Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Αθηνάς Παπαευαγγέλου του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου: 7358 Θέμα «Μοντελοποίηση και απευθείας έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη σε λειτουργία μικροδικτύου» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος 2015

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μοντελοποίηση και απευθείας έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη σε λειτουργία μικροδικτύου» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αθηνάς Παπαευαγγέλου του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου: 7358 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μοντελοποίηση και απευθείας έλεγχος ισχύος σε ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη σε λειτουργία μικροδικτύου» Φοιτήτρια Αθηνά Παπαευαγγέλου Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Περίληψη Οικονομικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες έχουν οδηγήσει τις τελευταίες δεκαετίες στην αλματώδη ανάπτυξη και διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Παράλληλα, καθώς η δομή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας αλλάζει, με μονάδες κατανεμημένης παραγωγής να εγκαθίστανται πλησίον των θέσεων ζήτησης, η ιδέα των μικροδικτύων, που περιλαμβάνουν φιλικές προς το περιβάλλον μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και σύγχρονα συστήματα επικοινωνίας, προστασίας και ελέγχου, γίνεται ολοένα και πιο ελκυστική. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μοντελοποίηση και τον έ- λεγχο μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη, στην περίπτωση απευθείας σύνδεσής της με το δίκτυο αλλά και στην περίπτωση που αυτή αποτελεί μέρος ενός μικροδικτύου. Στο Κεφάλαιο 1 εξηγούνται οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και παρατίθενται στατιστικά στοιχεία για το μερίδιο που κατέχουν σήμερα στην παγκόσμια αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, δίνοντας έμφαση στην αιολική ενέργεια. Επιπλέον, περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά της κατανεμημένης παραγωγής και των μικροδικτύων. Τέλος, πραγματοποιείται μία συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων μονάδων κατανεμημένης παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η βασική θεωρία που διέπει τη λειτουργία των ανεμογεννητριών και οι τεχνολογίες ανεμογεννητριών που εφαρμόζονται σήμερα. Ακόμη, περιγράφονται οι συνήθεις τοπολογίες των αιολικών συστημάτων και πάρκων και αναφέρονται οι κύριες απαιτήσεις που έχει το δίκτυο από αυτά. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά γίνεται αναφορά στα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος και στη συνέχεια πραγματοποιείται μία συνοπτική παρουσίαση των ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος που βρίσκουν εφαρμογή στα αιολικά συστήματα καθώς επίσης και των μεθόδων παλμοδότησής τους. Στο Κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται η μοντελοποίηση μίας ανεμογεννήτριας μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Ειδικότερα, μετά από μία σύντομη περιγραφή της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη, με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Park εξάγεται το μαθηματικό μοντέλο της συγκεκριμένης γεννήτριας και των μετατροπέων του εν λόγω αιολικού συστήματος στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Επιπλέον, παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό μέρος της ανεμογεννήτριας.

Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφονται διάφορες τεχνικές εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος και ελέγχου της γωνίας βήματος των πτερυγίων των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας. Ακόμη, παρουσιάζονται οι συνήθεις τεχνικές ελέγχου των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος που περιλαμβάνονται στα αιολικά συστήματα μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Τέλος, γίνεται ε- φαρμογή των παραπάνω τεχνικών ελέγχου, και πιο συγκεκριμένα του ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο, του ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση και του απευθείας ελέγχου ισχύος, στο αιολικό σύστημα του Κεφαλαίου 4. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μιας ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη σε απευθείας σύνδεση με το δίκτυο. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ενός μικροδικτύου αποτελούμενου από μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη, μία συστοιχία συσσωρευτών και ένα τοπικό φορτίο. Ειδικότερα, εξετάστηκαν τόσο η παραλληλισμένη με το δίκτυο λειτουργία του μικροδικτύου όσο και η αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 παρατίθενται τα κυριότερα συμπεράσματα και παρατηρήσεις που προέκυψαν κατά την εκπόνηση και με το πέρας αυτής της διπλωματικής εργασίας.

Abstract Economic and environmental factors have led in recent decades to the rapid development and penetration of renewable energy sources into power systems. In parallel, while the structure of the power systems is changing, with distributed generation units being installed near the loads, the concept of microgrids, which include environmentally friendly energy generation and storage units and modern communication, protection and control systems, is becoming more and more attractive. This thesis deals with modeling and control of a variable speed wind turbine with a permanent magnet synchronous generator, in the case of it being direct connected to the grid and in the case of it being part of a microgrid. In Chapter 1 the reasons which led to the development of renewable energy sources are explained and statistical data on their share on the global electricity market are given, with an emphasis on wind energy. Moreover, the main characteristics of distributed generation and microgrids are described. Finally, a short presentation of the main distributed generation and storage units is taking place. In Chapter 2 the basic theory governing the operation of wind turbines and wind turbine technologies applied nowadays are presented. Furthermore, the usual topologies of wind energy systems and wind farms are described and the main grid requirements are mentioned. In Chapter 3 firstly reference is made to the power electronics and thereafter an overview of power converters used in wind energy conversion systems and their switching schemes is taking place. In Chapter 4 the model of a variable speed wind turbine with a permanent magnet synchronous generator is introduced. In particular, after a short description of permanent magnet synchronous generator, the mathematical model of the specific generator and the power converters of the above-mentioned wind energy system in the d-q reference frame is extracted using Park transformation. Moreover, the equations that describe the mechanical part of the wind turbine are presented. In Chapter 5 various maximum power point tracking and pitch angle control techniques of variable speed wind turbines are described. In addition, the most common control techniques of power converters in variable speed wind energy systems with permanent magnet synchronous generator are presented. Finally, the above-mentioned techniques, more specifically field oriented control (FOC), voltage oriented control (VOC) and direct power control (DPC), are implemented on the wind energy system presented in Chapter 4. In Chapter 6 the simulation results of a grid-connected wind turbine with a permanent magnet synchronous generator are presented. In Chapter 7 the simulation results of a microgrid consisting of a permanent magnet synchronous generator wind turbine, a battery bank and a local load are presented. In particular, both grid-connected and islanded modes of the microgrid were examined. Finally, in Chapter 8 the main conclusions and observations of this thesis are listed.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστώ θερμά τον καθηγητή μου και επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την πολύτιμη βοήθειά του, την ενθάρρυνση και την καθοδήγηση που μου προσέφερε κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διδακτορικό φοιτητή του Τμήματος Κωνσταντίνο Κρομμύδα για τον χρόνο που διέθεσε, την καθοριστική συμβολή του στο στάδιο της προσομοίωσης και τις καίριες συμβουλές του. Τέλος, ευχαριστώ θερμά τον διδακτορικό φοιτητή του Τμήματος Μιχαήλ Μπουρδούλη για την προθυμία του να απαντήσει στις απορίες μου.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... I ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... V ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... IX 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 1 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.2. ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΚΑΙ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ... 1 1.3. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 2 1.3.1. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας σήμερα... 3 1.3.2. Η Αιολική Ενέργεια παγκοσμίως, στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στην Ελλάδα... 5 1.4. ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 8 1.4.1. Μονάδες παραγωγής ενέργειας... 11 1.4.2. Μονάδες αποθήκευσης ενέργειας... 13 1.4.3. Χαρακτηριστικά λειτουργίας μικροδικτύων... 17 2. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ... 21 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 21 2.2. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - ΒΑΣΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ... 21 2.2.1. Κατανομή ταχύτητας ανέμου... 21 2.2.2. Ισχύς ανέμου... 23 2.2.3. Άνωση και αντίσταση... 26 2.2.4. Θεωρία πτερύγωσης... 27 2.3. ΜΕΓΙΣΤΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΕΓΙΣΤΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ... 29 2.4. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ... 31 2.4.1. Δομή ανεμογεννητριών... 31 2.4.2. Ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα... 33 2.4.3. Ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας... 35 2.4.4. Γωνία βήματος πτερυγίου και απώλεια στήριξης... 36 2.5. ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 39 2.5.1. Αιολικά συστήματα σταθερής ταχύτητας... 40 2.5.2. Αιολικά συστήματα μεταβλητής ταχύτητας... 41 2.6. ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ... 43 i

2.7. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΟΥ... 44 3. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ... 47 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 47 3.2. ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΙΣΧΥΟΣ... 48 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣ... 52 3.3.1. Ρυθμιστής τάσης AC... 52 3.3.2. Συσκευές αντιστάθμισης αέργου ισχύος... 53 3.3.3. Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος... 53 3.3.3.1. Ανορθωτής... 55 3.3.3.2. Αντιστροφέας... 56 3.3.3.3. Μετατροπέας ανύψωσης τάσης... 58 3.3.3.4. Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης... 59 3.3.3.5. Μετατροπέας υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης... 60 3.3.3.6. Μετατροπέας συχνότητας... 62 3.4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ... 62 3.4.1. Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών... 63 3.4.1. Τεχνική Ελέγχου Ρεύματος σε Βρόχο Υστέρησης... 65 3.4.2. Τεχνική Επιλεκτικής Απαλοιφής Αρμονικών... 66 3.4.3. Διαμόρφωση Διανύσματος Χώρου... 67 4. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ... 71 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 71 4.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ... 72 4.3. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK... 79 4.4. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ ΣΤΟ d-q ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ... 80 4.5. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΣΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ d-q ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 84 4.6. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ... 87 4.6.1. Μοντέλο δύο μαζών... 88 4.6.2. Μοντέλο μίας μάζας... 89 5. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ... 91 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 91 ii

5.2. ΕΥΡΕΣΗ ΣΗΜΕΙΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ... 92 5.2.1. MPPT με βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου... 92 5.2.2. MPPT με καμπύλη μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας... 93 5.2.3. MPPT με βέλτιστη ροπή... 94 5.2.4. MPPT με αλγόριθμο ανάβασης λόφου... 94 5.3. ΕΛΕΓΧΟΣ ΓΩΝΙΑΣ ΒΗΜΑΤΟΣ ΠΤΕΡΥΓΙΟΥ... 95 5.4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ 96 5.4.1. Έλεγχος μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 96 5.4.2. Έλεγχος μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 99 5.5. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ... 101 5.5.1. Πλευρά της μηχανής: Έλεγχος με προσανατολισμό στο πεδίο (FOC)... 101 5.5.1.1. Ελεγκτές ρεύματος... 103 5.5.1.2. Ελεγκτής ταχύτητας... 105 5.5.2. Πλευρά του δικτύου: Έλεγχος με προσανατολισμό στην τάση (VOC)... 107 5.5.2.1. Ελεγκτές ρεύματος... 108 5.5.2.2. Ελεγκτής τάσης DC διασύνδεσης... 109 5.5.3. Πλευρά του δικτύου: Απευθείας έλεγχος ισχύος (DPC)... 111 5.5.3.1. Ελεγκτές ενεργού και αέργου ισχύος... 112 5.5.3.2. Ελεγκτής τάσης DC διασύνδεσης... 114 6. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ ΣΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ... 115 6.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 115 6.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 115 6.2.1. Μοντέλο ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη... 117 6.2.2. Μοντέλο μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 118 6.2.3. Μοντέλο DC διασύνδεσης... 119 6.3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΦΑΡΜΟΖΟΜΕΝΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ... 120 6.3.1. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 120 6.3.2. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 121 6.4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ... 121 7. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 133 7.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 133 7.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 133 7.2.1. Μοντέλο συσσωρευτή... 135 7.2.2. Μοντέλο DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 137 7.2.3. Μοντέλο μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 138 iii

7.2.4. Μοντέλο DC διασύνδεσης... 139 7.3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΦΑΡΜΟΖΟΜΕΝΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ... 139 7.3.1. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 139 7.3.2. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 140 7.3.3. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 140 7.3.4. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του συσσωρευτή... 142 7.4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΕΝΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ... 143 7.4.1. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου υπό σταθερό φορτίου και απαιτήσεις ισχύος... 143 7.4.2. Μεταβολή φορτίου υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου και απαιτήσεις ισχύος... 160 7.4.3. Μεταβολή απαιτήσεων ισχύος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου και φορτίο... 176 7.5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ... 183 7.5.1. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου υπό σταθερό φορτίο... 184 7.5.2. Μεταβολή φορτίου υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου... 197 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 207 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 211 iv

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχ. 1.1 Μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως... 4 Σχ. 1.2 Συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση [GW]... 4 Σχ. 1.3 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς παγκοσμίως [GW]... 5 Σχ. 1.4 Οι χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ παγκοσμίως... 6 Σχ. 1.5 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση [GW]... 6 Σχ. 1.6 Χάρτης εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη [GW]... 7 Σχ. 1.7 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ελλάδα [ΜW]... 8 Σχ. 1.8 Δομή μικροδικτύου... 10 Σχ. 1.9 Δομή και λειτουργία ηλιακού κυττάρου... 11 Σχ. 1.10 Δομή και λειτουργία κυττάρου καυσίμου... 13 Σχ. 1.11 Παράδειγμα μικροδικτύου... 17 Σχ. 2.1 Χάρτης αιολικού δυναμικού Ελλάδας... 22 Σχ. 2.2 Κατανομή ταχύτητας του ανέμου με χρήση των κατανομών Weibull και Rayleigh... 23 Σχ. 2.3 Σωλήνας ροής του αέρα δια του νοητού δίσκου... 25 Σχ. 2.4 Άνωση και αντίσταση... 26 Σχ. 2.5 Τομή πτερυγίου ανεμογεννήτριας... 27 Σχ. 2.6 Διάγραμμα συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ για διάφορες τιμές της γωνίας βήματος πτερυγίου β... 29 Σχ. 2.7 Δομή ανεμογεννήτριας... 31 Σχ. 2.8 Άτρακτος ανεμογεννήτριας... 32 Σχ. 2.9 Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα και κατακόρυφου άξονα... 34 Σχ. 2.10 Τυπική χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-ταχύτητας... 36 Σχ. 2.11 Έλεγχος γωνίας βήματος... 37 Σχ. 2.12 Έλεγχος απώλειας στήριξης... 38 Σχ. 2.13 Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας χωρίς μετατροπέα ισχύος... 40 Σχ. 2.14 Ανεμογεννήτρια με επαγωγική γεννήτρια με μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα... 41 Σχ. 2.15 Ανεμογεννήτρια με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας... 42 Σχ. 2.16 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με μετατροπέα πλήρους κλίμακας... 43 Σχ. 2.17 Γενική δομή αιολικών πάρκων... 43 Σχ. 2.18 Περιοχή λειτουργίας για συχνότητα και τάση και απαιτούμενες χρονικές ανοχές... 45 Σχ. 2.19 Καμπύλη τάσης για αδιάλειπτη λειτουργία ανεμογεννητριών... 46 Σχ. 3.1 Δίοδος: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 49 Σχ. 3.2 Θυρίστορ: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 49 Σχ. 3.3 GTO thyristor: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 50 Σχ. 3.4 BJT: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 51 Σχ. 3.5 MOSFET: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 51 Σχ. 3.6 IGBT: (a) Κυκλωματικό σύμβολο, (b) i-v χαρακτηριστική... 52 Σχ. 3.7 Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με soft starter και συστοιχία πυκνωτών... 53 Σχ. 3.8 Τριφασικός ανορθωτής γέφυρας με διόδους... 55 Σχ. 3.9 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος τριφασικού ανορθωτή γέφυρας με διόδους... 56 Σχ. 3.10 Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης (VSI)... 57 Σχ. 3.11 Κυματομορφή πολικής τάσης εξόδου τριφασικού αντιστροφέα τάσης... 57 v

Σχ. 3.12 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με ανορθωτή με διόδους, μετατροπέα boost και αντιστροφέα... 58 Σχ. 3.13 Μετατροπέας Boost... 58 Σχ. 3.14 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος για λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) μετατροπέα Boost... 59 Σχ. 3.15 Μετατροπέας Buck... 60 Σχ. 3.16 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος για λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) μετατροπέα Buck... 60 Σχ. 3.17 Μετατροπέας Buck/Boost... 61 Σχ. 3.18 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος για λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM) μετατροπέα Buck/Boost... 61 Σχ. 3.19 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με back-to-back μετατροπέα... 62 Σχ. 3.20 Παραγωγή παλμών SPWM και κυματομορφή πολικής τάσης εξόδου τριφασικού αντιστροφέα τάσης... 65 Σχ. 3.21 Παραγωγή παλμών PWM με την τεχνική ελέγχου ρεύματος σε βρόχο υστέρησης... 66 Σχ. 3.22 Κυματομορφή φασικής τάσης τριφασικού αντιστροφέα με SHEPWM... 67 Σχ. 3.23 Αναπαράσταση του διανύσματος χώρου... 68 Σχ. 4.1 Ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη... 71 Σχ. 4.2 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη... 73 Σχ. 4.3 Τύποι μόνιμων μαγνητών... 74 Σχ. 4.4 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη με εξωτερικούς μαγνήτες (surface-mounted PMSG)... 75 Σχ. 4.5 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη με μαγνήτες κάτω από την επιφάνεια του δρομέα (inset PMSG)... 75 Σχ. 4.6 Δρομείς με εσωτερικούς μαγνήτες για σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (buried PMSG) 76 Σχ. 4.7 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη ακτινικής ροής (radial flux PMSG)... 77 Σχ. 4.8 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής (axial flux PMSG)... 77 Σχ. 4.9 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη εγκάρσιας ροής (transversal flux PMSG)... 78 Σχ. 4.10 Μοντέλο σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς: (a) κύκλωμα d-άξονα, (b) κύκλωμα q-άξονα... 82 Σχ. 4.11 Μοντέλο δύο μαζών... 87 Σχ. 5.1 Διάγραμμα ελέγχου λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου... 92 Σχ. 5.2 Τυπική καμπύλη μέγιστης ισχύος ανεμογεννήτριας... 93 Σχ. 5.3 Διάγραμμα ελέγχου με καμπύλη μέγιστης ισχύος ανεμογεννήτριας... 93 Σχ. 5.4 Διάγραμμα ελέγχου με βέλτιστη ροπή... 94 Σχ. 5.5 Διάγραμμα ελέγχου με αλγόριθμο ανάβασης λόφου... 94 Σχ. 5.6 Τυπική καμπύλη γωνίας βήματος πτερυγίου συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου... 95 Σχ. 5.7 Διάγραμμα ελέγχου γωνίας βήματος πτερυγίου... 96 Σχ. 5.8 Διάγραμμα ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο του δρομέα (rotor field oriented control, RFOC)... 97 Σχ. 5.9 Διάγραμμα απευθείας ελέγχου ροπής (direct torque control, DTC)... 99 Σχ. 5.10 Διάγραμμα ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση (voltage oriented control, VOC)... 100 Σχ. 5.11 Διάγραμμα απευθείας ελέγχου ισχύος (direct power control, DPC)... 100 Σχ. 5.12 Δομικό διάγραμμα ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη... 101 Σχ. 5.13 Διάγραμμα ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής (FOC)... 102 Σχ. 5.14 Δομικό διάγραμμα ελεγκτή ρεύματος... 104 Σχ. 5.15 Δομικό διάγραμμα ελεγκτή ταχύτητας... 106 Σχ. 5.16 Διάγραμμα ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου (VOC)... 108 vi

Σχ. 5.17 Δομικό διάγραμμα ελεγκτή τάσης DC διασύνδεσης... 110 Σχ. 5.18 Διάγραμμα ελέγχου του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου (DPC)... 111 Σχ. 5.19 Δομικό διάγραμμα ελεγκτή ενεργού/αέργου ισχύος... 113 Σχ. 5.20 Δομικό διάγραμμα ελεγκτή τάσης DC διασύνδεσης... 114 Σχ. 6.1 Δομικό διάγραμμα εξεταζόμενου αιολικού συστήματος... 115 Σχ. 6.2 Διάγραμμα ταχύτητας ανέμου... 122 Σχ. 6.3 Διάγραμμα ταχύτητας περιστροφής δρομέα ανεμογεννήτριας... 123 Σχ. 6.4 Διάγραμμα λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου... 124 Σχ. 6.5 Διάγραμμα συντελεστή ισχύος ανεμογεννήτριας... 124 Σχ. 6.6 Διάγραμμα μηχανικής ροπής ανεμογεννήτριας... 125 Σχ. 6.7 Διάγραμμα μηχανικής ισχύος ανεμογεννήτριας... 125 Σχ. 6.8 Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα d... 127 Σχ. 6.9 Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα q... 127 Σχ. 6.10 Διάγραμμα ηλεκτρομαγνητικής ροπής μηχανής... 128 Σχ. 6.11 Διάγραμμα ενεργού ισχύος μηχανής... 128 Σχ. 6.12 Διάγραμμα αέργου ισχύος μηχανής... 129 Σχ. 6.13 Διάγραμμα συντελεστή ισχύος μηχανής... 129 Σχ. 6.14 Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 130 Σχ. 6.15 Διάγραμμα ενεργού ισχύος δικτύου... 131 Σχ. 6.16 Διάγραμμα αέργου ισχύος δικτύου... 131 Σχ. 7.1 Δομικό διάγραμμα εξεταζόμενου μικροδικτύου... 134 Σχ. 7.2 Ηλεκτρικό μοντέλο συσσωρευτή... 135 Σχ. 7.3 Κυκλωματικό διάγραμμα DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 137 Σχ. 7.4 (i) Διάγραμμα ταχύτητας ανέμου... 144 Σχ. 7.5 (i) Διάγραμμα ταχύτητας περιστροφής δρομέα ανεμογεννήτριας... 145 Σχ. 7.6 (i) Διάγραμμα μηχανικής ροπής ανεμογεννήτριας... 145 Σχ. 7.7 (i) Διάγραμμα μηχανικής ισχύος ανεμογεννήτριας... 146 Σχ. 7.8 (i) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα d... 146 Σχ. 7.9 (i) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα q... 147 Σχ. 7.10 (i) Διάγραμμα ηλεκτρομαγνητικής ροπής μηχανής... 148 Σχ. 7.11 (i) Διάγραμμα ενεργού ισχύος μηχανής... 148 Σχ. 7.12 (i) Διάγραμμα αέργου ισχύος μηχανής... 149 Σχ. 7.13 (i) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 149 Σχ. 7.14 (i) Διάγραμμα ενεργού ισχύος δικτύου... 150 Σχ. 7.15 (i) Διάγραμμα αέργου ισχύος δικτύου... 150 Σχ. 7.16 (i) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 151 Σχ. 7.17 (i) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα d... 152 Σχ. 7.18 (i) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα q... 152 Σχ. 7.19 (i) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα d... 153 Σχ. 7.20 (i) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα q... 153 Σχ. 7.21 (i) Διάγραμμα ενεργού ισχύος φορτίου... 154 Σχ. 7.22 (i) Διάγραμμα αέργου ισχύος φορτίου... 154 Σχ. 7.23 (i) Διάγραμμα συνολικής ενεργού ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 155 Σχ. 7.24 (i) Διάγραμμα συνολικής αέργου ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 155 Σχ. 7.25 (i) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 156 Σχ. 7.26 (i) Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 157 Σχ. 7.27 (i) Διάγραμμα στάθμης φόρτισης συστοιχίας συσσωρευτών... 158 vii

Σχ. 7.28 (i) Διάγραμμα ρεύματος συστοιχίας συσσωρευτών... 159 Σχ. 7.29 (i) Διάγραμμα τάσης συστοιχίας συσσωρευτών... 159 Σχ. 7.30 (i) Διάγραμμα λόγου κατάτμησης DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 160 Σχ. 7.31 (ii) Διάγραμμα τιμής αντίστασης φορτίου... 161 Σχ. 7.32 (ii) Διάγραμμα ταχύτητας περιστροφέας δρομέα ανεμογεννήτριας... 162 Σχ. 7.33 (ii) Διάγραμμα μηχανικής ροπής ανεμογεννήτριας... 162 Σχ. 7.34 (ii) Διάγραμμα μηχανικής ισχύος ανεμογεννήτριας... 163 Σχ. 7.35 (ii) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα d... 163 Σχ. 7.36 (ii) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα q... 164 Σχ. 7.37 (ii) Διάγραμμα ηλεκτρομαγνητικής ροπής μηχανής... 164 Σχ. 7.38 (ii) Διάγραμμα ενεργού ισχύος μηχανής... 165 Σχ. 7.39 (ii) Διάγραμμα αέργου ισχύος μηχανής... 165 Σχ. 7.40 (ii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 166 Σχ. 7.41 (ii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 167 Σχ. 7.42 (ii) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα d... 168 Σχ. 7.43 (ii) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα q... 168 Σχ. 7.44 (ii) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα d... 169 Σχ. 7.45 (ii) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα q... 170 Σχ. 7.46 (ii) Διάγραμμα ενεργού ισχύος φορτίου... 170 Σχ. 7.47 (ii) Διάγραμμα αέργου ισχύος φορτίου... 171 Σχ. 7.48 (ii) Διάγραμμα συνολικής ενεργού ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 171 Σχ. 7.49 (ii) Διάγραμμα συνολικής αέργου ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 172 Σχ. 7.50 (ii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 173 Σχ. 7.51 (ii) Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 173 Σχ. 7.52 (ii) Διάγραμμα στάθμης φόρτισης συστοιχίας συσσωρευτών... 174 Σχ. 7.53 (ii) Διάγραμμα ρεύματος συστοιχίας συσσωρευτών... 175 Σχ. 7.54 (ii) Διάγραμμα τάσης συστοιχίας συσσωρευτών... 175 Σχ. 7.55 (ii) Διάγραμμα λόγου κατάτμησης DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 176 Σχ. 7.56 (iii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 177 Σχ. 7.57 (iii) Διάγραμμα ενεργού ισχύος δικτύου... 178 Σχ. 7.58 (iii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου... 179 Σχ. 7.59 (iii) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 180 Σχ. 7.60 (iii) Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 180 Σχ. 7.61 (iii) Διάγραμμα στάθμης φόρτισης συστοιχίας συσσωρευτών... 181 Σχ. 7.62 (iii) Διάγραμμα ρεύματος συστοιχίας συσσωρευτών... 182 Σχ. 7.63 (iii) Διάγραμμα τάσης συστοιχίας συσσωρευτών... 182 Σχ. 7.64 (iii) Διάγραμμα λόγου κατάτμησης DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 183 Σχ. 7.65 (iv) Διάγραμμα ταχύτητας ανέμου... 184 Σχ. 7.66 (iv) Διάγραμμα ταχύτητας περιστροφής δρομέα ανεμογεννήτριας... 185 Σχ. 7.67 (iv) Διάγραμμα μηχανικής ροπής ανεμογεννήτριας... 185 Σχ. 7.68 (iv) Διάγραμμα μηχανικής ισχύος ανεμογεννήτριας... 186 Σχ. 7.69 (iv) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα d... 186 Σχ. 7.70 (iv) Διάγραμμα ρεύματος του στάτη στον άξονα q... 187 Σχ. 7.71 (iv) Διάγραμμα ηλεκτρομαγνητικής ροπής μηχανής... 187 Σχ. 7.72 (iv) Διάγραμμα ενεργού ισχύος μηχανής... 188 Σχ. 7.73 (iv) Διάγραμμα αέργου ισχύος μηχανής... 189 Σχ. 7.74 (iv) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 189 Σχ. 7.75 (iv) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα q... 190 Σχ. 7.76 (iv) Διάγραμμα ενεργού ισχύος φορτίου... 191 viii

Σχ. 7.77 (iv) Διάγραμμα συνολικής ενεργού ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 192 Σχ. 7.78 (iv) Διάγραμμα συνολικής αέργου ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 192 Σχ. 7.79 (iv) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 193 Σχ. 7.80 (iv) Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 194 Σχ. 7.81 (iv) Διάγραμμα στάθμης φόρτισης συστοιχίας συσσωρευτών... 195 Σχ. 7.82 (iv) Διάγραμμα ρεύματος συστοιχίας συσσωρευτών... 195 Σχ. 7.83 (iv) Διάγραμμα τάσης συστοιχίας συσσωρευτών... 196 Σχ. 7.84 (iv) λόγου κατάτμησης DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 196 Σχ. 7.85 (v) Διάγραμμα τιμής αντίστασης φορτίου... 197 Σχ. 7.86 (v) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής... 198 Σχ. 7.87 (v) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα d... 199 Σχ. 7.88 (v) Διάγραμμα τάσης φορτίου στον άξονα q... 199 Σχ. 7.89 (v) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα d... 200 Σχ. 7.90 (v) Διάγραμμα ρεύματος στην πλευρά του φορτίου στον άξονα q... 200 Σχ. 7.91 (v) Διάγραμμα ενεργού ισχύος φορτίου... 201 Σχ. 7.92 (v) Διάγραμμα αέργου ισχύος φορτίου... 201 Σχ. 7.93 (v) Διάγραμμα συνολικής ενεργού ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 202 Σχ. 7.94 (v) Διάγραμμα συνολικής αέργου ισχύος στην πλευρά του φορτίου... 202 Σχ. 7.95 (v) Διάγραμμα ρεύματος στην DC πλευρά του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου... 203 Σχ. 7.96 (v) Διάγραμμα τάσης DC διασύνδεσης... 204 Σχ. 7.97 (v) Διάγραμμα στάθμης φόρτισης συστοιχίας συσσωρευτών... 204 Σχ. 7.98 (v) Διάγραμμα ρεύματος συστοιχίας συσσωρευτών... 205 Σχ. 7.99 (v) Διάγραμμα τάσης συστοιχίας συσσωρευτών... 205 Σχ. 7.100 (v) Διάγραμμα λόγου κατάτμησης DC-DC μετατροπέα δύο κατευθύνσεων... 206 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3-1 Διακοπτικές καταστάσεις... 67 Πίνακας 3-2 Διανύσματα Χώρου... 69 Πίνακας 6-1 Παράμετροι αιολικού συστήματος... 116 Πίνακας 6-2 Παράμετροι ελεγκτών στην πλευρά της μηχανής... 120 Πίνακας 6-3 Παράμετροι ελεγκτών στην πλευρά του δικτύου... 121 Πίνακας 7-1 Παράμετροι μικροδικτύου... 134 Πίνακας 7-2 Παράμετροι ελεγκτών στην πλευρά του δικτύου... 140 Πίνακας 7-3 Παράμετροι ελεγκτών στην πλευρά του φορτίου... 141 Πίνακας 7-4 Παράμετροι ελεγκτών στην πλευρά της συστοιχίας των συσσωρευτών... 142 ix

x

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την έννοια της ενέργειας. Οι πηγές από τις οποίες αντλεί ενέργεια ο άνθρωπος είναι τα ορυκτά καύσιμα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η πυρηνική ενέργεια. Σήμερα το 82% της ενέργειας παγκοσμίως παράγεται από το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και τον άνθρακα, το 13% από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η υδροηλεκτρική, η αιολική και η ηλιακή ενέργεια, και το υπόλοιπο 5% από την πυρηνική ενέργεια. [1] Σε αυτό το εισαγωγικό κεφάλαιο περιγράφονται οι λόγοι που οδήγησαν στην ταχεία ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια, δίνεται ο ορισμός τους και επισημαίνονται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Επίσης παρατίθενται στοιχεία που αφορούν το μερίδιο που κατέχουν οι ήπιες μορφές ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σήμερα, τόσο σε παγκόσμιο επίπεδο όσο και στην Ευρωπαϊκή Ένωση, δίνοντας έμφαση στην αιολική ενέργεια. Στη συνέχεια περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά της κατανεμημένης παραγωγής καθώς επίσης και των μικροδικτύων, οι έννοιες των οποίων είναι συνυφασμένες με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τέλος, πραγματοποιείται μία συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων μονάδων παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που βρίσκουν εφαρμογή στα μικροδίκτυα. 1.2. ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΚΑΙ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Η τεράστια τεχνολογική ανάπτυξη των τελευταίων δεκαετιών και η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου σε συνδυασμό με την αύξηση του πληθυσμού της Γης οδήγησαν στην αλματώδη αύξηση των ενεργειακών αναγκών, οι οποίες καλύπτονταν σχεδόν αποκλειστικά από ορυκτά καύσιμα, δηλαδή πετρέλαιο, άνθρακα και φυσικό αέριο. Η εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης το 1973, όταν ο Οργανισμός Εξαγωγών Πετρελαιοπαραγωγών Χωρών (Organization of the Petroleum Exporting Countries, OPEC) ανέβασε την τιμή του πετρελαίου, είχε σαν αποτέλεσμα τη συνειδητοποίηση του ενεργειακού προβλήματος. [2] Η ουσία του ενεργειακού προβλήματος εντοπίζεται στη συσχέτιση των εξαντλούμενων ενεργειακών αποθεμάτων με τις ολοένα αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες. Η αβεβαιότητα της επάρκειας και της σταθερότητας της ενεργειακής τροφοδοσίας, το πεπερασμένο των συμβατικών ενεργειακών πόρων, η ανοδική τάση των τιμών της ενέργειας καθώς και άλλοι οικονομικοί και πολιτικοί παράγοντες αποτελούν τις παραμέτρους του παγκόσμιου αυτού προβλήματος. 1

Παράλληλα με το ενεργειακό πρόβλημα, το αρνητικό αντίκτυπο των συμβατικών πηγών ενέργειας στο περιβάλλον έρχεται να προσθέσει ένα ακόμα μειονέκτημα στη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Ως γνωστόν, η καύση των ορυκτών καυσίμων συμβάλλει στη ρύπανση της ατμόσφαιρας με την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα αλλά και άλλων επιβλαβών ουσιών, όπως οξείδια του αζώτου, οξείδια του θείου και διοξείδιο του θείου. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα των συμβατικών σταθμών παραγωγής είναι υπεύθυνες σε μεγάλο ποσοστό για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη, την τήξη των πάγων, την άνοδο της στάθμης της θάλασσας και τις κλιματικές αλλαγές. Επιπλέον, τα παραγόμενα νιτρικά, θειικά ή ανθρακικά οξέα συμβάλλουν στον σχηματισμό της όξινης βροχής. Από την καύση των ορυκτών καυσίμων απελευθερώνονται επίσης ραδιενεργές ουσίες, οι οποίες περιέχονται σε μικρές ποσότητες σε αυτά, καθώς και άλλα τοξικά απόβλητα. Ένα ακόμα αρνητικό παράγωγο των συμβατικών σταθμών είναι η τέφρα που εκλύεται, με δυσμενείς συνέπειες στην ανθρώπινη υγεία. Τέλος, στην επιβάρυνση του περιβάλλοντος συμβάλλουν τόσο οι μέθοδοι εξόρυξης όσο και η μεταφορά των ορυκτών καυσίμων. Από τα παραπάνω γίνεται εμφανής η ανάγκη για ελαχιστοποίηση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων. Υιοθετώντας μία στρατηγική εξοικονόμησης ενέργειας, μειώνοντας τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και υποκαθιστώντας τις συμβατικές πηγές ενέργειας με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι δυνατόν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά το ενεργειακό και οικολογικό πρόβλημα. 1.3. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας ή νέες πηγές ενέργειας ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον. Η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας ενώ αποτελούν λύση στο πρόβλημα της αναμενόμενης εξάντλησης των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων. Οι κυριότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι: Υδροηλεκτρική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Ενέργεια από βιομάζα Γεωθερμική ενέργεια Ενέργεια των ωκεάνιων κυμάτων Παλιρροϊκή ενέργεια 2

Η αξιοποίηση των ήπιων μορφών ενέργειας επιφέρει πληθώρα πλεονεκτημάτων. O χαρακτηρισμός «ήπιες» υποδηλώνει ότι οι ΑΠΕ είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο, έχοντας μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Επιπλέον, είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Ένα ακόμα πλεονέκτημα των ΑΠΕ είναι ότι αποτελούν εγχώριες πηγές ενέργειας και μπορούν να συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών. Ακόμη, είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες, οδηγώντας στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, με αποτέλεσμα την κατάργηση της ανάγκης για τεράστιες μονάδες παραγωγής και της μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις. Τέλος, ο εξοπλισμός τους έχει απλή κατασκευή, μικρές απαιτήσεις σε συντήρηση, χαμηλό λειτουργικό κόστος και μεγάλο χρόνο ζωής. Ωστόσο, ορισμένα χαρακτηριστικά των ΑΠΕ δυσχεραίνουν την αξιοποίησή τους και την ταχεία ανάπτυξή τους. Το κυριότερο μειονέκτημα είναι ο χαμηλός συντελεστής ισχύος τους, με αποτέλεσμα για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας να απαιτούνται εκτεταμένες εγκαταστάσεις και μεγάλο αρχικό κόστος. Επίσης, παρουσιάζουν διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους, καθώς η παροχή και η απόδοση τουλάχιστον της υδροηλεκτρικής, της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας εξαρτώνται από την εποχή του έτους και από τις καιρικές συνθήκες. Έτσι, η χρήση τους συνοδεύεται από εφεδρικές ενεργειακές πηγές ή δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. Ένας ακόμη λόγος που η αξιοποίηση των ΑΠΕ είναι ακόμα περιορισμένη είναι το υψηλό κόστος της επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος συγκριτικά με τις σημερινές τιμές των καυσίμων. 1.3.1. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας σήμερα Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σήμερα κατέχουν ένα σημαντικό ποσοστό στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως. Την τελευταία δεκαετία (2004 έως το τέλος του 2013) εγκαταστάθηκαν περίπου 760 GW ισχύος αποκλειστικά από υδροηλεκτρικούς, αιολικούς, ηλιακούς, γεωθερμικούς σταθμούς και σταθμούς με χρήση βιομάζας, βιοαερίων ή βιοκαυσίμων. Αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος είναι η συνολική εγκατεστημένη ισχύς που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να ανέρχεται σήμερα στα 1560 GW. [3] Στο σχήμα 1.1 φαίνεται το εκτιμώμενο μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως στο τέλος του 2013, σύμφωνα με την έκθεση του Δικτύου Πολιτικής Ανανεώσιμων Πηγών για τον 21 ο Αιώνα (Renewable Energy Policy Network for the 21 st Century, REN21). Όπως φαίνεται, η υδροηλεκτρική ενέργεια δεσπόζει ανάμεσα στις ανανεώσιμες πηγές κατέχοντας το 16,4% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 3

Σχ. 1.1 Μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως [3] Όσον αφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση, η εγκατεστημένη ισχύς που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι περίπου 360 GW, τα οποία αντιστοιχούν στο 40% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος. [4] Στο σχήμα 1.2 παρουσιάζεται το ποσοστό συμμετοχής των διάφορων πηγών ε- νέργειας στη συνολική εγκατεστημένη ισχύ στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα έτη 2000 και 2013. Εύκολα διακρίνει κανείς τη μεγάλη αύξηση των ποσοστών της αιολικής και ηλιακής ενέργειας αλλά και του φυσικού αερίου σε βάρος του άνθρακα, του πετρελαίου και της πυρηνικής ενέργειας. Σχ. 1.2 Συνολική εγκατεστημένη ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση [GW] [4] Σύμφωνα με την οδηγία 2001/77/ΕΚ από το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο, επιδιώκεται μέχρι το 2020 το 20% των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια στην Ευρωπαϊκή Ένωση να καλύπτεται από εναλλακτικές πηγές. Επιπλέον, έχουν τεθεί ως στόχοι η μείωση κατά 20% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990 και η αύξηση κατά 20% της ενεργειακής αποδοτικότητας. [5] 4

1.3.2. Η Αιολική Ενέργεια παγκοσμίως, στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στην Ελλάδα Η αιολική ενέργεια αποτελεί μία ελκυστική λύση στην αντιμετώπιση του ενεργειακού και περιβαλλοντικού προβλήματος. Εκτός από άφθονη, είναι μία καθαρή πηγή ενέργειας που δεν εκλύει αέρια του θερμοκηπίου ή άλλους ρύπους και δεν μολύνει το περιβάλλον. Επιπλέον, το «καύσιμο», δηλαδή ο άνεμος, είναι δωρεάν και ευρέως κατανεμημένο, επιφέροντας μεγάλα οικονομικά οφέλη από την αξιοποίησή του σε εθνικό επίπεδο, με κυριότερο την ανεξαρτησία από τις εισαγωγές ορυκτών καυσίμων σε απρόβλεπτες τιμές. Για τους παραπάνω λόγους, αλλά και για πολλούς ακόμη, η ανάπτυξη της αγοράς της αιολικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται με μεγάλους ρυθμούς ενώ εντυπωσιακή είναι και η δημόσια στήριξη της ανανεώσιμης αυτής πηγής ενέργειας. Σήμερα υπάρχουν περισσότερες από 225.000 ανεμογεννήτριες συνολικά σε 103 χώρες σε όλο τον κόσμο. [6] Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Αιολικής Ενέργειας (World Wind Energy Association, WWEA), η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στα μέσα του 2014 ανερχόταν στα 336 GW, συμβάλλοντας στην κάλυψη σχεδόν του 4% της παγκόσμιας ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια. Στο σχήμα 1.3 παρουσιάζεται η ετήσια εγκατεστημένη συνολική αιολική ισχύς παγκόσμια από το 2000 μέχρι και το 2013. Σχ. 1.3 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς παγκοσμίως [GW] [7] Έκθεση του Παγκόσμιου Συμβουλίου Αιολικής Ενέργειας (Global Wind Energy Council, GWEC) για την κατάσταση της αιολικής ενέργειας το 2013 καταδεικνύει την Κίνα ως τη χώρα με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ παγκοσμίως, με περισσότερα από 90 GW. Ακολουθούν οι ΗΠΑ και η Γερμανία με περισσότερα από 60 GW και 34 GW αντίστοιχα. Στο σχήμα 1.4 εμφανίζονται οι δέκα χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ παγκοσμίως για το έτος 2013. 5

Σχ. 1.4 Οι χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ παγκοσμίως [6] Ο ρυθμός ανάπτυξης το 2013, αν και ο χαμηλότερος από το 2008 και έπειτα, α- νήλθε στο 12,8%, με περισσότερα από 35 GW να εγκαθίστανται παγκοσμίως. [7] Για το έτος 2020, ο WWEA εκτιμά ότι η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς παγκοσμίως θα ανέρχεται σε περισσότερα από 700 GW. Όσον αφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση, σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Αιολικής Ενέργειας (European Wind Energy Association, EWEA), η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς της σήμερα ξεπερνά τα 117,3 GW, από τα οποία τα 6,6 GW παρέχονται από υπεράκτια αιολικά συστήματα. Η ισχύς αυτή σε ένα μέσο αιολικό έτος επαρκεί για να καλύψει το 8% της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρωπαϊκής Ένωσης, παράγοντας προσεγγιστικά 257 TWh ηλεκτρικής ενέργειας. Στο σχήμα 1.5 παρουσιάζεται η ετήσια εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση από το 2000 μέχρι και το 2013. 6 Σχ. 1.5 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ευρωπαϊκή Ένωση [GW] [4]

Η Γερμανία αποτελεί τη χώρα με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη αιολική ισχύ στην Ευρώπη, ξεπερνώντας τα 33,7 GW. [4] Ακολουθούν η Ισπανία, το Ηνωμένο Βασίλειο, η Ιταλία και η Γαλλία. Στο σχήμα 1.6 φαίνεται πως κατανέμεται η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανάμεσα στις χώρες της Ευρώπης στα τέλη του 2013. Σχ. 1.6 Χάρτης εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ευρώπη [GW] [4] Το μερίδιο της αιολικής ενέργειας στη συνολική εγκατεστημένη ισχύ στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2013 (13%) ήταν πενταπλάσιο του αντίστοιχου μεριδίου το 2000 (2,4%). Η αύξηση αυτή πραγματοποιήθηκε με έναν ετήσιο ρυθμό 10%. [4] Σε ορισμένες χώρες μάλιστα η αιολική ενέργεια κατέχει πολύ υψηλά μερίδια στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Αξιοσημείωτα είναι τα ποσοστά για τη Δανία (34%) και την Ισπανία (21%), όπου η αιολική ενέργεια αποτελεί την κύρια πηγή ηλεκτρισμού. [4] Ο EWEA εκτιμά ότι μέχρι το 2020 θα έχουν εγκατασταθεί 230 GW αιολικής ισχύος, η οποία θα καλύπτει το 14-17% των απαιτήσεων σε ηλεκτρική ενέργεια, αποφεύγοντας την εκπομπή 333 εκατομμυρίων τόνων διοξειδίου του άνθρακα το χρόνο και εξοικονομώντας 28 δισεκατομμύρια ευρώ το χρόνο από τα κόστη των συμβατικών καυσίμων. 7

Στην Ελλάδα σήμερα υπάρχουν περισσότερα από 1,8 GW εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, τόσο στο διασυνδεδεμένο σύστημα όσο και στα μη διασυνδεδεμένα νησιά της χώρας, σύμφωνα με την Ελληνική Επιστημονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας (ΕΛΕΤΑΕΝ). Η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς το έτος 2013 παρήγαγε πάνω από 4 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, συνεισφέροντας στην κάλυψη περίπου του 7% των ετήσιων αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια της χώρας. Στο σχήμα 1.7 φαίνεται η ετήσια εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ελλάδα από το 2000 μέχρι και το 2013. Σχ. 1.7 Ετήσια συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ελλάδα [ΜW] [8] Η πλειοψηφία των εγκαταστάσεων εντοπίζεται στη Στερεά Ελλάδα με περισσότερα από 573 MW εγκατεστημένης ισχύος, την Πελοπόννησο, την Ανατολική Μακεδονία και τη Θράκη. [8] Φυσικά το υψηλό αιολικό δυναμικό των νησιών δεν μένει ανεκμετάλλευτο. Έτσι, το 11% της εγκατεστημένης αιολικής ισχύος βρίσκεται στα νησιά του Ιονίου και του Αιγαίου ενώ το 10% εντοπίζεται στην Κρήτη. [8] Τέλος, ο εθνικός στόχος διείσδυσης της αιολικής ενέργειας για το 2020 είναι τα 7,5 GW. [8] 1.4. ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) έχουν παραδοσιακά δομηθεί με στόχο τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας με τον πλέον αξιόπιστο και οικονομικό τρόπο από τους κεντρικούς σταθμούς παραγωγής στα κέντρα καταναλώσεων μέσω γραμμών μεταφοράς και διανομής. [9][10] Η δομή αυτή των ΣΗΕ, που περιλαμβάνει μεγάλους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στις ενεργειακές πηγές και μακριά από τις αστικές περιοχές, επιβλήθηκε από το αυξημένο κόστος της μεταφοράς των καυσίμων και της ενσωμάτωσης των τεχνολογιών παραγωγής στις κατοικημένες περιοχές σε σύγκριση με το κόστος της εγκατάστασης των συστημάτων μεταφοράς και διανομής. 8

Ωστόσο, η δομή των παραδοσιακών ΣΗΕ φαίνεται να αλλάζει σημαντικά, καθώς μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής εγκαθίστανται με γρήγορους ρυθμούς στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας μέσης τάσης (ΜΤ) ή ακόμα και χαμηλής τάσης (ΧΤ). [9] Οι κύριοι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της κατανεμημένης παραγωγής είναι η ικανοποίηση της διαρκώς αυξανόμενης ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με τις δυσκολίες κατασκευής και επέκτασης νέων γραμμών μεταφοράς και σταθμών παραγωγής. Επιπλέον, περιβαλλοντικοί λόγοι αλλά και ζητήματα αξιοπιστίας και αποδοτικότητας ενισχύουν την ανάγκη για κατασκευή σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πλησίον των θέσεων ζήτησης, ώστε το φορτίο να εξυπηρετείται τοπικά. Αν και δεν υπάρχει σαφής ορισμός, ο όρος κατανεμημένη ή διεσπαρμένη ή ενσωματωμένη ή αποκεντρωμένη παραγωγή (distributed or dispersed or embedded or decentralized generation) αναφέρεται στην παραγωγή ενέργειας μικρής κλίμακας κοντά στο φορτίο. Οι περισσότερες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συμβατικές ή μη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατανεμημένη παραγωγή. Έτσι, τα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής περιλαμβάνουν συνήθως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η ενέργεια από βιομάζα και η γεωθερμική ενέργεια, κυψέλες καυσίμου, μικροστροβίλους, μηχανές εσωτερικής καύσης, μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού κ.ά. [9][11][12][13] Ακόμη, οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως ηλεκτρικοί συσσωρευτές, σφόνδυλοι, υπεραγώγιμα πηνία και πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας, αποτελούν σημαντικές συνιστώσες των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής. Ένα από τα κυριότερα πλεονεκτήματα των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής είναι η αύξηση της αποδοτικότητας και η εξοικονόμηση ενέργειας που επιφέρει η χρήση μικρών μονάδων συμπαραγωγής. Παράλληλα, με την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας επιτυγχάνεται μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και των λοιπών αέριων ρύπων, παρέχοντας σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη. Επιπλέον, οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής προσφέρουν ηλεκτρισμό εκεί όπου υπάρχει ανάγκη, αίροντας τους όποιους περιορισμούς στην παραγωγή, μεταφορά και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στη μορφή μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής παρέχουν τη δυνατότητα για κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων με μικρό κόστος σε περιοχές όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες το ευνοούν. Ένα ακόμα πλεονέκτημα που προκύπτει από την επί τόπου τροφοδότηση των φορτίων είναι η μείωση των απωλειών της ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη μεταφορά και τη διανομή. Τέλος, η αύξηση της αξιοπιστίας και της ποιότητας της παραγόμενης ενέργειας καθώς και ο περιορισμός των δαπανών επέκτασης και ενίσχυσης του δικτύου που επιφέρει η κατανεμημένη παραγωγή αποτελούν σημαντικά οφέλη τόσο για τους καταναλωτές όσο και για τον διαχειριστή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. 9

Η κατανεμημένη παραγωγή χαρακτηρίζεται όμως και από ορισμένα περιβαλλοντικά και οικονομικά μειονεκτήματα. Η χρήση συμβατικών πηγών για τη διεσπαρμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Το γεγονός μάλιστα ότι οι σταθμοί παραγωγής βρίσκονται κοντά στις καταναλώσεις σημαίνει περεταίρω επιβάρυνση του αστικού χώρου, καθώς η ρυπογόνα πηγή μεταφέρεται μέσα στις πόλεις. Από την άλλη μεριά, η αβεβαιότητα στην παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια και η απαίτηση για δαπανηρές συσκευές α- ποθήκευσης που συνοδεύουν τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελούν επίσης σημαντικά μειονεκτήματα. Επιπλέον, προκειμένου τα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής να παρέχουν την επιθυμητή αξιοπιστία απαιτείται ένα σημαντικό κόστος επένδυσης ενώ υψηλά είναι τα κόστη λειτουργίας και συντήρησης του μεγάλου πλήθους μονάδων σε πολλές περιοχές. Τέλος, πολλά τεχνικά προβλήματα ανακύπτουν κατά τη σύνδεση των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής με το δίκτυο, τα οποία αφορούν την ποιότητα της ισχύος, τη σταθερότητα της τάσης και τις αρμονικές, οπότε είναι απαραίτητη η αναβάθμιση του υπάρχοντος δικτύου και η εγκατάσταση ειδικών διατάξεων και εξοπλισμού για την επιτήρηση και τον έλεγχο της κατανεμημένης παραγωγής. Τα πλεονεκτήματα της κατανεμημένης παραγωγής μπορούν να μεγιστοποιηθούν εάν αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της οργάνωσης και του συντονισμένου ελέγχου του μεγάλου αριθμού των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. [9][13] Η λύση σε αυτό το πρόβλημα φαίνεται να είναι τα μικροδίκτυα (microgrids), τα οποία είναι ηλεκτρικά συστήματα διανομής ΧΤ και ΜΤ που περιλαμβάνουν μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία και διατάξεις αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. [9][11] Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά μία μικρογραφία ενός μεγάλου διασυνδεδεμένου δικτύου, το οποίο μπορεί να αντιμετωπιστεί ως μία μονάδα που παρέχει ισχύ όταν απαιτείται. Βασικό χαρακτηριστικό, όμως, του μικροδικτύου είναι η ικανότητα αυτόνομης λειτουργίας, όταν διακοπεί η σύνδεση με το κύριο δίκτυο με οργανωμένο και ελεγχόμενο τρόπο, αλλά και σε περιπτώσεις σφαλμάτων του δικτύου. [12][15] 10 Σχ. 1.8 Δομή μικροδικτύου [16]

1.4.1. Μονάδες παραγωγής ενέργειας Οι μονάδες παραγωγής ενέργειας που περιλαμβάνει ένα μικροδίκτυο μπορεί να είναι είτε συμβατικές μονάδες παραγωγής είτε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που, όμως, στο άθροισμά τους δεν ξεπερνούν τα λίγα MW. Σημαντικός παράγοντας στην επιλογή των μονάδων παραγωγής είναι ο φυσικός πλούτος της τοποθεσίας στην οποία γίνεται η εγκατάσταση του μικροδικτύου. Στη συνέχεια ακολουθεί μία συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων μονάδων κατανεμημένης παραγωγής που χρησιμοποιούνται στα μικροδίκτυα. o Φωτοβολταϊκά [17][18] Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β photovoltaic, PV) συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Αποτελούνται από ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια (modules) ή ηλιακές γεννήτριες ρεύματος, τα οποία συνδεόμενα ηλεκτρολογικά μεταξύ τους σχηματίζουν μία Φ/Β συστοιχία (array), καθώς επίσης και από τα ηλεκτρονικά συστήματα που διαχειρίζονται την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη Φ/Β συστοιχία. Η απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των βασικών δομικών στοιχείων των Φ/Β πλαισίων, των ηλιακών κυττάρων (solar cells), η λειτουργία των οποίων στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο πραγματοποιείται σε ένα λεπτό στρώμα κατάλληλου ημιαγωγικού υλικού, συνήθως πυριτίου. Όταν ένα φωτόνιο κατάλληλης ενέργειας προσπίπτει στον κρύσταλλο του ημιαγωγού μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Τα ζεύγη αυτά υπό την επίδραση ενός φράγματος δυναμικού διαχωρίζονται, δημιουργώντας μία διαφορά δυναμικού στα άκρα του κυττάρου ικανή να δώσει ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Αν και η μέγιστη θεωρητική τιμή του βαθμού απόδοσης των ηλιακών κυττάρων φτάνει το 30%, πρακτικά ένα ποσοστό 12-15% της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Τα κύρια πλεονεκτήματα των Φ/Β εντοπίζονται στις μηδενικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, την αθόρυβη λειτουργία, τις ελάχιστες απαιτήσεις σε συντήρηση και τη μεγάλη διάρκεια ζωής. Σχ. 1.9 Δομή και λειτουργία ηλιακού κυττάρου [19] 11

o Ανεμογεννήτριες [20][21] Οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ wind turbines, WT) είναι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Αν και υπάρχουν πολλά είδη Α/Γ, τα κύρια στοιχεία που τις απαρτίζουν είναι κοινά. Αυτά είναι ο δρομέας, ο οποίος φέρει τα πτερύγια, το σύστημα μετάδοσης κίνησης, η ηλεκτρική γεννήτρια, ο πύργος στήριξης και το σύστημα ελέγχου. Μία κύρια κατηγοριοποίηση των Α/Γ πραγματοποιείται ανάλογα με τη θέση του δρομέα σε σχέση με τη διεύθυνση του ανέμου, οπότε και οι Α/Γ ταξινομούνται σε οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα. Η μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται σε δύο στάδια. Αρχικά η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε μηχανική με τη μορφή περιστροφής του δρομέα της Α/Γ και στη συνέχεια σε ηλεκτρική μέσω της γεννήτριας. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης μίας Α/Γ είναι 59%, ενώ οι πρακτικές τιμές είναι μικρότερες του 40%. Στο επόμενο κεφάλαιο πραγματοποιείται εκτενής περιγραφή της βασικής θεωρίας για τη λειτουργία των Α/Γ, της δομής και των κυριότερων τύπων Α/Γ καθώς επίσης και των διαφόρων τοπολογιών των αιολικών συστημάτων. o Κυψέλες καυσίμου [10][18] Οι κυψέλες ή κύτταρα καυσίμου (fuel cells) αποτελούν έναν μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της ενέργειας του καυσίμου σε ηλεκτρισμό χωρίς τη μεσολάβηση καύσης. Η λειτουργία τους στηρίζεται στην αντίδραση υδρογόνου και οξυγόνου με την παρουσία ηλεκτρολύτη, έχοντας ως αποτέλεσμα την παραγωγή νερού ενώ ταυτόχρονα δημιουργείται μία διαφορά δυναμικού που μπορεί να προκαλέσει τη ροή συνεχούς ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα. Παράλληλα, επειδή η αντίδραση είναι εξώθερμη, παράγεται θερμότητα. Με βάση τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν οι κυψέλες καυσίμου ταξινομούνται σε διάφορες κατηγορίες, με πιο συνήθη αυτή της κυψέλης καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (proton exchange membrane, PEM). Η πολυμερής αυτή μεμβράνη διαχωρίζει δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο, ενώ μεταξύ αυτής και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη. Όταν το καύσιμο, δηλαδή το υδρογόνο, το οποίο τροφοδοτεί την άνοδο, έρχεται σε επαφή με τον καταλύτη, διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Καθώς η μεμβράνη αποτρέπει τη διέλευση των ηλεκτρονίων, αυτά μεταφέρονται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο, παράγοντας ηλεκτρισμό. Τα θετικά ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνο, που τροφοδοτεί την κάθοδο, καθώς και με τα ηλεκτρόνια που διοχετεύτηκαν σε αυτή μέσω του εξωτερικού κυκλώματος, παράγοντας νερό. Η απόδοση των κυψελών καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ 40% και 65%. Τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου είναι οι ελάχιστες εκπομπές ρύπων, οι μικρές απαιτήσεις σε συντήρηση, η εύκολη και οικονομική μεταφορά και αποθήκευση του υδρογόνου αλλά και η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται με την αξιοποίηση της παραγόμενης θερμότητας. 12