ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΠΟ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Α. Νέρης, Σ. Τσελεπής, Χ. Πρωτογερόπουλος, Ι. Νικολετάτος ΚΑΠΕ Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Τμήμα Φωτοβολταϊκών Συστημάτων 19 ο χλμ. Λεωφόρου Μαραθώνος, 19009, Πικέρμι Τηλ. : +30-210-6603368, Fax: +30-210-6603318 e-mail: mneris@cres.gr, stselep@cres.gr, cprotog@cres.gr, inikol@cres.gr Περίληψη Η λειτουργία μικροδικτύων, δηλαδή τμημάτων του δικτύου διανομής που λειτουργούν αυτόνομα και περιλαμβάνουν μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που συνδέονται σε αυτά μέσω διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος, παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον. Ένα από τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογής τέτοιων συστημάτων, στον Ελληνικό χώρο, είναι η ηλεκτροδότηση μικρών κοινοτήτων οι οποίες βρίσκονται μακριά από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στα πλαίσια ερευνητικών δραστηριοτήτων, συγχρηματοδοτούμενων από την Ευρωπαϊκή Κοινότητα, έχει αναπτυχθεί στο ΚΑΠΕ πειραματική διάταξη, για την διερεύνηση της λειτουργίας τέτοιων συστημάτων. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η παρουσίαση της διάταξης και των σχετικών δραστηριοτήτων στον τομέα αυτό. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η λήψη μέτρων σε παγκόσμια κλίμακα για την προστασία του περιβάλλοντος έχει δώσει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερη ώθηση στην ανάπτυξη τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής, φιλικών προς αυτό. Μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής θεωρούνται αυτές οι οποίες συνδέονται στο δίκτυο διανομής, ή λειτουργούν σε αυτόνομα συστήματα και η ισχύς τους δεν ξεπερνά τα 10 ΜW [1]. Αυτές μπορεί να χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως π.χ. φωτοβολταϊκά συστήματα, ανεμογεννήτριες, μικρά υδροηλεκτρικά κλπ., είτε να είναι μικρές μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας όπως μικροστόβιλοι και κυψέλες καυσίμου. Σημαντικό ρόλο επίσης αναμένεται ότι θα διαδραματίσουν μονάδες διεσπαρμένης αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας όπως μπαταρίες, σφόνδυλοι κ.λ.π. Όταν η τάση εξόδου των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και αποθήκευσης είναι συνεχής ή εναλλασσόμενη αλλά διαφορετικής συχνότητας από αυτή του δικτύου, απαιτείται διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος για την σύνδεση τους με αυτό. Επιπλέον, η χρήση τέτοιων διατάξεων προσφέρει δυνατότητες για γρήγορο και αξιόπιστο έλεγχο της πραγματικής και αέργου ισχύος στην έξοδο τους. Το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι ιδιαίτερα σημαντικό διότι όταν οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής είναι διασυνδεδεμένες με το δίκτυο και ο βαθμός διείσδυσης τους είναι σημαντικός η δυνατότητα συμμετοχής τους στην ρύθμιση συχνότητας και τάσης είναι αναγκαία για την ομαλή λειτουργία του δικτύου. Η ανάγκη αυτή γίνεται περισσότερο επιτακτική στην περίπτωση αυτόνομων συστημάτων, λόγω των περιορισμένων πόρων που διαθέτουν. Η Ελλάδα διαθέτει μεγάλο αριθμό αυτόνομων συστημάτων εγκατεστημένων στα νησιά της. Τα συστήματα αυτά τροφοδοτούνται από συμβατικές μονάδες εσωτερικής καύσης. Λόγω του γεγονότος αυτού αλλά και της μεγάλης εποχικής διακύμανσης της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, το κόστος παραγωγής και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις κινούνται σε σημαντικά υψηλά επίπεδα [2]. Η κατάσταση αυτή μπορεί να βελτιωθεί με την επίτευξη σημαντικού βαθμού διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα συστήματα αυτά, εφόσον αντιμετωπισθούν οι τεχνικές δυσκολίες που υπάρχουν για ένα τέτοιο εγχείρημα. Προς αυτή την κατεύθυνση και στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του, έχει αναπτυχθεί στο ΚΑΠΕ πειραματική διάταξη η οποία αποτελείται από αυτόνομο υβριδικό σύστημα μικρής κλίμακας. Μέσω του εποπτικού συστήματος ελέγχου με το οποίο είναι εφοδιασμένο, δίνεται η δυνατότητα μελέτης διαφόρων στρατηγικών λειτουργίας καθώς και η δυνατότητα συλλογής μετρήσεων για την αξιολόγηση τους. Στο άμεσο μέλλον στο σύστημα αυτό θα εγκατασταθούν νέες μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα μελέτης και αξιολόγησης διαφόρων στρατηγικών ελέγχου των διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται για την σύνδεση τους στο δίκτυο. Ταυτόχρονα το υβριδικό σύστημα θα συνδεθεί με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης ώστε να δοθεί η δυνατότητα μελέτης σχετικών θεμάτων όπως η προστασία της διασύνδεσης, ο συγχρονισμός με το δίκτυο, η επίδραση στην ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος και ο έλεγχος της ροής πραγματικής και αέργου ισχύος. - 1 -
2. ΤΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΥ ΚΑΠΕ A. Περιγραφή του συστήματος ισχύος Στο Σχήμα 1, δίνεται το σχηματικό διάγραμμα του υβριδικού συστήματος του ΚΑΠΕ με τις μονάδες που υπάρχουν και αυτές που πρόκειται να εγκατασταθούν άμεσα. Το σύστημα αυτό αποτελείται από: Δύο φωτοβολταϊκά συστήματα ονομαστικής ισχύος 1.1kWp και 4.4kWp αντίστοιχα, που συνδέονται στο δίκτυο μέσω μονοφασικών αντιστροφέων. Μονάδα μπαταριών για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, χωρητικότητας 40kWh που συνδέεται στο δίκτυο μέσω τριφασικού αντιστροφέα. Μονάδα μπαταριών για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, χωρητικότητας 40kWh που συνδέεται στο δίκτυο μέσω τριών μονοφασικών αντιστροφέων οι οποίοι είναι εφοδιασμένοι με κατάλληλο σύστημα ελέγχου ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν σαν τριφασική μονάδα (μελλοντική σύνδεση). Ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, ισχύος 12kVA. Το σύστημα ρύθμισης της συχνότητας του ζεύγους μπορεί να λειτουργήσει είτε ισόχρονα, είτε με βάση στατικές χαρακτηριστικές πτώσης της συχνότητας με την πραγματική ισχύ εξόδου (droop control). Ο δεύτερος τρόπος χρησιμοποιείται όταν το ζεύγος πρέπει να συγχρονιστεί με κάποια άλλη μονάδα και για αυτό τον λόγο υπάρχει διάταξη συγχρονισμού στην έξοδο του. Ηλεκτρικά φορτία αποτελούμενα από ωμικές αντιστάσεις και επαγωγικούς κινητήρες. Σχήμα 1. Σχηματικό διάγραμμα του υβριδικού συστήματος. Για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος, υπάρχουν δύο δυνατές διαμορφώσεις. Στην πρώτη εξ αυτών, μία από τις μονάδες, λειτουργεί ως πρωτεύουσα (master unit) και δημιουργεί ένα τριφασικό σύστημα τάσεων με το οποίο συγχρονίζονται οι υπόλοιπες, οι οποίες λειτουργούν σαν πηγές ρεύματος (slave units). Στην περίπτωση που λειτουργεί το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, αναλαμβάνει τον ρόλο της πρωτεύουσας μονάδας. Εάν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να καλυφθεί από την ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά και τις μπαταρίες, είναι δυνατόν το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος να τεθεί εκτός λειτουργίας και ένας από τους αντιστροφείς μπαταριών να λειτουργήσει ως τριφασική πηγή τάσεως στην οποία θα συγχρονισθούν οι υπόλοιπες μονάδες. Κατά αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η οικονομικότερη λειτουργία του συστήματος. Στην προηγούμενη διαμόρφωση, το εποπτικό σύστημα ελέγχου είναι υπεύθυνο για την κατανομή ισχύος στις μονάδες και για κάτι τέτοιο απαιτείται κατάλληλο σύστημα επικοινωνίας. Εάν οι αντιστροφείς μπορούν να καθορίσουν με βάση τοπικά διαθέσιμες μετρήσεις την πραγματική και άεργο ισχύ στην έξοδο τους προκύπτουν μια σειρά από πλεονεκτήματα. Αυτά μεταξύ άλλων περιλαμβάνουν, την ευκολία επέκτασης του συστήματος, την αύξηση της αξιοπιστίας του καθώς μειώνεται η εξάρτηση της λειτουργίας του από το εποπτικό σύστημα ελέγχου, την μείωση των απαιτήσεων του εποπτικού συστήματος ελέγχου και του συστήματος επικοινωνίας, [3]. Σύμφωνα με την κατεύθυνση αυτή, οι τρεις μονοφασικοί αντιστροφείς μπαταριών, που αναφέρθηκαν νωρίτερα, μπορούν να λειτουργήσουν - 2 -
βασισμένοι σε στατικές χαρακτηριστικές πραγματικής ισχύος/συχνότητας και αέργου ισχύος/τάσεως, [4], όπως οι συμβατικές γεννήτριες. Κατά αυτό τον τρόπο η κατανομή ισχύος μεταξύ αυτών και του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους γίνεται χωρίς την παρέμβαση του εποπτικού συστήματος ελέγχου. B. Διασύνδεση με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης Σκοπός της διάταξης η οποία θα χρησιμοποιηθεί για την διασύνδεση του υβριδικού συστήματος με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, είναι η λήψη όλων των απαραίτητων μέτρων προστασίας καθώς και η δυνατότητα μετάβασης από αυτόνομη σε διασυνδεδεμένη λειτουργία και αντίστροφα, εφόσον το επιτρέπουν τα χαρακτηριστικά των μονάδων που βρίσκονται σε λειτουργία. Όσον αφορά τα θέματα προστασίας και προκειμένου να ακολουθηθεί η πρακτική που χρησιμοποιείται σε τέτοιες περιπτώσεις [5], θα χρησιμοποιηθούν δύο ψηφιακές μονάδες οι οποίες περιλαμβάνουν ηλεκτρονόμους προστασίας από υπόταση, υπέρταση, υποσυχνότητα, υπερσυχνότητα και απότομη μεταβολή διανύσματος. Επιπλέον θα υπάρχει προστασία από υπερφόρτωση ή βραχυκύκλωμα της γραμμής διασύνδεσης. Προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα μετάβασης από αυτόνομη σε διασυνδεδεμένη λειτουργία θα χρησιμοποιηθεί διάταξη επιτήρησης των συνθηκών παραλληλισμού. Τέλος στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο θα υπάρχει αναλυτής ηλεκτρικής ενέργειας ο οποίος θα παρέχει την δυνατότητα μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών όπως ενεργές τιμές τάσεων και ρευμάτων, ισχείς και συντελεστής ισχύος. Γ. Εποπτικό σύστημα ελέγχου Το εποπτικό σύστημα ελέγχου το οποίο έχει αναπτυχθεί, επιτρέπει την επίβλεψη της λειτουργίας του συστήματος, μέσω της συλλογής μετρήσεων και πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση των διαφόρων συνιστωσών του, την αποστολή ψηφιακών και αναλογικών σημάτων ελέγχου καθώς και την εισαγωγή στρατηγικών ελέγχου για την αυτοματοποιημένη λειτουργία του υβριδικού. Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται ενδεικτικά δύο από τις οθόνες του εποπτικού συστήματος. Το φυσικό μέσο για την επικοινωνία με τις μονάδες ισχύος είναι ένα σειριακό βιομηχανικό fieldbus. Η διαχείριση του μέσου αυτού γίνεται από μία κάρτα ελέγχου η οποία είναι εγκαταστημένη στον προσωπικό υπολογιστή όπου είναι εγκατεστημένη και η εφαρμογή του εποπτικού συστήματος ελέγχου. Από την πλευρά του υβριδικού συστήματος, σε κάθε μονάδα ισχύος υπάρχουν αναλογικές και ψηφιακές μονάδες εισόδων/εξόδων για την ανταλλαγή σημάτων. Για την επικοινωνία του εποπτικού συστήματος με την κάρτα ελέγχου, χρησιμοποιείται η τεχνολογία OPC (OLE for process control), [6]. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στην αρχή Client-server. Ο OPC server είναι λογισμικό το οποίο χειρίζεται την λειτουργία της κάρτας ελέγχου και παρέχει τα σήματα εισόδων/εξόδων στον OPC client που είναι η εφαρμογή εποπτικού ελέγχου. Η ανταλλαγή σημάτων στηρίζεται σε μια σειρά από προδιαγραφές οι οποίες έχουν αναπτυχθεί από τον μη κερδοσκοπικό οργανισμό OPC Foundation προκειμένου να προωθηθεί η διαφανής συνεργασία μεταξύ λογισμικών και υλικού προερχόμενων από διαφορετικούς κατασκευαστές. Η Τεχνολογία OPC θα χρησιμοποιηθεί και για την εποπτεία της διασύνδεσης με το δίκτυο χαμηλής τάσης, προκειμένου να είναι διαθέσιμες στο εποπτικό σύστήμα ελέγχου οι μετρήσεις του αναλυτή ενέργειας, καθώς πληροφορίες από τις μονάδες προστασίας σχετικά με την κατάσταση της διασύνδεσης (ενεργοποίηση ηλεκτρονόμων). Επιπλέον η ίδια τεχνολογία θα χρησιμοποιηθεί και για την επικοινωνία με τους νέους αντιστροφείς μπαταριών που πρόκειται να εγκατασταθούν στο υβριδικό, προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής των παραμέτρων των στατικών χαρακτηριστικών ελέγχου τους. Σχήμα 2. Κύρια οθόνη εποπτικού συστήματος ελέγχου και οθόνη για τον έλεγχο του αντιστροφέα μπαταριών. - 3 -
3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ A. Αξιολόγηση πρωτότυπου αντιστροφέα για την σύνδεση φωτοβολταϊκού συστήματος σε αυτόνομο δίκτυο Όπως είναι γνωστό, οι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται για την σύνδεση φωτοβολταϊκών συστημάτων με το δίκτυο, είναι εφοδιασμένες με κατάλληλο σύστημα ελέγχου ώστε να εξασφαλίζεται η μέγιστη απομάστευση ισχύος (maximum power point tracking). Σε ένα αυτόνομο δίκτυο, όπου η διείσδυση από φωτοβολταϊκά συστήματα είναι σημαντικά χαμηλότερη από την στιγμιαία ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, η ρύθμιση συχνότητας στο δίκτυο δεν αναμένεται να επηρεαστεί από την λειτουργία των φωτοβολταϊκών. Εφόσον όμως αυτή η κατάσταση αντιστραφεί, προκύπτουν προβλήματα εάν οι υπάρχουσες θερμικές μηχανές φτάσουν στο τεχνικό ελάχιστο λειτουργίας τους και δεν υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης του πλεονάσματος ενέργειας. Προκειμένου να αντιμετωπισθούν αυτά τα προβλήματα, θα πρέπει οι αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συστημάτων να επιτηρούν τη συχνότητα του δικτύου και να μπορούν να μειώσουν την ισχύ εξόδου τους, όταν η συχνότητα υπερβεί κάποιο καθορισμένο όριο. Αυτή η λειτουργία μπορεί να γίνει σύμφωνα με κάποια στατική χαρακτηριστική ελέγχου, όπως γίνεται στον έλεγχο συμβατικών γεννητριών (droop control). Στα πλαίσια ερευνητικού έργου που αφορούσε την μελέτη των δυνατοτήτων να αυξηθεί η διείσδυση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε νησιωτικά δίκτυα [7], κατασκευάστηκε από εταιρεία φωτοβολταϊκός αντιστροφέας εφοδιασμένος με τέτοιου τύπου σύστημα ελέγχου. Η αξιολόγηση της λειτουργίας του έγινε στο υβριδικό σύστημα του ΚΑΠΕ. Στο Σχήμα 3 απεικονίζονται μετρήσεις της ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, σε συνάρτηση με την συχνότητα του δικτύου. Όταν η συχνότητα υπερβεί τα 52Hz ενεργοποιείται το σύστημα ελέγχου και μειώνει την ισχύ στο 20% της διαθέσιμης, ενώ όταν η συχνότητα φτάσει στα 54Hz η ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα μηδενίζεται. Για συχνότητες μικρότερες από 50Hz ο αντιστροφέας λειτουργεί στο 100% της διαθέσιμης ισχύος μέχρι τα 46Hz όπου διακόπτει την λειτουργία του για λόγους προστασίας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η λειτουργία του συστήματος ελέγχου παρουσιάζει κάποια προβλήματα, καθώς η ισχύς εξόδου αυξάνεται στιγμιαία, για μερικά λεπτά και μειώνεται ξανά στην συνέχεια. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην λειτουργία του αλγορίθμου μέγιστης απομάστευσης ισχύος. PV AC Power versus Grid Frequency AC PV Power in W 1800 58 1600 56 1400 54 1200 52 1000 800 50 600 48 400 46 200 44 0 42 12:50:00 pm 12:51:10 pm 12:52:20 pm 12:53:30 pm 12:54:40 pm 12:55:50 pm 12:57:00 pm 12:58:10 pm 12:59:20 pm 1:00:30 pm 1:01:40 pm 1:02:50 pm 1:04:01 pm 1:05:11 pm 1:06:21 pm 1:07:31 pm 1:08:41 pm 1:09:51 pm 1:11:06 pm 1:12:17 pm 1:13:28 pm 1:14:39 pm 1:15:49 pm 1:16:59 pm 1:18:09 pm 1:19:24 pm 1:20:42 pm Time PV Power P1 Frequency Frequency in Hz Σχήμα 3. Ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα σε συνάρτηση με την συχνότητα του δικτύου. Μία σημαντική παράμετρος για την λειτουργία φωτοβολταϊκών αντιστροφέων είναι ο βαθμός απόδοσης τους. Στα πλαίσια της αξιολόγησης του παραπάνω αντιστροφέα, έγιναν μια σειρά μετρήσεων προκειμένου να εκτιμηθεί αυτή η παράμετρος, τμήμα των οποίων δίνεται στο αριστερό διάγραμμα του Σχήματος 4. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα αυτό, από τις μετρήσεις σχηματίζονται δύο καμπύλες. Η υψηλότερη καμπύλη αντιστοιχεί σε μετρήσεις που έγιναν όταν ο αντιστροφέας λειτουργούσε στο βέλτιστο σημείο και απεικονίζει τον βαθμό απόδοσης του. Η χαμηλότερη καμπύλη - 4 -
αντιστοιχεί σε μετρήσεις οι οποίες έγιναν σε χρονικές στιγμές όπου ο αντιστροφέας δεν λειτουργούσε στο βέλτιστο σημείο. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι όταν διεξήχθη το πείραμα υπήρχε σημαντική διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας και ο αλγόριθμος μέγιστης απομάστευσης ισχύος εκτελείται κάθε 5 λεπτά. Στο δεξιό διάγραμμα του Σχήματος 4 απεικονίζονται οι μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας, ρόζ καμπύλη και της ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, μπλέ καμπύλη. Από τις καμπύλες αυτές είναι εμφανής η καθυστέρηση που παρουσιάζει ο αλγόριθμος απομάστευσης μεγίστης ισχύος στην παρακολούθηση των μεταβολών της ηλιακής ακτινοβολίας. Σχήμα 4. Μετρήσεις του βαθμού απόδοσης του αντιστροφέα (αρριστερά) και χρονοσειρές ηλιακής ακτινοβολίας και ηλεκτρικής ισχύος (δεξιά). B. Αξιολόγηση στρατηγικών διαχείρισης φορτίου σε αυτόνομο δίκτυο Σε νησιωτικά δίκτυα που τροφοδοτούνται από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, είναι επιθυμητό να επιτευχθούν μια σειρά από στόχους οι οποίοι περιλαμβάνουν: Τη μεγιστοποίηση της διείσδυσης από ανανεώσιμες πηγές. Την ελαχιστοποίηση της χρήσης των ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Την αποδοτική λειτουργία των ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Τη βέλτιστη χρήση της πλεονάζουσας ενέργειας. Την αποφυγή υποβάθμισης της ποιότητας ισχύος. Η διαχείριση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να συντελέσει στην επίτευξη των στόχων αυτών. Η ικανότητα ελέγχου δευτερευόντων φορτίων όπως θερμαντήρες νερού, αντλίες ή μονάδες αφαλάτωσης μπορεί να αξιοποιηθεί προκειμένου να μπορεί το αυτόνομο ηλεκτρικό σύστημα να απορροφήσει το πλεόνασμα ανανεώσιμης ενέργειας ή να λειτουργήσουν τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη στην επιθυμητή ισχύ εξόδου και έτσι να επιτευχθεί καλύτερη αξιοποίηση του καυσίμου. Επιπλέον είναι επιθυμητό να επιτευχθεί μία όσο το δυνατόν ομαλότερη φόρτιση των ηλεκτροπαραγωγών ζευγών, προκειμένου να μειωθεί η καταπόνηση των μηχανικών τμημάτων τους. Προκειμένου να διερευνηθούν τα πλεονεκτήματα της διαχείρισης της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, διεξήχθη μια σειρά πειραμάτων στο υβριδικό σύστημα του ΚΑΠΕ, βλέπετε [8]. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών έδειξαν ότι, σε ένα αυτόνομο δίκτυο που τροφοδοτείται από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη και φωτοβολταϊκά συστήματα, η ένταξη στρατηγικών διαχείρισης της ζήτησης στο εποπτικό σύστημα ελέγχου μπορεί να έχει θετικά αποτελέσματα στην αποδοτικότερη λειτουργία του συστήματος. Ένα από τα πειράματα που έγιναν, αποσκοπούσε στην αξιολόγηση της δυνατότητας να χρησιμοποιηθεί ο αντιστροφέας μπαταριών προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα ισχύος και να επιτευχθεί σταθερή φόρτιση του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους σε συνδυασμό με ελεγχόμενα φορτία ώστε να λειτουργεί το ζεύγος πιο αποδοτικά. Κατά την διάρκεια του πειράματος, ο αντιστροφέας λειτουργούσε ως πηγή τάσης, ελέγχοντας το πλάτος της τάσης και την συχνότητα. Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος συγχρονίστηκε με την τάση του αντιστροφέα, λειτουργώντας με droop control και η χαρακτηριστική ελέγχου του μετατοπίσθηκε κατάλληλα ώστε η ισχύς εξόδου του να είναι 6.5kW. Στο εποπτικό σύστημα ελέγχου του υβριδικού ενσωματώθηκε ένας απλός αλγόριθμος ελέγχου για την διαχείριση των δευτερευόντων φορτίων. Ο αλγόριθμος αυτός αποσυνδέει ή συνδέει τα φορτία αυτά με στόχο την μείωση της ισχύος που τροφοδοτείται ή απορροφάται από τον αντιστροφέα μπαταριών. Επιπλέον στον αλγόριθμο υπάρχει κατάλληλη χρονική καθυστέρηση ώστε να υπάρχει η δυνατότητα διάκρισης μεταξύ μεταβατικών και μόνιμων καταστάσεων λειτουργίας. - 5 -
Στο Σχήμα 5 απεικονίζονται οι ροές ισχύος κατά την διάρκεια του πειράματος. Αρχικά η ισχύς που απορροφάται από τα πρωτεύοντα φορτία (γαλάζια καμπύλη) είναι μηδενική και ο αλγόριθμος διαχείρισης της ζήτησης ενεργοποιεί τα κατάλληλα δευτερεύοντα φορτία, ώστε η κατανάλωση ισχύος τους (κίτρινη καμπύλη) να καλύψει την ισχύ που παράγεται από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (μπλέ καμπύλη). Κάθε φορά που λαμβάνει χώρα μια βηματική αύξηση της ισχύος των πρωτευόντων φορτίων, η ισχύς εξόδου του αντιστροφέα μπαταριών (κόκκινη καμπύλη) αυξάνεται προκειμένου να καλύψει την διαφορά ισχύος. Στην συνέχεια, ο αλγόριθμος διαχείρισης της ζήτησης αποσυνδέει τα αντίστοιχα φορτία, προκειμένου να οδηγηθεί η ισχύς εξόδου του αντιστροφέα μπαταριών κοντά στο μηδέν. Σχήμα 5. Μετρήσεις ροών ισχύος. Στο αριστερό διάγραμμα του Σχήματος 6 απεικονίζεται η συχνότητα του συστήματος, η οποία διατηρείται σταθερή κοντά στην τιμή των 50Hz. Κατά την διάρκεια του πειράματος η ισχύς εξόδου του ζεύγους παρέμεινε σχεδόν σταθερή, ίση περίπου με 6.5kW. Από τις μετρήσεις ισχύος και ρυθμού κατανάλωσης καυσίμου υπολογίστηκε η ειδική κατανάλωση καυσίμου κατά την διάρκεια του πειράματος, βλέπετε Σχήμα 6, δεξιό διάγραμμα. Η τιμή της υπολογίσθηκε σε 0.38l/kWh και είναι σχεδόν ίση με τη βέλτιστη των 0.35l/kWh. Σχήμα 6. Μετρήσεις συχνότητας και ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. - 6 -
4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ένα από τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογής για μικροδίκτυα είναι η ηλεκτροδότηση μικρών κοινοτήτων, μακριά από το διασυνδεδεμένο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Προκειμένου να διερευνηθούν τα λειτουργικά προβλήματα που εμφανίζονται σε τέτοια συστήματα, έχει δημιουργηθεί στο ΚΑΠΕ πιλοτική διάταξη η οποία χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση βέλτιστων στρατηγικών που θα επιτρέψουν την μετατροπή νησιωτικών δικτύων τροφοδοτούμενων από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη σε υβριδικά συστήματα, όπου η μεγαλύτερη διείσδυση ισχύος θα προέρχεται από διεσπαρμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η διάταξη αυτή πρόκειται στο άμεσο μέλλον να αναβαθμιστεί με την προσθήκη νέων μονάδων και την σύνδεση με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Στην εργασία αυτή παρουσιάσθηκε η δομή της πειραματικής διάταξης, με έμφαση στα τεχνικά χαρακτηριστικά των μονάδων ισχύος, τις δυνατότητες λειτουργίας του υβριδικού και το εποπτικό σύστημα ελέγχου που έχει αναπτυχθεί. Προκειμένου να δοθεί μια εικόνα των ερευνητικών δραστηριοτήτων που έχουν διεξαχθεί στο υβριδικό σύστημα, παρουσιάσθηκαν ενδεικτικά απότελέσματα από πειράματα που έγιναν για την αξιολόγηση πρωτότυπου φωτοβολταϊκού αντιστροφέα για διασύνδεση σε αυτόνομο δίκτυο και την αποτίμηση των πλεονεκτημάτων από την εφαρμογή τεχικών διαχείρισης της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτόνομα συστήματα. 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] CIGRE WG C6.01, Development of dispersed generation and consequences for power systems, July 2003. [2] P. Strauss, W. Kleinkauf, J. Reekers, G. Gramer, G. Betzios, Kythnos island- 19 years experience of renewable energy integration, International Conference Renewable energies for islands, towards 100% RES supply, Chania-Crete, Greece, 14-16 July, 2001. [3] A. Engler, C. Hardt, N. Bechtel, M. Rothert, Next generation of AC coupled Hybrid systems, 2 nd European PV- Hybrid and Mini-Grid Conference, 25-26 September 2003, Kassel, Germany, pp. 85-90 [4] A. Arulampalam, Control of power electronic interfaces in distributed generation microgrids, draft paper for the International Journal of Electronics, http://microgrids.power.ece.ntua.gr. [5] Τεχνικές προδιαγραφές για τη σύνδεση παραγωγών στα δίκτυα διανομής, Οδηγία ΔΕΗ αρ. 129, Μάιος 2004. [6] www.opc.org [7] S. Tselepis, PV System Technology Development for the Gradual Penetration of Photovoltaics into Island Grids, EC Joule Project No JOR3-CT97-0158, final report, November 2000. [8] A. Neris, S. Tselepis, C. Protogeropoulos, Description of a simulated micro-grid test facility and results from system testing under different load control strategies, Session IIIc, Impact on system operation and control centres tools. Proceedings of the CIGRE Symposium, Power systems with dispersed generation, 13-16 April 2005, Athens, Greece. - 7 -