ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΘΗΝΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Μαρία Σαμαράκου Καθηγήτρια, Τμήμα Μηχανικών Ενεργειακής Τεχνολογίας Διονύσης Κανδρής Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Διατάξεων Προσομοίωση, Έλεγχος και Βελτιστοποίηση Ενεργειακών Ημερίδα : Η Έρευνα στο ΤΕΙ Αθήνας, μια γνωριμία με τις ερευνητικές δραστηριότητες και τα ερευνητικά έργα που διεξάγονται στο ΤΕΙ Αθήνας, Αιγάλεω, 11 Ιουνίου 2014 Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 1
Διατάξεων Πρόλογος Το Ερευνητικό Έργο που παρουσιάζεται αφορά τις ακόλουθες εφαρμογές Αυτομάτου Ελέγχου σε Ενεργειακά Συστήματα: Α της Α Δ Διανομής Α Διατάξεων Αστέρα - Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 2
Διατάξεων Εισαγωγή Σε μια ανεμογεννήτρια με δυνατότητα να προσανατολίζει το ρότορα της προς τον άνεμο, το σύστημα εκτροπής (yaw system) είναι η υπεύθυνη για αυτήν τη λειτουργία βαθμίδα. Το συγκεκριμένο ερευνητικό έργο [1] αφορά την ανάπτυξη ενός προηγμένου συστήματος ελέγχου της γωνίας εκτροπής των α, που επιτυγχάνει μέγιστη προσαρμοστικότητα στις υπάρχουσες συνθήκες. Εκτενείς δοκιμές προσομοίωσης κατέδειξαν την εξαιρετική αποτελεσματικότητα του συγκεκριμένου σχήματος ελέγχου. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 3
Διατάξεων Μοντέλο Ελεγκτή Αποτέλεσμα του ερευνητικού έργου που εκπονήθηκε είναι η ανάπτυξη ενός ασαφή ελεγκτή (fuzzy controller) ο οποίος μπορεί να ρυθμίζει τον προσανατολισμό του ρότορα μιας ανεμογεννήτριας προς τον άνεμο προσαρμοστικά στις συνθήκες που υφίστανται γύρω από την ανεμογεννήτρια αυτή. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 4
Μοντέλο Ελεγκτή Το μοντέλο προσομοίωσης του συστήματος ελέγχου εκτροπής (Σχ. 1.1) αναπτύχθηκε στο περιβάλλον Matlab/Simulink. Διατάξεων Σχ. 1.1 Εποπτική Εικόνα του Μοντέλου Προσομοίωσης Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 5
Διατάξεων Μοντέλο Ελεγκτή Μεταξύ άλλων, περιλαμβάνει ένα βηματικό κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Σχ. 1.2), μια ανεμογεννήτρια (Σχ. 1.3), και έναν ελεγκτή ασαφούς λογικής. Σχ. 1.2 Σχηματικό Διάγραμμα της Οδήγησης του Βηματικού Κινητήρα Σχ. 1.3 Σχηματικό Διάγραμμα της Ανεμογεννήτριας Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 6
Διατάξεων Μοντέλο Ελεγκτή Ο ασαφής ελεγκτής έχει 1 έξοδο που είναι μία σειρά παλμών που αποτελεί το σήμα οδήγησης του βηματικού κινητήρα και 3 εισόδους: σφάλμα, μεταβολή σφάλματος, και ταχύτητα ανέμου. Το σήμα εισόδου που αφορά το σφάλμα εκτροπής είναι το αποτέλεσμα της αφαίρεσης της γωνίας κατεύθυνσης ανέμου μείον την γωνία εκτροπής του κινητήρα. Εκφράζεται 7 συναρτήσεων συμμετοχής, που λαμβάνουν υπόψη τρία πεδία τιμών της ταχύτητας του ανέμου. Το σήμα της μεταβολής του σφάλματος πληροφορεί τόσο για την σχετική απόκλιση του σφάλματος εκτροπής γύρω από το σημείο αναφοράς όσο και για την ταχύτητα αυτής της απόκλισης και εκφράζεται 7 συναρτήσεων συμμετοχής. Η ταχύτητα ανέμου εκφράζεται 3 συναρτήσεων συμμετοχής που καλύπτουν το συνολικό εύρος λειτουργίας της ανεμογεννήτριας από 6-30 m/sec. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 7
Διατάξεων Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Η αποτελεσματικότητα του συστήματος διερευνήθηκε δοκιμών προσομοίωσης για διάφορους συνδυασμούς των τιμών της ταχύτητας του ανέμου και του σφάλματος της γωνίας εκτροπής. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 8
Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Όπως φαίνεται στο στο Σχήμα Σχήμα 1.4α, 1.4α, 1.4β και 1.4β 1.4γ, και ο 1.4γ, ασαφής ο ελεγκτής ασαφής επιτρέπει ελεγκτής επιτρέπει στην ανεμογεννήτρια στην ανεμογεννήτρια να διατηρεί να την διατηρεί ισχύ εξόδου την ισχύ της κοντά εξόδου στην της κοντά ονομαστική στην της ονομαστική τιμή, με εξαιρετική της τιμή, προσαρμογή με εξαιρετική στην ταχύτητα προσαρμογή ανέμου στην και ταχύτητα το σφάλμα ανέμου εκτροπής. και το σφάλμα εκτροπής. α. σφάλμα 20 ο -ταχύτητα ανέμου 10 m/sec β. σφάλμα 45 ο -ταχύτητα ανέμου 15 m/sec Διατάξεων γ. σφάλμα 50 ο -ταχύτητα ανέμου 25 m/sec Σχ. 1.4 Ισχύς Εξόδου Ανεμογεννήτριας με και χωρίς έλεγχο για διάφορες τιμές του σφάλματος εκτροπής και της ταχύτητας ανέμου Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 9
Αναφορές [1] S. Theodoropoulos, D. Kandris, M. Samarakou, G. Koulouras, Fuzzy Regulator Design for Wind Turbine Yaw Control, The Scientific World Journal, Vol. 2014, Article ID 516394,http://dx.doi.org/10.1155/2014/516394 Διατάξεων Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 10
Διατάξεων Εισαγωγή LabVIEW). Τα φωτοβολταϊκά συστήματα (Φ/Β Σ.) έχουν μια ταχέως αναπτυσσόμενη θέση ανάμεσα στα συστήματα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Ωστόσο, ο σχεδιασμός, η ανάλυση, και ο έλεγχος τους είναι, συχνά, αρκετά περίπλοκα αντικείμενα. Η παρούσα εργασία [2], έχει 2 στόχους: α) να προτείνει βασισμένα σε υπολογιστή σχήματα μοντελοποίησης και ανάλυσης διαφόρων διαμορφώσεων Φ/Β Σ. και β) να παρέχει μια συγκριτική αξιολόγηση της αξιοπιστίας της εφαρμογής σε Φ/Β Σ. δύο από τα πιο προηγμένα περιβάλλοντα γραφικού προγραμματισμού (Matlab/Simulink και LabVIEW). Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 11
Διατάξεων Ανάπτυξη ς Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αφορούν: α) Ένα εμπορικά LabVIEW). διαθέσιμο Φ/Β πάνελ. Πρόκειται για το Solarex SX-50 που μοντελοποιήθηκε σε Simulink (Σχ. 2.1α) και LabVIEW (Σχ. 2.1β) για τη δημιουργία χαρακτηριστικών γραφημάτων I-V στο σημείο μέγιστης ισχύος (PPT) και τη σύγκριση με αυτά της κατασκευάστριας εταιρίας (Σχ. 2.2). Σχ. 2.1 Μοντέλο προσομοίωσης του Φ/Β πάνελ Solarex X-50 σε α. Simulink β. LabVIEW Σχ. 2.2 Γραφικές V-I του Φ/Β πάνελ Solarex X-50 Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 12
Διατάξεων Ανάπτυξη ς LabVIEW). β) Ένα πλήρες Φ/Β Σ. μη συνδεδεμένο με το δίκτυο διανομής. Πρόκειται για ένα σύστημα με τη δομή του Σχ. 2.3 που μοντελοποιήθηκε σε Simulink (Σχ. 2.4 α) και LabVIEW (Σχ. 2.4 β) για τη δημιουργία με γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT) των χαρακτηριστικών που αφορούν την τάση και το ρεύμα στο φορτίο. γ) Ένα πλήρες Φ/Β Σ. συνδεδεμένο με το δίκτυο διανομής. Πρόκειται για σύστημα με τη δομή του Σχ. 2.3 αλλά και σύνδεση με το δίκτυο διανομής που μοντελοποιήθηκε σε Simulink και LabVIEW για τη δημιουργία με γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT) των χαρακτηριστικών τάσης και ρεύματος στο φορτίο σε συνθήκες χαμηλού (1,5 kw) και υψηλού φορτίου (6,5 kw). Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 13
Διατάξεων Ανάπτυξη ς β) Ένα πλήρες Φ/Β Σ. μη συνδεδεμένο με το δίκτυο διανομής. Πρόκειται για ένα σύστημα με τη δομή του Σχ. 2.3 που μοντελοποιήθηκε σε LabVIEW). Simulink (Σχ. 2.4 α) και LabVIEW (Σχ. 2.4 β) για τη δημιουργία με γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT) των χαρακτηριστικών που αφορούν την τάση και το ρεύμα στο φορτίο. Σχ. 2.3 Δομικό διάγραμμα του πλήρους Φ/Β συστήματος Σχ. 2.4 α. Μοντέλο του πλήρους Φ/Β Σ. σε Simulink Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 14 Σχ. 2.4 β. Μοντέλο του πλήρους Φ/Β Σ. σε LabVIEW
Διατάξεων Ανάπτυξη ς LabVIEW). γ) Ένα πλήρες Φ/Β Σ. συνδεδεμένο με το δίκτυο διανομής. Πρόκειται για σύστημα με τη δομή του Σχ. 2.3 αλλά και σύνδεση με το δίκτυο διανομής που μοντελοποιήθηκε σε Simulink και LabVIEW για τη δημιουργία με γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT) των χαρακτηριστικών τάσης και ρεύματος στο φορτίο σε συνθήκες χαμηλού (1,5 kw) και υψηλού φορτίου (6,5 kw). Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 15
Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Πρόλογος Διατάξεων α) Για συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας 1000 W/m 2 και θερμοκρασίας 25 C απεικονίστηκαν σε Simulink (Σχ. 2.5) και LabVIEW (Σχ. 2.6) οι χαρακτηριστικές LabVIEW). I-V και P-V. Η σύγκριση με αυτές της κατασκευάστριας εταιρίας (Σχ. 2.2) καθώς και μεταξύ τους (Σχ. 2.7, 2.8) βάσει του συντελεστή προσδιορισμού (R 2 ) κατέδειξε εξαιρετικό βαθμό συσχέτισης. Σχ. 2.5 Γραφικές I-V και P-V (Simulink) Σχ. 2.6 Γραφικές I-V και P-V (LabVIEW) Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 16 Σχ. 2.7 Συσχέτιση τιμών I max σε Simulink και LabVIEW Σχ. 2.8 Συσχέτιση τιμών V max σε Simulink και LabVIEW
Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Πρόλογος Διατάξεων β) Για το μη συνδεδεμένο με το δίκτυο διανομής Φ/Β Σ. οι χαρακτηριστικές και FFT τάσης και ρεύματος στο φορτίο σε Simulink LabVIEW). (Σχ. 2.9, 2.10) και LabVIEW (Σχ. 2.11, 2.12) κατέδειξαν εξαιρετική συσχέτιση. Σχ. 2.9 Γραφική και FFT τάσης στο φορτίο (Simulink) Σχ. 2.10 Γραφική και FFT ρεύματος στο φορτίο (Simulink) Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 17 Σχ. 2.11 Γραφική και FFT τάσης στο φορτίο (LabVIEW) Σχ. 2.12 Γραφική και FFT ρεύματος στο φορτίο (LabVIEW)
Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Πρόλογος Διατάξεων γ) Για το συνδεδεμένο με το δίκτυο Φ/Β Σ. οι χαρακτηριστικές και FFT τάσης και LabVIEW). ρεύματος με φορτίο 1,5 kw αλλά και 6,5 kw σε Simulink (Σχ. 2.13, 2.14) και LabVIEW (Σχ. 2.15, 2.16) είχαν εξαιρετική συσχέτιση. Σχ. 2.13 Γραφική και FFT τάσης σε φορτίο 6,5 kw (Simulink) Σχ. 2.14 Γραφική και FFT ρεύματος σε φορτίο 6,5 kw (Simulink) Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 18 Σχ. 2.15 Γραφική και FFT τάσης σε φορτίο 6,5 kw (LabVIEW) Σχ. 2.16 Γραφική και FFT ρεύματος σε φορτίο 6,5 kw (LabVIEW)
Αναφορές [2] C. Koukouvaos, D. Kandris, M. Samarakou, Computer-Aided Modelling and Analysis of PV Systems: A Comparative Study, The Scientific World Journal, Vol. 2014, Article ID 101056, http://dx.doi.org/10.1155/2014/101056 Διατάξεων Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 19
Διατάξεων Εισαγωγή Οι ηλεκτρικές γεννήτριες σχεδιάζονται για να αποδίδουν καλύτερα υπό συνθήκες σταθερής ταχύτητας περιστροφής και σταθερού φορτίου. Όμως, τέτοιες ιδανικές συνθήκες σπάνια είναι εφικτές κατά τη λειτουργία πραγματικών α. Η παρούσα εργασία [3] ερευνά τη ρύθμιση της τάσης εξόδου συνδεδεμένων με το δίκτυο α συνδεσμολογιών Αστέρα και. Η αποτελεσματικότητα τέτοιων δομών διερευνάται με δοκιμές προσομοίωσης, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση τόσο των εσωτερικών όσο και εξωτερικών παραγόντων. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 20
Σχεδίαση Μοντέλου Πρόλογος Διατάξεων Ένα μοντέλο προσομοίωσης αιολικού πάρκου με 6 ανεμογεννήτριες (Σχ.3.1) αναπτύχθηκε στο περιβάλλον Matlab για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των δ στο δίκτυο α τριών διαφορετικών τύπων (Πίν. 3.1) χρησιμοποιώντας 3 τύπους συνδέσεων: με διακόπτη, με μόνιμη σύνδεση Αστέρα και μόνιμη σύνδεση συνυπολογίζοντας τις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Σχ. 3.1 Εποπτική Εικόνα Μοντέλου Προσομοίωσης Αιολικού Πάρκου Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 21
Σχεδίαση Μοντέλου Πρόλογος Διατάξεων Χαρακτηριστικά Τύπος 1 2 3 Ισχύς 100kW 275kW 1500kW Διάμετρος Ρότορα 20m 32m 77m Πλήθος Πτερυγίων 3 2 3 Ταχύτητα Ενεργοποίησης 4.5m/s 5m/s 3m/s Ταχύτητα Αποκοπής 25m/s 25m/s 25m/s Τάση Εξόδου 400V 400V 690V Συντελεστής Αδράνειας 3.74 3.96 4.38 Πιν. 3.1 Τα χαρακτηριστικά των προσομοιούμενων α Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 22
Αποτελέσματα- Συμπεράσματα Πρόλογος Κάνοντας χρήση του μοντέλου του Σχ. 3.1 σε σενάρια με οξείες (Σχ. 3.2.α), ή ήπιες μεταβολές του ανέμου (Σχ. 3.2.β), προσομοιώθηκε η λειτουργία των α. Διατάξεων α. β. Σχ. 3.2 Τα μοντέλα με α. οξείες και β. ήπιες μεταβολές της ταχύτητας ανέμου Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 23
Διατάξεων Αποτελέσματα- Συμπεράσματα Έτσι καταγράφηκε η αντίστοιχη κύμανση της ισχύος εξόδου των α (Σχ. 3.3). Σχ. 3.3 Συνολική ισχύς αιολικού πάρκου με (a) διακόπτη, (b) μόνιμη σύνδεση Αστέρα και (c) μόνιμη σύνδεση για ανεμ/τριες 100 kw και οξείες μεταβολές ταχ. ανέμου (αριστερά), για ανεμ/τριες 275 kw και οξείες μεταβολές ταχ. ανέμου (κέντρο), και για ανεμ/τριες 100 kw και ήπιες μεταβολές ταχ. ανέμου (δεξιά) Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 24
Αποτελέσματα- Συμπεράσματα Επίσης καταγράφηκε η επίδραση της μεταβολής του συντελεστή αδράνειας στο μεταβατικό φαινόμενο (Σχ. 3.4). Διατάξεων α. β. Σχ. 3.4 Το μεταβατικό ρεύμα ανεμογεννήτριας 100kW κατά τη αλλαγή από αστέρα σε τρίγωνο με μείωση της αδράνειας κατά α. 10% και β. 20% Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 25
Αποτελέσματα- Συμπεράσματα Πρόλογος Διατάξεων Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι : α) η χρήση διακοπτών αστέρα-τριγώνου δεν ενδείκνυται για μεσαίου και μεγάλου μεγέθους ανεμογεννήτριες γιατί το μεταβατικό φαινόμενο της αλλαγής της σύνδεσης από αστέρα σε τρίγωνο είναι καταστροφικά έντονο. β) η χρήση διακοπτών αστέρα-τριγώνου είναι επωφελής για μικρές ανεμογεννήτριες γιατί βελτιώνει το εύρος λειτουργίας τους, επιτρέποντας να παράγουν ενέργεια με χαμηλότερες ταχύτητες ανέμου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας σε οικιακό επίπεδο. γ) Η μείωση της αδράνειας (π.χ. με μείωση του βάρους των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας πιο προηγμένων υλικών) θα μπορούσε μελλοντικά να καταστήσει τη χρήση διακοπτών αστέρατριγώνου ακόμα ελκυστικότερη επιλογή. Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 26
Αναφορές Πρόλογος Διατάξεων [3] P. Fokianou, M. Samarakou, D. Kandris, E.D. Fylladitakis, Star-Delta Switches Evaluation for Use in Grid-Connected Wind Farm Installations, Advances in Mechanical Engineering, Vol. 2014, Article ID 893183, http://dx.doi.org/10.1155/2014/893183 Μ. Σαμαράκου Δ. Κανδρής Σελ. 27