Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση Πρόγραμμα Δια Βίου Μάθησης ΑΕΙ για την Επικαιροποίηση Γνώσεων Αποφοίτων ΑΕΙ: Σύγχρονες Εξελίξεις στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης (5. 5.3) Έλεγχος Α/Γ και Διασύνδεση με το Δίκτυο Χάρης Δημουλιάς Επίκουρος Καθηγητής, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ chdimoul@auth.gr
Γενική δομή συστήματος ισχύος Α/Γ Το Μηχανικό Σύστημα ελέγχεται για ρύθμιση: 1. Της περιστροφικής ταχύτητας 2. Της κλίσης των πτερυγίων 3. Της κλίσης του δρομέα της Α/Γ ως προς την κατεύθυνση του αέρα Το ηλεκτρικό σύστημα ελέγχεται για ρύθμιση: 1. Της ενεργού ισχύος προς το δίκτυο 2. Της αέργου ισχύος από/προς το δίκτυο 3. Της τάσης στο σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο. Άμεση ζεύξη με το δίκτυο Λόγω της άμεσης ζεύξης η τάση και η συχνότητα της γεννήτριας προσδιορίζονται από το δίκτυο και είναι σταθερές. Για κάθε είδος γεννήτριας (σύγχρονη, ασύγχρονη), η σταθερή συχνότητα επιβάλει και σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Επομένως δεν υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPPT). Η ασύγχρονη γεννήτρια καταναλώνει άεργο ισχύ εξαρτώμενη μόνο από το μέγεθος της ενεργού, δηλαδή μη ελεγχόμενη. Με σύγχρονη γεννήτρια εξωτερικής διέγερσης μπορεί να ελεγχτεί η άεργος ισχύς. Με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη η άεργος ισχύς ελέγχεται σε μικρό βαθμό.
Έμμεση ζεύξη με το δίκτυο με AC DC AC μετατροπείς. Οι μετατροπείς ac dc ac μπορούν να βρίσκονται: 1. Στο στάτη της μηχανής. Έχουν ισχύ όση και η μηχανή 2. Στο δρομέα της μηχανής. Η ισχύς τους είναι ένα κλάσμα της ισχύος της μηχανής. Δομή του AC DC AC μετατροπέα. Μετατροπέας γεννήτριας Πυκνωτής εξομάλυνσης Μετατροπέας δικτύου Ελεγχόμενος διακόπτης με αντιπαράλληλη δίοδο. Συχνότητα μετάβασης: khz
Δομή του AC DC AC μετατροπέα. Μετατροπέας γεννήτριας Πυκνωτής εξομάλυνσης Μετατροπέας δικτύου Η ύπαρξη του DC link απομονώνει την γεννήτρια από το δίκτυο. Η συχνότητα και επομένως η ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας μπορεί να είναι οποιαδήποτε. Αυτό δίνει την δυνατότητα λειτουργίας στο μέγιστο βαθμό αεροδυναμικό βαθμό απόδοσης. Δομή του AC DC AC μετατροπέα. Μετατροπέας γεννήτριας Πυκνωτές εξομάλυνσης Μετατροπέας δικτύου Σε Α/Γ μεγάλης ισχύος (>2MW) χρησιμοποιούνται μετατροπείς τριών επιπέδων για αύξηση της τάσης και επομένως μείωση του ρεύματος
Λειτουργία στον βέλτιστο βαθμό απόδοσης. Επιθυμητή είναι η λειτουργία επάνω στην κόκκινη διακεκομμένη γραμμή καθώς μεταβάλλεται η ταχύτητα v, του ανέμου. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο με την χρήση μετατροπέων. Για σύγκριση φαίνεται και η περίπτωση μηχανής με δύο μόνον επίπεδα στροφών. Έλεγχος με Ασύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Έλεγχος κλίσης πτερυγίων Έλεγχος ενεργής (P) και άεργης (Q) Ισχύος
Έλεγχος με Ασύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο διότι είναι δύσκολο να κατασκευαστούν τέτοιες μηχανές με πολλούς πόλους. Ουσιαστικά ελέγχονται τα ρεύματα του δρομέα και έτσι η ενεργός και άεργος ισχύς για ταχύτητες περιστροφής ±30% της ονομαστικής. Ο μετατροπέας έχει μόνο το 30% της ισχύος της μηχανής Έλεγχος με Ασύγχρονη Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Δρομέα Ισχύς του μετατροπέα είναι κλάσμα της ισχύος της μηχανής. Σε συνθήκες χαμηλής ή μέσης ισχύος ο διακόπτης SW1 ανοίγει ενώ οι SW2, SW3 κλείνουν. Έτσι, απομονώνεται η μηχανή και μπορεί να λειτουργεί με μη σύγχρονες στροφές στον βέλτιστο βαθμό απόδοσης. Σε συνθήκες μεγάλης ισχύος o SW2 ανοίγει ενώ οι SW1, SW3 είναι κλειστοί. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου μπορεί να ρυθμίσει την άεργο ισχύ και την αρμονική παραμόρφωση.
Έλεγχος με Ασύγχρονη Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Δρομέα Σε αυτή την διάταξη γίνεται επίσης ανεξάρτητος έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος. Ο μετατροπέας όμως έχει ισχύ όση και η μηχανή. Σε σφάλματα δικτύου η συνεισφορά σε ρεύμα είναι μικρή λόγω του μετατροπέα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο διότι δεν είναι εύκολη η κατασκευή ασύγχρονων μηχανών με πολλούς πόλους. Έλεγχος με Σύγχρονη Γεννήτρια Συχνότητα που καθορίζεται ρζ από την περιστροφική ταχύτητα Συχνότητα δικτύου Σε μηχανή με εξωτερική διέγερση ο μετατροπέας αυτός μπορεί να είναι πλήρης ή με διόδους. Στην δεύτερη περίπτωση απαιτείται και μικρός μετατροπέας για τον έλεγχο της διέγερσης.
Έλεγχος με Σύγχρονη Γεννήτρια Συχνότητα που καθορίζεται ρζ από την περιστροφική ταχύτητα Συχνότητα δικτύου Σε μηχανή με μόνιμους μαγνήτες ο μετατροπέας αυτός μπορεί να είναι πλήρης ή με διόδους. Στην δεύτερη περίπτωση απαιτείται και μετατροπέας ανύψωσης dc dc ανάλογης ισχύος. Έλεγχος με Σύγχρονη Γεννήτρια Οι μηχανές αυτές μπορούν να κατασκευασθούν με πολλούς πόλους εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη του κιβωτίου ταχυτήτων. Ο μετατροπέας έχει ισχύ ίση με αυτήν της μηχανής.
Γενική διάταξη ελέγχου Γενική διάταξη ελέγχου Το Μηχανικό Σύστημα Ελέγχου ελέγχει την γωνία κλίσης των πτερυγίων με στόχο 1. Τον περιορισμό της ισχύος 2. Την μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης 3. Τον περιορισμό της περιστροφικής ταχύτητας Το Ηλεκτρικό Σύστημα Ελέγχου ελέγχει 1. Την διασύνδεση με το δίκτυο 2. Την ροή ενεργού και αέργου ισχύος 3. Το σύστημα ηλεκτρικής προστασίας
Γενική διάταξη ελέγχου Σε επίπεδα ισχύος μικρότερης της ονομαστικής, η ταχύτητα περιστροφής μεταβάλλεται αναλογικά με την ταχύτητα του ανέμου. Η κλίση των πτερυγίων διατηρείται σταθερή. Όταν η ισχύς του ανέμου είναι μεγαλύτερη ή ίση της ονομαστικής ισχύος της Α/Γ, η κλίση των πτερυγίων μεταβάλλεται με στόχο να διατηρηθεί η ισχύς της Α/Γ ίση με την ονομαστική. Γενική διάταξη ελέγχου Ο μετατροπέας στην πλευρά της γεννήτριας ελέγχεται ώστε να εξαχθεί η μέγιστη ισχύς από τον αέρα. Ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχεται έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή η dc τάση. Οι μεταβλητές κατάστασης του LCL φίλτρου ελέγχονται για λόγους ευστάθειας.
Έλεγχος του μετατροπέα της γεννήτριας σε ασύγχρονες μηχανές Οι διακόπτες του μετατροπέα αυτού ελέγχονται με την μέθοδο του προσανατολισμού πεδίου (field oriented control, FOC) έτσι ώστε να ρυθμίζονται τα ρεύματα του στάτη της γεννήτριας σύμφωνα με την επιθυμητή ενεργό ισχύ, P ref. Ταυτόχρονα πρέπει να ικανοποιούνται οι περιορισμοί για το μέγεθος των ρευμάτων και την μαγνητική ροή (έμμεσα την επιβαλλόμενη τάση) Έλεγχος του μετατροπέα της γεννήτριας σε σύγχρονες μηχανές Στην παραλλαγή που φαίνεται εδώ ο μετατροπέας είναι ένας απλός Στην παραλλαγή που φαίνεται εδώ ο μετατροπέας είναι ένας απλός ανορθωτής με διόδους. Στο dc μέρος ένας dc dc μετατροπέας ανύψωσης ρυθμίζει το dc ρεύμα έτσι ώστε να αντιστοιχεί σε στην επιθυμητή ισχύ Pref. Τα ρεύματα του στάτη της γεννήτριας έχουν σημαντική 5 η και 7 η αρμονική και απαιτούν την χρήση φίλτρων. Η μέθοδος αυτή έχει εφαρμοσθεί εκτεταμένα σε σύγχρονες μηχανές πολλών πόλων όπου δεν υπάρχει το κιβώτιο ταχυτήτων.
Έλεγχος του μετατροπέα της γεννήτριας σε σύγχρονες μηχανές Στην παραλλαγή που φαίνεται εδώ ο μετατροπέας της γεννήτριας είναι πλήρως ελεγχόμενος. Οι διακόπτες του μετατροπέα αυτού ελέγχονται με την μέθοδο του προσανατολισμού πεδίου (field oriented control, FOC) έτσι ώστε να ρυθμίζονται τα ρεύματα του στάτη της γεννήτριας σύμφωνα με την επιθυμητή ενεργό ισχύ, P ref. Ταυτόχρονα πρέπει να ικανοποιούνται οι περιορισμοί για το μέγεθος των ρευμάτων και την μαγνητική ροή (με στόχο την μείωση των απωλειών σιδήρου). Έλεγχος του μετατροπέα της γεννήτριας σε ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα Εδώ ο έλεγχος των διακοπτών του μετατροπέα γίνεται με στόχο να καθορισθεί το ρεύμα του δρομέα της μηχανής. Ελέγχοντας τις δύο συνιστώσες του ρεύματος (στο σύστημα dq) μπορούμε να προσδιορίζουμε την ενεργό και άεργο ισχύ του στάτη. Ένα μικρό μέρος της ισχύος πηγαίνει στο δίκτυο μέσω του δρομέα.
Έλεγχος του μετατροπέα δικτύου Ο έλεγχος των διακοπτών του μετατροπέα γίνεται με στόχο να διατηρηθεί σταθερή η dc τάση και να καθορισθεί η ανταλλαγή άεργης ισχύος με το δίκτυο. Διατηρώντας την dc τάση σταθερή εξασφαλίζεται η διέλευση της ενεργού ισχύος από την μηχανή στο δίκτυο. Έλεγχος του μετατροπέα δικτύου Ε: Τάση δικτύου V: Τάση μετατροπέα V L : πτώση τάσης στο πηνίο του φίλτρου (a): P~0 (μόνον απώλειες μετατροπέα), Q=0 (b): P>0, Q=0 (c): P=0, Q>0 (d): P=0, Q<0 ()P0Q (e): P>0, Q>0 (f): P>0, Q<0