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 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Γιαννούλας Κοκκόρη του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: 7282 Θέμα «Έλεγχος παραγωγής σε μικρά απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2015

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Έλεγχος παραγωγής σε μικρά απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γιαννούλας Κοκκόρη του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: 7282 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: «Έλεγχος παραγωγής σε μικρά απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας» Φοιτήτρια: Γιαννούλα Κοκκόρη Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Περίληψη Δύο από τα σημαντικότερα προβλήματα που πλήττουν σήμερα τον πλανήτη και σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος και η ελάττωση των ορυκτών πόρων. Τα παραπάνω αποτέλεσαν τη βάση για να στραφούν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας σε νέες πηγές, ανεξάντλητες και φιλικές προς το περιβάλλον, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η συνεχής ανάπτυξη των τεχνολογιών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε συνδυασμό με την εμφάνιση της κατανεμημένης παραγωγής αλλάζει την ήδη υπάρχουσα δομή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Καινοτόμα ΣΗΕ, απομονωμένα ή μη, χρησιμοποιούν πλήθος μονάδων κατανεμημένης πράσινης ενέργειας και εγκαθίστανται κοντά στους καταναλωτές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται το μοντέλο ενός απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνει μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη και το τροφοδοτούμενο φορτίο. Οι μετατροπείς ισχύος που εγκαθίστανται είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο του συστήματος αυτού. Πιο αναλυτικά: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια μικρή αναφορά στα είδη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τους λόγους που οδήγησαν στην ανάπτυξή τους, καθώς και τα θετικά και τα αρνητικά που προκύπτουν από τη χρήση τους. Ακόμα, γίνεται μια περιγραφή της κατανεμημένης παραγωγής, των μονάδων από τις οποίες αποτελείται και μια μικρή ανάλυση των απομονωμένων συστημάτων ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται η λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Αρχικά, παρουσιάζεται μια ιστορική αναδρομή και έπειτα τα κύρια χαρακτηριστικά των αιολικών συστημάτων, οι κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται και η δομή τους. Τέλος, γίνεται αναφορά στον έλεγχο των ανεμογεννητριών και την αλληλεπίδρασή τους με το δίκτυο. Το κεφάλαιο 3 ασχολείται με τη σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά σχετικά με τη λειτουργία της και τελικά με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Park εξάγεται το μοντέλο που την περιγράφει. Το κεφάλαιο 4 έχει ως θέμα τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Αρχικά κατηγοριοποιούνται και στη συνέχεια γίνεται μια μικρή ανάλυση του μετατροπέα που χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση του εν λόγω συστήματος που εξετάζουμε και της τεχνικής παλμοδότησης. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο έλεγχος των μετατροπέων ισχύος του αιολικού συστήματος, οι τεχνικές για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος και ο έλεγχος της

γωνίας βήματος πτερυγίων. Υπολογίζονται επίσης οι λόγοι κατάτμησης και τα κέρδη των ελεγκτών που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 6 φαίνονται τελικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας όπως αυτά προέκυψαν με τη χρήση του προγράμματος λογισμικού MATLAB/Simulink, καθώς και τα συμπεράσματα και οι προοπτικές για περαιτέρω μελέτη του συστήματος.

Abstract Two of the major problems that the planet is currently facing and are related to the production of electricity, are the environmental pollution and the depletion of fossil resources. These formed the basis in order the power systems to turn round to new sources, inexhaustible and environmentally friendly, renewable energy sources. The continuous development of technologies for renewable energy in conjunction with the emergence of distributed generation are changing the existing structure of power systems. Innovative Power Systems, isolated or not, use many units of distributed green energy and they are installed close to consumers. This thesis analyzes the model of an isolated power system that includes a wind turbine with permanent magnet synchronous machine and the feed load. The power converters that are installed are responsible for the control of this system. More detail: Chapter 1 gives a brief reference to the types of renewable energy, the reasons that led to their development, as well as the positives and negatives that are resulted from their use. Still, there is a description of distributed production, the units from which is making up and a small analysis of the isolated energy systems. Chapter 2 analyzes the operation of the wind turbine. First, a historical review is presented and then the main characteristics of wind systems, the categories that they are separated in and their structure. Finally, there is a reference for the control of the turbines and their interaction with the network. Chapter 3 deals with the permanent magnet synchronous generator. Some features related to its operation are presented and finally the model that describes it, using the Park transformation, is exported. Chapter 4 has to do with electronic power converters. At the beginning they are categorized and then a short analysis of the converter that was used for modeling of the system that we exam and of the pulsing technique is made. Chapter 5 presents the control of inverter output of the wind system, the techniques for finding the maximum power point and the control of the blade pitch angle. Also the partition ratios and profits of the controllers that are used are calculated. Chapter 6 finally shows the simulation results of the isolated power system such as those obtained using the software program MATLAB / Simulink and the conclusions and prospects for further study of the system.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Αντώνη Αλεξανδρίδη για την ανάθεση του θέματος της διπλωματικής μου εργασίας, τις χρήσιμες συμβουλές του και την καθοδήγηση που μου παρείχε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω του διδακτορικούς φοιτητές του Τμήματός μας Δέσποινα Μακρυγιώργου, Κωνσταντίνο Κρομμύδα και Μιχάλη Μπουρδούλη για το χρόνο τους και την πολύτιμη βοήθειά τους στο στάδιο της προσομοίωσης και στην επίλυση των αποριών μου. Ακόμη, ένα μεγάλο ευχαριστώ στους φίλους μου, Ελένη, Νικολέττα, Τζέλα, Φαίη, Μαριαντίνα, Βίκτωρα, Χρήστο και Γιώργο για την κοινή μας πορεία στα χρόνια της φοιτητικής μου ζωής, τη βοήθεια και τη στήριξή τους. Τέλος, νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω τα άτομα που έπαιξαν τον πιο σημαντικό ρόλο στην πορεία όλων αυτών των χρόνων, τους γονείς μου. Χωρίς την ψυχολογική και οικονομική τους στήριξη δε θα ήταν δυνατό να πραγματοποιήσω τα όνειρα και τις προσδοκίες μου.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Απομονωμένα ΣΗΕ... 1 1.1 Εισαγωγή... 1 1.1.1 Ανάγκη χρήσης των ΑΠΕ... 2 1.2 Η Πράσινη Ενέργεια.......3 1.2.1 Κατηγορίες ΑΠΕ. 3 1.2.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ΑΠΕ.. 7 1.3 Κατανεμημένη παραγωγή... 9 1.3.1 Δομικά στοιχεία μικροδικτύων. 11 1.4 Απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και αιολική ενέργεια..14 1.4.1 Κατηγορίες συστημάτων....15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Οι Ανεμογεννήτριες... 17 2.1 Εισαγωγή... 17 2.2 Ιστορική εξέλιξη...18 2.3 Χαρακτηριστικά μεγέθη. 20 2.4 Δομή των ανεμογεννητριών...27 2.5 Κατηγορίες ανεμογεννητριών...30 2.5.1 Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα..30 2.5.2 Ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας 33 2.6 Έλεγχος ανεμογεννητριών 38 2.6.1 Μηχανικός έλεγχος..38 2.6.2 Ηλεκτρονικός έλεγχος.41 2.7 Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών με το δίκτυο.42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ανάλυση Απομονωμένου Αιολικού Συστήματος με Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη... 45 3.1 Εισαγωγή... 45 3.2 Χαρακτηριστικά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη......46 3.2.1 Κατηγορίες σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη.. 48 3.2.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα....51 3.3 Ο μετασχηματισμός Park.....52 3.4 Το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη.....54 3.5 Το μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου....58 3.5.1 Η AC πλευρά του μετατροπέα. 59 3.5.2 Η DC πλευρά του μετατροπέα. 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Ισχύος... 63 4.1 Εισαγωγή... 63 4.2 Κατηγορίες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος.......65 4.2.1 Ο AC-DC ανορθωτής... 67 4.2.2 Ο DC-AC αντιστροφέας.......69 4.2.3 Μετατροπείς συχνότητας.....70

4.3 Η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM)......71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Έλεγχος Αιολικών Συστημάτων... 76 5.1 Εισαγωγή... 76 5.2 Συστήματα ελέγχου ανεμογεννήτριας.........77 5.2.1 Έλεγχος της γωνίας βήματος πτερυγίου.. 77 5.2.2 Έλεγχος του σημείου μέγιστης ισχύος.....78 5.3 Έλεγχος απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.....79 5.3.1 Έλεγχος στην πλευρά της μηχανής. 80 5.3.2 Έλεγχος στην πλευρά του φορτίου. 86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Προσομοιώσεις, Συμπεράσματα και Προοπτικές... 91 6.1 Εισαγωγή... 91 6.2 Το μοντέλο του συστήματος και ο έλεγχος..........92 6.2.1 Τα κέρδη των ελεγκτών στην πλευρά της μηχανής. 94 6.2.2 Τα κέρδη των ελεγκτών στην πλευρά του φορτίου....95 6.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας....96 6.4 Συμπεράσματα - προοπτικές........107 Βιβλιογραφία....109

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Απομονωμένα ΣΗΕ 1.1 Εισαγωγή Πριν από εκατομμύρια χρόνια, ο πρωτόγονος άνθρωπος χρησιμοποιώντας τη μυϊκή του ενέργεια κατάφερε να επιβιώσει στην πορεία των χρόνων. Με την πάροδο των ετών, αξιοποιώντας καλύτερα τα μέσα που είχε στην κατοχή του, δημιούργησε τα πρώτα εργαλεία, τις πρώτες ανακαλύψεις και μετέπειτα τις πρώτες εφευρέσεις που έθεσαν τα θεμέλια για τα σημερινά ενεργειακά επιτεύγματα. Η ενέργεια της φωτιάς χρησιμοποιήθηκε κυρίως για φωτισμό και θέρμανση. Αργότερα, η δύναμη του ανέμου- η σημερινή αιολική ενέργεια- χρησιμοποιήθηκε για ύδρευση, άρδευση και μεταφορές (ιστιοφόρα πλοία και ανεμόμυλοι). Με την ανακάλυψη του τροχού αξιοποιείται η ενέργεια του νερού, η υδραυλική ενέργεια. Από τα παραπάνω καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο άνθρωπος από τα αρχαία χρόνια αξιοποιούσε με όποιον τρόπο μπορούσε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας[10],[11]. Με τις τεχνολογικές εξελίξεις, οδηγηθήκαμε περίπου δύο αιώνες πριν σε μια νέα εποχή, γνωστή ως Βιομηχανική Επανάσταση. Οι αιτίες που οδήγησαν εκεί είναι συνδυασμός της εκτεταμένης χρήσης των ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, λιγνίτης κλπ.) και των εφευρέσεων που έγιναν την εποχή εκείνη, με κύρια την ατμομηχανή, καθώς και αυτών που ακολούθησαν[4]. Η ατμομηχανή από την πρωτόγονη μορφή της ( Thοmas Savery 1698) μέχρι την τελική της μορφή (James Watt 1765) βρήκε τη χρήση της σε πολλές εφαρμογές όπως το πρώτο ατμοκίνητο πλοίο, ο πρώτος σιδηρόδρομος, οι πρώτοι λέβητες αλλά και οι πρώτες ηλεκτρικές μηχανές. Ένα ακόμα σημαντικό επίτευγμα, αυτό της μηχανής εσωτερικής καύσης παρουσίασε αρχικά ο Jean-Joseph-Etienne Lenoir το 1860 και τελειοποιήθηκε περί το 1876 από τον Nicolaus August Ottο και αποτέλεσε την βάση για την ανάπτυξη του αυτοκινήτου και του αεροπλάνου αλλά και εισήγαγε το πετρέλαιο ως νέο τύπο καυσίμου. Αργότερα, οι υδροστρόβιλοι έκαναν την εμφάνισή τους (Pelton, Francis, Kaplan), ύστερα οι ατμοστρόβιλοι και τέλος οι αεριοστρόβιλοι. Σημείο ορόσημο αποτέλεσε η ανακάλυψη του ηλεκτρισμού στα τέλη του 19 ου αιώνα που αλλάζει εξ ολοκλήρου τη ζωή και την εργασία του 1

ανθρώπου, δημιουργώντας μια παγκόσμια βιομηχανία. Απτό παράδειγμα είναι ο συνδυασμός ηλεκτρισμού και υδροστροβίλων όπου οι υδατοπτώσεις γίνονται εκμεταλλεύσιμες και κάνουν την εμφάνισή τους οι πρώτοι σταθμοί (Καταρράκτες Νιαγάρα 1895). Στον 20 ο αιώνα, η χρήση πετρελαίου και ηλεκτρικής ενέργειας έχει πλέον εδραιωθεί με αποτέλεσμα την τεράστια οικονομική ανάπτυξη. Την εμφάνισή της κάνει και η πυρηνική ενέργεια. Από τη μια παρουσιάζεται αυξημένη ζήτηση για κατανάλωση ενέργειας και από την άλλη αρχίζουν οι περιβαλλοντικές ανησυχίες που εξακολουθούν να υπάρχουν μέχρι και σήμερα καθώς η χρήση των ορυκτών καυσίμων και της πυρηνικής ενέργειας ρύπανε την ατμόσφαιρα και το υδάτινο περιβάλλον, παρατηρήθηκαν αλλαγές στις κλιματικές συνθήκες του πλανήτη καθώς και μόλυνση περιοχών λόγω των πυρηνικών αποβλήτων[4],[10]. 1.1.1 Ανάγκη χρήσης των ΑΠΕ Με την πάροδο των χρόνων, την εκθετική αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού και την διόγκωση της βιομηχανικής παραγωγής οδηγηθήκαμε στην ανάγκη κατανάλωσης ολοένα και περισσότερων ενεργειακών πόρων για την παραγωγή ενέργειας. Με τα ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο)να δεσπόζουν στην πρώτη θέση παγκοσμίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ποσοστό περίπου 99%, καταλήξαμε σε σταδιακή ελάττωση των γεωλογικών αυτών καυσίμων αλλά και σε ένα σοβαρό πλέον πρόβλημα, τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Η πετρελαϊκή κρίση του 1973,λόγω της αύξησης της τιμής του πετρελαίου, γέννησε ερωτήματα που οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι τα αποθέματα εξαντλούνται με την πάροδο του χρόνου. Η κατάσταση αυτή οδήγησε στο λεγόμενο Ενεργειακό Πρόβλημα, το οποίο αποτέλεσε το ερέθισμα για να στραφεί το ενδιαφέρον προς άλλους ενεργειακούς πόρους, πιο οικονομικούς, άφθονους και φιλικούς προς το περιβάλλον. Στις μέρες μας, με την ετήσια παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας να ανέρχεται στα 450 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων Joules, έχει γίνει εντονότερη η ανάγκη για την αξιοποίηση εναλλακτικών μορφών ενέργειας, πέραν των συμβατικών, αυτών που λέμε σήμερα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας(ΑΠΕ).Είναι πλέον εμφανές ότι μόνο η χρήση των ΑΠΕ μπορεί να περιορίσει δραστικά τα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ευρισκόμενη ακόμα σε πρώιμο στάδιο η εφαρμογή των ΑΠΕ, αναμένεται τα επόμενα χρόνια να παρουσιάσει μεγάλη άνθηση καθώς η τεχνολογία έχει κάνει σημαντικά βήματα στον τομέα αυτό. Η χρήση των φιλικών προς το περιβάλλον πηγών ενέργειας,όπως αυτή του ανέμου, του ήλιου και του νερού, φαίνεται να είναι πλέον επιτακτική ανάγκη και αναμένεται η συμβολή τους στην βιώσιμη ανάπτυξη να είναι καθοριστική τα επόμενα χρόνια[2],[3],[4],. 2

1.2 Η Πράσινη Ενέργεια Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας, ή νέες πηγές ενέργειας, ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες. Ως ενέργεια από ανανεώσιμες μη ορυκτές πηγές, σύμφωνα με την οδηγία 2009/28/ΕΚ θεωρείται η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική, η υδροθερμική και ενέργεια των ωκεανών, από βιομάζα, η αεροθερμική, από τα εκλυόμενα στους χώρους υγειονομικής ταφής αέρια, από αέρια μονάδων επεξεργασίας λυμάτων και από βιοαέρια[8],[9]. Τα κύρια χαρακτηριστικά των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι ότι είναι φιλικές προς το περιβάλλον, η ίδια η φύση τις ανανεώνει συνεχώς, οι πηγές τους είναι ανεξάντλητες, η αξιοποίησή τους γίνεται με μεθόδους που δεν επιβαρύνουν σημαντικά το περιβάλλον, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, ενέργειες που εφαρμόζονται στις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, και επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες[9]. Αξίζει να σημειωθεί επίσης ότι στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συμπεριλαμβάνεται και η πυρηνική ενέργεια, όμως η χρήση της παραμένει αμφιλεγόμενη εξαιτίας της ανησυχίας γύρω από την ασφάλεια των πυρηνικών σταθμών[3],[11]. 1.2.1 Κατηγορίες ΑΠΕ Στο σημείο αυτό θα κάνουμε μια σύντομη περιγραφή στα ευρέως διαδεδομένα είδη των ΑΠΕ. Ηλιακή Ενέργεια[3],[12]: Χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο, οι οποίες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Αποτελεί μια από τις πιο σημαντικές μορφές ΑΠΕ και ιδιαίτερα για τη χώρα μας λόγω της αυξημένης και συνεχούς ηλιοφάνειας. Η εκμετάλλευσή της επιτυγχάνεται με τρεις κυρίως τρόπους: α) τα παθητικά ηλιακά συστήματα, β) τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα και γ) τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα δύο πρώτα συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική με τη χρήση διάφορων τεχνολογιών όπως αυτή των ηλιακών συλλεκτών και των φακών ή κάτοπτρων μεγάλης επιφάνειας. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζουν τη λειτουργία τους στην άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου με τη χρήση ηλιακών κυττάρων. 3

Σχήμα 1.1 Φωτοβολταϊκά πλαίσια[13] Αιολική Ενέργεια[2],[14]: Ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Πιο συγκεκριμένα, λόγω διαφορετικού γεωγραφικού πλάτους ή διαφορετικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της γης δημιουργούνται θερμοκρασιακές διαφορές στην ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα την μετακίνηση αέριων μαζών από τόπο σε τόπο. Η εκμετάλλευση αυτής της μορφής ενέργειας έχει ξεκινήσει από τα αρχαία ακόμα χρόνια (ιστιοφόρα) και στις μέρες μας έχει εξελιχθεί σε πολύ μεγάλο βαθμό με τη χρήση ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Σχήμα 1.2 Αιολικό πάρκο με ανεμογεννήτριες[15] Γεωθερμική Ενέργεια[4],[11]: Αποτελεί τη φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το εσωτερικό της προς την επιφάνεια με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού. Η θερμότητα αυτή μπορεί να αντληθεί είτε με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια είτε με ρεύματα μεταφοράς κοντά στα όρια 4

των λιθοσφαιρικών πλακών. Η γεωθερμία θεωρείται ανεξάντλητη μορφή ενέργειας λόγω των τεράστιων ποσοτήτων θερμότητας που περιέχονται στο εσωτερικό της Γης. Βρίσκει έδαφος κυρίως σε ηφαιστιογενείς περιοχές. Ανάλογα με το θερμοκρασιακό επίπεδο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θέρμανση ή ψύξη, αγροτικές χρήσεις, ιχθυοκαλλιέργειες, βιομηχανικές εφαρμογές και θερμά λουτρά. Σχήμα 1.3 Γεωθερμικές Πηγές[16] Ενέργεια από Βιομάζα[3],[4],[17]: Με τον όρο αυτό αναφερόμαστε στην ενέργεια που παράγεται από την καύση οποιουδήποτε υλικού που παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο, αγροτικά παραπροϊόντα, κτηνοτροφικά απόβλητα, απορρίμματα βιομηχανιών παραγωγής τροφίμων κ.λπ.). Η ηλιακή ενέργεια,που ακολουθεί τον φωτοσυνθετικό δρόμο, αποθηκεύεται σαν χημική ενέργεια μέσα στους φυτικούς ιστούς των ανωτέρω υλικών. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από βιομάζα γίνεται με δύο τρόπους: α) Η καύση της βιομάζας από έναν καυστήρα προκαλεί θέρμανση νερού και λειτουργία γεννήτριας παραγωγής ηλεκτρισμού από τον ατμό που δημιουργείται, και β) Τα αέρια που δημιουργούνται από τη βιομάζα χρησιμοποιούνται για καύση και παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Γενικά, η βιομάζα ίσως αποτελεί την πιο παλιά ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς από την εποχή των σπηλαίων ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη θερμότητα που προερχόταν από την καύση ξύλων για την επιβίωσή του. 5

Σχήμα 1.4 Πέλλετ[18] Υδροηλεκτρική Ενέργεια[3],[11],[19]: Είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού, και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η εκμετάλλευση αυτής της μορφής ενέργειας γίνεται μέσω των υδροηλεκτρικών μονάδων οι οποίες αρχικά, μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του νερού σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική. Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων στηρίζεται στη δημιουργία μιας δεξαμενής μέσω ενός φράγματος που συγκρατεί μεγάλες ποσότητες νερού. Η διαφορά ύψους μεταξύ στροβίλου και δεξαμενής, παρέχει κινητική ενέργεια στο νερό, δημιουργείται μεγάλη πίεση, κινείται ο υδροστρόβιλος και αυτός με τη σειρά του μέσω ενός άξονα περιστρέφει τη γεννήτρια. Σχήμα 1.5 Το υδροηλεκτρικό φράγμα του Itaipu[20] 6

Ενέργεια από τη θάλασσα[3]: Διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες: α)την ενέργεια των παλιρροιών, β) την ενέργεια από τα κύματα και γ) την θερμική ενέργεια των ωκεανών. Πιο αναλυτικά, η παλίρροια προκαλείται από την έλξη που ασκούν ο ήλιος και η σελήνη στο υδάτινο περιβάλλον του πλανήτη. Κατά το φαινόμενο αυτό, τα νερά της παλίρροιας κατά την πλημμυρίδα αποθηκεύονται σε φράγματα και κατά την άμπωτη, απελευθερώνονται και κινούν έναν στρόβιλο, λειτουργία όπως αυτή των υδροηλεκτρικών μονάδων. Έτσι παράγεται συνήθως ηλεκτρική ενέργεια στους παλιρροιακούς σταθμούς. Αναφερόμενοι στη δεύτερη κατηγορία, αυτή εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων όπως του ανέμου. Με την κίνηση του κύματος, πιέζεται τον αέρας μέσα στον θάλαμο του συστήματος κυματικής ενέργειας και περιστρέφεται η τουρμπίνα με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από την γεννήτρια. Τέλος, η ενέργεια των ωκεανών βασίζεται στις θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ των επιφανειακών θερμότερων στρωμάτων νερού του ωκεανού και των ψυχρότερων που βρίσκονται σε μεγαλύτερα βάθη. Σχήμα 1.6 Σύστημα αξιοποίησης της ενέργειας των κυμάτων[21] 1.2.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ΑΠΕ Συγκεντρωτικά λοιπόν στα κυριότερα πλεονεκτήματά των ΑΠΕ συγκαταλέγονται[9]: Αποτελούν πρακτικά ανεξάντλητες πηγές, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Έτσι, συμβάλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. 7

Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο εφόσον δεν επιβαρύνουν με επικίνδυνους αέριους ρύπους, συμβάλλοντας έτσι στην άμβλυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου, και έχουν μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Εξαιτίας της γεωγραφικής διασποράς τους σε ευρεία έκταση, οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος και η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γίνεται πλέον σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, με αποτέλεσμα την ανακούφιση των συστημάτων υποδομής και την ελάττωση των απωλειών από τη μεταφορά ενέργειας. Έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος και δεν επηρεάζονται από τις διακυμάνσεις στις τιμές των συμβατικών καυσίμων, έτσι αποτελούν εναλλακτική πρόταση και μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, είναι ευέλικτες στις εφαρμογές τους και μπορούν να δίνουν λύσεις στις διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες του πληθυσμού κάθε τόπου ξεχωριστά τόσο σε μικρή όσο και σε μεγάλη κλίμακα εφαρμογών. Ο εξοπλισμός είναι αρκετά απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. Συνεισφέρουν στην οικονομική και κοινωνική ανάπτυξη περιοχών καθώς δημιουργούν νέες θέσεις εργασίας, ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Στον αντίποδα των παραπάνω έχουμε τα μειονεκτήματα των ΑΠΕ[9]: Το σημαντικότερο ίσως αρνητικό όλων είναι ότι έχουν αρκετά χαμηλό συντελεστή απόδοσης, του οποίου η μέγιστη τιμή φτάνει το 30 % και οφείλεται κυρίως σε ενδογενείς παράγοντες αλλά και σε τεχνολογικές δυσκολίες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται μέχρι στιγμής ως συμπληρωματικές πηγές και να μη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πλήρη κάλυψη ενεργειακών αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Ακόμη απαιτείται μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής και μεγάλη επιφάνεια γης για εγκατάστασή τους. Η παροχή και η απόδοση την ηλιακής, αιολικής και υδροηλεκτρικής ενέργειας δεν μπορούν να θεωρηθούν σταθερές εφόσον εξαρτώνται από τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται, το γεωγραφικό πλάτος αυτής αλλά και την εποχή του έτους. Υπάρχει η άποψη ότι οι αιολικές μηχανές δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη και ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Για την περίπτωση των φωτοβολταϊκών, το κόστος παραγωγής ανά kwh είναι μεγαλύτερο σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα. 8

Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω απ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Όπως γίνεται φανερό από τα παραπάνω, τα πλεονεκτήματα των ΑΠΕ υπερτερούν σε σχέση με τα μειονεκτήματά τους τόσο αριθμητικά όσο και από άποψη σπουδαιότητας. Είναι πλέον ξεκάθαρη η αναγκαιότητα εκμετάλλευσής τους σε εθνικό αλλά και σε παγκόσμιο επίπεδο. Προσπάθειες γίνονται για να ξεπεραστούν τα διάφορα προβλήματα. Ειδικότερα, η βελτίωση του συντελεστή απόδοσης αποτελεί πρωταρχικό στόχο. Ακόμη, η μείωση του κόστους της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ αλλά και η διεύρυνση της περιοχής εφαρμογών που θα μπορούσαν να έχουν, απασχολούν τον διεθνή ενεργειακό κόσμο. Σύμφωνα με οδηγία του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου κάθε κράτος μέλος πρέπει να αυξήσει τη χρήση ανανεώσιμων μορφών ενέργειάς του σε μία προσπάθεια να αυξηθεί το ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας από αυτές στην Ευρωπαϊκή Ένωση από 8.5% που είναι σήμερα σε 20% μέχρι το 2020. Ακόμη και σε εγχώρια κλίμακα, γίνονται προσπάθειες για αύξηση του ποσοστού αυτού και μετρίαση της ενέργειας από συμβατικές πηγές όπως φαίνεται στο διάγραμμα που ακολουθεί[1],[7]. Σχήμα 1.7 Ποσοστά ανανεώσιμων και συμβατικών πηγών στην Ελλάδα σε περίοδο ενός χρόνου[7] 1.3 Κατανεμημένη παραγωγή Η ανάγκη και η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας έχει αυξηθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων αιώνων και είναι αναπόσπαστο κομμάτι σχεδόν σε όλες τις δραστηριότητες του ανθρώπου. Στα μέχρι τώρα συμβατικά συστήματα ηλεκτρικής 9

ενέργειας, μεγάλες μονάδες παραγωγής ισχύος βρίσκονται σε κατάλληλη γεωγραφική θέση με σκοπό την παραγωγή όσο το δυνατόν μέγιστης ηλεκτρικής ενέργειας. Έπειτα, μέσω των γραμμών μεταφοράς καταλήγει στα μεγάλα απομακρυσμένα κέντρα κατανάλωσης. Σε αυτή την περίπτωση η ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας εξασφαλίζεται μέσω κέντρων ελέγχου. Τα συστήματα αυτά αντιμετωπίζουν όμως αρκετά προβλήματα. Η χαμηλή ενεργειακή απόδοση, η εξάντληση των πόρων των ορυκτών καυσίμων και η ρύπανση του περιβάλλοντος δυσκολεύουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, αυξημένες δυσκολίες εμφανίζονται στην ανάπτυξη νέων εγκαταστάσεων μεταφοράς και διανομής καθώς και στα υψηλά επίπεδα ροής της ηλεκτρικής ενέργειας σε κρίσιμα σημεία του δικτύου. Επιπρόσθετα, ο αυξημένος αριθμός των δραστηριοτήτων απαιτεί υψηλά επίπεδα ποιότητας της ισχύος. Τα παραπάνω δεν είναι εφικτό να εξασφαλιστούν από τα τυποποιημένα συστήματα διανομής. Έτσι, δημιουργήθηκε η ανάγκη για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο[25],[26],[27]. Για τη διάκριση της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο από τα κλασσικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται ο όρος Κατανεμημένη Παραγωγή(Distributed Generation-DG). Για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται συνήθως μη συμβατικές-ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως τα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα, η αιολική ενέργεια, το φυσικό αέριο, τα κύτταρα καυσίμου, συνδυασμός συστημάτων ηλεκτρικής ενέργεια και θερμότητας, μικροστρόβιλοι κλπ, και εντάσσονται στο δίκτυο διανομής. Οι πηγές ενέργειας σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται κατανεμημένοι ενεργειακοί πόροι και το δίκτυο διανομής ενεργό δίκτυο διανομής. Η κατανεμημένη παραγωγή αν και διαφέρει από χώρα σε χώρα θα μπορούσαμε να πούμε ότι παρουσιάζει κάποια κοινά χαρακτηριστικά[25]: Δεν είναι σχεδιασμένη και δε διανέμεται κεντρικά από το δίκτυο ηλεκτροδότησης. Οι πηγές ενέργειας και οι κατανεμημένες μονάδες παραγωγής συνδέονται συνήθως στο σύστημα διανομής του οποίου οι τιμές τάσεων αρχίζουν από 230/415 V και δεν ξεπερνούν τα 145 kv. Είναι μικρότερη των 50 MW. Για να γίνει κατανοητή η ανάγκη της κατανεμημένης παραγωγής, υιοθετείται μια προσέγγιση ενός συστήματος που βλέπει την παραγωγή και τα συνδεδεμένα φορτία ως ένα υποσύστημα ή διαφορετικά ως μικροδίκτυο. Έτσι, οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής σε συνδυασμό με συστήματα αποθήκευσης της ενέργειας και φορτία συνθέτουν ένα μικροδίκτυο. Το μικροδίκτυο μπορεί να θεωρηθεί ως μικρογραφία ενός μεγάλου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι ουσιαστικά ένα σύγχρονο σύστημα διανομής ηλεκτρικού ρεύματος και έχει τη δυνατότητα είτε διασυνδεδεμένης λειτουργίας με το κεντρικό δίκτυο είτε 10

αυτόνομης. Πρακτικά, τα μικροδίκτυα είναι μικρής κλίμακάς και χαμηλής τάσης δίκτυα που σχεδιάστηκαν για να παρέχουν ηλεκτρικά και θερμικά φορτία σε μια μικρή περιοχή όπως ένα συγκρότημα κατοικιών, μια προαστιακή περιοχή, ένα πανεπιστήμιο, ένας βιομηχανικός χώρος κλπ. Μία τέτοια δομή μικροδικτύου φαίνεται στο σχήμα 1.8[25],[28],[29],[30]. Σχήμα 1.8 Μικροδίκτυο[31] 1.3.1 Δομικά στοιχεία μικροδικτύων Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες μίας πηγής που απαρτίζουν ένα μικροδίκτυο : η μία είναι μία DC πηγή όπως η μπαταρία, οι κυψέλες καυσίμου και τα φωτοβολταϊκά, και η άλλη μία AC πηγή υψηλής συχνότητας όπως οι μικροστρόβιλοι. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις, η πηγή έρχεται σε διεπαφή με το δίκτυο εναλλασσομένου ρεύματος μέσω ενός αντιστροφέα. Για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία ως ενιαίο σύστημα, το μικροδίκτυο είναι εφοδιασμένο και με ελέγχους που του επιτρέπουν τη λειτουργία σαν μια ελεγχόμενη μονάδα που μπορεί να υποστηρίξει το δίκτυο και τις τοπικές ενεργειακές ανάγκες. Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως φαίνεται, μπορεί να είναι είτε ανανεώσιμες είτε συμβατικές. Στο σημείο αυτό, θα γίνει μια μικρή αναφορά στις κυριότερες από αυτές τεχνολογίες και τύπους των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής που χρησιμοποιούνται συνήθως[25],[32]. Μικροστρόβιλοι(Microturbines)[32],[33] Οι μικροστρόβιλοι είναι πολύ μικρές γεννήτριες(30 έως 400 kw) που χρησιμοποιούν αεριοστρόβιλους και τροφοδοτούνται με υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως το φυσικό αέριο. Συνήθως, έχουν έναν εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας με σκοπό την ανάκτηση της θερμότητας και την βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης. Οι μικροστρόβιλοι έχουν μόνο ένα περιστρεφόμενο άξονα στον οποίο είναι τοποθετημένη η γεννήτρια, ο συμπιεστής, ο καυστήρας, ο μικρός στρόβιλος και ο εναλλάκτης για την ανάκτηση της 11

θερμότητας. Η τυπική λειτουργία τους είναι όμοια με τους συμβατικούς μικροστρόβιλους: Το εισερχόμενο αέριο συμπιέζεται από τον ακτινικό συμπιεστή. Έπειτα, προθερμαίνεται με τη χρήση των καυσαερίων του στροβίλου στον εναλλάκτη, επιτυγχάνοντας έτσι αύξηση της αποτελεσματικότητας του συστήματος. Ο ήδη θερμαινόμενος αέρας αναμιγνύεται στον καυστήρα με καύσιμο και καίγεται. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του άξονα και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Συνήθως όμως, οι μικροστρόβιλοι χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή θερμότητας ως προϊόν. Έτσι, είναι φανερό πως χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας(chp). Κυψέλες καυσίμου(fuel Cells)[34],[35] Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές στατικής μετατροπής ενέργειας που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου απευθείας σε DC ηλεκτρική ενέργεια. Συγκριτικά με τα συμβατικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα που βασίζουν τη λειτουργία τους στις κυψέλες καυσίμου μπορούν να επιτύχουν υψηλή απόδοση, πολύ χαμηλή έως μηδενική εκπομπή μολυσμένων αερίων και ευέλικτη δομή. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου που βρίσκουν χρήση σε διάφορες εφαρμογές, όπως μεταφοράς, συμπαραγωγής και στατικής ισχύος για κτίρια. Οι κυψέλες καυσίμου, με την κατανάλωση υδρογόνου ως καύσιμο και την ηλεκτροχημική του οξείδωση με οξυγόνο, έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό. Αποτελούμενες από δύο ηλεκτρόδια(την άνοδο και την κάθοδο) που διαχωρίζονται μέσω ενός ηλεκτρολύτη επιτρέπουν τη διέλευση των θετικών φορτισμένων ιόντων υδρογόνου ενώ αποτρέπουν τα ηλεκτρόνια. Έτσι, τα πρώτα φθάνουν στη κάθοδο, ενώνονται με το οξυγόνο και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που οδηγήθηκαν εκεί και παράγεται νερό. Από την κίνηση των ηλεκτρονίων προς την κάθοδο παράγεται ηλεκτρισμός. Φωτοβολταϊκά(Photovoltaic-PV)[3],[5],[11],[28] Η απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται με τη χρήση των ηλιακών κυττάρων ή φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η λειτουργία τους βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Τα ηλιακά κύτταρα δημιουργούνται με τη χρήση δύο ημιαγωγικών στρωμάτων(ένα τύπου p και ένα τύπου n) σε επαφή. Με την πρόσπτωση του φωτός δημιουργούνται ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Ένα φράγμα δυναμικού, που υπάρχει μέσα στο ηλιακό κύτταρο, διαχωρίζει τις παραγόμενες οπές από τα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού στα άκρα του κυττάρου και την παραγωγή ρεύματος που είναι σε θέση να τροφοδοτήσει κάποιο 12

εξωτερικό κύκλωμα. Πρακτικά η απόδοσή του κυμαίνεται από 12-15% και θεωρείται ότι σε συνδυασμό με τις ανεμογεννήτριες μπορούν να υποστηρίξουν ικανοποιητικά το κεντρικό δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε υποσταθμούς και σε επίπεδα μεταφοράς. Ανεμογεννήτριες(Wind Turbines)[2],[3],[27] Οι ανεμογεννήτριες αποτελούνται κυρίως από τα πτερύγια, το δρομέα,τη γεννήτρια και ένα μηχανισμό μετάδοσης κίνησης. Η αιολική ενέργεια του ανέμου προσπίπτει στα πτερύγια τα οποία τη μεταφέρουν στο δρομέα. Αυτός με τη σειρά του τη μετατρέπει σε περιστρεφόμενη μηχανική ενέργεια και μέσω της γεννήτριας καταλήγουμε στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαδικασία αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα 1.9. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να χωριστούν σε κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Στις μέρες μας χρησιμοποιούνται οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια. Μια ακόμη κατηγορία που διακρίνονται είναι σε ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών. Περισσότερα για τις ανεμογεννήτριες ακολουθούν στο επόμενο κεφάλαιο όπου και γίνεται εκτενής αναφορά. Σχήμα 1.9 Μετατροπή αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική σε μια ανεμογεννήτρια[36] Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας(energy Storage Devices)[25],[28],[37] Οι κυριότεροι τύποι τεχνολογιών στις οποίες χωρίζονται οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι: o Μηχανικές: όπως αποθήκευση ενέργειας συμπιεσμένου αέρα και σφόνδυλοι. o Ηλεκτροχημικές: όπως μπαταρίες και συσσωρευτές ροής. o Ηλεκτρικές: όπως συστήματα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας σε υπεραγωγούς και πυκνωτές/υπερπυκνωτές. Ο κάθε τύπος παρουσιάζει μια σειρά πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων και τελικά η απόφαση εξαρτάται συχνά από την τοποθεσία εγκατάστασης. Από τις παραπάνω κατηγορίες χρησιμοποιούνται περισσότερο οι μπαταρίες, οι σφόνδυλοι 13

και οι υπερπυκνωτές με σκοπό την αδιάλειπτη παροχή ενέργειας του μικροδικτύου ακόμη και σε αλλαγές στο σύστημα, την ενίσχυση της αξιοπιστίας και τη βελτίωση της παραγόμενης ενέργειας. 1.4 Απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και αιολική ενέργεια Τα μικροδίκτυα έχουν την ικανότητα να λειτουργούν υπό δύο διαφορετικές συνθήκες: διασυνδεδεμένα με το δίκτυο(grid connected-mode) ή μη(islandedmode). Στην πρώτη περίπτωση, λειτουργούν συμπληρωματικά απορροφώντας ή παρέχοντας ισχύ στο ήδη υπάρχον κύριο δίκτυο. Στη δεύτερη περίπτωση, είτε λόγω απόφασης της αγοράς, είτε εξαιτίας κάποιας βλάβης στο δίκτυο ή μεταβολής στο φορτίο, η λειτουργία τους αποκόπτεται και λειτουργούν αυτόνομα, διατηρώντας όμως την ακεραιότητα του συστήματος μεταφοράς. Έτσι, ένα μικρό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας που δεν είναι συνδεδεμένο σε κάποιο μεγαλύτερο δίκτυο καλείται απομονωμένο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Ουσιαστικά, τα απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ή αυτόνομα, ή σε λειτουργία νησίδας, δεν είναι τίποτα παραπάνω από μικροδίκτυα που λειτουργούν απουσία σύνδεσης με το δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας[22],[23],[38]. Στην πράξη, παραδείγματα απομονωμένων δικτύων θα μπορούσαμε να πούμε βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές μακριά από το δίκτυο μεταφοράς και διανομής, σε μικρά νησιά σαν τοπικά δίκτυα παροχής ρεύματος, σε χώρες τρίτου κόσμου αλλά ακόμα και στον αναπτυγμένο κόσμο σαν στοιχεία κατανεμημένης παραγωγής που συνδυάζονται με τα μεγάλα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοια συστήματα είναι φιλικά προς το περιβάλλον καθώς χρησιμοποιούν μεγάλες ποσότητες αιολικής ενέργειας και άλλων ανανεώσιμων πηγών για την παραγωγή ενέργειας. Ακόμη, η εγκατάστασή τους κοντά στην περιοχή που πρόκειται να τροφοδοτήσουν, περιορίζει στο ελάχιστο το κόστος μεταφοράς της ενέργειας. Χαρακτηρίζονται όμως από ένα κύριο μειονέκτημα που μειώνει την αξιοπιστία τους, την αβεβαιότητα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας μιας και αυτή εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής λόγω των ανανεώσιμων πηγών[22],[24],[40]. Όπως προαναφέρθηκε, τα απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι είτε συνδεδεμένα με το δίκτυο σε κάποιο υποσταθμό είτε με φορτία. Η λειτουργία τους επιτυγχάνεται ακόμα και με τη χρήση αποκλειστικά μιας ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, η αιολική ενέργεια είναι η καταλληλότερη εξαιτίας 14

της υψηλότερης διαθεσιμότητας. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια, από την άλλη, χρειάζονται κάποια συσκευή αποθήκευσης για την αύξηση της διαθεσιμότητας. Μέσω των ανεμογεννητριών παράγεται ισχύς υπό μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος και μεταβλητής συχνότητας που είναι διαφορετική από τα απαιτούμενα 50 Hz, ενώ μέσω των φωτοβολταϊκών παράγεται υπό μορφή συνεχούς. Έτσι, γίνεται αντιληπτή η αναγκαιότητα χρήσης των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος[39]. Σε ένα μικροδίκτυο, η βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης ισχύος και ο κατάλληλος διαμοιρασμός του φορτίου μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής είναι τα κύρια θέματα που πρέπει να ερευνηθούν όταν αυτό λειτουργεί αυτόνομα. Παρουσία κάποιου σφάλματος στο δίκτυο ή προγραμματισμένης αποκοπής, η ισορροπία μεταξύ παρεχόμενης και ζητούμενης από το φορτίο ισχύος διαταράσσεται και η συχνότητα αποκλίνει από την ονομαστική της τιμή. Τότε, το απομονωμένο σύστημα είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της συχνότητας και της ποιότητας της ισχύος όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, που εγκαθίστανται σε τέτοια δίκτυα, μπορούν να παρέχουν τον έλεγχο σε τέτοιες καταστάσεις. Κάνουν εφικτό τον ανεξάρτητο έλεγχο ενεργού και άεργου ισχύος, ρυθμίζουν την τάση και τη συχνότητα, καθώς και τις δυναμικές ανάγκες του φορτίου[23],[28],[30],[39]. Το σύστημα που εξετάζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία μοιάζει αρκετά με το μοντέλο στου σχήματος 1.10. Περιλαμβάνει μια σύγχρονη μηχανή και μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, χωρίς κάποια συσκευή αποθήκευσης, που μέσω ενός αντιστροφέα πηγής τάσης συνδέονται στο φορτίο. Σχήμα 1.10 Μοντέλο μικρού απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας[39] 1.4.1 Κατηγορίες συστημάτων Στις απομονωμένες περιοχές, έχουν αναπτυχθεί τα λεγόμενα Υβριδικά Συστήματα που αποτελούνται από πλήθος πηγών ηλεκτροπαραγωγής. Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν παραγωγή, αποθήκευση και έλεγχο με σκοπό την 15

παροχή ρεύματος. Αποτελούνται από δύο ζυγούς: έναν DC που αφορά τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται και έναν AC για τις γεννήτριες παραγωγής. Οι τελευταίες εξελίξεις στα ηλεκτρονικά ισχύος και στα συστήματα ελέγχου που εφαρμόζονται, έχουν κάνει τα συστήματα απλού AC ζυγού πιο αποδοτικά. Ωστόσο, τα υβριδικά συστήματα μπορούν να χωριστούν ως εξής[40]: DC-based: Η τοπολογία των συστημάτων αυτών έχει ως κεντρικό σημείο τον DC ζυγό. Μικρές ανεμογεννήτριες παράγουν μεταβλητής συχνότητας και τάσης AC ρεύμα, το οποίο ανορθώνεται και εφαρμόζεται στον DC ζυγό, στην τάση της μπαταρίας. Η ενέργεια είτε αποθηκεύεται στην μπαταρία, είτε μετατρέπεται σε AC μέσω ενός αντιστροφέα και διοχετεύεται στο φορτίο. AC-based: Σύμφωνα με την τοπολογία αυτή, το μικρό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι σχεδιασμένο γύρω από τον AC ζυγό. Ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά συνδέονται μέσω ενός ειδικού αντιστροφέα στο AC δίκτυο μεταφοράς. Η μπαταρία,στην περίπτωση αυτή, συνδέεται και αυτή μέσω μετατροπέα ισχύος. Wind-diesel: Αναφέρονται σε μεγαλύτερα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία επικεντρώνονται γύρω από τον AC ζυγό και περιλαμβάνουν τόσο ανεμογεννήτριες όσο και κινητήρες ντίζελ. Υπάρχει διαφορά μεταξύ των ανεμογεννητριών που εγκαθίστανται σε μικρά απομονωμένα συστήματα και αυτών που χρησιμοποιούνται σε αιολικά πάρκα. Έτσι, τα απομονωμένα συστήματα αυτά ανάλογα με το μέγεθός τους και το μέγεθος των χρησιμοποιούμενων αιολικών συστημάτων διακρίνονται ως εξής[40]: Μικροσυστήματα(Micro systems): Ένα μικροσύστημα χρησιμοποιεί μια μικρή ανεμογεννήτρια ισχύος μικρότερης από 1kW. Θα μπορούσε να είναι ένα απλό σύστημα DC-based. Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας χωριού(village power systems): Ένα τέτοιο σύστημα έχει συνήθως συνολική εγκατεστημένη ισχύ από 1 έως 100 kw. Είναι μικρά συστήματα ισχύος με μία ή περισσότερες ανεμογεννήτριες μεγέθους από 1 έως 50 kw. Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας νησιού(island power systems): Τα συστήματα αυτά είναι απομονωμένα από το δίκτυο και έχουν συνήθως εγκατεστημένη ισχύ από 100 kw έως 10 MW. Οι ανεμογεννήτριές τους κυμαίνονται από 100 kw έως 1 MW. Μεγάλα διασυνδεδεμένα συστήματα(large interconnected systems): Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας με ισχύ μεγαλύτερη των 10 MW. Χρησιμοποιούνται ανεμογεννήτριες μεγαλύτερες των 500 kw και εγκαθίστανται στα μεγάλα απομακρυσμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ως μονάδες παραγωγής ή σε συνδυασμό δημιουργώντας αιολικά πάρκα. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Οι Ανεμογεννήτριες 2.1 Εισαγωγή Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου. Χαρακτηρίζεται ως ήπια μορφή ενέργειας και περιλαμβάνεται στις καθαρές πηγές,πηγές ενέργειας δηλαδή που δεν προκαλούν ρύπους, δεν μολύνουν το περιβάλλον και δε συμβάλλουν με τα καυσαέρια, όπως άλλες συμβατικές πηγές, στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η αιολική ενέργεια αποτελεί σήμερα μία από τις πιο διαδεδομένες και ευρέως χρησιμοποιούμενες ανανεώσιμες πηγές και μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στη μείωση των ρύπων στην ατμόσφαιρα. Ο άνεμος σαν καύσιμο είναι δωρεάν, άφθονο και αποκεντρωμένο, χαρακτηριστικά τα οποία κάνουν ακόμα πιο ελκυστική την αξιοποίησή του[3],[14]. Η αξιοποίηση του ανέμου γίνεται με τη χρήση ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες δεν παράγουν διοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του αζώτου και οξείδια του θείου γεγονός που προσθέτει πλεονέκτημα στη χρήση τους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έναντι των συμβατικών μονάδων. Παράλληλα, η κατασκευή, η εγκατάσταση και η λειτουργία, τόσο η δική τους όσο και των αιολικών πάρκων, δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Εκτιμάται πως ο χρόνος που χρειάζεται για να αποσβησθεί το σύνολο της ενέργειας που έχει δαπανηθεί για μια ανεμογεννήτρια είναι λιγότερος από τρεις μήνες. Τούτο αντικρούει το πλεονέκτημα του χαμηλού κόστους των συμβατικών μονάδων. Το κύριο μειονέκτημα όμως της αιολικής ενέργειας είναι η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου, με αποτέλεσμα η παραγωγή ενέργειας από τις ανεμογεννήτριες να μην είναι σταθερή. Αυτό δημιουργεί πρόβλημα στην περίπτωση αυξημένης ζήτησης ή όταν κάποια μονάδα τεθεί εκτός λειτουργίας. Επιπλέον, οι ανεμογεννήτριες εισάγουν διακυμάνσεις στο δίκτυο. Το ζήτημα αυτό μπορεί να λυθεί ωστόσο, καθώς όσο περισσότερες ανεμογεννήτριες είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, τόσο μικραίνουν οι διακυμάνσεις αυτές και σταθεροποιείται η αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας[2],[3]. 17

2.2 Ιστορική εξέλιξη Η αιολική ενέργεια πήρε το όνομά της από την ελληνική μυθολογία, καθώς ο Αίολος με τους περίφημους ασκούς του ήταν ο θεός του ανέμου. Είναι λοιπόν εμφανής η ανάγκη ελέγχου του ανέμου από την αρχαιότητα. Η πρωτογενής αυτή μορφή ενέργειας είναι μια από τις πιο παλιές μορφές φυσικής ενέργειας, αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και η συμβολή της ήταν καθοριστική για την εξέλιξη της ανθρωπότητας[14]. Η πρώτη μορφή αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία (πανιά) για την κίνηση των πλοίων. Πολύ αργότερα ανακαλύφθηκαν οι ανεμόμυλοι που χρησιμοποιήθηκαν για άλεση σιτηρών και άντληση νερού και αποτελούν την αρχική μορφή των σημερινών ανεμογεννητριών. Από το 200 π.χ. ακόμα υπάρχουν αναφορές για τη χρήση ανεμοκινητήρων στην Περσία. Οι πρώτες μηχανές αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας με πρακτική χρήση σημειώνονται στο Σίσταν, στα σύνορα Περσίας και Αφγανιστάν. Εκεί ένα περσικό συγκρότημα ανεμόμυλων οριζόντιου τύπου καταγράφεται τον 7 ο αιώνα. Στην Ευρώπη κάνουν την εμφάνισή τους γύρω στον 11 ο με 12 ο αιώνα στις περιοχές της Αγγλίας, της Γαλλίας και της Συρίας. Κατά τον 14 ο αιώνα, χρησιμοποιήθηκαν ανεμόμυλοι για την αποξήρανση του ποταμού Ρήνου στην Ολλανδία. Τον 13 ο αιώνα γίνονται γνωστοί στην Βόρεια Κίνα όπου βρίσκουν χρήση μέχρι και τον 16 ο αιώνα για εξάτμιση του θαλασσινού νερού και παραγωγή αλατιού[2],[41]. Με την πάροδο των χρόνων και την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι απλοί ανεμοκινητήρες μετατράπηκαν σε ανεμοκινητήρες-ανεμογεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι, η πρώτη γνωστή ανεμογεννήτρια ήταν μια συσκευή φόρτισης μπαταρίας που κατασκευάστηκε από τον ακαδημαϊκό James Blyth το 1887 στη Σκωτία. Το 1888, ο αμερικανός εφευρέτης Charles F. Brush έθεσε σε λειτουργία την πρώτη ανεμογεννήτρια για παραγωγή ενέργειας που λειτουργούσε αυτόματα, στο Κλήβελαντ του Οχάιο[2],[41]. Στη Δανία, μέχρι το 1900, υπήρχαν περισσότεροι από 2500 ανεμοκινητήρες για μηχανικά φορτία, όπως αντλίες και μύλοι και εκτιμάται ότι παρήγαγαν περίπου 30 MW μέγιστη ισχύ. Οι μεγαλύτεροι είχαν 24 μέτρα πύργο με 4 πτερύγια διαμέτρου 23 μέτρων. Περί το 1908, στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, είχαν εγκατασταθεί 72 ανεμογεννήτριες ισχύος από 5 έως 25 kw και κατά τη δεκαετία του 1930 χρησιμοποιήθηκαν σε φάρμες, καθώς τα συστήματα διανομής δεν είχαν εγκατασταθεί ακόμη και το ηλεκτρικό δίκτυο δεν είχε εξαπλωθεί[2],[41]. Μια πρώτη μορφή,που παραπέμπει στις μοντέρνες ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούνται σήμερα, κατασκευάστηκε στη Γιάλτα της πρώην Σοβιετικής 18

Ένωσης το 1931. Ήταν μια ανεμογεννήτρια των 100 kw με 30 μέτρα πύργο και συνδέθηκε με το τοπικό δίκτυο διανομής των 6.3 kv. Από το 1940 έγιναν οι πρώτες προσπάθειες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ανεμογεννητριών και έτσι, το φθινόπωρο του 1941, η πρώτη ανεμογεννήτρια της τάξης των MW συνδέθηκε στο δίκτυο του Βέρμοντ. Λειτούργησε όμως μόνο για 1100 ώρες λόγω μιας σοβαρής βλάβης και δεν επισκευάστηκε. Το 1951, κατασκευάστηκε η πρώτη ανεμογεννήτρια για να λειτουργήσει διασυνδεδεμένη με το δίκτυο του Ηνωμένου Βασιλείου από την John Brown & Company στα νησιά Όρκνεϊ[2],[41]. Παρά τις τόσο σημαντικές εξελίξεις και καινοτομίες στον τομέα της εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, οι εξελίξεις στον τομέα των ορυκτών καυσίμων περιόρισαν σχεδόν ολοκληρωτικά τη χρήση των ανεμογεννητριών. Στις αρχές του 1970 και μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, ξεκίνησαν και πάλι να γίνονται ενέργειες για περεταίρω συμβολή της αιολικής ενέργειας που συνεχίστηκαν σε όλη τη δεκαετία του 1980 και αργότερα. Στην Γερμανία, την Ισπανία και τις Η.Π.Α πίεσαν για πολιτικές στις αρχές της δεκαετίας του 1990 και η βιομηχανία των ανεμογεννητριών κατάφερε να τονωθεί στις χώρες αυτές. Αργότερα, συστάθηκαν εταιρίες σε Κίνα και Ινδία. Από το 2012 και μετά, η δανέζικη εταιρία Vestas είναι ο μεγαλύτερος κατασκευαστής ανεμογεννητριών παγκοσμίως[2],[41]. Είναι λοιπόν καταπληκτική η συνεχής εξέλιξη στην τεχνολογία των ανεμογεννητριών. Από τις μικρές, τόσο σε μέγεθος όσο και σε ισχύ, που έβρισκαν χρήση το 1980 και κυμαίνονταν γύρω στα 50 kw περάσαμε στις ανεμογεννήτριες με μετατροπείς ισχύος 500 έως 1000 kw δέκα χρόνια αργότερα και σε διπλασιασμό αυτών την επόμενη δεκαετία. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται η ανάπτυξη των ανεμογεννητριών με την πάροδο των ετών[3]. Σχήμα 2.1 Εξέλιξη των ανεμογεννητριών[42] 19

2.3 Χαρακτηριστικά μεγέθη Άνεμος ονομάζεται η κίνηση αέριας μάζας που προκαλείται από θερμοκρασιακές διαφορές που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα και οφείλονται κυρίως στη διαφορετική θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης ή στο γεωγραφικό πλάτος. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκρασίες είναι αποτέλεσμα είτε της διαφορετικής φύσης της επιφάνειας (έδαφος ή νερό), είτε της διαφοράς υψομέτρου μεταξύ δύο σημείων. Όταν μία αέρια μάζα θερμαίνεται γίνεται πιο αραιή και πιο ελαφριά και τείνει να ανέβει ψηλότερα. Επομένως, άλλες, πιο ψυχρές και βαριές αέριες μάζες θα κινηθούν και θα πάρουν τη θέση της. Από την άλλη μεριά, όταν μια μάζα αέρα ψύχεται γίνεται πιο πυκνή και πιο βαριά και τείνει να κατέβει. Έτσι, μετακινεί τις άλλες τις πιο θερμές και πιο αραιές μάζες αέρα και παίρνουν τη θέση της[2]. Η εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου για την παραγωγή μηχανικού έργου αλλά και για την μετατροπή αυτού σε ηλεκτρική ενέργεια γίνεται με τη βοήθεια ανεμόμυλων στην πρώτη περίπτωση και ανεμογεννητριών στη δεύτερη. Στο σημείο αυτό της διπλωματικής εργασίας αξίζει να αναφερθούμε στα χαρακτηριστικά του ανέμου και τη θεωρία στην οποία βασίζεται η λειτουργία των αιολικών συστημάτων. o Η ταχύτητα του ανέμου Καθώς ο άνεμος δεν είναι ένα σταθερό φαινόμενο αλλά μεταβάλλεται χρονικά και με τυχαίο τρόπο, η πιθανότητα εμφάνισης κάποιας συγκεκριμένης τιμής της ταχύτητάς του μπορεί να περιγραφεί από μια συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας. Οι δύο πιο κοινές σχέσεις που την περιγράφουν είναι οι κατανομές Weibull και Rayleigh, με την δεύτερη να δίνεται από τη σχέση[2],[4] : όπου v η ταχύτητα του ανέμου >0 σε m/s k η παράμετρος μορφοποίησης >0 c η παράμετρος κλίμακας >0 Αν Γ είναι η γάμμα εξίσωση του Euler με τύπο: f(v) = k c (v c )k 1 e (v c )k (2.1) Γ(z) = 0 t z 1 e t dt (2.2) 20

τότε η μέση ταχύτητα του ανέμου υπολογίζεται ως εξής: v mean = 0 vf(v)dv = c k Γ(1 ) (2.3) κ Με την παράμετρο μορφοποίησης k=2 και Γ ( 1 ) = π, η παράμετρος c προκύπτει: 2 c = 2 π v mean (2.4) και η κατανομή Weibull ισούται με την κατανομή Rayleigh, η οποία εξαρτάται μόνο από την παράμετρο c. Σχήμα 2.2 Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας Rayleigh για διαφορετικές τιμές της παραμέτρου μορφοποίησης[43] o Η ισχύς του ανέμου Η κινητική ενέργεια του ανέμου δίνεται[2],[4]: W κ (t) = 1 2 mv2 (t) (2.5) όπου m είναι μια αέρια μάζα και v(t) η στιγμιαία ταχύτητά της. Θεωρώντας Α το εμβαδόν της επιφάνειας που διαπερνά κάθετα ο άνεμος και ρ η πυκνότητά του που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες με τυπική τιμή περίπου 1.3 kg/m 3, τότε m(t)=ραv(t) η μάζα αέρος που περνάει στη μονάδα του χρόνου. Έτσι, η στιγμιαία ισχύς του ανέμου προκύπτει από τη σχέση[2],[4]: P αν = 1 2 ραv3 (t) (2.6) 21

Αυτή είναι και η ολική ισχύς του ανέμου. Στην πράξη όμως, μόνο ένα μέρος P M της ισχύος αυτής μπορεί να δεσμευτεί από τον ανεμοκινητήρα, καθώς από τη μία ο αέρας πρέπει να απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα αλλά και από την άλλη τα πτερύγιά του προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα το οποίο τον παρακάμπτει χωρίς να τον διαπεράσει. Έτσι ονομάζουμε συντελεστή ισχύος ενός ανεμοκινητήρα Cp τον λόγο της μηχανικής ισχύος που παράγεται P M προς την ισχύ του ανέμου που διαπερνά την επιφάνεια με εμβαδόν A [2],[4]: C P = P M P αν (2.7) Ο Γερμανός φυσικός Albert Betz το 1919, σύμφωνα με τη θεωρία του δίσκου ενέργειας, απέδειξε ότι η μέγιστη θεωρητική τιμή του συντελεστή ισχύος Cp για έναν ιδανικό ανεμοκινητήρα είναι C P max = 16 = 0.593. Η τιμή αυτή ονομάζεται όριο του Betz και στην πράξη δεν ξεπερνά το 0.5 αλλά κυμαίνεται μεταξύ 0.3 και 0.4 λόγω μηχανικών τριβών, αεροδυναμικών ατελειών και στροβίλων. Η ακριβής τιμή του εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας αλλά και τον τύπο και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες του ανεμοκινητήρα[2],[3],[4]. 27 o Αντίσταση και άνωση Όταν ο άνεμος προσπίπτει σε μια επιφάνεια εμβαδού Α, η ταχύτητά του v σχηματίζει γωνία προσβολής α με την επιφάνεια και της ασκεί μια δύναμη F. Η δύναμη αύτη αναλύεται σε δυο συνιστώσες όπως φαίνεται και από το σχήμα 2.3. Η μία είναι κάθετη στην ταχύτητα v και ονομάζεται άνωση (Lift). Η άλλη είναι παράλληλη στην ταχύτητα v, καλείται αντίσταση (Drag) και συνδέεται με φαινόμενα κατανάλωσης ενέργειας[2],[4]. Σχήμα 2.3 Δυνάμεις κατά την πρόσπτωση ανέμου σε επιφάνεια[44] 22

Οι δυνάμεις αυτές προκύπτουν από τις σχέσεις [2],[4]: F L = 1 2 ραv2 C L (a) (2.8) F D = 1 2 ραv2 C D (a) όπου C L (a), C D (a) είναι συντελεστές που χαρακτηρίζουν το σχήμα του σώματος στο οποίο προσπίπτει ο άνεμος, προσδιορίζονται πειραματικά και εξαρτώνται από τη γωνία προσβολής α. Η συνολική δύναμη, όπως είναι φυσικό, προκύπτει[2],[4]: F = F L 2 + F D 2 (2.9) Στην πράξη, δρουν πάντοτε και οι δύο δυνάμεις. Όμως, υπάρχουν περιπτώσεις, ανάλογα με τον τύπο του ανεμοκινητήρα και των πτερυγίων, που υπερισχύει ως κινητήρια δύναμη κάποια από τις δύο συνιστώσες. Οι αιολικές μηχανές που χρησιμοποιούν κυρίως την άνωση χρησιμοποιούνται για ηλεκτροπαραγωγή, καθώς λειτουργούν με υψηλή ταχύτητα και μικρή ροπή. Αυτές που εκμεταλλεύονται την αντίσταση αντίθετα, λειτουργούν με χαμηλή ταχύτητα και μεγάλη ροπή, βρίσκουν εφαρμογή για αγροτικές κυρίως χρήσεις όπως άλεση σιτηρών και άντληση νερού και είναι απλές και φθηνές τόσο στην κατασκευή όσο και στη συντήρησή τους[2],[4]. o Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου Ένα χαρακτηριστικό μέγεθος των ανεμογεννητριών είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (TSR) και προκύπτει από τη θεωρία της πτερύγωσης και σύμφωνα με την περίπτωση που υπάρχει και άνωση και αντίσταση. Κατά τη θεωρία αυτή, χωρίζοντας το πτερύγιο σε πολλές στενές λωρίδες και ολοκληρώνοντας σε όλο το μήκος του, έχουμε τη δυνατότητα να υπολογίσουμε την αναλυτική σχέση για τα στοιχειώδη μεγέθη των λωρίδων, όπως είναι ο συντελεστής C P [2],[4]. Θεωρώντας ότι μια έλικα στρέφεται με γωνιακή ταχύτητα ω και τα πτερύγιά της σχηματίζουν γωνία θ με το επίπεδο περιστροφής, ένα στοιχειώδες τμήμα ενός πτερυγίου με πάχος dr δέχεται τη δύναμη της άνωσης (df L ) και τη δύναμη της αντίστασης (df D ), οι οποίες δίνουν συνισταμένη ίση με df. Αυτή αναλύεται σε δύο άλλες συνιστώσες df T και df N, όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί[2],[4]. 23

Σχήμα 2.4 Τομή πτερυγίου έλικας και οι ασκούμενες δυνάμεις[46] Αν U rel η σχετική ταχύτητα του ανέμου που βλέπει η πτέρυγα και προκύπτει από το διανυσματικό άθροισμα της ταχύτητας του ανέμου(v) και της γραμμικής ταχύτητας της πτέρυγας λόγω περιστροφής( v B = ω r R), C το πλάτος του πτερυγίου, R το μήκος του πτερυγίου και φ = tan 1 ( v v B ) τότε ισχύει ότι η προωστική δύναμη που ασκεί ο άνεμος στο στοιχείο της πτέρυγας και την περιστρέφει ισούται με: df T = df L sin φ df D cos φ= 1 2 ρu rel 2 (C L (a) sin φ C D (a) cos φ)cdr (2.10) Κάνοντας το διανυσματικό τρίγωνο των ταχυτήτων προκύπτει: U rel 2 = v 2 + (ω r R) 2 (2.11) ω r R = v cot φ (2.12) Η ισχύς που παράγεται ισούται με dp = df T ω r R, συνεπώς με αντικατάσταση των παραπάνω σχέσεων ισχύει: dp = 1 2 ρv3 cot φ (1+cot φ)(c L (a) sin φ C D (a) cos φ)cdr (2.13) Ολοκληρώνοντας την σχέση (2.20) και θεωρώντας έλικα με δύο πτερύγια P M = 2P, εξάγουμε την αναλυτική σχέση για τον συντελεστή ισχύος: R C P = 3 cot φ (1 + cot φ)(c πr 2 L (a) sin φ C D (a) cos φ)cdr 0 (2.14) Από την παραπάνω ανάλυση, γίνεται εμφανής η εξάρτηση του C P τόσο από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (R,C, C L,C D ), όσο και από την 24

συνεφαπτομένη της γωνίας φ. Η τελευταία όπως προκύπτει από τη σχέση (2.12) ισούται με: cot φ = ω rr v = λ (2.15) και ονομάζεται λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (TIP-SREED RATIO,TSR). Αποτελεί τον λόγο της ταχύτητας λόγω περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου. Είναι ένα αδιάστατο μέγεθος και η βέλτιστη τιμή του είναι αυτή που μας δίνει τη μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος C P όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5 και θα εξετάσουμε στην επόμενη ενότητα[2],[4]. Σχήμα 2.5 Διάγραμμα του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ με τον συντελεστή ισχύος C P [47] o Μέγιστος συντελεστής C P και μέγιστη παραγόμενη ενέργεια Όπως έγινε φανερό από την παραπάνω υποενότητα, ο συντελεστής ισχύος C P δεν είναι σταθερός αλλά εξαρτάται από την ταχύτητα των ακροπτερυγίων λ και από τη γωνία βήματος πτερυγίου β. Έτσι, το C P σαν συνάρτηση των λ και β δίνεται από την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση[2]: C P (λ, β) = 0.22( 16 0.4β 5)e 12.5 λ i ) (2.16) λ i όπου για το λ i ισχύει: 25

1 = 1 0.035 λ i λ+0.08β β 3 +1 (2.17) Οι τιμές του C P σαν συνάρτηση του λ για διαφορετικές τιμές του β φαίνονται στο σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6 Διάγραμμα συντελεστή ισχύος C P συναρτήσει του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ και της γωνίας βήματος πτερυγίου β[48] Η σχέση που μας δίνει τη μηχανική ενέργεια που παράγεται από τον άνεμο όπως προκύπτει από τις σχέσεις (2.6) και (2.7) είναι[2],[53]: P M = 1 2 πρc PR 2 v 3 (2.18) Για την παραγωγή της μέγιστης ισχύος από την ανεμογεννήτρια, εφόσον αυτή είναι συνάρτηση του συντελεστή ισχύος, αρκεί το C P να πάρει τη μέγιστη τιμή του. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βελτιστοποίηση των λ και β. Όπως είναι εμφανές από το σχήμα που προηγείται, η μέγιστη τιμή του C P λαμβάνεται όταν β=0[2]. Τότε, για αυτή την τιμή του β, το C P, το λ i και το λ παίρνουν τις βέλτιστες τιμές τους ως εξής: λ i = 8.12 λ opt = 6.325 C P opt = 0.4382 Η βέλτιστη τιμή λ opt ορίζει μια βέλτιστη ταχύτητα ω ropt από τη σχέση (2.15)[2],[53]: ω ropt = λ opt v (2.19) R 26

Ορίζοντας τη μεταβλητή C T = C P λ και παίρνοντας τη μηχανική ενέργεια από τη σχέση P M = Τ M ω r, η ροπή δίνεται ως εξής: Τ M = 1 2 πρc T(λ)R 3 v 2 (2.20) Χρησιμοποιώντας τα βέλτιστα μεγέθη στην ανωτέρω σχέση, ορίζεται η βέλτιστη ροπή: Τ M opt = 1 2 πρc T(λ opt )R 3 v 2 (2.21) η οποία για C T (λ opt ) = C Popt λopt γίνεται: Τ M opt = 1 2 πρ C Popt λ opt 3 R 5 ω ropt 2 (2.22) 2.4 Δομή των ανεμογεννητριών Ο τύπος των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιείται ευρέως στις μέρες μας αποτελείται από δύο ή τρία πτερύγια, μία γεννήτρια και έναν πύργο στήριξης και είναι οριζόντιου άξονα. Τον όρο οριζόντιου άξονα θα τον εξετάσουμε στην επόμενη ενότητα, όπου και θα ασχοληθούμε με τις κύριες κατηγορίες των ανεμογεννητριών. Ο σκοπός της κατασκευή τους έγκειται στην ανάγκη για παραγωγή ενέργειας μέσω της αξιοποίησης της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Η γενική αρχή λειτουργίας είναι πως ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια, μέσα στην ανεμογεννήτρια η αιολική ενέργεια μετατρέπεται αρχικά σε μηχανική και ύστερα σε ηλεκτρική μέσω της γεννήτριας που είναι εγκατεστημένη στην άτρακτο. Πιο συγκεκριμένα, η κινητική ενέργεια του ανέμου μεταφέρεται μέσω ενός άξονα στο κιβώτιο ταχυτήτων, εκεί πολλαπλασιάζεται και μέσω ενός άλλου άξονα μεταφέρεται στη γεννήτρια. Η γεννήτρια με τη σειρά της, μέσω ενός μετασχηματιστή τροφοδοτεί με τάση το φορτίο ή το δίκτυο που ακολουθεί. Αυτή είναι όμως μια γενική αναφορά στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η ανεμογεννήτρια. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε πιο αναλυτικά τα μέρη από τα οποία απαρτίζεται ακολουθώντας τη δομή που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.7[2],[4],[49],[50],[51]. 27

Σχήμα 2.7 Τομή ατράκτου ανεμογεννήτριας[41] Ρότορας(Rotor): Αποτελεί το βασικό μέρος της ανεμογεννήτριας. Αποτελείται από τα πτερύγια τα οποία στερεώνονται σε ένα μηχανικό εξάρτημα, την πλήμνη. Πτερύγια(Blades): Κατασκευάζονται από χάλυβα ή κράματα αλουμινίου. Έχουν σχήμα αεροδυναμικό και σκοπός του είναι να επιτυγχάνουν τη μεγαλύτερη δυνατή άνωση. Όταν ο αέρας διοχετευθεί πάνω τους, χρησιμοποιούν την αρχή της άνωσης, περιστρέφονται με αποτέλεσμα να γυρίζει ο δρομέας και να μετατρέπεται η κινητική ενέργεια σε μηχανική. Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες αποτελούνται από δύο ή τρία πτερύγια τα οποία περιστρέφονται με αργό ρυθμό της τάξης των 20 στροφών το λεπτό(rpm). Βήμα(Pitch): Τα πτερύγια έχουν τη δυνατότητα περιστροφής με σκοπό τον έλεγχο της ταχύτητας του ρότορα σε περιπτώσεις που ο αέρας είναι είτε πολύ ισχυρός είτε πολύ ασθενής για την παραγωγή ενέργειας. Άξονας χαμηλών στροφών(low-speed shaft): Είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων ώστε να προσαρμόσει τις στροφές του ρότορα στις απαιτήσεις της ηλεκτρογεννήτριας. Στρέφεται με περίπου 30-60 rpm. Φρένο(Break): Σε έκτακτες περιπτώσεις είναι αυτό που σταματάει το ρότορα μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά. 28

Κιβώτιο ταχυτήτων(gear box): Συνδέει τον άξονα χαμηλών ταχυτήτων με τον άξονα υψηλών ταχυτήτων. Χρησιμοποιείται για να αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής από 30-60 rpm σε 1000-1800 rpm καθώς αυτή είναι η απαιτούμενη ταχύτητα για την παραγωγή ηλεκτρισμού από τη γεννήτρια. Το κιβώτιο ταχυτήτων θεωρείται αρκετά δαπανηρό και γίνονται προσπάθειες αποφυγής της χρήσης του εγκαθιστώντας direct-drive γεννήτριες που λειτουργούν σε μικρότερες ταχύτητες περιστροφής. Άξονας υψηλών ταχυτήτων(high-speed shaft): Είναι ο άξονας που ξεκινάει από το κιβώτιο ταχυτήτων και καταλήγει στη γεννήτρια και αποτελεί ουσιαστικά τον δρομέα της. Γεννήτρια(Generator): Μέσω αυτής παράγεται η τάση αφού στην ουσία μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια που παράγεται από το ρότορα σε ηλεκτρική. Μέσω ενός μετασχηματιστή η τάση αυτή προσαρμόζεται και η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί από γειτονικές συσκευές, είτε να διοχετευθεί στο δίκτυο, είτε να αποθηκευτεί σε μπαταρίες. Ελεγκτής(Controller): Ένας υπολογιστής εκκινεί και σταματά την ανεμογεννήτρια ανάλογα την τιμή της ταχύτητας του ανέμου. Ανεμόμετρο(Anemometer): Όργανο που μετρά την ταχύτητα του ανέμου και την καταχωρεί στον ελεγκτή. Ανεμοδείκτης(Wind Vane): Όργανο που προσδιορίζει την κατεύθυνση του ανέμου, την καταχωρεί στον ελεγκτή και ρυθμίζει το μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. Μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου(yaw drive): Έχει τη δυνατότητα να προσανατολίζει τις ανεμογεννήτριες ώστε να δέχονται τον άνεμο στο εμπρόσθιο όταν αυτός αλλάζει κατεύθυνση. Κινητήρας μηχανισμού περιστροφής(yaw motor): Είναι αυτός που τροφοδοτεί τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. Και οι δύο μαζί ορίζουν το σύστημα προσανατολισμού. Άτρακτος(Nacelle): Βρίσκεται στην κορυφή του πύργου και περιλαμβάνει τον μηχανισμό ελέγχου βήματος πτερυγίων, τον άξονα χαμηλών και υψηλών στροφών, το φρένο, το κιβώτιο ταχυτήτων, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή, το ανεμόμετρο, τον ανεμοδείκτη και τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. Πύργος(Tower): Υποστηρίζει την άτρακτο και την έλικα. Η κατασκευή του είτε μεταλλική σωληνωτή, είτε από τσιμέντο, είτε από χαλύβδινο πλέγμα. Η συνηθέστερη είναι αυτή του λευκού κυλινδρικού χάλυβα. Εφόσον η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται με το ύψος, υψηλότεροι πύργοι επιτρέπουν τον εγκλωβισμό περισσότερης ενέργειας με αποτέλεσμα την παραγωγή περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, οι πύργοι εσωτερικά περιλαμβάνουν μια σκάλα και έναν ανυψωτήρα. 29

2.5 Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Με την πάροδο των χρόνων, σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς ανεμόμυλους, τα σημερινά αιολικά συστήματα χαρακτηρίζονται από την υψηλή τεχνολογία τους και γίνεται συνεχώς προσπάθεια για τελειοποίησή τους. Η μορφή τους έχει περάσει από πολλά στάδια μέχρι να φτάσουμε στην κλασσική τους μορφή. Έχουν επικρατήσει λοιπόν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών ανάλογα με τον αριθμό των πτερυγίων τους, τον προσανατολισμό του άξονα τους και την ταχύτητα περιστροφής τους. Όσον αφορά τον προσανατολισμό του άξονα σε σχέση με τη ροή του ανέμου αυτές χωρίζονται σε κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Υποκατηγορία του οριζόντιου άξονα αποτελεί η διάκριση με βάση τον αριθμό των πτερυγίων (μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες και πολυπτέρυγες). Ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής τους, έχουμε τις ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας. Στις υποενότητες που ακολουθούν γίνεται εκτενέστερη αναφορά στους τύπους αυτούς. 2.5.1 Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα του ρότορα εγκάρσια προς τη ροή του ανέμου(όχι απαραίτητα κάθετα) αλλά κάθετα προς το έδαφος. Η μηχανή δε χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο ώστε να έρχεται μόνο από το εμπρόσθιο μέρος. Αυτό είναι και το κύριο πλεονέκτημα τους έναντι των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα καθώς έχουν τη δυνατότητα να τοποθετηθούν σε οποιοδήποτε μέρος ανεξαρτήτως της κατεύθυνσης που έχει ο άνεμος καταργώντας τον μηχανισμό προσανατολισμού. Η διάταξη αυτή επιτρέπει ακόμα στη γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων να βρίσκονται κοντά στο έδαφος. Το γεγονός αυτό τις καθιστά εύκολα προσβάσιμες σε περιπτώσεις συντήρησης ή επισκευής αλλά και πιο οικονομικές και απλές μιας και πολλές φορές δε χρησιμοποιείται πυλώνας στήριξης[2],[54]. Συνεχίζοντας, το κύριο πρόβλημα βρίσκεται στη λειτουργία των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα. Η ροπή εκκίνησης παρουσιάζεται να είναι πολύ υψηλή σε χαμηλές ταχύτητες του ανέμου με αποτέλεσμα η γεννήτρια να χρειάζεται εξωτερική παρέμβαση για να περιστραφεί. Έτσι, η γεννήτρια λειτουργεί αρχικά σαν κινητήρας που απορροφά ρεύμα από το δίκτυο. Ακόμη, η απώλεια του πύργου οδηγεί σε χαμηλή απόδοση εφόσον η ταχύτητα του ανέμου σε χαμηλά ύψη είναι σχετικά χαμηλή[2],[54]. 30

Οι κυριότεροι τύποι των ανεμογεννητριών αυτών είναι: α) ο τύπος Darrieus, που έχει τον άξονα περιστροφής του κάθετα στη ροή του ανέμου, λειτουργούν με χαμηλότερο λ και βασίζονται στην άνωση και β) ο τύπος Savonius, ο οποίος εκμεταλλεύεται την αντίσταση[2],[54]. Σχήμα 2.8 Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα τύπου Darrieus[55] Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι κατασκευασμένες ώστε να έχουν τον άξονα περιστροφής τους στην κορυφή ενός πύργου, οριζόντιο προς το έδαφος και παράλληλο στη ροή του ανέμου. Η κατασκευή της είναι αυτή που παρουσιάστηκε στην ενότητα 2.3. Έτσι φαίνεται πως το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο σε αυτή την κατηγορία και μαζί με την γεννήτρια τοποθετούνται πάνω στην πύργο. Αυτό συνεπάγεται δυσκολία αλλά και κόστος στην κατασκευή. Ακόμη, όπως αναφέρθηκε, ο τύπος αυτός χρειάζεται τον μηχανισμό περιστροφής για τον προσανατολισμό της ανεμογεννήτριας ανάλογα με την κατεύθυνση του ανέμου, το οποίο αποτελεί μειονέκτημα συγκριτικά με τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα[2],[41]. Τα παραπάνω φαίνεται να μην αποτελούν σοβαρά προβλήματα μιας και οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατέχουν παγκόσμια την πρώτη θέση στην αγορά αιολικών. Αυτό οφείλεται στον υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή αλλά και στην εύκολη συναρμολόγησή τους. Όμως το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ακόμη και σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου[2],[41]. Μια διάκριση των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα γίνεται με βάση των αριθμό των πτερυγίων ως εξής: α) οι μονοπτέρυγες, οι οποίες έχουν ένα πτερύγιο, 31

β) οι διπτέρυγες, που αποτελούνται από δύο πτερύγια, γ) οι τριπτέρυγες, με τρία πτερύγια και δ) οι πολυπτέρυγες, που απαρτίζονται από περισσότερα από τρία πτερύγια. Οι δύο πρώτοι τύποι δεν εξελίχθηκαν ιδιαίτερα, αν και αποτελούν την οικονομικότερη λύση σχετικά με τις υπόλοιπες, κυρίως εξαιτίας προβλημάτων που παρουσιάζουν στην εξισορρόπηση δυνάμεων κατά την περιστροφή τους και την ανάγκη τοποθέτησης αντίβαρου στην πλήμνη. Οι πολυπτέρυγες μηχανές χαρακτηρίζονται από μεγάλη στιβαρότητα. Στιβαρότητα ορίζεται ως ο λόγος του συνολικού εμβαδού των πτερυγίων προς το εμβαδόν που διαγράφουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή τους και για οριζόντιου άξονα δίνεται από τη σχέση[2],[4]: S = nrc πr 2 (2.23) Οι μηχανές αυτές είναι κατά κανόνα πιο αργές, απλές και φτηνές στην κατασκευή και τη συντήρησή τους και χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης καθώς μπορούν να ξεκινούν την περιστροφή του όταν αρχίζει να φυσάει ο άνεμος. Έτσι, είναι κατάλληλες για αγροτικές χρήσεις όπως η άντληση υδάτων. Όμως οι αυξημένες αεροδυναμικές απώλειες οδηγούν σε μικρότερη παραγόμενη ισχύ άρα και μικρότερο συντελεστή ισχύος C P, γεγονός που τις κάνει ακατάλληλες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι και το ζητούμενο[2],[4]. Είναι λοιπόν αποδεδειγμένο πως οι τριπτέρυγες ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα είναι αυτές που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα και το μηχανικό εξισορροπείται, γεγονός που τις καθιστά πιο σταθερές από τους υπόλοιπους τύπους. Επιπλέον, έχουν μικρότερη στιβαρότητα σε σχέση με τις πολυπτέρυγες με αποτέλεσμα να έχουν μεγαλύτερο συντελεστή ισχύος, να είναι πολύστροφες και κατάλληλες για ηλεκτροπαραγωγή. Το μοναδικό τους μειονέκτημα έγκειται στην ανάγκη για επιβολή εξωτερικής ενέργειας κατά την εκκίνηση[2],[4]. 32

Σχήμα 2.9 Τριπτέρυγη ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα[52] 2.5.2 Ανεμογεννήτριες σταθερής και μεταβλητής ταχύτητας Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (fixed-speed) διατηρούν σταθερή την ταχύτητα του δρομέα χωρίς αυτή να εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου. Αντίθετα, καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, την αναλογία κιβωτίου ταχυτήτων και τον σχεδιασμό της γεννήτριας, δηλαδή τον τύπο της μηχανής, τον αριθμό των πόλων της κλπ. Στην καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας, συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου, υπάρχει μόνο μία ταχύτητα του ανέμου για την οποία ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ παίρνει τη βέλτιστη τιμή του. Μόνο αν η ταχύτητα του ανέμου πάρει τη μέγιστη τιμή της ακριβώς στο σημείο αυτό θα έχουμε τη βέλτιστη παραγωγή ισχύος. Διαφορετικά, η ανεμογεννήτρια λειτουργεί εκτός της βέλτιστης απόδοσής της και δε λαμβάνεται η μέγιστη ισχύς από τον άνεμο[2],[27],[59]. Οι σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν κατά κόρον επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού(scig) απευθείας συνδεδεμένες με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός μετασχηματιστή. Εξαιτίας της κατανάλωσης άεργου ισχύος από τη γεννήτρια με την αύξηση της παραγωγής ενέργειας, μια συστοιχία παράλληλων πυκνωτών παρέχει αντιστάθμιση στην άεργο. Ακόμα, ένας προοδευτικός ελεγχόμενος εκκινητής (soft starter) βελτιώνει τη συμβατότητα με το δίκτυο. Στο σχήμα 2.10 διακρίνεται η τοπολογία του συστήματος που είναι γνωστή ως Δανέζικη εκδοχή (Danish concept). Σε χαμηλές ταχύτητες του ανέμου (μικρότερες των 3 m/s) οι ανεμογεννήτριες σταματούν να λειτουργούν εξαιτίας της μειωμένης αιολικής ενέργειας. Σε τιμές ανέμου μεγαλύτερων της ονομαστικής, η ανεμογεννήτρια εφαρμόζει είτε έλεγχο στη γωνία βήματος πτερυγίου είτε, πιο 33

συνηθισμένα, έλεγχο απώλειας στήριξης, μηχανικοί έλεγχοι που θα αναφερθούν στην επόμενη ενότητα αυτού του κεφαλαίου και σκοπό έχουν τον περιορισμό της εισερχόμενης ενέργειας από τον άνεμο. Για την προσπάθεια επίτευξης της βέλτιστης ταχύτητας περιστροφής και την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, οι γεννήτριες αυτού του τύπου κατασκευάζονται με δύο ομάδες τυλιγμάτων στάτη και αυξημένο αριθμό πόλων καθώς το ένα χρησιμοποιείται για τις μικρές ταχύτητες ανέμου και έχει 8 ζεύγη πόλων συνήθως και το άλλο αντιστοιχεί στις μεσαίες και υψηλές ταχύτητες με 4-6 ζεύγη πόλων. Ακόμη, ένας άλλος τρόπος προσπάθειας αύξησης της παραγόμενης ενέργειας είναι η κατασκευή των ανεμογεννητριών να γίνεται με δύο επαγωγικές γεννήτριες, μια μικρή για τις χαμηλές ταχύτητες αέρα και μία μεγαλύτερη για τις υψηλότερες[2],[27],[57],[59]. Σχήμα 2.10 Ανεμογεννήτρια σταθερής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού[40] Ο συγκεκριμένος τύπος ανεμογεννήτριας είναι σχετικά απλός, έχει χαμηλό κόστος λόγω της απουσίας ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και εξαιτίας της χρήσης επαγωγικής μηχανής εμφανίζει μια κάποια πλεονεκτήματα όπως αξιοπιστία, καλή συμπεριφορά σε υπερφορτίσεις λόγω σθεναρότητας και ομαλή σύνδεση με το δίκτυο λόγω ολίσθησης της μηχανής. Μια σειρά μειονεκτημάτων όμως καθιστά τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών μη αποτελεσματικές σε σύγκριση με αυτές των μεταβλητών στροφών που θα αναλυθούν παρακάτω. Η έλλειψη ελέγχου της ταχύτητας συνεπάγεται αδυναμία ελέγχου για βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης. Ακόμη, οι διαταραχές του ανέμου μεταφράζονται σαν διαταραχές στη μηχανική ροπή που καταλήγουν στο ηλεκτρικό δίκτυο με αποτέλεσμα διαταραχές στην τάση, ειδικά σε περιπτώσεις ασθενών δικτύων. Τέλος, σε ριπές ανέμου εμφανίζονται μηχανικές καταπονήσεις γεγονός που κάνει απαραίτητη τη στήριξη των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας[2],[57],[59]. 34

Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας(variable speed) έρχεται να διορθώσει την κατάσταση που επικρατούσε με την προαναφερθείσα τεχνολογία. Οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε ένα μεγάλο εύρος ταχύτητας του ανέμου. Η ταχύτητα του δρομέα της μηχανής προσαρμόζεται στην ταχύτητα του ανέμου και έτσι η ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει ισχύ σε μια συνεχή σειρά από ταχύτητες του ρότορα μέσω μιας μηχανής που θα λειτουργεί συνεχώς κοντά ή ακριβώς στο βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίων λ opt. Διατηρώντας το λόγο σταθερό επιτυγχάνουμε το μέγιστο συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος C P max [2]. Με τη βοήθεια της καμπύλης ισχύος-ταχύτητας ανέμου που απεικονίζεται στο σχήμα 2.11, θα εξηγήσουμε την εξάρτηση της μέγιστης παραγόμενης ισχύος από την ταχύτητα του ανέμου. Σχήμα 2.11 Χαρακτηριστική καμπύλη ηλεκτρικής ισχύος-ταχύτητας ανέμου[62] Τα μεγέθη που διακρίνονται είναι η ονομαστική ταχύτητα του ανέμου(rated wind speed) στην οποία η ισχύς της γεννήτριας είναι η ονομαστική της ισχύς(rated power). Ακόμη, η ελάχιστη ταχύτητα ανέμου για την οποία η ανεμογεννήτρια παράγει ισχύ ονομάζεται ταχύτητα έναρξης(cut-in) και η ταχύτητα απόζευξης(cutout) για την οποία σταματά το αιολικό σύστημα να λειτουργεί. Η περιοχή από την ταχύτητα έναρξης μέχρι την ονομαστική, είναι η περιοχή όπου εφαρμόζεται ο έλεγχος ώστε να προσαρμοστεί η ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας στην ταχύτητα του ανέμου και να επέλθει αργότερα η μέγιστη παραγωγή ισχύος. Στην επόμενη περιοχή, από την ονομαστική μέχρι την ταχύτητα απόζευξης, η ανεμογεννήτρια, μέσω του ελέγχου γωνίας βήματος, λειτουργεί με σταθερή 35

ταχύτητα, την ονομαστική, απορρίπτοντας σημαντική ισχύ με σκοπό την ασφαλή λειτουργία της. Σε περιοχές με ταχύτητες μικρότερες της cut-in και μεγαλύτερες της cut-out δεν υπάρχει παραγωγή ωφέλιμης ισχύος μιας στην πρώτη περίπτωση η ενέργεια του ανέμου είναι πολύ χαμηλή ενώ στη δεύτερη, εξαιτίας των πολύ υψηλών ταχυτήτων η ανεμογεννήτρια σταματά τη λειτουργία της για την αποφυγή καταστροφής[2],[58]. Η ικανότητα των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας να μεταβάλλουν την ταχύτητά τους ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου αλλά και η δυνατότητα ρύθμισης της άεργου ισχύος με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης στο δίκτυο ενέργειας είναι αποτέλεσμα των ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται. Ακόμη, σε ριπές ανέμου υπάρχει η δυνατότητα ο ρότορας να στραφεί πιο γρήγορα με αποτέλεσμα το πλεόνασμα ισχύος που παράγεται να αποθηκεύεται σαν επιπλέον κινητική ενέργεια στη μηχανή μέχρι την επαναφορά του συστήματος στην κανονική κατάσταση λειτουργίας. Αυτό αποτελεί μεγάλο πλεονέκτημα των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας καθώς με τη χρήση ελέγχου βήματος σε επαγωγικές γεννήτριες, όταν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την ονομαστική της τιμή, ο μηχανισμός ελέγχου δίνει σήμα για αύξηση της ολίσθησης της γεννήτριας, μείωση της ταχύτητας του ρότορα και στρέψη των πτερυγίων εκτός της πορείας του ανέμου. Αν η ταχύτητα του ανέμου μειωθεί ξαφνικά, τότε η παραπάνω διαδικασία γίνεται αντίστροφα. Το αποτέλεσμα της παραπάνω τεχνικής, εκτός από τη ρύθμιση της ταχύτητας της μηχανής και της ροπής, είναι και η μείωση των διακυμάνσεων στην ενέργεια που παράγεται. Το μειονέκτημά της είναι οι μεγάλες απώλειες λόγω υψηλής ολίσθησης και η μικρότερη απόδοση που επιτυγχάνεται λόγω αυτού[2],[57],[58],[59],[60]. Με τη μεταβολή στην αντίσταση του δρομέα στις επαγωγικές γεννήτριες είναι δυνατόν να μεταβληθεί η ολίσθηση και συνεπώς η ταχύτητα. Συνήθως, χρησιμοποιείται μια επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) που η αντίστασή του ρυθμίζεται είτε μέσω ενός οπτικά ελεγχόμενου μετατροπέα είτε μέσω παθητικών στοιχείων. Έτσι, επιτρέπει στην ολίσθηση της γεννήτριας να αυξηθεί μέχρι 10%. Η συστοιχία πυκνωτών και ο προοδευτικός εκκινητής χρησιμοποιούνται όπως και πριν για αντιστάθμιση της άεργου ισχύος και συμβατότητα με το δίκτυο, αντίστοιχα. Το μειονέκτημα της σύνδεσης της εξωτερικής αντίστασης με ψήκτρες ή δακτυλίους ολίσθησης που κοστίζουν και απαιτούν συντήρηση, αποφεύγεται με την οπτική σύνδεση. Ακολουθεί η τοπολογία του συστήματος στο σχήμα 2.12[2],[57]. 36

Σχήμα 2.12 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα[40] Μια τοπολογία ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας περιλαμβάνει επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) διπλής τροφοδοσίας με τα τυλίγματα του δρομέα συνδεδεμένα σε έναν ac/dc/ac μετατροπέα ισχύος με μεταβλητή συχνότητα. Η συνδεσμολογία της φαίνεται στο σχήμα 2.13. Ο μετατροπέας μεταφέρει μόνο την ισχύ του δρομέα προς το δίκτυο και σχεδιάζεται με ονομαστική ισχύ περίπου το 30% της ονομαστικής ισχύς της γεννήτριας. Το πλεονέκτημά του έγκειται στο γεγονός ότι συνδέεται στο κύκλωμα του δρομέα, με αποτέλεσμα την αντιστάθμιση και τον έλεγχο της άεργου ισχύος καθώς και την ομαλή διασύνδεση στο δίκτυο. Έτσι, καταργείται η χρήση συστοιχίας πυκνωτών και προοδευτικού εκκινητή. Η ανεμογεννήτρια έχει εύρος ταχύτητας ±30% γύρω από τη σύγχρονη[2],[57]. Σχήμα 2.13 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας[40] 37

Στο σύστημα του σχήματος 2.14, η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο μέσω ενός ανορθωτή σε σειρά με έναν αντιστροφέα. Το σύστημα αυτό αποτελεί έναν μετατροπέα που επιτρέπει λειτουργία μεταβλητών στροφών σε όλο το εύρος ταχύτητας της γεννήτριας και ελέγχει την άεργο ισχύ καθώς και την ομαλή σύνδεση με το δίκτυο. Έτσι, η κυκλική ταχύτητα της μηχανής ελέγχεται ανεξάρτητα της συχνότητας του δικτύου. Ακόμη, ο μετατροπέας έχει τη δυνατότητα να χειρίζεται τη συνολική ενέργεια με αποτέλεσμα, το εύρος των ταχυτήτων να φτάνει το 100% της ονομαστικής. Σαν γεννήτρια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ή επαγωγική βραχυκυκλωμένου κλωβού(scig), ή σύγχρονη δακτυλιοφόρου δρομέα(wrsg) ή σύγχρονη μόνιμου μαγνήτη(pmsg). Στην τελευταία περίπτωση, επιτυγχάνεται μεγάλη ενεργειακή απόδοση, αξιοπιστία και σε περιπτώσεις πολλών ζευγών πόλων, έλλειψη κιβωτίου ταχυτήτων που σημαίνει μείωση στο κόστος αλλά και σε θέματα συντήρησης. Η τελευταία αυτή τοπολογία ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη είναι αυτή που θα μας απασχολήσει στη συνέχεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας[2],[57]. Σχήμα 2.14 Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας διπλής τροφοδοσίας σε σειρά με ανορθωτή και αντιστροφέα[40] 2.6 Έλεγχος ανεμογεννητριών 2.6.1 Μηχανικός έλεγχος Οι ανεμογεννήτριες είναι κατασκευασμένες να λειτουργούν και να παράγουν το μέγιστο της ισχύος τους όταν η ταχύτητα του ανέμου κυμαίνεται από 12 έως 15 m/s. Είναι σπάνιες μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτές, αλλά στην περίπτωση αυτή, 38

διατίθενται μηχανισμοί ελέγχου για την ασφαλή λειτουργία της ανεμογεννήτριας και θυσιάζεται η περίσσεια ισχύος. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι ο έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίων και αυτός της απώλειας στήριξης και εφαρμόζονται προκειμένου να αποφευχθεί ο κίνδυνος ζημιάς ή και καταστροφής της ανεμογεννήτριας λόγω κάποιας υπερθέρμανσης στη μηχανή ή καταπόνησης των πτερυγίων[2]. Σύμφωνα με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων(pitch control), τα πτερύγια πρέπει να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους ώστε να προσαρμόζονται στην κατεύθυνση και την ταχύτητα του ανέμου για τον έλεγχο της ενέργειας που παράγεται. Με ρυθμιζόμενη γωνία βήματος, υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου, τόσο της ενέργειας που λαμβάνεται από τον άνεμο όσο και της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται αλλά και της ταχύτητας του ρότορα. Σε κανονικές συνθήκες ανέμου, η ανεμογεννήτρια θα πρέπει να λειτουργεί με το μέγιστο συντελεστή ισχύος. Στο κάτω όριο της ταχύτητας του ανέμου, όταν η αεροδυναμική ισχύς που παράγεται από την ανεμογεννήτρια είναι κάτω από το μέγιστο της ονομαστικής ισχύος του μετατροπέα ισχύος, η γωνία βήματος ελέγχεται, μέσω των στρεφόμενων πτερυγίων, ώστε να προσπίπτει περισσότερος αέρας πάνω τους και η ανεμογεννήτρια να λειτουργεί με το μέγιστο δυνατό C P. Με αλλαγές στην ταχύτητα, η γωνία max βήματος διατηρείται στη βέλτιστη τιμή της. Με την αύξηση της ταχύτητας του ανέμου, η παραγωγή ενέργειας αυξάνεται με αποτέλεσμα, στην περίπτωση που η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί το επιτρεπτό όριο, η παραγωγή ενέργειας από την ανεμογεννήτρια να γίνεται πολύ μεγάλη. Μόλις επιτευχθεί η μέγιστη ισχύς στον μετατροπέα, με την περιστροφή των πτερυγίων, η γωνία βήματος αυξάνει, η γωνία προσβολής μειώνεται, άρα και η άνωση, με σκοπό την ελάττωση της αεροδυναμικής ισχύος και του προσπίπτοντος ανέμου. Έτσι, η μηχανική ισχύς παραμένει στην ονομαστική της τιμή ακόμα και για πολύ μεγάλες ταχύτητες. Τα πτερύγια επανέρχονται, μόλις η ταχύτητα του ανέμου επανέλθει στις φυσιολογικές τιμές της ώστε να επιτυγχάνεται και πάλι η μέγιστη παραγωγή ενέργειας. Ο έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου συνήθως χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες μεγάλης ισχύος και μεταβλητής ταχύτητας και ο μηχανισμός του βασίζεται στη χρήση υδραυλικών ή ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Το κύρια μειονεκτήματά του είναι οι απότομες μεταβολές στη μηχανική ισχύ σε εναλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου λόγω της αργής απόκρισης του συστήματος που στρέφει τα πτερύγια αλλά και το κόστος εξαιτίας του συστήματος αυτού[2],[27],[56],[58],[60],[66]. Το άλλο είδος μηχανικού ελέγχου είναι ο έλεγχος της απώλειας στήριξης και χωρίζεται σε παθητικό και ενεργό. Στον παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης(passive stall control), τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας είναι τοποθετημένα με σταθερή γωνία πάνω στον ρότορα. Με τη μέθοδο αυτή, σε ταχύτητες ανέμου που ξεπερνούν τα όρια, εμφανίζονται στροβιλισμοί πλάγια των πτερυγίων και στην αντίθετη πλευρά της πρόσπτωσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασης στα 39

πτερύγια και τον περιορισμό της παραγόμενης ισχύος. Η απουσία κινούμενων μερών πάνω στο ρότορα, ενεργοποιητών και αισθητήρων δίνουν ένα μεγάλο πλεονέκτημα καθώς το κόστος του ελέγχου είναι χαμηλό. Από την άλλη, ο σχεδιασμός του είναι αρκετά πολύπλοκος επηρεάζοντας και το σχεδιασμό ολόκληρης της ανεμογεννήτριας. Ακόμη η χαμηλή απόδοση σε μικρές ταχύτητες και η ελαττωμένη παρεχόμενη ισχύς στις υψηλές, κάνουν αυτό τον έλεγχο λιγότερο αποδοτικό σε σύγκριση με τον έλεγχο της γωνίας βήματος πτερυγίου. Ωστόσο, ο έλεγχος αυτός βρίσκει εφαρμογή κυρίως σε ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας μικρής ισχύος. Ο μηχανισμός στρέψης των πτερυγίων και σε αυτή την περίπτωση είναι υδραυλικός ή χρησιμοποιεί ηλεκτρικό μηχανισμό[2],[40],[58]. Ένα μεγάλο μέρος των ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος και σταθερής ταχύτητας χρησιμοποιούν τον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης(active stall control). Ουσιαστικά, ο έλεγχος αυτός μοιάζει με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου δεδομένου ότι τα πτερύγια στέφονται ενεργά γύρω από τον άξονά τους. Σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, αυτά στρέφονται ακριβώς όπως με τη γωνία βήματος με σκοπό τη μέγιστη απόδοση ισχύος. Στις υψηλές ταχύτητες όμως και όταν η ισχύς φτάσει την ονομαστική και τείνει να την ξεπεράσει έγκειται η διαφορά τους. Τότε, τα πτερύγια στρέφονται αλλά με φορά αντίθετη από αυτή του θα είχαν με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η γωνία προσβολής προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερη απώλεια στήριξης θυσιάζοντας την πλεονάζουσα ενέργεια. Ένα από τα πλεονεκτήματα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης είναι ότι μπορεί κανείς να ελέγχει την ισχύ εξόδου με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι με την παθητική απώλεια στήριξης, έτσι ώστε να αποφεύγεται υπέρβαση της ονομαστικής ισχύος της μηχανής κατά την έναρξη μιας ριπής ανέμου. Ακόμα, δίνει τη δυνατότητα στην παραγόμενη ισχύ να διατηρείται σχεδόν ακριβώς στην ονομαστική ισχύ σε όλες τις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Όμως, όπως και με τον έλεγχο της γωνίας βήματος πτερυγίου, το κόστος είναι αρκετά αυξημένο[2],[56],[66]. Στο σχήμα 2.15 απεικονίζονται συγκριτικά τα αποτελέσματα στην παραγόμενη ισχύ από την εφαρμογή των μηχανικών ελέγχων που αναλύθηκαν στην ενότητα αυτή. 40

Σχήμα 2.15 Παραγόμενη ισχύς με την εφαρμογή:a)παθητικού ελέγχου απώλειας στήριξης,b)ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης και c)ελέγχου γωνίας βήματος πτερυγίου[27] 2.6.2 Ηλεκτρονικός έλεγχος Ο ηλεκτρονικός έλεγχος ισχύος στις ανεμογεννήτριες επιτυγχάνεται με τη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος. Τα ηλεκτρονικά ισχύος παρουσιάζουν σειρά πλεονεκτημάτων που καθιστούν αναγκαία τη χρήση τους στα αιολικά συστήματα και πάρκα. Αναφορικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι έχουν την δυνατότητα να ελέγχουν με ακρίβεια την ταχύτητα περιστροφής με κάποια επακόλουθα όπως η προσαρμογή της ισχύος της γεννήτριας, όπως επίσης να βελτιώνουν την ποιότητας της ισχύος που παράγεται από αυτή και διοχετεύεται στο δίκτυο ή το φορτίο[2]. Το αρχικά υψηλό κόστος των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος τείνει να μειωθεί και πλέον ο τομέας τους γνωρίζει μεγάλη άνθιση τα τελευταία χρόνια. Τα ηλεκτρονικά ισχύος χρησιμοποιούν διάφορες συσκευές για την επεξεργασία και τον έλεγχο της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν διάφορους τύπους μετατροπέων. Ο κυρίαρχος τύπος που χρησιμοποιείται στις 41

μέρες μας είναι αυτός του μετατροπέα πηγής τάσης VSC εξαναγκασμένης μετάβασης με IGBT. Η παλμοδότηση μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με εξαπαλμικό, είτε με Διαμορφωτή Πλάτους Παλμών(PAM), ή με Διαμορφωτή Εύρους Παλμών(PWM). Ο τελευταίος τρόπος είναι και αυτός που χρησιμοποιείτε συνήθως. Στο εξεταζόμενο σύστημα, θα χρησιμοποιηθεί ένας διπλός μετατροπέας ac/dc/ac πηγής τάσης με IGBT στοιχεία και PWM παλμοδότηση και αναφέρεται ως back-toback πιο σύντομα[2]. Δεν είναι όμως σκόπιμο να επεκταθούμε περαιτέρω στο σημείο αυτό τόσο για τον εξεταζόμενο μετατροπέα όσο και για την ευρύτερη περιοχή των ηλεκτρονικών ισχύος, μιας και υπάρχει το αρμόδιο κεφάλαιο που αναφέρεται στη χρήση των ηλεκτρονικών συστημάτων στα αιολικά συστήματα. 2.7 Αλληλεπίδραση ανεμογεννητριών με το δίκτυο Οι ανεμογεννήτριες έρχονται σε αλληλεπίδραση με το δίκτυο στο οποίο εισέρχονται. Αρχικά, οι μικρές αιολικές μονάδες συνδέονταν στα δίκτυα χωρίς την παρουσία προβλημάτων. Με την ανάπτυξη του τομέα των αιολικών όμως και τη εμφάνιση των αιολικών πάρκων παρατηρήθηκαν διαταραχές της ισχύος, κυρίως ασθενών δικτύων, δημιουργώντας την ανάγκη για συνεχή εξισορρόπησή τους[2],[57]. Διακυμάνσεις στην ταχύτητα του ανέμου, μεταφράζονται ως διακυμάνσεις στην ενέργεια που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες. Αυτές έχουν σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικών και μηχανικών καταπονήσεων αλλά και ταλαντώσεων στην ηλεκτρική ισχύ που παράγει η ανεμογεννήτρια. Με τον τρόπο αυτό επηρεάζεται η ποιότητα της ισχύος και κατ επέκταση η ευστάθεια του δικτύου και οι καταναλωτές που είναι συνδεδεμένοι σε αυτό. Από την άλλη πλευρά, μεταβολές στο δίκτυο ή βραχυκυκλώματα προκαλούν προβλήματα στις ανεμογεννήτριες[2],[57]. Όταν μια ανεμογεννήτρια συνδεθεί σε ένα ασθενές δίκτυο, οποιαδήποτε αλλαγή στην ταχύτητα του ανέμου θα επιφέρει μεταβολή στην παραγόμενη ενέργεια και συνεπώς στην τάση. Το φαινόμενο της διακύμανσης τάσης(flicker) είναι το σύνηθες πρόβλημα που δημιουργούν τα αιολικά συστήματα στο δίκτυο. Το ζήτημα αυτό αντιμετωπίζεται είτε στο σχεδιασμό της ανεμογεννήτριας, είτε με την ενδυνάμωση του δικτύου. Το δίκτυο ενδυναμώνεται με τη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος, τα οποία προσφέρουν έλεγχο της άεργου ισχύος και συνεπώς της τάσης στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Το μειονέκτημα των ηλεκτρονικών ισχύος είναι η 42

πιθανότητα εισαγωγής αρμονικών διαταραχών στο εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου,κατά τη διαδικασία του φιλτραρίσματος, με αποτέλεσμα η ποιότητα της παραγόμενης ισχύος να χειροτερεύει[2]. Το δίκτυο, επηρεάζοντας και αυτό τις ανεμογεννήτριες, μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα στη λειτουργία τους και να τις θέσει ακόμα εκτός λειτουργίας. Υποβιβασμοί στην τάση λόγω παρουσίας σφαλμάτων στο δίκτυο αλλά και απαιτήσεις άεργου ισχύος είναι τα κύρια προβλήματα που αντιμετωπίζουν τα αιολικά συστήματα κατά τη σύνδεσή τους με το δίκτυο. Έτσι, είναι απαραίτητη η ύπαρξη από κώδικες δικτύων για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία τους[2],[57]. Περιορισμοί υφίστανται κατά την εισαγωγή των αιολικών συστημάτων, όχι μόνο στα διασυνδεδεμένα, αλλά και στα αυτόνομα συστήματα με σκοπό την ευστάθεια του συστήματος αλλά και τη διατήρηση των τεχνικών ελαχίστων των συμβατικών μονάδων παραγωγής αν υπάρχουν. Με τον όρο τεχνικά ελάχιστα αναφερόμαστε στο όρια μέγιστης διείσδυσης αιολικής ισχύος που εμφανίζονται λόγω των ορίων ελάχιστης παραγωγής των συμβατικών μονάδων σε συνδυασμό με τη ζήτηση. Οι κώδικες δικτύου λοιπόν, αν και διαφέρουν παγκοσμίως, έχουν κάποιες κοινές απαιτήσεις που οφείλουν να πληρούν οι μονάδες παραγωγής που εισέρχονται σε αυτά. Συγκεκριμένα, απαιτείται[2],[57],[62]: Ανοχή σε βυθίσεις τάσης και απόκριση σε σφάλματα του δικτύου Σφάλματα όπως βραχυκυκλώματα ή διαταραχές στο δίκτυο προκαλούν βυθίσεις τάσεις. Τα αιολικά συστήματα οφείλουν, σε καταστάσεις τέτοιες, να παραμείνουν σε συνεχή λειτουργία και να μεταβάλλουν την ενεργό και άεργο ισχύ που παράγουν υπό μειωμένη τάση( Fault Ride Through). Έλεγχος τάσης και άεργου ισχύος Τα αιολικά συστήματα πρέπει να εφαρμόζουν έλεγχο στην τάση και την άεργο ισχύ. Ο έλεγχος της τάσης σκοπό έχει τη διατήρηση των τάσεων των ζυγών του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας εντός των καθορισμένων ορίων, κοντά στην ονομαστική τιμή. Μια διαταραχή όμως στο ισοζύγιο παραγωγής-κατανάλωσης άεργου ισχύος μπορεί να προκαλέσει αποκλίσεις στην τάση. Η τάση των ζυγών είναι μια τοπική μεταβλητή και ο έλεγχός της πρέπει να γίνεται σε τοπικό επίπεδο όπως και η παραγωγή της άεργου ισχύος. Για τον έλεγχο χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές μεταβλητού λόγου μετασχηματισμού ή συσκευές που μπορούν να παράγουν και να καταναλώσουν άεργο ισχύ, όπως οι πυκνωτές. Έλεγχος συχνότητας και ενεργού ισχύος Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν υπό σταθερή συχνότητα δικτύου, την ονομαστική. Εάν σημειωθεί κάποια διαταραχή στο ισοζύγιο παραγωγής- κατανάλωσης ενεργού ισχύος είναι απαραίτητη η άμεση επαναφορά καθώς διακυμάνσεις στη συχνότητα του δικτύου επηρεάζουν τις 43

συνιστώσες σε όλο το δίκτυο με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος αστάθειας του συστήματος. Ο έλεγχος της ισχύος και της συχνότητας γίνεται με τη ρύθμιση των στροφών από τους ρυθμιστές στροφών των γεννητριών. 44

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση Απομονωμένου Αιολικού Συστήματος με Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη 3.1 Εισαγωγή Το ενδιαφέρον για τη χρήση της αιολικής ενέργειας, τα τελευταία χρόνια έχει εντατικοποιηθεί και η εξέλιξη στον τομέα της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών παρουσιάζει ιδιαίτερη πρόοδο την τελευταία δεκαετία. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, υπάρχουν διάφοροι τύποι γεννητριών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο και ο καθένας παρουσιάζει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα, συναντάμε[2],[40]: Ασύγχρονες(επαγωγικές) γεννήτριες: Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού(scig) Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα(wrig) o Επαγωγικές γεννήτριες OptiSlip(OSIG) o Επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας(dfig) Σύγχρονες γεννήτριες: Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη(pmsg) Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα(wrsg) Άλλοι τύποι: Γεννήτριες υψηλής τάσης(hvg) Γεννήτριες εγκάρσιας ροής(tfg) Ο τύπος που χρησιμοποιείται ευρέως είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με κυρίαρχο τύπο αυτόν της επαγωγικής μηχανής διπλής τροφοδοσίας(dfig), με μεταβλητή ταχύτητα και μεταβλητό έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίων. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται,λόγω μιας σειράς πλεονεκτημάτων, αύξηση της χρήσης των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη(pmsg) που είναι και η μηχανή που εξετάζουμε στο παρόν σύστημα[2],[63]. 45

Οι σύγχρονες γεννήτριες που διεγείρονται είτε εξωτερικά είτε με μόνιμους μαγνήτες γίνονται η προτιμώμενη τεχνολογία. Συγκριτικά, μια ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιεί σύγχρονη γεννήτρια χωρίς ψήκτρες και πλήρη μετατροπέα σε σύγκριση με την επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα όπως η έλλειψη ψηκτρών, η καλύτερη απόδοση, ο απλούστερος έλεγχος της μηχανής και το μικρότερο κόστος. Μειονεκτήματα όπως οι αυξημένες απώλειες στον μετατροπέα, και το κόστος του αναμένεται να εξαλειφθούν στα επόμενα χρόνια, μιας και τα ηλεκτρονικά ισχύος τείνουν να γίνουν πιο οικονομικά[58],[63],[64]. Οι μόνιμοι μαγνήτες, από την άλλη, τείνουν να αντικαταστήσουν τη μέχρι τώρα διέγερση στις σύγχρονες μηχανές. Με χαμηλότερες απώλειες και κόστος αλλά και μικρότερο βάρος, η πολυπολική σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη με πλήρη backto-back μετατροπέα αναμένεται να είναι η κύρια επιλογή στην αγορά αιολικών συστημάτων όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.1[58],[63],[64]. Σχήμα 3.1 Η χρησιμοποιούμενη τεχνολογία ανεμογεννητριών:a) Τύποι γεννητριών 1.5-3 MW στην αγορά αιολικών συστημάτων,b) Σύγκριση απωλειών και βάρους μεταξύ DFIG και SG(διεγειρόμενη εξωτερικά ή με μόνιμους μαγνήτες) 3.2 Χαρακτηριστικά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Η σύγχρονη μηχανή ως γεννήτρια είναι η σπουδαιότερη μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο όρος σύγχρονη οφείλεται στο γεγονός ότι ο δρομέας στρέφεται με την ταχύτητα του σύγχρονα, δηλαδή με την ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τη διέγερση του συνεχούς 46

ρεύματος. Αποτελείται από δύο βασικά μέρη: το στάτη, που είναι το ακίνητο μέρος και φέρει τριφασικό τύλιγμα και το δρομέα, το ακίνητο μέρος που τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα. Ο στάτης είναι κατασκευασμένος από σιδηρομαγνητικό υλικό υπό μορφή ελασμάτων, έχει κυλινδρικό σχήμα και εσωτερικά φέρει αυλακώσεις όπου τοποθετείται το τριφασικό τύλιγμα του στάτη. Οι φάσεις του τυλίγματος απέχουν μεταξύ τους 120 στο χώρο. Ο δρομέας τοποθετείται στον άξονα της μηχανής και περιστρέφεται μέσα στο στάτη με σκοπό την παραγωγή μαγνητικού πεδίου. Είναι μια συμπαγής σιδηρομαγνητική κατασκευή και φέρει το τύλιγμα του δρομέα το οποίο πρέπει να τροφοδοτηθεί με συνεχές ρεύμα. Η τροφοδοσία αυτή στις σύγχρονες γεννήτριες γίνεται συνήθως με δύο τρόπους[3],[67],[68]: Από ειδική πηγή συνεχούς ρεύματος που τοποθετείται στον άξονα της γεννήτριας. Από εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύματος, με αποτέλεσμα ο δρομέας να είναι εφοδιασμένος με ψήκτρες και δαχτυλίδια. Η περίπτωση που η σύγχρονη γεννήτρια δε διαθέτει τύλιγμα διέγερσης αλλά το μαγνητικό πεδίο για τη λειτουργία της δημιουργείται από το δρομέα, ο οποίος αποτελείται από συστοιχία μόνιμων μαγνητών, είναι η περίπτωση της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη(pmsg)[2],[6],[57]. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μόνιμων μαγνητών που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες μηχανές. Ο τύπος Alnico είναι ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος. Οι Φερρίτες,όμως, (ή αλλιώς κεραμικά) είναι ο πιο δημοφιλής τύπος λόγω του χαμηλού κόστους. Οι σπάνιες γαίες(σαμάριο- Κοβάλτιο(SmCo) και Νεοδύμιο-Σίδηρος-Βόριο(NdFeB)), είναι ένας ακόμη τύπος και διακρίνεται για την υψηλή του απόδοση. Όπως φαίνεται, κάθε τύπος μαγνήτη έχει διαφορετικές ιδιότητες που οδηγούν σε διαφορετικές επιδόσεις και περιορισμούς όταν χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη[71]. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται συγκριτικά η τομή μιας επαγωγικής μηχανής και μιας σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. 47

Σχήμα 3.2 Σύγκριση σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με επαγωγική μηχανή[72] 3.2.1 Κατηγορίες σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Ανάλογα με την τοπολογία των μόνιμων μαγνητών, οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη χωρίζονται σε: Επιφανειακού μαγνήτη(surface-mounted): Οι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι στην επιφάνεια του δρομέα και έρχονται σε επαφή με ένα διάκενο αέρα. Χρησιμοποιούνται εκτενώς λόγω χαμηλού κόστους κατασκευής και απλότητας και παρουσιάζονται στο σχήμα 3.3[69],[71]. Σχήμα 3.3 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη με επιφανειακούς μαγνήτες[69] Μαγνήτη ένθετου στην επιφάνεια(surface-inset): Η τοπολογία με τους μαγνήτες να είναι τοποθετημένοι σε αυλακώσεις εσωτερικά της επιφάνειας του δρομέα φαίνεται στο σχήμα 3.4[69],[71]. 48

Σχήμα 3.4 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη με ένθετους μαγνήτες[69] Εσωτερικού μαγνήτη(interior): Στο σχήμα 3.5 απεικονίζεται η τοπολογία στην οποία οι μαγνήτες είναι τοποθετημένοι σε μεταλλικές κατασκευές στο εσωτερικό του δρομέα. Με τον τρόπο αυτό η κατασκευή του δρομέα γίνεται στιβαρότερη και επιτρέπεται η λειτουργία σε υψηλότερες ταχύτητες. Ακόμη, υπάρχει η πιθανότητα συγκέντρωσης μαγνητικής ροής[69],[71]. Σχήμα 3.5 Σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη με εσωτερικούς μαγνήτες[69] Ανάλογα με τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, οι σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: Ακτινικής ροής(radial flux): Στον τύπο αυτό, η διεύθυνση της μαγνητικής ροής είναι ακτινική κατά μήκος του διάκενου μεταξύ δρομέα και στάτη. Είναι ο τύπος που χρησιμοποιείται συνήθως εξαιτίας του χαμηλού κόστους 49

και του απλού σχεδιασμού. Οι μαγνήτες στο δρομέα ακολουθούν κάποιον από τους ανωτέρω σχηματισμούς. Η κατασκευή τους παρουσιάζεται στο σχήμα 3.6[69],[70],[71]. Σχήμα 3.6 Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη ακτινικής ροής[73] Αξονικής ροής(axial flux): Η διεύθυνση της ροής εδώ είναι παράλληλη στον άξονα του δρομέα. Έχουν την ικανότητα επιτάχυνσης αλλά και υψηλότερης πυκνότητα ισχύος, καθώς και χαμηλή ροπή και θόρυβο. Το μήκος τους είναι μικρό συγκριτικά με τις μηχανές ακτινικής ροής και χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά μαγνήτες επίπεδου σχήματος στην επιφάνεια του δρομέα. Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν είναι η μεγάλη εξωτερική διάμετρος της μηχανής και η δομική αστάθεια λόγω των δίσκων αυτών. Μια μηχανή αξονικής ροής ακολουθεί στο σχήμα 3.7[69],[70],[71]. Σχήμα 3.7 Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη αξονικής ροής[73] Εγκάρσιας ροής(transverse flux): Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8, η διεύθυνση της μαγνητικής ροής είναι κάθετη στον άξονα του δρομέα. Ένα από τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η γεννήτρια αυτή είναι η απλή γεωμετρία στην περιέλιξη του στάτη. Έτσι, υπάρχει η δυνατότητα μόνωσης υψηλής τάσης. Μειονεκτήματα, όμως, είναι ο χαμηλός συντελεστής ισχύος και η 50

πολύπλοκη κατασκευή της, που μπορεί να προκαλέσει θόρυβο και μηχανικά προβλήματα[58],[69],[71]. Σχήμα 3.8 Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη εγκάρσιας ροής[58] 3.2.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Η χρήση μόνιμων μαγνητών σαν διέγερση στις σύγχρονες μηχανές είναι αμφιλεγόμενη. Υπάρχουν πολλοί που επικροτούν τη χρήση τους στα αιολικά συστήματα και άλλοι που την καταδικάζουν. Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να εξετάσουμε τα θετικά και τα αρνητικά της γεννήτριας του υπό μελέτη συστήματος. Οι μηχανές μόνιμου μαγνήτη έχουν αυξημένο βαθμό απόδοσης. Αυτό οφείλεται στην απουσία του τυλίγματος διέγερσης, η οποία μεταφράζεται ως απουσία απωλειών, μιας και δε χρησιμοποιείται ηλεκτρικό ρεύμα για την παραγωγή πεδίου. Η απουσία του τυλίγματος διέγερσης έχει ένα ακόμα πλεονέκτημα, την απουσία ψηκτρών και δαχτυλιδιών στο δρομέα για την τροφοδοσία του με συνεχές ρεύμα. Έτσι, η ανάγκη συντήρησης μειώνεται ενώ συγχρόνως αυξάνεται η αξιοπιστία της μηχανής. Ακόμη, με τη χρήση μόνιμων μαγνητών επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ροής που συνεπάγεται μείωση του βάρους και του όγκου της μηχανής. Είναι ακόμη σημαντικό να τονιστεί η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας σε κάθε ταχύτητα. Τέλος, ο προσανατολισμός των στρεφόμενων πλαισίων αναφοράς, που θα μας απασχολήσει στην επόμενη ενότητα, γίνεται στο πεδίο του δρομέα[6]. Στον αντίποδα όλων των παραπάνω, η χρήση των μαγνητικών υλικών στις σύγχρονες μηχανές επιφέρει κάποια μειονεκτήματα. Το αυξημένο τους κόστος, η δυσκολία στην επεξεργασία και η ευαισθησία τους στις υψηλές θερμοκρασίες τα καθιστούν δύσχρηστα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, η χρήση του μόνιμου μαγνήτη ως διέγερση στον δρομέα προσθέτει επιπλέον κόστος στο σύστημα, καθώς κάνει αναγκαία τη χρήση του back-to-back μετατροπέα πλήρους κλίμακας με σκοπό την προσαρμογή της τάσης και της συχνότητας της γεννήτριας στα αντίστοιχα του δικτύου. Αξίζει να σημειωθεί,βέβαια, ότι το πρόβλημα αυτό 51

αναμένεται να εξαλειφθεί, καθώς προσπάθειες γίνονται για τη μείωση του κόστους των ηλεκτρονικών ισχύος, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Ως προς τη λειτουργία της μηχανής, η σύγχρονη φύση της μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα κατά την εκκίνηση, τον συγχρονισμό και τη ρύθμιση τάσης, καθώς επίσης και δύσκαμπτη συμπεριφορά σε διαταραχές της ταχύτητας του αέρα[2]. 3.3 Ο μετασχηματισμός Park Οι εξισώσεις τάσης της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη στο τριφασικό σύστημα συντεταγμένων μπορούν να γραφούν ως εξής [3],[74]: v as [ v bs ] = R S [ v cs i as i bs λ as λ bs ] + d [ ] (3.1) dt i cs λ cs όπου v as, v bs, v cs οι φασικές τάσεις στους ακροδέκτες του στάτη της μηχανής R S η αντίσταση των τυλιγμάτων του στάτη την μηχανής i as, i bs, i cs τα φασικά ρεύματα στους ακροδέκτες του στάτη της μηχανής λ as, λ bs, λ cs οι μαγνητικές ροές του στάτη της μηχανής στις φάσεις a,b,c αντίστοιχα. Οι εξισώσεις των μαγνητικών ροών του στάτη στο τριφασικό σύστημα εκφράζονται ως εξής[3],[74]: λ as L aa L ab L ac i as λ am [ λ bs ] = [ L ba L bb L bc ] [ i bs ] + [ λ bm ] (3.2) λ cs L ca L cb L cc i cs λ cm όπου L aa, L bb, L cc οι αυτεπαγωγές στα τυλίγματα του στάτη της μηχανής L ij = L ji οι αμοιβαίες επαγωγές μεταξύ των τυλιγμάτων της μηχανής(i,j=a,b,c) λ am, λ bm, λ cm οι μαγνητικές ροές στους πόλους της μηχανής Από τα ανωτέρω, γίνεται αντιληπτό ότι στην ανάλυση λειτουργίας των ασύγχρονων και σύγχρονων μηχανών, συχνά παρατηρούνται δυσκολίες κατά την επίλυση των εξισώσεων. Οι εξισώσεις εκφρασμένες στο τριφασικό a-b-c σύστημα αναφοράς είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και περιέχουν μεταβλητές που εξαρτώνται 52

από άλλες. Έτσι, προκύπτει ένα μη γραμμικό σύστημα διαφορικών εξισώσεων με συντελεστές που μεταβάλλονται ημιτονοειδώς με το χρόνο και ο έλεγχός του είναι εξαιρετικά δύσκολος λόγω της σύζευξης των μεγεθών. Λύση στο πρόβλημα αυτό έρχεται να φέρει ο μετασχηματισμός Park. Ο μετασχηματισμός Park έχει την ιδιότητα να εφαρμόζεται σε κάθε χρονική στιγμή σε τριφασικά συστήματα που εξαρτώνται από το χρόνο και να μετασχηματίζει τις a-b-c ποσότητες σε ένα νέο σύστημα κάθετων αξόνων d-q-0. Στο σχήμα 3.9 φαίνεται η μεταφορά από το τριφασικό στο dq0 πλαίσιο αναφοράς[2],[3],[6]. Σχήμα 3.9 Διάγραμμα των abc και dq0 πλαισίων αναφοράς[76] Ο μετασχηματισμός Park δίνεται από τη σχέση[2],[74]: x d όπου [x dq0 ] = [ x q ] οι ποσότητες μετασχηματισμένες x 0 x a [x abc ] = [ x b ] οι αρχικές μεταβλητές και x c [x dq0 ] = [T dq0 ][x abc ] (3.3) [T dq0 ] η μήτρα μετασχηματισμού Park που ορίζεται ως εξής[2],[74]: cos θ cos (θ 2π 3 ) cos (θ + 2π 3 ) [T dq0 ] = 2 3 [ sin θ sin (θ 2π 3 ) sin (θ + 2π 3 ) 1 2 1 2 1 2 ] (3.4) με θ τη γωνία τη γωνία μεταξύ στρεφόμενου συστήματος και συστήματος αναφοράς θ = ωt + θ 0. 53

Χρήσιμο μέγεθος αποτελεί και η αντίστροφη μήτρα μετασχηματισμού Park που μετατρέπει ένα διάνυσμα από το d-q-0 στο a-b-c σύστημα και δίνεται από τη σχέση[2],[74]: cos θ sin θ 1 [T dq0 ] 1 = [T dq0 ] T = [ cos (θ 2π ) sin (θ 2π ) 1 3 3 ] (3.5) cos (θ + 2π ) sin (θ + 2π ) 1 3 3 Μια από τις ιδιότητες του μετασχηματισμού Park είναι και η ορθογωνιότητα της μήτρας του. Έτσι[2], [T dq0 ][T dq0 ] 1 = [T dq0 ][T dq0 ] Τ = [Ι] (3.6) Με βάση αυτή, αποδεικνύεται ότι η τριφασική στιγμιαία ισχύς μπορεί να προκύψει απευθείας από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q-0 πλαίσιο αναφοράς, χωρίς να χρειάζεται η μετατροπή τους στο a-b-c[2],[3],[74]. P(t) = [v abc ] T [i abc ] = [[T dq0 ] 1 T [v dq0 ]] [T dq0 ] 1 [i dq0 ] = [v dq0 ] T [[T dq0 ] 1 ] T [T dq0 ] 1 [i dq0 ] = 3 2 [v dq0] T [T dq0 ][T dq0 ] 1 [i dq0 ] = 3 2 [v dq0] T [i dq0 ] (3.7) Στον μετασχηματισμό Park, ο κάθετος άξονας q προηγείται του ευθύ d άξονα κατά 90 όπως διακρίνεται και από το σχήμα 3.9. Όσον αφορά τον άξονα 0, στην περίπτωση συμμετρικής τροφοδοσίας, όπως και αυτή που εξετάζουμε, η μηχανή περιστρέφεται με τη σύγχρονη ταχύτητα θ και έτσι, η συνιστώσα του παραλείπεται. Το απλουστευμένο σύστημα πλέον αποτελείται από τους δύο κάθετους άξονες d- q[2],[6],[74]. 3.4 Το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη Με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Park, όπως δίνεται από τη σχέση (3.3), στις εξισώσεις τάσεως (3.1) που αφορούν τη σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη 54

του σχήματος 3.10, είναι δυνατό να εξάγουμε το δυναμικό μοντέλο της στο στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς ως εξής[2],[6],[74],[75]: [ V ds V ] = R S [ I ds qs I ] + d [λ ds ] + ω qs dt λ s [ 0 1 qs 1 0 ] [λ ds ] (3.8) λ qs όπου V ds, V qs οι τάσεις του στάτη στον d και q άξονα I ds, I qs τα ρεύματα του στάτη στον d και q άξονα λ ds, λ qs οι μαγνητικές ροές του στάτη στον d και q άξονα ω s η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και προκύπτει από τη σχέση ω s = pω r, με p τα ζεύγη των πόλων και ω r τη μηχανική ταχύτητα του δρομέα. Οι μαγνητικές ροές προκύπτουν από τις ακόλουθες σχέσεις[2],[6],[74],[75]: λ ds = L ds I ds + λ dm (3.9) λ qs = L qs I qs + λ qm (3.10) όπου L ds, L qs οι αυτεπαγωγές του στάτη στον d και q άξονα και λ dm, λ qm οι ροές στον d και q άξονα εξαιτίας των μόνιμων μαγνητών του δρομέα που συνδέονται με το στάτη. Σχήμα 3.10 Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη με ανορθωτή[36] Ένα από τα πλεονεκτήματα των σύγχρονων μηχανών, όπως αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα, είναι ο προσανατολισμός του στρεφόμενου συστήματος αναφοράς που πρέπει να γίνεται στο πεδίο του δρομέα. Με τον τρόπο αυτό, ο d 55

άξονας ευθυγραμμίζεται με την κατεύθυνση της μαγνητικής ροής του μόνιμου μαγνήτη. Ως αποτέλεσμα αυτού, η μαγνητική ροή μηδενίζεται στον q άξονα και έχει μια τιμή ίση με λ m στον d άξονα. Έτσι, λ qm = 0 και λ dm = λ m. Η τιμή λ m είναι σταθερή, συνεπώς dλ m dt = 0[6],[74],[75]. Σύμφωνα με τα παραπάνω, από τις σχέσεις (3.9) και (3.10) προκύπτουν: λ ds = L ds I ds + λ m (3.11) λ qs = L qs I qs (3.12) Συγκεντρωτικά, από τις εξισώσεις (3.8), (3.11) και (3.12), μπορούμε να καταλήξουμε στο δυναμικό μοντέλο μιας σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με την ακόλουθη αναλυτική μορφή: V ds = R S I ds + L ds di ds dt pω rl qs I qs (3.13) V qs = R S I qs + L qs di qs dt + pω rl ds I ds + pω r λ m (3.14) Εισάγοντας την έννοια του λόγου κατάτμησης, μπορούμε να πούμε ότι προκύπτει από την παλμοδότηση του back-to-back μετατροπέα με τη μέθοδο PWM και χρησιμοποιείται στη διαδικασία του ελέγχου της μηχανής. Στο κεφάλαιο των ηλεκτρονικών ισχύος θα αναλυθεί η τεχνική αυτή αλλά και ο τρόπος που προκύπτουν οι λόγοι αυτοί. Αναφορικά, οι λόγοι κατάτμησης στους άξονες d-q, με V dc την τάση στην DC διασύνδεση των δύο μετατροπέων, ορίζονται ως εξής: m ds = V ds V dc (3.15) m qs = V qs V dc (3.16) Με τη χρήση των λόγων κατάτμησης και την επίλυση των (3.13) και (3.14) ως προς την παράγωγο των ρευμάτων, καταλήγουμε στις εξισώσεις που θα μοντελοποιηθούν, δηλαδή: di ds dt = 1 L ds ( R S I ds + pω r L qs I qs + m ds V dc ) (3.17) di qs dt = 1 L qs ( R S I qs pω r L ds I ds pω r λ m + m qs V dc ) (3.18) Στα σχήματα 3.11 και 3.12 απεικονίζονται τα δυναμικά ισοδύναμα κυκλώματα μιας σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη όπως προέκυψαν από τις σχέσεις (3.13) και (3.14). 56

Σχήμα 3.11 Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη q άξονα[74] Σχήμα 3.12 Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη d άξονα[74] Η ενεργός ισχύς για το μοντέλο αυτό μπορεί να γραφτεί μέσω μετασχηματισμού ως εξής[74]: Αντίστοιχα, η άεργος δίνεται: P s = 3 2 (V qsi qs + V ds I ds ) (3.19) Q s = 3 2 (V qsi ds V ds I qs ) (3.20) Η παραγόμενη ηλεκτρομαγνητική ροπή, που είναι η διαίρεση ισχύος με μηχανική ταχύτητα προκύπτει[74],[75]: T e = 3 2 p(λ dsi qs λ qs I ds ) = 3 2 p(λ mi qs + (L ds L qs )I qs I ds ) (3.21) 57

Όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση, η παραγόμενη ροπή είναι συνδυασμός δύο διακριτών μηχανισμών. Ο πρώτος θεωρείται σαν μια αμοιβαία ροπή αντίδρασης που πραγματοποιείται μεταξύ I qs και του μόνιμου μαγνήτη και ο άλλος αντιστοιχεί στη ροπή λόγω διαφορών μεταξύ των επαγωγών d και q άξονα[74]. Η γενική μηχανική εξίσωση της σύγχρονης μηχανής είναι η ακόλουθη[2],[75]: όπου J η ροπή αδράνειας του δρομέα J dω r dt = T e T m bω r (3.22) T e η παραγόμενη ροπή που δίνεται από τη σχέση (3.21) T m η μηχανική ροπή της γεννήτριας b ο συντελεστής μηχανικών τριβών Επιλύοντας τη σχέση (3.22) προκύπτει η τρίτη εξίσωση που ολοκληρώνει το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη: dω r dt = 1 J (3 2 p(l ds L qs )I qs I ds ) + 3 2 pλ mi qs T m bω r ) (3.23) 3.5 Το μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου Στο σχήμα 3.13 παρουσιάζεται ο μετατροπέας από την πλευρά του φορτίου. Όπως φαίνεται, από την DC πλευρά, ο μετατροπέας βλέπει τον πυκνωτή C παράλληλα με ένα ωμικό dc φορτίο. Στην AC πλευρά του, βρίσκονται ένα R f -L f -C f φίλτρο και ένα ωμικό ac φορτίο. 58

Σχήμα 3.13 Διάγραμμα μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου[38] 3.5.1 Η AC πλευρά του μετατροπέα Οι τάσεις στην πλευρά του φορτίου στο a-b-c σύστημα συντεταγμένων δίνονται από τις σχέσεις[2],[77]: v a_cf i af i af v af [ v d b_cf ] = R f [ i bf ] + L f dt v [ i bf ] + [ v bf ] (3.24) c_cf i cf i cf v cf όπου v af, v bf, v cf οι τιμές των τάσεων στην AC πλευρά του μετατροπέα στις φάσεις a, b, c R f η αντίσταση του φίλτρου του φορτίου i af, i bf, i cf οι τιμές των ρευμάτων του φορτίου στις φάσεις a, b, c L f η επαγωγή του φίλτρου του φορτίου v a_cf, v b_cf, v c_cf οι τιμές των τάσεων στον πυκνωτή C f του φίλτρου στις φάσεις a, b, c. Για τις τιμές των τάσεων του φορτίου ισχύουν: 59

v a 1 [ v b R ac i af i bf ] = [ ] C f v c i cf v a_cf d [ v b_cf dt όπου v a, v b, v c οι τιμές των τάσεων του φορτίου στις φάσεις a, b, c R ac η αντίσταση του φορτίου και C f η χωρητικότητα του φίλτρου του φορτίου. v c_cf ] (3.25) Από τη σχέση (3.24), με τη χρήση του μετασχηματισμού Park(σχέση (3.3)), προκύπτουν οι εξισώσεις στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Έτσι, το μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου σε αναλυτική μορφή είναι[38],[77]: V d_cf = R f I df + L f di df dt ω f L f I qf + V df (3.26) V q_cf = R f I qf + L f di qf dt + ω fl f I df + V qf (3.27) όπου V d_cf, V q_cf οι τιμές των τάσεων στον πυκνωτή του φίλτρου στο d-q σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο I df, I qf τα ρεύματα στον d και q άξονα ω f η γωνιακή ταχύτητα του σύγχρονα στρεφόμενου πλαισίου για την οποία ισχύει ω f = 2πf N με f N τη συχνότητα του δικτύου και V df, V qf οι τάσεις στην AC πλευρά του μετατροπέα στον d και q άξονα. Οι λόγοι κατάτμησης στην πλευρά του φορτίου ορίζονται τώρα ως εξής: m df = V df V dc (3.28) m qf = V qf V dc (3.29) Επιλύοντας τις εξισώσεις (3.26)-(3.27) ως προς την παράγωγο του ρεύματος του φορτίου, με τη χρήση των λόγων κατάτμησης, προκύπτουν οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση του συστήματος και έχουν την ακόλουθη μορφή: di df dt = 1 L f ( R f I df + ω f L f I qf m df V dc + V d_cf ) (3.30) di qf dt = 1 L f ( R f I qf ω f L f I df m qf V dc + V q_cf ) (3.31) 60

Όσον αφορά τις τιμές των τάσεων του φορτίου στο d-q πλαίσιο αναφοράς, εφαρμόζοντας τη σχέση (3.3) στις σχέσεις (3.25) προκύπτουν[38]: V d_cf R ac = I df C f dv d_c f dt + ω f C f V q_cf (3.32) V q_cf R ac = I qf C f dv q_c f dt ω f C f V d_cf (3.33) Με την επίλυση ως προς την παράγωγο της τάσης του πυκνωτή στον d και q άξονα, καταλήγουμε τελικά στις σχέσεις που χρησιμοποιούμε για το μοντέλο του μετατροπέα στην AC πλευρά του: dv d_cf dt = 1 C f ( I df V d_c f R ac + ω f C f V q_cf ) (3.34) dv q_cf dt = 1 C f ( I qf V q_c f R ac ω f C f V d_cf ) (3.35) Η ενεργός και η άεργος ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα μπορούν να εκφραστούν από τις σχέσεις[24],[77]: P f = 3 2 (V dfi df + V qf I qf ) (3.36) Q f = 3 2 (V qfi df V df I qf ) (3.37) Αντίστοιχα, η ενεργός και η άεργος ισχύς του φορτίου δίνονται ως εξής: P ac = 3 2 (V d_c f I df + V q_cf I qf ) (3.38) Q ac = 3 2 (V q _Cf I df V d_cf I qf ) (3.39) 3.5.2 Η DC πλευρά του μετατροπέα Το κύκλωμα που βλέπει ο πυκνωτής από την DC πλευρά του είναι ένας πυκνωτής παράλληλα με ένα ωμικό dc φορτίο και σκοπός του είναι να κάνει απόζευξη από το μετατροπέα στην πλευρά του στάτη. Θεωρώντας μηδενικές απώλειες και σύμφωνα με το ισοζύγιο ισχύος, η ισχύς που εξέρχεται από τον μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου, θα είναι ίση με την ισχύ που εισέρχεται από τον μετατροπέα στην πλευρά της γεννήτριας, την ισχύ της αντίστασης και την ισχύ του πυκνωτή διασύνδεσης[2]. Επομένως, P f = P s + P R + P C (3.40) 61

H ισχύς του dc φορτίου στο σημείο διασύνδεσης ισούται: και αντίστοιχα, η ισχύς του πυκνωτή: P R = V dc 2 R dc (3.41) P C = CV dc dv dc dt (3.42) Με την εφαρμογή των σχέσεων (3.19),(3.36),(3.41) και (3.42) στην (3.40) προκύπτει: 3 2 (V dfi df + V qf I qf ) = 3 2 (V dsi ds + V qs I qs ) + V dc R dc 2 + CV dc dv dc dt (3.43) Αντικαθιστώντας τους λόγου κατάτμησης (3.15)-( 3.16) και (3.28)-(3.29) στην τελευταία σχέση ισχύει: 3 2 (m dfv dc I df + m qf V dc I qf ) = 3 2 (m dsv dc I ds + m qs V dc I qs ) + V dc R dc 2 + CV dc dv dc dt (3.44) Επιλύοντας την σχέση (3.44) ως προς την παράγωγο της τάσης στη DC διασύνδεση καταλήγουμε στην τελευταία εξίσωση που ολοκληρώνει το μοντέλο του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου στο d-q πλαίσιο αναφοράς: dv dc dt = 3 (m 2C dfi df + m qf I qf m ds I ds m qs I qs ) V 2 dc R dc C (3.45) 62

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Ισχύος 4.1 Εισαγωγή Τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος βρίσκουν εφαρμογή στον έλεγχο των ανεμογεννητριών. Σκοπός τους είναι η επεξεργασία και ο έλεγχος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Παρέχοντας τάσεις και ρεύματα με διαμορφωμένη μορφή, έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν και να βελτιώνουν την παρεχόμενη ισχύ ώστε να είναι η μέγιστη δυνατή[2],[78]. Τα τελευταία τριάντα χρόνια ο τομέας των ηλεκτρονικών ισχύος έχει προοδεύσει σημαντικά. Η ραγδαία ανάπτυξη στην τεχνολογία των ημιαγωγικών συσκευών και των μικροεπεξεργαστών, η χρήση ελεγκτών και η συνεχής μείωση των τιμών προσφέροντας υψηλή απόδοση έχουν δημιουργήσει το κατάλληλο έδαφος για τη χρήση τους σε πλήθος εφαρμογών. Στην περιοχή των αιολικών συστημάτων, έκαναν την εμφάνισή τους στη δεκαετία του 1980 με τον ηλεκτρονικά ελεγχόμενο εκκινητή (soft starter) που αποτελούταν από απλά θυρίστορ με σκοπό την ομαλή σύνδεση την γεννήτριας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Μια γέφυρα διόδων με ηλεκτρονικό διακόπτη για τον έλεγχο της αντίστασης του δρομέα της γεννήτριας χρησιμοποιήθηκε δέκα χρόνια αργότερα. Η εξέλιξη στην τεχνολογία έγινε εμφανής από το 2000 και μετά, με την εισαγωγή του back-to-back μετατροπέα, αρχικά για την μερική, και στη συνέχεια για πλήρη ρύθμιση της παραγόμενης ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Η συνεχής αναβάθμιση των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος αναμένεται, πέρα από τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των ανεμογεννητριών, να επιτρέψει στα αιολικά συστήματα την εντελώς ελεγχόμενη λειτουργία σαν μονάδες παραγωγής ώστε να ενσωματώσουν καλύτερα την αιολική ενέργεια στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στο σχήμα 4.1 φαίνεται το λειτουργικό διάγραμμα ενός ηλεκτρονικού συστήματος ισχύος που περιλαμβάνει τον μετατροπέα ισχύος, έναν ελεγκτή και ένα φορτίο/γεννήτρια[27],[63],[79]. 63

Σχήμα 4.1 Τυπικό ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος[27] Οι μετατροπείς ισχύος στα αιολικά συστήματα, ως η διασύνδεση μεταξύ γεννήτριας και δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, οφείλουν να ικανοποιούν τις απαιτήσεις και στις δύο πλευρές με εύκολο και αποτελεσματικό τρόπο. Για το λόγο αυτό, οι μετατροπείς οφείλουν να είναι εξαιρετικά αξιόπιστοι και να διακρίνονται από υψηλή πυκνότητα ισχύος. Από την πλευρά της γεννήτριας, απαιτείται ο έλεγχος του ρεύματος στο στάτη ώστε να ρυθμίζεται η ταχύτητα περιστροφής. Με τον τρόπο αυτό, κατά τη διάρκεια σφαλμάτων στο δίκτυο, επιτυγχάνεται ισορροπία ισχύος και γίνεται δυνατή η απομάστευση μέγιστης ισχύος από τις ανεμογεννήτριες. Στην πλευρά του φορτίου τώρα, είναι απαραίτητο ο μετατροπέας να συμμορφώνεται με τους κώδικες δικτύου ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου. Πιο συγκεκριμένα, ο μετατροπέας θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα ελέγχου της άεργου ισχύος και να εκτελεί μια γρήγορη απόκριση ενεργού ισχύος. Ακόμη, τόσο το πλάτους της τάσης στην πλευρά του δικτύου, όσο και η θεμελιώδης συχνότητα πρέπει να είναι σχεδόν σταθερά υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, και η συνολική αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος πρέπει να διατηρείται σε χαμηλό επίπεδο. Τέλος, είναι πιθανό να χρειάζεται από τους μετατροπείς των αιολικών συστημάτων η αποθήκευση της ενεργού ισχύος και η ενίσχυση της τάσης από την πλευρά της γεννήτριας στο δίκτυο[63]. Κάνοντας μια αναφορά στα θετικά και αρνητικά της χρήσης των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος, θα μπορούσαμε να πούμε ότι τα ηλεκτρονικά ισχύος στις ανεμογεννήτριες με τον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής, έχουν την ικανότητα ρύθμισης της πραγματικής και άεργου ισχύος με αποτέλεσμα την επίτευξη βέλτιστης λειτουργίας και έλεγχο του συντελεστή ισχύος αντίστοιχα. Ακόμη, είναι δυνατή η παρουσία μειωμένων φορτίων στο κιβώτιο ταχυτήτων των ανεμογεννητριών αλλά και η αποφυγή χρήσης του κιβωτίου αυτού( στις περιπτώσεις των πολυπολικών σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη) καθώς ο 64

μετατροπέας μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα ηλεκτρικό κιβώτιο ταχυτήτων. Επίσης, στις χαμηλές ταχύτητες μπορούν να επιτευχθούν χαμηλά επίπεδα θορύβου. Ακόμη, τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος παρέχουν τη δυνατότητα στα αιολικά συστήματα να αποτελέσουν ενεργό μέρος του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας μιας και οι μετατροπείς λειτουργούν σα φίλτρα για τις χαμηλές αρμονικές βελτιώνοντας την ποιότητα της παραγόμενης ενέργειας και ελέγχοντας την ευστάθεια του δικτύου. Μειονεκτήματα όπως οι απώλειες ενέργειας στους μετατροπείς, η δημιουργία υψηλών αρμονικών του ρεύματος στο δίκτυο και το αυξημένο κόστος δεν αποτελούν εμπόδιο στη χρήση τους, μιας και τείνουν να εξαλειφθούν με την συνεχή εξέλιξη στον τομέα των ηλεκτρονικών[2]. 4.2 Κατηγορίες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος Ως ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος θεωρούνται διατάξεις που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια από μία μορφή σε άλλη και για τον έλεγχό της χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος. Περιλαμβάνουν συσκευές όπως ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι εκκινητές(soft-starters) και συστοιχίες πυκνωτών, ανορθωτές, αντιστροφείς και μετατροπείς ισχύος. Ορίζοντας τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελούνται τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος, θα μπορούσαμε να πούμε πως οι προς το παρόν διαθέσιμου ημιαγωγοί ισχύος από τους οποίους αποτελούνται ταξινομούνται ως εξής[2],[40],[78],[80]: Δίοδοι (μη ελεγχόμενες βαλβίδες): Επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος προς μία μόνο κατεύθυνση, μπλοκάροντας τη ροή του προς την αντίθετη. Οι καταστάσεις αγωγιμότητας και αποκοπής ελέγχονται από το κύκλωμα ισχύος. Ηλεκτρονικοί διακόπτες(ελεγχόμενες βαλβίδες): Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα συμβατικά ή ελεγχόμενα θυρίστορ και τρανζίστορ. Επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος από τη δίοδο όποτε είναι επιθυμητό. Κλείνουν και ανοίγουν από σήματα έλεγχου. Πιο συγκεκριμένα, ένα συμβατικό θυρίστορ έχει την ικανότητα να διεγείρεται και να άγει από την πύλη, ενώ όταν το ρεύμα περάσει το μηδέν μπλοκάρει. Διαθέτει επίσης τη δυνατότητα ελέγχου της ενεργού ισχύος. Από την άλλη, τα ελεγχόμενα θυρίστορ και τρανζίστορ χρησιμοποιούν την πύλη ελεύθερα για αγωγή ή διακοπή της διέλευσης του ρεύματος όποτε είναι επιθυμητό και μπορούν να ελέγξουν τόσο την ενεργό όσο και την άεργο ισχύ. 65

Στους μετατροπείς που εφαρμόζονται στα συστήματα αιολικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται συνήθως θυρίστορ με ελεγχόμενη σβέση από την πύλη (GTO) ή διπολικά τρανζίστορ ισχύος μονωμένης πύλης (IGBT)[2],[40]. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς κατηγοριοποιούνται κυρίως ανάλογα με τον τρόπο μετάβασης των ηλεκτρονικών τους στοιχείων(εσωτερική λειτουργία) και τη μορφή στην είσοδο και την έξοδο του μετατροπέα(εξωτερική λειτουργία). Έτσι, στα συστήματα ανεμογεννητριών, σχετικά με τον τρόπο μετάβασης διακρίνονται σε δύο κατηγορίες[2],[40],[78],[80],[82]: Μετατροπείς με φυσική μετάβαση(grid-commutated): Το ρεύμα μεταβαίνει από τον έναν κλάδο στον άλλο εξαιτίας της τάσης του φορτίου ή του δικτύου. Χρησιμοποιούν κυρίως θυρίστορ και είναι συνήθως φθηνές και αξιόπιστες συσκευές. Ο μετατροπέας αυτού του τύπου καταναλώνει ενεργό ισχύ, δεν είναι σε θέση να ελέγξει την άεργο και παράγει αρμονικές ρεύματος που είναι δύσκολο να φιλτραριστούν. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές πολύ υψηλής τάσης και ισχύος. Μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση(self-commutated): Το ρεύμα αλλάζει κλάδο εξαιτίας της τάσης των εσωτερικών πυκνωτών που υπάρχουν στον μετατροπέα αυτό. Αποτελούνται κυρίως από ημιαγωγικά στοιχεία υψηλής διακοπτικής συχνότητας, όπως τα GTO και IGBT. Οι μετατροπείς αυτού του τύπου παλμοδοτούνται με την τεχνική της διαμόρφωσης PWM, που θα αναλυθεί σε επόμενη ενότητα, και μπορεί να μεταφέρει ενεργό και άεργο ισχύ και στις δύο κατευθύνσεις (AC-DC και DC-AC). Η υψηλή διακοπτική συχνότητα των μετατροπέων κάνει δυνατή την παραγωγή αρμονικών της τάξεως των khz που μπορούν εύκολα να φιλτραριστούν με αποτέλεσμα οι διαταραχές που προκαλούν να διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα. Ο μετατροπέας εξαναγκασμένης μετάβασης με IGBT που χρησιμοποιείται ευρέως στα αιολικά συστήματα, διαχωρίζεται σε μετατροπέα πηγής τάσης(vsc) και μετατροπέα πηγής ρεύματος(csc). Ο πρώτος διατηρεί σταθερή την τάση στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος μέσω ενός πυκνωτή. Στην περίπτωση του δεύτερου, το ρεύμα της διασύνδεσης διατηρείται σταθερό από ένα μεγάλο πηνίο. Παρά τη διαφορετική λογική τους, και οι δύο μετατροπείς μπορούν να ελέγξουν εξίσου τη συχνότητα και την τάση και να παρέχουν καλές κυματομορφές στα σημεία σύνδεσης της γεννήτριας με το δίκτυο[2],[40]. Σύμφωνα με την εξωτερική λειτουργία, βασική διάκριση των μετατροπέων κατά την ανταλλαγή ενέργειας είναι η ακόλουθη[78],[82]: 66

Μετατροπείς AC-DC: Η βασική λειτουργία τους είναι η μετατροπή μιας εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή. Συνηθέστερα χρησιμοποιείται στην AC πλευρά εφαρμόζεται τριφασική τάση και στην DC ένας πυκνωτής. Μετατροπείς DC-AC: Μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη συγκεκριμένης συχνότητας και πλάτους. Η συνεχής τάση που εφαρμόζεται την DC πλευρά του αντιστροφέα προκύπτει είτε από μία πηγή συνεχούς τάσης είτε από μια ανορθωτική διάταξη, όπως ο μετατροπέας AC-DC. H εναλλασσόμενη τάση εξόδου είναι τριφασική ημιτονοειδής. Μετατροπείς DC-DC: Χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν τη συνεχή τάση εισόδου σε μια συνεχή τάση με τιμή είτε υψηλότερη (boost converters), είτε χαμηλότερη (buck converters) ή και τα δύο (buck-boost converters). Μετατροπείς AC-AC: Μετατρέπουν μια εναλλασσόμενη τάση ορισμένης τιμής και συχνότητας σε εναλλασσόμενη τάση με διαφορετική τιμή και διαφορετική συχνότητα. Στο σημείο αυτό κρίνεται σκόπιμο για την πορεία της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μια περαιτέρω ανάλυση των μετατροπέων AC-DC και DC-AC, μιας και είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται στο αιολικό σύστημα στο οποίο αναφερόμαστε. 4.2.1 Ο AC-DC ανορθωτής Για την υλοποίηση ενός μετατροπέα AC-DC, ή αλλιώς ανορθωτή, η πιο κοινή διάταξη είναι αυτή της τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας με διόδους όπως φαίνεται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2 Τριφασική ανορθωτική γέφυρα με διόδους:a)διάταξη,b)κυματομορφή εξόδου[85] 67

Ο ανορθωτής αυτού του τύπου είναι μη ελεγχόμενος και στην dc πλευρά του συνδέεται συνήθως ένας πυκνωτής εξομάλυνσης μεγάλης χωρητικότητας για την σταθεροποίηση της τάσης εξόδου. Στο σχήμα 4.2b μπορούμε να διακρίνουμε κυματισμούς έξι παλμών στην τάση εξόδου. Κάθε μία από τις έξι διόδους άγει για 120. Κάθε στιγμή μόνο ένα ζεύγος διόδων μπορεί να άγει. Η μία δίοδος ανήκει στο γκρουπ-ανόδου και η άλλη στο γκρουπ-καθόδου και ανήκουν σε διαφορετικά πόδια του ανορθωτή[2],[82],[83],[84]. Οι μετατροπείς αυτοί είναι απλοί, φθηνοί και με μικρές απώλειες. Η μη γραμμικότητά τους όμως, έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αρμονικών ρεύματος. Ακόμη, δεν επιτρέπουν τη ροή ισχύος και στις δύο κατευθύνσεις και δεν έχουν τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος και της τάσης. Έτσι, πρακτικά στα αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται οι ελεγχόμενοι μετατροπείς AC-DC σε συνδυασμό με μια γεννήτρια για τον έλεγχο της τάσης και με έναν αντιστροφέα για τον έλεγχο του ρεύματος. Οι μετατροπείς αυτοί αποτελούνται από ελεγχόμενα τρανζίστορ, όπως τα IGBT, και αντιπαράλληλες διόδους. Μια μορφή αυτού του ανορθωτή παρουσιάζεται στο σχήμα 4.3. Η τεχνική παλμοδότησης που χρησιμοποιείται είναι αυτή της Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών(PWM) εξαιτίας των απωλειών που δημιουργούνται στις μηχανές με τις οποίες είναι συνδεδεμένοι οι μετατροπείς αυτοί, καθώς παράγονται χαμηλής συχνότητας αρμονικές[2],[82],[83],[84]. Σχήμα 4.3 Ελεγχόμενος τριφασικός PWM ανορθωτής πηγής ρεύματος[84] 68

4.2.2 Ο DC-AC αντιστροφέας Ο μετατροπέας DC-AC, γνωστός και ως αντιστροφέας, αποτελείται αποκλειστικά από ηλεκτρονικούς διακόπτες. Οι κυματομορφές της τάσης εξόδου σε ιδανικούς αντιστροφείς θα έπρεπε να είναι ημιτονοειδείς. Πρακτικά όμως αυτό δεν είναι δυνατό καθώς περιέχουν πολλές χαμηλής τάξης αρμονικές αλλοιώνοντας την ποιότητα των ρευμάτων εξόδου. Για την παραγωγή μιας AC τάσης εξόδου, της οποίας το μέγεθος, η φάση και η συχνότητα είναι ελεγχόμενα, χρησιμοποιείται, όπως και στους ανορθωτές, η τεχνική παλμοδότησης PWM[2],[82],[83],[84]. Υπάρχουν δύο τύποι αντιστροφέων: οι μονοφασικοί και οι τριφασικοί. Ο τριφασικός αντιστροφέας με συμβατικά θυρίστορ αποτελεί μια καλή λύση με χαμηλό κόστος και απώλειες, που πρέπει να είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο για να λειτουργήσει. Αυτό δημιουργεί σοβαρά προβλήματα, καθώς καταναλώνει άεργο ισχύ και παράγει μεγάλες αρμονικές. Για την αποφυγή των παραπάνω, η καλύτερη λύση είναι η χρήση μετατροπέων με στοιχεία GTO ή IGBT. Οι αντιστροφείς σύμφωνα με τον τύπο της κυματομορφής εξόδου διακρίνονται σε αντιστροφείς πηγής τάσης(vsi) και αντιστροφείς πηγής ρεύματος(csi), με τους πρώτους να χρησιμοποιούνται εκτενέστερα στα αιολικά συστήματα. Όσον αφορά το κυκλωματικό διάγραμμα του τριφασικού αντιστροφέα με IGBT στοιχεία είναι το ίδιο με του ελεγχόμενου ανορθωτή όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.4[2],[82],[83],[84]. Σχήμα 4.4 Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης[84] 69

4.2.3 Μετατροπείς συχνότητας Ένας μετατροπέας συχνότητας είναι ένας συνδυασμός ενός ανορθωτή και ενός αντιστροφέα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μετατροπέων συχνότητας που εφαρμόζονται στα αιολικά συστήματα όπως είναι οι μετατροπείς back-to-back, οι παράλληλοι μετατροπείς, οι μετατροπείς μήτρας και οι μετατροπείς συντονισμού. Έχει αποδειχτεί πως ο τριφασικός back-to-back μετατροπέας ισχύος ξεχωρίζει για την εφαρμογή του στον τομέα των ανεμογεννητριών. Αποτελούμενος από δύο μετατροπείς πηγής τάσης(vsc) με IGBT στοιχεία και PWM παλμοδότηση, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός πυκνωτή διασύνδεσης είναι η καθιερωμένη πλέον τοπολογία των σύγχρονων συστημάτων ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας για τη σύνδεση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με τον στάτη της γεννήτριας. Ένας τέτοιος μετατροπέας απεικονίζεται στο σχήμα 4.5[2],[40],[79]. Σχήμα 4.5 Διπλός μετατροπέας ισχύος back-to-back[40] Με τη χρήση του ac/dc/ac μετατροπέα ισχύος επιτυγχάνεται ροή ενέργειας και προς τις δύο κατευθύνσεις και παράλληλα, όλη η ισχύς που παράγεται από την ανεμογεννήτρια και η ταχύτητα μπορούν να ελεγχτούν. Με λίγα λόγια, είναι δυνατός ο πλήρης έλεγχος ενεργού και άεργου ισχύος. Η μεγάλη διακοπτική συχνότητα των στοιχείων του έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγαλύτερων απωλειών σε αυτά. Ωστόσο, αυξάνει σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου το οποίο συνεπάγεται μείωση της επίδρασής τους. Ο πυκνωτής στη DC διασύνδεση μειώνει την απόδοση του συστήματος, αλλά από την άλλη, προστατεύει το μετατροπέα σε περιπτώσεις σφάλματος. Ακόμη, καθιστά εφικτή την πλήρη απόζευξη του ελέγχου μεταξύ των δύο μετατροπέων, με αποτέλεσμα η ρύθμιση στην πλευρά του δικτύου και της γεννήτριας να είναι ανεξάρτητες. Ο έλεγχος στην πλευρά της γεννήτριας εφαρμόζεται ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες μαγνήτισης και η επιθυμητή ταχύτητα, ενώ στην πλευρά του φορτίου ελέγχεται η ροή ισχύος για να διατηρηθεί σταθερή η τάση στην dc διασύνδεση[2],[40],[79]. 70

4.3 Η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για την παλμοδότηση των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Οι τέσσερις βασικές είναι[90]: Διαμόρφωση πλάτους παλμών(pam): Μετατρέπει το σήμα σε μια σειρά από παλμούς διαμορφωμένου πλάτους. Διαμόρφωση εύρους παλμών(pwm): Εκτελεί δειγματοληψία στο χρόνο, ρυθμίζει δηλαδή τη διάρκεια των παλμών. Διαμόρφωση θέσης παλμών(ppm): Κάθε στιγμιαίο δείγμα ενός κύματος διαμόρφωσης μεταβάλλει τη θέση ενός παλμού στο χρόνο σε σχέση με τον μη διαμορφωμένο χρόνο εμφάνισής του. Διαμόρφωση συχνότητας παλμών(pdm): Χαρακτηρίζεται από το πλάτος παλμού, το ύψος και το σταθερό χρόνο εμφάνισης των παλμών εντός της περιόδου μεταγωγής. Η πιο αποτελεσματική τεχνική που χρησιμοποιείται από τους αντιστροφείς, κυρίως για τον έλεγχο της τάσης εξόδου και την ελάττωση των χαμηλών αρμονικών, είναι η αυτή της διαμόρφωσης εύρους παλμών(pwm). Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος έχουν δημιουργηθεί διάφορες μέθοδοι της PWM, οι βασικότερες από αυτές είναι: η διαμόρφωση εύρους ενός παλμού, η διαμόρφωση εύρους πολλαπλών παλμών και η ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών. Αυτή που χρησιμοποιείται συνηθέστερα για την παλμοδότηση των τριφασικών μετατροπέων ισχύος είναι η ημιτονοειδής PWM(Sinusoidal PWM) και με αυτή θα ασχοληθούμε στη συνέχεια[86],[89]. Το κύριο πλεονέκτημα των τεχνικών PWM είναι η εξάλειψη ή η ελαχιστοποίηση των αρμονικών χαμηλών συχνοτήτων με τη δυνατότητα ελέγχου της τάσης εξόδου που παρέχουν. Ακόμη, οι υψηλής τάξης αρμονικές πηγαίνουν στη διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα και μπορούν να φιλτραριστούν εύκολα, ελαχιστοποιώντας τις απαιτήσεις για μεγάλα και ογκώδη φίλτρα. Η χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, η συμβατότητα με τους μικροεπεξεργαστές, η εύκολη εφαρμογή και ο έλεγχος, καθώς και η απουσία γήρανσης και διακυμάνσεων στη θερμοκρασία εξαιτίας τριβής ή υποβάθμισης της γραμμικότητας, κάνουν την εφαρμογή τους την κύρια επιλογή στον τομέα των ανεμογεννητριών και γενικότερα στη βιομηχανία των μηχανών[2],[86]. Η γενική αρχή λειτουργίας των μεθόδων PWM είναι η εξής: παρέχεται στον μετατροπέα μια σταθερή dc τάση και ρυθμίζοντας σε on-off τα διακοπτικά του στοιχεία, λαμβάνουμε μια ac ελεγχόμενη τάση εξόδου. Πιο συγκεκριμένα, συνεχόμενοι παλμοί με σταθερό πλάτος και συχνότητα αλλά μεταβλητό 71

εύρος(pwm σήματα), που αλλάζουν από παλμό σε παλμό σύμφωνα με ένα σήμα διαμόρφωσης, εφαρμόζονται στην πύλη των τρανζίστορ ισχύος. Έτσι, προκαλείται έναυση ή σβέση του τρανζίστορ και μετάβαση από μία περίοδο σε άλλη σύμφωνα με το σήμα διαμόρφωσης. Στη διάρκεια μιας περιόδου, πραγματοποιούνται περισσότερες από μία εναύσεις ή σβέσεις σε κάθε διακοπτικό στοιχείο. Μέσω αυτών, είναι δυνατό να ελεγχθεί το εύρος των παλμών της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα[86],[87],[88],[89]. Όταν η έξοδος του αντιστροφέα θέλουμε να είναι ημιτονοειδής, τότε εφαρμόζουμε την ημιτονοειδή διαμόρφωση εύρους παλμών(spwm). Η SPWM είναι ίσως η πιο διαδεδομένη και αναπτυγμένη μέθοδος διαμόρφωσης για τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς στη βιομηχανία. Το σήμα διαμόρφωσης, ή αλλιώς σήμα αναφοράς, στην περίπτωση αυτή είναι μια ημιτονοειδής κυματομορφή. H SPWM βασίζεται στην τεχνική του φέροντος σήματος. Σύμφωνα με αυτή, παρέχεται μια γραμμική σχέση μεταξύ των τάσεων αναφοράς και εξόδου σε ένα περιορισμένο φάσμα. Υπάρχουν δύο είδη αυτής της τεχνικής: η τεχνική προγραμματισμού των άμεσων ψηφιακών παλμών και αυτή της διασταύρωσης τριγώνου. Η χρησιμοποιούμενη τεχνική στην συγκεκριμένη περίπτωση που εξετάζουμε είναι η δεύτερη. Σύμφωνα με αυτή, το φέρον σήμα είναι μια τριγωνική κυματομορφή πλάτους A c και συχνότητας f c. Η επιθυμητή τάση εξόδου είναι V o = V aν. Για να επιτευχθεί η τάση αυτή, το σήμα αναφοράς πλάτους A r και συχνότητας f r συγκρίνεται με το φέρον σήμα. Η συχνότητα f r του σήματος διαμόρφωσης καθορίζει τη συχνότητα εξόδου του μετατροπέα f ο και είναι ίση με την ονομαστική. Το πλάτος του, A r,ρυθμίζει τη διάρκεια των παλμών του εξόδου του διαμορφωτή, ελέγχοντας το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής στην έξοδο του αντιστροφέα, και συνεπώς το δείκτη διαμόρφωσης m. Όταν V c >V r, ο S + διακόπτης ανοίγει και ο S κλείνει και παράγεται αρνητικός παλμός στην έξοδο. Αντίθετα, όταν V c <V r, ο S + διακόπτης κλείνει και ο S ανοίγει και ο παλμός είναι θετικός σε αυτή την περίπτωση. Η παραπάνω διαδικασία φαίνεται και στο σχήμα 4.7 για τον μονοφασικό μετατροπέα του σχήματος 4.6[86],[87],[88],[89]. Σχήμα 4.6 Μονοφασικός μετατροπέας πηγής τάσης μισής γέφυρας[87] 72

Σχήμα 4.7 Κυματομορφές μονοφασικού μετατροπέα ισχύος με την τεχνικά παλμοδότησης SPWM:a) σήματα αναφοράς και φέροντος,b,c) διακοπτικές καταστάσεις των S +, S,d) τάση εξόδου[87] Ο δείκτης διαμόρφωσης (ή λόγος διαμόρφωσης πλάτους)ορίζεται ως o λόγος του πλάτους του σήματος αναφοράς προς το πλάτος του σήματος του φορέα[86],[87]: m a = A r A c (4.1) Ως κανονικοποιημένη συχνότητα φορέα (ή λόγος διαμόρφωσης συχνότητας) ορίζεται ο λόγος της συχνότητας του φέροντος σήματος προς τη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης[86],[87]: m f = f c f r (4.2) 73

Όπως φαίνεται και από το σχήμα 4.7, η τάση εξόδου είναι μια ημιτονοειδής κυματομορφή μαζί με τις αρμονικές. Έτσι, το πλάτος της τάσης εξόδου στη θεμελιώδη συχνότητα, με v i την dc τάση εξόδου, ισούται με[2],[87]: v v o1 = v an1 = m i a 2 (4.3) όπου m a 1 για τη γραμμική περιοχή του μετατροπέα. Στην περίπτωση του τριφασικού μετατροπέα ισχύος, όπως αυτός του σχήματος 4.8, τρεις κυματομορφές αναφοράς U a, U b, U c, μία για κάθε φάση, συγκρίνονται με το ίδιο τριγωνικό φορέα για την παραγωγή παλμών που θα εφαρμοστούν στις πύλες των διακοπτικών στοιχείων. Τα τρία σήματα αναφοράς διαφέρουν μεταξύ τους κατά 120. Η λειτουργία είναι η ίδια με την περίπτωση του μονοφασικού μετατροπέα, το ίδιο και ο λόγος κατάτμησης και αντίστοιχα, το πλάτος της φασικής τάσης εξόδου του μετατροπέα στη θεμελιώδη συχνότητα. Με την εφαρμογή της ανάλυσης Fourier προκύπτει η ενεργός τιμή της πολικής τάσης εξόδου του μετατροπέα στη θεμελιώδη συχνότητα[87],[88]: V ab(rms) = 3 m v i 2 a 2 (4.4) με 0 < m a 1 για τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή. Ακολουθούν τα σχήματα 4.8 και 4.9 με το σύστημα του τριφασικού αντιστροφέα και τις παραγόμενες κυματομορφές από την εφαρμογή της παλμοδότησης SPWM. Σχήμα 4.8 Τριφασικός μετατροπέας πηγής τάσης[87] 74

Σχήμα 4.9 Κυματομορφές τριφασικού μετατροπέα ισχύος με την τεχνικά παλμοδότησης SPWM:a) σήματα αναφοράς και φέροντος,b,c) διακοπτικές καταστάσεις των S 1, S 3,d)πολική τάση εξόδου[87] 75

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Έλεγχος Αιολικών Συστημάτων 5.1 Εισαγωγή Ο έλεγχος των αιολικών συστημάτων αποτελείται από δύο επίπεδα με διαφορετικό εύρος, που είναι όμως άρρηκτα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Το ένα επίπεδο ασχολείται με τον έλεγχο της γεννήτριας που χρησιμοποιείται, όπως είναι η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, και το άλλο με τον έλεγχο της ανεμογεννήτριας για τον οποίο έγινε μια μικρή αναφορά στο κεφάλαιο 2. Ο έλεγχος των μηχανών μεταβλητών στροφών αποτελεί ίσως το πιο σημαντικό τμήμα της μελέτης των συστημάτων αιολικής ενέργειας. Περικλείει τον ηλεκτρικό έλεγχο των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος όσον αφορά τη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Σκοπός του ελέγχου αυτού είναι η βελτιστοποίηση της παραγόμενης, από την ανεμογεννήτρια, ισχύος. Για την επίτευξη αυτού θα πρέπει να είναι δυνατό η ταχύτητα της γεννήτριας να μπορεί να ποικίλει και να προσαρμόζεται στην εκάστοτε ταχύτητα του ανέμου σε κάθε χρονική στιγμή. Υπάρχουν πολλές τεχνικές ελέγχου που έχουν εφαρμοστεί κατά καιρούς, οι πλέον αναγνωρισμένες με την υψηλότερη απόδοση, όσον αφορά τη σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, είναι η τεχνική του ελέγχου με προσανατολισμό στο μαγνητικό πεδίο(foc) και η τεχνική του άμεσου ελέγχου ροπής(dtc)[65],[95]. Στα απομονωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ο έλεγχος της ισχύος αποτελεί μια ακόμη δυσκολότερη διαδικασία μιας και η παραγωγή ισχύος εξαρτάται από περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως στην περίπτωση που εξετάζουμε καθώς εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου. Ακόμη, σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει ισορροπία μεταξύ παραγόμενης και ζητούμενης από το φορτίο ενεργού ισχύος, η συχνότητα παρεκκλίνει από την ονομαστική της τιμή. Έτσι, το σύστημα θα πρέπει να έχει την ικανότητα επαναφοράς της συχνότητας στα επιτρεπτά όρια λειτουργίας ώστε να εξασφαλιστεί η απαραίτητη ισορροπία παραγωγής και ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας για την ευσταθή λειτουργία του συστήματος. Όπως φαίνεται, η τάση και η συχνότητα πρέπει να διατηρούνται σταθερές σε περιπτώσεις εναλλαγής της ταχύτητας του ανέμου ή σε αυθαίρετες μεταβολές των φορτίων. Ο έλεγχος παραγωγής γίνεται με τον έλεγχο της συχνότητας ή της τάσης. Οι μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται έχουν την 76

ικανότητα παροχής του ελέγχου αυτού αλλά και μιας ευλύγιστης λειτουργίας του απομονωμένου συστήματος[30],[39],[91],[92]. Το δεύτερο επίπεδο ελέγχου που πραγματοποιείται σε μια ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας, περιλαμβάνει δύο ελεγκτές, ο ένας αφορά την ταχύτητα και ο άλλος την ισχύ. Είναι ένας έλεγχος με χαμηλές αποκρίσεις και επιβλέπει τόσο το σύστημα ενεργοποίησης γωνίας βήματος των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας, όσο το σύστημα για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος[95]. 5.2 Σύστημα ελέγχου της ανεμογεννήτριας 5.2.1 Έλεγχος της γωνίας βήματος πτερυγίου Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας είναι εξοπλισμένες με έναν ελεγκτή γωνίας βήματος για τον περιορισμό της αεροδυναμικής κινητήριας δύναμης της γεννήτριας. Ο ελεγκτής αυτός τίθεται σε εφαρμογή σε ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερων της ονομαστικής με σκοπό την οριοθέτηση της ισχύος εξόδου που παράγεται και τη μείωση των καταπονήσεων στα μηχανικά μέρη των ανεμογεννητριών. Σε μικρές και μεσαίες ταχύτητες ανέμου, η γωνίας κλίσης των πτερυγίων τίθεται στις 0. Με αύξηση της ταχύτητας του ανέμου όμως πέραν την ονομαστικής, η γωνία αυτή διαρκώς αυξάνεται, όπως είναι εμφανές και από το σχήμα 5.1. Στο σημείο αυτό εφαρμόζεται ο έλεγχος που αποσκοπεί στην παραγωγή ισχύος κοντά στην ονομαστική παρά την αυξημένη ταχύτητα[2],[94]. Σχήμα 5.1 Διάγραμμα γωνίας βήματος πτερυγίου σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου[40] 77

Για να είναι εφικτός ο έλεγχος της γωνίας βήματος υπάρχουν δύο τεχνικές που βρίσκουν εφαρμογή. Σύμφωνα με την πρώτη, ένας PI ελεγκτής συγκρίνει και ρυθμίζει τη γωνία κλίσης β ώστε να φτάσει την τιμή αναφοράς β ref που προκύπτει από το παραπάνω διάγραμμα. Η τιμή της γωνίας κλίσης μπορεί να πάρει τιμές από τη βέλτιστη των 0 έως 90, που είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει. Η δεύτερη τεχνική χρησιμοποιεί και αυτή έναν PI ελεγκτή που παίρνει σαν είσοδο τη σύγκριση μεταξύ παραγόμενης και ονομαστικής ισχύος και παράγει τη γωνία β ref. Έπειτα αυτή συγκρίνεται με την πραγματική γωνία κλίσης β και το σφάλμα Δβ διορθώνεται μέσω ενός σερβομηχανισμού. Κατά την τεχνική αυτή η γωνία βήματος κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30 [2],[95]. 5.2.2 Εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος Οι ανεμογεννήτριες είναι σε θέση να λειτουργούν σε μια βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής ως συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος μπορούν να ελέγχουν την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα με σκοπό την επίτευξη της μέγιστη δυνατής τιμής της μέσω τεχνικών για τον εντοπισμό του σημείου της μέγιστης ισχύος (MPPT-maximum power point tracking). Έχουν αναπτυχθεί διάφορες τέτοιες τεχνικές. Η βασική αρχή όλων είναι η διατήρηση του βέλτιστου λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίων λ opt μέσω της εύρεσης της κατάλληλης ταχύτητας αναφοράς ω r ref για κάθε ταχύτητα του ανέμου, με σκοπό ο συντελεστής ισχύος C P να πάρει τη βέλτιστη τιμή του και κατ επέκταση να επιτευχθεί η μέγιστη παραγωγή ισχύος από την ανεμογεννήτρια[2],[81]. Στις ανεμογεννήτριες, έχουν αναπτυχθεί ποικίλες μέθοδοι για τον έλεγχο MPPT. Κατά τον έλεγχο TSR είναι απαραίτητη η χρήση ανεμόμετρου. Η λογική του είναι απλή, με την εύρεση του λ opt από τη μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου, μέσω της σχέσης (2.19) βρίσκεται η ταχύτητα αναφοράς και ο ελεγκτής αναγκάζει το ρότορα να στρέφεται με την ταχύτητα αυτή επιτυγχάνοντας το μέγιστο συντελεστή C P, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.2. Αυτή την τεχνική θα χρησιμοποιήσουμε στο σύστημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας αν και παρουσιάζει κάποιες δυσκολίες όπως η αδυναμία ακριβής μέτρησης της ταχύτητας του ανέμου και η αύξηση του κόστους και της πολυπλοκότητας με την παρουσία του ανεμόμετρου. Μία ακόμη μέθοδος μετράει την ταχύτητα του άξονα και την παραγόμενη ισχύ στην έξοδο και στη συνέχεια υπολογίζει την ταχύτητα του ανέμου. Η ταχύτητα του ρότορα στην προκειμένη περίπτωση μετριέται μέσω ενός κωδικοποιητή, που είναι όμως μια ακριβή συσκευή. Οι σύγχρονοι μετατροπείς συχνότητας είναι αυτοί που θα μετρήσου την ταχύτητα του άξονα και την ισχύ στην έξοδο. Οι υπόλοιπες διαθέσιμες τεχνικές χρησιμοποιούν κάποιον αλγόριθμο που αναζητά την ταχύτητα περιστροφής της μηχανής για την οποία η ισχύς στην έξοδο είναι μέγιστη. Οι 78

αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται συχνά είναι: ο έλεγχος σήματος ισχύος με ανατροφοδότηση (PSF control) και ο έλεγχος αναζήτησης ανάβασης λόφου(hcs control). Σύμφωνα με την πρώτη, επιλέγεται μια αποθηκευμένη καμπύλη μέγιστης ισχύος, που έχει ληφθεί μέσω προσομοιώσεων και πρακτικών δοκιμών, από την εκάστοτε ταχύτητα της ανεμογεννήτριας, και ακολουθείται από το σύστημα. Ακολουθώντας τον έλεγχο αναζήτησης ανάβασης λόφου, με αύξηση της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας, η ισχύς εξόδου αυξάνεται. Σε διαφορετική περίπτωση, η ταχύτητα πρέπει να μειωθεί. Ωστόσο, στου ανωτέρω αλγόριθμους είναι πιθανό να εμφανιστούν μεγάλες μεταβάσεις στη ροπή της γεννήτριας εξαιτίας πολύ γρήγορων δυναμικών στον ελεγκτή της ταχύτητας[2],[81]. Σχήμα 5.2 Σύστημα ελέγχου TSR[81] 5.3 Έλεγχος απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας Ο έλεγχος της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη, όπως έχει ήδη αναφερθεί, γίνεται με την εφαρμογή ενός back-to-back μετατροπέα ισχύος με IGBT διακοπτικά στοιχεία. Ο μετατροπέας αυτός περιλαμβάνει τον VSC ανορθωτή στην πλευρά της μηχανής και τον αντίστοιχο αντιστροφέα στην πλευρά του δικτύου/φορτίου. Όπως γίνεται φανερό, ο έλεγχος του μετατροπέα αυτού χωρίζεται σε δύο μέρη, ένας για κάθε πλευρά. Στο σχήμα 5.3 φαίνεται το δομικό διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. 79

Σχήμα 5.3 Δομικό διάγραμμα σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με back-to-back μετατροπέα[97] 5.3.1 Έλεγχος στην πλευρά της μηχανής Για τον έλεγχο που εφαρμόζεται στην πλευρά της μηχανής υπάρχει πλήθος τεχνικών. Στο σύστημα που εξετάζουμε στην παρούσα διπλωματική εργασία, εφαρμόζουμε τον διανυσματικό έλεγχο με προσανατολισμό μαγνητικού πεδίου (Field Oriented Control-FOC). Με την τεχνική αυτή και την εφαρμογή κατάλληλων μαθηματικών μετασχηματισμών, μειώνεται ο αριθμός των εξισώσεων που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της συμπεριφοράς της μηχανής και επιτυγχάνεται η απόζευξή τους με αποτέλεσμα να προκύπτει το απλοποιημένο μοντέλο. Έτσι, θεωρώντας ισορροπημένες τάσεις και μη γειωμένα σημεία σύνδεσης, η μηδενική ακολουθία δε λαμβάνεται υπόψη και με τη χρήση του μετασχηματισμού Park, το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής από τριφασικό μετατρέπεται σε ένα ισοδύναμο με δύο ορθογώνιους άξονες d και q. Ο προσανατολισμός που ακολουθείται είναι στο πεδίο του δρομέα έτσι ο d άξονας παραμένει ευθυγραμμισμένος με το διάνυσμα μαγνητικής ροής του μόνιμου μαγνήτη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η εφαρμογή του ελέγχου να γίνεται ξεχωριστά όσον αφορά τη διέγερση της μηχανής και την ηλεκτρομαγνητική ροπή, όπως γίνεται σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος[6],[40]. Με την εφαρμογή του προσανατολισμού στο πεδίο του δρομέα, οι εξισώσεις του ρότορα δε χρειάζονται μετασχηματισμό καθώς ακολουθείται το σταθερό πλαίσιο αναφοράς του. Από την άλλη, οι εξισώσεις του στάση μετασχηματίζονται και προκύπτουν τα ρεύματα Ι ds και Ι qs για τους δύο άξονες. Η επίλυση του συστήματος διαφορικών εξισώσεων της μηχανής που προκύπτει γίνεται πολύ απλή. Ακόμη, όλες οι μεταβλητές του συστήματος εξαρτώνται από τη θέση του ρότορα και κατά συνέπεια, διευκολύνεται η ανάλυση του εναλλασσομένου ρεύματος μέσω 80

μεμονωμένων κλειστών βρόχων ελέγχου. Υιοθετώντας την συνθήκη μηδενισμού του ρεύματος του στάτη στον d άξονα Ι ds = 0, για να επιτευχθούν καλύτερα αποτελέσματα στον έλεγχο της κίνησης και πλήρης ροή στη μηχανή, η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής εξαρτάται μόνο από το ρεύμα στον q άξονα, δηλαδή από τη σχέση (3.21) προκύπτει[64],[93],[96]: T e = 3 2 pλ mi qs (5.1) Η υλοποίηση του ελέγχου στην πλευρά της μηχανής του υπό διερεύνηση συστήματος ακολουθεί το διάγραμμα του σχήματος 5.4. Σύμφωνα με αυτό, ο μετατροπέας ελέγχεται μέσω PI ελεγκτών ρεύματος. Η χρήση τους μπορεί να δώσει καλά αποτελέσματα στο σύστημα που εξετάζουμε. Οι PI ελεγκτές, όταν η αναφορά είναι ημιτονοειδής, είναι ανίκανοι να δώσουν μηδενικό σφάλμα ελέγχου στη μόνιμη κατάσταση. Με τη χρήση όμως του μετασχηματισμού Park, και τη μετατροπή των μεγεθών σε dc ποσότητες, είναι δυνατό ένα μηδενικό σφάλμα, καθώς η τιμή αναφοράς είναι σταθερή στη μόνιμη κατάσταση. Έτσι, μπορεί να επιτευχθεί γρήγορη δυναμική απόκριση, λιγότερη ευαισθησία σε μεταβολές παραμέτρων και καλή ακρίβεια στον έλεγχο του ρεύματος. Η λογική που ακολουθείται είναι αυτή των σειριακά δομημένων βρόχων ελέγχου, δηλαδή ένας γρήγορος εσωτερικός βρόχος ελέγχει το ρεύμα του στάτη στο d ή q άξονα και ένας αργός εξωτερικός βρόχος παράγει σήμα αναφοράς για τον εσωτερικό. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η μέγιστη δυναμική της μηχανής σε περιπτώσεις αλλαγής της επιθυμητής ταχύτητας ή θέσης. Επιπρόσθετα, οι βρόχοι ελέγχου οφείλουν να διατηρούν το ρεύμα σε ασφαλή όρια και να παρέχουν αποζευγμένους βρόχους για τα Ι ds και Ι qs. Όπως φαίνεται και από το σχήμα και αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο, το ρεύμα αναφοράς Ι ds,ref, λαμβάνεται ίσο με μηδέν. Το ρεύμα αναφοράς Ι qs,ref προκύπτει από τον εξωτερικό βρόχο που ελέγχει την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα. Η τιμή αναφοράς, ω r,ref, από τη βέλτιστη τιμή της ταχύτητας του δρομέα για κάθε ταχύτητα του ανέμου όπως προκύπτει από τη σχέση (2.26) ή μέσω των μεθόδων MPPT[45],[84],[93]. Σχήμα 5.4 Σύστημα ελέγχου ανεμογεννήτριας με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη στην πλευρά της μηχανής[98] 81

Η τεχνική του ελέγχου αποσκοπεί στον έλεγχο των λόγων κατάτμησης m ds, m qs των μετατροπέων μιας και τα ρεύματα Ι ds και Ι qs του στάτη δεν είναι δυνατό να ελεγχθούν απευθείας. Για το σκοπό αυτό ακολουθείται η παρακάτω μεθοδολογία: Οι εξισώσεις της μηχανής όπως προέκυψαν από την ανάλυση που προηγήθηκε στο κεφάλαιο 3 είναι οι ακόλουθες: di ds dt = 1 L ds ( R S I ds + pω r L qs I qs + m ds V dc ) (3.17) di qs dt = 1 L qs ( R S I qs pω r L ds I ds pω r λ m + m qs V dc ) (3.18) dω r dt = 1 J (3 2 p(l ds L qs )I qs I ds ) + 3 2 pλ mi qs T m bω r ) (3.23) Όπως γίνεται φανερό, το σύστημα παρουσιάζει έντονη μη γραμμικότητα και εξάρτηση των Ι ds και Ι qs, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατος ο έλεγχος και η απόζευξή τους. Για την αποφυγή αυτού, έχει υιοθετηθεί η εξής τεχνική. Θέτουμε τους μη γραμμικούς όρους σαν νέες μεταβλητές με σκοπό να τους απαλείψουμε: u ds = pω r L qs I qs + m ds V dc (5.2) u qs = pω r L ds I ds pω r λ m + m qs V dc (5.3) Έτσι, από τις (3.17), (3.18) προκύπτουν οι νέες αποζευγμένες γραμμικές εξισώσεις που είναι δυνατόν να ελεγχθούν: di ds dt = 1 L ds ( R S I ds + u ds ) (5.4) di qs dt = 1 L qs ( R S I qs + u qs ) (5.5) Επιλύοντας τις (5.2) και (5.3) ως προς τους λόγους κατάτμησης προκύπτουν για τον d και q άξονα αντίστοιχα: m ds = 1 V dc ( pω r L qs I qs + u ds ) (5.6) m qs = 1 V dc (pω r L ds I ds +pω r λ m + u qs ) (5.7) Ο PI ελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι της μορφής: t u = k I (I ref I)dτ + k 0 P (I ref I) (5.8) Με την εφαρμογή του, οι μεταβλητές u ds και u qs λαμβάνονται αντίστοιχα: 82

όπου I ds,ref = 0 και t u ds = k IIds (I ds,ref I ds )dτ + k 0 PIds (I ds,ref I ds ) (5.9) u qs = k t (I II qs qs,ref I qs )dτ + k 0 (I PI qs qs,ref I qs ) (5.10) t I qs,ref = k Iout (ω r,ref ω r )dτ + k 0 Pout ( ω r ) ο προτεινόμενος ελεγκτής της ταχύτητας[45]. To ω r,ref δίνεται σύμφωνα με το βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου από τη σχέση (2.26): Επομένως οι λόγοι κατάτμησης δίνονται ως εξής: ω r,ref = λ opt v (5.11) R t m ds = 1 [ pω V r L qs I qs + k IIds (I ds,ref I ds )dτ + k dc 0 PIds (I ds,ref I ds )] (5.12) m qs = 1 t [pω V r L ds I ds +pω r λ m + k (I II qs qs,ref I qs )dτ + k (I PI qs qs,ref I qs )] dc (5.13) 0 Για το σχεδιασμό των PI ελεγκτών είναι απαραίτητη η γνώση της συνάρτησης μεταφοράς κλειστού βρόχου. Η εύρεση των κερδών στους PI ελεγκτές γίνεται με τη χρήση του μετασχηματισμού Laplace των εξισώσεων. Έτσι με την εφαρμογή του στις σχέσεις (5.4) και (5.5), η συναρτήσεις μεταφοράς με είσοδο το ρεύμα και έξοδο την τάση είναι οι ακόλουθες[96]: F d (s) = I ds(s) u ds (s) = 1 F q (s) = I qs(s) u qs (s) = 1 R S +L ds s = 1 R S L ds R S s+1 R S +L qs s = 1 R S Lqs R S s+1 (5.14) (5.15) Γνωρίζοντας ότι οι συναρτήσεις μεταφοράς πρώτης τάξης είναι της μορφής τ i s+1 προκύπτει ότι οι (5.14) και (5.15) μπορούν να αντικατασταθούν από πρώτης τάξης συναρτήσεις μεταφοράς με κέρδος 1 R S και ηλεκτρικές σταθερές χρόνου L ds R S και L qs R S για τον d και q άξονα αντίστοιχα[96]. Για τον έλεγχο του ρεύματος με PI ελεγκτή στον d άξονα ακολουθείται το διάγραμμα του σχήματος 5.5. 1 83

Σχήμα 5.5 Βρόχος ελέγχου του ρεύματος στον d άξονα Έτσι, η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου του ρεύματος, με τη συνάρτηση μεταφοράς του PΙ ελεγκτή της σχέσης (5.8) να αντιστοιχεί σε αυτή του σχήματος, είναι: I ds (s) I ds,ref (s) = k PIds s+k IIds s 1+k PIds s+k IIds s 1 R S L ds R S s+1 1 R S L ds R S s+1 = 1 L ds s+r S s+1 k PIds s+k IIds (5.16) Με τη μέθοδο τοποθέτησης πόλων, ο παρονομαστής της συνάρτησης μεταφοράς συγκρίνεται με τη ζητούμενη πρώτης τάξης συνάρτηση μεταφοράς και προκύπτουν τα κέρδη των ελεγκτών[96]: 1 τ i s+1 k IIds = R s τ i (5.17) k PIds = L ds τ i (5.18) Όμοια, ακολουθώντας το διάγραμμα του σχήματος 5.6, είναι δυνατή η σχεδίαση και η εύρεση των κερδών για τον PI ελεγκτή του ρεύματος στον q άξονα. 84

Σχήμα 5.6 Βρόχος ελέγχου του ρεύματος στον q άξονα Αντίστοιχα με την ίδια διαδικασία που προηγήθηκε, τα κέρδη για τον q άξονα προκύπτουν: k II qs = R s τ i (5.19) k PI qs = L qs τ i (5.20) Όσον αφορά την ταχύτητα, ο βρόχος ελέγχου της είναι ο εξωτερικός βρόχος από τον οποίο προκύπτει το ρεύμα αναφοράς για τον q άξονα I qs,ref. Με την εφαρμογή της συνθήκης μηδενικού ρεύματος στον άξονα d και παραλείποντας την μηχανική ροπή T m θεωρώντας την εξωτερική διαταραχή, η σχέση (3.23) γίνεται[45],[93],[96]: dω r dt = 1 J (3 2 pλ mi qs bω r ) (5.21) Στο διάγραμμα του σχήματος 5.7, παρουσιάζεται ο βρόχος για τον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής. Σχήμα 5.7 Βρόχος ελέγχου της ταχύτητας στον q άξονα 85

Με αντικατάσταση του I qs,ref, η σχέση (5.21) γίνεται: dω r t = 1 dt J (3 pλ 2 m(k Iout (ω r,ref ω r )dτ + k 0 Pout ( ω r )) bω r ) (5.22) Επομένως, η συνάρτηση μεταφοράς του κλειστού βρόχου της ταχύτητας με τον PI ελεγκτή με εφαρμογή του μετασχηματισμού Laplace είναι ως εξής[45],[99]: ω r,ref (s) ω r (s) = 3 2 pλ mk Pout s+ 3 2 pλ mk Iout Js 2 +(b+ 3 2 pλ mk Pout )s+ 3 2 pλ mk Iout (5.23) Σύμφωνα με τη μέθοδο τοποθέτησης πόλων, ο παρονομαστής της ανωτέρω σχέσης συγκρίνεται με την ιδανική συνάρτηση μεταφοράς της ίδιας τάξης, που στην περίπτωσή μας είναι δεύτερης, και προκύπτουν τα κέρδη των ελεγκτών. Πιο συγκεκριμένα η συνάρτηση μεταφοράς δεύτερης τάξης, με ω n τη φυσική συχνότητα και ζ το λόγο απόσβεσης, είναι της μορφής[45],[99]: ω r,ref (s) ω r (s) Με σύγκριση των (5.23) και (5.24) προκύπτει: = ω n 2 s 2 +2ζω n s+ω n 2 (5.24) 2ζω n = b+3 2 pλ mk Pout J ω n 2 = 3 2 pλ mk Iout J (5.25) (5.26) Εφαρμόζοντας το κριτήριο 2%, με σκοπό η καμπύλη απόκρισης να μην αποκλίνει περισσότερο του 2% της τελικής τιμής και λαμβάνοντας υπόψη ότι T s 4 ζω n είναι ο χρόνος αποκατάστασης ενός συστήματος δεύτερης τάξης με ζ < 1 μέχρι αυτό να ισορροπήσει, από τις (5.25) και (5.26) προκύπτουν τα κέρδη του ελεγκτή ως εξής[45]: k Pout = 2 3pλ m ( 8 T s J b) (5.27) k Iout = 2 3pλ m ( 4 ζt s ) 2 J (5.28) 5.3.2 Έλεγχος στην πλευρά του φορτίου Για τον έλεγχο ενός μετατροπέα ισχύος υπάρχουν δύο τεχνικές που μπορούν να υιοθετηθούν. Η πρώτη ασχολείται με τον έλεγχο ενεργού και άεργου ισχύος στην οποία ο αντιστροφέας λειτουργεί για να καλύψει ένα συγκεκριμένο σημείο 86

ρύθμισης της ισχύος. Σύμφωνα με το δεύτερο είδος ελέγχου, τη λογική ελέγχου της τάσης, ο αντιστροφέας ελέγχεται ώστε να παρέχει στο φορτίο συγκεκριμένες τιμές τάσης και συχνότητας και ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου ορίζει αυτόματα την παραγωγή ενεργού και άεργου ισχύος. Τα συστήματα που λειτουργούν αυτόνομα και τροφοδοτούν ένα τοπικό φορτίο υιοθετούν το δεύτερο τύπο ελέγχου, μιας και η απουσία τάσης αναφοράς και η αδυναμία ακριβούς εξισορρόπησης της ζήτησης του φορτίου κάνουν τον πρώτο τύπο αδύνατο να εφαρμοστεί. Έτσι, ο έλεγχος που εφαρμόζεται στην πλευρά του φορτίου βασίζεται στην υψηλής απόδοσης τεχνική, αυτή του ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση(voltage Oriented Control-VOC). Όπως και ο έλεγχος με προσανατολισμό που χρησιμοποιήθηκε για τη μηχανή, έτσι και αυτός έχει ως σκοπό την απόζευξη των ρευμάτων του d και q άξονα στο φορτίο[26],[77]. Στα απομονωμένα συστήματα, οι τάσεις και τα ρεύματα πρέπει να ελέγχονται καθώς δεν υπάρχει δίκτυο, ώστε να διατηρηθεί η ισορροπία. Το σύστημα ελέγχου του μετατροπέα από την πλευρά του φορτίου περιλαμβάνει ελεγκτή της τάσης στη dc διασύνδεση και ελεγκτές για τα ρεύματα των ορθογώνιων αξόνων στο φορτίο. Σκοπός του ελεγκτή της dc διασύνδεσης είναι να ελέγχεται άμεσα η τάση στη dc διασύνδεση και να διατηρείται σταθερή και ίση με την τιμή αναφοράς. Οι ελεγκτές των ρευμάτων ρυθμίζουν της τιμές των ρευμάτων που παρέχονται στο φορτίο σε περιπτώσεις εναλλαγών στην ταχύτητα του ανέμου και μεταβολών του φορτίου. Έτσι, με τον έλεγχο των ρευμάτων I qf και I df είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού και άεργου ισχύος αντίστοιχα[77],[100]. Το σχηματικό διάγραμμα ενός ελέγχου στην πλευρά του φορτίου όπως περιγράφηκε απεικονίζεται στο σχήμα 5.8. Οι απλοί PI ελεγκτές που χρησιμοποιούνται και σε αυτή την περίπτωση συνθέτουν βρόχους που ακολουθούν τη σειριακή δομή. Ένας αργός εξωτερικός βρόχος ελέγχει την τάση στη dc διασύνδεση και παράγει το ρεύμα αναφοράς για τον q άξονα, I qf,ref, το οποίο καταλήγει στον εσωτερικό γρήγορο βρόχο που ελέγχει το ρεύμα στον άξονα αυτό. Ένας εσωτερικός βρόχος ακόμα ελέγχει το ρεύμα στο d άξονα με το ρεύμα αναφοράς να ισούται με μηδέν, I df,ref = 0, για την επίτευξη μηδενικής ανταλλαγής άεργου ισχύος μεταξύ του αιολικού συστήματος ηλεκτροπαραγωγής και του φορτίου[99],[100]. 87

Σχήμα 5.8 Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα από την πλευρά του φορτίου[99] Ακολουθώντας τη μεθοδολογία που προηγήθηκε για τον έλεγχο στην πλευρά της μηχανής, θα υπολογιστούν οι λόγοι κατάτμησης m df και m qf, όπως επίσης και τα κέρδη των PI ελεγκτών που χρησιμοποιούνται. Οι εξισώσεις του μοντέλου του συστήματος για την πλευρά του φορτίου σύμφωνα με την ανάλυση που προηγήθηκε στο κεφάλαιο 3 είναι: di df dt = 1 L f ( R f I df + ω f L f I qf m df V dc + V d_cf ) (3.30) di qf dt = 1 L f ( R f I qf ω f L f I df m qf V dc + V q_cf ) (3.31) dv dc dt = 3 (m 2C dfi df + m qf I qf m ds I ds m qs I qs ) V 2 dc R dc C (3.45) Είναι εμφανής και πάλι η έντονη μη γραμμικότητα που παρουσιάζουν οι εξισώσεις αυτές. Επομένως, θα θέσουμε νέες μεταβλητές τις u df, u qf για την απόζευξη των εξισώσεων: u df = ω f L f I qf m df V dc + V d_cf (5.29) u qf = ω f L f I df m qf V dc + V q_cf (5.30) Με την εφαρμογή τους στις σχέσεις (3.30) και (3.31), προκύπτουν οι νέες εξισώσεις: 88

di df dt = 1 L f ( R f I df + u df ) (5.31) di qf dt = 1 L f ( R f I qf + u qf ) (5.32) Επομένως, οι λόγοι κατάτμησης του μετατροπέα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο στην πλευρά του φορτίου, με την επίλυση των (5.29), (5.30), είναι οι ακόλουθοι: m df = 1 V dc (ω f L f I qf + V dcf u df ) (5.33) m qf = 1 V dc ( ω f L f I df + V qcf u qf ) (5.34) Με την εφαρμογή του PI ελεγκτή όπως αυτός δίνεται από τη σχέση (5.8), οι μεταβλητές u df και u qf είναι της μορφής: όπου I df,ref = 0 και t u df = k IIdf (I df,ref I df )dτ + k 0 PIdf (I df,ref I df ) (5.35) t u qf = k IIqf (I qf,ref I qf )dτ + k 0 PIqf (I qf,ref I qf ) (5.36) t I qf,ref = k IVdc (V dc,ref V dc )dτ + k 0 PVdc ( V dc ) Έτσι, οι λόγοι κατάτμησης προκύπτουν τελικά ως εξής: t m df = 1 [ω V f L f I qf + V dcf k IIdf (I df,ref I df )dτ k dc 0 PIdf (I df,ref I df )] (5.37) m qf = 1 t [ ω V f L f I df + V qcf k IIqf (I qf,ref I qf )dτ k dc 0 PIqf (I qf,ref I qf )] (5.38) Τα κέρδη των PI ελεγκτών προκύπτουν αντίστοιχα σύμφωνα με τις συναρτήσεις μεταφοράς πρώτης τάξης κλειστού βρόχου. Η μορφή των κλειστών βρόχων είναι αυτή που παρουσιάστηκε στα σχήματα 5.5 και 5.6. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία, οι συναρτήσεις μεταφοράς με εφαρμογή του μετασχηματισμού Laplace στις σχέσεις (5.31),(5.32) είναι: G d (s) = G q (s) = I df(s) u df (s) = 1 R f +L f s = 1 R f L f R f s+1 (5.39) Συνεπώς, τα κέρδη του ελεγκτή για τον d και q άξονα σύμφωνα με τη μέθοδο τοποθέτησης πόλων στη συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου είναι: k IIdf = k IIqf = R f τ i (5.40) 89

k PIdf = k PIqf = L f τ i (5.41) O PI ελεγκτής στη dc διασύνδεση είναι της μορφής [45]: t I qf,ref = k IVdc (V dc,ref V dc )dτ + k 0 PVdc ( V dc ) (5.42) Η συνάρτηση μεταφοράς ανοιχτού βρόχου της σχέσης (3.45), θεωρώντας το dc ρεύμα στην απέναντι πλευρά ως διαταραχή και με Ι df = I df,ref = 0 καθώς ο εσωτερικός βρόχος είναι πιο γρήγορος από τον εσωτερικό, είναι [45]: H Vdc (s) = V dc(s) = 3 m qf I qf (s) 2 (Cs+ 1 R ) dc (5.43) Επομένως, η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόχου του συστήματος προκύπτει ως εξής: V dc V dc,ref = 3 m qf 2 C k I Vdc s 2 +( 3 2 m qfk PVdc + 1 R ) 1 dc C s+3 2 m qf C k I Vdc (5.44) Η συνάρτηση μεταφοράς αυτή είναι δεύτερης τάξης και συγκρίνεται με την επιθυμητή συνάρτηση μεταφοράς[45]: όπου ω n 2 = 3 2 m qf C V dc V dc,ref = k I Vdc και 2ζω n = ( 3 m 2 qfk PVdc + 1 R ) 1. dc C ω n 2 s 2 +2ζω n s+ω n 2 (5.45) Επιλέγοντας ξανά το κριτήριο 2% και με το χρόνο αποκατάστασης T s 4 ζω n,, καταλήγουμε ότι[45]: k IVdc = 2 3 k PVdc = 2 3 C ( 4 m qf 1 ( 8C 1 m qf T s ζ T s ) 2 (5.46) R dc ) (5.47) 90

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Προσομοιώσεις, Συμπεράσματα και Προοπτικές 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ενός απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα που εξετάζουμε αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν back-to-back μετατροπέα ισχύος με ένα dc φορτίο στην dc διασύνδεσή του και ένα τοπικό ac φορτίο, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.1. Ένα φίλτρο RLC τοποθετείται μεταξύ μετατροπέα και φορτίου με σκοπό την αποκοπή των ανεπιθύμητων υψηλής συχνότητας αρμονικών που παράγονται από την πλευρά του φορτίου και την παροχή καλής ποιότητας ισχύος στο φορτίο. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του προγράμματος λογισμικού MATLAB/Simulink. Στη συνέχεια παρατίθενται τα συμπεράσματα της μελέτης του συστήματος αυτού καθώς και προτάσεις για βελτίωση και περαιτέρω έρευνα. Σχήμα 6.1 Δομικό διάγραμμα του υπό μελέτη απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας 91

6.2 Το μοντέλο του συστήματος και ο έλεγχος Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση του συστήματος, τόσο για την ανεμογεννήτρια και τη σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη όσο και για το φίλτρο και τη DC διασύνδεση παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες. Μέγεθος Τιμή Πυκνότητα αέρα (ρ) 1.223 kg/m 3 Ακτίνα πτερυγίων (R radius) 35 m Ροπή αδράνειας (J) 3.675 10 6 kgm 2 Συντελεστής τριβής (b) 0.005 Νms/rad Ονομαστική ισχύς (P N) 2 MW Ζεύγη πόλων (p) 26 Αντίσταση τυλιγμάτων στάτη (R S) Αυτεπαγωγή στάτη d άξονα (L ds) Αυτεπαγωγή στάτη Q άξονα (L qs) Μαγνητική ροή μόνιμων μαγνητών (λ m) 0.821 mω 1.5731 mh 1.5731 mh 5.8264 Wb (rms) Πίνακας 6.1 Δεδομένα ανεμογεννήτριας με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη Μέγεθος Αντίσταση φίλτρου (R f) Αυτεπαγωγή φίλτρου (L f) Χωρητικότητα πυκνωτή φίλτρου (C f) Τιμή 0.04 Ω 1 mh 100 μf Πίνακας 6.2 Δεδομένα RLC φίλτρου Μέγεθος Χωρητικότητα πυκνωτή (C) Ονομαστική τάση (V dc) Τιμή 10 mf 1800 V Πίνακας 6.3 Δεδομένα DC διασύνδεσης 92

Όπως προέκυψε από το κεφάλαιο 3, το μοντέλο που διέπει τη λειτουργία του απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει ως εξής: o Πλευρά της μηχανής di ds dt o DC διασύνδεση = 1 L ds ( R S I ds + pω r L qs I qs + m ds V dc ) (3.17) di qs dt = 1 L qs ( R S I qs pω r L ds I ds pω r λ m + m qs V dc ) (3.18) dω r dt = 1 J (3 2 p(l ds L qs )I qs I ds ) + 3 2 pλ mi qs T m bω r ) (3.23) dv dc dt = 3 o Πλευρά του φορτίου di df dt di qf dt (m 2C dfi df + m qf I qf m ds I ds m qs I qs ) V 2 dc R dc C (3.45) = 1 L f ( R f I df + ω f L f I qf m df V dc + V d_cf ) (3.30) = 1 L f ( R f I qf ω f L f I df m qf V dc + V q_cf ) (3.31) dv d_cf dt = 1 C f ( I df V d_c f R ac + ω f C f V q_cf ) (3.34) dv q_cf dt = 1 C f ( I qf V q_c f R ac ω f C f V d_cf ) (3.35) Για την παραγωγή μέγιστης ισχύος, η ανεμογεννήτρια του συστήματος λειτουργεί για το βέλτιστο λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ opt = 6.325 υπό γωνία βήματος πτερυγίου β = 0. Έτσι, ο δρομέας στρέφεται με τη βέλτιστη γωνιακή ταχύτητά του για κάθε ταχύτητα του ανέμου ως εξής: και η ροπή για C T (λ opt ) = C Popt λopt δίνεται: ω ropt = λ opt v (2.19) R Τ M opt = 1 2 πρc T(λ opt )R 3 v 2 (2.21) Όσον αφορά τον έλεγχο του συστήματος, αυτός χωρίζεται σε δύο μέρη. Στην πλευρά της μηχανής, όπως αναλύθηκε στο κεφάλαιο 5, εφαρμόζεται η τεχνική του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στο πεδίο. Ο έλεγχος με προσανατολισμό στην τάση εφαρμόζεται από την πλευρά του φορτίου. Στη συνέχεια θα υπολογιστούν τα κέρδη των ελεγκτών που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διαδικασία της προσομοίωσης. 93

6.2.1 Τα κέρδη των ελεγκτών στην πλευρά της μηχανής Ο εφαρμοζόμενος έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής έχει σκοπό την παροχή μέγιστης ισχύος στο φορτίο ανεξαρτήτως των διαταραχών που μπορεί να εμφανιστούν. Αυτό επιτυγχάνεται με τον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα της ανεμογεννήτριας (ω r ). Ένας εξωτερικός βρόχος ελέγχει την ταχύτητα του δρομέα για κάθε ταχύτητα του ανέμου συγκρίνοντάς την ταχύτητα αναφοράς ω r ref = ω r opt και δίνει το ρεύμα αναφοράς του q άξονα Ι qs,ref. Αυτό καταλήγει στον εσωτερικό βρόχο που ελέγχει το ρεύμα του στάτη της μηχανής στον q άξονα. Ένας ακόμη εσωτερικός βρόχος ελέγχου χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ρεύματος του στάτη στον d άξονα με αναφορά Ι ds,ref = 0. Τα κέρδη των PI ελεγκτών προκύπτουν: k IIds = R s τ i (5.17) k PIds = L ds τ i (5.18) k II qs = R s τ i (5.19) k PI qs = L qs τ i (5.20) k Pout = 2 3pλ m ( 8 T s J b) (5.27) k Iout = 2 3pλ m ( 4 ζt s ) 2 J (5.28) Εφαρμόζοντας, για τους εσωτερικούς βρόχους ελέγχου, σταθερά χρόνου τ i = 1 msec και για τον εξωτερικό βρόχο χρόνο αποκατάστασης T s = 10sec και λόγο απόσβεσης ζ = 0.707, χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα κέρδη: Μέγεθος Τιμή Ελεγκτές ρεύματος Κέρδος ολοκληρωτικού όρου d άξονα (k IIds ) 0.821 Κέρδος αναλογικού όρου d άξονα (k PIds ) 1.5731 Κέρδος ολοκληρωτικού όρου q άξονα (k ) II qs 0.821 Κέρδος αναλογικού όρου q άξονα (k ) PI qs 1.5731 Ελεγκτής ταχύτητας Κέρδος ολοκληρωτικού όρου (k Iout ) 9148,9 Κέρδος αναλογικού όρου (k Pout ) 3660,7 Πίνακας 6.4 Κέρδη PI ελεγκτών στην πλευρά της μηχανής 94

6.2.2 Τα κέρδη των ελεγκτών στην πλευρά του φορτίου Ο έλεγχος του μετατροπέα από την πλευρά του φορτίου αποσκοπεί στη ρύθμιση της τάσης στη DC διασύνδεση. Η τάση αυτή ελέγχεται με την εφαρμογή ενός εξωτερικού βρόχου έχοντας σαν αναφορά την ονομαστική τάση στη DC διασύνδεση V dc,ref = 1800 V. Από το βρόχο αυτό προκύπτει το ρεύμα αναφοράς Ι qf,ref του εσωτερικού βρόχου ελέγχου του ρεύματος εξόδου του μετατροπέα στον q άξονα. Ένας ακόμη γρήγορος εσωτερικός βρόχος ελέγχει το ρεύμα στην έξοδο του μετατροπέα στον d άξονα εφαρμόζοντας και πάλι την τεχνική μηδενισμού του ρεύματος Ι df,ref = 0. Τα κέρδη των ελεγκτών στην περίπτωση αυτή προκύπτουν από τις σχέσεις: k IIdf = k IIqf k PIdf = k PIqf = R f τ i (5.40) = L f τ i (5.41) Όσον αφορά τα κέρδη του ελεγκτή της DC διασύνδεσης όπως δίνονται από τις σχέσεις (5.46) και (5.47), με τη διαίρεσή τους απαλείφεται ο όρος m qf και με κατάλληλη επιλογή του χρόνου αποκατάστασης T s = 1 sec. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι εξωτερικοί βρόχοι είναι πιο αργοί από τους εσωτερικούς, έπειτα από δοκιμές καταλήξαμε στην επιλογή των κερδών του ελεγκτή ως εξής[45]: k IVdc = 40 (6.1) k PVdc = 10 (6.2) Επιλέγοντας ξανά σταθερά χρόνου τ i = 1 msec για τους εσωτερικούς βρόχους, συγκεντρωτικά ακολουθούν τα κέρδη των ελεγκτών στην πλευρά του φορτίου: Μέγεθος Τιμή Ελεγκτές ρεύματος Κέρδος ολοκληρωτικού όρου d άξονα (k IIdf ) 40 Κέρδος αναλογικού όρου d άξονα (k PIdf ) 1 Κέρδος ολοκληρωτικού όρου q άξονα (k IIqf ) 40 Κέρδος αναλογικού όρου q άξονα (k PIqf ) 1 Ελεγκτής DC διασύνδεσης Κέρδος ολοκληρωτικού όρου (k IVdc ) 40 Κέρδος αναλογικού όρου (k PVdc ) 10 Πίνακας 6.4 Κέρδη PI ελεγκτών στην πλευρά του φορτίου 95

6.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας Στο απομονωμένο σύστημα που παρουσιάστηκε στην ενότητα 6.1 είναι δυνατό να παρουσιαστούν εναλλαγές τόσο στην ταχύτητα του ανέμου όσο και στα φορτία στην DC και AC πλευρά του μετατροπέα. Έτσι, οι προσομοιώσεις που εκτελέστηκαν στα πλαίσια τις εργασίας αυτής, αφορούν τις ανωτέρω μεταβολές και εξετάζεται η συμπεριφορά και η απόκριση των μεταβλητών του συστήματος. Όλες οι μεταβολές που εφαρμόστηκαν είναι βηματικές και εντός των ορίων λειτουργίας του συστήματος, ενώ ο χρόνος προσομοίωσης τέθηκε στα 85 sec. Ο χρόνος που επιλέχτηκε μεταξύ των εναλλαγών είναι 10 sec, όσο και ο μέγιστος χρόνος απόκρισης όπως ορίστηκε από τους ελεγκτές, με σκοπό να έχει ισορροπήσει το σύστημα μέχρι την επόμενη μεταβολή. Οι μεταβολές που εφαρμόστηκαν παρουσιάζονται στο σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2 Mεταβολές του συστήματος στην ταχύτητα του ανέμου και τα φορτία 96

Στο σχήμα 6.3 που ακολουθεί παρουσιάζεται η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα ω r σε σύγκριση με την ταχύτητα αναφοράς του ω r κατά τη διάρκεια των ref ανωτέρω μεταβολών. Σχήμα 6.3 Ταχύτητα περιστροφής του δρομέα σε σύγκριση με την ταχύτητα αναφοράς Όπως φαίνεται, η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα επηρεάζεται αποκλειστικά από τις μεταβολές στην ταχύτητα του ανέμου όπως είναι φυσικό και φαίνεται από τη σχέση (2.19). Στις χρονικές στιγμές αυτές εμφανίζονται κάποιες υπερυψώσεις, που σε χρόνο λιγότερο των 10 sec, που είναι ο χρόνος αποκατάστασης, η ταχύτητα αυτή προσεγγίζει την ταχύτητα αναφοράς παρέχοντας τη μέγιστη δυνατή ισχύ. Τα μεταβατικά αυτά φαινόμενα φαίνεται να είναι αρκετά ήπια και δεν ξεπερνούν το 2% της τελικής τιμής όπως έχει οριστεί από τον PI ελεγκτή. Στις ομαλές μεταβάσεις της ταχύτητας του ανέμου, όπως αυτή από 10 m/sec στα 9 m/sec στα 5 sec, φαίνεται να είναι ακόμη μικρότερου εύρους από τις πιο απότομες μεταβάσεις όπως στην περίπτωση των 75 m/sec όπου η ταχύτητα του ανέμου από 12 m/sec καταλήγει στα 9,5 m/sec. Έτσι, ο ελεγκτής της ταχύτητας περιστροφής λειτουργεί αποδοτικά οδηγώντας την ταχύτητα του δρομέα κάθε φορά στη βέλτιστη αναφορά. 97

Στο σχήμα 6.4 που ακολουθεί φαίνεται η μηχανική ροπή της ανεμογεννήτριας όπως αυτή δίνεται από τη σχέση (2.21). Σχήμα 6.4 Μηχανική ροπή της ανεμογεννήτριας Όπως φαίνεται, η μηχανική ροπή, επηρεαζόμενη αποκλειστικά από την ταχύτητα του ανέμου, παρουσιάζει κάποιες υπερυψώσεις ή βυθίσεις σε αντίστοιχες διακυμάνσεις του ανέμου, που σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα ισορροπούν στη βέλτιστη τιμή. Στη συνέχεια, ακολουθούν τα ρεύματα του στάτη της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη στον d και q άξονα του σχήματος 6.5. 98

Σχήμα 6.5 Ρεύμα στο στάτη της μηχανής στους άξονές d και q Το ρεύμα του στάτη στον d άξονα όπως προκύπτει από το παραπάνω διάγραμμα είναι σταθερό και ίσο με μηδέν καθ όλη τη διάρκεια των διαταραχών τόσο στην ταχύτητα του ανέμου όσο και στα φορτία. Είναι εμφανής λοιπόν η αποτελεσματικότητα του PI ελεγκτή που χρησιμοποιείται, μιας και το ρεύμα ακολουθεί το ρεύμα αναφοράς που έχει οριστεί ως μηδέν σύμφωνα με τη τεχνική μηδενισμού του ρεύματος όπως έχει επιλεχθεί. Η q συνιστώσα του ρεύματος στον στάτη, σύμφωνα με το σχήμα 6.5, επηρεάζεται άμεσα από τις μεταβολές στην ταχύτητα του ανέμου. Παρατηρούμε ότι στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, είτε αφορούν αύξηση είτε μείωση της τιμής της, τα μεταβατικά φαινόμενα είναι αρκετά απότομα. Στα 25 sec και στα 65 sec όπου η ταχύτητα αυξάνεται από 9 m/sec σε 11 m/sec και μειώνεται από 12 m/sec στα 9.5 m/sec αντίστοιχα, το ρεύμα στον q άξονα παρουσιάζει,στην πρώτη περίπτωση απότομη μείωση και μετέπειτα μικρή αύξηση ώστε να πάρει την τιμή αναφοράς του. Στη δεύτερη περίπτωση, εμφανίζει απότομη αύξηση και στη συνέχεια μια μικρή μείωση. Σε μικρότερες διακυμάνσεις της ταχύτητας, παρατηρείται η ίδια συμπεριφορά, με ελάχιστα πιο ομαλές υπερυψώσεις και βυθίσεις. Τα μεταβατικά αυτά φαινόμενα οφείλονται στη ροπή αδράνειας της 99

ανεμογεννήτριας. Η αρνητική τιμή του ρεύματος δικαιολογείται, καθώς αυτό εξέρχεται από τη μηχανή, ενώ η φορά που έχει ληφθεί υπόψη στην ανάλυση ακολουθεί την πορεία από το φορτίο προς τη μηχανή. Με μια αύξηση του χρόνου αποκατάστασης στον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα θα επιτυγχάναμε πιο ομαλές διακυμάνσεις στο ρεύμα του στάτη στον q άξονα, όμως αύξηση του χρόνου αυτού θα σήμαινε αύξηση του χρόνου επίτευξης της ταχύτητας αναφοράς στον εξωτερικό βρόχο. Μεταβολές στα φορτία φαίνεται να επηρεάζουν μηδαμινά το ρεύμα στον q άξονα. Στο σχήμα 6.6 που ακολουθεί παρουσιάζονται η ενεργός και η άεργος ισχύς από την πλευρά της μηχανής. Σχήμα 6.6 Ενεργός και άεργος ισχύς στην πλευρά της μηχανής Η ενεργός ισχύς της μηχανής δίνονται από τις σχέσεις P s = 3 2 (V qsi qs + V ds I ds ). Με το μηδενισμό του ρεύματος στον d άξονα, όπως γίνεται φανερό και από το 100

σχήμα 6.6, η ισχύς εξαρτάται από το ρεύμα στον q άξονα και εμφανίζει ανάλογη συμπεριφορά. Έτσι, διακυμάνσεις στην ταχύτητα του ανέμου επηρεάζουν την ενεργό ισχύ της μηχανή, ενώ κάποια αλλαγή στα φορτία δε φαίνεται να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ισχύ που παρέχει η μηχανή. Το ίδιο ισχύει και για την άεργο ισχύ. Το σχήμα 6.7 απεικονίζει του λόγους κατάτμησης στους δύο άξονες όπως αυτοί προκύπτουν με τις εφαρμοζόμενες μεταβολές. Σχήμα 6.7 Λόγοι κατάτμησης d και q άξονα στην πλευρά της μηχανής Μεταβολές κυρίως στην ταχύτητα του ανέμου και στο ac φορτίο φαίνεται να επηρεάζουν τους λόγους κατάτμησης m ds και m qs. Ο πρώτος παρουσιάσει πιο απότομες μεταβολές σε μια αλλαγή της ταχύτητας του ανέμου ενώ η συμπεριφορά του δεύτερου φαίνεται να επηρεάζεται αρκετά και από τις μεταβολές στο φορτίο. Το dc φορτίο επιβάλει μια αμελητέα διακύμανση. Αύξηση ή μείωση στην ταχύτητα του ανέμου επιφέρουν αντίστοιχη αύξηση ή μείωση στους λόγους κατάτμησης. Αντίστοιχη αύξηση ή μείωση της τιμής του φορτίου, αυξάνει ή μειώνει για πολύ μικρό χρονικό διάστημα (1-2 sec) τους λόγους αυτούς. Σε κάθε περίπτωση, οι τιμές 101

τους βρίσκονται μέσα στα επιτρεπτά όρια, καθώς είναι αρκετά μικρότεροι της μονάδας και ικανοποιείται η απαίτηση m ds 2 + m qs 2 0.25. Το σχήμα 6.8 απεικονίζει τη συμπεριφορά της τάσης στη DC διασύνδεση κατά τη διάρκεια των διαταραχών που επιβάλλονται στο σύστημα. Σχήμα 6.8 Η τάση στη DC διασύνδεση του μετατροπέα Ο ελεγκτής που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τάσης στη DC διασύνδεση, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.8, επιτυγχάνει το στόχο του. Η τιμή της τάσης διατηρείται σταθερή στα 1800 V, όσο και η τάση αναφοράς που έχει οριστεί. Διακυμάνσεις παρουσιάζονται κατά τις μεταβολές τόσο της ταχύτητας του ανέμου όσο και της τιμής του ac φορτίου. Όσον αφορά την ταχύτητα του ανέμου, οι μεταβάσεις που παρουσιάζονται είναι αμελητέες και δεν ξεπερνούν το 2% της τελικής τιμής ενώ το σύστημα επανέρχεται γρήγορα. Υπερυψώσεις που δεν ξεπερνούν κατά πολύ την τάση αναφοράς εμφανίζονται και σε διακυμάνσεις του ac φορτίου. Ο χρόνος αποκατάστασης κυμαίνεται από 1-2 sec και το εύρος τους αυξάνεται όσο πιο απότομη μεταβολή επιβάλουμε. To dc φορτίο επιβάλει αμελητέες υπερυψώσεις της τάξης των mv που δεν είναι εμφανείς στο σχήμα. 102

Τα ρεύματα d και q άξονα του μετατροπέα στην πλευρά του φορτίου παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήμα 6.9 Σχήμα 6.9 Ρεύμα στην πλευρά του φορτίου στους άξονες d και q Το ρεύμα στον d άξονα από την πλευρά του φορτίου, ανεξαρτήτως των μεταβολών που επιβάλλονται, διατηρείται ίσο με το μηδέν. Αυτό αποδεικνύει την αποτελεσματική λειτουργία του PI ελεγκτή καθώς κατά τον έλεγχο εφαρμόζεται μηδενικό ρεύμα αναφοράς με σκοπό τον περιορισμό της άεργου ισχύος. Όπως διαπιστώνεται από το σχήμα 6.9, η συμπεριφορά του ρεύματος στον q άξονα επηρεάζεται από μεταβολές τόσο στην ταχύτητα του ανέμου όσο και στο ac φορτίο που τροφοδοτείται. Αυτό είναι λογικό, μιας και ακολουθείται το ρεύμα αναφοράς που λαμβάνεται από τον εξωτερικό βρόχο ελέγχου της τάσης στη DC διασύνδεση. Απότομες υπερυψώσεις και βυθίσεις λαμβάνουν χώρα στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου ενώ είναι πιο ομαλές σε ήπιες μεταβολές. Σε αύξηση ή μείωση της τιμής του ac φορτίου παρατηρείται αντίστοιχα, κατακόρυφη αύξηση ή μείωση του ρεύματος στο q άξονα, μιας και από αυτή εξαρτάται άμεσα το ρεύμα στην πλευρά αυτή. Το dc φορτίο φαίνεται να επηρεάζει μηδαμινά το ρεύμα αυτό. 103