν η ισχύς της - 6 -
Κεφάλαιο 1 ο ανεμογεννήτριας πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο. Στο Σχήμα 1.1 βλέπουμε τη γενική μορφή της διάταξης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο. Σχήμα 1.1: Διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο[12]. Στα αιολικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην ισχύ που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα, οι οποίες μεταφέρονται μέσω του μηχανικού συστήματος μετάδοσης στην έξοδο της γεννήτριας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αφενός μεν να εμφανίζονται έντονες μηχανικές και ηλεκτρικές καταπονήσεις και αφετέρου να έχουμε μεγάλες ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ισχύος στην έξοδο της ανεμογεννήτριας. Οι ταλαντώσεις αυτές αλλοιώνουν την ποιότητα της ισχύος, ενώ είναι δυνατό να επηρεάσουν την ευστάθεια του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η ανεμογεννήτρια. Στη δυναμική αυτών των φαινομένων συμμετέχουν εξίσου ο ανεμοκινητήρας, το μηχανικό σύστημα μετάδοσης της ισχύος, η γεννήτρια, τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που μπορεί να υπάρχουν και το ηλεκτρικό δίκτυο. Στο Σχήμα 1.2 μπορούμε να παρατηρήσουμε τα εσωτερικά μέρη της ατράκτου μιας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. - 7 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.2: Τυπική μορφή ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα[17]. Ο αέρας έχει μάζα m η οποία όταν αποκτήσει ταχύτητα u w, ο προκύπτων άνεμος έχει κινητική ενέργεια Ε = m u (1.1) Αν ρ η πυκνότητα του αέρα που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, u w η ταχύτητα του ανέμου και Α η επιφάνεια που σχηματίζουν τα πτερύγια όταν περιστρέφονται, τότε m = ρ A u (1.2) θα είναι η μάζα αέρα που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη συγκεκριμένη επιφάνεια. Συνεπώς, σύμφωνα με τη σχέση 1.1 η κινητική ενέργεια που περνά από την επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή η ισχύς θα είναι P = ρau u = ρau = πρr u (1.3) όπου R η ακτίνα των πτερυγίων. Αυτή είναι η ολική ισχύς που διαθέτει ο άνεμος όταν διαπερνά τα πτερύγια ενός ανεμοκινητήρα [3]. Η μηχανική ισχύς που απομαστεύεται από τον ανεμοκινητήρα P WM είναι μόνο ένα κλάσμα αυτής της ισχύος, διότι αφενός μεν ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε τα πτερύγια του Α/Κ προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο τα παρακάμπτει χωρίς να τα διαπεράσει. Στο Σχήμα 1.3 μπορούμε να παρατηρήσουμε το συνολικό μέγεθος και σχήμα μιας ανεμογεννήτριας μεγάλης ισχύος που χρησιμοποιείται σήμερα. Αυτή αποτελείται από τρία - 8 -
Κεφάλαιο 1 ο πτερύγια κάθετα στον άξονα περιστροφής, τα οποία ενώνονται στην πλήμνη και μέσω του άξονα περιστροφής μεταφέρουν την κινητική ενέργεια του ανέμου στην γεννήτρια που βρίσκεται στην άτρακτο ή αλλιώς στο θάλαμο μηχανισμών. Συνήθως, η άτρακτος συνδέεται με τον πυλώνα στήριξης μέσω ειδικού μηχανισμού στρέψης αυτής ώστε να έχει τον βέλτιστο προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. Το ύψος της πλήμνης εξαρτάται από την ισχύ της ανεμογεννήτριας και κυμαίνεται από 60 έως 80 μέτρα. Σχήμα 1.3: Τοποθέτηση Α/Γ οριζόντιου άξονα[17]. Τα μεγέθη P wind και P WM συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός συντελεστή C p, που ονομάζεται συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος και αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος για κάθε Α/Κ: P = C P = πρc R u (1.4) Ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος C p προκύπτει βάσει μετρήσεων και υπολογισμών και εκφράζει την αεροδυναμική απόδοση του ανεμοκινητήρα. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να λάβει είναι C p,max =16/27=0,59 ή 59% και καλείται «όριο Βetz». Το όριο αυτό είναι κατά κάποιο τρόπο ο μέγιστος βαθμός απόδοσης ενός συστήματος με ιδανική έλικα, κάτι ανάλογο με το βαθμό απόδοσης Carnot των θερμοδυναμικών κύκλων. O συντελεστής C p εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του Α/Κ και στην απλούστερη περίπτωση είναι μία συνάρτηση του λόγου ακροπτερυγίου λ και της κλίσης β των πτερυγίων, δηλαδή C p =f (λ, β), ενώ στην πράξη δεν ξεπερνάει την τιμή 0,5 λόγω των αεροδυναμικών απωλειών. Ο λόγος ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) λ ορίζεται από τη σχέση: - 9 -
Κεφάλαιο 1 ο λ ταχύτηταακροπτερυγίου ταχύτηταανέμου Ω u WM (1.5) w R όπου Ω WM η γωνιακή ταχύτητα του ανεμοκινητήρα. Στο Σχήμα 1.4 δίνεται μια τυπική καμπύλη του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος C p (λ) θεωρώντας την κλίση των πτερυγίων σταθερή. Όπως φαίνεται από το σχήμα μόνο για μία τιμή του λόγου λ ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος αποκτά τη μέγιστη τιμή του, η οποία είναι βέβαια μικρότερη από το όριο του Betz. Σχήμα 1.4: Συντελεστής αεροδυναμικής απόδοσης συναρτήσει του λόγου λ[17]. Με τη βοήθεια του Σχήματος 1.4 θα περιγραφούν στη συνέχεια οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι οποίες είναι [12]: Μέθοδος σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας (ΣΣΣΣ) Μέθοδος μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας (ΜΣΣΣ) Οι πρώτες ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν λειτουργούσαν σύμφωνα με τη μέθοδο σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι το σύστημα μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας προσφέρει περισσότερα πλεονεκτήματα και για το λόγο αυτό καθιερώθηκε. Στη συνέχεια θα αναλυθούν οι δύο μέθοδοι λειτουργίας και θα γίνουν σαφή τα πλεονεκτήματα της λειτουργίας των μεταβλητών στροφών συγκριτικά με τις σταθερές στροφές. 1.4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Στη λειτουργία σταθερών στροφών ο δρομέας του ανεμοκινητήριου συστήματος στρέφεται με σχεδόν σταθερή ταχύτητα, ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου. Η - 10 -
Κεφάλαιο 1 ο σύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο γίνεται απευθείας, με τη χρήση ενός μετασχηματιστή προσαρμογής της τάσης εξόδου της Α/Γ στην τάση του δικτύου με το οποίο αυτή συνδέεται. Ένα σχηματικό διάγραμμα της λειτουργίας αυτής φαίνεται στο Σχήμα 1.5: Σχήμα 1.5: Λειτουργία σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας[12]. Η γεννήτρια του αιολικού συστήματος μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε ασύγχρονη. Στην περίπτωση σύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σταθερές και εξαρτώνται από τη συχνότητα του δικτύου, ενώ στην περίπτωση χρησιμοποίησης ασύγχρονης γεννήτριας οι στροφές είναι σχεδόν σταθερές, αφού εξαιτίας της ολίσθησης μεταβάλλονται σε ένα μικρό εύρος τιμών. Τα συστήματα ΣΣΣΣ παρουσιάζουν προβλήματα που οφείλονται στην απευθείας σύνδεσή τους με το δίκτυο. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια, η μανδάλωση της ταχύτητας σε μία συγκεκριμένη τιμή έχει ως αποτέλεσμα απότομες μεταβολές της ισχύος του ανέμου να μεταφέρονται απ ευθείας στο δίκτυο. Επιπλέον, εάν η μεταβαλλόμενη αεροδυναμική ροπή περιέχει αρμονικές συνιστώσες, που βρίσκονται κοντά στις συχνότητες συντονισμού του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της ισχύος, θα εμφανιστούν έντονες ταλαντώσεις σ αυτό αλλά και στην ισχύ εξόδου της γεννήτριας. Από την άλλη, η χρησιμοποίηση ασύγχρονης γεννήτριας η οποία επιτρέπει τη μεταβολή της γωνιακής ταχύτητας σε ένα περιορισμένο εύρος έχει σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της ισχύος στην έξοδό της. Το μειονέκτημά της είναι ότι σε αντίθεση με την σύγχρονη γεννήτρια απορροφά άεργο ισχύ, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποκλειστική τροφοδότηση δικτύων [13]. Το μεγαλύτερο όμως μειονέκτημα της λειτουργία ΣΣΣΣ είναι άλλο. Στη λειτουργία με σταθερές στροφές, έχοντας δηλαδή Ω WM =ct, ο λόγος ακροπτερυγίου, όπως προκύπτει από τη σχέση 1.5, θα είναι αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας του ανέμου. Αυτό σημαίνει πως μόνο για μία ταχύτητα ανέμου ο λόγος λ θα παίρνει τη βέλτιστη τιμή λ opt για την οποία - 11 -
Κεφάλαιο 1 ο C p =C p,max (Σχήμα 1.4). Η λειτουργία, λοιπόν, ΣΣΣΣ συνεπάγεται υποεκμετάλλευση του ανεμοκινητήρα για τις περισσότερες ταχύτητες ανέμου, γεγονός που οδηγεί σε δραστική μείωση του συντελεστή απόδοσης τέτοιων συστημάτων. Συμπερασματικά, το σύστημα σταθερών στροφών σταθερής συχνότητας παρουσιάζει το πλεονέκτημα της εξαιρετικής απλότητας, αξιοπιστίας και των μηδενικών αναγκών συντήρησης, γεγονός που συνέβαλε στην καθιέρωσή του σε μια εποχή όπου η αξιοπιστία ήταν το βασικότερο από τα προς επίλυση προβλήματα των ανεμογεννητριών. Ταυτόχρονα, όμως, το σχήμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια σειρά από καθοριστικά μειονεκτήματα: αυξημένη μεταβλητότητα της ροπής και της ισχύος εξόδου, ταλαντώσεις του μηχανικού συστήματος και λειτουργία του συστήματος σε υποβέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος [12]. 1.5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ-ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Λύση σε πολλά από τα παραπάνω προβλήματα μπορεί να δώσει η λειτουργία ΜΣΣΣ, όπου η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταβάλλεται κατά ελεγχόμενο τρόπο, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Για το σκοπό αυτό και τη σύνδεση της ηλεκτρικής γεννήτριας στο δίκτυο σταθερής συχνότητας έχουν προταθεί παλαιότερα διάφορες μέθοδοι με χρήση υδραυλικών συστημάτων ή κιβωτίων ταχυτήτων μεταβαλλόμενου λόγου, αλλά ο πλέον κατάλληλος τρόπος, για λόγους απωλειών, αξιοπιστίας και αναγκών συντήρησης, είναι με τη χρήση μετατροπέα συχνότητας. Με τον τρόπο αυτό η ταχύτητα περιστροφής αποδεσμεύεται από τη σταθερή συχνότητα του δικτύου και είναι δυνατή η μεταβολή της εντός ευρέων ορίων [12]. Στο Σχήμα 1.6 δίνεται το διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Σχήμα 1.6: Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας[12]. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα, στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας τριφασικός ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη της ανεμογεννήτριας σε συνεχή. Η σύνδεση στο δίκτυο γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τα συνεχή ηλεκτρικά μεγέθη σε εναλλασσόμενα, - 12 -
Κεφάλαιο 1 ο συχνότητας ίδιας με αυτήν του δικτύου. Οι μετατροπείς αυτοί μπορούν να αποτελούνται είτε από θυρίστορ, είτε από ημιαγωγικά στοιχεία ελεγχόμενης έναυσης και σβέσης, όπως θυρίστορ με σβέση από την πύλη (GTO) ή τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT). Αυτός ο τρόπος σύνδεσης αποσκοπεί κυρίως στην μεγιστοποίηση της ισχύος που απομαστεύεται από τον άνεμο, μεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνιακή ταχύτητα της ανεμογεννήτριας, μέσω του ηλεκτρονικού ελέγχου της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ [13]. Ο βασικός λόγος που οδήγησε στην εισαγωγή της λειτουργίας μεταβλητών στοφών ήταν η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος, η οποία όπως δείχθηκε προηγουμένως, είναι μειωμένη στη λειτουργία σταθερών στροφών. Ως συμπλήρωση του βασικού Σχήματος 1.4 δίδεται παρακάτω, στο σχήμα 1.7, η τυπική μορφή των καμπυλών της αεροδυναμικής ισχύος του δρομέα της ανεμογεννήτριας P WM συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής του Ω WM, με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου u w. Όπως φαίνεται από το παρακάτω σχήμα, όταν η ταχύτητα του δρομέα είναι σταθερή, π.χ. N S, μόνο για μία ταχύτητα ανέμου (12 m/s) η ισχύς που απομαστεύεται από τον άνεμο είναι η μέγιστη δυνατή. Για όλες τις υπόλοιπες ταχύτητες του ανέμου η ισχύς που παίρνουμε από τον άνεμο είναι εμφανώς μικρότερη της μέγιστης δυνατής. Σχήμα 1.7: Καμπύλες αεροδυναμικής ισχύος στροφών του δρομέα, με παράμετρο την ταχύτητα του ανέμου και βέλτιστη καμπύλη λειτουργίας[12]. Στη λειτουργία μεταβλητών στροφών στόχος είναι η αλλαγή της ταχύτητας του δρομέα ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται πάντοτε στην κορυφή των αντίστοιχων καμπυλών, ή διαφορετικά να βρίσκεται πάνω στην καμπύλη μέγιστης απόδοσης. Το βασικότερο ίσως πλεονέκτημα της λειτουργίας μεταβλητών στροφών είναι η εξομάλυνση της μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών, η απόσβεση των συντονισμών του - 13 -
Κεφάλαιο 1 ο μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης και ο περιορισμός των μέγιστων φορτίων (αιχμών της ροπής, π.χ. για ριπές του ανέμου). Άμεση συνέπεια αυτών είναι ο περιορισμός των καταπονήσεων και άρα η αύξηση της αναμενόμενης διάρκειας ζωής των μηχανικών συνιστωσών του συστήματος και η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους τους, με θετική επίπτωση στο βάρος και το κόστος της κατασκευής. Επιτρέποντας στις στροφές της ανεμογεννήτριας να μεταβάλλονται, διακυμάνσεις της ισχύος από την πλευρά του ανέμου δεν εμφανίζονται κατευθείαν στην γεννήτρια, αφού τα στρεφόμενα μέρη του συστήματος λειτουργούν τώρα ως σφόνδυλος, ο οποίος αποθηκεύει ή δίνει ενέργεια, σε μια αύξηση ή μείωση της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, ως τελικό αποτέλεσμα, εκτός από τη μεγαλύτερη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, έχουμε καλύτερη ποιότητα ισχύος που προσδίδεται στο δίκτυο. Επίσης, ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ισχύος, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατός ο έλεγχος και της άεργου ισχύος εξόδου, με λειτουργία της ανεμογεννήτριας υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα είναι τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω λειτουργίας σε μειωμένες στροφές. Η χρήση των μετατροπέων ισχύος παρέχει ακόμα τη δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης σχεδόν μέχρι μηδενικής ταχύτητας (ανάλογα με το είδος των μετατροπέων) μειώνοντας τη φθορά των μηχανικών συστημάτων πέδησης, ενώ επίσης ο έλεγχος των υπερφορτίσεων της μηχανής είναι πολύ πιο αποτελεσματικός, αφού ελέγχεται άμεσα το ρεύμα και η ροπή της γεννήτριας. Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας σε μειωμένη ταχύτητα έχει ως αποτέλεσμα και τη μείωση των απωλειών ισχύος του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, η οποία όμως αντισταθμίζεται από τις απώλειες των μετατροπέων ισχύος, σε ποσοστό που εξαρτάται από το είδος των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων. Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι ότι η λειτουργία με μεταβλητό αριθμό στροφών παρέχει τη δυνατότητα μείωσης της ισχύος εξόδου σε ώρες χαμηλού φορτίου. Αυτή η δυνατότητα είναι σημαντική, γιατί έτσι αποφεύγεται η αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας από το δίκτυο [13]. Συμπερασματικά, η λειτουργία μεταβλητών στροφών με τη χρήση κατάλληλων μετατροπέων ισχύος περιορίζει τον μη-ελεγχόμενο χαρακτήρα της ανεμογεννήτριας ως πηγής ισχύος και καθιστά ευκολότερη την ενσωμάτωσή της στα υπάρχοντα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Πέραν των πολλών πλεονεκτημάτων των ανεμογεννητριών με λειτουργία μεταβλητών στροφών υπάρχουν και αρκετά μειονεκτήματα. Το πρώτο μειονέκτημα σχετίζεται με την αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος λόγω του μετατροπέα συχνότητας. Ταυτόχρονα, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη διαμόρφωση του ηλεκτρικού μέρους, ενδεχομένως να χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια ή μηχανή επαγωγής δακτυλιοφόρου δρομέα, αντί για - 14 -
Κεφάλαιο 1 ο την απλή γεννήτρια κλωβού, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους, του βάρους και των αναγκών συντήρησης. Εξαιτίας της ύπαρξης ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος υπάρχουν διακοπτικά φαινόμενα, τα οποία οδηγούν σε αύξηση των ανώτερων αρμονικών που εγχέονται στο δίκτυο. Συνεπώς είναι απαραίτητη η εγκατάσταση ογκωδών φίλτρων για τον περιορισμό των ανώτερων αρμονικών. Με τη χρήση μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο PWM σε διακοπτικές συχνότητες της τάξης των ΚHz, τα προβλήματα των αρμονικών περιορίζονται σημαντικά, αφού μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνότητες απαιτώντας έτσι μικρότερα φίλτρα [10]. Τα πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητών στροφών οδήγησαν στην καθιέρωσή τους. Για τους μετατροπείς με χρήση ηλεκτρονικών ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα εναλλακτικά σχήματα, ανάλογα με τον τύπο της χρησιμοποιούμενης γεννήτριας. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες διατάξεις. 1.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Η αξιολόγηση των εναλλακτικών διαμορφώσεων του ηλεκτρικού μέρους μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών και η επιλογή του βέλτιστου σχήματος εξαρτάται από πολλούς και συχνά αντικρουόμενους παράγοντες, όπως είναι η δυναμική συμπεριφορά, το κόστος, η απλότητα, οι αρμονικές και ο συντελεστής ισχύος [12], [13]. Η δυναμική συμπεριφορά των εναλλακτικών τοπολογιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεί και τον πρωταρχικό παράγοντα επιλογής του καταλληλότερου σχήματος. Παρ όλα αυτά, για λόγους πληρότητας της ανάλυσης, στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται και σχολιάζονται συνοπτικά και οι άλλοι παράγοντες που υπεισέρχονται και συνεκτιμώνται για την επιλογή του τελικού σχήματος. Όσον αφορά το κόστος, αυτό σχετίζεται κατά κύριο λόγο με την επιλογή της γεννήτριας. Δηλαδή σχήματα που περιλαμβάνουν ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού έχουν πλεονέκτημα όσο αφορά το κόστος συγκριτικά με σχήματα που περιλαμβάνουν σύγχρονη μηχανή ή ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα, καθ όσον οι μηχανές αυτές είναι σημαντικά ακριβότερες και επιπλέον παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες συντήρησης λόγω των δακτυλίων του δρομέα. Από την άλλη πλευρά η χρήση σύγχρονων μηχανών παρότι αυξάνει το κόστος της κατασκευής έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής άεργου ισχύος, προϋπόθεση απαραίτητη σε πολλές εφαρμογές. Παλαιότερα, στην επιλογή του κατάλληλου σχήματος έπρεπε να ληφθεί σοβαρά υπόψη και το κόστος της διάταξης με τα - 15 -
Κεφάλαιο 1 ο ηλεκτρονικά ισχύος κάτι που δεν ισχύει πλέον σήμερα λόγω της μείωσης του κόστους τους από την εκτεταμένη εφαρμογή τους. Στο Σχήμα 1.8 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα ενός αιολικού συστήματος ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια [13]. Για τη σύνδεση της γεννήτριας στο δίκτυο χρησιμοποιείται μία διάταξη εναλλασσόμενου/συνεχούς/εναλλασσόμενου ρεύματος (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) που αποτελείται από έναν ανορθωτή διόδων και έναν αντιστροφέα με θυρίστορ. Σχήμα 1.8: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και διάταξη ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη[12]. Ο ανορθωτής διόδων μετατρέπει τη μεταβαλλόμενου πλάτους και μεταβαλλόμενης συχνότητας τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας σε συνεχή. Η συνεχής τάση από την πλευρά του αντιστροφέα ρυθμίζεται μέσω της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Μεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνία εναύσεως ελέγχεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο και έτσι μπορούμε να ρυθμίζουμε την ροή ισχύος από την γεννήτρια στο δίκτυο. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ανεμοκινητήρων ισχύος μέχρι 250 kw. Οι πυκνωτές στους ακροδέκτες της ασύγχρονης γεννήτριας τροφοδοτούν την άεργο ισχύ που απαιτείται για την διέγερσή της. Κύρια πλεονεκτήματα της διάταξης είναι βέβαια το χαμηλό κόστος λόγω της χρήσης ασύγχρονης γεννήτριας, καθώς και η απλότητα και αξιοπιστία του συστήματος μετατροπής εξαιτίας της χρήσης ανορθωτικής γέφυρας διόδων και αντιστροφέα με θυρίστορ. Όμως, η επιλογή ανορθωτή διόδων δεν μας δίνει την δυνατότητα ελέγχου της τάσης στη πλευρά συνεχούς ρεύματος. Η τάση αυτή αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι στροφές της γεννήτριας. Για το λόγο αυτό έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι περιορισμού της, με κατάλληλη διαμόρφωση της παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα [12]. Από την πλευρά του δικτύου, απαιτούνται μεγάλα και δαπανηρά φίλτρα έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές ρεύματος που δημιουργούνται από τον αντιστροφέα με θυρίστορ. - 16 -
Κεφάλαιο 1 ο Στο Σχήμα 1.9 εικονίζεται μια από τις βασικές διατάξεις των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης, η οποία έχει βρει εφαρμογή και σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών λόγω των πολύ καλών λειτουργικών και δυναμικών της χαρακτηριστικών. Πρόκειται για μια ασύγχρονη γεννήτρια με δύο ηλεκτρονικούς μετατροπείς αποτελούμενους από τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) στον στάτη [12], [13]. Σχήμα 1.9: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη γεννήτρια και μετατροπείς με IGBT[12], [13]. Όπως φαίνεται και στο σχήμα χρησιμοποιούνται δύο όμοιοι μετατροπείς πηγής τάσης, τόσο στην πλευρά της γεννήτριας, όσο και στην έξοδο του συστήματος προς το δίκτυο, οι οποίοι παλμοδοτούνται με την τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Για τη μεταφορά ενέργειας στο δίκτυο ο πρώτος μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής ενώ ο δεύτερος ως αντιστροφέας Ο μετατροπέας από την πλευρά της γεννήτριας ρυθμίζει την τάση εισόδου του αντιστροφέα ενώ ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου ελέγχει το συντελεστή ισχύος και άρα την ροή πραγματικής ισχύος προς αυτό. Τα μειονεκτήματα αυτού του ηλεκτρικού σχήματος είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα λόγω των δύο ελεγχόμενων μετατροπέων καθώς και η χρησιμοποίηση περισσότερων ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος (12 στοιχεία IGBT). Από την άλλη πλευρά υπάρχει πλεονέκτημα από τη χρήση της ασύγχρονης γεννήτριας λόγω του μικρότερου κόστους της αλλά και η δυνατότητα ροής ισχύος και προς τις δυο κατευθύνσεις. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση τεχνικών PWM εκτός από τον αποτελεσματικό έλεγχο της τάσης εξόδου, εξασφαλίζει την πολύ σημαντική μείωση του αρμονικού περιεχομένου των παραγόμενων ρευμάτων, οι οποίες μετατοπίζονται σε υψηλές συχνότητες επιτρέποντας την χρήση μικρότερων και οικονομικότερων φίλτρων. Σε ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών έχει προταθεί και διερευνηθεί σε σημαντικό βαθμό η διάταξη ασύγχρονης μηχανής με δακτυλιοφόρο δρομέα και σύστημα μετατροπέων συνδεδεμένων στους ακροδέκτες του [12], [13]. Στην απλούστερη περίπτωση η διάταξη των - 17 -
Κεφάλαιο 1 ο μετατροπέων περιλαμβάνει μη ελεγχόμενο ανορθωτή στους ακροδέκτες του δρομέα και αντιστροφέα στην έξοδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.10. Σχήμα 1.10: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με ασύγχρονη μηχανή και μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο δρομέα[12], [13]. Η ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα σε σχέση με τη βραχυκυκλωμένου δρομέα είναι ακριβότερη και έχει μεγαλύτερες απαιτήσεις συντήρησης. Από την άλλη πλευρά, οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς είναι στον δρομέα διαχειρίζονται μόνο ένα τμήμα της συνολικής ισχύος εξόδου, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της ονομαστικής ισχύος των μετατροπέων και άρα και του κόστους τους. Αυτό είναι και το βασικό πλεονέκτημα της διάταξης αυτής το οποίο σε συνδυασμό με την απλότητα και την αξιοπιστία των μετατροπέων, την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρμογές ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος (της τάξεως των MW). Τέλος, είναι δυνατές και άλλες παραλλαγές της διάταξης οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν ελεγχόμενο ανορθωτή με θυρίστορ αντί για τον ανορθωτή διόδων ή σύστημα διπλών μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο PWM. Η τελευταία υλοποίηση μάλιστα είναι και η καλύτερη καθώς απαλείφει και τα προβλήματα των αρμονικών, διατηρώντας το πλεονέκτημα του μειωμένου μεγέθους των μετατροπέων [12], [13]. Οι διάφορες διατάξεις που παρουσιάστηκαν μέχρι τώρα χρησιμοποιούν όλες ασύγχρονη γεννήτρια είτε κλωβού, είτε δακτυλιοφόρου δρομέα. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν κάποια ηλεκτρικά σχήματα με σύγχρονη γεννήτρια η οποία δεν χρειάζεται πυκνωτές αυτοδιέγερσης στα άκρα της αφού η ίδια μπορεί να παράγει άεργο ισχύ. Στο Σχήμα 1.11 διακρίνεται η απλούστερη δυνατή διαμόρφωση με σύγχρονη γεννήτρια και με χρήση μη ελεγχόμενου ανορθωτή και συμβατικού αντιστροφέα με θυρίστορ. - 18 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.11: Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή διόδων και αντιστροφέα με θυρίστορ[12], [13]. Το σχήμα αυτό, εκτός από την απλότητα των μετατροπέων ισχύος, δεν έχει να παρουσιάσει κανένα άλλο πλεονέκτημα, καθώς η χρήση σύγχρονης γεννήτριας αυξάνει τις ανάγκες συντήρησης, ο εξαπαλμικός μετατροπέας εισάγει σημαντικές αρμονικές στο ρεύμα εξόδου και δεν υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας κινητήρα για την εκκίνηση της μηχανής λόγω του ανορθωτή διόδων [12]. Μια διαφορετική διαμόρφωση με χρήση σύγχρονης γεννήτριας είναι αυτή που εικονίζεται στο Σχήμα 1.12 και στην οποία τόσο στον ανορθωτής όσο και στον αντιστροφέα χρησιμοποιούνται θυρίστορ. Σχήμα 1.12 Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή με θυρίστορ καθώς και αντιστροφέα με θυρίστορ[12], [13]. Η διάταξη αυτή επιτρέπει την αντιστροφή της ροής ισχύος για επιτάχυνση της ανεμογεννήτριας κατά την εκκίνηση. Το συνεχές ρεύμα ελέγχεται μέσω της γωνίας έναυσης - 19 -
Κεφάλαιο 1 ο των ηλεκτρονικών στοιχείων του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο, όπως και στην περίπτωση της ασύγχρονης μηχανής, μεταβάλλεται η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα κατά τον επιθυμητό τρόπο έτσι ώστε να ρυθμίζεται η ροή ισχύος από την ανεμογεννήτρια στο δίκτυο. Η συμπεριφορά αυτού του συστήματος από την πλευρά του δικτύου είναι εξίσου μειονεκτική με τις προηγούμενες περιπτώσεις λόγω των αρμονικών που εισάγει ο αντιστροφέας. Μια τελευταία τοπολογία που έχει προταθεί [12], [13] φαίνεται στο Σχήμα 1.13. Εδώ χρησιμοποιείται σύγχρονη μηχανή, ανορθωτής διόδων, ανυψωτής τάσης και αντιστροφέας με τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT). Η διασύνδεση με το δίκτυο πραγματοποιείται μέσω φίλτρων. Σχήμα 1.13 Ανεμογεννήτρια ΜΣΣΣ με σύγχρονη μηχανή, ανορθωτή διόδων, ανυψωτή τάσης και αντιστροφέα με IGBT[12], [13]. Στη διάταξη αυτή η ανόρθωση γίνεται με τον μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων. Στην πλευρά συνεχούς παρεμβάλλεται ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης για τον έλεγχο της τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι εφοδιασμένος με σύστημα ελέγχου το οποίο εξαναγκάζει τα φασικά ρεύματα στην έξοδο του αντιστροφέα να ακολουθούν κάποια ρεύματα αναφοράς. Οι κυματομορφές των ρευμάτων αναφοράς είναι συγχρονισμένες με τις κυματομορφές τάσης του δικτύου έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μοναδιαίος συντελεστής ισχύος. Το σύστημα αυτό πλεονεκτεί γιατί χρησιμοποιείται μόνο ένα τρανζίστορ από την πλευρά της γεννήτριας και παράλληλα ο ανορθωτής με διόδους είναι απλούστερος, έχει λιγότερες απώλειες και χαμηλότερο κόστος. Βέβαια, λόγω του ανορθωτή διόδων δεν υπάρχει η δυνατότητα αντιστροφής της ροής ισχύος [12], [13]. - 20 -
Κεφάλαιο 1 ο 1.7 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι εφαρμογές των αιολικών συστημάτων έχουν έκταση από μικρής ισχύος εφαρμογές, όπως παραγωγή ισχύος για οικιακή χρήση σε αυτόνομο οικιακό δίκτυο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.14. Σχήμα 1.14: Αυτόνομο οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο με ανεμογεννήτρια 900 W. Το αυτόνομο αυτό οικιακό δίκτυο περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια ισχύος 900 W και συγκεκριμένα είναι το μοντέλο «Whisper 900», η οποία χρησιμοποιείται για την φόρτιση μπαταριών μέσω ειδικού μετατροπέα που ελέγχει αυτή τη διαδικασία. Σε μεγαλύτερης έκτασης εφαρμογές ανήκουν τα αιολικά πάρκα, τα οποία περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό ανεμογεννητριών, συνήθως ίδιων χαρακτηριστικών, και συνδέονται με το δίκτυο υψηλής τάσης. Στο Σχήμα 1.15 θα δούμε το μεγαλύτερο παγκοσμίως έως την παρούσα χρονική στιγμή υπεράκτιο αιολικό πάρκο. Το πάρκο αυτό, που ονομάζεται πάρκο Thanet, βρίσκεται στο νότιο τμήμα της Αγγλίας, σε απόσταση 11 km από το Foreness Point και περιλαμβάνει 100 ανεμογεννήτριες ισχύος 3 MW, δηλαδή είναι συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 300 MW. Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιήθηκε είναι της δανέζικης εταιρείας Vestas, «Vestas V90-3MW». Η έκταση του αιολικού πάρκου φτάνει τα 35 km 2 και το βάθος της θάλασσας τα 25-30 m, ενώ συνολικά το έργο κόστισε περίπου 900.000.000 (1.026.000.000 ) και εγκαινιάσθηκε στις 23 Σεπτεμβρίου του 2010. - 21 -